起垄滴灌对宁夏盐渍土及桑莄草的影响研究

何 俊，李梦刚，李兴强，王 芳

(1. 宁夏大学环境工程研究院，银川 750021；2. 宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021；3. 教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川 750021；4. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；5. 宁夏大学资源环境学院，银川 750021)

我国是世界上最大的农业国家，人口众多，在世界范围内人均耕地面积长期处于较低水平[1]。据统计，分布于我国境内的盐渍土面积达3.5×108hm2，且每年在不断增长[2]。随着人口日益增加及城镇化发展，人口与有效耕地面积之间的矛盾日益突出，盐渍土作为我国重要的后备耕地资源，其合理开发利用是破解此矛盾的突破口之一[3,4]。宁夏引黄灌区作为我国重要的粮食生产基地之一，受地形、气候及人为因素的影响，产生了大面积盐渍土[5]，对当地农业生产产生了巨大影响。但该地区属于引黄灌区，水资源丰富，开发潜力巨大。

水既是造成土壤盐渍化的介质也是治理盐渍土的主要途径[6]。大水漫灌能快速降低土壤含盐量[7]，但容易引发深层渗漏导致返盐现象频发；此外，在内陆干旱区淡水资源匮乏导致该技术难以大面积推广。而滴灌具有高频率出水、点源扩散的特点[8]，能将植物根系附近的土壤含盐量控制在较低水平，在盐渍化土壤改良利用中得到了广泛应用[9]。徐亚南等[10]研究表明：高频滴水能快速洗盐，盐分易于土壤深层累积，地表蒸发并没有引起返盐；单次滴水量越多土壤脱盐效果越明显。通过物理措施，改变地表地形有助于土壤盐分淋洗和改良效果的保持[11]。盐碱地中起高垄能提高土壤透气性，起垄可增加垄上距浅水面的距离，从而防止返盐；在垄上种植植物，高垄可为植物根系提供与周围相对隔绝的环境，有助于植物生长发育[12]。宁夏畜牧业资源丰富，作为当地优势特色产业，具有良好的产业基础，而优质牧草对畜牧业的发展至关重要。饲草高粱桑莄草作为畜牧业发展的优质牧草，经济价值高、市场前景广，且具有抗旱、耐盐碱、耐贫瘠的特性[13]，如果能在盐渍土地区大面积种植，将有效解决当地畜牧业发展中优质饲草短缺的难题。

起垄滴灌技术在我国西北干旱区盐渍土治理中得到了应用，但盐渍土的治理需要保证可持续性和经济性，否则难以推广应用。将具有高经济价值的饲草高粱桑莄草与起垄滴灌技术进行结合，对探讨宁夏引黄灌区盐渍土治理及可持续性具有重要的现实意义。为此，本研究在宁夏吴忠树心林场开展田间定位试验，在统一滴灌的基础上，研究起垄和未起垄两种方式下不同灌溉定额对宁夏盐渍土及桑莄草的影响，以期为该地区盐渍土的治理提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验在宁夏吴忠市树新林场(38°44′N，105°56′E)进行。试验区地处西北内陆，属于温带大陆性气候，昼夜温差大，年平均降水量和蒸发量分别为260和1 840 mm。试验区0～60 cm土层土壤黏粒占11.62%，粉砂粒占40.54%，砂粒占47.84%，土壤质地为砂质壤土[14]。试验前0～60 cm土壤的基本理化性质为：含盐量5.54～8.47 g/kg，pH值8.58～8.83，有机质4.15～6.84 g/kg，碱解氮含量82.63～97.65 mg/kg；速效磷含量17.82～23.54 mg/kg，速效钾含量175.32～193.64 mg/kg，K10值0.56～0.73 mm/min，土壤容重1.32～1.48 g/cm3。

1.2 试验设计及过程

试验共设计6个处理，分别为：起垄+灌溉定额1 080 m3/hm2(T1)；起垄+灌溉定额1 170 m3/hm2(T2)；起垄+灌溉定额1 260 m3/hm2(T3)；未起垄+灌溉定额1 080 m3/hm2(T4)；未起垄+灌溉定额1 170 m3/hm2(T5)；未起垄+灌溉定额1 260 m3/hm2(T6)，每个处理重复3次，采用随机区组设计。

在试验前，起垄处理小区采用机械起垄，垄高60 cm、垄宽140 cm；各处理均统一施用有机肥(羊粪)22.5 t/hm2，起垄处理小区撒施于垄顶，未起垄处理小区撒施于地表，通过旋耕使其与表层土壤混匀。各试验区统一采用滴灌方式进行灌溉，每行桑莄草铺设一条滴灌带。2017年5月20日采用条播，行距为30 cm，起垄处理在垄顶种植，未起垄在地表种植，桑莄草的种植规格均一致。2017年6月1日灌头水，6个处理的灌水定额均为180 m3/hm2，头水增施尿素120 kg/hm2，第一茬收割后追施氮肥105 kg/hm2。待出苗后，每隔15天灌一次水，整个生育期内除冬水外共灌6次水，T1和T3处理每次灌水定额为180 m3/hm2，T2和T4处理每次灌水定额为195 m3/hm2，T3和T6处理每次灌水定额为210 m3/hm2。

1.3 观测项目与方法

种植前、每次灌水后3天以及收完最后一茬，各试验小区按照“S”形5点采样，起垄处理的小区以垄顶为基准，未起垄的小区以地表为基准，采集土壤剖面0～20、20～40和40～60 cm土层土样，剔除石砾和植物残根等杂物，风干、磨碎、过1 mm孔径筛。采用环刀法测定土壤容重；采用烘干法测定土壤含水率；采用酸度计测定土壤pH值；采用电导法测定土壤含盐量。

采用渗透筒法测定土壤渗透性[3]：

K10=Kt/(0.7+0.03t)

(1)

式中：K10为10 ℃时的渗透性，mm/min；Kt为t℃时的渗透系数，mm/min；t为入渗水温，℃。

2017年6月30日统计桑莄草出苗率，利用实际出苗数与种子总数之比求得桑莄草出苗率；采用卷尺测定桑莄草株高。于2017年7月10日开始收割第一茬，第二茬和第三茬收割时间分别为2017年8月10日和2017年9月10日，每次收割完进行称量，最后统计得出每个试验小区的鲜草产量。

1.4 数据分析及处理

利用SPSS19.0软件进行显著性检验，Surfer 10.0软件进行数据处理作等值线图。

2 结果与分析

2.1 土壤渗透性

以最后一次采集的土样数据分析各处理对土壤渗透性的影响。与原土相比，各处理均显著改善了土壤渗透性，0～20 cm土层的K10值最小，随土层深度增加K10值呈增加趋势(图1)。

注：不同小写字母表示同一土层不同处理在0.05水平差异显著，不同大写字母表示同一处理不同土层在0.05水平差异显著；下同。图1 各处理对土壤渗透性的影响Fig.1 Effect of all treatments on soil permeability

在0～20 cm土层，T3处理的K10值最高(1.01±0.11 mm/min)，T3处理与其他处理差异显著(P<0.05)；T4处理的K10值最低(0.58±0.03 mm/min)，T4处理与其他处理差异显著(P<0.05)。T1、T2、T3、T4、T5和T6处理在0～60 cm土层K10值比原土平均提高37.6%、49.4%、77.6%、10.0%、34.5%和66.9%，T3处理提高幅度最大，T4处理提高幅度最小。表明在相同地表处理方式下灌溉定额越高土壤渗透性的改善效果越好，相同灌溉定额条件下起垄处理的改善效果优于未起垄处理。

2.2 pH

以最后一次采集的土样数据分析各处理对土壤pH值的影响。与原土相比，各处理均降低了土壤pH值，随土层深度增加pH值呈降低趋势(图2)。在0～20 cm土层T4处理的pH值最高(8.48±0.05)；T3处理的pH值最低(8.22±0.05)，6个处理差异不显著(P>0.05)。T1、T2、T3、T4、T5和T6处理在0～60 cm土层pH值比原土平均降低7.1%、7.8%、8.5%、5.9%、6.7%和6.9%。相同灌溉定额条件下，起垄处理的土壤pH值低于未起垄处理；相同地表处理方式下，随灌溉定额增加土壤pH值呈降低趋势，各处理间差异不明显。

图2 各处理对土壤pH值的影响Fig.2 Effect of all treatments on soil pH value

2.3 含水率

土壤剖面水分主要受灌水、气候和植物吸收等因素的影响，以每个月采集的土样数据分析各处理对土壤含水率的影响(图3)。试验结果表明：滴灌对上层土壤水分影响较大，0～20 cm土层土壤含水率随灌溉定额增大而增大；在植物生长发育期，植物生长所需水分增多，表层土壤含水率受地表蒸发与植物根系吸水的影响逐渐降低。由图3可知，在0～60 cm土层随土层深度增加土壤含水率呈先增加后减少的趋势，滴灌对0～40 cm土层水分影响较大，20～40 cm土层土壤含水率最高；未起垄处理的土壤剖面含水率均高于起垄处理。0～20 cm土层土壤含水率随时间延长呈先减少后增加趋势，七八月份表层土壤含水率最低，是由于夏季温度高地表蒸发强烈所致；9月份温度有所降低，表层土壤含水率略有升高。

图3 各处理对土壤含水率的影响Fig.3 Effect of all treatments on soil moisture

2.4 含盐量

土壤盐分主要受土壤水分运动的影响，土壤盐分以水分为载体和介质进行迁移。以每个月采集的土样数据分析各处理对土壤含盐量的影响(图4)。由图4可知，各处理在0～20 cm土层土壤含盐量随灌溉定额增加而降低，各处理的土壤含盐量随土层深度增加而增加，盐分在土壤深层产生累积；起垄处理在0～40 cm土层土壤含盐量均低于未起垄处理。7月份开始夏季气温升高、蒸发强烈，导致盐分向地表迁移，各处理均有返盐现象。滴灌有助于0～40 cm土层土壤盐分淋洗，但盐分容易累积于土壤深层。

2.5 各处理对桑莄草的影响

各处理对桑莄草生长的影响如表1所示。

图4 各处理对土壤含盐量的影响Fig.4 Effect of all treatments on soil salinity

由表1可知，起垄处理条件下桑莄草产量均高于对应灌溉量下未起垄处理；其中，T3处理桑莄草的出苗率、株高及产量均为最高，T4处理均为最低；桑莄草五项生长指标T2与T3、T5与T6处理差异均不显著(P>0.05)。在相同灌溉定额条件下，起垄方式下桑莄草的出苗率比对应灌溉量下未起垄处理分别高出8.4%、9.0%、8.0%，产量分别高出17.2%、15.0%、16.1%。表明相同灌溉定额条件下起垄处理的桑莄草产量高于未起垄处理；灌溉定额高有助于植物生长及产量提高，但灌溉定额超过1 170 m3/hm2，提升效果不显著(P>0.05)。

3 讨 论

各种盐渍土都是在一定自然条件下形成的，其实质是各种易溶性盐类在地面作水平或垂直方向的重新分配，从而使盐分在地表逐渐累积[15]。雷金银等[16]通过在盐碱地上种植灌木试验发现，植物根系活动可改善土壤孔隙分布状况提高土壤渗透性，主要影响范围为植物根系活动区域，土壤渗透性的改善效果与植物根系的穿插和分泌物有关。本试验也表明，种植桑莄草后土壤渗透性得到改善。干旱盐渍土地区土壤水分和盐分是影响植物生长的主要因素；而滴灌具有点源扩散、高频出水的特性，一部分水满足植物需水，另一部分用于淋洗盐分，可将0～20 cm土层含盐量控制在较低水平(3 g/kg以下)，为植物根系生长创造适宜的水盐环境[5]。此外，滴灌灌水量可控性较强，不易产生深层渗漏抬高地下水位，引发次生盐渍化。

表1 各处理对桑根草生长的影响Tab.1 Effects of all treatments on forage sorghum growth

注：株高为收割前测量；不同英文小写字母表示各处理在0.05水平差异显著。

起垄可增加垄上距浅水面的距离，从而有效防止返盐；同时，起垄增加了地表面积，风化作用有助于提高垄的通透性。本试验结果也表明，起垄处理的土壤含盐量低于未起垄处理，但起垄处理的含水率低于未起垄处理，这是因为起垄增加了地表面积，在风化作用下导致土壤水分蒸发更强烈的缘故。滴灌不同于漫灌，漫灌供水为面源，而滴管供水为点源，土壤盐分在水分的携带下向四周扩散，距离滴头较近的区域形成脱盐区，距离滴头较远的区域盐分产生累积，形成盐分累积区[17]。龚江[18]通过滴灌试验表明，滴灌能减少植物根区盐分聚集，淡化植物根系附近的土壤含盐量，与本研究得出的结论一致。饲草高粱桑莄草具有一定的耐盐性，可在含盐量在5 g/kg以下的土壤中正常生长[19]；试验区土壤含盐量高于5 g/kg，而在本试验中滴灌可将土壤含盐量淋洗到较低水平，在滴头较近的区域，水分充足而含盐量低，桑莄草的根系主要集中于该区域。因此，该区域的水盐环境适合桑莄草根系的生长发育。

试验区地处干旱区，夏季气温高蒸发强烈，导致盐分随水分运动迁移至上层土壤，水分蒸发后盐分累积于地表。而种植高盖度的植物，可以降低水分蒸发、削弱地表返盐，保持土壤水分[20]。在本试验中，种植的桑莄草盖度大能起到良好的遮阴作用，地表盐分并未持续累积。起垄改变了地表形状，导致受光面积、土壤与大气交界面增加，协调光、温、水、气、盐等状况，改善植物生长环境，对植物生长发育有促进作用[21]。本试验结果也表明起垄处理的土壤含盐量低于未起垄处理，桑莄草各项生长指标优于未起垄处理。在本试验条件下，灌溉定额越高土壤剖面盐分降低越明显，但灌溉定额超过1 170 m3/hm2时，桑莄草各项生长指标无显著差异；且试验区地处干旱区，淡水资源有限，灌水量高不利于水分利用效率的提高[22]，与农业高效用水的原则相悖。

4 结 语

起垄滴灌能降低0～40 cm土层土壤pH值、土壤含盐量，提高土壤含水率；滴灌点源扩散、高频出水的特性，能将0～20 cm土层土壤含盐量控制在3 g/kg以下，为植物根系创造适宜的水盐环境。灌溉定额超过1 170 m3/hm2时，桑莄草各项生长指标差异不明显；考虑到试验区地处干旱区，淡水资源有限，灌水量高不利于水分利用效率的提高。因此，起垄滴灌，灌溉定额为1 170 m3/hm2适宜于宁夏引黄灌区盐渍土桑莄草种植。