微咸水灌溉对盐碱地土壤水盐分布与冬小麦产量的影响

牟晓宇，庞桂斌，张立志，王天宇，徐征和

(1.济南大学水利与环境学院，济南 250022；2．山东省水利科学研究院，济南 250013；3．石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003.)

0 引 言

黄河三角洲位于山东省东部，由于自然环境制约，黄河三角洲地表水资源匮乏，地下水以咸水和微咸水为主，地下水埋深浅，黄河水为本区域最重要的淡水来源，区域供水压力大[1]。若在该区域开发利用微咸水，不仅可以为作物的生长提供所需要的水分，节约淡水资源，还可以降低地下水水位，缓解土壤盐碱化问题[2]。虽然微咸水中含有一定盐分，但短时间内微咸水带入土壤的盐分含量较少。如果土壤初始含盐量比较低，微咸水带入的盐分不足以对作物生长和土地质量造成明显的影响[3]。但微咸水灌溉使用不当会造成土壤持续积盐，造成后续年份作物减产[4,5]。因此必须在掌握土壤水分、盐分的时空变化规律的前提下，科学合理地利用咸水，依据作物需水及耐盐情况制定灌溉方案[5]。本文根据当地的灌溉习惯，设计不同的淡咸水灌溉组合，研究微咸水灌溉对土壤水盐分布以及作物产量的影响，以便于寻求合理的微咸水灌溉方案，对于开发利用当地的地下咸水资源，发展当地灌溉农业有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试区位于山东省滨州市沾化区下洼镇张王二村[如图1(a)]，地理坐标为117°45′E-118°21′E， 37°34′N-38°11′N。该区属于温带大陆性季风气候，雨热同期。年平均气温12 ℃，年平均日照时数约为2 690.3 h，雨季一般开始于6月下旬或7月上旬，在8月中、下旬结束，年均降水量约575 mm，年平均蒸发量约1 800 mm，年均蒸降比3.22。2015-2017年小麦生育期降雨量情况如表1所示。试验区地下水位埋深为2～3 m，浅层地下水为咸水，矿化度5～10 g/L，0～40 cm土壤平均含盐量为2.11 g/kg，属于中度盐碱地，土壤理化性质如表2。

表1 冬小麦生育期降雨 mm

图1 试区地理位置概况图Fig.1 Geographical location overview map of the test area

土层/cm容重/(g·cm-3)pHCl-/(g·kg-1)K+/(g·kg-1)Na+/(g·kg-1)总盐/(g·kg-1)土壤性质0～201.397.30.510.10.141.36壤土20～401.337.131.950.080.242.86砂质壤土40～601.327.070.760.080.231.56砂质壤土60～801.367.030.250.070.120.78壤质沙土80～1001.467.030.270.060.140.85壤土

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

试验田设置4个试验处理[如图1(b)和表3]，每个处理设置3个重复，共12个试验小区，小区面积为3 m×6 m，随机排列。为避免测渗干扰，各小区之间用薄膜做隔水处理，并且在试验田周围设有保护区。

表3 大田冬小麦微咸水灌溉试验方案 mm

本次试验以冬小麦作为供试作物，播种时间分别为2015年10月8日和2016年10月2日，生育期分别为249 d和248 d。试验设置灌水水量与灌水水质两个因素。灌溉水量设置240和160 mm，灌溉水质则设置微咸水与淡水。由于冬小麦在幼苗时期，扎根较浅，根系对盐分比较敏感[1,6]，所以在返青-拔节期采用了淡水灌溉，在拔节-抽穗和抽穗-灌浆期采用微咸水和淡水的组合灌溉方案。灌溉水源来自试区浅层地下水，试验区安装一套咸水淡化装置，淡化处理后的水直接作为淡水水源，灌溉所用微咸水为浅层地下水与淡水水源充分混合，令其矿化度降至3 g/L后用于灌溉[1]。

1.2.2 观测项目

在冬小麦的生长过程中，利用土钻在冬小麦的灌溉前后、种植前、收获后分别取土样进行盐分和水分测定。土壤采集的层次分别是0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm。观测到的项目有土壤含水率、全盐量和电导率。土壤含水率的测定采用烘干称重的方法。土壤的全盐量和电导率用水土比5∶1的土壤浸提液测定，具体操作参考《土壤农业化学分析方法》[7]。

作标记定点来观测株高，在抽穗前测量土面至最高叶尖的长度作为株高，在抽穗后测量土面至穗顶的长度作为株高。每个处理取三株有代表性的植株，分别将植株地上部分，在105 ℃烘箱中杀青30 min，然后降温至70 ℃再烘48 h，称地上干物质重。各处理考察有效穗数、每穗粒数、实粒数和千粒重，并以此来计算理论产量和实际产量。理论产量(kg/hm2)=有效穗数(万穗/hm2)×每穗实粒数(粒/穗)×千粒质量(g)×10～2。实际产量按照各小区单打单收，分别装袋，做好标签，晒干扬净后测定。

2 结果与分析

2.1 土壤水盐动态变化

2.1.1 土壤含水率变化

从土壤垂向分析发现(图2和图3)，土壤表层(0～30 cm)的含水率变化更为明显。例如在第一次灌溉(2016-03-11/2017-03-15)前后，T2处理土壤2016年0～20 cm土层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%。这主要是因为上层土壤受灌水、降雨和蒸发影响较大的结果[8]。

第一次灌溉至第二次灌溉(2016-04-21/2017-04-23)之前，表层土壤含水率下降明显，其原因是由于春季降雨较少，土壤水分蒸发损失量大。第二次灌溉后，T3虽然采用了微咸水灌溉，但土壤水分补充程度与淡水灌溉补充效果基本一致。例如，2016年，T1处理土壤0～20 cm土壤含水率增加2.76%，20～40 cm增加1.59%，T3处理土壤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表层土壤含水率达到12.5%～19.9 %，而T2、T4由于未灌溉表层土壤含水率仅能达到10.78%～13.64%。在相同灌溉水量下，T3较T1既可以确保适宜的土壤水分维持作物生长，又可以节约淡水资源。

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

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

2.1.2 土壤盐分变化

由图4和图5可知，表层土壤含盐量由于受到灌溉、降雨和蒸发因素的影响较大，其变化较深层土壤更为明显。试验开始前，第一年的表层土壤含盐量大于底层，这是由于试验区一直处于干旱无雨和少灌溉状态，地下水埋深较浅，强烈的蒸发作用使得土壤盐分呈现表聚趋势[9]。而第二年的底层土壤含盐量大于表层，是因为第一年表层土壤盐分经淋洗向下运移的结果。

图4 2015-2016年土壤含盐量Fig.4 Soil salt content in 2015-2016

图5 2016-2017年土壤含盐量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，蒸发量大，土壤表层出现明显的返盐现象。第二次灌溉，T3、T4由于采用了微咸水灌溉，土壤表层含盐量增加。例如在2016年0～20 cm土壤含盐量分别增加0.8、0.34 g/kg；20～40 cm土壤含盐量分别增加0.39、1.22 g/kg。T1、T2因为采用淡水灌溉，土壤含盐量明显下降。第三次灌溉中，T1处理土壤受淡水淋洗作用，土壤含盐量明显下降，而T3由于采用微咸水进行灌溉，表层土壤含盐量增加。T2和T4由于未进行灌溉，表层土壤返盐现象明显。例如2016年T2处理土壤0～20 cm土壤含盐量增加1.54 g/kg，T4增加0.71 g/kg。小麦收割后，该地区进入雨季，降雨使得土壤表层含盐量明显下降。

2.1.3 土壤盐分盈亏分析

由表4可知，在2015-2016生育期内，由于T1三次灌水均采用了淡水，土壤盐分下降0.053 g/kg，T2、T3、T4处理则表现出了不同程度盐分的积累，积累程度表现为T3

2.2 冬小麦生长状况分析

2.2.1 微咸水灌溉对株高、干物质的影响

从拔节期开始株高迅速增加，至抽穗期增加速率最高，此后至灌浆期缓慢增加并达到平衡[1]。通过两年的数据比对可以发现(图6)，微咸水灌溉的小麦生长高度和速率都要略低于淡水处理的小麦生长高度和速率。例如，2016年T1、T2在拔节期灌水后测得生长高度为65.07、63.33 cm；T3、T4的生长高度为59.05、59.49 cm。

表4 2015-2016年的土壤盐分盈亏情况 g/kg

图6 冬小麦株高变化Fig.6 Changes in plant height of winter wheat

灌浆期是冬小麦干物质积累最关键的时期[10]。如图7所示，2016年灌浆期干物质积累量T3>T1>T4>T2，2017年积累量T1>T3>T2>T4，三次灌水的干物质积累量要大于两次灌水。主要原因是在缺水的条件下，冬小麦的灌浆速率将会受到水分胁迫作用的影响，使得冬小麦的灌浆时间缩短，影响干物质积累[10]。

图7 冬小麦地上干物质变化Fig.7 Changes of dry matter above ground in winter wheat

2.2.2 微咸水灌溉对产量的影响

不同处理的产量对比(表5)发现，2016年冬小麦产量：T1>T2>T3>T4，2017年冬小麦产量：T1>T3>T2>T4。在相同的灌水定额下，微咸水灌溉处理的产量明显少于淡水灌溉处理，例如，2016年T3较T1减产7.82%，T4较T2减产2.6%。在相同灌水水质下，两水灌溉处理产量明显少于三水灌溉处理，水分胁迫对产量抑制作用更加明显，例如，2017年T2较T1减产12.91%，T4较T3减产24.98%。从产量构成因素分析，T3、T4虽然较T1、T2穗粒数减少，但是千粒重却相差不大，说明灌水促进了籽粒的灌浆，提高了冬小麦的千粒质量，是实现冬小麦增产的主要原因[11]。

3 讨 论

吴忠东等在南皮生态试验站研究发现，灌前含水率主要决定于降水量的多少，而灌后含水率则表现为淡水灌溉高于微咸水灌溉的趋势；灌溉2～3次微咸水的处理均发生了不同程度的积盐现象，在使用2次微咸水进行组合灌溉的时候宜采用咸淡交替灌溉的方式，以避免加重土壤的积盐程度[4]。本文研究中，微咸水灌溉对土壤含水率的抑制作用不明显，与前人的研究结果存在差异，这可能与两试验区土壤理化性质差异有关，本试验区土壤较南皮试验区土壤颗粒大，孔隙大，通气透水性好，有利于盐分的淋洗，所以受微咸水抑制作用减弱。本文试验中，T3和T4处理同样也导致了一定的盐分积累，雨季雨水的淋洗会减少盐分积累，但是如果遇到枯水年，应及时采用淡水淋洗排盐，避免盐分在土壤表层积累[12]。

表5 2016季与2017季冬小麦产量Tab.5 Winter wheat yield in 2016 and 2017

Singh 等发现冬小麦产量随微咸水喷灌灌水量的增加而增加，灌溉水矿化度增加时，增加灌水频率能减缓冬小麦产量的下降[13]。马文军等发现，微咸水灌溉虽然导致冬小麦和夏玉米产量降低10%～15%，但节约淡水资源60%～75%。如果降雨量达到多年平均水平以及微咸水灌溉制度制订合理，微咸水用于冬小麦、玉米田间灌溉前景广阔[14]。本文在试验分析中发现，水分胁迫对冬小麦产量的影响最为明显，两水灌溉相比于三水灌溉会减产10%～25%。微咸水灌溉产生的盐分胁迫作用对冬小麦产量具有一定抑制作用。但相较于前人的研究结果，本文研究微咸水对产量的抑制不明显，因为一般采用微咸水灌溉的前1～3 a，盐分胁迫对产量的影响并不明显，但是随着微咸水灌溉年限延长，土壤盐分逐步增加，对作物生长影响的负面作用逐步显现[3]。因此，在采用咸淡水交替灌溉的基础上，应该采取合理的排盐措施[15]。

4 结 论

(1)T3处理采用微咸水灌溉后，土壤表层的含水率可达到13.89%～19.9%；土壤盐分最终盈亏情况为T1

(2)相较于淡水灌溉，微咸水灌溉所带来盐分胁迫会抑制株高生长和干物质的累积。相较T1处理，T3的株高降低2.2%～3.7%。灌浆期的水分胁迫才是致使干物质积累减少的主要因素，在相同灌溉水质下，相较于两次灌溉，三次灌溉可以增产10%～25%。在相同灌溉水量下，T3比T1减产0.03%～7.83%，但可以节约淡水资源。

(3)从节水和产量两方面来说，冬小麦采用淡水-微咸水-微咸水的灌水模式是该区域的较优选择，既能保证产量，又能节约淡水资源。

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