柴达木地区滴灌水-盐-肥综合调控对枸杞生长和水肥利用的影响

2016-03-23万书勤康跃虎刘士平孙甲霞

节水灌溉 2016年5期

万书勤，康跃虎，刘士平，孙甲霞，卢健

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.水利部科技推广中心，北京 100101)

枸杞的果实和叶都有很高的营养和药用价值[1,2]。柴达木盆地是枸杞最适宜生长的地区之一，不但产量高，而且品质好[3]，近年来种植面积快速增加，截至2012年底，全州枸杞种植面积达1.93 万hm2[4]。柴达木盆地水资源匮乏，滴灌由于具有明显的增产、节水、省肥、省工、提高作物品质等作用，已经开始替代原来枸杞农田的地面灌溉，目前新种植的枸杞农田大部分已采用滴灌。

然而，正如干旱半干旱区滴灌农田存在的普遍问题，即在灌水过程中，土壤中的盐分和随灌溉水进入的盐分向湿润峰外围迁移，如果得不到有效淋洗则在土壤中积累，会造成土壤盐碱化，这在柴达木盆地表现的尤为突出。目前几乎所有的滴灌枸杞农田，都存在积盐的问题，水盐调控滴灌技术成为迫切需求。另一方面，由于水盐调控条件下在淋洗盐分的同时，养分也会随之流失，造成肥料浪费，或因养分不足而影响枸杞产量，因此与之相配套的水肥一体化技术至关重要。

该研究针对上述问题，在柴达木盆地开展滴灌水-盐-肥综合调控对枸杞生长、产量及水肥利用等影响的田间试验研究，以期形成适合柴达木盆地枸杞种植的水盐调控水肥一体化技术。

1 研究区及研究方法

1.1 试验区概况

试验于2015年在青海省海西州都兰县香日德镇巴隆乡芊芊农场进行。该区海拔约3 041 m，属高原干旱大陆性气候，年均降雨量仅213.4 mm，年均蒸发量1 358～1 765 mm；年均温5.1 ℃，极端高温31.9 ℃，极端低温-29.8 ℃。该区日照时间长，年日照时数3 020 h，光热资源充足。灌溉水为地下水，水质优良。土壤类型为沙壤土，试验区土壤的基本参数见表1。

表1 供试土壤0～40 cm基础养分、盐分状况Tab.1 Basic soil nutrient and salinity properties of the soil in the 0～40 cm depths at the experiment site

1.2 试验设计

贾俊姝在宁夏中宁干旱区的研究结果表明：当土壤基质势下限控制在-20 kPa以上时，整个土壤剖面(距离滴头水平0～50 cm远、0～120 cm深度)内土壤盐分含量显著降低，盐分淋洗效果好[5]。基于上述的研究结果，本试验采用负压计来指导枸杞进行施肥灌溉，并且控制滴头正下方20 cm深度土壤基质势下限在-20 kPa进行滴灌水盐调控。

传统地面灌溉和施肥方式下，肥料的利用率低，大部分养分随深层渗漏、径流进入水体，而滴灌是将水和液体肥料直接供应到作物根系分布范围，肥料利用率高。基于此，本研究在参考当地枸杞施肥量以及宁夏中宁同龄枸杞施肥量的基础上，确定对照施肥量(CK，100%)，并设计5个滴灌施肥灌溉处理，其施肥量分别为对照施肥量的10%、30%、50%，70%、90%。每个处理重复3次，共15个试验小区。其中试验区当地枸杞的施肥量和施肥方法为，每株枸杞每次在枸杞行间施尿素250 g，二铵250 g，一个生育期施肥2次，每次施完肥后大水漫灌1次。即当地枸杞每公顷施入N 2 054 kg、P2O51 152 kg；宁夏中宁同龄枸杞施肥量为每公顷施入N 450～860 kg、P2O5300～420 kg、K2O 200～270 kg[6]；在此基础上，本研究确定的对照施肥量为每公顷施入N 690 kg、P2O5390 kg、K2O 255 kg。

不施基肥，所有肥料采用滴灌施肥灌溉施入。氮、磷、钾肥分别选用尿素、可溶性二铵(N 18%、P2O546%)和可溶性钾肥(K2O量≥55%)，不同滴灌施肥灌溉处理设计的施肥量见表2。每次灌溉施肥，灌溉前将计算好的肥料加入施肥灌中。在枸杞生长的前期和中期(5-9月)，施肥量占整个生育期的90%，生长后期(10月)的施肥量占整个生育期的10%。

1.3 灌溉与农艺措施

枸杞(宁杞1 号，4 a生)单行种植，行距200 cm，株距100 cm。每个试验小区有4行，每行13株，每个小区长13.3 m，宽8 m，小区面积106.4 m2。

每个处理(包括3个重复)由一个滴灌系统控制，包括球阀、水表、压力表、闸阀、网式过滤器、压差式施肥罐。滴灌带滴头间距30 cm，0.1 MPa工作压力下滴头流量为2.7 L/h。每个滴灌系统控制的灌溉面积为319.2 m2。

表2 枸杞不同滴灌施肥灌溉处理与当地对照的设计施肥量 kg/hm2

枸杞于5月底开始萌芽，萌芽期间根据枸杞周边墒情，统一进行适时适量灌溉。从6月18日开始，当土壤基质势降低到-20 kPa时，开始施肥灌溉，每次灌水量在8 mm左右。9月26日冬灌，灌水量为平时灌溉量的4倍，大约为32 mm。

1.4 测定项目及方法

(1)降雨与蒸发。在试验区中心位置安装雨量桶和直径为20 cm标准蒸发皿，测定降雨量和每天水面蒸发量。

(2)土壤基质势。在各小区的第2行中间滴头的正下方20 cm深度处埋设1支负压计，每天定时观测负压计读数2次(北京时间8∶30，14∶30)，用以指导灌溉。

(3)土壤盐分与养分。分别在施肥灌溉处理开始前(6月3日)、枸杞生长发育中期(7月28日)和施肥灌溉结束后(10月2日)用土钻取样，用于分析土壤中的盐分状况。取样点垂直于滴灌带，距滴头的水平距离分别为0、10、20、30、40、60、80、100 cm，共8个点位；在0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm深度取样，共8个深度。土样经风干、碾细、过筛(孔径1 mm)后，装入密闭自封袋备用。

用饱和泥浆法测定土样的电导率(ECe)和pH[7]，测定仪器分别为土壤电导率仪(DDS-11A 中核仪表有限公司)和pH计(PHS-3C 上海雷磁仪器有限公司)。

植物吸收的养分主要是溶解在土壤溶液中的养分。当采用传统化学提取方法提取土壤中养分时，会把土壤固相中固定的、对植物并非有效的养分提取出来。配制土壤饱和泥浆时，由于加入的水量与田间实际土壤水分状况最为接近，因此测定土壤饱和泥浆提取液中的养分含量，更能够反映土壤的真实养分状况及植物能吸收利用的养分含量。基于此思想(已申请发明专利)，本研究测定土壤饱和泥浆提取液中的养分，其中硝态氮用紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司)测定，铵态氮用紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司)测定，速效磷和速效钾用ICP-ASE法测定。

(4)生长指标。在每个试验小区中间2行(第2，3行)，选定3株具有代表性的枸杞，定株挂牌编号，测量株高、茎粗、冠幅、产量等指标。其中株高、茎粗、冠幅的测量日期为6月20日、7月20日、8月15日和9月15日，共4次，测产时间为8月和9月中旬。

(5)灌溉水利用效率。

(6)肥料偏生产力。肥料偏生产力[8,9](Partial factor productivity from applied fertilizer，PFP)计算公式如下：

式中：Y为枸杞产量，kg/hm2；F为所施肥料的养分量，即N+ P2O5+K2O的养分量，kg/hm2。

1.5 数据处理及分析

采用Excel2010对数据进行处理和绘图，用SAS9.2统计分析软件进行差异显著性检验(LSD法)。由于垂直方向上的取样间隔不同，在分析数据时采用加权平均值法。加权平均值=Σ(样品含量×取样深度/分析深度)，文中平均值均指加权平均值。

2 结果分析

2.1 降雨量与蒸发量

枸杞生育期间的降雨量和蒸发量见图1。枸杞生育期间(5月25日至9月25日)累计降雨量只有35.3 mm，其中79%的降雨(27.8 mm)分布在7月份之前。这段时期的日平均蒸发量为11.2 mm，累计蒸发量达到1 009 mm，为累计降雨量的29倍，因此枸杞生长发育所需的水量主要依赖于灌溉。

图1 枸杞生育期间的降雨量和蒸发量Fig.1 Rainfall and evaporation for different treatments during Lycium chinensis growing period

2.2 土壤水分状况

不同施肥处理枸杞土壤基质势变化规律如图2所示。在枸杞生长旺盛阶段，除因枸杞生长迅速、耗水量大、灌溉不及时等原因，导致个别处理在个别时间土壤基质势低于灌溉阈值外，其余所有处理在枸杞施肥灌溉阶段土壤基质势都保持在-20 kPa之上，直至9月25日冬灌结束。

图2 枸杞生育期滴灌不同施肥灌溉处理土壤基质势变化Fig.2 The changing of soil matric potential of different treatments

2.3 灌水量和施肥量

枸杞生育期内各施肥比例处理的灌水量呈先升高后降低的趋势[图3(a)]，10%、30%、50%，70%、90%施肥比例处理在8月份的灌水量达到最大，分别占各处理总灌水量的55.1%、43.2%、53.0%、58.5%、53.4%，9月份灌水量又降低，这与枸杞生长需水相一致。70%处理的灌水量最小，这可能与埋设负压计点的土壤空间变异等有关。总体上，不同施肥比例处理枸杞的灌水量无明显差异，平均灌水量为212.8 mm，为试验区对照地面灌溉(1 200 mm)的17.7%，节省灌溉水量82.3%(见表3)。

图3 枸杞生长期滴灌灌水量及施肥量Fig.3 Ddirp irrigation and drip-fertigation amounts during the growth of Lycium chinensis

表3 枸杞不同滴灌施肥灌溉处理与当地对照的实际施肥量和灌水量Tab.3 The actual fertigation and irrigation amount for Lycium chinensis of different treatment and local

枸杞生长期内滴灌施肥量也呈先升高后降低的趋势[图3(b)]，8月份的滴灌施肥量最大。10%、30%、50%，70%施肥比例处理8月份的施肥量占总施肥量的53.4%，90%施肥比例处理的为50%。李月梅等研究指出，在柴达木地区枸杞养分吸收高峰出现在8月下旬的盛果期[10]，本研究枸杞肥料施入的高峰期也正好在8月份，即说明采用控制土壤基质势阈值来进行枸杞滴灌水肥一体化管理的方法，能够满足枸杞生长发育对养分的需求。

由于采用控制土壤基质势阈值来进行枸杞的滴灌施肥，不同处理实际的施肥量仅达到了设计施肥量的85%(见表2、表3)，90%最大施肥比例处理尿素、二铵的施入量分别仅为试验区对照传统施肥方法的51%和66%(见表3)。柴达木地区在枸杞生产中，采用滴灌水肥一体化管理不但可以显著减少肥料的施用量，同时减少了2次人工施肥的人工费，而且降低了过量施肥可能引起的环境污染的风险。

2.4 土壤盐分状况

由图4枸杞生长期内不同施肥灌溉处理土壤剖面上盐分(土壤ECe)分布状况可知：①试验处理前(6月3日)0～120 cm土壤剖面ECe平均值为0.7 dS/m，其中0～10 cm深度土壤ECe为1.0 dS/m，20 cm以下范围土壤ECe平均为0.6 dS/m，盐分有明显的表聚现象。②与6月3日0～120 cm土壤剖面ECe相比，7月28日各处理0～120 cm土壤盐分都显著增加了，其中10%、50%、90%施肥处理，土壤ECe值平均为1.9，2.3，3.4 dS/m，分别增加了180%、244%和409%，土壤盐分随着施肥比例的增加而增加，且0～10 cm表层土壤盐分的增加要显著高于40～120 cm深度。这主要是因为2014年冬季的大水漫灌(冬灌)，将土壤(沙壤土)中的盐分淋洗到了120 cm深度以下，柴达木地区冬、春季气温低，土壤尤其是对于沙壤土而言，盐分向上运动的量少，所以6月3日土壤盐分的基础值低；而滴灌施肥灌溉条件下，施入的养分(养分也是盐分的一种)主要分布在0～40 cm深度，因此相对于6月3日的土壤盐分而言，7月28日的土壤盐分明显增加了。③与7月28日的土壤ECe相比，10月2日试验处理结束时，各处理土壤ECe明显降低，10%～90%施肥处理0～120 cm深度土壤ECe值平均为1.5、1.1、1.2、0.8、1.0 dS/m，与试验处理前6月3日的土壤盐分值接近。说明滴灌条件下24 mm左右灌溉水量的盐分淋洗效果，基本接近地面灌溉100～150 mm的淋洗效果，且灌溉水量仅为地面灌溉条件下的16%～24%。

总之在枸杞滴灌施肥灌溉阶段，不同处理土壤剖面ECe值不高于4 dS/m，低耐盐植物可以生长[11]，并且较大水量的冬灌、春灌(平常灌水量的4倍，)盐分淋洗效果显著，土壤盐分基本可以维持平衡。

图4 枸杞生长不同时期土壤剖面上盐分分布Fig 4 The spatial distribution of soil salinity (ECe) for different treatments in different times

2.5 滴灌水盐调控施肥对枸杞生长、产量及水肥利用的影响

不同施肥比例对枸杞的最大株高、最大茎粗和最大冠幅没有显著影响(见表4 )，但是枸杞的株高、茎粗、冠幅增长率随施肥比例的增加呈升高的趋势(见图5)，当施肥比例为70%时，枸杞株高、茎粗、冠幅的增长率最大，分别为15.0%、13.5%、4.8%。

表4 不同施肥处理对枸杞生长指标和产量的影响Tab.4 The influence of treatment on the growth characteristics and yield of Lycium chinensis

图5 不同施肥处理下枸杞株高、茎粗、冠幅的增长率Fig.5 The growth rate of Lycium chinensis plant height, stem diameter, and crown diameter under different drip-fertigation treatment

随着施肥比例的增加，枸杞的鲜果产量先增加后降低(见图6)，当施肥比例为50%时总鲜果产量最高，为9 334 kg/hm2，其次是70%处理，鲜果产量达到为9 229 kg/hm2，第1茬鲜重占总鲜重的70%左右。随着施肥比例的增加，枸杞的干果产量也是先增加后降低，70%施肥比例处理的干果产量最大，为2 754.4 kg/hm2，其次是50%产量，干果产量达到2 701kg/hm2，第1茬干果重占总干果重的66%左右。柴达木地区4 a生枸杞干果平均产量可达到2 230 kg/hm2，约为70%施肥比例处理枸杞产量的80%。上述结果同王磊等在同一研究区的发现一致，即在同一灌水条件下，适当增加施肥量可以显著提高枸杞株高、茎粗和产量，但过高的施肥量不利于枸杞生长和产量的提高[12]。

图6 施肥比例与枸杞鲜果和干果产量的关系Fig.6 Effects of drip fertigation properation on the yield of Lycium chinensis

枸杞鲜果灌溉水利用效率为2.5～5.1 kg/m3，70%施肥处理的灌溉水利用效率最高，为5.1 kg/m3；随着施肥比例的增加，枸杞鲜果的肥料偏生产力迅速降低，当施肥比例大于50%时，肥料偏生产力的降低率变缓(见图7)。枸杞干果灌溉水利用效率和偏肥料生产力随施肥比例的变化规律与鲜果的基本一致，灌溉水利用效率为0.8～1.5kg/m3，当肥料比例为70%时灌溉水利用效率最高，为1.5kg/m3，当施肥比例大于50%时，肥料偏生产力的降低率变缓。

图7 枸杞灌溉水利用效率及肥料偏生产力 Fig.7 IWUE and PFP of Lycium chinensis

王磊等在同一研究区最佳水肥条件下(灌溉下限70%田间持水量，施肥量70%传统施肥量，)，枸杞的产量为1 240.6 kg/hm2，灌溉水利用效率为0.24 kg/m3[12]，产量和灌溉水利用效率都要小于本研究结果。除了2014年枸杞为3 a生，树龄较小外，主要是因为本研究是按照负压计指导枸杞进行施肥灌溉，每次的灌水量少，灌溉频率高，枸杞整个生育期平均施肥灌溉25次。因此，少量高频施肥灌溉能提高枸杞的产量、灌溉水利用效率和肥料偏生产力。