長期咸水灌溉對棉田土壤水穩性團聚體的影響

吳雨晴，鄭春蓮，孫景生，李科江，黨紅凱，張俊鵬, *

（1.山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018；

2.河北省農林科學院 旱作農業研究所/河北省農作物抗旱研究重點實驗室，河北 衡水 053000； 3.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業部作物需水與調控重點開放實驗室，河南 新鄉 453002）

0 引 言

【研究意義】華北平原作為我國重要的棉糧產區，淡水資源緊缺，許多地區農林灌溉用水依賴深層地下水開采，這已成為地下水超采和降落漏斗形成的主導影響因素[1-2]，然而，該地區地下淺層咸水分布廣泛，尚未有效利用。以位于該區的河北低平原為例，咸水分布面積占總面積的91.8%，總儲水量約153.9 億m3，利用面積尚不及10%[3]。因此，合理開發利用咸水資源, 對于緩解水資源危機、擴大農業用水等方面有非常重要的意義?！狙芯窟M展】許多學者指出[4-6]，若方法得當，咸水可代替淡水用于農業灌溉。咸水灌溉具有兩面性，在增加土壤濕度的同時，也將鹽分離子帶入農田與土壤顆粒發生物理化學作用，進而影響土壤結構[7]。咸水灌溉會增加土壤體積質量，降低土壤孔隙度，并對土壤質地產生不利影響。Sameni 等[8]研究提出土壤中鹽分和陽離子（特別是Na+）質量濃度過高會引起土壤中黏粒量的改變。李小剛等[9]對甘肅景電灌區鹽化土壤結構穩定性進行分析，指出土壤中黏粒的分散導致團聚體的分散和微孔隙崩塌，限制水分和氣體的運動，造成土壤結構不穩定。土壤團聚體作為土壤的基礎單元結構，其分布可以表征土壤結構穩定性。通常用直徑>0.25 mm 水穩性團聚體量、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數（D）作為衡量土壤水穩性團聚體穩定性的指標[10-12]。【切入點】以往有關農田團聚體穩定性的研究多集中在農業耕作制度或土地利用方式等方面[10-13]，鮮見咸水灌溉對農田團聚體穩定性的報道。咸水灌溉對土壤質量的影響具有持續性，短期研究難以揭示其影響效應?！緮M解決的關鍵問題】茲連續10 a 定位咸水灌溉棉田土壤為研究對象，探索長期咸水灌溉對土壤水穩性團聚體的影響，研究結果有助于豐富咸水灌溉技術體系，對于實現咸水資源安全高效利用和農業可持續發展具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河北省農林科學院旱作節水農業試驗站進行。該站地處北緯37°44′，東經115°47′，平均海拔高度21 m；屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.8 ℃，年均降水量500 mm，年均蒸發量為1 785 mm，年日照時間2 509 h。供試驗土壤為壤土，0～20 cm 耕層有機質量11.5 g/kg，速效氮量76 mg/kg，速效鉀量112 mg/kg，速效磷量15 mg/kg；0～100 cm 土壤體積質量為1.44 g/cm3，田間持水率為28%。試驗區地下水埋深大于5 m。

1.2 試驗設計

棉花咸水定位灌溉試驗始于2006 年，2006—2007 年種植模式為棉花單作，為探索棉花—飼用黑麥連作模式的可行性，于2008—2011 年棉花收獲后播種飼用黑麥，2012 年黑麥收獲后恢復棉花單作。共設置5 個咸水質量濃度水平，即2、4、6、8、10 g/L，分別記作T1、T2、T3、T4、T5，以當地深井淡水（1 g/L）灌溉處理為對照（CK）。2、4、6、8、10 g/L咸水均使用當地深層地下水摻兌海鹽配制而成，離子組成如表1 所示。灌水方式為畦灌，作物播種前及生育期間灌水計劃濕潤層土壤含水率低于田間持水率60%時灌水，灌水定額75 mm，2006—2015 年年灌水量分別為75、75、150、225、225、150、75、75、75、150 mm。采用大田隨機區組試驗設計，設置3 個重復，共18 個小區，試驗小區面積為37.62 m2（6.6 m×5.7 m）。

表1 灌溉水離子組成 Table 1 Ion content in irrigation water

本研究在長期咸水定位畦灌試驗的基礎上開展，重點分析了連續咸水灌溉第10年（2015年4—10月）棉田土壤鹽分和水穩性團聚體狀況。2015 年棉花造墑前CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理0～60 cm 土層鹽分質量分數分別為0.10%、0.11%、0.16%、0.16%、0.22%、0.29%。供試棉花品種為“冀863”，4 月21日各處理采用對應礦化度的灌溉水進行播前造墑，4月25 日采用寬窄行植棉方式人工播種，寬行80 cm，窄行50 cm，播后窄行覆膜，株距30 cm，于播種后第20 天用移栽法補齊棉苗。花鈴初期（7 月5 日）進行了補灌，造墑和補灌的灌水定額均為75 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與測定

土壤鹽分：于2015 年棉花苗期（5 月22 日）和吐絮期（10 月25 日）采集棉田0～30 cm 土層的土樣，每10 cm 分為1 層。每個小區的寬行中心和窄行中心各采集 1 個樣點。土樣風干后研磨過篩，采用DDS-307A 型電導率儀（上海雷磁）測定土水比1∶5懸濁液的電導率（EC1:5）。

土壤水穩性團聚體：于2015 年棉花苗期（5 月22 日）和吐絮期（10 月25 日）采集0～30 cm 土層的原狀土，每10 cm 分為1 層，每個小區的寬行中心和窄行中心各采集1 個樣點。采用TPF-100 型土壤團粒結構分析儀測定土壤水穩性團聚體組成，測定方法為濕篩法[10]。稱取風干土樣50 g，放置套篩最上層，套篩自上而下孔徑大小依次為2、0.25、0.053 mm，于水中浸潤10 min 后震蕩10 min，篩動頻率為30次/min。篩好后，將各級篩層團聚體收集至鋁盒中，烘箱60 ℃烘干，稱質量并計算。每個處理4 次重復。

1.3.2 結果計算

1）土壤鹽度用土壤鹽分質量分數（%）來表示，與EC1:5之間相關關系為[14]：

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016 和DPS 軟件進行數據處理和分析。多重比較采用LSD 法，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 棉田土壤鹽分

由圖1 可以看出，土壤鹽分在棉花生長前期和后期均隨灌溉水礦化度的增加而增大。棉花生長前期（苗期），與CK 相比，T1、T2、T3、T4 和T5 處理0～30 cm 土層平均土壤鹽分增加8.46%、55.51%、145.77%、163.08%和177.40%，其中，T2、T3、T4、T5 處理與CK 均差異顯著。同一灌水礦化度處理下，隨著土層深度的增加，土壤鹽分整體呈降低趨勢。與0～10 cm 土層相比，20～30 cm 土層內CK、T1、T2、T3、T4 和T5 處理土壤鹽分依次降低25.52%、11.68%、18.87%、9.93%、15.77%和22.81%。

棉花生長后期（吐絮期），各處理土壤鹽分降低，與前期相比，CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理棉田0～30 cm 土層的平均土壤鹽分依次減少了51.87%、54.08%、50.23%、64.14%、42.60%、27.41%。同一灌水礦化度處理下，土壤鹽分隨土層深度的變化趨勢與前期相反，均隨土層深度的增加而增大，與0～10 cm土層相比，20～30 cm 土層內CK、T1、T2、T3、T4和T5 處理土壤鹽分依次增大38.90%、21.61%、33.12%、54.44%、45.01%和38.19%

圖1 咸水灌溉對棉田土壤鹽分的影響 Fig.1 Effects of saline water irrigation on soil salinity in cotton field

2.2 棉田土壤水穩性大團聚體數量

從圖2 可以看出，棉田土壤水穩性大團聚體的量整體呈隨灌水礦化度的增大而減小的趨勢，0～10 cm土層表現尤為明顯。棉花生長前期，T1、T2、T3、T4、T5 處理棉田0～30 cm 土層大團聚體平均量較CK依次降低5.26%、8.13%、15.43%、22.43%、29.45%。其中，0～10 cm 土層內，T4 和T5 處理較CK 分別降低了33.04%和48.22%，差異達顯著水平。同一灌水礦化度處理下，隨土層深度增加，CK、T1、T2、T3處理的水穩性大團聚體呈先降低后上升的趨勢，以10～20 cm 土層大團聚體量最低。當灌溉水礦化度達到8 g/L 和10 g/L 時，水穩性大團聚體量隨土層深度的增加而增大。

棉花生長后期，各處理水穩性大團聚體量均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理0～30 cm 土層大團聚體量平均較前期分別增加了35.18%、33.34%、29.57%、29.79%、15.15%、53.23%。與前期相同，咸水灌溉處理棉田的大團聚體量小于CK，與CK 相比，T1、T2、T3、T4、T5 處理0～30 cm 土層大團聚體量平均依次降低1.9%、8.9%、12.2%、17.4%、23.8%。同一灌水礦化度處理下，團聚體量在土層間的變化規律與前期不同，除T4 和T5 處理外，其余各處理大團聚體量隨土層深度增加先上升后降低，以10～20 cm土層大團聚體量最高；T4 和T5 處理以20～30 cm 的量最高。

圖2 咸水灌溉對棉田土壤水穩性大團聚體量的影響 Fig.2 Effects of saline water irrigation on the content of soil water stable big aggregates in cotton field

2.3 棉田土壤水穩性團聚體大小

由表2 可以看出，棉花生長前期，MWD 隨灌水礦化度增加而減小，以0～10 cm 土層為例，T1、T2、T3、T4、T5 處理棉田的MWD 分別比CK 降低了5.9%、9.9%、16.0%、29.6%、38.2%，其中T4、T5 處理與CK 差異顯著。GMD 隨灌溉水礦化度的變化規律與MWD 相似，以10～20 cm 土層為例，與CK 相比，T1、T2、T3、T4、T5 處理GMD 依次降低7.5%、12.3%、23.7%、30.7%、47.8%，其中T4、T5 處理與CK 相比差異顯著。不同土層下，T1、T2、T3 處理的MWD隨土層深度的增加呈先降低后上升的趨勢，以10～20 cm 土層的MWD 值最小，當灌水礦化度達到6、8 g/L時，水穩性團聚體的MWD 隨土層深度增加呈上升趨勢。GMD 隨土層變化規律與之相似。

棉花生長后期各處理棉田的MWD 與GMD 均有所增大。與前期相比，CK、T1、T2、T3、T4、T5處理棉田0～30 cm 土層的平均MWD 分別增加了23.8%、24.0%、26.5%、33.5%、29.8%、39.8%，GMD依次增加30.9%、27.3%、26.0%、20.1%、19.3%、21.7%。與前期變化規律相似，棉花后期MWD 與GMD 整體上亦隨灌水礦化度的增加而降低，以10～20 cm 為例，T1、T2、T3、T4、T5 處理下MWD 較CK 分別降低0.4%、6.1%、11.4%、21.8%、35.1%，GMD 依次降低2.8%、8.6%、13.1%、41.8%、53.1%，其中T4、T5 處理與CK 差異顯著。

表2 咸水灌溉對棉田土壤水穩性團聚體MWD 和GMD 的影響 Table 2 Effects of saline water irrigation on soil water stable aggregates MWD and GMD in cotton field

2.4 棉田土壤水穩性團聚體分形特征

由圖3 可以看出，無論在棉花生長前期還是后期，棉田土壤水穩性團聚體的D 值均隨灌水礦化度的增加整體呈上升趨勢。以棉花生長后期10～20 cm 土層為例，T1、T2、T3、T4、T5 處理的D 值較CK 依次增加1.2%、1.8%、3.5%、5.7%、6.0%。

與棉花生長前期相比，棉花生長后期，各處理土壤水穩性團聚體D 有所降低CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理在0～30 cm 各土層內水穩性團聚體D 的降低幅度依次為5.3%～10.3%、4.6%～9.3%、3.1%～9.0%、4.3%～8.4%、4.4%～7.8%、4.5%～9.1%，其中，10～20 cm土層的降低幅度最大。同一灌水處理下，CK、T1、T2、T3 處理棉田水穩性團聚體D 隨土層深度增加先減小后增大，T4、T5 處理相反。

2.5 棉田土壤水穩性團聚體穩定性指標相關性分析

由表3 可知，棉田土壤鹽度及水穩性團聚體各指標間均具有一定相關性。整體來看，棉田0～30 cm 土層平均土壤鹽度與R0.25、MWD、GMD 呈極顯著負相關，與D 呈極顯著正相關。水穩性團聚體各指標間，R0.25、MWD、GMD 之間相互呈極顯著正相關，均與D 呈極顯著負相關。與棉花生長前期相比，后期土壤鹽度與各水穩性團聚體指標之間相關系數均有所下降，其中，土壤鹽度與D 之間的相關性下降至0.05水平上的顯著相關。

圖3 咸水灌溉對棉田土壤水穩性團聚體分形維數的影響 Fig. 3 Effects of saline water irrigation on fractal dimension of soil water stable aggregates in cotton field

表3 棉田土壤鹽度及水穩性團聚體各參數之間的相關性 Table 3 The correlation between soil salinity and parameters of water-stable aggregates in cotton fields

3 討 論

咸水灌溉在增加土壤水分的同時，也帶入了鹽分。本研究中，棉花生長前期，咸水灌溉棉田土壤鹽度較高，且隨灌溉水礦化度增加而增大、隨土層深度的增加呈降低趨勢。原因可能是棉花播種前進行了灌水，灌溉水礦化度愈高，帶入的鹽分愈多，此外，棉花生長前期干旱少雨，蒸發返鹽強烈，導致鹽分表聚。棉花生長中期（7—9 月）恰逢該區的雨季，生育期內降雨可對土壤鹽分進行有效淋洗，由此促使棉花后期0～30 cm 土層含鹽量較前期明顯降低，表層（0～10 cm）土壤淋鹽效果最為明顯。

團聚體是土壤結構最基本的單元，其數量和質量可以表征土壤的透氣性、持水性和孔隙性[17-18]，其中直徑>0.25 mm 水穩性團聚體是結構性最好的一類團聚體[19]。本研究表明，咸水灌溉有減少大團聚體量的趨勢，究其原因，咸水灌溉帶入土壤大量的Na+，Na+可以代替黏土礦物顆粒中的Ca2+和吸附在土壤顆粒表面或者團聚體層間的Mg2+等土壤黏合劑，進而引起土壤顆粒的膨脹與分散[20-21]。棉花生長前期，同一灌水條件下，隨土層深度的增加，CK、T1、T2、T3處理棉田土壤大團聚體數量先降低后增大，以10～20 cm 土層量最低，這是由于每年4 月底棉花播種前均對試驗田進行旋耕，旋耕深度約12～15 cm，耕作層以下形成了厚度約5～7 cm 的犁底層，耕層土壤團聚體結構遭到破壞，大團聚體量降低[10,13]。然而，T4、T5 處理大團聚量隨土層深度增加而增大，此規律與土壤鹽度分布規律負相關，由此可知，在10～20 cm土層，低礦化度灌水處理下大團聚體量受耕作機械擾動影響較大，高礦化度灌水處理受土壤鹽分的影響較大。

MWD、GMD 是評價土壤結構性的數量指標，同時評價了土壤團聚體的數量和大小，其值越大，土壤團聚度和穩定性越強[22]。本試驗表明，長期咸水灌溉有減小MWD、GMD 的趨勢，張余良等[23]研究得出了相似結論。本研究中，棉花生長前期，0～10 cm 土層內，T4、T5 處理的MWD 顯著低于CK，但經過生育期內鹽分淋洗和土壤環境穩定，棉花生長后期，各處理MWD上升且與CK差異不顯著。GMD呈與MWD類似的變化規律。說明咸水灌溉會降低土壤團聚度和穩定性，但經過棉花生育期降雨淋鹽，表層土壤環境得到改善，有助于其他更穩定的金屬離子作為膠結物質與黏團形成團聚體；同時，表層土壤環境的改善，可使微生物活性增加，各級團聚體在微生物分泌多糖物質黏結礦物顆粒和吸附小團聚體多糖類物質作用下，形成臨時性團聚體[24]，進而對土壤水穩性團聚體穩定性起到恢復作用。此外，通過本研究還可看出，適量的質量濃度咸水灌溉對土壤團聚度和穩定性影響不大（表3），當灌溉水礦化度小于6 g/L 時，棉花生長前后期棉田土壤各土層MWD 和GMD 與CK 相比均無顯著差異，水穩性團聚體較穩定。馮棣[25]基于土壤鹽分平衡、棉花產量和纖維品質，認為環渤海低平原區適宜棉花生長的灌水礦化度閾值為6 g/L，本研究結論與之相似。

分形維數D 是反映土壤結構幾何形體的參數，其值越小，土壤的結構與穩定性越好。本試驗表明，D隨灌水礦化度的增加呈升高趨勢，說明咸水灌溉導致土壤水穩性團聚體穩定性降低。棉花生長前期，T4、T5 灌水處理表層土壤含鹽量高，D 隨土層深度的增加而降低，這與其他研究中非咸水灌溉農田團聚體土層變化規律相反[12,26]。棉花生長后期，各處理棉田水穩性大團聚體D 較前期降低，以10～20 cm 土層恢復最為顯著。

本研究中，土壤鹽分與R0.25、MWD、GMD 極顯著負相關，與D 極顯著正相關，說明土壤中鹽分離子會降低土壤水穩性團聚體的穩定性，破壞土壤結構。且棉花生長后期，土壤鹽分與各水穩性團聚體指標相關系數較前期有所減小，說明在棉花生育期降雨淋鹽、土壤自然沉降[11,26]等作用下，土壤環境改善，土壤鹽分對團聚體的不良影響有所降低。

4 結 論

1）咸水灌溉增加了土壤鹽分、降低了水穩性團聚體穩定性。隨灌溉水礦化度的增加，土壤水穩性大團聚體數量、MWD、GMD 均呈下降趨勢，D 的變化規律與上述指標相反。

2）棉花生長后期土壤水穩性大團聚體數量、MWD、GMD 較前期均有所回升，D 有所下降，以10～20 cm 恢復效果最為顯著。

3）與CK 相比，T1、T2、T3 處理棉田不同時期不同土層的水穩性團聚體指標差異均不顯著，連續多年咸水灌溉條件下低于6 g/L 的咸水灌溉對棉田土壤水穩性團聚體破壞程度較小。