滴灌控制土壤基質(zhì)勢對土壤水分分布和苜蓿生長的影響

李 森，劉淑慧，郭建忠

(太原理工大學水利科學與工程學院,太原 030024)

0 引 言

城市和工業(yè)迅速發(fā)展需要占用大量耕地面積，使得農(nóng)業(yè)用地面積日益減少。與此同時，大面積的鹽漬化土地資源尚未得到充分利用和有效改良[1]。大同盆地屬溫帶干旱草原氣候，海拔1 000～1 100 m，年平均降水量417 mm，蒸發(fā)量為降水量的4.7倍，該地區(qū)鹽堿地面積大，分布廣泛，土地資源豐富，開發(fā)潛力巨大[2]。

地表滴灌的優(yōu)異性在于其頻率高、流量小、時間長的特點，在長期淋洗土壤鹽分的同時，還可提高土壤基質(zhì)勢來彌補因灌溉水中含鹽量增加而降低的土壤滲透勢，使植物根系分布層的土壤總水勢維持在較高的水平，增強植物根系吸水[2]。滴灌過程中，水分將土壤中的鹽分帶走，使滴灌濕潤區(qū)周圍鹽分濃度降低，從而為作物提供較好的生長環(huán)境；另一方面，灌溉水量一部分滿足作物的需水，另一部分用來淋洗鹽分，這部分水是保持土壤鹽分平衡的重要因子[3]。根據(jù)土壤基質(zhì)勢制定灌溉計劃是滴灌模式下常用的一種方法[4]。有研究[5,6]表明，在鹽堿地區(qū)采用負壓計滴灌水鹽調(diào)控，并依此制定作物灌溉制度的方法適合在我國干旱半干旱地區(qū)推廣使用。

土壤基質(zhì)勢能直接反映了土壤中的含水情況，而負壓計可以測出土壤基質(zhì)勢的變化，已有很多研究者利用負壓計測量滴灌條件下的土壤基質(zhì)勢，用來指導灌溉計劃[7-9]。紫花苜蓿具有適應性好、抗逆性強和經(jīng)濟價值高的特點，因此在鹽堿地種植紫花苜蓿不僅可以培肥改善土壤，增加鹽堿地的植被覆蓋，為畜牧養(yǎng)殖提供優(yōu)質(zhì)牧草，也是改良和利用鹽堿地的良好途徑[10]。其在大同盆地已經(jīng)有多年的種植歷史。本文通過田間試驗種植紫花苜蓿，并以負壓計控制土壤基質(zhì)勢指導灌溉，從而分析研究土壤水分變化以及苜蓿的生長情況，為大同盆地鹽堿地改良和作物灌溉計劃提供相應的指導。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省大同盆地山陰縣，介于東經(jīng)112°25′～113°04′，北緯39°11′～39°47′之間，主要土壤類型為蘇打鹽化土，是大同盆地蘇打鹽漬土分布最集中的縣區(qū)。該區(qū)降水分布時空不均，季風強烈，空氣干燥，蒸發(fā)量大，年平均降雨量為398.9 mm，蒸發(fā)量為1870 mm，年平均氣溫為7 ℃，1月最低氣溫-27.6 ℃，7月最高氣溫33.2 ℃，初霜期為9月下旬無霜期130 d，灌溉水多為地下水。表1為試驗區(qū)土壤的部分性狀。從表中可以看出試驗地土壤在0～40 cm砂壤土占多數(shù)，40 cm以下多為壤土占多數(shù)，中層即深度為30～60 cm土層含水率較高，0～20 cm層含水率較低。

表1 試驗地土壤部分性狀初始值

注：根據(jù)美國農(nóng)部土壤質(zhì)地三角分類。

1.2 試驗布置及設計

試驗供試作物為紫花苜蓿，采用平作的種植方式，2015年7月1日灌溉并播種，9月20日結(jié)束試驗。播深一般為2～3 cm，濕土播深較淺，干土稍深，播后對土壤輕輕鎮(zhèn)壓，以使種子與土壤緊密接觸，提高種子發(fā)芽率，對作物做三種處理進行灌水，即分別控制土壤基質(zhì)勢為-15、-25和-35 kPa。將負壓計陶土頭埋置于滴頭正下方20 cm深度處監(jiān)測土壤基質(zhì)勢，每當表盤讀數(shù)超過預設范圍時即進行灌水[11]。對每種處理各設立3個重復小區(qū)，共9個試驗小區(qū)，每個小區(qū)種3行作物，行間距為60 cm，小區(qū)規(guī)格為3 m×2.6 m。按小區(qū)規(guī)格鋪設滴灌帶，滴灌帶長度為3 m，滴頭間距為20 cm。在總管處安裝有總閘門、壓力表、過濾器和水表，將每個處理作為一個灌溉單元，在每個單元入口都安裝閘門，在閘門控制下不同處理分開灌水，如圖1所示，在灌水時通過記錄水表讀數(shù)，每次灌水深度為5 mm，當負壓計讀數(shù)偏離設定值太大時，可根據(jù)情況增加灌水次數(shù)，直到負壓計讀數(shù)回歸設定值為止。

圖1 試驗布置(單位：m)

1.3 試驗觀測

在播種前、作物生長旺期和收獲前期(間隔大約30 d)分別對每種處理用土鉆進行取土，取土位置分別為距離滴頭水平距離0，10，20，30 cm處不同深度的土層，即取土深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm。稱取一定重量的土樣，在105～110 ℃下烘12 h，計算土壤含水率。試驗期間每天08∶00和18∶00觀察記錄負壓計讀數(shù)，用蒸發(fā)皿和雨量計測量日蒸發(fā)量和降雨量。每次灌溉記錄灌水量，并在試驗結(jié)束計算各處理總灌水量。收獲時稱取各處理作物鮮重并計算單位面積內(nèi)生物量值。

1.4 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel基本分析和作圖，土壤剖面含水分布圖采用Surfer11完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿生育期內(nèi)蒸發(fā)降雨量與土壤基質(zhì)勢

7月1日播種后，部分地塊苜蓿種子發(fā)芽和生長緩慢，這是由于部分地塊播種時播深較深、局部鹽堿程度異常嚴重等原因[12]。試驗于7月31日安插負壓計開始控制灌溉。從圖3可以看出3種處理的表頭讀數(shù)變化趨勢均圍繞控制值上下浮動，其中-15 kPa的變化幅度最小，-35 kPa變化幅度最大，這是因為-15 kPa控制下的灌水比較頻繁，相對變化區(qū)間小，而-35 kPa控制的下的灌水較少，變化區(qū)間大。

圖2 蒸發(fā)與降雨量

圖3 土壤基質(zhì)勢分布

苜蓿生育期內(nèi)累計降雨量為148.5 mm，累計蒸發(fā)量為453.3 mm，該年生育期內(nèi)降雨量跟以往同時期相比屬于降雨偏少的年份。從圖2可以看出降雨日內(nèi)蒸發(fā)量相應減少，其中有三次較大降雨分別在6月30日、8月2日和9月10日，降雨量分別為16.7、19.3和19.4 mm。從圖3中可以看出8月22日-35 kPa處理出現(xiàn)一個最大峰值，達-64 kPa，而圖2顯示8月18日-8月26日蒸發(fā)量處于整個時段的較高水平，并在8月19日出現(xiàn)整個時段的最高峰，蒸發(fā)量達9.1 mm，這說明在這一時期內(nèi)沒有降雨補給，而地表土壤蒸發(fā)量持續(xù)增高，當土壤蒸發(fā)量大于土壤水和地下水的補給時，表層水分逐漸減少，含水量逐漸下降，也有研究指出可能是負壓計工作失常造成的[13]。

2.2 苜蓿全生長期間土壤含水率變化

從作物生長階段的土壤剖面含水率分布圖可以看出，在播種前期首次灌水后，土層深度0～40 cm范圍內(nèi)土壤含水率就達到一個比較高的狀態(tài)，這為作物種子發(fā)芽和出苗提供了良好的水分條件，但土壤含水率整體偏低，且分布范圍較小。隨著滴灌時間的加長和地表覆蓋度的增加，濕潤面積逐漸增大，在滴頭附近區(qū)域的土壤含水率逐漸增高。

圖4 播種前期(7月)土壤含水率(%)

圖5 生長旺季(8月)土壤含水率(%)

圖6 收獲前期(9月)土壤含水率(%)

在作物生長旺季(圖5)，由于作物根系吸水較快，滴頭近處明顯低于離滴頭橫向距離較遠處的土壤含水率[13]，而且水分密集集中在距地表深度為20～50 cm的土層范圍，由于-15 kPa處理下灌水頻率較高，土壤剖面含水分布較-25和-35 kPa處理的更為均勻，土壤含水率整體處于14%～17%的范圍。隨著滴水時間的延長，水分不斷入滲，滴頭附近土壤的含水率越來越大，最后在滴頭附近形成一個飽和區(qū)。由于灌溉改變了表層土壤水分在垂直和水平方向的變化規(guī)律[14]，土壤含水率大小自滴頭向外遞減，滴頭正下方土壤含水率明顯增大。

在收獲前期(圖6)土壤濕潤面積最大，且濕潤密集區(qū)整體向地表和滴頭方向靠近，從圖6可以看出，在垂直方向上，土壤含水率隨著土層深度的增加而減小，在0～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤含水率較高，40 cm以下的土層土壤水分含量和分布沒有明顯的變化，當土層深度達到70 cm以上時，距離滴頭水平距離不同處的土壤水基質(zhì)勢整體變化幅度較小,土壤基質(zhì)勢的變化受灌水和降水的影響不明顯，在整個生育期內(nèi)土壤含水率一直處于較低水平。在水平方向上，土壤含水率也隨距滴頭距離的增加而遞減。

3 不同基質(zhì)勢苜蓿生長情況

從株高情況來看，在作物整個生育期內(nèi)，隨生育期的推進，株高不斷增加，生長旺季增加迅速，后期增加緩慢，旺季(8月份)以后達到最大高度基本保持穩(wěn)定。在7月份生長初期，生長緩慢，8月份是生長旺季，作物株高迅速增長，到8月底逐步減緩，最后在收獲時基質(zhì)勢為-15 kPa處理下的株高超過了其他兩個處理，其株高達到了41.7 cm，其余兩個處理的株高均處于40 cm以下。

表2 苜蓿生長株高狀況 cm

圖7 苜蓿生長平均蓋度

圖8 苜蓿生物量

從蓋度來看，在收獲前期對不同處理的每個重復測取蓋度，最后取所有重復的平均蓋度值，結(jié)果顯示-15、-25和-35 kPa處理苜蓿的蓋度分別為15.3%、10.4%和9.9%，可以看出-15 kPa處理的作物覆蓋程度最高，比其他兩個處理的蓋度值平均高出5%以上，而-25 kPa和-35 kPa處理下的作物覆蓋程度差別不大。從生物量來看，-15、-25和-35 kPa處理的單位面積生物量分別為281.29、227.99和224.33 g/m2，其中-15 kPa處理的生物量最多，達到了281.29 g/m2。

作物生長情況整體分析來看，不同處理之間的株高、蓋度和生物量的差異表現(xiàn)一致,各個指標的變化趨勢明顯相同，均表現(xiàn)為-15 kPa處理下的苜蓿生長情況最好。整個試驗期內(nèi)-15、-25和-35 kPa處理的灌溉水量分別為3.675 m3>3.05 m3>2.915 m3，所以滴灌對鹽堿地土壤水分調(diào)控起到明顯作用，滴灌水量越多，土壤基質(zhì)勢越高，獲得的產(chǎn)量越高，生長情況越好。

4 結(jié) 論

(1)土壤基質(zhì)勢的變化與灌水頻率、降雨蒸發(fā)量、作物不同時期的生長需水大小緊密相關。當降雨減少，蒸發(fā)量相應增多，土壤表面水分不斷減少，在毛細作用力下更深層處的水分向上移動，同時作物根系也吸收一定量的水分，致使滴頭正下方20 cm處的土壤水分減少，水勢下降，而負壓計陶土頭內(nèi)的水勢較高，水便由水勢高處向水勢低處流動,當兩個系統(tǒng)的水勢平衡時停止流動[11]，此時負壓計表盤讀數(shù)相應變大。-35 kPa處理下土壤含水率相對較低，在每次灌溉或降雨后，土壤表層與20 cm深度處存在較大的水勢差，所以-35 kPa處理下的負壓計讀數(shù)變化也最為明顯。

(2)經(jīng)過一個生育期內(nèi)的持續(xù)灌溉，3個處理下的土壤剖面含水率分布變化明顯，土壤含水率整體提高5%，在灌溉后期水分密集區(qū)整體向土壤表層移動，集中點垂直移動30 cm左右。整個苜蓿生育期內(nèi)不同處理下的灌溉水量隨控制土壤基質(zhì)勢的降低而減少，-15 kPa處理下的土壤整體含水率提高了6%，其灌水量最多。在距離滴頭正下方20 cm范圍處埋設一個負壓計可以控制滴灌條件下的土壤基質(zhì)勢，這與很多學者的研究結(jié)果一致[1,5,6,12,13]。試驗中應經(jīng)常檢查負壓計工作狀況，當負壓計讀數(shù)有較大誤差時，應及時調(diào)整處理，確保負壓計正常工作。

(3)在本次紫花苜蓿的滴灌試驗中，按照-15、-25和-35 kPa處理的順序，3個處理的株高分別為41.7 cm>37.4 cm>34.3 cm，蓋度分別為15.3%>10.4%>9.9%，生物量分別為281.29>227.99>224.33 g/m2，所以不論從作物株高、蓋度和生物量來看，3個土壤基質(zhì)勢的控制對其影響的優(yōu)異程度均表現(xiàn)一致，即-15 kPa為最優(yōu)。將滴頭正下方20 cm處土壤基質(zhì)勢控制-15 kPa以上可以為紫花苜蓿的生長提供良好的水分環(huán)境，僅為在該地區(qū)種植紫花苜蓿和灌溉提供參考。由于本試驗年限較短，試驗結(jié)果可能存在一定誤差，所得結(jié)論還需進一步試驗驗證和完善。

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