咸水灌溉對土壤水鹽分布及制種玉米產量的影響

袁成福，馮紹元，霍再林(.江西水利職業學院，南昌 00；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；.中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 0008)

0 引 言

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東端，是河西走廊三大內陸河流域之一。該流域是河西內陸河流域中人口最多、水資源開發利用程度最高、用水矛盾最突出、生態環境問題最嚴重、水資源對經濟社會發展制約性最強的地區[1-3]。該流域屬典型的內陸干旱性氣候，具有干旱少雨、日照強烈、蒸發量大等特點。對于地表水資源極其短缺的西北干旱區來說，地下水是社會經濟發展及維持生態環境的重要水源，農業發展也高度依賴于利用地下水進行灌溉。由于當地水資源過度開發利用，當地地下水礦化度呈現逐年增加的趨勢[4-6]。石羊河流域地下水礦化度上游地區一般為0.5～1.0 g/L；中游地區為1.0～3.0 g/L；下游民勤地區為3.0～9.0 g/L，局部地區高達10 g/L以上[7,8]。為了彌補淡水資源的不足，進而保障農業生產的穩步發展，咸水灌溉或微咸水技術已經被廣泛地應用到農業生產實踐中[9-13]。大量研究表明，利用咸水或微咸水灌溉可使農作物產量接近或達到利用淡水灌溉時的產量[14-16]。但是，長時期利用咸水進行農田灌溉，會給農業生產、農田土壤環境帶來不利影響，如降低農作物產量，引起土壤次生鹽堿化等[17]。研究表明，咸水灌溉條件下鹽分在土壤中累積過程及特征與灌溉水量、灌溉水礦化度、灌水制度及土壤性質有關[18-21]。咸水灌溉的原則在于控制土壤中的鹽分累積不超過作物的耐鹽度[22]。制種玉米是河西走廊主要的經濟作物之一，為了進一步尋求其合理的咸水灌溉利用方式，本文通過在石羊河流域開展為期兩年的制種玉米咸水灌溉田間試驗，研究咸水灌溉條件下土壤水鹽分布規律及對制種玉米產量的影響，以期為石羊河流域乃至西北干旱區合理利用咸水資源提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

咸水灌溉田間于2012年和2013年4-10月在中國農業大學石羊河試驗站進行。該試驗站地處甘肅省武威市涼州區(102°52′E，37°52′N)，海拔1 581 m，為典型的干旱荒漠區。該研究區多年平均降雨量164.4 mm，多年平均蒸發量達2 000 mm左右，地下水位埋深達40 m左右[23]。試驗在非稱重式蒸滲儀中進行，分8個測坑小區，每個測坑長3.33 m、寬2 m、深3 m，為有底測坑，小區間通過水泥混凝土隔開。測坑內土壤平均容重為1.48 g/cm3，田間持水率為0.30 cm3/cm3(體積含水率，下同)，飽和含水率為0.37 cm3/cm3。土壤基本理化性質如表1所示。

表1 測試土壤基本理化性質Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗設計

試驗以鹽分為研究對象，共設置4種鹽分水平，分別為s0(礦化度0.71 g/L，淡水)、s3(礦化度3 g/L)、s6(礦化度6 g/L)、s9(礦化度9 g/L)，分別代表石羊河流域上游、中部、下游及民勤湖區典型地區的地下水礦化度。共設置4個處理，由于受試驗地條件所限，每個處理2個重復，共8個小區，試驗采用裂區排列方式布置。根據制種玉米不同生育階段，結合當地灌溉經驗，設置灌溉制度如表2、表3所示，2013年各處理灌溉定額減少，是根據2012年制種玉米生育期內實際的灌水情況，對灌水定額作了相應的調整。2012年5次灌水日期分別為6月6日、6月30日、7月21日、8月13日和8月31日；2013年5次灌水時間分別為6月5日、6月30日、7月20日、8月10日、8月29日，分別處于制種玉米拔節期、孕穗期、抽雄期、灌漿期及成熟期。

試驗所使用的淡水源于當地地下水，通過水泵直接抽取。地下水主要包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+、HCO-3、Cl-、SO2-4。前2種離子質量濃度之和為129.76 mg/L，后5種離子質量濃度依次為31.9、45.71、41.19、150.19、296.22 mg/L。本試驗灌溉用水根據當地地下水化學組成配置灌溉咸水，配置的咸水是采用質量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4溶液組成，各處理最終灌水化學組成陽離子主要有Na+、K+、Ca2+和Mg2+，陰離子主要由SO2-4、Cl-、HCO-3組成，各處理灌溉用水pH值呈中性，灌溉水量利用水表控制。

2012年供試作物為當地制種玉米(金西北22號)，于2012年4月24日播種，2012年9月23日收獲，全生育期150 d；2013年供試作物為當地制種玉米(富農340號)，于2013年4月20日播種，9月13日收獲，全生育期146 d。制種玉米按父本和母本1∶7的方式種植，種植密度為每小區56株，各種農藝措施參照當地經驗進行，記錄試驗過程中灌水時間、歷時、除草以及施肥情況。

表2 2012年各處理灌溉制度Tab.2 Scheme of irrigation under different treatments in 2012

注：s0、s3、s6、s9分別代表灌溉水礦化度為0.71、3、6、9 g/L。下同。

表3 2013年各處理灌溉制度Tab.3 Scheme of irrigation under different treatments in 2013

1.3 測定項目與方法

2012-2013年試驗期間分別在制種玉米播種前、收獲后以及每次灌水前后通過土鉆田間分層獲取土樣，每個處理均分為6層，分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，每次取樣完后回填鉆孔并做標記，土壤含水率采用烘干法(土樣在105 ℃烘箱內烘8 h)測定。土鉆取土留部分土樣，將土樣風干，進行研磨和過1 mm篩后，采用1∶5的土水比配制成土壤飽和浸提液，利用SG-3型電導率儀(SG3-ELK742，Mettler-Toledo International Inc.，Switzerland)測定其電導率EC1∶5，并用公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)將EC1∶5轉化為土壤含鹽量[24]。

收獲后進行考種，每個處理隨機取6個穗測定穗長、穗粗；對作物莖稈和果實取樣稱重，將地上部分(包括莖、葉、果穗)在105 ℃下殺青2 h，然后在80 ℃下烘48 h得到干物重，每個處理6個重復；從收獲的玉米種子中每個處理隨機取6個重復，每個重復100粒，各自稱重，取其平均數計算百粒重；收集各小區所有籽粒稱重作為小區產量，然后再折算為kg/hm2。

1.4 統計分析

利用Microsoft Excel2003軟件對試驗數據進行處理和制圖，應用SPSS17.0統計軟件對試驗數據進行統計分析，處理間差異顯著性用單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 土壤水分分布規律

農田土壤水分分布主要受到灌溉、降雨、作物根系吸水以及土壤性質等多種因素的影響。由于各處理均為充分灌溉，該地區降雨量較小，因此土壤水分主要受到作物根系吸水和土壤性質的影響。本文將土層分為3部分：0～20 cm為表層土壤，20～60 cm為根系吸水層土壤，60～100 cm深層土壤。箭頭代表5次灌水的時間。圖1為兩年咸水灌溉試驗不同鹽分處理土壤水分分布規律。

注：箭頭代表灌溉。下同。圖1 2012年和2013年不同處理土壤水分分布Fig.1 Water distribution under different treatments in 2012 and 2013

從圖1中可以看出，相同灌水礦化度處理土壤水分分布具有明顯的分層現象，表層含水率較低，深層含水率較高，根系吸水層土壤含水率變化較明顯，兩年試驗各處理土壤水分分布規律基本一致。不同灌水礦化度處理土壤水分分布差異顯著，以9、3 g/L處理為例，兩年咸水灌溉試驗均表現出9 g/L處理的表層土壤含水率比3 g/L處理的土壤含水率高，而9 g/L處理的根系吸水層和深層土壤含水率比3 g/L處理的土壤含水率要低，這主要是因為高灌水礦化度處理鹽分脅迫嚴重，阻礙作物根系吸水，導致較多的水分殘留在土壤中，在土壤蒸發作用下，深層土壤水分向上運移，致使表層土壤含水率較高，同時高灌水礦化度處理會使土壤鹽分尤其鈉離子增加，土壤理化性質發生改變，從而影響土壤水分分布規律。兩年咸水灌溉試驗中9 g/L處理與6 g/L處理之間土壤水分分布也具有類似的規律。因此，不同灌水礦化度條件下，高灌水礦化度處理會影響土壤水分分布規律，使土壤水分自下往上運移，且這種規律會隨著咸水灌溉使用時間的增長而越明顯。

2.2 土壤鹽分分布規律

咸水灌溉土壤鹽分分布主要受到灌溉、降雨、灌水礦化度、土壤性質以及作物根系吸水等因素的影響。由于各處理均為充分灌溉，該地區降雨量較小，因此土壤鹽分分布主要受到灌水礦化度、土壤性質及作物根系吸水因素的影響。圖2為不同鹽分處理相同土層土壤鹽分分布規律。 由圖2可以看出，兩年咸水灌溉試驗9、6和3 g/L處理土壤鹽分在全生育期內變化顯著，在不同土層中的鹽分均高于淡水灌溉處理，且隨著灌水礦化度的增加而增大。在表層土壤和根系吸水層中土壤鹽分基本表現出s9>s6>s3>s0的變化趨勢，深層土壤中6 g/L處理兩年試驗表現出鹽分含量最高，這是由于試驗已經進行了4 a咸水試驗，6 g/L處理2012年試驗前初始含鹽量為1.37 g/L，比9 g/L處理的初始含鹽量1.05和3 g/L處理的初始含鹽量1.08 g/L大，在灌溉和降雨作用下鹽分主要累積在深層土壤。表4為2012年播種前至2013年收獲后土壤鹽分累積動態變化值。2012年播種前9、6和3 g/L處理各土層鹽分含量較高，是因為本試驗已經進行過4年的咸水灌溉試驗，各咸水灌溉處理土壤中積累了一定量的鹽分。2012年播種前至2013年收獲后9 g/L處理0～100 cm土壤呈現出積鹽現象，積鹽量為0.253 g/kg，其中表層土壤和根系吸水層土壤也表現出積鹽的現象，積鹽量最大值為0.731 g/kg，深層土壤表現出脫鹽現象，高灌水礦化度在灌溉和降雨的淋洗作用下，鹽分主要累積在表層土壤和根系吸水層土壤，這說明高灌水礦化度的咸水灌溉在土壤中累積的鹽分越厲害，若長時期使用高灌水礦化度的咸水進行農田灌溉則會使土壤產生鹽堿化，影響作物的正常生長；2012年播種前至2013年收獲后淡水灌溉處理略表現出積鹽現象，但積鹽量較少，積鹽率在10%以下，不會影響作物的正常生長；2012年播種前至2013年收獲后3 g/L處理0～100 cm土層土壤鹽分表現出脫鹽現象，脫鹽量為0.039 g/kg，說明3 g/L處理在兩年的咸水灌溉試驗中，受灌溉和降雨共同淋洗作用，0～100 cm土層中存在水分滲漏，其中2012年滲漏量為55.6 mm，2013年滲漏量為52.5 mm，兩年試驗能夠把土壤中的鹽分淋洗到100 cm以下土層，鹽分不會在土壤中產生大量累積。由于3 g/L處理在土壤中的鹽分含量較少，在該研究區短時期使用3 g/L的咸水進行農田灌溉，鹽分不會在土壤中產生大量累積，對農作物的正常生長影響較小，但長時期進行農田灌溉，對土壤鹽分效應的影響還需要進一步的研究。

圖2 2012年和2013年不同處理相同土層鹽分分布Fig.2 Salt distribution under different treatments at the same soil profile in 2012 and 2013

表4 2012年播種前至2013年收獲后土壤鹽分累積動態變化值Tab.4 Salt accumulation dynamic salinity from planting in 2012 to harvest in 2013

2.3 產量及其構成因素

表5列出了制種玉米兩年的產量及其構成因素。通過實地調查，甘肅省武威市石羊河流域制種玉米產量為6 000～7 500 kg/hm2。兩年試驗各處理產量及其構成因素具有類似的規律，隨著灌水礦化度的增加，制種玉米的穗長和穗粗減小，百粒重和干物質量減少，從而導致產量降低。2012年s9、s6和s3處理分別比s0處理減產51.2%、20.9%和14.2%；2013年s9、s6和s3處理分別比s0處理減產46.3%、25.7%和15.3%。說明咸水灌溉產生的鹽分脅迫能夠抑制作物的生長，3 g/L處理兩年試驗對制種玉米減產均在15%左右，減產較小。因此，灌水礦化度為3 g/L的微咸水灌溉短時期進行灌溉，不會使作物產生大量減產，可以用來進行農田灌溉，但長時期使用3 g/L的微咸水進行灌溉對作物產量的影響還需進一步的研究。

對制種玉米產量及其構成因素進行方差分析。結果表明2012年灌水礦化度對百粒重和產量影響顯著，2013年灌水礦化度對穗長、干物質量和產量影響顯著，其余均不顯著。2013年試驗各處理產量及其構成因素均比2012年試驗的低，是因為兩年種植的制種玉米品種不一樣，由于2013年制種的“富農340號”品種是新培育出來的品種，還沒有得到大面積的推廣，從該地區2013年種植情況來看，“富農340號”制種玉米生育期要比“金西北22號”要短，生育后期植株老化快，抗病蟲能力也較差，特別是在抽穗期間，由于天氣降雨的原因，影響制種玉米之間的授粉，致使灌漿期間玉米籽粒灌漿不飽滿，收獲后產量及其構成要素均比2012年的都要低，因此通過田間灌溉試驗驗證了該地區不適合推廣“富農340號”品種。

表5 產量及其構成因素Tab.5 Yield and its components

注：各列中的字母表示統計分析的顯著性，相同的字母表示不顯著，不同的字母表示在P=0.05水平上顯著；括號里表示標準偏差。

3 結 論

通過在石羊河流域開展為期兩年的咸水灌溉田間試驗，研究了咸水灌溉條件下土壤水鹽分布規律及對制種玉米產量的影響，主要結論如下。

(1)咸水灌溉條件下，相同灌水礦化度處理，土壤水分分布規律基本一致，均表現出明顯的分層現象；不同灌水礦化度處理，高礦化度處理會改變土壤水分分布，使土壤水分呈現出自下往上運移的規律，且這種規律隨著咸水灌溉使用時間的增長而越明顯。因此，不適宜長時期的使用高礦化度的咸水進行農田灌溉。

(2)2012年播種前至2013年收獲后3 g/L處理的土壤鹽分累積動態變化規律表明：3 g/L處理在兩年咸水灌溉試驗期間，受灌溉和降雨共同淋洗作用，0～100 cm土層土壤鹽分呈現出脫鹽，土壤鹽分不會在土壤中產生大量累積，對農作物的正常生長影響也較小。因此，在干旱地區短時期可以采用3 g/L的地下咸水進行農田灌溉，但長時期進行農田灌溉，對土壤鹽分效應和農作物產量的影響還需要進一步的研究。

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[1] 康紹忠，粟曉玲，沈清林，等. 石羊河流域水資源利用與節水農業發展模式的戰略思考[J]. 水資源與水工程學報，2004，15(4)：1-8.

[2] 康紹忠，粟曉玲，楊秀英，等. 石羊河流域水資源合理配置及節水生態農業理論與技術集成研究的總體框架[J]. 水資源與水工程學報，2005，16(1)：1-9.

[3] 劉建凱，汪有科. 石羊河流域生態環境問題與綜合治理[J]. 水土保持研究，2006，13(6): 153-155.

[4] 陳儉煌，魏曉妹. 石羊河流域水資源問題及其對策[J]. 干旱地區農業研究，2005，23(1)：197-200.

[5] 魏曉妹，康紹忠，馬 嵐，等. 石羊河流域綠洲農業發展對水資源轉化的影響及其生態環境效應[J]. 灌溉排水學報，2006，25(4)：28-32.

[6] Kang S Z, Su X L, Tong L, et al. The impacts of human activities on the water-land environment of the Shiyang River basin, an arid region in Northwest China[J]. Hydrological Sciences Journal, 2004,49(3):413-427.

[7] 李有林. 石羊河流域地下水水環境問題[J]. 地下水，2000，22(3)：113-116.

[8] 蔣 靜. 石羊河流域咸水非充分灌溉農田土壤水鹽運移試驗與模擬研究[D]. 北京：中國農業大學，2011.

[9] 喬玉輝，宇振榮. 河北省曲周鹽漬化地區微咸水灌溉對土壤環境效應的影響[J]. 農業工程學報，2003,19(2):75-79.

[10] 王仰仁，康紹忠. 基于作物水鹽生產函數的咸水灌溉制度確定方法[J]. 水利學報，2004，(6):1-8.

[11] 王衛光，王修貴，沈榮開，等. 河套灌區咸水灌溉試驗研究[J]. 農業工程學報，2004，20(5):92-96.

[12] Tedeschi A, Dell Aquila R. Effects of irrigation with saline waters, at different concentrations, on soil physical and chemical characteristics[J]. Agricultural Water Management, 2005,77:308-322.

[13] Ould Ahmed B A, Inoue M, Moritani S. Effect of saline water irrigation and manure application on the available water content, soil salinity, and growth of wheat[J]. Agricultural Water Management, 2010,97:165-170.

[14] 王衛光，王修貴，沈榮開，等. 微咸水灌溉研究進展[J]. 節水灌溉，2003，(2)：9-11.

[15] 逄煥成，楊勁松，嚴惠峻. 微咸水灌溉對土壤鹽分分布及作物產量影響研究[J]. 植物營養與肥料學報， 2004，10(6)：559-603.

[16] 王毅萍，周金龍，郭曉靜. 我國咸水灌溉對作物生長及產量影響研究進展與展望[J]. 中國農村水利水電，2009，(9)：4-7.

[17] 趙志才，馮紹元，霍再林，等. 咸水灌溉條件下土壤水鹽分布特征[J]. 應用生態學報，2010，21(4)：945-951.

[18] Valenza A, Grillot J C, Danzy J. Influence of groundwater on the degradation of irrigated soils in semi-arid redion, the inner delta of the Niger river[J]. Hydrogeology Journal, 2000,(8):417-429.

[19] Jorenush M H, Sepaskhah A R. Modelling capillary rise and soil salinity for shallow saline water table under irrigated and non-irrigated conditions[J]. Agriculture Water Management, 2003,(1813):1-17.

[20] Shani U, Dudley L M. Field studies of crop response to water and salt stress[J]. Soil Science Society of America Journal, 2001,65:1 522-1 528.

[21] 蔣 靜，馮紹元，霍再林，等. 咸水非充分灌溉對土壤水鹽分布及玉米產量的影響[J]. 應用生態學報，2008，19(12):2 637-2 642.

[22] 石培澤. 干旱區優質高效棉田苦咸水灌溉制度試驗研究[J]. 灌溉排水學報，2004，2(1): 73-75.

[23] 江冠軍，劉 芳，唐澤軍. 石羊河流域井灌區土壤水分滲層滲漏研究[J]. 灌溉排水學報，2009，28(6)：91-93.

[24] 蔣 靜，馮紹元，王永勝，等. 灌溉水量和水質對土壤水鹽分布及春玉米耗水的影響[J]. 中國農業科學，2010，43(11)：2 270-2 279.