咸水滴灌棉田土壤水、盐和硝态氮分布与淋洗
2011-01-08朱龙辉马丽娟刘小玉张书捷谭斌侯森侯振安
朱龙辉,马丽娟,刘小玉,张书捷,谭斌,侯森,侯振安
(石河子大学农学院资源与环境科学系,石河子832003)
咸水滴灌棉田土壤水、盐和硝态氮分布与淋洗
朱龙辉,马丽娟,刘小玉,张书捷,谭斌,侯森,侯振安
(石河子大学农学院资源与环境科学系,石河子832003)
通过田间试验,研究了膜下滴灌条件下不同灌溉水盐度和灌水量对棉田土壤水、盐和硝态氮分布与淋洗的影响。结果表明:随着灌溉水盐度增加,0~1m土壤盐度和含水量显著增加;提高灌水量可显著增加土壤含水量,促进表层盐分的淋洗,导致下层土壤盐分增加,但0~1m土壤平均盐度增加不明显。随着灌溉水盐度和灌水量的增加,0~1m土壤盐分淋洗量显著增加。低灌水量下,中等盐度灌溉水处理土壤水分和硝态氮的渗漏淋洗量与淡水灌溉处理差异不大;但高灌水量下,中等盐度和高盐度处理土壤水分和硝态氮的渗漏淋洗量均显著高于淡水灌溉处理。因此,应用咸水滴灌时灌溉水盐度和灌溉量均不宜过大。适宜的灌溉水盐度和灌水量有利于控制土壤盐分积累,减少水分和硝态氮的渗漏淋洗损失。
咸水;滴灌;盐分;硝态氮;分布;淋洗
由于城市和工业用水的增加,干旱半干旱地区灌溉水资源日益紧缺[1]。在淡水资源不足和增加农业产出的双重压力下,干旱半干旱地区应用咸水微咸水进行农田灌溉已经成为必然[2]。世界上许多缺水国家和地区已大量使用咸水微咸水进行农业灌溉。
国内外在微咸水滴灌对土壤质量和作物生长与产量影响方面开展了大量研究[3-6]。一定盐分含量的微咸水可以用作农业灌溉水源,不会对土壤性质和作物产量造成太大影响,但需要选择合适耐盐作物,配套完善的农田排灌系统以及采用合理的灌溉方式[7]。蒋静等[8]研究表明,相同灌水矿化度下非充分灌溉土壤含盐量都较充分灌溉低,充分灌溉的灌水定额大,灌水带入的盐分多,同时也促进了土壤表层累积盐分向深层的淋洗。Dalvi等[9]指出,充分灌溉条件下高盐处理土壤含水量比田间持水量高2%~6%,低盐处理含水量比田间持水量低或者相等;由于盐分的存在,中盐和高盐处理土壤渗透势降低,根系吸水困难,土壤水分消耗减少,导致更多的水分留在土壤中。滴灌棉田土壤盐分的空间分布主要受蒸发和湿润区范围的影响,而增加灌水量有助于土壤脱盐[10-11]。此外,土壤盐分和养分之间还存在复杂的交互关系,灌溉水矿化度的升高在一定程度上会影响土壤中水、盐和养分的分布,对植物水分和养发吸收产生影响,因此,使用高矿化度微咸水持续灌溉的主要问题是盐分在土层中累积过量,进而对作物正常的水分和养分吸收产生影响[12]。增加灌水量可起到一定的洗盐效果,但过量灌溉又会导致水分和养分的渗漏淋洗损失,污染地下水。
本研究旨在探讨咸水滴灌对棉田土壤水、盐和硝态氮分布的影响,阐明不同灌溉水盐度和灌溉量下滴灌棉田土壤水、盐和硝态氮的淋洗效应,为干旱区咸水微咸水资源的合理开发和水分养分资源高效利用提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2009年在新疆石河子大学农学院试验站进行,土壤基础理化性状见表1。供试作物为棉花(新陆早33号)。
表1 土壤基础理化性状Tab.1Physical and chemical characteristics of the studied soil
1.2 试验设计
试验中设灌溉水盐度和灌水量2个因素,灌溉水盐度(以电导率表示,ECi)设置3个水平:0.35(淡水)、4.61和8.04mS/cm(分别以SF、SM 和SH 表示);2个灌水量:405和540mm(分别以 WL和WH表示),其中405mm为当地一般农田的推荐灌溉定额(设计中的灌水量不包括出苗水30mm)。灌溉水的盐度处理采用向淡水中加入等量的NaCl和CaCl2配制而成。试验采用随机区组设计,6个处理,每个处理重复3次,共18个试验小区,小区面积54m2。
棉花采用覆膜栽培,一膜四行,株行配置30cm+60cm+30cm,株距10cm,播种密度22.2×104株/hm2。灌溉方式为膜下滴灌,一膜二管,滴灌带间距90 cm,滴头间距40cm。每个试验小区中均预先埋入1个直径40cm,高100cm的土柱,每个土柱恰好是1个滴头的灌溉控制区域,由1个滴头固定供水。土柱底部接出流管,用于收集土壤渗漏液,监测各试验小区土壤水分、盐分和硝态氮的渗漏淋洗情况。
棉花播种采用“干播湿出”,即播种后滴水出苗,各处理均滴淡水,灌水量为30mm。2009年5月2日播种,5月3日滴水,9月25日(播种后150d)完成第1次采收。氮肥用量(N)为360kg/hm2,全部作追肥,分6次施用,分别在播种后50、65、80、88、96和110d随水滴施。磷肥用量(P2O5)为105kg/hm2,钾肥用量(K2O)为60kg/hm2,全部做基肥,在播种时1次性施入。全生育期灌水8次,其它管理措施参照当地大田。
1 .3 测定指标与方法
在每次灌水之前及收获后(播种后150d),采集0~100cm(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm)土样,测定土壤含水量、水溶性盐分含量(总盐量以及土水比1∶5浸出液电导率(EC1∶5))和 NO3-N含量。每次灌溉结束后,收集各试验小区的土壤渗漏液,测定水分渗漏量及渗漏水中的盐分和NO3-N含量。土壤含水量采用烘干法测定,水溶性盐分总量采用蒸干-残渣法测定,电导率使用电导率仪(DDS-308A型,上海雷磁仪器厂产)测定,NO3-N含量采用全自动间断化学分析仪(Smartchem 140)测定。
2 结果
2.1 土壤含水量的动态分布
在棉花生长期间及收获后,对不同处理土壤0~100cm土层的含水量进行了动态监测,结果见图1。
图1显示:低灌水量(WL)条件下,3种灌溉水处理不同深度土层含水量在棉花生长前期(播种后80d前)差异较小;随着灌溉的持续进行,土壤含水量的差异逐渐增大,尤其是上层土壤(0~40cm)含水量差异显著。至棉花收获后(播种后150d),不同深度土壤含水量均表现为:SH>SM>SF。高灌水量(WH)条件下,不同盐度处理各深度土层土壤含水量差异相对较小,表层土壤(0~20cm)含水量差异最大。不同盐度处理0~20cm土壤含水量表现为SH>SM>SF;20~60cm土壤含水量表现为SH、SM>SF;60~100cm土壤含水量差异不明显。
图1 不同灌溉水盐度和灌水量处理0~100cm土壤含水量的动态分布图Fig.1Dynamics of soil water content in 0~100cm depth under different water salinity and irrigation amount treatments
不同处理土壤0~1m储水量变化情况见图2。
给予WT与TLR4-/-小鼠大剂量LPS刺激后,血清相关炎症因子水平ELISA检测结果显示:分别与各自对照组(NS组)比较,WT LPS组与TLR4-/-LPS组小鼠血清中IL-1α、IL-1β、TNF-α以及IL-18均明显增加(P<0.05)。与WT LPS组相比,TLR4-/-LPS组小鼠血清中IL-1α水平无明显差异,但IL-1β、TNF-α和IL-18水平明显低于WT LPS组(P<0.05,图5)。表明TLR4-/-主要影响IL-1β、TNF-α及IL-18的水平,对IL-1α水平影响较小。
由图2可见:在灌溉开始前(播种后50d)不同处理间土壤0~1m储水量无明显差异(P>0.05)。灌溉开始后,土壤储水量的变化受灌溉水盐度和灌水量影响显著(P<0.05)。高灌水量处理(WH)的土壤0~1m储水量明显高于低灌水量处理(WL)。低灌水量条件下,土壤储水量随灌溉水盐度的增加而显著增加,且随着灌溉的持续进行,不同盐度处理间土壤储水量差异逐渐加大;至收获期(播种后150 d),高盐度处理(SH)土壤储水量中盐度(SM)和淡水(SF)处理分别高27.12%和89.71%。高灌水量条件下,不同盐度处理土壤储水量在棉花生长前期(播种后80d前)差异不大;花铃期(播种后90d)以后,咸水灌溉处理(SM、SH)土壤储水量显著高于淡水灌溉处理(SF);至收获后(播种后150d),高盐度(SH)和中盐度(SM)处理土壤储水量较淡水(SF)处理分别高54.80%和28.14%。
图2 不同灌溉水盐度和灌水量处理土壤0~1m储水量的动态变化Fig.2Dynamics of soil water storage in 0~1mdepth under different water salinity and irrigation amount treatments
2.2 土壤盐度的动态分布
不同灌溉水盐度和灌水量处理0~100cm土壤盐度(EC1∶5)的动态变化见图3。
由图3可见:
1)不同深度土层土壤盐分的变化受灌溉水盐度和灌水量影响明显,尤其是灌溉水盐度。淡水灌溉处理(SF)的土壤盐度较低,且不同深度土层及0~100cm平均盐度在棉花整个生育期和收获后均变化不大。两个咸水灌溉处理(SM、SH),表层0~40 cm土壤盐度(EC1∶5)对咸水灌溉的响应最明显,随灌溉水盐度的增加和灌溉的进行,土壤盐度持续增加;其次是40~60cm;60~100cm的响应相对较慢,特别是80~10cm。低灌水量条件下(WL),咸水灌溉处理(SM、SH)80~10cm土壤盐度在灌水6次后才开始迅速增加;高灌水量条件下(WH),相应处理80~10cm土壤盐度在灌水4次后迅速增加。
2)从不同处理土壤0~100cm平均盐度(EC1∶5)的变化来看,随灌水盐度增加和灌溉的进行,土壤平均盐度持续增加;灌溉结束后,土壤盐度开始下降。棉花收获后(播种后150d),低灌水量条件下(WL),中盐度(SM)和高盐度(SH)处理土壤0~100cm平均盐度(EC1∶5)分别是淡水灌溉处理(SF)的2.54倍和3.57倍;高灌量下(WH),SM 和SH处理土壤0~100cm平均盐度(EC1∶5)分别为SF处理的2.96倍和3.91倍。
图3 不同灌溉水盐度和灌水量处理土壤盐度(电导率,EC1∶5)的动态变化Fig.3Dynamics of soil salinity(EC1∶5)under different water salinity and irrigation amount treatments
2.3 土壤硝态氮的动态分布
不同深度土层土壤硝态氮含量的动态变化见图4。
由图4可知:土壤硝态氮的含量受灌水和施肥的影响明显。低灌水量条件下(WL),表层0~20 cm土壤硝态氮含量的波动最大(变异系数CV=42.84%),其次是80~100cm(CV=35.49%),20~80cm土壤硝态氮含量波动较小(CV=26.83%~29.34%)。高灌水量条件下(WH),同样是表层0~20cm土壤硝态氮含量的波动最大(变异系数CV=40.71%),其次是60~100cm(CV=36.52%),20~60cm土壤硝态氮含量波动较小(CV=29.31%)。从不同盐度处理土壤硝态氮含量的变化来看,淡水处理(SF)土壤硝态氮的波动大于中盐(SM)和高盐处理(SH)。
图4 不同灌溉水盐度和灌水量处理土壤硝态氮含量的动态分布Fig.4Dynamics of nitrate concentration in soil under different water salinity and irrigation amount treatments
图5 不同灌溉水盐度和灌水量处理土壤0~1m硝态氮总量的动态变化Fig.5Dynamics of nitrate content in 0~1msoil depth under different water salinity and irrigation amount treatments
由图5可见:低水处理(WL)0~1m土壤硝态氮总量明显高于高水处理(WH)。3个灌溉水盐度下(SF、SM和SH),WL处理的土壤硝态氮总量平均比 WH 处理分别高出了33.43%、20.21%和15.24%。从0~1m土壤硝态氮总量的动态变化来看,低水条件下(WL),不同盐度处理土壤硝态氮总量在播种后96d前差异不大;播种后103d后,高盐处理(SH)的土壤硝态氮总量显著高于中盐(SM)和淡水处理(SF);至收获后(播种后150d),SH处理的土壤硝态氮残留量分别比SM和SF处理高33.27%和49.01%。高水条件下,不同盐度处理土壤硝态氮总量在播种后80d就出现了显著差异,SH处理显著高于SM和SF处理;播种后103d后,SH和SM处理差异不大,均显著高于SF处理;至收获后(播种后150d),3个盐度处理的土壤硝态氮残留量差异显著,表现为SH>SM>SF。
2.4 土壤水、盐和硝态氮的渗漏淋洗
2.4.1 土壤水分渗漏量
试验期间,在每次灌水后收集各处理小区土柱渗漏出1m土体的出流液,计算其水分渗漏淋洗总量及其占灌溉水总量的比例(图6)。总的来说,水分的渗漏淋洗总量随着灌溉水盐度和灌水量的增加而增加(图6a)。高灌水量处理(WH)水分渗漏淋洗量较低灌水量(WL)处理增加88.0%。低水条件下(WL),高盐度处理(SH)的水分渗漏淋洗量显著高于淡水处理(SF),但二者与中盐度处理(SM)均差异不显著(P>0.05)。高水条件下(WH),不同灌溉水盐度处理之间差异显著(P<0.05);SH处理的水分渗漏淋洗量分别较SM和SF处理增加95.7%和22.4%。不同处理对灌溉水淋洗比例的影响与水分渗漏淋洗量相似(图6b),不同盐度处理灌溉水淋洗比例在低水条件下(WL)的趋势表现为:SH>SM、SF;高水条件下表现为:SH>SM>SF。不同盐度处理间的差异随灌水量的增加而加剧。本试验中,不同处理灌溉水淋洗比例的范围为2.01~4.87%。
图6 不同灌溉水盐度和灌水量处理0~1m土壤水分渗漏淋洗量及淋洗比例Fig.6Soil water drainage and leaching fraction of irrigation from 0~1mdepth under different water salinity and irrigation amount treatments
2.4.2 土壤盐分淋洗量
各处理淋洗出1m土体的盐分总量及其占灌溉水带入盐分的比例见图7。淡水灌溉处理(SF)盐分淋洗量较小,且不同灌水量下差异不大(图7a)。2个咸水灌溉处理(SM、SH)盐分淋洗量随灌溉水盐度和灌水量的增加而显著增加(P<0.05)。高水条件下(WH),SM和SH处理的盐分淋洗量比低水条件下(WL)的相应处理分别高出了61.3%和75.0%。高盐度处理(SH)的盐分淋洗量分别是低盐度处理(SM)的1.90倍和2.07倍。不同处理的盐分淋洗比例为6.39%~22.47%,总体表现为灌溉水盐度和灌水量越大盐分淋洗比例越高(图7b)。低水条件下(WL),SM和SH处理盐分淋洗比例显著高于SF处理,但是前二者差异不显著(P>0.05)。高水条件下(WH),3个盐度处理间差异显著(P<0.05),SH 最高,其次是SM,SF最低。
图7 不同灌溉水盐度和灌水量处理0~1m土壤盐分淋洗量及淋洗比例Fig.7Salt leaching amount and leaching fraction of salt from 0~1msoil depth under different water salinity and irrigation amount treatments
2.4.3 硝态氮淋洗损失量
不同处理的硝态氮淋洗损失量见图8。硝态氮的淋洗总量随灌水量增加而显著增加(P<0.05),3个盐度处理(SF、SM、SH)在高灌水量下(WH)的硝态氮淋洗量较低灌水量(WL)的相应处理分别增加了1.36倍、2.32倍和1.65倍。低水条件下(WL),SM与SF处理的硝态氮淋洗损失量差异不大,均显著低于SH处理。高水条件下(WH),SM和SH处理均显著高于SF处理,硝态氮淋洗损失量分别是SF处理的1.52倍和3.92倍。
图8 不同灌溉水盐度和灌水量处理0~1m土壤硝态氮淋洗损失量ig.8NO3-N leaching loss from 0~1msoil depth under different water salinity and irrigation amount treatments
3 讨论
咸水灌溉一方面提供作物生长所需要的水分,另一方面也给土壤带入了大量盐分,造成潜在盐渍化的危险。微咸水灌溉导致土壤中盐分的积累程度与灌水矿化度和灌水量有关,随灌水量的增加和灌水矿化度的升高进入土壤的盐分会明显增加[13]。乔玉辉等[14]研究表明,咸水灌溉后表层0~20cm和20~40cm土壤盐分增加较多,但60cm以下的土壤盐分变化较小。郭会荣等研究了多年连续微咸水灌溉的土壤盐分变化趋势,表明1994~1997年1 m深度土壤总含盐量波动范围较小,总体的变化趋势不大,仅在干旱的1997-1998年有略微上升的趋势[15]。使用微咸水进行灌溉时,控制盐分累积的一个重要因素是灌水量的合理调控,为使土壤上层盐分得到充分淋洗,只有控制好灌水量,当灌水量达到一定值时才会使上层土壤盐分得到充分淋洗。所以利用咸水灌溉的灌溉量不能过低,否则会使一部分盐分停留在表层土壤,不能向深层土壤进行运移,从而影响作物的正常生长和发育[16]。
本研究的结果表明咸水滴灌条件下,随着灌溉水盐度的增加和灌溉的进行,土壤盐分不断增加,尤其是表层土壤盐分积累显著。灌溉水盐度越高,0~1m土壤各深度土层和平均盐度增加越明显;提高灌水量(由405mm提高到540mm)会促进表层盐分的淋洗,导致下层土壤盐分增加,但0~1m土壤平均盐度增加不明显。因此,提高灌溉定额一方面会增加带入的盐分,同时也促进了盐分的淋洗,0~1 m土壤的盐分淋洗量随着灌溉水盐度和灌水量的增加而显著增加,这与前人的相关研究结果[10-11]相似。
一般认为,当土壤中盐分的积累量可以危害作物正常的生长时就应该进行洗盐,而制定适宜的盐分淋洗需水量是关键。目前淋洗需水量的计算多采用Rhoades提出的传统淋洗需水量计算模型,该模型中淋洗需水量主要取决于灌溉水质和作物的耐盐度[17]。近年来,有学者提出传统的淋洗需水量计算是基于稳态模型提出,往往过高的估算了保持作物产量的实际淋洗需水量,从而会造成水资源浪费。传统计算方法中未考虑由于土壤盐分增加导致的农田蒸散量降低,使得灌水量计算结果偏高[18]。本研究的结果表明:土壤0~1m储水量和水分渗漏淋洗量均随灌溉水盐度的增加而显著增加,低灌水量条件下(405mm),4.61和8.04mS/cm灌溉水处理棉花收获期0~1m土壤储水量较淡水(0.35mS/cm)处理分别高28.14%和54.80%,水分渗漏量高30.54%和68.63%;高灌水量条件下(540mm)土壤储水量高28.14%和54.80%,水分渗漏量高59.91%和95.70%。这说明咸水灌溉后,由于土壤盐分的积累会导致农田蒸散量降低。
淋洗需水量过大一方面会造成农田排水增加,浪费水资源;同时也会导致土壤中可溶性养分的淋洗损失(如硝酸盐),增加面源污染风险。灌溉是影响硝酸盐淋失的重要因素之一,过量灌溉会直接导致土 体 NO3-N 淋 洗 损 失 量 的 增 加[19]。Barton等[20]研究表明灌溉对草坪地硝酸盐淋洗的影响远甚于施肥,灌水量由蒸散量的70%增加到140%,氮素淋洗量提高了4倍。此外,咸水灌溉条件下由于盐分抑制植物对氮素的吸收利用也会加大硝酸盐的淋洗风险[21]。本研究的结果表明:高灌水量处理(540mm)的0~1m土壤硝态氮残留量显著低于低灌水量处理(405mm);同一灌水量下,灌溉水盐度越高土壤硝态氮残留量越大。同时,0~1m土壤硝态氮的淋洗总量也随着灌水量和灌溉水盐度增加而显著增加。
综合以上分析,咸水滴灌条件下,高盐度的咸水灌溉会导致根区土壤盐分积累,同时水分和硝态氮的残留与渗漏淋洗损失均会显著增加;提高灌水量有助于促进根区土壤盐分的淋洗,增加盐分淋洗比例,可以在一定程度上抑制土壤盐分的积累,但同时也会加剧硝态氮和水分的渗漏淋洗损失。因此,应用咸水滴灌时灌溉水盐度和灌溉量均不宜过大。本研究中低灌水量(405mm)中等盐度灌溉水(4.61 mS/cm)处理0~1m土壤水分和硝态氮的渗漏淋洗损失量较淡水灌溉处理(0.35mS/cm)均无明显增加。Bowman等[21]研究指出咸水灌溉条件下,只要淋洗量足以防止根区盐分达到危害作物的水平,适宜盐度的咸水灌溉不会造成硝酸盐淋洗量增加,导致地下水污染。因此,咸水滴灌条件下采用适宜的灌溉水盐度和淋洗需水量是控制土壤盐分积累,减少水分和硝态氮渗漏淋洗损失的重要保障。由于咸水灌溉下灌溉-作物-淋洗间存在着复杂的相互作用关系,水、盐和氮交互作用对作物的影响及其在根区的积累和淋洗效应还有待于进一步深入研究。
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Leaching and Distributions of Soil Water,Salt and Nitrate in Cotton Field under Drip Irrigation with Saline Water
ZHU Longhui,MA Lijuan,LIU Xiaoyu,ZHANG Shujie,TAN Bin,HOU Sen,HOU Zhenan
(Department of Resources and Environmental Science,Shihezi University,Shihezi 832003,China)
The effect of irrigation water salinity and irrigation amount on leaching and distributions of water,salt,and nitrate in soil were evaluated with a field experiment under drip irrigation conditions in 2009.Results show that soil salinity and water content in 1-m depth were increased significantly with the increase in irrigation water salinity.When irrigation amount was increased,salt leaching were promoted from the top soil to deep soil,but the average salinity in 1-m soil were not increased significantly.Salt leaching from 1msoil was increased significantly with irrigation water salinity and irrigation amount increased.Under low irrigation amount,there were no significant differences between moderately saline water and fresh water treatments for water and nitrate leaching;but the leaching of water and nitrate in moderately and saline water treatments were significantly higher than those in fresh water treatment under high irrigation amount conditions.Therefore,irrigation water salinity level and irrigation amount should not excessive when saline water is used for drip irrigation.The optional irrigation water salinity level and irrigation amount are benefit to control salt accumulation and to minimize water and nitrate leaching loss.
saline water;drip irrigation;salt;nitrate;distribution;leaching
S275.6
A
1007-7383(2011)06-0661-09
2011-08-29
国家973计划项目(2009CB825101),国家大学生创新性实验计划项目(101075929)
朱龙辉(1988-),男,本科生,研究方向为干旱区水土资源利用;e-mail:zlhyx1201@163.com。
侯振安(1972-),男,教授,从事农业资源高效利用研究;e-mail:hzatyl@163.com。