向日葵種植和灌排淋洗改良濱海鹽堿地的協同效應研究

2023-07-25 02:43:12姚宇闐侯毛毛鐘鳳林

節水灌溉 2023年7期

韓冬，姚宇闐，陳超，汪帆，彭昊，侯毛毛，鐘鳳林，金秋

（1.德州學院生態與資源環境學院，山東德州 416012；2.江蘇省沿海開發集團有限公司，南京 210036；3.江蘇沿海生態科技發展有限公司，南京 210036；4.福建農林大學園藝學院，福州 350002；5.南京水利科學研究院，南京 210029）

0 引言

向日葵（HelianthusannuusL.）是桔梗目、菊科、向日葵屬植物，在含鹽量0.4%的鹽堿地上可正常出苗，且其莖稈中本身含有的鹽分量高達0.5%，因此相比于其他作物向日葵應對鹽分脅迫的能力更強[1,2]；另一方面，向日葵植株較高、葉片寬大，對于控制因毛管水作用導致的鹽堿地返鹽效果明顯，因此，向日葵被認為是優質的鹽堿地改良植物[3,4]。

暗管排水是治澇降鹽的重要技術措施，在鹽堿地改良上有廣泛應用[5,6]。暗管排水不會妨礙農田機械化作業，具備土地利用效率高、土壤治理效果好的優點[7]。然而，在排水工程建設中，若暗管埋深、間距等參數設置不合理，會導致排水效率低下、土壤養分流失大等問題，影響降鹽效果且增加生態風險[8,9]。因此，確定科學的暗管排水參數是過去諸多研究致力于解決的關鍵問題[10]。

目前，利用植物措施和工程措施協同改良濱海鹽堿地的研究較少，特定改良植物所對應的適宜暗管排水方案的研究則更為匱乏。向日葵種植后，勢必會影響鹽堿地剖面土壤水鹽運移和分布，進而改變鹽分淋洗和返鹽過程，最終影響暗管埋深、間距等參數的確定。因此，闡明向日葵和暗管排水協同消減鹽堿地鹽分的效應，明確向日葵種植下最優暗管布局方案，有利于促進鹽堿地改良工程和農藝技術的深度融合，對于科學建設鹽堿地水利工程有重要的指導作用。本研究以向日葵作為鹽堿地改良的植物材料，設計包括不同埋深和間距的暗管布局方案，探索向日葵種植和暗管排水協同作用下耕層土壤水分和剖面土壤鹽分的響應規律，分析不同處理對向日葵生長和產量的影響，旨在為鹽堿地生物-工程協同改良策略的制定提供理論和實踐依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022 年6 月1 日-10 月4 日在江蘇省鹽城東臺市條子泥墾區進行，條子泥墾區是江蘇省百萬畝灘涂綜合開發試驗區的首批啟動工程，改良后的土地優先發展現代農業、平衡后備耕地和保護生態環境。試驗地屬于亞熱帶和暖溫帶的交界區，具有顯著的季風氣候和充沛的雨量，四季分明，2010-2020 年平均降雨量1 054.2 mm，日照2 130.5 h，近年來極端最高溫為38.6 ℃、極端最低溫為-5.8 ℃。試驗區土壤為黃棕壤，0～20 cm土層全鹽含量3.6 g/kg，有機質含量2.2%，速效氮、磷、鉀含量分別為105.4 mg/kg、7.9 mg/kg和98.4 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用向日葵（HelianthusannuusL.）為植物材料，于6 月1 日播種，具體生育期劃分如表1 所示。根據當地實際栽培習慣，分別在7月10日、7月28日、8月12日和9月10日進行灌溉，灌溉量分別為82.4 mm、78.5 mm、72.6 mm 和48.7 mm，試驗期內累計降雨量為77.4 mm，即向日葵所獲得實際水量為359.6 mm。灌溉水采用市政用水，灌溉裝備為本課題組自主研發的智能灌溉機（見圖1）。試驗暗管埋深設計0.9（D1）和1.2 m（D2）2 個水平，間距15（S1）和20 m（S2）2個水平，同時設計有栽培（Y）和無栽培（N）向日葵2 個水平，共計8個處理，每個處理重復3次。

圖1 本試驗所采用灌溉裝備Fig.1 Irrigation equipment used in this experiment

表1 向日葵生育期劃分Tab.1 Division of sunflower growth period

試驗采用小區種植的方式，每個重復占1 個小區，共24個小區。每個小區鋪設5 根暗管，暗管長120 m，比降0.1%。暗管材質為PVC 波紋管，外包無紡布，鋪設密度為70 g/m2。在每個小區正中央設置5 m×5 m的觀測區，用于觀測向日葵生長發育過程和采集剖面土壤樣品。除暗管布局不同之外，采取的其他田間管理措施如病蟲害防治、除草等，各處理均保持嚴格一致。

1.3 樣品采集與測定

移栽后第1 d 開始，每隔15 d 采用五點取樣法采集耕層土壤樣品用于測定土壤含水率。測定方法為烘干法，即用鋁盒裝濕土置入烘箱中，105 ℃烘干至恒重后稱重，計算土壤質量含水率。

在盛花期中期（8月17日）和成熟期中期（9月15日）各采集一次剖面（0～100 cm）土壤，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 分層取樣，用于測定土壤全鹽含量。土壤樣品先自然風干，后研磨、過篩、浸提（水土比5:1）、過濾，最后采用DDSJ-308F（上海雷磁儀器有限公司生產，0.5 級）測定電導率，根據試驗區前期基礎樣品回歸公式換算，具體換算方法如下[11]：

式中：S為全鹽含量，g/kg；EC為電導率值，mS/cm。

土壤脫鹽率分0～20 cm和20～40 cm 2個土層進行分析。

對于某一土層，脫鹽率為全鹽量初始值與最終值之差，除以土壤含鹽量初始值。

向日葵生長全生育期測定其株高、莖粗，成熟期測定其花盤質量和百粒重，最后換算為每公頃產量用于分析。

1.4 數據分析

數據分析采用SPSS 17.0 軟件，依據Duncan’s multiple range test測算數據之間的差異顯著性[12]。

2 結果與分析

2.1 向日癸種植和暗管排水協同作用下土壤含水率動態變化規律

向日癸種植和暗管排水協同作用下土壤含水率隨移栽后時間呈波動性變化規律（見圖2），不同處理土壤含水率在20.3%～28.2%范圍內波動。暗管間距越小、埋深越淺，土壤含水率總體上越低，在有種植和無種植向日葵處理中均發現了這一規律。從向日葵全生育期來看，種植后土壤平均含水率（4 個處理均值）為24.9%，未種植處理為24.1%，表明種植向日葵有利于提升耕層土壤含水率，且提升效應在生育后期尤為明顯。土壤水分遷移轉化途徑包括下滲、蒸發、作物吸收等[13,14]，向日葵種植后，其寬大的葉片形成對土壤的遮蔽作用，降低了土壤表面蒸發，這是向日葵栽培區土壤含水率更高的原因之一[15]；此外，有研究表明，植物根系存在提水作用，即在植物缺水或生理缺水時，根系會將深層土壤中的水分通過傳導組織傳導至淺層根系[16,17]，并向周圍土壤釋放，在一定程度上限制了耕層土壤含水率的衰減[18]。

圖2 向日癸種植和暗管排水協同作用下土壤含水率隨移栽后時間變化Fig.2 Change of soil moisture content with days after transplanting under the synergetic effect of sunflower planting and subsurface drainage

2.2 向日葵種植和暗管排水協同作用下剖面土壤鹽分分布特征

剖面土壤總體以40-60 cm 土層土壤全鹽含量最高，主根區土層0～20 cm 和20～40 cm 相對較低（見圖3）。圖3 中可看出，無論是否種植向日葵，剖面鹽分均以D2S2 處于最高水平，D2S1 相對較低。盛花期，向日葵處理土體平均含鹽量為2.82～3.10 g/kg，無向日葵處理土體平均含鹽量為3.34～3.75 g/kg；成熟期，向日葵處理土體平均含鹽量為2.27～2.74 g/kg，無向日葵處理土體平均含鹽量為2.81～3.09 g/kg，表明在暗管排水的基礎上種植向日葵對鹽堿地0～100 cm 土體鹽分有明顯的消減作用。

圖3 向日癸種植和暗管排水協同作用下剖面土壤鹽分分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil salt in the profile under the synergetic effect of sunflower planting and subsurface drainage

研究表明，當0～20 cm 土層土壤含鹽量大于0.4%時，向日葵生長將受到輕度抑制[1]。本研究土壤初始含鹽量0.36%，有利于其正常生長并充分發揮吸鹽能力。陳陽[19]等設計不同暗管間距（10、14 和20 m）對濱海土壤開展淋洗試驗，結果表明，間距越小，排鹽效果越好；周明耀[20]在沿海墾區的暗管降鹽試驗（間距15、20 m）得到了相似的結論，即間距15 m 脫鹽效率最高。本研究與上述結論和前人主要研究結論[8,21]一致。但值得注意的是，關于暗管埋深對于土體脫鹽效果的影響，前人研究有不同結論，如周明耀[20]脫鹽試驗（埋深0.9、1.1 m）結果表明埋深1.1 m 脫鹽量更大，而王洪義[22]在大慶地區的暗管排水試驗（埋深0.8、1.0 和1.2 m）研究表明埋深0.8 m脫鹽效果最好，這與濱海鹽堿地形成過程導致的剖面土壤性質差異，尤其是土壤顆粒組成、容重、導水率[23]差異有關，本研究試驗結果表明較淺的埋深（0.9 m）下0～100 cm 土層脫鹽效率更高。

2.3 不同暗管布局方式對向日葵生長和產量的影響

各處理向日葵株高和莖粗變化規律較為一致，株高呈快速增長（15～90 d）和維持穩定（90～120 d）2 個階段[見圖4（a）]，莖粗呈緩慢增長（15～45 d）、快速增長（45～90 d）和維持穩定（90～120 d）3 個階段[見圖4（b）]。株高和莖粗總體表現為D1S1Y 最高，移栽后120 d 分別達到183 cm 和38.1 mm；D2S2Y 最低，為162 cm 和32.7 mm；D1S2Y 和D2S1Y 表現為D1S2Y 略高于D2S1Y，但差異并不明顯。不同暗管布置方式對向日葵產量有不同程度的影響（見圖5），D1S1Y 向日葵產量最高，達到2.73 t/hm2，但與D1S2Y 和D2S1Y 差異并不顯著（p＞0.05）；D2S2Y處理向日葵產量顯著（p＜0.05）低于其他處理，僅為2.37 t/hm2。

圖4 不同暗管布局方式下向日葵株高和莖粗隨移栽后時間的動態變化Fig.4 Dynamic changes of plant height and stem diameter of sunflower with days after transplanting under different subsurface drainage arrangements

圖5 不同暗管布局方式對向日葵產量的影響Fig.5 Effect of different subsurface drainage arrangements on sunflower yield

已有研究表明，鹽堿地鹽分以高滲透壓阻礙植物對土壤水分的獲取，影響植物水分平衡[24,25]，最終導致減產；并且，由于土壤鹽離子含量過高，植物體內礦質營養失衡，對植物有毒性的離子在植物體內快速累積，導致產量形成受阻[26]。本研究中暗管布局影響剖面土壤鹽分分布，進而對向日葵產量有間接影響，D1S1Y處理0～20 cm和20～40 cm土壤鹽分在盛花期[見圖3（a）]和成熟期[見圖3（c）]均處于最低水平，而產量處于最高水平（見圖5），表明向日葵產量與土壤鹽分呈負相關關系，這一結論與前人研究一致[9,27]。耕層土壤高鹽處理D2S2Y 向日葵產量顯著低于其他處理，進一步支持了上述結論，同時也說明即便在耐受范圍（＜0.4%）內，向日葵產量仍然與土壤鹽分呈明顯負相關。

2.4 主根區土層鹽分消減效應

圖6為不同暗管排水處理對0～20 cm 土層和20～40 cm 土層鹽分消減效果。圖6中可看出，種植向日葵處理對主根區（0～40 cm）土層消減效果明顯優于無向日葵處理，有向日葵處理0～20 cm 鹽分消減率為19.7%～50.3%，20～40 cm 鹽分消減率為29.3%～43.4%；而未種植向日葵處理0～20 cm 鹽分消減率為16.1%～35.0%，20～40 cm 鹽分消減率為17.0%～26.1%。其中，D1S1Y 對主根區鹽分的去除效果最優，鹽分消減率0～40 cm 達到46.9%，即推薦以D1S1Y 作為本研究中鹽堿地適宜的生物-工程協同改良方案。值得注意的是，本研究設置了不同暗管埋深、間距和向日葵種植處理，但灌溉和排水強度未設計差異處理，已有研究表明，灌溉流量[28]和排水強度[29]對降鹽效果均有顯著影響，且不同土壤達到相同降鹽效果灌溉流量可相差高達42.9%[28]。因此，進一步研究應圍繞適宜植物生長的灌溉量和適宜土壤降鹽的淋洗量之間的平衡來開展。同時，后續研究將增加暗管埋深和間距的差異水平數，更有利于機理挖掘和方案選擇。