白宇龙,蒋 静,翟登攀,张 鹏,郭军玲
(1.太原理工大学水利科学与工程学院,太原 030024;2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所,太原 030031;3.土壤环境与养分资源山西省重点实验室,太原 030031)
土地盐碱化是阻碍我国农业发展的一个重要因素,大同盆地盐碱地面积20.4 万hm2,占山西总盐碱地面积的2/3以上,且碱化度较高,一般为10%~30%。加之降雨量少,蒸发量大,径流少,使得该地区盐碱、干旱现象严重,作物生长环境十分恶劣。向日葵是我国主要油料作物之一,种植面积居第2[1],且耐盐碱、耐干旱。因此,开展垄膜沟灌,并合理调控施氮量,对合理利用该地区水土资源,提高作物产量具有十分重要的现实意义。盐渍化农田传统的灌溉方法以地面漫灌为主,然而这种方法的灌溉生产效率会大幅度降低[2]。沟灌由于开沟培土及生育前期不灌溉,使得作物根系更发达,且灌水量相对较少,入渗效果好,基本无深层渗漏现象,肥料不易流失,有利于作物吸收利用,产量较高[3]。Cook和Valdes Gerardo等通过试验得出地膜覆盖具有提高土壤温度,降低田间水分蒸发,促进土壤微生物活动,提高肥料利用效率和作物产量等作用[4]。Baht和Shari指出,N是影响油葵产量的重要因素,适当增加氮肥施用量可促进油葵地上部的吸收[5]。覆膜沟灌是一种近年来在我国西北地区发展的地面节水灌溉的技术,具有减少土壤蒸发量,增加土壤储水量等特点[6]。沟灌+覆膜+优化施肥技术集成在节水40%的前提下,水分利用率提高1.5倍,土壤盐分下降12.3%~15.8%,土壤有机质增加17.5%、速效氮增加70.7%、速效磷增加30%以上,土壤微生物活性增强[7]。本试验通过对施氮量的控制,研究向日葵生育期内畦灌及覆膜沟灌下盐渍化土壤的电导率、含水量、pH及产量变化规律,为合理利用水土资源、防治土壤盐碱化以及提高盐碱地向日葵产量提供理论依据。
试验于2017年5-9月在山西省农业科学院盐碱地改良试验基地进行,该基地地处山西省朔州市怀仁县毛皂镇(N 39°54′,E 113°15′),海拔1 015 m。该基地位于大同盆地中部,属于北温带大陆性季风气候,冬季属于寒冷半干旱气候[8],季节分布明确,为典型的盐碱地分布地区,年均气温7.3 ℃,高于10 ℃的有效积温为3 047 ℃,平均无霜期150 d左右,平均年降水量为315~459 mm,降水主要分布在夏季的7-9月,雨热同季,蒸发量约为1 500 mm。年均日照时数2 800 h,试验区主要是砂壤质土,盐碱土是苏打型盐碱土,含有较多的钠离子和碳酸氢根离子。容重1.65 g/cm3,田间持水率32%(体积含水率),0~100 cm土体各土层土壤基本理化性质见表1。
表1 0~100 cm土层土壤理化性质
供试向日葵品种“RH3708”,采用水平畦灌(Q,长10 m宽3 m)和宽垄覆膜沟灌(G)的耕作灌溉方式。播种日期为2017年5月26日,收获日期9月21日,全生育期为118 d。田间的垄沟设计标准:垄高度15 cm左右,垄顶宽度为70 cm左右,沟深15 cm左右,沟宽约为30 cm,垄台与沟底高度差30 cm。向日葵的播种方式采用人工穴播,每条垄上播种2行,向日葵行距60 cm,株距35 cm。播种前采用旋土机进行松土并相应地撒施基肥,氮肥为尿素。P2O5用量45.7 kg/km2,K2O用量54.84 kg/km2。施氮量:156、260和364 kg/hm2(N1、N2和N3),对照组不施氮(N0)[9]。肥料基肥与补肥的比例为7∶3。该试验共设6个处理,3个平作,3个垄作,试验小区面积为35 m2(长7 m,宽5 m),采用土埂分开,每个小区周围均设宽1.0 m的缓冲区,种植保护行。灌水量根据当地传统在生育期内的作物的各个时期灌溉(幼苗期6月27日灌水110 mm、现蕾期7月21日灌水130 mm、开花期8月21日灌水100 mm),各处理及设置如表2所示。
1.3.1 土壤含水率
在向日葵全生育期内对各个生育阶段土壤进行取样,取3个点作为重复,深度0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm共采取6层。采用烘干法测量并计算土壤含水率。
1.3.2 土壤电导率及pH的测量
取样深度和时间和含水率一致,将土样风干,粉碎,过2mm 筛孔,制备土壤饱和浸提液(土水比为1∶5),利用SG-3型电导率仪测定电导率(EC1∶5)[10]。称取通过2 mm筛孔的风干土10 g两份,各放在50 mL的烧杯中,一份加无二氧化碳蒸馏水,另一份放置30 min后份加1 mol/L KCl溶液各25 mL(此时土水比为1∶2.5,含有机质的土壤改为1∶5)间歇搅拌或摇动30 min用酸度计测定。
表2 向日葵灌溉施肥方案
1.3.3 产量及其构成因素
作物收获后对盘径,千粒质量和籽粒产量进行考种。
使用Microsoft Excel进行数据处理和规律分析,利用SPSS 20软件进行方差统计分析,采用LSD法进行差异显著性检验,当p<0.05时认为差异达到显著水平。
由图1可知,EC1∶5沿土层垂直方向变化明显分为两个部分:0~40 cm土壤层和40~100 cm土壤层。
图1 不同时期土壤0~100 cm盐分剖面分布(Q为畦灌、G为沟灌、R为垄、F为沟)Fig.1 Soil salt distribution of 0~100 cm in different periods
在水平畦灌(Q)处理下,0~40 cm土层EC1∶5变化不太明显,在覆膜沟灌垄上(GR)土,除不施氮(N0)的0~10 cm表层EC1∶5在1 700 μS/cm左右,其他施氮处理的表层EC1∶5均在2 100 μS/cm左右。在5月26日(播种前)随着施氮量的增加,覆膜沟灌垄上(GR)10~20 cm土层的电导率逐渐增加,其中N0、N1、N2和N3分别约为1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm。在覆膜沟灌沟中土(GF),除5月26日(播种前)EC1∶5较大,其他生育期0~10 cm土层EC1∶5均在1 000 μS/cm左右,10~20 cm土层EC1∶5在900 μS/cm左右。这是由于作物蒸腾作用,使得深层土壤中水分向上运移,盐分随着水分一起被带入表层土壤中[11],导致该表层EC1∶5增大。40~100 cm各个处理土层EC1∶5的差异性不大,其数值均在1 000 μS/cm以下。
在不施氮的条件(N0)下,沟灌垄上(GR)土EC1∶5为1 600 μS/cm左右,比水平畦灌(Q)的0~40 cm表层EC1∶5要低15%~30%,沟中(GF)表层EC1∶51 000 μS/cm比水平畦灌(Q)低40%~50%。40 cm以下深层EC1∶5沟灌(300 μS/cm左右)比水平畦灌(420 μS/cm)低20%~40%。而在施氮条件下,沟灌垄上(GR)表层EC1∶5和水平畦灌(Q)差异不显著(p>0.05),但随着施氮量增加二者表层EC1∶5都略微增加,沟灌沟中(GF)土0~40 cm表层EC1∶5较水平畦灌(Q)低40%~60%。40 cm以下土壤层多属于生土层,电导率较低,其基本分布于200~1 000 μS/cm之间。但是沟(GF)中土各个时期的电导率较垄上土(GR)和畦灌(Q)低40%左右。
对各个处理下作物播种前后耕作层盐分变化,发现大部分小区的含盐量都有小幅降低(见表3)。原因是播种前施有机肥和氮磷钾肥,在作物生长过程中对其盐分的吸收使EC1∶5出现降低。经过对比可以得出,在一定范围内,随着施氮量的增加,EC1∶5的降低幅度越小。而在不同的灌溉方式下,沟灌与畦灌相对比,EC1∶5降低幅度更大,一定程度上说明沟灌有利于改善土壤盐分。但是当施氮量比较大时,沟灌与畦灌的差异性会减少,这是因为降雨,灌水和作物生长等不确定因素的影响。
表3 各个处理下作物播种前后耕作层(0~40 cm)盐分变化表
0~100 cm土壤是作物根系分布的主要区域,该区域内灌溉、降雨、蒸发等因素均会引起土壤水分变动。各处理土壤水分变化[12]如图2所示。由图2可知,剖面土壤水分含量具有明显分层现象,即浅层土壤含水量低,深层土壤含水量高。
由图2得出,覆膜沟灌下垄上(GR)土0~40 cm土层变化幅度较沟中(GF)土和畦灌(Q)土略有减少,这是因为沟灌垄上覆膜具有保水作用。沟灌(G)下40~100 cm土层含水率均在15%~20%之间,而畦灌(Q)含水率则在13%~21%之间。从整个生育期看水平畦灌(Q)含水率变化幅范围0%~13%,覆膜沟灌垄上(GR)含水率变化范围0%~10%。可以得出覆膜沟灌更有利于植物生长。土壤含水率空间分布特征及土壤储水量受灌水、施肥、植物吸收和蒸腾,土壤蒸发等影响。本研究发现,合理增施氮肥,可以促进土壤保水性,有助于作物成长,但过量施肥,会导致土壤结板,抑制作物生长。
图3得出各处理收获期土壤的pH与播种期相比均显著(p<0.05)降低。0~40 cm表层土壤水平畦灌(Q)下,N0的pH比播种前降低10.3%,QN1、QN2和QN3分别降低15.2%、15.9%和15.3%,覆膜沟灌(G)下,N0的pH比播种前降低10.3%,GN1、GN2和GN3分别降低15.4%、15.7%和15.6%。其中N2降低最明显。40~100 cm表层土壤土壤水平畦灌(Q)下,N0的pH比播种前降低10.3%,QN1、QN2和QN3分别降低12.9%、13.1%和12.9%,覆膜沟灌(G)下,N0的pH比播种前降低9.8%,GN1、GN2和GN3分别降低13.4%、14.8%和14.3%。其中N2降低最明显。0~40 cm表层土pH收获时均在7.0~7.5之间。40~100 cm表层土pH收获时均在7.5~8.0之间。说明合适的耕作方式可以改善盐碱地,降低土壤的pH。
图2 向日葵全生育期内个处理下不同土层的含水率变化图(Q为畦灌、G为沟灌、R为垄、F为沟)Fig.2 Variation of water content in different soil layers under the whole growth period of sunflower
图3 向日葵播种收获时期各个处理下土壤pH变化(Q为畦灌、G为沟灌、R为垄、F为沟)Fig.3 PH change under different treatments before and after sowing of sunflower
表4为向日葵在不同处理下成熟期各个生长指标及产量的数值。水平畦灌和覆膜沟灌下,在一定范围内随着施氮量增加,向日葵的盘径、千粒重、籽粒产量均会增加,但是当施氮量过高时又会降低。对比各个处理发现在覆膜沟灌情况下,采用260 kg/hm2的施氮时,向日葵生长最优,盘径22.5 cm、千粒重192.30 g、籽粒产量4 893.8 kg/hm2。沟灌下作物EC1∶5比畦灌平均大0.02%,结合数据得出沟灌有利于作物对养分的吸收,使作物的产量获得大幅增加。
表4 向日葵不同处理下产量及性状
注:同列不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。
盐分和水分是影响作物生长发育的关键指标。在研究中发现覆膜沟灌垄上表层EC1∶5在2 100 μS/cm左右,沟中在1 000 μS/cm左右,得出垄有聚盐作用。这与王增丽[13]的研究结论一致。在不同施氮量下随着施氮量的增加覆膜沟灌垄上(GR)10~20 cm土层的EC1∶5逐渐增加,其中N0、N1、N2和N3分别约为1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm,土壤的EC1∶5在与施氮量呈正相关,促进作物生长,植物根系吸收更多盐离子。但是过量施氮会抑制作物生长,减少盐分吸收,可能产生盐渍化现象,这与闫建文和史海滨[2]的结果一致。除6月份外,其他各个生育期施肥量越大,作物对土壤水分的吸收利用就越多,剖面土壤含水量就越低这与魏孝荣,郝明德的研究结论一致[14]。从整个生育期看水平畦灌(Q)含水率变化幅度0%~13%,覆膜沟灌垄上(GR)含水率变化范围0%~10%。根据畦灌和沟灌对比,可得出沟灌保水性更好。这验证了李永平的起垄覆盖集水效应[15]。
在同一灌溉方式下,在一定范围内播种前后土壤0~40 cm土层pH降低幅度高于40~100 cm土层,这是由于在收获期土壤表层的盐分在降水及灌溉的作用下向下移动,表层钠盐被作物部分吸收。因此表层土的pH会比播种前有加大幅度的降低。随着施氮量的增加,土壤表层pH会略有增加。这与张鹏[16]的结论相同。施氮量与灌水方式对作物产量均会造成影响。在施氮量相同时,覆膜沟灌对产量变化影响更显著。当施氮量在260 kg/hm2左右时,向日葵成熟时的生长状况最好,水平畦灌增产在25%以上,覆膜沟灌产量增加在30%以上。而过量施氮又会抑制作物生长,降低产量。
在干旱盐碱地地区,覆膜沟灌能改善当地土壤的水盐状况。在不施氮的条件下,垄上土比水平畦灌的0~40 cm表层EC1∶5低15%~30%,沟中表层EC1∶5比水平畦灌低40%~50%。40~100 cm以下深层EC1∶5,沟灌比水平畦灌低20%~40%。在施氮条件下,沟灌沟中土0~40 cm表层EC1∶5较水平畦灌低40%~60%。覆膜沟灌整个生育期土壤含水率均在10%~23%内,覆膜沟灌下农田在向日葵播种前及收获后pH降低比水平畦灌效果更好。在各个施氮水平下土壤表层EC1∶5N0