起壟滴灌對寧夏鹽漬土及桑莄草的影響研究

何 俊，李夢剛，李興強，王 芳

(1. 寧夏大學環境工程研究院，銀川 750021；2. 寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室，銀川 750021；3. 教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，銀川 750021；4. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；5. 寧夏大學資源環境學院，銀川 750021)

我國是世界上最大的農業國家，人口眾多，在世界范圍內人均耕地面積長期處于較低水平[1]。據統計，分布于我國境內的鹽漬土面積達3.5×108hm2，且每年在不斷增長[2]。隨著人口日益增加及城鎮化發展，人口與有效耕地面積之間的矛盾日益突出，鹽漬土作為我國重要的后備耕地資源，其合理開發利用是破解此矛盾的突破口之一[3,4]。寧夏引黃灌區作為我國重要的糧食生產基地之一，受地形、氣候及人為因素的影響，產生了大面積鹽漬土[5]，對當地農業生產產生了巨大影響。但該地區屬于引黃灌區，水資源豐富，開發潛力巨大。

水既是造成土壤鹽漬化的介質也是治理鹽漬土的主要途徑[6]。大水漫灌能快速降低土壤含鹽量[7]，但容易引發深層滲漏導致返鹽現象頻發；此外，在內陸干旱區淡水資源匱乏導致該技術難以大面積推廣。而滴灌具有高頻率出水、點源擴散的特點[8]，能將植物根系附近的土壤含鹽量控制在較低水平，在鹽漬化土壤改良利用中得到了廣泛應用[9]。徐亞南等[10]研究表明：高頻滴水能快速洗鹽，鹽分易于土壤深層累積，地表蒸發并沒有引起返鹽；單次滴水量越多土壤脫鹽效果越明顯。通過物理措施，改變地表地形有助于土壤鹽分淋洗和改良效果的保持[11]。鹽堿地中起高壟能提高土壤透氣性，起壟可增加壟上距淺水面的距離，從而防止返鹽；在壟上種植植物，高壟可為植物根系提供與周圍相對隔絕的環境，有助于植物生長發育[12]。寧夏畜牧業資源豐富，作為當地優勢特色產業，具有良好的產業基礎，而優質牧草對畜牧業的發展至關重要。飼草高粱桑莄草作為畜牧業發展的優質牧草，經濟價值高、市場前景廣，且具有抗旱、耐鹽堿、耐貧瘠的特性[13]，如果能在鹽漬土地區大面積種植，將有效解決當地畜牧業發展中優質飼草短缺的難題。

起壟滴灌技術在我國西北干旱區鹽漬土治理中得到了應用，但鹽漬土的治理需要保證可持續性和經濟性，否則難以推廣應用。將具有高經濟價值的飼草高粱桑莄草與起壟滴灌技術進行結合，對探討寧夏引黃灌區鹽漬土治理及可持續性具有重要的現實意義。為此，本研究在寧夏吳忠樹心林場開展田間定位試驗，在統一滴灌的基礎上，研究起壟和未起壟兩種方式下不同灌溉定額對寧夏鹽漬土及桑莄草的影響，以期為該地區鹽漬土的治理提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗在寧夏吳忠市樹新林場(38°44′N，105°56′E)進行。試驗區地處西北內陸，屬于溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，年平均降水量和蒸發量分別為260和1 840 mm。試驗區0～60 cm土層土壤黏粒占11.62%，粉砂粒占40.54%，砂粒占47.84%，土壤質地為砂質壤土[14]。試驗前0～60 cm土壤的基本理化性質為：含鹽量5.54～8.47 g/kg，pH值8.58～8.83，有機質4.15～6.84 g/kg，堿解氮含量82.63～97.65 mg/kg；速效磷含量17.82～23.54 mg/kg，速效鉀含量175.32～193.64 mg/kg，K10值0.56～0.73 mm/min，土壤容重1.32～1.48 g/cm3。

1.2 試驗設計及過程

試驗共設計6個處理，分別為：起壟+灌溉定額1 080 m3/hm2(T1)；起壟+灌溉定額1 170 m3/hm2(T2)；起壟+灌溉定額1 260 m3/hm2(T3)；未起壟+灌溉定額1 080 m3/hm2(T4)；未起壟+灌溉定額1 170 m3/hm2(T5)；未起壟+灌溉定額1 260 m3/hm2(T6)，每個處理重復3次，采用隨機區組設計。

在試驗前，起壟處理小區采用機械起壟，壟高60 cm、壟寬140 cm；各處理均統一施用有機肥(羊糞)22.5 t/hm2，起壟處理小區撒施于壟頂，未起壟處理小區撒施于地表，通過旋耕使其與表層土壤混勻。各試驗區統一采用滴灌方式進行灌溉，每行桑莄草鋪設一條滴灌帶。2017年5月20日采用條播，行距為30 cm，起壟處理在壟頂種植，未起壟在地表種植，桑莄草的種植規格均一致。2017年6月1日灌頭水，6個處理的灌水定額均為180 m3/hm2，頭水增施尿素120 kg/hm2，第一茬收割后追施氮肥105 kg/hm2。待出苗后，每隔15天灌一次水，整個生育期內除冬水外共灌6次水，T1和T3處理每次灌水定額為180 m3/hm2，T2和T4處理每次灌水定額為195 m3/hm2，T3和T6處理每次灌水定額為210 m3/hm2。

1.3 觀測項目與方法

種植前、每次灌水后3天以及收完最后一茬，各試驗小區按照“S”形5點采樣，起壟處理的小區以壟頂為基準，未起壟的小區以地表為基準，采集土壤剖面0～20、20～40和40～60 cm土層土樣，剔除石礫和植物殘根等雜物，風干、磨碎、過1 mm孔徑篩。采用環刀法測定土壤容重；采用烘干法測定土壤含水率；采用酸度計測定土壤pH值；采用電導法測定土壤含鹽量。

采用滲透筒法測定土壤滲透性[3]：

K10=Kt/(0.7+0.03t)

(1)

式中：K10為10 ℃時的滲透性，mm/min；Kt為t℃時的滲透系數，mm/min；t為入滲水溫，℃。

2017年6月30日統計桑莄草出苗率，利用實際出苗數與種子總數之比求得桑莄草出苗率；采用卷尺測定桑莄草株高。于2017年7月10日開始收割第一茬，第二茬和第三茬收割時間分別為2017年8月10日和2017年9月10日，每次收割完進行稱量，最后統計得出每個試驗小區的鮮草產量。

1.4 數據分析及處理

利用SPSS19.0軟件進行顯著性檢驗，Surfer 10.0軟件進行數據處理作等值線圖。

2 結果與分析

2.1 土壤滲透性

以最后一次采集的土樣數據分析各處理對土壤滲透性的影響。與原土相比，各處理均顯著改善了土壤滲透性，0～20 cm土層的K10值最小，隨土層深度增加K10值呈增加趨勢(圖1)。

注：不同小寫字母表示同一土層不同處理在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示同一處理不同土層在0.05水平差異顯著；下同。圖1 各處理對土壤滲透性的影響Fig.1 Effect of all treatments on soil permeability

在0～20 cm土層，T3處理的K10值最高(1.01±0.11 mm/min)，T3處理與其他處理差異顯著(P<0.05)；T4處理的K10值最低(0.58±0.03 mm/min)，T4處理與其他處理差異顯著(P<0.05)。T1、T2、T3、T4、T5和T6處理在0～60 cm土層K10值比原土平均提高37.6%、49.4%、77.6%、10.0%、34.5%和66.9%，T3處理提高幅度最大，T4處理提高幅度最小。表明在相同地表處理方式下灌溉定額越高土壤滲透性的改善效果越好，相同灌溉定額條件下起壟處理的改善效果優于未起壟處理。

2.2 pH

以最后一次采集的土樣數據分析各處理對土壤pH值的影響。與原土相比，各處理均降低了土壤pH值，隨土層深度增加pH值呈降低趨勢(圖2)。在0～20 cm土層T4處理的pH值最高(8.48±0.05)；T3處理的pH值最低(8.22±0.05)，6個處理差異不顯著(P>0.05)。T1、T2、T3、T4、T5和T6處理在0～60 cm土層pH值比原土平均降低7.1%、7.8%、8.5%、5.9%、6.7%和6.9%。相同灌溉定額條件下，起壟處理的土壤pH值低于未起壟處理；相同地表處理方式下，隨灌溉定額增加土壤pH值呈降低趨勢，各處理間差異不明顯。

圖2 各處理對土壤pH值的影響Fig.2 Effect of all treatments on soil pH value

2.3 含水率

土壤剖面水分主要受灌水、氣候和植物吸收等因素的影響，以每個月采集的土樣數據分析各處理對土壤含水率的影響(圖3)。試驗結果表明：滴灌對上層土壤水分影響較大，0～20 cm土層土壤含水率隨灌溉定額增大而增大；在植物生長發育期，植物生長所需水分增多，表層土壤含水率受地表蒸發與植物根系吸水的影響逐漸降低。由圖3可知，在0～60 cm土層隨土層深度增加土壤含水率呈先增加后減少的趨勢，滴灌對0～40 cm土層水分影響較大，20～40 cm土層土壤含水率最高；未起壟處理的土壤剖面含水率均高于起壟處理。0～20 cm土層土壤含水率隨時間延長呈先減少后增加趨勢，七八月份表層土壤含水率最低，是由于夏季溫度高地表蒸發強烈所致；9月份溫度有所降低，表層土壤含水率略有升高。

圖3 各處理對土壤含水率的影響Fig.3 Effect of all treatments on soil moisture

2.4 含鹽量

土壤鹽分主要受土壤水分運動的影響，土壤鹽分以水分為載體和介質進行遷移。以每個月采集的土樣數據分析各處理對土壤含鹽量的影響(圖4)。由圖4可知，各處理在0～20 cm土層土壤含鹽量隨灌溉定額增加而降低，各處理的土壤含鹽量隨土層深度增加而增加，鹽分在土壤深層產生累積；起壟處理在0～40 cm土層土壤含鹽量均低于未起壟處理。7月份開始夏季氣溫升高、蒸發強烈，導致鹽分向地表遷移，各處理均有返鹽現象。滴灌有助于0～40 cm土層土壤鹽分淋洗，但鹽分容易累積于土壤深層。

2.5 各處理對桑莄草的影響

各處理對桑莄草生長的影響如表1所示。

圖4 各處理對土壤含鹽量的影響Fig.4 Effect of all treatments on soil salinity

由表1可知，起壟處理條件下桑莄草產量均高于對應灌溉量下未起壟處理；其中，T3處理桑莄草的出苗率、株高及產量均為最高，T4處理均為最低；桑莄草五項生長指標T2與T3、T5與T6處理差異均不顯著(P>0.05)。在相同灌溉定額條件下，起壟方式下桑莄草的出苗率比對應灌溉量下未起壟處理分別高出8.4%、9.0%、8.0%，產量分別高出17.2%、15.0%、16.1%。表明相同灌溉定額條件下起壟處理的桑莄草產量高于未起壟處理；灌溉定額高有助于植物生長及產量提高，但灌溉定額超過1 170 m3/hm2，提升效果不顯著(P>0.05)。

3 討 論

各種鹽漬土都是在一定自然條件下形成的，其實質是各種易溶性鹽類在地面作水平或垂直方向的重新分配，從而使鹽分在地表逐漸累積[15]。雷金銀等[16]通過在鹽堿地上種植灌木試驗發現，植物根系活動可改善土壤孔隙分布狀況提高土壤滲透性，主要影響范圍為植物根系活動區域，土壤滲透性的改善效果與植物根系的穿插和分泌物有關。本試驗也表明，種植桑莄草后土壤滲透性得到改善。干旱鹽漬土地區土壤水分和鹽分是影響植物生長的主要因素；而滴灌具有點源擴散、高頻出水的特性，一部分水滿足植物需水，另一部分用于淋洗鹽分，可將0～20 cm土層含鹽量控制在較低水平(3 g/kg以下)，為植物根系生長創造適宜的水鹽環境[5]。此外，滴灌灌水量可控性較強，不易產生深層滲漏抬高地下水位，引發次生鹽漬化。

表1 各處理對桑根草生長的影響Tab.1 Effects of all treatments on forage sorghum growth

注：株高為收割前測量；不同英文小寫字母表示各處理在0.05水平差異顯著。

起壟可增加壟上距淺水面的距離，從而有效防止返鹽；同時，起壟增加了地表面積，風化作用有助于提高壟的通透性。本試驗結果也表明，起壟處理的土壤含鹽量低于未起壟處理，但起壟處理的含水率低于未起壟處理，這是因為起壟增加了地表面積，在風化作用下導致土壤水分蒸發更強烈的緣故。滴灌不同于漫灌，漫灌供水為面源，而滴管供水為點源，土壤鹽分在水分的攜帶下向四周擴散，距離滴頭較近的區域形成脫鹽區，距離滴頭較遠的區域鹽分產生累積，形成鹽分累積區[17]。龔江[18]通過滴灌試驗表明，滴灌能減少植物根區鹽分聚集，淡化植物根系附近的土壤含鹽量，與本研究得出的結論一致。飼草高粱桑莄草具有一定的耐鹽性，可在含鹽量在5 g/kg以下的土壤中正常生長[19]；試驗區土壤含鹽量高于5 g/kg，而在本試驗中滴灌可將土壤含鹽量淋洗到較低水平，在滴頭較近的區域，水分充足而含鹽量低，桑莄草的根系主要集中于該區域。因此，該區域的水鹽環境適合桑莄草根系的生長發育。

試驗區地處干旱區，夏季氣溫高蒸發強烈，導致鹽分隨水分運動遷移至上層土壤，水分蒸發后鹽分累積于地表。而種植高蓋度的植物，可以降低水分蒸發、削弱地表返鹽，保持土壤水分[20]。在本試驗中，種植的桑莄草蓋度大能起到良好的遮陰作用，地表鹽分并未持續累積。起壟改變了地表形狀，導致受光面積、土壤與大氣交界面增加，協調光、溫、水、氣、鹽等狀況，改善植物生長環境，對植物生長發育有促進作用[21]。本試驗結果也表明起壟處理的土壤含鹽量低于未起壟處理，桑莄草各項生長指標優于未起壟處理。在本試驗條件下，灌溉定額越高土壤剖面鹽分降低越明顯，但灌溉定額超過1 170 m3/hm2時，桑莄草各項生長指標無顯著差異；且試驗區地處干旱區，淡水資源有限，灌水量高不利于水分利用效率的提高[22]，與農業高效用水的原則相悖。

4 結 語

起壟滴灌能降低0～40 cm土層土壤pH值、土壤含鹽量，提高土壤含水率；滴灌點源擴散、高頻出水的特性，能將0～20 cm土層土壤含鹽量控制在3 g/kg以下，為植物根系創造適宜的水鹽環境。灌溉定額超過1 170 m3/hm2時，桑莄草各項生長指標差異不明顯；考慮到試驗區地處干旱區，淡水資源有限，灌水量高不利于水分利用效率的提高。因此，起壟滴灌，灌溉定額為1 170 m3/hm2適宜于寧夏引黃灌區鹽漬土桑莄草種植。