微咸水灌溉對鹽堿地土壤水鹽分布與冬小麥產量的影響

牟曉宇，龐桂斌，張立志，王天宇，徐征和

(1.濟南大學水利與環境學院，濟南 250022；2．山東省水利科學研究院，濟南 250013；3．石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003.)

0 引 言

黃河三角洲位于山東省東部，由于自然環境制約，黃河三角洲地表水資源匱乏，地下水以咸水和微咸水為主，地下水埋深淺，黃河水為本區域最重要的淡水來源，區域供水壓力大[1]。若在該區域開發利用微咸水，不僅可以為作物的生長提供所需要的水分，節約淡水資源，還可以降低地下水水位，緩解土壤鹽堿化問題[2]。雖然微咸水中含有一定鹽分，但短時間內微咸水帶入土壤的鹽分含量較少。如果土壤初始含鹽量比較低，微咸水帶入的鹽分不足以對作物生長和土地質量造成明顯的影響[3]。但微咸水灌溉使用不當會造成土壤持續積鹽，造成后續年份作物減產[4,5]。因此必須在掌握土壤水分、鹽分的時空變化規律的前提下，科學合理地利用咸水，依據作物需水及耐鹽情況制定灌溉方案[5]。本文根據當地的灌溉習慣，設計不同的淡咸水灌溉組合，研究微咸水灌溉對土壤水鹽分布以及作物產量的影響，以便于尋求合理的微咸水灌溉方案，對于開發利用當地的地下咸水資源，發展當地灌溉農業有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試區位于山東省濱州市沾化區下洼鎮張王二村[如圖1(a)]，地理坐標為117°45′E-118°21′E， 37°34′N-38°11′N。該區屬于溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期。年平均氣溫12 ℃，年平均日照時數約為2 690.3 h，雨季一般開始于6月下旬或7月上旬，在8月中、下旬結束，年均降水量約575 mm，年平均蒸發量約1 800 mm，年均蒸降比3.22。2015-2017年小麥生育期降雨量情況如表1所示。試驗區地下水位埋深為2～3 m，淺層地下水為咸水，礦化度5～10 g/L，0～40 cm土壤平均含鹽量為2.11 g/kg，屬于中度鹽堿地，土壤理化性質如表2。

表1 冬小麥生育期降雨 mm

圖1 試區地理位置概況圖Fig.1 Geographical location overview map of the test area

土層/cm容重/(g·cm-3)pHCl-/(g·kg-1)K+/(g·kg-1)Na+/(g·kg-1)總鹽/(g·kg-1)土壤性質0～201.397.30.510.10.141.36壤土20～401.337.131.950.080.242.86砂質壤土40～601.327.070.760.080.231.56砂質壤土60～801.367.030.250.070.120.78壤質沙土80～1001.467.030.270.060.140.85壤土

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計

試驗田設置4個試驗處理[如圖1(b)和表3]，每個處理設置3個重復，共12個試驗小區，小區面積為3 m×6 m，隨機排列。為避免測滲干擾，各小區之間用薄膜做隔水處理，并且在試驗田周圍設有保護區。

表3 大田冬小麥微咸水灌溉試驗方案 mm

本次試驗以冬小麥作為供試作物，播種時間分別為2015年10月8日和2016年10月2日，生育期分別為249 d和248 d。試驗設置灌水水量與灌水水質兩個因素。灌溉水量設置240和160 mm，灌溉水質則設置微咸水與淡水。由于冬小麥在幼苗時期，扎根較淺，根系對鹽分比較敏感[1,6]，所以在返青-拔節期采用了淡水灌溉，在拔節-抽穗和抽穗-灌漿期采用微咸水和淡水的組合灌溉方案。灌溉水源來自試區淺層地下水，試驗區安裝一套咸水淡化裝置，淡化處理后的水直接作為淡水水源，灌溉所用微咸水為淺層地下水與淡水水源充分混合，令其礦化度降至3 g/L后用于灌溉[1]。

1.2.2 觀測項目

在冬小麥的生長過程中，利用土鉆在冬小麥的灌溉前后、種植前、收獲后分別取土樣進行鹽分和水分測定。土壤采集的層次分別是0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm。觀測到的項目有土壤含水率、全鹽量和電導率。土壤含水率的測定采用烘干稱重的方法。土壤的全鹽量和電導率用水土比5∶1的土壤浸提液測定，具體操作參考《土壤農業化學分析方法》[7]。

作標記定點來觀測株高，在抽穗前測量土面至最高葉尖的長度作為株高，在抽穗后測量土面至穗頂的長度作為株高。每個處理取三株有代表性的植株，分別將植株地上部分，在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后降溫至70 ℃再烘48 h，稱地上干物質重。各處理考察有效穗數、每穗粒數、實粒數和千粒重，并以此來計算理論產量和實際產量。理論產量(kg/hm2)=有效穗數(萬穗/hm2)×每穗實粒數(粒/穗)×千粒質量(g)×10～2。實際產量按照各小區單打單收，分別裝袋，做好標簽，曬干揚凈后測定。

2 結果與分析

2.1 土壤水鹽動態變化

2.1.1 土壤含水率變化

從土壤垂向分析發現(圖2和圖3)，土壤表層(0～30 cm)的含水率變化更為明顯。例如在第一次灌溉(2016-03-11/2017-03-15)前后，T2處理土壤2016年0～20 cm土層的土壤含水率灌后增加6.24%，20～40 cm增加1.89%，40～60 cm增加0.04%，60～80 cm增加0.67%，80～100 cm增加0.61%。這主要是因為上層土壤受灌水、降雨和蒸發影響較大的結果[8]。

第一次灌溉至第二次灌溉(2016-04-21/2017-04-23)之前，表層土壤含水率下降明顯，其原因是由于春季降雨較少，土壤水分蒸發損失量大。第二次灌溉后，T3雖然采用了微咸水灌溉，但土壤水分補充程度與淡水灌溉補充效果基本一致。例如，2016年，T1處理土壤0～20 cm土壤含水率增加2.76%，20～40 cm增加1.59%，T3處理土壤0～20 cm增加14.69%，20～40 cm增加2.71%。第三次灌溉(2016.5.15/2017.5.12)，T1、T3表層土壤含水率達到12.5%～19.9 %，而T2、T4由于未灌溉表層土壤含水率僅能達到10.78%～13.64%。在相同灌溉水量下，T3較T1既可以確保適宜的土壤水分維持作物生長，又可以節約淡水資源。

圖2 2015-2016年土壤含水率 Fig.2 Soil moisture in 2015-2016

圖3 2016-2017年土壤含水率Fig.3 Soil moisture in 2016-2017

2.1.2 土壤鹽分變化

由圖4和圖5可知，表層土壤含鹽量由于受到灌溉、降雨和蒸發因素的影響較大，其變化較深層土壤更為明顯。試驗開始前，第一年的表層土壤含鹽量大于底層，這是由于試驗區一直處于干旱無雨和少灌溉狀態，地下水埋深較淺，強烈的蒸發作用使得土壤鹽分呈現表聚趨勢[9]。而第二年的底層土壤含鹽量大于表層，是因為第一年表層土壤鹽分經淋洗向下運移的結果。

圖4 2015-2016年土壤含鹽量Fig.4 Soil salt content in 2015-2016

圖5 2016-2017年土壤含鹽量Fig.5 Soil salt content in 2016-2017

第一次灌溉至第二次灌溉前，由于春季干燥少雨，蒸發量大，土壤表層出現明顯的返鹽現象。第二次灌溉，T3、T4由于采用了微咸水灌溉，土壤表層含鹽量增加。例如在2016年0～20 cm土壤含鹽量分別增加0.8、0.34 g/kg；20～40 cm土壤含鹽量分別增加0.39、1.22 g/kg。T1、T2因為采用淡水灌溉，土壤含鹽量明顯下降。第三次灌溉中，T1處理土壤受淡水淋洗作用，土壤含鹽量明顯下降，而T3由于采用微咸水進行灌溉，表層土壤含鹽量增加。T2和T4由于未進行灌溉，表層土壤返鹽現象明顯。例如2016年T2處理土壤0～20 cm土壤含鹽量增加1.54 g/kg，T4增加0.71 g/kg。小麥收割后，該地區進入雨季，降雨使得土壤表層含鹽量明顯下降。

2.1.3 土壤鹽分盈虧分析

由表4可知，在2015-2016生育期內，由于T1三次灌水均采用了淡水，土壤鹽分下降0.053 g/kg，T2、T3、T4處理則表現出了不同程度鹽分的積累，積累程度表現為T3

2.2 冬小麥生長狀況分析

2.2.1 微咸水灌溉對株高、干物質的影響

從拔節期開始株高迅速增加，至抽穗期增加速率最高，此后至灌漿期緩慢增加并達到平衡[1]。通過兩年的數據比對可以發現(圖6)，微咸水灌溉的小麥生長高度和速率都要略低于淡水處理的小麥生長高度和速率。例如，2016年T1、T2在拔節期灌水后測得生長高度為65.07、63.33 cm；T3、T4的生長高度為59.05、59.49 cm。

表4 2015-2016年的土壤鹽分盈虧情況 g/kg

圖6 冬小麥株高變化Fig.6 Changes in plant height of winter wheat

灌漿期是冬小麥干物質積累最關鍵的時期[10]。如圖7所示，2016年灌漿期干物質積累量T3>T1>T4>T2，2017年積累量T1>T3>T2>T4，三次灌水的干物質積累量要大于兩次灌水。主要原因是在缺水的條件下，冬小麥的灌漿速率將會受到水分脅迫作用的影響，使得冬小麥的灌漿時間縮短，影響干物質積累[10]。

圖7 冬小麥地上干物質變化Fig.7 Changes of dry matter above ground in winter wheat

2.2.2 微咸水灌溉對產量的影響

不同處理的產量對比(表5)發現，2016年冬小麥產量：T1>T2>T3>T4，2017年冬小麥產量：T1>T3>T2>T4。在相同的灌水定額下，微咸水灌溉處理的產量明顯少于淡水灌溉處理，例如，2016年T3較T1減產7.82%，T4較T2減產2.6%。在相同灌水水質下，兩水灌溉處理產量明顯少于三水灌溉處理，水分脅迫對產量抑制作用更加明顯，例如，2017年T2較T1減產12.91%，T4較T3減產24.98%。從產量構成因素分析，T3、T4雖然較T1、T2穗粒數減少，但是千粒重卻相差不大，說明灌水促進了籽粒的灌漿，提高了冬小麥的千粒質量，是實現冬小麥增產的主要原因[11]。

3 討 論

吳忠東等在南皮生態試驗站研究發現，灌前含水率主要決定于降水量的多少，而灌后含水率則表現為淡水灌溉高于微咸水灌溉的趨勢；灌溉2～3次微咸水的處理均發生了不同程度的積鹽現象，在使用2次微咸水進行組合灌溉的時候宜采用咸淡交替灌溉的方式，以避免加重土壤的積鹽程度[4]。本文研究中，微咸水灌溉對土壤含水率的抑制作用不明顯，與前人的研究結果存在差異，這可能與兩試驗區土壤理化性質差異有關，本試驗區土壤較南皮試驗區土壤顆粒大，孔隙大，通氣透水性好，有利于鹽分的淋洗，所以受微咸水抑制作用減弱。本文試驗中，T3和T4處理同樣也導致了一定的鹽分積累，雨季雨水的淋洗會減少鹽分積累，但是如果遇到枯水年，應及時采用淡水淋洗排鹽，避免鹽分在土壤表層積累[12]。

表5 2016季與2017季冬小麥產量Tab.5 Winter wheat yield in 2016 and 2017

Singh 等發現冬小麥產量隨微咸水噴灌灌水量的增加而增加，灌溉水礦化度增加時，增加灌水頻率能減緩冬小麥產量的下降[13]。馬文軍等發現，微咸水灌溉雖然導致冬小麥和夏玉米產量降低10%～15%，但節約淡水資源60%～75%。如果降雨量達到多年平均水平以及微咸水灌溉制度制訂合理，微咸水用于冬小麥、玉米田間灌溉前景廣闊[14]。本文在試驗分析中發現，水分脅迫對冬小麥產量的影響最為明顯，兩水灌溉相比于三水灌溉會減產10%～25%。微咸水灌溉產生的鹽分脅迫作用對冬小麥產量具有一定抑制作用。但相較于前人的研究結果，本文研究微咸水對產量的抑制不明顯，因為一般采用微咸水灌溉的前1～3 a，鹽分脅迫對產量的影響并不明顯，但是隨著微咸水灌溉年限延長，土壤鹽分逐步增加，對作物生長影響的負面作用逐步顯現[3]。因此，在采用咸淡水交替灌溉的基礎上，應該采取合理的排鹽措施[15]。

4 結 論

(1)T3處理采用微咸水灌溉后，土壤表層的含水率可達到13.89%～19.9%；土壤鹽分最終盈虧情況為T1

(2)相較于淡水灌溉，微咸水灌溉所帶來鹽分脅迫會抑制株高生長和干物質的累積。相較T1處理，T3的株高降低2.2%～3.7%。灌漿期的水分脅迫才是致使干物質積累減少的主要因素，在相同灌溉水質下，相較于兩次灌溉，三次灌溉可以增產10%～25%。在相同灌溉水量下，T3比T1減產0.03%～7.83%，但可以節約淡水資源。

(3)從節水和產量兩方面來說，冬小麥采用淡水-微咸水-微咸水的灌水模式是該區域的較優選擇，既能保證產量，又能節約淡水資源。

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