覆膜溝灌下施氮量對土壤水鹽分布和向日葵產量的影響

白宇龍，蔣 靜，翟登攀，張 鵬，郭軍玲

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，太原 030031；3.土壤環境與養分資源山西省重點實驗室，太原 030031)

土地鹽堿化是阻礙我國農業發展的一個重要因素，大同盆地鹽堿地面積20.4 萬hm2，占山西總鹽堿地面積的2/3以上，且堿化度較高，一般為10%～30%。加之降雨量少，蒸發量大，徑流少，使得該地區鹽堿、干旱現象嚴重，作物生長環境十分惡劣。向日葵是我國主要油料作物之一，種植面積居第2[1]，且耐鹽堿、耐干旱。因此，開展壟膜溝灌，并合理調控施氮量，對合理利用該地區水土資源，提高作物產量具有十分重要的現實意義。鹽漬化農田傳統的灌溉方法以地面漫灌為主，然而這種方法的灌溉生產效率會大幅度降低[2]。溝灌由于開溝培土及生育前期不灌溉，使得作物根系更發達，且灌水量相對較少，入滲效果好，基本無深層滲漏現象，肥料不易流失，有利于作物吸收利用，產量較高[3]。Cook和Valdes Gerardo等通過試驗得出地膜覆蓋具有提高土壤溫度，降低田間水分蒸發，促進土壤微生物活動，提高肥料利用效率和作物產量等作用[4]。Baht和Shari指出，N是影響油葵產量的重要因素，適當增加氮肥施用量可促進油葵地上部的吸收[5]。覆膜溝灌是一種近年來在我國西北地區發展的地面節水灌溉的技術，具有減少土壤蒸發量，增加土壤儲水量等特點[6]。溝灌+覆膜+優化施肥技術集成在節水40%的前提下，水分利用率提高1.5倍，土壤鹽分下降12.3%～15.8%，土壤有機質增加17.5%、速效氮增加70.7%、速效磷增加30%以上，土壤微生物活性增強[7]。本試驗通過對施氮量的控制，研究向日葵生育期內畦灌及覆膜溝灌下鹽漬化土壤的電導率、含水量、pH及產量變化規律，為合理利用水土資源、防治土壤鹽堿化以及提高鹽堿地向日葵產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017年5-9月在山西省農業科學院鹽堿地改良試驗基地進行，該基地地處山西省朔州市懷仁縣毛皂鎮(N 39°54′，E 113°15′)，海拔1 015 m。該基地位于大同盆地中部，屬于北溫帶大陸性季風氣候，冬季屬于寒冷半干旱氣候[8]，季節分布明確，為典型的鹽堿地分布地區，年均氣溫7.3 ℃，高于10 ℃的有效積溫為3 047 ℃，平均無霜期150 d左右，平均年降水量為315～459 mm，降水主要分布在夏季的7-9月，雨熱同季，蒸發量約為1 500 mm。年均日照時數2 800 h，試驗區主要是砂壤質土，鹽堿土是蘇打型鹽堿土，含有較多的鈉離子和碳酸氫根離子。容重1.65 g/cm3，田間持水率32%(體積含水率)，0～100 cm土體各土層土壤基本理化性質見表1。

表1 0～100 cm土層土壤理化性質

1.2 試驗設計

供試向日葵品種“RH3708”，采用水平畦灌(Q，長10 m寬3 m)和寬壟覆膜溝灌(G)的耕作灌溉方式。播種日期為2017年5月26日，收獲日期9月21日，全生育期為118 d。田間的壟溝設計標準：壟高度15 cm左右，壟頂寬度為70 cm左右，溝深15 cm左右，溝寬約為30 cm，壟臺與溝底高度差30 cm。向日葵的播種方式采用人工穴播，每條壟上播種2行，向日葵行距60 cm，株距35 cm。播種前采用旋土機進行松土并相應地撒施基肥，氮肥為尿素。P2O5用量45.7 kg/km2，K2O用量54.84 kg/km2。施氮量：156、260和364 kg/hm2(N1、N2和N3)，對照組不施氮(N0)[9]。肥料基肥與補肥的比例為7∶3。該試驗共設6個處理，3個平作，3個壟作，試驗小區面積為35 m2(長7 m，寬5 m)，采用土埂分開，每個小區周圍均設寬1.0 m的緩沖區，種植保護行。灌水量根據當地傳統在生育期內的作物的各個時期灌溉(幼苗期6月27日灌水110 mm、現蕾期7月21日灌水130 mm、開花期8月21日灌水100 mm)，各處理及設置如表2所示。

1.3 測定指標及測定方法

1.3.1 土壤含水率

在向日葵全生育期內對各個生育階段土壤進行取樣，取3個點作為重復，深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm共采取6層。采用烘干法測量并計算土壤含水率。

1.3.2 土壤電導率及pH的測量

取樣深度和時間和含水率一致，將土樣風干，粉碎，過2mm 篩孔，制備土壤飽和浸提液(土水比為1∶5)，利用SG-3型電導率儀測定電導率(EC1∶5)[10]。稱取通過2 mm篩孔的風干土10 g兩份，各放在50 mL的燒杯中，一份加無二氧化碳蒸餾水，另一份放置30 min后份加1 mol/L KCl溶液各25 mL(此時土水比為1∶2.5，含有機質的土壤改為1∶5)間歇攪拌或搖動30 min用酸度計測定。

表2 向日葵灌溉施肥方案

1.3.3 產量及其構成因素

作物收獲后對盤徑，千粒質量和籽粒產量進行考種。

1.4 數據處理及分析

使用Microsoft Excel進行數據處理和規律分析，利用SPSS 20軟件進行方差統計分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗，當p<0.05時認為差異達到顯著水平。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下施氮量對土壤鹽分分布的影響

由圖1可知，EC1∶5沿土層垂直方向變化明顯分為兩個部分：0～40 cm土壤層和40～100 cm土壤層。

圖1 不同時期土壤0～100 cm鹽分剖面分布(Q為畦灌、G為溝灌、R為壟、F為溝)Fig.1 Soil salt distribution of 0～100 cm in different periods

在水平畦灌(Q)處理下，0～40 cm土層EC1∶5變化不太明顯，在覆膜溝灌壟上(GR)土，除不施氮(N0)的0～10 cm表層EC1∶5在1 700 μS/cm左右，其他施氮處理的表層EC1∶5均在2 100 μS/cm左右。在5月26日(播種前)隨著施氮量的增加，覆膜溝灌壟上(GR)10～20 cm土層的電導率逐漸增加，其中N0、N1、N2和N3分別約為1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm。在覆膜溝灌溝中土(GF)，除5月26日(播種前)EC1∶5較大，其他生育期0～10 cm土層EC1∶5均在1 000 μS/cm左右，10～20 cm土層EC1∶5在900 μS/cm左右。這是由于作物蒸騰作用，使得深層土壤中水分向上運移，鹽分隨著水分一起被帶入表層土壤中[11]，導致該表層EC1∶5增大。40～100 cm各個處理土層EC1∶5的差異性不大，其數值均在1 000 μS/cm以下。

在不施氮的條件(N0)下，溝灌壟上(GR)土EC1∶5為1 600 μS/cm左右，比水平畦灌(Q)的0～40 cm表層EC1∶5要低15%～30%，溝中(GF)表層EC1∶51 000 μS/cm比水平畦灌(Q)低40%～50%。40 cm以下深層EC1∶5溝灌(300 μS/cm左右)比水平畦灌(420 μS/cm)低20%～40%。而在施氮條件下，溝灌壟上(GR)表層EC1∶5和水平畦灌(Q)差異不顯著(p>0.05)，但隨著施氮量增加二者表層EC1∶5都略微增加，溝灌溝中(GF)土0～40 cm表層EC1∶5較水平畦灌(Q)低40%～60%。40 cm以下土壤層多屬于生土層，電導率較低，其基本分布于200～1 000 μS/cm之間。但是溝(GF)中土各個時期的電導率較壟上土(GR)和畦灌(Q)低40%左右。

2.2 不同施氮量對播種前后土壤鹽分變化的影響

對各個處理下作物播種前后耕作層鹽分變化，發現大部分小區的含鹽量都有小幅降低(見表3)。原因是播種前施有機肥和氮磷鉀肥，在作物生長過程中對其鹽分的吸收使EC1∶5出現降低。經過對比可以得出，在一定范圍內，隨著施氮量的增加，EC1∶5的降低幅度越小。而在不同的灌溉方式下，溝灌與畦灌相對比，EC1∶5降低幅度更大，一定程度上說明溝灌有利于改善土壤鹽分。但是當施氮量比較大時，溝灌與畦灌的差異性會減少，這是因為降雨，灌水和作物生長等不確定因素的影響。

表3 各個處理下作物播種前后耕作層(0～40 cm)鹽分變化表

2.3 不同施氮處理對各耕作方式下作物生育期土壤含水率的影響

0～100 cm土壤是作物根系分布的主要區域，該區域內灌溉、降雨、蒸發等因素均會引起土壤水分變動。各處理土壤水分變化[12]如圖2所示。由圖2可知，剖面土壤水分含量具有明顯分層現象，即淺層土壤含水量低，深層土壤含水量高。

由圖2得出，覆膜溝灌下壟上(GR)土0～40 cm土層變化幅度較溝中(GF)土和畦灌(Q)土略有減少，這是因為溝灌壟上覆膜具有保水作用。溝灌(G)下40～100 cm土層含水率均在15%～20%之間，而畦灌(Q)含水率則在13%～21%之間。從整個生育期看水平畦灌(Q)含水率變化幅范圍0%～13%，覆膜溝灌壟上(GR)含水率變化范圍0%～10%。可以得出覆膜溝灌更有利于植物生長。土壤含水率空間分布特征及土壤儲水量受灌水、施肥、植物吸收和蒸騰，土壤蒸發等影響。本研究發現，合理增施氮肥，可以促進土壤保水性，有助于作物成長，但過量施肥，會導致土壤結板，抑制作物生長。

2.4 不同灌溉下施氮量對pH的影響

圖3得出各處理收獲期土壤的pH與播種期相比均顯著(p<0.05)降低。0～40 cm表層土壤水平畦灌(Q)下，N0的pH比播種前降低10.3%，QN1、QN2和QN3分別降低15.2%、15.9%和15.3%，覆膜溝灌(G)下，N0的pH比播種前降低10.3%，GN1、GN2和GN3分別降低15.4%、15.7%和15.6%。其中N2降低最明顯。40～100 cm表層土壤土壤水平畦灌(Q)下，N0的pH比播種前降低10.3%，QN1、QN2和QN3分別降低12.9%、13.1%和12.9%，覆膜溝灌(G)下，N0的pH比播種前降低9.8%，GN1、GN2和GN3分別降低13.4%、14.8%和14.3%。其中N2降低最明顯。0～40 cm表層土pH收獲時均在7.0～7.5之間。40～100 cm表層土pH收獲時均在7.5～8.0之間。說明合適的耕作方式可以改善鹽堿地，降低土壤的pH。

圖2 向日葵全生育期內個處理下不同土層的含水率變化圖(Q為畦灌、G為溝灌、R為壟、F為溝)Fig.2 Variation of water content in different soil layers under the whole growth period of sunflower

圖3 向日葵播種收獲時期各個處理下土壤pH變化(Q為畦灌、G為溝灌、R為壟、F為溝)Fig.3 PH change under different treatments before and after sowing of sunflower

2.5 不同灌溉下施氮量對向日葵產量的影響

表4為向日葵在不同處理下成熟期各個生長指標及產量的數值。水平畦灌和覆膜溝灌下，在一定范圍內隨著施氮量增加，向日葵的盤徑、千粒重、籽粒產量均會增加，但是當施氮量過高時又會降低。對比各個處理發現在覆膜溝灌情況下，采用260 kg/hm2的施氮時，向日葵生長最優，盤徑22.5 cm、千粒重192.30 g、籽粒產量4 893.8 kg/hm2。溝灌下作物EC1∶5比畦灌平均大0.02%，結合數據得出溝灌有利于作物對養分的吸收，使作物的產量獲得大幅增加。

表4 向日葵不同處理下產量及性狀

注:同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

3 討 論

鹽分和水分是影響作物生長發育的關鍵指標。在研究中發現覆膜溝灌壟上表層EC1∶5在2 100 μS/cm左右，溝中在1 000 μS/cm左右，得出壟有聚鹽作用。這與王增麗[13]的研究結論一致。在不同施氮量下隨著施氮量的增加覆膜溝灌壟上(GR)10～20 cm土層的EC1∶5逐漸增加，其中N0、N1、N2和N3分別約為1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm，土壤的EC1∶5在與施氮量呈正相關，促進作物生長，植物根系吸收更多鹽離子。但是過量施氮會抑制作物生長，減少鹽分吸收，可能產生鹽漬化現象，這與閆建文和史海濱[2]的結果一致。除6月份外，其他各個生育期施肥量越大，作物對土壤水分的吸收利用就越多，剖面土壤含水量就越低這與魏孝榮,郝明德的研究結論一致[14]。從整個生育期看水平畦灌(Q)含水率變化幅度0%～13%，覆膜溝灌壟上(GR)含水率變化范圍0%～10%。根據畦灌和溝灌對比，可得出溝灌保水性更好。這驗證了李永平的起壟覆蓋集水效應[15]。

在同一灌溉方式下，在一定范圍內播種前后土壤0～40 cm土層pH降低幅度高于40～100 cm土層，這是由于在收獲期土壤表層的鹽分在降水及灌溉的作用下向下移動，表層鈉鹽被作物部分吸收。因此表層土的pH會比播種前有加大幅度的降低。隨著施氮量的增加，土壤表層pH會略有增加。這與張鵬[16]的結論相同。施氮量與灌水方式對作物產量均會造成影響。在施氮量相同時，覆膜溝灌對產量變化影響更顯著。當施氮量在260 kg/hm2左右時，向日葵成熟時的生長狀況最好，水平畦灌增產在25%以上，覆膜溝灌產量增加在30%以上。而過量施氮又會抑制作物生長，降低產量。

4 結 論

在干旱鹽堿地地區，覆膜溝灌能改善當地土壤的水鹽狀況。在不施氮的條件下，壟上土比水平畦灌的0～40 cm表層EC1∶5低15%～30%，溝中表層EC1∶5比水平畦灌低40%～50%。40～100 cm以下深層EC1∶5，溝灌比水平畦灌低20%～40%。在施氮條件下，溝灌溝中土0～40 cm表層EC1∶5較水平畦灌低40%～60%。覆膜溝灌整個生育期土壤含水率均在10%～23%內，覆膜溝灌下農田在向日葵播種前及收獲后pH降低比水平畦灌效果更好。在各個施氮水平下土壤表層EC1∶5N0N1>N2>N3。在一定范圍內，而隨著施氮量的增加，作物對水分的吸收越多，土壤剖面的含水量越低[17]。當施氮量在260 kg/hm2時，向日葵成熟時的生長狀況最好，水平畦灌增產在25%以上，而覆膜溝灌產量增加在30%以上。因此可以說明覆膜溝灌可以在一定程度上加快土壤鹽分的向下運移，減少土壤表層水分的蒸發[18]，為當地作物提供良好的生長環境，提高作物產量，對大同盆地鹽堿地農業的持續發展具有重要的現實意義。