地下微咸水埋深对土壤水盐分布与冬小麦耗水特性的影响*

张雪佳,王金涛,董心亮,田 柳,娄泊远,刘小京,孙宏勇**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022; 2.中国科学院大学 北京 100049)

环渤海地区是我国重要的粮食主产区,冬小麦(Triticum aestivum)、夏玉米(Zea mays)是该地区主要的粮食作物。由于该区独特的气候条件,在冬小麦生长季内,降雨较少,为满足冬小麦生长需求实现其高产稳产,通常会抽取深层地下水进行灌溉。长期高强度的地下水抽取,导致地下水位迅速下降,引发了一系列环境问题[1]。2014年我国将该地区作为地下水压采政策的主要实施区域,进一步减少了农业可用水量。目前,可利用淡水资源的减少加剧了水粮矛盾[2]。与此同时,环渤海地区具有较为丰富的浅层微咸水资源[3],因埋深较浅,地下水与土壤水联系密切、转化频繁,直接影响土壤水土环境,进一步影响冬小麦产量、耗水和水分利用效率的变化[4]。因此,明确该区域作物生长的适宜地下微咸水埋深,对科学合理调控地下水动态变化,减少地下水的不正当消耗及提高水分利用效率具有指导意义。

地下水位作为区分非饱和含水层(含氧土壤层)及饱和含水层的指标,对土壤及作物均产生重要影响[5]。作物对浅层地下水的利用受多种因素影响,如土壤理化性质、作物耐盐性、地下水盐度等[6]。近年来,众多学者广泛关注浅层地下水对作物的影响,并对此进行大量研究和实践[7-8]。Mueller 等[9]报道随地下水埋深的增加,冬小麦的水分利用效率最高可达3.0 kg·m-3。武朝宝[10]研究认为在地下水埋深为1.5 m 时,冬小麦产量及水分利用效率最为适宜。Liu 等[11]研究了雨养条件下浅层地下水埋深对冬小麦水分利用及产量的影响,当地下水位深度在0.4～1.5 m,季节性地下水的贡献满足冬小麦潜在蒸散量的65%以上,水分利用效率和地下水利用效率随地下水埋深深度的增加而增加,1.5 m 是冬小麦产量形成的理想地下水埋深。一系列的研究发现,当地下水位保持在最佳深度时,作物的产量以及水分利用效率明显提高[12]。然而,当地下水位过浅时,作物根系的有氧呼吸将会受到阻碍,同时,盐分随水运移至土壤剖面,蒸发则使盐分聚集至根区,对作物生长产生毒害作用,易造成作物减产[13]。当地下水埋深为0.5 m 时,冬小麦根区的土壤含水量高,通气性差,盐分积累量增加,盐害作用增强,冬小麦减产明显[14]。另一方面,地下水埋深对土壤盐分的积累影响显著,随着地下水埋深的降低,土壤盐度的变化幅度随之增加,并增加土壤盐渍化的风险[15]。尤其是当地下水水质为咸水时,对作物的生长及土壤健康存在一定程度的威胁。然而目前关于地下微咸水、土壤与作物之间的影响尚未得到广泛研究。因此,在浅层地下水为微咸水区域,评估地下水埋深对土壤水盐分布、作物耗水及产量的影响,对明确作物适宜的地下水埋深、改善作物生长环境和高效利用地下水资源至关重要。

由于自然条件下地下水呈动态性变化,为此,本文通过人工控制不同地下水埋深的试验方法,研究地下微咸水埋深对土壤水、盐分布及冬小麦耗水特性的影响,探究浅层微咸水条件下冬小麦的适宜地下水埋深,对于高效利用浅层地下水资源、保障国家水安全具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年11月-2022年6月在中国科学院南皮生态农业试验站(38°00′N,116°40′E)旱棚内进行。该地位于河北省沧州市南皮县,属于典型暖温带半湿润大陆性季风气候,多年平均温度为12.3℃,平均降雨量为520 mm,年内降雨时间分配不均,冬小麦季内平均降雨量为115 mm。试验区土壤类型为脱盐潮土,质地以壤土为主。浅层地下水埋深为1.0～10.0 m,主要以NaCl 为主的咸水或微咸水。试验期间旱棚内的小型气象站自动记录小气象因子,冬小麦全生育期的最低温度-9.16 ℃、最高温度29.41 ℃、平均温度为8.06 ℃。

1.2 试验设计

供试装置为自制,主要由3 部分组成: 试验桶、连通器、供水系统。试验桶高1.95 m,内直径为25 cm,桶内填装20 cm 砂砾石作为反滤层,剩余部分按照田间实际容重1.30 g·cm-3填装并压实土壤后种植试验作物,桶外贴有反光膜,以消除光照对桶壁的影响;连通器由15 mm 水管链接试验桶以及供水系统,主要用于控制水位和补水、排水; 供水系统由马氏瓶组成,马氏瓶内直径为15 cm,高度50 cm,瓶外标有刻度,便于数据读取。试验装置结构信息如图1所示。

图1 试验装置结构图Fig.1 Structure diagram of the test device

供试土壤选自试验站内农田耕层土壤(0～20 cm),土壤容重为1.30 g·cm-3,田间持水量为34% (v/v),风干后过5 mm 筛,测得风干土壤体积含水量为2.8%,pH 为8.26,含盐量为0.60 g·kg-1,有机质含量为15.94 g·kg-1。该地区5 g·L-1以下地下水浅层微咸水资源分布广泛[16]; 冬小麦作为中等耐盐作物,其耐盐阈值为3.19 g·L-1[17],因此,本试验地下微咸水质量浓度设置为3 g·L-1,采用NaCl 为主的海盐配置。淡水pH 为8.11,矿化度为0.25 g·L-1; 配置微咸水pH为8.13,矿化度为3.37 g·L-1。设计3 个地下微咸水埋深处理,分别为0.5 m (GW1)、1.0 m (GW2)和1.5 m(GW3); 并设1 个对照处理(CK,无地下水位,淡水灌溉处理)。每个处理3 个重复,随机排列在旱棚内。

供试作物为冬小麦,品种为‘小偃60’。每个试验桶播种前按750 kg·hm-2施小麦专用肥,总养分不低于44%,并浇水至田间持水量的80%,以确保种子萌发和幼苗生长。选取完好、无破碎的种子30 粒,均匀布施在试验桶内,出苗后每桶定苗27 株。拔节期追施尿素250 kg·hm-2随灌淡水输入,水量为20.0 mm(肥料充足,施肥不是限制因素)。处理组(GW1、GW2、GW3)于2022年3月12日进行马氏瓶安装及地下水微咸水埋深处理,于2022年3月23日起每天8:00-8:30 记录马氏瓶中水位变化,除拔节期施肥灌溉,其他生育期均不灌溉; 对照组(CK)进行淡水灌溉处理,在返青期浇80.0 mm 返青水,在试验开始之日起按照试验地旱棚内的气象条件,计算作物潜在蒸散量,每7 d 进行一次灌溉,直至收获,总灌溉量为487.5 mm。其他管理措施与当地习惯保持一致。

参考作物蒸散: 采用Hargreaves-Samani 模型(HS 模型)[18-19]计算参考作物蒸散:

式中: ET0为H-S 模型计算的参考作物蒸散,mm·d-1;Tmax为最高气温,℃;Tmin为最低气温,℃;Tmean为平均气温,℃;Ra为太阳天顶辐射,mm·d-1,在进行单位转换时,需要乘以辐射转换因子,即蒸发潜热的倒数,1/λ=0.408;C和E为公式参数,建议为0.0023 和0.5;Ra1为太阳天顶辐射,MJ·m-2·d-1;Gsc为太阳常数,为0.0820 MJ·m-2·min-1;dr为相对日地距离的倒数;δ为太阳磁偏角(弧度); φ为地理纬度(弧度);ωs为日落时角;J为年内某天的日序数,在1 (1月1日)至365或366 (12月31日)之间。

作物潜在蒸散量:

式中: ETc为作物潜在蒸散量,mm·d-1;Kc为作物系数,本文冬小麦采用的作物系数为1.10[20]。

1.3 测定方法及指标

冬小麦实际蒸散量(ETa)利用水量平衡法计算[21]:

式中: ETa为作物蒸散量,mm;P为降雨量,mm;I为时段内的灌溉水量,mm;Wg为时段内地下水的补给量,mm; SWD 为时段内土壤储水量的变化,mm;R为地表径流,mm;D为时段内的深层渗漏量,mm。

土壤含水量: 在冬小麦收获后,纵向剖开PVC桶,按照10 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm、100 cm、150 cm 分层取样,采用烘干法测定土壤质量含水量,计算得到土壤体积含水量。文中土壤含水量均指土壤体积含水量,计算得到土壤相对含水量(SRWC)。

式中: SWC 为土壤实际含水量,FWC 为田间持水量。

土壤盐分: 测量土壤含水量后剩余部分土壤风干后研磨,过2 mm 筛,称取土样10.0 g,加入高纯水50 mL,震荡3 min 后离心3 min,取上清液过滤;HCO3-以及CO32-采用滴定法测定,其他离子利用离子色谱仪(ICS-900)测定,所有离子测定完成后计算得到土壤总盐分含量。并计算钠吸附比:

式中: SAR 表示钠吸附比,Na+、Ca2+、Mg2+为离子浓度(mmol·L-1)。

产量: 冬小麦成熟后,整桶小麦一起收获测产,每个处理3 个重复,并计算收获指数和水分利用效率。

式中: HI 为收获指数;Y为作物产量,kg·m-2;B为作物生物量,kg·m-2; WUEY为产量水平水分利用效率,kg·m-3; WUEB为生物量水平水分利用效率,kg·m-3;ETa为作物实际蒸散,mm。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 以及Origin Pro 2021b 进行数据整理以及图表绘制,在SPSS 25.0 软件采用邓肯法(Duncan’s test)进行方差分析,采用Person 法进行相关性分析,P＜0.05 差异显著,P＜0.01差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同地下水埋深下土壤水盐分布特征

不同地下水埋深直接影响土壤含水量在土壤剖面的变化。图2为冬小麦收获期各处理土壤体积含水量垂向空间分布特征。不同埋深处理下土壤含水量呈相似的变化趋势,GW1、GW2、GW3 处理的土壤含水量均在一定土壤剖面深度范围内,随深度增加而增加。CK 处理受灌溉水及冬小麦蒸散作用的影响,土壤含水量整体波动较小,呈先增加后减小趋势,在20～30 cm 土层达最大,为24.7%,平均土壤含水量为21.5%。随地下水埋深的增加,0～10 cm 土壤表层含水量逐渐降低,与CK 处理相比,GW1 处理显著增加30.9%,GW3 处理显著降低79.3%。GW1 处理因地下水埋深较浅,整个土体全部维持在较高的水分条件下,0～50 cm 土壤水分变化较为平缓; GW2处理地下水埋深为1 m,土壤水分波动存在于0～100 cm,受毛管上升高度限制,GW2 处理下土壤水分低于相同土层的GW1 处理。地下水埋深为1.5 m 的GW3 处理,因受地下水位及毛管上升高度影响,整个土体各层土壤含水量出现明显变化,其中土壤水分波动较大的土层为0～50 cm,50～150 cm 土层的土壤水分变化较小,表层(0～10 cm)土壤与深层(100～150 cm)土壤的差距可达32.4%。

图2 不同地下微咸水埋深下冬小麦成熟期土壤含水量和土壤盐分含量Fig.2 Soil water and soil salt contents at winter wheat harvest under different underground brackish water depths

冬小麦收获期各处理土壤盐分含量垂向空间分布特征如图2所示。在GW1、GW2、CK 处理下,土壤盐分变化趋势相似,随土壤深度的增加,土壤盐分先降低后逐渐趋于稳定; GW3 处理表现为随土壤深度的增加,土壤盐分先增加后减小并逐渐趋于稳定,并在土壤中间层(30～50 cm)出现富集现象。GW1、GW2、GW3、CK 处理土壤盐分含量最大值出现在0～10 cm、0～10 cm、30～50 cm、0～10 cm 土层中,其盐分含量分别为4.2 g·kg-1、2.8 g·kg-1、2.7 g·kg-1、0.8 g·kg-1。受浅层微咸地下水影响,GW1、GW2、GW3 处理的各土层土壤盐分含量明显高于CK 处理,GW1 和GW2 处理表层盐分含量较CK 处理分别显著增加3.4 g·kg-1和2.0 g·kg-1。具有相似变化趋势的GW1、GW2 处理,在土壤表层出现高盐现象,GW3 处理土壤盐分含量最大值出现在30～50 cm土层,而表层土壤盐分含量较低(0.8 g·kg-1)。综合分析0～50 cm 土壤盐分含量,各处理间存在显著差异,其中GW3 处理土壤盐分含量最低。CK 处理下各土层土壤盐分含量变化范围为0.4～0.8 g·kg-1,整个土体全部处于低盐状态。

2.2 不同地下水埋深下冬小麦水量平衡的影响

地下水埋深处理中主要以地下水补给量对作物蒸散产生影响,而CK 处理由于无地下水供给,作物灌溉频繁,灌溉后的土壤表层不能完全被作物覆盖时,水分迅速蒸发,表层干燥,因此需要持续性灌溉,其总供水量为灌溉水量。不同处理的水量平衡中外界供水量以及土壤水分状况如表1所示。结果显示,在GW1、GW2、GW3 处理中,总供水量、土壤水量变化以及蒸散量随地下水埋深增加而逐渐降低。与CK 处理相比,GW1、GW2 和GW3 处理下总供水量分别显著增加503.7 mm、296.3 mm 和153.0 mm。GW1 处理土壤储水量变化幅度最高,且显著高于其他处理,与CK 处理相比显著增加60.2 mm。冬小麦蒸散量随地下水埋深的增加而逐渐降低,与CK 处理相比,GW1 和GW2 处理分别显著增加50.2%和20.3%; GW3 处理下蒸散量最低,且显著低于GW1和GW2 处理,与CK 处理相比变化不显著。如图3所示,冬小麦蒸散量与地下水埋深深度存在极显著负相关关系(P＜0.01),决定系数达0.96; 同时冬小麦蒸散量与0～10 cm 表层土壤含水量存在极显著正相关关系(P＜0.01),决定系数达0.74。即随地下水埋深的增加,土壤表层含水量随之降低,冬小麦蒸散量也逐渐降低。

图3 不同地下微咸水埋深下冬小麦蒸散量与地下水埋深深度及0～10 cm 表层土壤含水量的关系Fig.3 Relationship between evapotranspiration of winter wheat and groundwater depth and 0-10 cm surface soil water content under different underground brackish water depths

表1 不同地下微咸水埋深下冬小麦的水量平衡Table 1 Water balance components of winter wheat under different underground brackish water depths

2.3 不同地下水埋深下冬小麦产量及其构成要素

表2为冬小麦的产量及构成因素。由表2可知,GW3 处理的穗粒数、千粒重、穗数、收获指数、产量、生物量水平水分利用效率及产量水平水分利用效率均高于其他处理,表现最优。对于GW1、GW2、GW3 处理,随地下水埋深的增加,冬小麦穗粒数与千粒重逐渐增加,表现为地下水埋深与穗粒数显著正相关,但与千粒重相关不显著。与CK 处理相比,GW1、GW2 和GW3 处理的穗粒数分别显著提高7.6%、14.1%和20.6%; 而GW1 处理的千粒重则较CK 处理低0.36%,GW2 和GW3 分别高于CK 处理4.94%和5.50%,但各处理间差异不显著。各处理冬小麦穗数无显著差异,在GW3 处理下达最大值。GW1、GW2 和GW3 处理下冬小麦收获指数与CK均无显著差异,但GW2 与GW3 处理间存在显著差异。冬小麦在GW3 处理下产量最高,且显著高于CK 和GW2 处理38.0%和49.4%,GW2 处理冬小麦产量较CK 处理低7.6%。GW1、GW2 及GW3 处理下冬小麦生物量水平水分利用效率与产量水平水分利用效率具有相似的变化趋势,呈GW3＞GW2＞GW1,其中GW3 处理高于其他处理,比CK 处理提高26.86%和40.12%。

表2 不同地下微咸水埋深下冬小麦产量及其组成Table 2 Yield and yield components of winter wheat under different underground brackish water depths

2.4 不同地下水埋深下冬小麦产量与土壤水盐的关系

地下水矿化度一定时,不同地下水埋深对土壤水盐与冬小麦产量的影响可用线性回归分析进行描述(表3)。对0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm、0～50 cm土壤水分、盐分与冬小麦产量的线性回归分析结果显示,不同土壤深度回归模型模拟良好,R2均高于0.6,可以真实可靠地反映出土壤水分、盐分对冬小麦产量的影响。其中,0～30 cm 土层土壤的模拟结果最优,R2为0.759,P=0.014＜0.05,土壤积盐含量与产量之间正相关,与土壤平均含水量负相关,回归方程为Y=1.121-0.053SW+0.167SS。

表3 不同地下微咸水埋深下冬小麦产量与土壤水分、盐分线性回归分析Table 3 Linear regression analysis of winter wheat yield and soil moisture and salinity in different soil layers under different underground brackish water depths

进一步对0～30 cm 土壤的相对含水量及钠吸附比进行分析,结果如图4所示。不同地下水埋深处理的0～30 cm 土壤相对含水量及钠吸附比均存在显著差异(P＜0.05)。土壤相对含水量随地下水埋深的增加显著降低,在GW3 处理达到最低。钠吸附比呈现出GW2＞GW1＞GW3 的变化趋势,其中,GW2 处理下的钠吸附比值最高,且显著高于GW1 及GW2处理。

图4 不同地下微咸水埋深下0～30 cm 土壤相对含水量及钠吸附比Fig.4 Soil-relative water content and soil sodium adsorption ratio of 0-30 cm soil under different underground brackish water depths

对GW1、GW2 和GW3 处理下冬小麦产量及其要素的相关性分析如表4所示。冬小麦产量与穗数(r=0.915,P＜0.01)、收获指数(r=0.921,P＜0.01)、生物量水平水分利用效率(r=0.843,P＜0.01)及产量水平水分利用效率(r=0.896,P＜0.01)极显著正相关。穗数与收获指数(r=0.852,P＜0.01)极显著正相关。穗粒数与千粒重(r=0.710,P＜0.05)、生物量水平水分利用效率(r=0.681,P＜0.05)显著正相关,与蒸散(r=-0.862,P＜0.01)极显著负相关。收获指数与生物量水平水分利用效率(r=0.729,P＜0.05)显著正相关,与产量水平水分利用效率(r=0.828,P＜0.01)极显著正相关。蒸散与生物量水平水分利用效率(r=-0.838,P＜0.01)极显著负相关,与产量水平水分利用效率(r=-0.776,P＜0.05)显著负相关。生物量水平水分利用效率与产量水平水分利用效率(r=0.986,P＜0.01)极显著正相关。

表4 不同地下微咸水埋深下冬小麦产量的相关性分析Table 4 Correlation analysis of yield in winter wheat under different underground brackish water depths

3 讨论

地下水埋深直接影响土壤含水量变化[23-24],而土壤中盐分的积累则是潜水蒸发的另一种表现形式。地下水埋深过浅时,土壤的强毛细作用可以向通气区提供更多的地下水,从而增加浅层地下水埋深下的表层土壤含水量[25],当水分蒸发后,盐分表聚[26-27]。随着地下水埋深的增加,土壤中毛细作用逐渐减弱,毛细水累计上升量呈现递减趋势[28],到达浅层土壤的水量减少,浅层土壤含水量降低[25,29],与此同时,受毛管上升水的上升高度及输水速度影响的土壤表层积盐速度随之降低[30]。在本研究中,GW1、GW2 和GW3 处理在土壤表层(0～10 cm)的土壤含水量、土壤含盐量随地下水埋深的增加而显著降低,地下水埋深从0.5 m 增加至1.5 m,土壤表层(0～10 cm)含水量从27.8%下降到4.4% (图2),土壤盐分表聚量从4.2 g·kg-1下降到0.8 g·kg-1(图2),这与前人的研究结果相一致[31-32]。浅层地下水埋深导致盐分积累,是土壤发生次生盐渍化风险的主要原因[33]。GW1 及GW2 处理的盐分主要积累在土壤表层,但GW3 处理盐分积累主要发生在30～50 cm 土层,因此,0～50 cm土层盐分积累量GW3 处理明显低于GW1 和GW2处理。地下水埋深为1.5 m 时,相对另外两个埋深,土壤发生次生盐渍化风险低。

地下水浅埋区,作物蒸散主要受地下水供给量、地下水深度和盐度、作物性状、气候条件以及土壤物理性质的影响[25,34]。本研究中,地下水埋深显著影响冬小麦蒸散,冬小麦蒸散量随地下水埋深的增加而逐渐降低,当地下水埋深为1.5 m 时,蒸散量最低(图3)。这与早期研究一致,地下水埋深在一定范围内,冬小麦蒸散量随地下水埋深的增加而降低[35]。作物蒸散包括作物蒸腾和土壤蒸发,其中,土壤蒸发是总蒸散的主要来源,尤其是在土壤含水量较高的地区,即使作物冠层完全发育,作物蒸腾量也相对较低[36]。但作物蒸腾作为作物有效利用的水分,蒸腾量越大,作物生物量越多; 而土壤蒸发作为作物蒸散的无效损耗,降低这种损耗可提高作物的水分利用效率[37]。本研究中,表层(0～10 cm)土壤含水量显著影响作物蒸散(图3),蒸散与WUEB及WUEY存在显著相关(P＜0.05)。这是由于地下水埋深过浅时,土壤表层含水量长期保持较高的水平,潮湿的土壤表面会迅速蒸发,消耗更多的水分; 而地下水埋深较深时,毛细作用的速度相对较慢,当土壤表层的水分蒸发后,毛细水不能及时补充表层土壤水,致使土壤蒸发受限,作物蒸散量降低[38]。因此,地下水埋深较浅时,表层土壤含水量高会产生较多的水分损耗,不利于水分利用效率的提高。

不同浅层微咸地下水埋深情况下多因素相互作用影响冬小麦产量。过浅的地下水埋深会导致土壤内涝,加剧氧气供应紧张,在作物根系环境造成低氧胁迫,对作物生长与产量产生不利影响[39-40]; 尤其是地下水中存在过量的盐分,有可能会导致土壤盐分含量过高,产生次生盐渍化[41-42]。在植物方面,表现为低渗透势和特定离子的毒性,导致植物生长受到抑制或死亡[43]。研究发现,在无灌溉无降雨条件下,冬小麦产量最大值出现的地下水埋深为1.5 m,当地下水埋深低于1.5 m 时,冬小麦产量下降[44]。本研究中,冬小麦最高产量同样出现在地下水埋深为1.5 m处理(GW3),并随地下水埋深的增加而降低。但产量最低水平出现在地下水埋深为1.0 m 的处理(GW2),这一结果与前人的研究结果存在一定差异。这是由于模拟试验中地下水水质与其存在差异,影响土壤中水盐分布,进而对作物产量造成影响。通过分析产量与土壤水盐的关系,发现三者之间存在显著线性相关(P＜0.05),其中0～30 cm 耕层土壤水、盐对作物产量影响最为显著。进一步对0～30 cm 耕层土壤的钠吸附比及土壤相对含水量进行分析发现,GW1与GW2 处理的水分条件相近,但GW2 处理钠吸附比更高,土壤中盐离子对作物的离子毒害作用更强,同时由于土壤中盐分含量过高使得土壤溶液渗透势降低,形成渗透胁迫[45],作物吸水困难,产生生理性干旱[46]。冬小麦是中度耐盐作物,其穗数对水分、盐分敏感,长时间的水盐胁迫影响冬小麦穗数。穗数、穗粒数、千粒重决定冬小麦最终产量,相关性分析表明,穗数是引起冬小麦产量发生差异的主要因素(表4),前人研究中也发现了相似结论[47]。与此同时,受产量与蒸散影响的产量水平水分利用效率,地下水埋深为1.5 m 时表现最佳,且随着地下水埋深的减少而降低,这与前人的研究结果相一致[48]。因此,本试验结果表明,适宜的地下水埋深增加能够提高冬小麦的产量,而当地下水埋深较浅时,作物减产。这主要是由于地下水埋深较浅时作物根系周围空气流通率降低,根系有氧呼吸受到抑制,以及土壤中高盐浓度造成的渗透胁迫,影响作物生长与产量。

浅层地下水埋深对土壤水盐分布具有显著影响,土壤水分管理是改变作物根区盐胁迫的主要途径[49-50]。土壤水分与盐分的管理可通过小区域内水位平衡的方法控制浅层地下水位,包括水库调蓄、运河管理、灌排系统改善等[6]。在雨季之前,利用河道的排水作用或田间铺设的暗管进行排水,对田间地下水位进行预降,干旱时利用控制工程拦蓄和调控河流分配,对地下水进行回补作用[51]。值得注意的是,在考虑田间实际情况(河流输送及灌排系统管理)的前提下,需要有目的地进行地下水位管理,维持作物产量及控制土壤盐分。

冬小麦作为深根系作物,根系分布不仅能够吸收利用表层土壤水,同时也可以获取深层地下水。然而,本试验仅探讨微咸地下水埋深为0.5～1.5 m 时土壤中水盐分布以及作物的耗水特征,对于更深地下微咸水埋深对土壤及冬小麦的影响还有待进一步研究。

4 结论

1)咸水矿化为3 g·L-1,地下水埋深在0.5～1.5 m的条件下,地下水埋深显著影响土壤水盐分布。随土层深度的增加,土壤含水量逐渐增加; 随水运移的盐分在地下水埋深为0.5 m 和1.0 m 下主要聚集在0～10 cm 土层,地下水埋深1 m 下盐分主要聚集在30～50 cm 土层。随地下水埋深增加,0～50 cm 土壤的水分、盐分含量逐渐降低,土壤发生次生盐渍化风险降低。冬小麦蒸散与地下水埋深存在显著负相关关系,随地下水埋深的增加而逐渐降低; 同时冬小麦蒸散与表层土壤含水量存在显著正相关关系,随表层土壤含水量的降低而降低,在地下水埋深为1.5 m时达最低,为564.0 mm。

2)土壤水环境的改变进一步影响冬小麦产量及水分利用效率。地下水埋深为1.5 m 的产量及水分利用效率显著优于地下水埋深为0.5 m 及1.0 m。地下水埋深为1.0 m 时冬小麦产量最低,主要是因为土壤盐分含量过高对作物造成离子毒害和渗透胁迫作用,通过影响作物成穗数,最终影响冬小麦产量。

3)综合考虑土壤水盐状况、冬小麦产量、耗水及水分利用效率,在浅层微咸水条件下,冬小麦返青期后控制地下水埋深为1.5 m 时,冬小麦产量最优且土壤盐分积累量可控,水分利用效率最高。因此,地下水埋深1.5 m 为该地区适宜冬小麦生长的浅层微咸地下水埋深上限。