滴灌条件下棉花对土壤盐分及离子运移的影响

2018-04-25祁通张玉玲徐菲黄建王新勇马雪琴

新疆农业科学 2018年12期

祁通，张玉玲，徐菲，黄建，王新勇，马雪琴

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业部西北绿洲农业环境重点实验室，乌鲁木齐 830091；2.喀什地区岳普湖县农技推广中心，新疆岳普湖 844400)

0 引言

【研究意义】由于其特殊气候条件，水分蒸发强烈，土壤盐分和地下水可溶性盐分随水向地表积聚，新疆盐渍化耕地面积达到1.62×106hm2，占耕地总面积 32.07%[1]，土壤盐渍化是制约新疆灌溉农业可持续发展的主要因素。研究盐渍化土壤盐分的运移规律，对合理开发利用新疆盐渍化土壤资源与防治农田次生盐渍化有实际意义。【前人研究进展】新疆膜下滴灌技术可以抑制盐分上移，而且在滴灌的淋洗作用下，剖面土壤内的盐分产生了定向重分布，形成脱盐区、稳定区与积盐区。滴灌后盐渍化土壤垂直方向 0～40 cm 处于脱盐，形成盐分淡化区[2-5]，这个过程包括 2个方面，一是总盐分的淡化，二是盐分离子的淡化；盐分淡化区的形成实质上是耕层土壤盐分离子迁移和分异的结果。土壤水分是土壤盐分运移的载体，伴随着水分的入渗，使土壤盐分在三维空间内发生运移，表现出表层土壤淋洗脱盐，而由于不同盐分离子随水淋洗的速率不相同[6,7]，虽然盐分淡化区内总盐分有很明显的下降，但部分离子可能并未被淋洗走，同时，在这个过程中盐分离子的组成也会发生改变。另外，沈其荣等[8]研究了大麦根际中各种盐分离子的分布特征及动态变化(土壤含盐为 0.39%)，结果显示，大麦根际土壤中K+和Na+离子亏缺，其它离子则不同程度地富集，田野等[9]的研究结果表明, 2 个杨树无性系根际水溶性K+亏缺, 水溶性 Na+、Ca2+和 Mg2+富集。郭全恩等[10]的研究也表明种植大麦、玉米、果树对土壤剖面盐分、Cl-、水溶性 Ca2+含量有明显的影响(土壤含盐为 0.51%)。【本研究切入点】以上研究表明，土壤盐分离子的迁移和分布明显受到植物的影响，而大部分的研究并未系统的研究盐分离子在这一过程中的变化特征。研究棉花对盐分及离子的运移的作用关系。【拟解决的关键问题】研究棉花对盐分及离子的运移的作用关系，分析滴灌棉田盐分的运移规律和影响机制，为完善盐渍化土壤水盐调控理论提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017年在喀什地区岳普湖县色也可乡3大队大户农田进行(E76°45'49，N39°10'59)。该区域属于暖温带大陆性气候，年均降水量75.8，多集中在6～8月。该农田为开垦5年的耕地，连续种植棉花，土壤为砂质壤土，土壤平均含盐量为1.26 g/kg，属于中度盐渍化土壤范围。表1～3

表1 土壤粒径
Table 1 Soil particle size analysis

砂粒Sand粘粒Clay粉粒Silt土壤类型Soil type2～0.02 mm<0.002 mm0.02～0.002 mm砂质壤土0.691 20.062 80.246Sandy loam

表2 土壤初始盐分及盐分离子含量
Table 2 Initial soil salt and salt ion content

土层深度Soil depth(cm)pH总盐Total salt(g/kg)CO32-(g/kg)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)0～208.418.8-0.2241.4644.9540.5490.2830.1530.85020～408.514.9-0.1991.7419.6312.8160.2150.1080.77040～608.5914.1-0.1991.6358.4481.4780.3010.1431.700

表3 混合后土壤盐分及盐分离子含量
Table 3 Soil salt and salt ion content after mixing

土层深度Soil depth(cm)pH总盐Total salt(g/kg)CO32-(g/kg)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)0～208.3812.6-0.1991.2828.4142.3650.3350.0931.58320～408.5412.4-0.1741.4948.4141.9430.4900.0661.26040～608.4611.8-0.1491.2217.8062.6610.1800.0751.380

1.2 方法

1.2.1 微区试验

试验微区供试作物为棉花，品种为新陆中54号，4月15日播种，4月25日出苗，灌溉方式为膜下有压滴灌，一膜两管。在6月10日进行第一次灌溉。棉花生育期间滴水13次，每次滴水量控制25 m3/667m2，全生育期共滴灌水325 m3/667m2，施肥及其他田间管理措施均按照大田进行。其中在第8次滴水(200 m3/667m2)结束后于8月20日进行土壤样品采集。

采用田间微区试验，每个小区设置2种处理，种植棉花和未种植棉花，田间随机选择3个小区，小区面积 2 m×1 m面积试验微区，其中一个埋设水分、盐分传感器作为动态监测区。所有试验小区在播种前对土壤进行挖深 0.6 m，将所有挖出的土壤进行风干，过 2 mm 筛子，机械混匀，用塑料薄膜隔离，再按照容重 1.3 g/cm3对坑进行分层填装。小区内按田间配置(1膜2管4行棉花)铺设滴灌带(φ16，2.8 L/h)和地膜(膜宽1.45 m)，其中一条滴灌带两侧播种 2行棉花模拟大田，另外一条滴灌带不种植棉花，作为空白。图1

图1 田间微区试验示意
Fig.1 Schematic diagram of field microexperiment

1.2.2 土壤采集

微区以滴灌带滴头为中心，采集滴灌带一侧土壤，取样范围 40 cm×30 cm，采样深度 50 cm，采集每块 10 cm×10 cm×10 cm 土壤样品，测定盐分离子含量、水分及棉花根系等；对照空白区用直径 3 cm 的土钻取土，以滴头为中心，采集滴灌带一侧距离滴头 0、10、20和 30 cm处的土壤样品，采样深度为 0～10、10～20、20～30、30～40 和 40～50 cm，测定土壤水分、盐分离子等。

1.2.3 样品测试

土样测试土壤含水量、总盐、电导率、pH值、及 CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+离子含量。土壤含水量采用烘干法测定，土壤浸提液用1∶5土水比提取，电导率的测定用电导仪，盐分离子Na+用火焰光度计法测定，CO32-、HCO3-用标准 H2SO4滴定法测定，Ca2+、Mg2+用EDTA 络合滴定法测定，SO42-用紫外分光光度计测定，Cl-用标准硝酸银滴定法测定。

1.3 数据处理

用 Microsoft Office 工具 Excel 进行数据整理及作图；SPSS 22.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌棉花对土壤总盐分的影响

研究表明，在相同的灌溉条件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，种植棉花后的土壤与未种植棉花土壤盐分在耕层存在差异，种植棉花处理在0～10 cm土层、10～20 cm、20～30 cm土层土壤盐分含量高于未种植棉花的处理，10～20 cm土层差异显著(P<0.5)。棉花种植主要影响了0～30 cm土层中盐分的含量。相同处理下，不同土层盐分也之间也存在差异。两个处理土壤盐分在0～40 cm有明显的淡化层，0～20 cm土层盐分下降最为明显，显著低于其他处理，其次是20～40 cm，而40～60 cm土层盐分有明显的聚集，含盐量最高。土壤盐分的运移受到灌溉的影响明显，在0～30出苗土层也受棉花的影响，棉花根系主要分布在0～40 cm土层，而土壤盐分的运移过程也主要集中在这个区域，棉花根系可能减缓了盐分向下淋洗过程。图2

图2 种植棉花下各土层土壤全盐含量变化
Fig.2 Effect of cotton planting on total salt content of soil in different soil layers

2.2 滴灌棉花对土壤pH的影响

研究表明，在相同的灌溉条件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，种植棉花后的土壤与未种植棉花土壤pH在0～10 cm和20～30 cm土层存在差异，但未达到显著水平(P<0.5)。两种处理0～10 cm土层pH值最低，与其他土层相比差异显著，但其他土层之间pH值没有显著差异，土壤pH主要受灌溉的影响，而棉花种植对土壤pH没有影响。图3

图3 种植棉花下各土层土壤pH值变化
Fig.3 Effect of cotton planting on the soil pH in different soil layers

2.3 滴灌棉花对土壤阴离子的影响

研究表明，在相同的灌溉条件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，在相同土层中，种植棉花处理与未种植棉花处理土壤阴离子含量存在差异。在0～10 cm、10～20 cm土层中，两种处理条件下 HCO3-离子含量存在差异，但差异不显著，其他土层HCO3-离子含量，两个处理间没有差异；种植棉花处理在10～20 cm土层土壤Cl-和SO42-离子含量显著高于未种植棉花处理(P<0.5)，在20～30 cm土层中种植棉花处理土壤Cl-和SO42-离子含量高于未种植处理，但差异不显著，其他土层HCO3-、Cl-和SO42-离子含量两种处理间无差异。

相同处理条件下，各个土层离子分布也存在差异。在种植棉花条件下，0～10 cm土层HCO3-、Cl-和SO42-离子含量最小，10～20 cm土层高于0～10 cm土层，20～30 cm土层高于30～40 cm，30～40 cm土层大于20～30 cm土层，40～60 cm土层HCO3-、Cl-和SO42-离子含量最高，差异达到显著水平(P<0.5)。在未种植棉花条件下，0～10 cm土层HCO3-、Cl-和SO42-离子含量最小，40～60 cm土层HCO3-、Cl-和SO42-离子含量也显著高于其他土层(P<0.5)，而0～10 cm与10～20 cm土层间差异不显著。

在种植棉花和未种植棉花条件下，0～40 cm土层土壤阴离子含量都随着灌溉而有所下降，在40～60 cm土层形成了一个离子浓度较高的聚集区，但种植棉花处理土壤阴离子浓度的下降幅度要低于未种植棉花的处理，主要影响了Cl-和SO42-离子的含量，主要影响的土层是10～20 cm。表4

表4 种植棉花下各土层土壤盐分阴离子变化
Table 4 Effects of cotton planting on soil salt anions in different soil layers

处理Treatments深度Depth (cm)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)棉花cotton0～100.127±0.06ab0.364±0.01a4.039±0.77a10～200.127±0.02ab1.047±0.08b5.649±0.55b20～300.174±0.05abc1.176±0.05bc6.294±0.56b30～400.199±0.06bc1.862±0.12d8.147±0.94c40～600.324±0.06c2.618±0.28e9.161±1.13c未种Null0～100.115±0.01a0.186±0.03a3.046±0.47a10～200.142±0.04ab0.372±0.08a4.078±0.55a20～300.187±0.01abc1.562±0.11c6.052±1.1b30～400.174±0.05abc2.96±0.15f8.353±0.41c40～600.227±0.04c2.94±0.18f9.618±1.16c

注：同列不同小写字母表示处理间差异达 5%显著水平

Note: different lowercase letters in the same column indicate a significant difference of 5%

2.4 滴灌棉花对土壤阳离子的影响

研究表明，在相同的灌溉条件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，在相同土层中，种植棉花处理与未种植棉花处理土壤阳离子含量也存在差异。在0～10 cm、40～60 cm土层中，Ca2+、K+、Mg2+、Na+离子含量两种处理没有差异，10～20 cm种植棉花处理的Mg2+高于未种植处理，但差异未达到显著水平(P<0.5)，其他离子处理间无差异，在20～30 cm土层中，种植棉花处理的Mg2+、Na+离子含量高于未种植处理，但差异不显著，在30～40 cm土层，种植棉花处理的K+离子含量高于未种植处理，但差异不显著，Na+离子含量低于未种植处理，未达到显著水平，Ca2+、Mg2+含量两个处理间无差异。

相同处理条件下，各个土层阳离子含量也存在差异。在种植棉花条件下，四种阳离子含量在0～10 cm土层最小，在40～60 cm土层含量最大，0～10 cm和10～20 cm土层之间无差异。K+、Na+离子在20～30 cm土层显著高于10～20 cm，Na+含量在40～60 cm土层显著高于0～10 cm土层，Ca2+含量在各个土层间无显著差异，Mg2+离子含量在30～40 cm土层显著高于0～10 cm土层，与其他土层无显著差异。在未种植棉花条件下，Ca2+离子含量在各土层的大小顺序为0～10 cm土层<10～20 cm土层<20～30 cm土层<30～40 cm土层<40～60 cm，差异不显著，Mg2+离子含量30～40 cm土层显著高于低于0～10 cm和10～20 cm土层，40～60 cm和30～40 cm土层无差异。Na+离子含量的在各土层的大小顺序为0～10 cm土层<10～20 cm土层<30～40 cm土层<40～60 cm土层，其中0～10 cm和10～20 cm土层含量显著低于其他土层(P<0.5)。K+离子含量在20～30 cm和40～60 cm土层显著高于其他土层。

在种植棉花和未种植棉花条件下，灌溉使得0～40 cm土层土壤阳离子含量明显下降，在40～60 cm土层阳离子浓度增加形成离子聚集区，在向下运移的过程中Mg2+、K+、Na+离子含量受到棉花种植的一定影响，未达到显著水平，Ca2+离子含量在各处理中的无差异。表5

表5 种植棉花下各土层土壤盐分阳离子变化
Table 5 Effects of cotton planting on soil salinity cations in different soil layers

处理Treatments深度Depth (cm)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)棉花cotton0～100.716±0.03a0.220±0.1a0.071±0.04a0.551±0.09a10～201.212±0.13ab0.290±0.23ab0.059±0.02a0.678±0.07a20～300.897±0.19ab0.451±0.16abc0.092±0.05bc2.144±0.9bc30～400.993±0.59ab0.519±0.13bc0.106±0.05bc2.649±0.43cd40～600.867±0.93ab0.421±0.08abc0.166±0.06c2.847±0.9cd未种Null0～100.685±0.08a0.182±0.04a0.054±0.02a0.336±0.14a10～201.042±0.35ab0.224±0.1a0.076±0.04a0.705±0.3a20～301.148±0.41ab0.284±0.06ab0.096±0.04bc1.624±0.17b30～401.341±0.24ab0.593±0.23c0.067±0.03a3.095±0.33d40～601.63±0.31b0.6±0.23c0.162±0.08c3.257±0.31d

注：同列不同小写字母表示处理间差异达 5%显著水平

Note: Different lowercase letters in the same column indicate a significant difference of 5%

3 讨论

研究中，在相同的灌溉条件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，种植棉花和未种植棉花的土壤盐分在0～40 cm土层与初始盐分相比都较有较大幅度的降低，而在40～60 cm土层有一定的聚集现象，这与王全九等[3]和吕殿青等[4]在研究滴灌条件下土壤水盐运移特征和影响因素时，根据滴灌后土壤含盐等值线提出了脱盐区和积盐区的概念的研究结果是一致的，杨鹏年等[2]、牟洪臣等[11]研究也有类似的结果，这是由于滴灌的水分入渗方式是点源入渗，盐分随水运动，在滴灌的过程中盐分分布主要集中在湿润体的边缘，土壤湿润锋处的盐分积累主要是由上层土壤盐分向下迁移所致，因此在土壤湿润体内部必然会形成一个盐分浓度较低的淡化区，在这个过程中整个观测剖面的盐分含量并没有增加。土壤中的阴离子和阳离子都有一定程度上也有类似的规律。

除了水分是影响土壤盐分运移的主要因素外，作物对土壤盐分及离子的运移也有不容忽视。作物是直接介入到土壤中的，与土壤直接发生作用关系，土壤盐分在影响作物生长的同时，盐分运移也受到植物的影响，研究发现，棉花对0～30 cm土壤层的土壤总盐分含量、阴离子、阳离子的含量都有一定的影响，有减缓其向下运动的趋势，其中影响较为显著的土壤层是10～20 cm，这个土层也是滴灌棉花根系分布最为密集的区域，这也许是棉花根系的生理作用抑制了土壤中离子的运动。有研究表明[8]，大麦根际土壤中 K+和 Na+离子亏缺，其它离子则不同程度地富集，在本中Cl-和SO42-离子在10～20 cm有也所富集，这一结果是一致的。郭全恩等[10]的研究，表明种植果树对土壤剖面盐分、Cl-、水溶性 Ca2+含量有明显的影响，与研究结果相似，说明种植作物对土壤中的盐分及离子的运移有直接的影响，而对于不同作物对土壤盐分离子的研究的文献较少，机理尚不清，在今后的研究中还需要进一步深入。