微咸水膜下滴灌對土壤水鹽分布及加工番茄產量的影響

楊文杰,王振華,2，任作利,2，蔣宇新,2,賈哲誠,2，陳瀟潔,2

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2. 現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

隨著我國人口的增加和國民經濟的迅速發展，水資源短缺已成為制約我國經濟和社會可持續發展的瓶頸[1]。據統計，中國地下微咸水分布區的面積約53.92萬km2，這些區域地下微咸水資源總量約為200億m3·a-1，其中可開采量為130億m3·a-1[2]；西北地區地下微咸水資源為88.6億m3·a-1，可開采量為42.390億m3·a-1，其中新疆最高，為17.24億m3·a-1，占西北內陸區微咸水開采量的40.7%[3]。新疆地處我國西北，屬于典型的干旱缺水地區，其水資源供需矛盾突出，農業用水量占水資源使用總量的比例達到90%[4]，使用微咸水進行灌溉已成為彌補淡水資源短缺的一個重要途徑[5]。目前，膜下滴灌是一種可充分開發利用微咸水的方式，其采用少量多次原則(灌水頻率高、灌水流量少)，不僅可以大大減少棵間蒸發，而且在高頻少量的淋洗作用下，可以為作物主根區提供一個良好的水鹽環境，促進作物良好生長[6]；另一方面，滴灌可以使作物根區土壤保持較優的水分條件，土壤基質勢很高，彌補了鹽漬土中因鹽分存在而降低的土壤溶質勢，使得土壤總水勢維持在較高的水平，有利于作物根系對水分的吸收。但微咸水灌溉會增加土壤的鹽分，使耕層的土壤含鹽量超過作物的耐鹽度，進而影響作物的生長[7-9]。

加工番茄種植主要集中在新疆，逐漸發展到內蒙、甘肅、寧夏等地，特點是矮化自封頂，對鹽分較敏感。Pasternak[10]研究發現使用微咸水灌溉玉米，經過兩年灌溉之后土壤鹽分主要集中分布在0～30 cm土壤中。Eggleton M[11]認為鹽分累積多少與灌溉水的含鹽量和灌水量有關，鹽分累積深度與灌水制度、灌水方式等密切相關。在以色列進行的咸水滴灌番茄的試驗表明，咸水滴灌產量與優質水滴灌的產量相近[12]。喬冬梅等[13]利用大型蒸滲儀研究表明：采用礦化度小于4 g·L-1的微咸水進行灌溉，在作物整個生長周期內，沙壤土100 cm 以內土體不會形成鹽分積累現象。萬書勤等[14]在華北半濕潤地區對番茄進行微咸水滴灌試驗，結果表明：番茄緩苗階段后用EC<5 dS·m-1的微咸水灌溉對番茄的生長和產量是安全的。此外，雷霆武[15]、李金剛[16]、 陶君[17]等對微咸水灌溉蜜瓜、玉米、辣椒都有研究。這些研究主要集中在棉花、玉米等大田作物和蜜瓜、辣椒等溫室栽培作物，而對大田種植番茄的研究較少，且一些研究主要局限于單因素灌水定額、礦化度對番茄各項指標的影響。本文通過微咸水膜下滴灌加工番茄試驗，研究不同灌水定額和不同礦化度水平對土壤水鹽的分布及加工番茄生長、產量的影響，以期將膜下滴灌與微咸水灌溉更好地結合，為膜下滴灌經濟作物合理利用微咸水提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年4—10月在新疆烏魯木齊市頭屯河區第十二師兵團中心灌溉試驗基地(87°22′E，43°59′N)進行。該地區位于新疆準格爾盆地南緣天山北坡經濟帶的中心，屬于中溫帶干旱區氣候，年均氣溫8.1℃，無霜期167 d；年降水量為225 mm，年日照時數為2 680 h，年蒸發量1 437 mm。試驗地土壤質地屬中壤土，0～100 cm土層平均容重及田間持水率分別為1.62 kg·m-3和24.8%，土壤有機質平均含量為26.8 g·kg-1，土壤初始鹽分平均含量為1.0 g·kg-1，土壤溶液(水土比為5∶1)電導率為0.3 dS·m-1。

1.2 試驗處理及設計

加工番茄品種選用當地常規品種“屯河9號”，種植方式為當地典型的起壟覆膜栽培模式，一膜兩管兩行，膜寬80 cm，毛管間距40 cm，番茄幼苗按單穴單株定植在壟的兩側，行距40 cm，株距40 cm。選用新疆天業有限公司生產的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.30 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.8 L·h-1。將塑料地膜埋入地下60 cm深，以降低相鄰試驗處理之間水肥相互滲透對試驗研究的影響。

本試驗根據北疆地區不同含水層微咸水離子成分，在第十二師農場淺井淡水(EC=1.1 dS·m-1)的基礎上，灌溉水由試驗基地井水和化學藥品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2按質量比例為1∶8∶8∶1∶1配制而成，對加工番茄進行灌溉。根據文獻和當地農藝管理，設定灌水定額和礦化度兩個因素，采用二因素三水平完全處理。灌水定額設高水611 m3·hm-2(W1)，中水458 m3·hm-2(W2)，低水305 m3·hm-2(W3)三個灌水水平，加工番茄生育期灌水次數為8次；灌溉水礦化度設1、3 g·L-1和5 g·L-1三個水平，共9個處理，每個處理設定三次重復。小區總面積500 m2，每個小區長20 m，寬2.5 m，試驗處理見表1。

表1 試驗不同處理設計方案

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率的測定 土壤含水率采用益墑GPRS型無線傳輸土壤水分傳感器(益盟電子有限公司，邯鄲)監測0～100 cm的土壤水分動態，每10 cm為一層，數據采集間隔時間為1 h；在作物每個生育期末取土，采用烘干法對土壤水分傳感器進行標定，取土深度分別為0、10、20、30、40、60、80 cm和100 cm。土壤水分傳感器分別布置在各小區膜下(水平方向距離滴灌帶15 cm處)、滴灌帶下和裸地，每個小區布置三組傳感器。

1.3.2 土壤鹽分的測定 播前、灌水前后及加工番茄收獲后，運用土鉆采取土樣，將采集的土壤樣品帶回實驗室烘干后，利用水∶土為5∶1配置浸提液，震蕩30 min后靜置24 h，用上海雷磁DDS-11A數顯式電導率儀測定浸提液電導率，換算成含鹽量[18]。

1.3.3 生長指標測定 加工番茄共分為5個生育期：苗期、開花期、坐果期、紅熟期、拉秧期。在每個生育期末，每小區隨機選擇9株，從植株基部用卷尺測量株高，莖粗用電子游標卡尺測量并采用十字交叉法讀數，并取其平均值。

1.4 數據分析

基于Excel 2016進行試驗數據處理與計算分析，采用Origin 9.0進行作圖，應用Spss20.0-Duncan’s法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 微咸水膜下滴灌加工番茄土壤水分變化規律

膜下滴灌是以點水源擴散的形式由地面向作物根系分布范圍的土壤中頻繁灌水，滴灌條件下土壤水鹽遷移過程所形成的濕潤體，是以點水源為中心的一個半橢球體或半球體[19]。本文以加工番茄坐果前期2018年7月9日灌水48 h后測得的土壤各層重量含水率為例，來說明微咸水膜下滴灌加工番茄土壤水分水平和垂直分布狀況，如圖1所示。

從圖1可以看出，灌水礦化度為1 g·L-1時，三個處理(S1W1、S1W2、S1W3)垂直方向的變化趨勢基本相同，均隨著土壤深度(0～100 cm)的增加，土壤含水量逐漸增大。其中，0～30 cm深度范圍內，S1W3處理土壤含水量最大，S1W2處理次之，S1W1處理最低；30～80 cm深度范圍內，S1W2處理滴頭處以及距離滴頭15 cm處土壤含水量最大，S1W3處理次之，S1W1處理最低；80～100 cm深度范圍內，S1W2處理與S1W3處理土壤含水量相差較小，而與S1W1處理相差較大。三個處理的土壤含水量在水平方向的分布差異較大，但水平方向總體表現為距離滴灌帶越近，土壤含水量越大，其中S1W1處理距離滴灌帶20 cm、土壤深度70～90 cm處土壤含水量最大。

從圖1可知，灌水礦化度為3 g·L-1時，三個處理(S2W1、S2W2、S2W3)垂直方向的變化趨勢存在差異。0～20 cm深度范圍內土壤含水量表現為S2W3最大，S2W2處理滴頭處土壤含水量低于S2W1處理，遠離滴灌帶15 cm處則高于S2W1處理；20～60 cm深度范圍內，S2W3處理土壤含水量最大，S2W2處理次之，S2W1處理最低；60～100 cm深度范圍內，近滴灌帶處土壤含水量表現與20～60 cm深度含水量大致相同。水平方向則表現為距離滴灌帶越遠土壤含水量越小，其中S2W2處理距離滴灌帶15 cm、土壤深度30～40 cm處土壤含水量最大。

從圖1可知，灌水礦化度為5 g·L-1時，三個處理(S3W1、S3W2、S3W3)垂直方向的變化趨勢有所不同但差別不大。0～20 cm深度范圍，處理S3W2、處理S3W3都隨深度增加含水量逐漸降低，20～100 cm深度內隨深度增加含水量逐漸增大；0～50 cm深度范圍內土壤含水量表現為S3W3處理土壤含水量最大，S3W2處理次之，S3W1處理最低；50～80 cm深度范圍內，S3W1含水量最大，S3W2處理次之，S3W3處理最低；80～100 cm深度范圍內，S3W2含水量最大，S3W1處理次之，S3W3處理最低；土壤含水量在水平方向的分布存在差異，其中S3W1處理垂直滴灌帶下方，土壤深度50～70 cm處土壤含水量最大。

綜合對比9個處理土壤含水率變化情況，不論是淡水灌溉還是微咸水灌溉，各處理土壤水分在水平和垂直方向上的分布特征基本相同，即水平方向上滴灌帶處土壤含水量最大，距滴灌帶15 cm處含水量次之，距滴灌帶35 cm處含水量最小，這說明滴灌后滴頭附近形成飽和區，重力作用大于毛細管作用，水分由滴頭向四周擴散。表層5 cm處各處理間含水量差距較小，但100 cm處各處理間含水量差距較大；9個處理垂直方向的變化趨勢表現為0～20 cm隨深度增加含水量逐漸降低，20～100 cm隨深度增加含水量逐漸增大，這是因為灌水后在蒸發作用下各土層土壤含水量整體減小，且土層深度越淺蒸發作用越強烈。

2.2 微咸水膜下滴灌加工番茄土壤鹽分變化規律

土壤中的水分是鹽分的載體，用微咸水進行膜下滴灌后，鹽分被灌溉水帶到土壤濕潤體邊緣，灌溉水對表層土壤有淋洗作用，土壤含鹽量在滴頭處最低，向周圍逐漸升高，在重力勢的作用下，鹽分最終在濕潤鋒處累積，使濕潤鋒邊緣的土壤含鹽量最高[20]。

從圖2可以看出，在滴頭正下方和距離滴頭水平10 cm的徑向位置處，距離地表0～10 cm土層范圍內，處理S1W1、S1W2、S1W3、S2W1、S2W2和S3W3的含鹽量均較低，鹽分在表層0～20 cm累積嚴重，并且隨著灌水量的增加，鹽分從滴灌帶處逐漸向遠離滴灌帶處聚集。而當灌水礦化度達到5 g·L-1時，其中灌水最小的S3W1處理在距滴灌帶20 cm處、土層深度0～30 cm范圍內含鹽量最大，灌水量居中的S3W2處理在距滴灌帶15 cm處、土層深度30～60 cm范圍內含鹽量最大，而灌水最大的S3W3處理在距滴灌帶20 cm處、土層深度0～30 cm范圍內含鹽量最大，灌水量居中的S3W2處理在在距滴灌帶15 cm處、土層深度60～100 cm范圍內含鹽量最大，說明隨著灌水量的增加鹽分逐漸下移并且鹽分累積增加，這是由于滴灌的壓鹽作用，灌水量越大壓鹽效果越明顯。

圖1 不同處理膜下滴灌加工番茄土壤水分剖面分布Fig.1 Distribution of soil moisture profile of tomato under drip irrigation with different treatments

微咸水灌溉后，各處理均表現出不同程度的鹽分累積，S1處理除了在土壤表面有少量的鹽分積累外，整個土體10～100 cm的平均含鹽量較低；S2處理0～30 cm土壤表層平均含鹽量較高，這可能是由于地膜中生長的雜草經常會頂破地膜，從而降低覆膜保溫、保水效果，土面蒸發使得鹽分在表層聚集；S3處理整個土體的平均含鹽量相對較高，鹽隨水移，即用5 g·L-1微咸水灌溉后會留有少量的鹽分在土體中。從9個處理土壤鹽分分布情況來看，滴頭正下方含鹽量均很小，且在灌水量相同的情況下，隨著灌溉水礦化度的增加，20～100 cm土層土壤含鹽量均逐漸增大，這是因為不斷滴入土體的水分對土壤中的鹽分有淋洗作用，可將土體中過多的鹽分帶出主根區范圍，在重力勢的作用下鹽分逐漸向濕潤鋒處累積。

圖2 不同處理膜下滴灌加工番茄土壤鹽分剖面分布Fig.2 Distribution of soil salinity profile of tomato under drip irrigation with different treatments

2.3 灌溉水礦化度對株高、莖粗的影響

株高和徑粗是植物的形態指標，在植物特定的生長期，可以直觀反映植物的長勢和營養吸收狀況。不同處理下加工番茄株高與徑粗隨生育期變化過程見圖3。

從圖3可以看出，株高和莖粗在整個生育期內的變化都是前期緩慢增長，開花坐果期快速增長，坐果后期之后基本趨于穩定；同時也可以看出，加工番茄在整個營養生長階段，株高和莖粗均隨著種植時間的增長而呈升高趨勢，但隨著灌溉水中含鹽量的增大，鹽分脅迫對株高的抑制作用逐漸顯示出來。當灌溉1 g·L-1微咸水和3 g·L-1微咸水時，株高生長趨勢基本相同，移栽45 d左右植株生長迅速，在坐果盛期和坐果后期，主要以生殖生長為主，株高變化較小，之后停止生長；當灌溉水為5 g·L-1時，加工番茄從苗期開始株高明顯低于礦化度1g·L-1和3 g·L-1的處理，且生長緩慢。加工番茄全生育期徑粗隨礦化度的變化趨勢和株高的變化基本一致。在苗期，灌水礦化度對徑粗的影響并不明顯，而在移栽后45 d左右，在同一灌水條件下，不同處理徑粗均隨著礦化度的增大而減小，在同一時間測量，徑粗的表現均為：S1>S2>S3。

圖3 同一灌水量不同礦化度對株高和莖粗的影響Fig.3 Effect of different salinity of the same irrigation water on plant height and stem diameter

2.4 不同灌水處理對加工番茄產量的影響

表2為不同灌水處理加工番茄產量及產量構成因素。產量方差分析表明(表2)，各處理產量均有差異性，S1W3處理下的產量最高，達到127 613.2 kg·hm-2，在灌水礦化度平均的條件下，產量隨著灌水量的增加而升高，產量Y表現為W3的產量分別比W2、W1的產量平均增加6.62%、15.18%。在灌水量平均的條件下，產量在水平W1、W2、W3下呈遞減規律，水平S3的產量比S2平均減少1.21%，比S1平均減少17.54%。雙因素方差分析結果顯示，不同鹽分對加工番茄的產量沒有顯著影響，各因素對加工番茄產量影響效應按因素由小到大表現為水分因素、鹽分因素、交互因素。

表2 加工番茄產量及其構成因素

3 討 論

膜下滴灌可以使作物根區土壤保持較優的水分條件，且土壤總水勢較高有利于作物根系對水分的吸收，但使用微咸水灌溉容易引起作物根區土壤溶液滲透勢下降，發生水分脅迫，從而影響作物生長并導致其減產[21]。本文通過田間試驗研究了不同水鹽處理對膜下滴灌加工番茄土壤水鹽分布及加工番茄生長和產量的影響，以期更好地將膜下滴灌與微咸水灌溉相結合，為新疆地區微咸水可持續膜下滴灌提供理論與技術支撐。

田間土壤水鹽分布及貯存范圍、位置以及濕潤體形狀是設計灌溉制度的重要因素，為了高效安全利用微咸水資源，有必要掌握微咸水入滲下的土壤水鹽分布規律。本試驗條件下，0～60 cm土壤含水率受蒸發蒸騰及灌水的影響顯著，且采用不同礦化度微咸水進行灌溉時，土壤含水量在水平方向的分布有著明顯的差異，而垂直方向土壤含水量變化不大。這與吳軍虎等[22]研究結果一致。此外本試驗結果還表明，用1～5 g·L-1的微咸水灌溉加工番茄后，濕潤區0～100 cm土體內總鹽在不斷的增加，增加鹽分的多少和灌溉水的礦化度大小呈正比，這與黃丹[23]等研究結果相似；番茄主根系分布范圍內土壤的鹽分含量較低，但各處理土壤含鹽量總體均有提高。覆膜滴灌條件下，微咸水灌溉會給根層土壤帶入鹽分，使土壤根層含鹽量增加，本試驗各處理土壤剖面鹽分遷移轉化受初始含鹽量、灌水量和灌水水質的顯著影響，因此，不同的初始條件需要配置不同的灌水量和水質，以保證加工番茄不受鹽分脅迫。合理控制微咸水膜下滴灌的礦化度，使用一定礦化度閾值以下的微咸水進行膜下滴灌，對作物生長和產量不會產生很大的影響[24]。本文研究結果表明，當礦化度為5 g·L-1時，番茄植株生長受到抑制，植株生長緩慢，但對產量影響不大，結果與前人[25-27]分別在番茄、苜蓿、西葫蘆上的研究成果一致，說明礦化度過高導致土壤含鹽量升高，使得番茄根系周圍的土壤溶液濃度過高，抑制根系對水分的吸收，從而影響作物生長。張艷紅等[28]認為，作物產量隨灌水礦化度的增大而降低，且用2 g·L-1的微咸水進行短期灌溉蘋果是安全可行的。本試驗結果表明，采用高水低鹽進行微咸水灌溉時加工番茄產量最高，且用1～5 g·L-1的微咸水灌溉加工番茄，其生長和產量是安全的。水鹽交互作用下，鹽分因素對加工番茄產量影響不顯著，水分因素對產量影響顯著，且當水分虧缺時，適當增加灌水有利于加工番茄根系鹽分的淋洗，從而提高番茄產量。

試驗在微咸水膜下滴灌研究中以灌水定額與礦化度為主要因素，忽略了土壤、濕度溫度、光照強度、其他微量元素以及試驗配套等其他因素對試驗的影響，得出的結論缺乏一定的共性。因而，考慮到環境、氣候、作物以及土壤的復雜性，不同參數情況下，微咸水膜下滴灌對作物生長和產量的影響，還全面深入的研究。

4 結 論

1)覆膜微咸水滴灌條件下，不同處理土壤含水量在垂直方向隨灌水量和礦化度的波動變化較小，且不同處理水平方向距滴頭35 cm處土壤含水量最小。同一灌溉水質條件下，膜下滴灌隨著灌水量的增加鹽分逐漸向水平距滴頭35 cm處聚集，且灌水量越大壓鹽效果越明顯。礦化度達到5 g·L-1時，灌水對土壤鹽分的淋洗能力小于灌水帶入土壤中的鹽分，灌溉對土壤鹽分的淋洗作用隨著灌水量降低而減弱，土壤積鹽量最大。

2)通過一年的試驗研究，本試驗在全面考慮水鹽分布規律、加工番茄生長及產量等各項指標后，認為覆膜滴灌條件下，利用灌水定額458 m3·hm-2和灌水礦化度3～5 g·L-1的微咸水對加工番茄進行灌溉對其產量影響不大，且節約了灌溉水資源；同時認為在在淡水資源比較缺乏而微咸水資源比較豐富的新疆地區，采用3～5 g·L-1微咸水對加工番茄進行膜下滴灌是安全可行的。