張前兵,艾尼娃爾·艾合買提,于磊,魯為華,常青
(1.石河子大學動物科技學院,新疆 石河子832003;2.新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室,新疆 石河子832003)
土壤鹽分含量過高引起的土壤鹽漬化是農(nóng)田土壤肥力降低的重要標志之一,也是土地退化的主要表現(xiàn)形式,土壤鹽漬化已經(jīng)成為一個世界性的生態(tài)問題[1]。新疆是典型的大陸性干旱氣候,降雨稀少,蒸發(fā)強烈,可用水資源十分有限,在強烈的蒸發(fā)、蒸騰作用下,土壤積鹽嚴重,造成大面積土壤鹽漬化[2]。據(jù)統(tǒng)計,新疆綠洲區(qū)的開墾荒地面積為3.33×106hm2,其中耕地土壤鹽漬化面積達1.23×106hm2,已有40%~50%的耕地因次生鹽漬化危害而棄耕[3]。土壤鹽漬化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要障礙,嚴重影響著綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。利用鹽堿地種植牧草等適應性強的作物既能改善土壤質(zhì)量,又是緩解人畜爭糧、爭地矛盾的有效途徑[6-7]。紫花苜蓿(Medicagosativa)因其產(chǎn)草量高、適應性強、營養(yǎng)豐富、品質(zhì)好等特點,在世界上被廣泛栽培種植,也是我國種植面積最大的人工牧草[8]。近年來,隨著兵團畜牧業(yè)和規(guī)模化養(yǎng)殖的迅速發(fā)展,促進了新疆苜蓿向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)方向發(fā)展[9]。同時,為了解決新疆棉花(Gossypiumhirsutum)常年連作而導致的棉田益害比例嚴重失調(diào)、病蟲害加劇,從而影響棉花持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高效的生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境惡化問題[10],苜蓿作為棉花的輪作作物還具有保持水土、改善生態(tài)環(huán)境的作用[11],苜蓿在新疆大面積推廣種植,目前全新疆種植面積已達到27.2萬hm2。因此,開展綠洲區(qū)苜蓿田生態(tài)系統(tǒng)土壤鹽漬化的研究對改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。
合理的灌溉可以有效改善綠洲區(qū)土壤次生鹽漬化及提高中低產(chǎn)田的產(chǎn)量[12]。適宜的灌溉方式及灌溉量使鹽分被淋洗出濕潤區(qū),積累于遠離活動根區(qū)的濕潤峰處,能為作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境[2]。滴灌技術(shù)作為在新疆綠洲區(qū)推廣速度最快、面積最大的節(jié)水灌溉技術(shù),與大水漫灌方式相比可省水40%~50%,增產(chǎn)20%~30%[3],對棉田的研究表明,滴灌可以對土壤鹽分進行有針對性的調(diào)控,進而達到“驅(qū)鹽”效果[5-6]。新疆石河子市一四八團于2008年首次將滴灌技術(shù)成功應用到苜蓿種植上,并獲得大面積推廣種植,2012年兵團滴灌苜蓿種植面積達到6.7萬hm2,然而,由于苜蓿暫時還不能進行覆膜種植,刈割后土壤蒸發(fā)量較大,可能使土壤次生鹽漬化問題更為突出[13]。目前,有關(guān)改良土壤鹽堿狀況及增加作物產(chǎn)量等方面的研究,主要集中于微咸水灌溉配施有機無機肥和添加土壤改良劑(石膏)對鹽堿土改良及作物產(chǎn)量影響等方面[14-15]。有關(guān)灌溉對苜蓿田土壤鹽分運移影響的研究相對較少,尤其是綠洲區(qū)不同灌溉方式及灌溉量下苜蓿田土壤鹽分空間分布、鹽分平衡的研究鮮有報道[16]。本研究通過對綠洲區(qū)苜蓿生育期內(nèi)土壤電導率的測定,分析灌溉對苜蓿田土壤鹽分運移的影響,明確不同灌溉方式及灌溉量下苜蓿田土壤鹽分的空間分布、鹽分平衡機制,為綠洲區(qū)種植牧草,實現(xiàn)節(jié)水控鹽、改善土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。
試驗于2011年在石河子墾區(qū)147團5連中度鹽漬化的苜蓿(生長第2年)生產(chǎn)田(44°31′N,85°52′E)進行,年均降水量為153.1mm,年均蒸發(fā)量達2004.4mm,無霜期約162d,生長季節(jié)≥10℃年積溫為3300~3800℃。試驗地0~60cm土層土壤總鹽分3.8mS/cm,有機質(zhì)16.5g/kg,堿解氮16.8mg/kg,速效磷5.4mg/kg,速效鉀137.4mg/kg。前茬作物為棉花。
試驗采用兩因素隨機區(qū)組設計,其中灌溉方式設滴灌和漫灌2種處理,灌溉量設3個灌溉梯度,均采用苜蓿生產(chǎn)上相應的灌溉量和灌溉時間,小區(qū)面積為5m×8m,3次重復,灌水前按小區(qū)面積計算各小區(qū)的灌水量,由安裝在各小區(qū)進水口處支管上的水表控制。苜蓿生長季內(nèi)共設5次灌水,灌水均在刈割(初花期)前后3~5d內(nèi)進行,其中第1茬苜蓿只灌1次水,第2茬和第3茬分別灌2次水,1茬內(nèi)2次灌水時間間隔均設為15d左右。具體灌溉時間、灌溉量及試驗期間降雨量見表1。

表1 試驗期間灌溉量及降雨量Table 1 Irrigation quantity and precipitation during experiment
供試苜蓿品種為阿迪那多葉苜蓿(Adrenalin,加拿大BrettYoung公司生產(chǎn)),于2010年春季采用機械播種,并用小麥(Triticumaestivum)作保護作物,小麥收獲后進入正常苜蓿田間生產(chǎn)管理。2011年4月苜蓿返青時至10月苜蓿生長結(jié)束期內(nèi),對土壤鹽分含量等進行測定,若遇下雨測量時間順延。播種和滴灌帶鋪設均為一次性機械作業(yè)完成,種子播深2~3cm,行距20cm,用種量約1.2kg/667m2左右。滴灌方式下滴灌帶鋪設方式為1管4行,滴灌帶間距為80cm,埋深5~10cm,正常工作壓力為0.1MPa,滴灌材料為新疆石河子天業(yè)集團有限公司生產(chǎn),滴灌系統(tǒng)主管道直徑為90mm,支管道直徑為63mm,副管道直徑為32mm,毛管直徑為12.5mm,滴頭流量為1.1L/h,滴頭間距為30cm。除灌水因子外,其他管理按當?shù)剀俎8弋a(chǎn)田進行。
第1次灌溉前、每次灌溉結(jié)束后3d左右和苜蓿生長季節(jié)結(jié)束后,使用直徑為3cm的采樣器(土鉆),采集水平方向距滴頭15,30,45,60,75,90cm處的土壤樣品,采樣深度為60cm,每10cm為1層,仔細剔除植物殘體、石頭和其他雜物,制成混合土樣,帶回實驗室待測。
將自然風干土樣磨碎,過2mm篩,按土水比1∶5的比例進行混合(一般為18g土樣配合90g蒸餾水),并攪拌均勻,待沉淀后過濾取其浸提液,利用電導率儀(雷磁DDS-307型)測定土壤電導率ECSW(electrical conductivity of soil water),本研究用電導率表示土壤鹽分。
土壤含鹽量(土壤水溶性鹽的總量)是衡量土壤鹽漬化程度大小的重要指標,與植物生長表現(xiàn)具有密切的關(guān)系。而土壤水溶性鹽離子是強電解質(zhì),其導電能力的強弱可用電導率表示。因此,土壤鹽分平衡可用以下方程表示[4]:

式中,ΔS為灌溉前后土壤鹽分的變化值,S2為灌溉后土壤含鹽量(mS/cm),S1為灌溉前土壤含鹽量(mS/cm);ΔS>0說明土壤積鹽,ΔS<0說明土壤脫鹽,ΔS=0說明鹽分平衡。
苜蓿產(chǎn)量測定采用刈割法,在每茬苜蓿初花期(5% 植株開花)隨機選取1m×1m樣方,3次重復,將樣方內(nèi)苜蓿剪下(留茬5cm左右),剔除雜草等雜質(zhì)后進行稱重(精確到g),記錄其鮮重,并取苜蓿鮮草500g左右?guī)Щ貙嶒炇矣陉帥鐾L處自然風干,測定含水率,折算出苜蓿的干草產(chǎn)量。
采用Excel 2007和SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,用Surfer 7.0作圖。
苜蓿生育期內(nèi)不同灌溉方式及灌溉量下土壤鹽分變化情況如圖1所示,不同灌溉方式下,隨灌水量的增加,灌水后0~20cm土層土壤鹽分含量下降幅度增大,且滴灌方式D2及D3處理、漫灌方式F2及F3處理,土壤鹽分含量下降幅度均分別大于D1及F1處理。灌溉處理間,漫灌方式下第2次與第3次刈割前土壤鹽分含量均大于滴灌方式,灌水后2種灌溉方式土壤鹽分含量差異不明顯。與灌水前土壤含鹽量相比,2種灌溉方式下,苜蓿不同茬次不同灌溉量灌水后土壤含鹽量均明顯下降,灌水停止后一段時間內(nèi)土壤含鹽量又呈上升趨勢,但下次灌水后土壤鹽分含量則迅速降低,鹽分在垂直方向上呈振蕩運移的特點。整體而言,每茬苜蓿刈割后灌水,土壤鹽分含量均有所下降,呈明顯的“鹽隨水動”規(guī)律。苜蓿不同茬次及不同灌溉處理下,與生長季初始(4月24日)相比,在生長季結(jié)束時(9月24日)土壤鹽分含量均呈下降趨勢;隨生育進程的推進及灌水次數(shù)的增加,整個苜蓿生育期內(nèi)土壤鹽分含量呈波動式遞減的變化趨勢。
為進一步研究苜蓿生長季內(nèi)不同灌溉量及灌溉方式下土壤鹽分的運動特征,將試驗前初始土壤鹽分含量及生長季結(jié)束時土壤鹽分含量的空間分布進行比較,結(jié)果表明(圖2),不同灌溉方式下,苜蓿生育期內(nèi)土壤鹽分含量隨土壤深度的增加而增大,至60cm土層達到最大。垂直方向上距滴頭0~30cm土層初始土壤鹽分含量相對較低,為0.4~1.0mS/cm,30~60cm土層初始土壤鹽分含量較高,為1.0~3.8mS/cm,水平方向上土壤鹽分含量變化幅度不大。經(jīng)過田間灌溉及刈割,苜蓿生長季結(jié)束后土壤鹽分的空間分布發(fā)生了明顯的變化,0~40cm土層土壤鹽分含量明顯低于40~60cm土層土壤鹽分含量,可能原因為灌溉后0~40cm土層鹽分隨水移動,至40~60cm土層水分移動速度減慢,導致土壤鹽分在這一土層移動速度減慢而聚集。滴灌方式下,不同梯度灌溉量下土壤鹽分含量的變化不同,垂直方向0~60cm土層土壤鹽分含量D2處理最低,為0.16~0.36mS/cm,與初始土壤0~60cm土層鹽分含量相比下降了84.0%~90.5%,其次分別為D1和D3處理,整個生育期D2處理的苜蓿干草產(chǎn)量達到1406kg/667m2;漫灌方式下,不同梯度灌溉量下土壤鹽分含量變化與滴灌方式下相似,土壤鹽分含量F2處理最低,為0.1~1.7mS/cm,與初始土壤0~60cm土層鹽分含量相比下降了55.3%~90.0%,其次分別為F3和F1處理,F(xiàn)2處理整個生育期苜蓿干草產(chǎn)量達到1504kg/667m2。2種灌溉方式下,隨灌水量的增加,土壤鹽分峰值呈下移趨勢;2種灌溉方式相比,滴灌方式下不同土層土壤鹽分含量均小于漫灌方式下,說明滴灌方式下的“驅(qū)鹽”效果要好于漫灌。

圖1 生育期內(nèi)不同灌溉方式下土壤鹽分含量Fig.1 Soil salt content under different irrigation methods in the growth period
對苜蓿生育期內(nèi)不同灌溉方式下鹽分平衡進行計算,結(jié)果表明(表2),不同灌水量及苜蓿不同刈割次數(shù)條件下,滴灌方式0~40cm土層、漫灌方式0~30cm土層土壤鹽分變化值(ΔS)均為負值,說明滴灌方式下0~40cm土層、漫灌方式下0~30cm土層在灌溉后土壤處于脫鹽狀態(tài);滴灌方式下50~60cm土層、漫灌方式下40~60 cm土層土壤ΔS均為正值,說明滴灌方式下在50~60cm土層、漫灌方式下在40~60cm土層土壤處于積鹽狀態(tài),滴灌方式下40~50cm土層土壤ΔS正負值變化沒有明顯的規(guī)律。在相同灌溉方式不同灌水梯度條件下,不同土層土壤鹽分變化不同,滴灌方式D2與D3灌水處理、漫灌方式F2與F3灌水處理下不同土層土壤鹽分的“驅(qū)鹽”效果在0~30cm土層沒有顯著差異,而在30~40cm土層其“驅(qū)鹽”效果均分別好于D1、F1處理,但滴灌方式下D2與D3處理、漫灌方式下F2與F3處理,不同土層土壤鹽分變化差異不大。相同灌溉方式及灌溉量條件下,不同刈割茬次不同土層土壤鹽分變化沒有明顯的規(guī)律。
苜蓿當年生育期內(nèi)干草產(chǎn)量如表3所示,不同灌溉方式下,苜蓿不同茬次及干草總產(chǎn)量滴灌方式下為D3>D2>D1,D3、D2處理顯著大于D1處理(P<0.05),而D3與D2處理間差異并不顯著(P>0.05);漫灌方式下為F3>F2>F1,除第3茬F1與F2處理差異不顯著外,F(xiàn)3、F2處理顯著大于F1處理(P<0.05),且F3與F2處理間差異不顯著(P>0.05)。可見,與D2、F2處理相比,隨灌水量的增加,D3、F3處理干草產(chǎn)量增加并不顯著。考慮“驅(qū)鹽”效果及灌溉成本與產(chǎn)出的綜合經(jīng)濟效益,當灌水量達到滴灌方式下3000m3/hm2、漫灌方式下5250 m3/hm2后即可達到最佳的“驅(qū)鹽”及高產(chǎn)效果,在綠洲區(qū)苜蓿田過多的灌溉量只會導致水資源的更多浪費。

圖2 苜蓿生長季內(nèi)土壤鹽分的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of soil salt content in the alfalfa growth period

表2 不同灌溉方式下苜蓿田土壤鹽分平衡(△S)Table 2 Soil salt balance under different irrigation methods in alfalfa field mS/cm
研究表明,滴灌技術(shù)能夠減少灌溉水的深層滲漏,降低地下水位,土壤返鹽也隨之大大降低[17]。本試驗結(jié)果表明,苜蓿生長季內(nèi),隨生育進程的推進及灌水次數(shù)的增加,整個苜蓿生育期內(nèi)土壤鹽分含量呈波動式遞減的變化趨勢(圖1),體現(xiàn)出了“鹽隨水動”的規(guī)律,其主要原因為苜蓿刈割后地表遮陰面積大大減小,蒸發(fā)量隨之增加,土壤鹽分隨水分向地表移動,地表土壤鹽分含量增加,隨苜蓿的逐漸生長,地表覆蓋面積增大,蒸發(fā)量隨之減小,同時,在灌溉間歇期,在潛水的蒸發(fā)作用下鹽分再次向上運移至地表[4],經(jīng)過下一次灌溉淋洗又回到淺層地下水或土壤深層[18],從而使苜蓿生育期內(nèi)土壤鹽分含量隨生育進程的推進及灌水次數(shù)的增加呈波動式遞減的變化趨勢。楊鵬年等[5]研究表明,灌溉可以對土壤鹽分進行有針對性的調(diào)控,進而達到驅(qū)鹽效果。說明在苜蓿生長季內(nèi)灌溉起到了明顯的“驅(qū)鹽”作用。

表3 不同灌溉方式下苜蓿干草產(chǎn)量Table 3 Hay yield of alfalfa under different irrigation methods kg/667m2
不同灌溉方式及灌溉量對苜蓿田土壤鹽分的空間分布具有重要影響。本試驗結(jié)果表明,滴頭處各土層土壤含鹽量最低;2種灌溉方式下,在水平及垂直方向上,隨灌水量的增加,土壤鹽分峰值位呈現(xiàn)下移趨勢,灌溉后苜蓿生育期內(nèi)土壤鹽分含量隨土壤深度的增加而增大,土壤鹽分主要集中于土壤50~60cm土層,且滴灌方式下的“驅(qū)鹽”效果要好于漫灌(圖2)。研究表明,滴灌方式下滴頭處水分不斷地下滴下滲,使該處各層土壤經(jīng)常保持在較高的濕潤度下,滴水一段時間后滴頭下的土壤水分接近飽和狀態(tài),然后逐漸擴散形成一個半圓錐形的浸潤體,土壤中的鹽分亦隨水移動而被淋洗到浸潤體外緣,起到“驅(qū)鹽”的作用,從而使主要根系層的土壤形成了一個低鹽區(qū)[3],而離滴頭越遠,含鹽率增加越快,至濕潤峰前緣土壤含鹽率達到峰值[19]。漫灌方式水流速度快,對土壤的沖刷作用力大,對表層(0~30cm)土壤的“驅(qū)鹽”效果稍好于滴灌(圖2),但由于水流速度快、灌水時間較短,而不能更好地將鹽分運移至更深層次的土壤,從而使較深層次土壤的“驅(qū)鹽”效果不如滴灌方式。劉春卿等[2]研究認為滴灌方式下供水強度較低,土壤孔隙水流速度慢,較漫灌方式而言,滴灌灌溉水幾乎不能入滲至更深層導致鹽分被淋洗至土壤深層或進入淺層地下水中,土壤有更平均的鹽分濃度,從而減少了鹽分脅迫的機會;同時,由于滴灌技術(shù)每次灌溉后土壤含水量適中,對地下水的補給減少,易于將作物生育期內(nèi)的地下水位控制在較低的水平上,進而從根本上抑制了灌區(qū)內(nèi)土壤水鹽的向上擴散與積累[5]。整個苜蓿生長季,滴灌方式下D3處理灌水量最大(表1),土壤鹽分含量也最大(圖2d),漫灌方式下F2和F3處理土壤鹽分含量空間分布差異不大(圖2e、2f),說明在考慮成本、產(chǎn)出等綜合經(jīng)濟效益時,當灌水量達到某種定額后即可達到最佳的“驅(qū)鹽”效果,在綠洲區(qū)苜蓿田過多的灌溉量只會導致水資源的更多浪費。因此,在對綠洲區(qū)鹽漬化較重的苜蓿田設定灌溉量時,應盡量選取合理的灌溉制度及適宜的灌水量,以達到土壤鹽分淋洗和經(jīng)濟效益最大化的雙贏。
灌溉量的多少直接影響作物產(chǎn)量的高低,也是影響綠洲區(qū)土壤是否發(fā)生次生鹽堿化的主要因素[20]。土壤鹽分在作物生育期內(nèi)是增加還是減少,可以作為判斷灌溉方式的一項優(yōu)劣指標;而用土壤鹽分平衡方程能夠較為直觀地顯示土壤鹽分平衡狀況[4]。本試驗結(jié)果表明,在苜蓿整個生育期內(nèi),滴灌方式0~40cm土層、漫灌方式0~30cm土層下,灌溉能夠使苜蓿田土壤達到較好的脫鹽效果,2種灌溉方式均使鹽分在50~60cm土層的土壤聚集;2種灌溉方式下,隨灌水量的增加“驅(qū)鹽”效果越好(表2),土壤鹽分峰值位呈下移趨勢;同時,在一定灌水量范圍內(nèi),與低灌水量消耗的土壤儲水量較高相比,高灌水量降低了對土壤儲水量的消耗,減緩水分上移,從而降低了土壤的鹽分含量[21],起到脫鹽作用。楊勁松等[18]利用鹽分平衡原理對石河子墾區(qū)的研究認為,以冬灌的方式能夠?qū)崿F(xiàn)作物根系層的鹽分平衡,進而為作物生長提供一個良好的土壤環(huán)境。在新疆綠洲區(qū),滴灌苜蓿已開始大面積種植,有利于綠洲區(qū)土壤的可持續(xù)利用。在新疆次生鹽漬化土壤改良及緩解棉花長期連作導致土壤環(huán)境退化方面,滴灌苜蓿的作用已不可忽視。
滴灌技術(shù)能使作物主根系區(qū)形成脫鹽區(qū),為作物生長提供一個良好的水鹽環(huán)境,對鹽堿地區(qū)水土資源開發(fā)利用及土壤改良提供了新的研究思路和方法[22]。和大水漫灌方式相比,滴灌技術(shù)既節(jié)水而且能夠起到較好的“驅(qū)鹽”效果。研究表明,滴灌條件下土壤水平方向的濕潤峰距滴頭的距離為40~60cm[4],而本試驗中2條滴灌帶的水平距離為80cm,濕潤峰正好重疊,水分滲透的交互作用可以將濕潤峰處的鹽分向垂直方向“驅(qū)趕”,起到較好的“驅(qū)鹽”效果。在實際生產(chǎn)中常見1管6行的種植模式(節(jié)省成本),在水壓及植株行距恒定的情況下,2條滴灌帶的濕潤峰不能重疊,甚至還存在一定的距離,每次灌水后則正好將土壤鹽分“驅(qū)趕”至離滴灌帶最遠處的苜蓿植株行附近,導致鹽分在此區(qū)域大量聚集,形成1個高含鹽帶,嚴重影響離滴灌帶最遠處苜蓿植株的正常生長發(fā)育。在新疆綠洲區(qū)棉田中的研究表明,滴灌技術(shù)只在作物生長季使農(nóng)田土壤鹽分在空間位置上的分布產(chǎn)生差異,有助于作物避鹽,但是一旦經(jīng)過下茬耕作,土壤鹽分重新進行分布[3];而苜蓿為多年生植物,在苜蓿建植3~5年甚至更長時期內(nèi)并不存在下茬耕作而使鹽分重新分布的問題。因此,苜蓿生產(chǎn)中,在水壓恒定的條件下,適當縮小滴灌帶的間距,采用1管4行或小于1管4行的種植模式,能起到更好的“驅(qū)鹽”作用。
苜蓿生育期內(nèi),灌水后土壤鹽分呈現(xiàn)明顯的“鹽隨水動”規(guī)律。隨生育進程的推進及灌水次數(shù)的增加,整個苜蓿生育期內(nèi)土壤鹽分含量呈波動式遞減的變化趨勢。苜蓿生育期內(nèi),2種灌溉方式灌溉后土壤鹽分含量隨土壤深度的增加而增大,主要集中于50~60cm土層,滴灌方式下的“驅(qū)鹽”效果要好于漫灌。在考慮成本、產(chǎn)出等綜合經(jīng)濟效益時,當灌水量達到某種定額(滴灌下3000m3/hm2,苜蓿干草產(chǎn)量為1406kg/667m2,漫灌下5250 m3/hm2,其干草產(chǎn)量為1504kg/667m2)后即可達到最佳的“驅(qū)鹽”及高產(chǎn)效果,在綠洲區(qū)苜蓿田過多的灌溉量只會導致水資源的更多浪費。因此,在對綠洲區(qū)次生鹽漬化較重的苜蓿田設定灌溉量時,應盡量選取合理的灌溉制度及適宜的灌水量,以達到土壤鹽分淋洗和經(jīng)濟效益最大化的雙贏。
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