渗灌次数对西北荒漠灌区紫花苜蓿栽培草地土壤化学性质的影响

2017-09-13李玉珠师尚礼贾福军郑印江

草地学报 2017年3期

吴芳，李玉珠*，师尚礼，陈春，贾福军，郑印江

(1. 甘肃农业大学草业学院草业生态系统教育部重点实验室中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070； 2. 甘肃省杨柳青公司，甘肃兰州 730070)

我国水资源仅占世界总量的6%[1]，水资源环境的日趋恶化和水资源紧缺已成为严重制约我国经济可持续发展的瓶颈。农业是我国用水量最多的产业，占社会用水总量的70%以上[2]，然而灌溉水利用率平均仅为45%左右[3]。我国农业节水潜力巨大，发展节水灌溉刻不容缓。渗灌是继喷灌、滴灌之后，又一种新型的地下节水灌溉技术，通过采用该节水技术能避免水资源浪费，进而最大程度的提高灌溉水的利用率，实现良好的经济效益和社会效益。近年来渗灌技术已成功地应用于温室大棚内蔬菜、瓜果、花卉，大田马铃薯、大豆的种植，新疆棉田种植以及城市绿地等领域[4-5]。卞晓东等[2]研究表明渗灌能使土壤疏松、促进微生物的活动，加速有机质的分解，为作物创造良好的生长发育条件。杨丽娟等[6]研究表明日光温室内，渗灌、滴灌与沟灌相比在产量相等或略高的前提下可节水50%～60%，水的生产效率提高50%～60%。也有研究表明地下渗灌对土壤pH值、养分和土壤质地的垂直变化有很大影响[7-8]。然而随着渗灌技术应用面积的扩大，生产中出现了表层土壤盐分积累、灌水不均匀、渗灌管阻塞等问题[9-10]。为此，了解土壤出现次生盐渍化现象的机理，合理确定适宜的灌水量，不仅能为解决水资源短缺提供一个有效途径，还能改善土壤质量，保护土壤生态环境[11-12]。

目前，相关报道多集中于渗灌对温室、果园、保护地等土壤理化性质的影响，杨洋[13]等研究发现在日光温室内，沟灌、滴灌和渗灌3种处理下土壤呼吸速率均呈先升后降的变化趋势；高鹏[14]等研究表明渗灌能较好地保持果园表层土壤疏松，对土壤团粒结构破坏程度较小；王淑红[15]等研究指出保护地渗灌管埋深越浅，盐分积累越多；刘洋[16]等研究表明渗灌管埋深在20～40 cm范围内，灌水后保护地土壤全盐含量有明显的表聚特征，而荒漠灌区渗灌对土壤化学性质影响的研究还未见报道。因此，本试验在位于西北荒漠灌区的甘肃省杨柳青公司试验地进行，该公司采用渗灌技术种植了一定面积的紫花苜蓿(MedicagosativaL.)，但渗灌使盐分在表层土壤中逐渐积累形成盐带，从而影响了苜蓿的生长。为此，本研究选择苜蓿品种‘艾迪娜’(M.sativaL.‘Aidina’)试验地渗灌区土壤为研究对象，在苜蓿出苗期，进行不同次数的渗灌，通过测定各处理区土壤的pH、水溶性盐总量、钾和钠离子、水解性氮、速效磷、速效钾、有机质等含量，以期明确渗灌次数对苜蓿出苗期不同土层深度及管距土壤化学性质的影响，同时对西北荒漠灌区紫花苜蓿栽培进行合理的水分管理提供理论依据与技术指导，防止土壤养分失调、次生盐渍化严重，使得渗灌节水技术得到更广泛的应用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究地点位于甘肃省金昌市永昌县的杨柳青公司试验地，永昌县境内以山地、平原为主，土壤贫瘠、盐碱地多，平均海拔1519 m。气候属温带大陆性气候，年平均气温4.8℃，平均降水量185.1 mm，无霜期134 d，平均日照2 884.2 h，日照率65%，年蒸发量2 000.6 mm。具有干旱、多风、蒸发量大等特点。该地区引水灌溉条件好。

1.2 试验设计

试验地土壤肥力状况相近，播种前施足基肥，同时施过磷酸钙1 500 kg·hm-2、尿素150 kg·hm-2、腐殖酸铵450～600 kg·hm-2。苜蓿播种量为15 kg·hm-2，用播种机行播，播种深度1～2 cm，行距10 cm。试验中渗灌1次(1水)、2次(2水)、3次(3水)作为处理，0次(0水)作为对照(CK)，各设3次重复，共12个小区，小区面积为666.67 m2。各小区之间用埋深 60 cm 的塑料布做防渗隔离处理，防止水分、养分的互渗或迁移。渗灌管选用新疆中油节水科技公司生产的PE软管，设计成内镶式滴灌带，间距60 cm，埋在地下15 cm处，埋设时渗灌管水平放置，出水孔向上。渗灌管与干管连接处设有闸阀，可以控制每个小区渗灌管的开闭。苜蓿播种植完当天(4月22日)开始灌溉，每隔10 d灌1次，灌溉量均为每个小区80 m3，每次灌溉1 h，对各处理区出苗期苜蓿进行不同次数的灌溉。

各处理区土壤为试验材料，每个处理内按管上(渗灌管道上方)、管近(两渗灌管道水平位置间距1/4处)、管中(两渗灌管道水平位置间距1/2处)设置3个采样点，每个采样点分别用土钻取0～10 cm和10～20 cm的土样，然后将每个处理3个采样点的同一土层土样混合，得到混合土壤样品，装入自封袋带回实验室自然风干研磨(过1 mm和0.25 mm筛)，剔除杂物，分别进行化学性质指标的测定。采样时间为牧草渗灌第2天，即2015年4月23日(0水、1水)，5月4日(2水)、15日(3水)。

1.3 测定指标与方法[17]

土样分析在甘肃农业大学草业学院草业生态系统教育部重点实验室进行，土壤pH的测定用水土比2.5∶1，pH计测定；水溶性盐含量的测定采用残渣烘干法测定；Na+和K+的测定采用火焰光度法测定；水解性氮测定采用碱解扩散法测定；速效磷的测定采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效钾的测定采用NH4OAc—火焰光度计测定；有机质的测定采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定。

1.4 数据统计方法

采用Excel 2007进行数据处理和图表绘制，用SPSS16.0统计软件中的比较均值法对试验数据进行单因素方差分析及显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同渗灌次数对土壤pH值的影响

如图1所示，0～10 cm土层，与CK相比，2水和3水显著提高了不同位置的土壤pH值(P<0.05)，最大值出现在2水管上，为8.30，比CK升高了8.21%。1水显著降低了管中的pH值(P<0.05)，达最低值，为7.46，比CK降低2.7%。

如图2所示，10～20 cm土层， 2水和3水显著提高了不同位置的土壤pH值(P<0.05)，最大值出现在3水管上，为8.39，比CK升高了8.68%。1水显著降低了管中的pH值(P<0.05)，达最低值，为7.46，比CK降低了3.37%。

由此可知，不同土层，pH最高值均出现在管上，最低值均出现在管中。2水和3水均能显著提高不同土层深度及位置的pH值。

图1 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤pH的影响
Fig.1 The effect of irrigation times on soil pH of 0～10 cm
注：不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同
Note: Different letters indicate significant differences at the 0.05 level

图2 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤pH的影响
Fig.2 The effect of irrigation times on soil pH of 10～20 cm

2.2 不同渗灌次数对土壤水溶性盐总量的影响

如图3所示，0～10 cm土层， 1水、2水和3水均降低了管上和管近的土壤水溶性盐总量，其中3水管近的值与CK差异不显著；1水、2水和3水均提高了管中土壤水溶性盐总量，其中1水与3水显著高于CK(P<0.05)，最大值出现在1水管中，为0.430 g·kg-1，较CK增加了83.26%。

如图4所示，10～20 cm土层，与CK相比，2水和3水显著降低了管上的土壤水溶性盐总量(P<0.05)，其中3水管上最低，较CK降低了57.09%。1水显著降低了管近的土壤水溶性盐总量(P<0.05)，较CK降低了40.82%；1水显著升高了管中的土壤水溶性盐总量(P<0.05)，为0.461 g·kg-1，较CK增加了96.34%。

由此可知，在不同土层，随着灌溉次数的增加，不同位置的土壤水溶性盐含量变化趋势各不相同。2水和3水均显著降低了不同土层深度管上的土壤水溶性盐含量(P<0.05)，1水显著降低了不同土层深度管近的土壤水溶性盐含量(P<0.05)，增加了不同土层深度管中的土壤水溶性盐含量。随着渗灌次数的增多，不同土层深度管中的盐含量呈现先降低后升高的趋势，最大值都出现在1水管中。

图3 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤水溶性盐的影响
Fig.3 The effect of irrigation times on soil water-soluble salt content of 0～10 cm

图4 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤水溶性盐的影响
Fig.4 The effect of irrigation times on soil water-soluble salt of 10～20 cm

2.3 不同渗灌次数对土壤K+、Na+含量的影响

如图5所示，0～10 cm土层，2水管上的土壤K+含量显著低于CK(P<0.05)，达最低值，为0.045 g·kg-1，较CK降低了29.69 %。2水和3水管近的土壤K+含量均显著高于CK(P<0.05)，不同渗灌次数管中的土壤K+含量均显著高于CK(P<0.05)，最大值出现在2水管中，为0.138 g·kg-1，较CK增加了115.63%。如图6所示，10～20 cm土层，随着渗灌次数的增加，不同位置的土壤K+含量变化趋势各不相同，管上呈先升高后降低的趋势，管近呈升高趋势，管中呈先降低后升高的趋势，1水管中和3水管近的土壤K+含量显著高于CK(P<0.05)，最大值出现在1水管中，为0.287 g·kg-1，较CK增加了147.41%。总之，本试验结果表明，在不同土层，土壤K+含量的最大值均出现在管中。

如图7所示，0 ～10 cm土层，随着渗灌次数的增多，管上、管近、管中的Na+含量均呈现先降低后升高的趋势，与CK相比，差异均显著(P<0.05)。不同渗灌次数管中的Na+含量均高于CK，最高值出现在1水管中，为0.846 g·kg-1，较CK增加了161.11%；不同渗灌次数管上和管近的Na+含量均低于CK，最低值出现在2水管上，为0.016 g·kg-1，较CK降低了95.06 %。如图8所示，10～20 cm土层，随着渗灌次数的增加，土壤Na+含量在不同位置呈现不同趋势，管上的Na+含量呈现下降趋势(P<0.05)，均显著低于CK，最低值为0.018 g·kg-1，较CK降低了93.36%。管近的Na+含量呈现上升趋势。管中的Na+含量呈先降低后升高趋势，均显著高于CK(P<0.05)，1水管中出现最大值，为0.780 g·kg-1，较CK增加了187.82%。总之，不同土层，不同渗灌次数，管上的Na+含量均显著低于CK(P<0.05)，管中的Na+含量均显著高于CK(P<0.05)，最大值都出现在1水管中。

图5 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤钾离子的影响
Fig.5 The effect of irrigation times on soil K+content of 0～10 cm

图6 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤钾离子的影响
Fig.6 The effect of irrigation times on soil K+contentof 10～20 cm

图7 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤钠离子的影响
Fig.7 The effect of irrigation times on soil Na+content of 0～10 cm

图8 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤钠离子的影响
Fig.8 The effect of irrigation times on soil Na+content of 10～20 cm

2.4 不同渗灌次数对土壤水解性氮含量的影响

如图9所示，0～10 cm土层，随着渗灌次数的增多，管上的土壤水解性氮含量呈下降趋势，管近的基本没有变化，与CK相比，差异均不显著，管中呈先降低后升高的趋势。3水管上的土壤水解性氮含量显著低于CK(P<0.05)，且含量最低，为36.152 mg·kg-1，较CK降低了46.84%。不同渗灌次数管中的土壤水解性氮含量均显著高于CK(P<0.05)，最大值出现在1水管中，为144.621 mg·kg-1，较CK增加了112.68%。如图10所示，10～20 cm土层，随着渗灌次数的增多，土壤水解性氮含量在不同位置变化趋势各不一样，管上的土壤水解性氮含量呈降低趋势，且均显著低于CK(P<0.05)，管近的土壤水解性氮含量呈上升趋势，管中的土壤水解性氮含量呈先降低后升高趋势。3水管上出现最低值，为41.987 mg·kg-1，较CK降低了60.66%。1水管中的土壤水解性氮含量显著高于CK(P<0.05)，且含量最高，为143.525 mg·kg-1，较CK增加了34.48%。

图9 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤水解氮含量的影响
Fig.9 The effect of irrigation times on soil available nitrogen content of 0～10 cm

图10 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤水解氮含量的影响
Fig.10 The effect of irrigation times on soil available nitrogen content of 10～20 cm

2.5 不同灌溉次数对土壤速效磷含量的影响

如图11所示，0～10 cm土层，随着渗灌次数的增加，不同位置的土壤速效磷含量变化均呈下降趋势，各处理的土壤速效磷含量均显著低于CK(P<0.05)，CK的值为3.196 mg·kg-1，最低值出现在3水管中，较CK降低了57.76%。如图12所示，10～20 cm土层，随着渗灌次数的增加，不同位置的土壤速效磷含量变化均呈下降趋势，各处理的土壤速效磷含量均低于CK，CK的值为3.111 mg·kg-1，最低值出现在3水管近，较CK降低了52.11%。

图11 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤速效磷含量的影响
Fig.11 The effect of irrigation times on soil available phosphorus content of 0～10 cm

图12 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤速效磷含量的影响
Fig.12 The effect of irrigation times on soil available phosphorus content of 10～20 cm

2.6 不同灌渗溉数对土壤速效钾含量的影响

如13图所示，0～10 cm土层，随着渗灌次数的增加，不同位置的土壤速效钾含量均呈现上升趋势。管中的土壤速效钾含量均显著高于CK(P<0.05)，最大值出现在3水管中，为226.357 mg·kg-1，较CK增加了44.15%。如图14所示，10～20 cm土层，随着灌水次数的增加，土壤速效钾含量呈现先升高后降低的趋势，最大值出现在2水管中，为290.990 mg·kg-1，较CK增加了43.62%。

图13 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤速效钾含量的影响
Fig.13 The effect of irrigation times on soil available potassium content of 0～10 cm

图14 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤速效钾含量的影响
Fig.14 The effect of irrigation times on soil available potassium content of 10～20 cm

2.7 不同渗灌次数对土壤有机质含量的影响

如图15所示，0～10 cm土层，随着灌水次数的增加，土壤有机质含量呈现先升高后降低的趋势，2水管上出现最大值，为2.13%。与CK相比，1水和3水均显著降低了各位置的土壤有机质含量(P<0.05)。如图16所示，10～20 cm土层，随着灌水次数的增加，土壤有机质含量呈先升高后降低的趋势。各位置2水的有机质含量均显著高于CK(P<0.05)，各位置3水的有机质含量均显著低于CK(P<0.05)，说明2水能够提高土壤有机质含量，3水会降低土壤有机质含量，最大值出现在2水管上。

图15 0～10 cm土层不同灌溉次数对土壤有机质含量的影响
Fig.15 The effect of irrigation times on soil organic matter content of 0～10 cm

图16 10～20 cm土层不同灌溉次数对土壤有机质含量的影响
Fig.16 The effect of irrigation times on soil organic matter content of 10～20 cm

3 讨论

渗灌在荒漠化治理[18]、保护地栽培[19]、、盐碱地改良[20]、城镇绿化等领域有广阔的应用前景，原因在于这种技术不仅在机理上、技术上、经济上而且在水资源保护上都被认为最有发展前途的节水灌溉技术[21]。这种技术是通过埋在地表下的渗灌管给作物根系直接供水，灌溉用水从渗灌管渗出，并逐渐向四周运动，水分再分布过程改变盐分运移方向与速度、影响盐分在土壤剖面的分布与积累[22]。研究表明灌溉方式对土壤中盐分与养分的分布有一定的影响，渗灌的水是由下而上运移，随着水分源源不断的输送至地表积聚，0～20 cm土层酸化现象明显[23-24]。也有研究表明设施土壤盐分迁移与水分运动密切相关，当土壤含水量较低时，盐分随水分的增加而增加，但当水分达到一定值后，盐分开始下降[25]。本试验结果表明，从距渗灌管水平距离来看，0～20 cm土层内土壤pH随距离管的位置增加而减小，但不同管距位置2水和3水的pH值显著高于CK(P<0.05)，说明渗灌管位置与土壤pH有一定的关系，这与宰松梅[26]等的研究结论一致。以渗灌管为中心，不同渗灌次数，不同土层深度土壤水溶性盐含量随距离管的距离增加而增加，且最大值都出现在1水管中；不同土层深度，2水的水溶性盐含量平均值都相对低于1水和3水，表明苜蓿苗期渗灌2次，表层土壤含盐量较少，有利于苜蓿的生长；不同渗灌次数，不同土层深度，钠离子和钾离子含量的最大值均出现在管中。这是由于本试验在渗灌处理下表层土壤始终处于干燥状态，水分蒸发较强烈，渗灌的水分在浸润土壤的过程中，两管道的水分同时往管中位置浸润，使得水分汇集在管中位置，从而使得管中位置盐分积聚较多，苜蓿种植时尽量避开管中。

土壤速效养分、微生物种群数量与土壤水分关系密切。渗灌能适当调节土壤温度，不会破坏土壤结构，通气状况好，有利于微生物的活动，促进有机质的分解、合成，从而提高土壤的化学肥力[28-30]。本试验中，不同渗灌次数，不同土层深度，管中的水解性氮含量均高于管上和管近，最大值都出现在1水管中；随着渗灌次数的增多，0～10 cm土层深度不同管距的速效磷含量均呈现下降趋势，速效钾含量均呈现上升趋势，不同土层深度及管位的有机质含量均呈现先上升后下降的趋势，但2水能显著提高各位置的有机质含量。本研究只是初步探讨了不同渗灌次数对西北荒漠灌区土壤化学性质的影响，对于是否存在水肥耦合效应及其作用机制需进一步深入研究，从而达到苜蓿高产的同时又不至于灌水次数过于频繁，且能够有效地抑制盐分积累，保护土壤资源、经济持续发展的目的。