水分调控降低盐分对夏玉米的影响*

梁硕硕, 房 琴, 闫宗正, 路 杨, 邵立威



水分调控降低盐分对夏玉米的影响*

梁硕硕1,2, 房 琴1,2, 闫宗正1,2, 路 杨1,2, 邵立威1**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

环渤海低平原冬小麦夏玉米一年两作种植系统中, 冬小麦季微咸水灌溉造成土壤含盐量增加, 影响下茬玉米正常出苗。通过水分调控消减根层土壤盐分是有效可行的途径, 并利于冬小麦夏玉米一年两作的微咸水安全利用。该研究通过盆栽与田间试验相结合的方法, 研究玉米出苗对土壤水盐阈值的响应以及玉米播后灌水对出苗、生长、根层水盐和产量的影响。盆栽试验结果表明: 1)玉米在低土壤盐分含量(全盐含量0.8 g·kg–1)下, 60%田间持水量即可达到正常出苗; 2)在高土壤盐分含量(全盐含量3.5 g·kg–1)下, 出苗时间延长, 出苗率降低; 3)土壤盐分对出苗的影响, 随着土壤含水量降低而越趋严重。因此在较高的盐分条件下, 维持出苗期间一定土壤含水量, 更利于缓解土壤盐分对玉米出苗的影响。大田试验中灌溉水盐分梯度为淡水(对照)、3 g·L–1、4 g·L–1和5 g·L–1。田间试验结果表明: 1)随着灌溉水盐分浓度增加冬小麦收获时0~20 cm土壤盐分含量明显增加; 2)淡水、3 g·L–1、4 g·L–1和5 g·L–1灌溉冬小麦, 收获期0~20 cm土壤盐分含量分别为1.0 g·kg–1、1.3 g·kg–1、1.6 g·kg–1、2.0 g·kg–1; 3)夏玉米播种后立即灌溉一次75 mm淡水, 玉米出苗期耕层土壤含水量维持在田间持水量的70%以上, 土壤含盐量下降到1.0 g·kg–1左右, 夏玉米生长进程和产量不受影响。2年(2015年和2016年)淡水、3 g·L–1、4 g·L–1和5 g·L–1微咸水拔节期灌溉冬小麦, 下茬夏玉米产量分别为9 510.4 kg·hm–2、9 913.6 kg·hm–2、9 910.6 kg·hm–2、9 986.0 kg·hm–2和9 621.8 kg·hm–2、9 455.3 kg·hm–2、9 460.2 kg·hm–2、9 221.4 kg·hm–2, 产量差异不显著。考虑该地区降水的时间分布, 与玉米生长同期的充足夏季降水的淋洗作用, 微咸水灌溉小麦的积盐可得到很好淋洗。因此, 该地区在冬小麦生长季实施不超过5 g·L–1微咸水灌溉, 利用冬小麦夏玉米关键生育期水分调控, 可消减微咸水灌溉土壤盐分积累对玉米出苗影响, 结合夏玉米出苗水管理和雨季淋盐, 实现周年稳产和水盐平衡, 根层土壤不积盐。

冬小麦-夏玉米; 微咸水灌溉; 土壤盐分积累; 玉米出苗率; 盐分淋洗

环渤海低平原是我国具有重要的粮食增产潜力地区之一, 冬小麦(L.)-夏玉米(L.)一年两熟制作为该区主要的种植制度, 在保障区域粮食安全方面发挥重要作用。由于大田灌溉长期过量使用深层地下水, 导致地下水严重超采[1]。位于该区的沧州一带已经形成了世界上最大的两个地下水漏斗区[2], 随着水环境的进一步恶化, 环渤海低平原面临越来越严重的淡水资源短缺问题。同时, 该区广泛分布2~5 g·L-1的浅层微咸水[3], 面对淡水资源的日益短缺, 合理利用该区丰富的微咸水资源对于维持粮食生产安全具有重要意义[4]。

在一定的阈值范围内, 微咸水灌溉可以促进冬小麦的生长发育[5], 但是超过一定阈值则会抑制其生长发育。杨树青等[6]在蒙古乌拉特旗设置了5种微咸水的矿化梯度试验, 确定了小麦的耐盐阈值为4.5 g·L-1。中国科学院南皮生态农业试验站多年的微咸水灌溉结果显示, 冬小麦拔节期灌溉不超过4 g·L-1的微咸水与使用淡水灌溉相比并不减产, 与旱作相比增产12%~31%[7]。不同研究对于小麦耐盐阈值的界定有所差异, 但均表明小麦属于较为耐盐的大田作物, 这种耐盐性的差异性受品种特性、土壤条件和田间管理等影响。与小麦相比, 玉米的耐盐阈值低于小麦, 微咸水灌溉对玉米的生长发育影响更大。两种作物分别开始减产的土壤饱和溶液的电导率分别为4.0 dS·m-1和1.7 dS·m-1, 减产50%时分别为13.0 dS·m-1和5.9 dS·m-1[8]。陈素英等[9]的研究结果表明, 拔节期灌溉2 g·L-1和4 g·L-1微咸水比灌溉淡水产量增加16.7%和7.4%, 但是会使后茬玉米产量减少11.8%和18.8%。上述研究结果进一步表明, 华北低平原区冬小麦生长季灌溉微咸水后, 可以促进小麦生长发育, 不减产或利于增产, 但是由于玉米耐盐能力低, 会导致后茬作物玉米产量降低。小麦微咸水灌溉后上层土壤盐分积累是影响玉米出苗和苗期生长的主要因素[10]。只要能保障正常的苗情, 随着玉米生长季夏天多雨季节来临, 降水迅速增多, 对累积在土壤的盐分进行淋洗, 消减了盐分对玉米后期生长的不利影响。

良好的出苗是玉米高产稳产的前提[11], 土壤水分是影响玉米苗情的重要因素。张丽华等[12]的研究表明, 随着土壤含水量的提高, 玉米出苗率也显著增高。每年6月中下旬冬小麦收获—夏玉米播种的时节, 冬小麦耗水已经使土壤含水量达到一年中的低值, 经常遇到无充足降水满足夏玉米出苗的季节性干旱胁迫, 必须通过灌水才能确保正常出苗。然而, 在冬小麦生长季利用微咸水补充灌溉带来的土壤盐分积累, 成为影响夏玉米出苗的又一新因素。土壤水分与盐分的叠加对夏玉米苗情的影响, 成为影响夏玉米出苗和苗情的更为不确定因素, 是该地区冬小麦夏玉米周年生产安全利用微咸水补灌急需解决的问题。该研究拟通过不同土壤含盐量与水分条件的盆栽试验, 明确根层土壤水盐过程对玉米出苗和苗情的影响。并通过不同梯度微咸水灌溉冬小麦下茬种植玉米的大田试验, 验证苗期水分和盐分对玉米出苗和苗情及最终产量的影响, 以及对根层土壤积盐的消减, 为实现冬小麦夏玉米周年微咸水安全与高效利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究的盆栽试验和大田试验在位于环渤海低平原区的中国科学院南皮生态农业试验站(116°40′E, 38°00′N)进行。该站海拔11 m。年平均气温为12.3 ℃, 多年平均降水量533 mm。试验区土壤类型为轻壤质脱盐潮土, 耕层土壤(0~20 cm)有机质15.8 g·kg-1、全氮1.1 g·kg-1、速效氮80.2 mg·kg-1、速效磷26.3 mg·kg-1、速效钾124.0 mg·kg-1, 田间持水量24.1%, 土壤容重1.35 g·cm-3, 土壤含盐量0.9 g·kg-1(0~20 cm土层)。

1.2 盆栽试验

为研究在不同土壤盐分条件下土壤水分含量对玉米出苗的影响, 本试验设置了3个梯度的土壤盐分含量, 以及各盐分含量下不同梯度土壤含水量的盆栽试验。盆栽试验所用盆直径32 cm, 高度26 cm。装盆土壤容重与大田一致, 装盆用土来自于田间耕层土壤。设置3个盐分含量, 分别为0.8 g·kg-1(低盐)、2.3 g·kg-1(中盐)和3.5 g·kg-1(高盐), 中盐和高盐土壤通过增加海水粗盐得到。中盐和高盐处理设置了8个土壤含水量水平, 分别为占田间持水量的55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%。低盐处理设置4个水分水平, 分别为55%、65%、75%、85%。每个处理4次重复, 共用盆栽80个。玉米选用‘郑单958’, 每盆播种9棵, 播种后上面覆盖小麦秸秆, 减少土壤蒸发, 并尽量与大田情况一致。通过每天称重加水, 维持所需要的土壤含水量水平。播种后每天记载出苗情况, 在播种后5 d和8 d测定不同土壤全盐含量下不同土壤水分梯度的出苗率。每隔5 d在每盆中随机取植株2棵, 用于测定生物量。用剪刀紧贴地表剪去植株, 在烘箱快速杀青, 烘干称重, 共计取样4次, 前3次每次取样2株, 最后一次全部拔除。在第4次取样时所有玉米植株都取样测定生物量。

1.3 大田试验

玉米大田试验是在2014—2015年和2015—2016年的不同浓度微咸水灌溉上茬冬小麦试验基础上进行。冬小麦生长季设置4个矿化度的微咸水灌溉处理, 每个处理4次重复, 采用随机区组设计, 小区面积为5 m×4.5 m。相邻两个小区有2 m保护行隔开, 减少相互影响。冬小麦生长季采用春1水灌溉制度, 在拔节期分别灌溉含盐量小于1 g·L-1的淡水、含盐量为3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1矿化度的微咸水, 灌水量均为75 mm。淡水来自于深层地下水, 含盐量0.9 g·L-1, 3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1微咸水利用深层淡水添加一定比例的粗海盐, 在大型蓄水池中均匀混合配制而成。冬小麦收获后, 取土测定不同处理的盐分和水分含量。玉米人工播种, 选用‘郑单958’, 行距60 cm、株距27 cm、密度6.2株·m-2。播种后立即灌溉, 利用深层淡水, 灌水量75 mm。田间75 mm灌水量和冬小麦夏玉米其他管理措施同当地农民的大田管理相一致。于玉米3叶期和5叶期, 在各处理选取5株长势均匀, 有代表性的植株, 将其地上部分从茎基部砍下装入网兜, 放入烘箱杀青(105 ℃)30 min, 然后恒温(80 ℃)烘干至恒重后测定地上干物质量。成熟期测定每个处理夏玉米的密度, 收获时测产, 并取土样测定土壤盐分含量。各处理小区安装中子管, 利用中子仪测定各生育期土壤含水量, 关键时期辅以人工土钻取土测定含水量并相互校正。

1.4 数据处理方法

试验数据基于SPSS Ver 16.0软件和Microsoft excel进行计算和作图分析。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分和水分耦合对玉米出苗和生长的影响

盆栽试验结果表明(图1), 播种后5 d, 在低盐土壤中, 玉米在55%的田间持水量下出苗率达到94%, 在65%、75%和85%田间持水量下出苗率均达到100%。在2.3 g·kg-1的土壤含盐量下, 55%田间持水量下玉米没有出苗, 随着土壤含水量的增加, 出苗率逐渐提高, 在80%田间持水量下达到最大出苗率92%。在3.5 g·kg-1的土壤含盐量下, 55%田间持水量下玉米没有出苗, 随着土壤含水量增加, 出苗率逐渐增加, 在90%田间持水量下, 玉米出苗率达到最大, 仅为50%。同一土壤水分条件下, 随着土壤含盐量的增加, 玉米出苗率逐渐降低。播种后8 d玉米的出苗率较播种后5 d都有所增加, 盐分影响出苗时间。0.8 g·kg-1土壤含盐量下, 不同土壤水分条件下玉米的出苗率均达到100%; 2.3 g·kg-1土壤含盐量下, 各梯度含水量下的出苗率均达到90%以上; 3.5 g·kg-1土壤含盐量下, 80%田间持水量下玉米出苗率达到96%。以上结果表明, 低含盐量土壤中, 维持较低的土壤含水量就能保证玉米出苗。随着土壤含盐量增加, 不同土壤含水量下的玉米出苗均不同程度受到影响, 土壤含水量越低土壤盐分对出苗率的影响越大。图1结果也显示, 随着土壤盐分的增加, 也降低了玉米出苗速率。对于环渤海低平原北部夏玉米, 由于生育期短, 盐分引起的出苗推迟和生育期延迟将对作物生长和产量造成不利影响。

图1 不同土壤含盐量和土壤相对含水量对玉米播后5 d和8 d出苗率的影响

不同小写字母表示不同处理间0.05水平差异显著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

不同土壤含盐量和土壤水分明显地影响玉米苗期生物量(图2), 同一水分条件下, 不同土壤含盐量对玉米苗期的生物量有较大影响[13]。3.5 g·kg-1处理的玉米生物量最低, 其次为2.3 g·kg-1处理, 0.8 g·kg-1处理的玉米生物量最高, 并且3.5 g·kg-1和2.3 g·kg-1处理下玉米生物量显著低于0.8 g·kg-1处理。但随着土壤水分增加, 不同盐分处理的生物量差异有缩小趋势。在低盐条件下, 65%以上的田间持水量就能维持玉米稳定生长; 而在中盐和高盐条件下, 高的土壤水分更利于玉米出苗和生育。在中盐条件下, 土壤水分从70%增加到85%的田间持水量, 显著促进了玉米生长, 到85%田间持水量达到最高水平。在高盐条件下, 土壤水分从70%增加到80%的田间持水量显著促进玉米生长, 而随着土壤水分再增加, 玉米幼苗生长反而得到抑制。以上结果显示, 当玉米受一定的土壤盐分积累胁迫, 维持适当土壤水分条件, 可消减土壤盐分对玉米出苗和生育的不利影响, 过低的土壤水分条件明显抑制出苗, 土壤水分达到一定阈值后不再促进出苗率的提高。

图2 玉米在不同土壤含盐量和含水量条件下的苗期生物量差异

不同小写字母表示不同处理间0.05水平差异显著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.2 冬小麦季微咸水灌溉对玉米播种期土壤盐分的影响

如图3所示, 冬小麦拔节期灌溉淡水、3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1微咸水后, 土壤表层(0~20 cm)的含盐量随着灌溉水矿化度的增加而增加。冬小麦灌溉淡水后的土壤含盐量较低, 灌溉3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1的微咸水后, 土壤含盐量逐步上升, 最高5 g·L-1微咸水灌溉后2年的土壤含盐量分别为2.0 g×kg-1和1.7 g×kg-1。冬小麦拔节期灌溉微咸水后对夏玉米播种期的土壤盐分影响明显, 受地下水压采限制, 冬小麦生育期实施限水灌溉(拔节期灌溉1水), 收获时耕层土壤含水量接近凋萎湿度。在如此严重的土壤水分亏缺条件下播种下茬玉米, 播种后必须实施1次灌水, 才能够保证玉米正常出苗和生长。当土层超过40 cm时, 土壤盐分呈现下降的趋势。表明冬小麦收获夏玉米播种时节, 土壤盐分主要积累在0~40 cm土层, 这一结论与陈素英等[14]的研究结论一致。从图3中可以看出两年试验的最大土壤含盐量均不超过2 g·kg-1中盐水平, 根据盆栽试验结果, 在中盐水平下, 当土壤含水量达到田间持水量85%水平时, 可以保证玉米的正常出苗和生长。图4是2015年和2016年夏玉米播种后, 按照当地农民灌水习惯, 灌溉1次75 mm出苗水后, 不同土层含盐量的变化。与图3结果相比, 玉米在灌溉出苗水以后，0~20 cm土层的含盐量较冬小麦收获后有了很大程度的降低, 淋盐效果明显, 为玉米出苗创造了更为适宜的出苗环境。

图3 2015年和2016年冬小麦收获后不同矿化度微咸水灌溉下不同深度土壤含盐量

图4 2015年和2016年冬小麦不同矿化度微咸水灌溉下夏玉米灌溉出苗水后不同深度土壤的含盐量

2.3 夏玉米灌溉出苗水前后不同土层含水量的变化

图5是小麦收获后和玉米灌溉出苗水后, 不同土层土壤含水量的变化。从图中可以得出, 在灌溉出苗水后不同微咸水灌溉处理后的土壤表层含水量均有了明显的增加。可以为玉米出苗提供充足的水分, 确保玉米的出苗率, 对表层土壤盐分的淋洗也起到了一定作用。

2.4 微咸水灌溉冬小麦对后茬夏玉米早期生长的影响

图6是2015—2016年冬小麦灌溉淡水、3 g·L-1、 4 g·L-1和5 g·L-1微咸水后, 对后茬夏玉米早期生物量(分别于3叶期和5叶期取样)的影响。3叶期玉米单株生物量的变化范围为0.12~0.17 g, 处理间差异不显著。5叶期玉米单株生物量变化范围为1.34~1.76 g, 获得最大生物量的为冬小麦生长季灌溉淡水的处理, 最小生物量的是冬小麦生长季灌溉5 g·L-1的处理, 统计处理间差异不显著。由此可见, 小麦生长季拔节期灌溉一次淡水或者灌溉3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1的微咸水后对下茬作物玉米的早期生物量影响不显著。

a: 2015年冬小麦收获后土壤含水量; b: 2015年夏玉米灌溉出苗水后土壤含水量; c: 2016年冬小麦收获后土壤含水量; d: 2016年夏玉米灌溉出苗水后土壤含水量。a: soil moisture content of winter wheat after harvest in 2015; b: soil moisture content after irrigating the emergence water of summer maize in 2015; c: soil moisture content after winter wheat harvest in 2016; d: soil moisture content after irrigating the emergence water of summer maize in 2016.

图6 冬小麦拔节期不同矿化度微咸水灌溉对夏玉米苗期生物量的影响

不同小写字母表示不同处理间0.05水平差异显著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at0.05 level.

2.5 微咸水灌溉冬小麦后对后茬玉米产量和产量构成的影响

图7 a是2015年和2016年上茬冬小麦拔节期灌溉淡水、3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1微咸水后, 对夏玉米成熟期穗数的影响。由图可见, 2015年冬小麦生长季灌溉微咸水后, 夏玉米穗数变化范围为58 461~60 920穗·hm-2, 各处理之间差异不显著, 并且4 g·L-1的微咸水灌溉后的夏玉米穗数达到最大, 为60 920穗·hm-2。2016年, 夏玉米穗数的变化范围为55 667~58 417穗·hm-2, 处理之间差异也不显著。研究结果显示冬小麦微咸水灌溉后, 玉米出苗水的灌溉消减了盐分对玉米出苗的影响, 对玉米最后成穗数不产生明显影响。

图7 b是冬小麦灌溉不同矿化度微咸水对后茬玉米产量的影响。2015年, 冬小麦生长季4个灌溉处理后的下茬玉米产量变化范围为9 510~9 986 kg·hm-2, 其中小麦拔节期灌溉5 g·L-1微咸水后, 夏玉米获得了最高产量, 为9 986 kg·hm-2, 各处理间产量差异未达到显著水平。2016年, 4个处理对应产量变化范围为9 221~9 622 kg·hm-2, 冬小麦拔节期灌溉淡水后, 夏玉米获得了最高产量9 622 kg·hm-2, 各处理间也未达到显著水平。与淡水处理相比较, 最高矿化度5 g·L-1处理2015年玉米产量提高476 kg·hm-2, 2016年却降低401 kg·hm-2。进一步说明微咸水灌溉冬小麦的积盐没有对玉米产量造成不利影响。

图7 冬小麦不同矿化度微咸水灌溉对玉米穗数(a)、产量(b)的影响

不同小写字母表示不同处理间0.05水平差异显著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.6 玉米生长季土壤水分和盐分变化

2015年和2016年夏玉米播种前和收获后的土壤含水量和盐分含量发生明显变化(图8)。如图所示, 两年试验, 玉米播种前的土壤含水量较低, 为了保证出苗, 玉米播种后需要进行一次灌溉。玉米收获后土壤含水量高于播种前的土壤含水量, 且土壤的含水量随着土壤深度的增加而呈增加趋势。说明随着夏季的集中降雨, 对冬小麦生长期间灌溉微咸水积累的土壤表层盐分进行了充分淋洗, 达到了洗盐的效果。从土壤的含盐量变化也可以明显得知, 玉米收获时的含盐量明显低于小麦收获时含盐量, 说明玉米生长季雨热同期气候条件降水量的淋洗, 使得土壤盐分含量未达到玉米生长耐盐的阈值, 达到盐分淋洗作用, 保持微咸水灌溉下土壤盐分平衡。

图9是试验区60多年来的年降雨量和夏季降雨量的变化趋势, 多年平均降雨量为504.8 mm, 其中夏季多年平均降雨量为373.6 mm, 夏季降雨量占全年降雨量的74%。根据陈秀玲等[15]的研究, 在河北省沧州地区, 小麦季微咸水灌溉累积的盐分主要靠夏季降雨的淋洗, 当一次降雨量大于25 mm时可以达到淋洗的效果[13], 且夏季降雨大于300 mm时基本可以达到水盐平衡。根据60多年的观测数据, 试验区夏季多年平均降水量远远超出300 mm。考虑降水的变率, 67%的年份夏季降雨量大于300 mm, 最大超过800 mm, 长期与短期综合来看, 土壤基本可以达到脱盐条件。

图9 河北省南皮县1954—2016年降雨量变化

3 讨论和结论

本研究以盆栽试验研究了不同土壤含盐量和不同土壤含水量对玉米的出苗率和早期生物量的影响。在盆栽试验基础上, 大田试验进一步证明冬小麦生长季灌溉微咸水后带来土壤盐分增加, 通过灌溉出苗水调控土壤水分和减轻盐分胁迫对玉米生长发育和产量的影响。盆栽试验结果表明, 在土壤含盐量增加到2.3 g·kg-1和3.5 g·kg-1水平时, 明显地影响了玉米的出苗, 土壤盐分越高, 影响越大。当玉米出苗受较高土壤含盐量抑制时, 土壤水分条件的改善, 不同程度地消减或消除盐分增加对出苗的抑制。如试验结果所示, 在中高土壤盐分条件下, 玉米的出苗率随着土壤含水量的增加逐渐提高, 一定的盐分与水分阈值并不影响出苗率。当土壤含盐量为3.5 g·kg-1时, 即使土壤含水量再提高, 其出苗率最高不会超过80%。土壤的含盐量越大, 盐分对于玉米苗期的胁迫作用越强, 对玉米出苗的抑制作用也越明显, 超过一定阈值时, 这种影响很难通过其他条件的改善而发生逆转。郑九华等[16]的研究结果也表明玉米出苗明显受土壤盐分制约。究其原因, 一方面土壤中积累的较多的盐分对种子的渗透吸水造成不利影响, 并且含盐量越高, 盐分的胁迫作用就会越强; 另一方面是因为离子的毒害作用, 造成萌发中的种子膜细胞受损[17]。各种胁迫对玉米出苗的影响, 首先延缓了种子的萌芽与出苗, 进而直接损害出苗, 降低出苗率。研究结果也表明, 不同的胁迫梯度对玉米出苗影响最明显的是播后5 d, 当到播后8 d已经出苗, 这种差异逐步消失。但当胁迫超出一定阈值时, 随着胁迫的加重, 出苗率明显降低。

进一步分析可知, 玉米的出苗明显受土壤盐分和水分的抑制, 这种影响可能延伸到生长发育进程中。随着土壤含盐量增加, 苗期玉米的生物量逐渐降低, 这是由于土壤含盐量大, 对玉米的胁迫作用加强, 对玉米生长的抑制作用明显。以往研究显示, 土壤的含盐量小于3.5 g·kg-1, 随着矿化度增加影响根系吸水, 抑制地上生物量生长[17]。盆栽结果也表明, 盐分对玉米出苗的抑制作用, 虽然在出苗率上没有明显差异, 但生物量差异更为显著。在保证了完全出苗的情况下, 如果不能尽快消减这种不利影响, 随生育期延伸, 必定会造成减产。在受盐分胁迫的一定土壤盐分含量, 土壤含水量越高则玉米生物量越大。这是因为含水量高的情况下会对土壤的盐分具有一定稀释和淋洗作用, 创造了更为适宜的根土环境, 利于对养分水分的利用。农彦道“有钱买水, 没钱买苗”, 在保证全苗的前提下, 更为重要的是壮苗和正常生育进程不再受盐分抑制, 保证夏玉米生产。

在大田试验中, 冬小麦拔节期分别灌溉淡水、 3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1微咸水, 冬小麦收获后发生了明显的盐分积累, 同时也形成严重的土壤干旱。最高的5 g·L-1微咸水灌溉冬小麦, 收获期土壤含盐量均不超过2 g·kg-1的中盐水平, 根层土壤含水量接近凋萎系数, 在没有及时降雨来临情况下, 成为制约夏玉米播种与出苗的首要问题。按当地种植习惯, 为了解决这一问题, 夏玉米播种后应及时灌溉75 mm左右的淡水。根据盆栽试验结果, 在中盐水平下, 当土壤含水量达到田间持水量85%时, 可以保证玉米正常出苗和生长。夏玉米播后75 mm的灌水, 有效地降低因为冬小麦灌溉微咸水造成的土壤盐分升高对玉米的不利影响。从玉米苗期生物量来看, 前茬冬小麦不同微咸水灌溉并没有造成很大的差异。基于以上的研究可以得出, 在当前河北低平原淡水资源缺乏、微咸水资源丰富的背景下, 利用小于5g·L-1的微咸水灌溉冬小麦, 不仅可以维持产量而且可以节约1次淡水灌溉, 这一研究结果与李佳等[18]、张喜英等[19]的研究结论相一致。在冬小麦的关键生育期——拔节期灌溉1次不超过5g·L-1的微咸水, 在夏玉米播种后灌溉1次75 mm的淡水, 可以将上层积累的盐分淋洗到夏玉米的耐盐阈值下, 不影响夏玉米的出苗和发育, 并为玉米出苗提供水分条件。

冬小麦夏玉米周年生产实施微咸水安全利用, 除了大田夏玉米安全出苗问题, 另一重要问题是盐分在根层积累和淋失过程的根层土壤安全。夏玉米生长季处于雨热同期的夏季, 是该地区降雨最为集中和丰富的季节, 多年平均降水量超过500 mm, 其中玉米生长的夏季多年平均降雨量达到370 mm以上。以往研究表明, 当一次降雨量大于25 mm时可以达到淋洗盐分的效果[13], 且夏季降雨大于300 mm时基本可以达到水盐平衡。该地区多年平均夏季降雨量远远超过300 mm, 同时夏季降雨量超过300 mm的降雨年份达到67%。即便不考虑经常的淡水灌溉, 长期来看, 完全可以实现水盐平衡过程的根层土壤安全。因此, 在严重淡水资源匮乏的低平原, 利用微咸水灌溉小麦, 夏玉米出苗的灌溉水可以消减冬小麦季微咸水灌溉后土壤积盐对玉米的不利影响, 结合玉米季节夏季集中降水, 实现土壤盐分淋洗, 使冬小麦夏玉米一年两季微咸水安全利用成为可能。

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Moisture control reduces soil salt effect on summer maize*

LIANG Shuoshuo1,2, FANG Qin1,2, YAN Zongzheng1,2, LU Yang1,2, SHAO Liwei1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Winter wheat-summer maize double cropping system is the main planting pattern in the Low Plain around Bohai Sea of China, where fresh water is in serious shortage but with sufficient brackish water resources. Rational utilization of salt water resources is great significance for food safety in the area. However, brackish water irrigation of winter wheat caused salt accumulation in the upper soil which affected summer maize seedling emergence. Regulated water management was an effective and feasible way of reducing the negative effects of salinity, which was also beneficial for salt water irrigation in the double cropping system. In this study, a combination of pot and field experiments was conducted. The pot experiment consisting of 3 soil salinities [0.8 g∙kg-1(low salt content), 2.3 g∙kg-1(medium salt content) and 3.5 g∙kg-1(high salt content)] and 4 (for low salt content,) or 8 (for medium and high salt water content) water contents (55%-85% of field capacity) were used to test the response of maize seedling emergence to soil water and salt contents. In the field experiment, salt water with different salinities [0 (CK), 3 g∙L-1(SWT1), 4 g∙L-1(SWT2) and 5 g∙L-1(SWT3)] was used to irrigate winter wheat at jointing stage to determine the effect of salt accumulation due to salt water irrigation and desalinization by irrigation / precipitation on maize growth and grain yield. The pot experiment results showed that 60% of field capacity supported normal seedling emergence under low soil salinity (0.8 g·kg-1). In high soil salinity (3.5 g·kg-1), seedling emergence was prolonged and the rate of emergence reduced. The effect of soil salinity on seedling emergence became serious with decreasing soil moisture content. Under high salinity conditions, high level of soil moisture alleviated the adverse effects of soil salinity on maize seedling emergence. Field experiment (in 2015 and 2016) results showed that with increasing salt concentration of irrigation water, soil salt content in the 0–20 cm soil layer increased significantly at winter wheat harvest period, with soil salt contents of 1.0 g·kg-1(CK), 1.3 g·kg-1(SWT1), 1.6 g·kg-1(SWT2) and 2.0 g·kg-1(SWT3). After summer maize sowing, an irrigation of 75 mm fresh water kept water content in the plough layer at 70% field capacity, and reduced soil salt content to 1.0 g·kg-1, which was not significantly affected the growth and yield of summer maize. Yields of summer maize were 9 510.4 kg·hm-2(CK), 9 913.6 kg·hm-2(SWT1), 9 910.6 kg·hm-2(SWT2) and 9 986.0 kg·hm-2(SWT3) in 2015, and 9 621.8 kg·hm-2(CK), 9 455.3 kg·hm-2(SWT1), 9 460.2 kg·hm-2(SWT2) and 9 221.4 kg·hm-2(SWT1) in 2016 under salt water irrigation of winter wheat at jointing stage. Considering the temporal distribution of precipitation and the salt leaching of sufficient summer rainfall in the same season of summer maize growth, the effect of soil salt accumulation in winter wheat season on summer maize growth was avoidable. Therefore, irrigation of salt water with less than 5 g·L-1salinity at winter wheat jointing stage was safe for the succeeding crop, summer maize. The resonable water managements at key growth stages of winter wheat and summer maize simultaneously stabilized crops annual yield and water-salt balance under brackish water irrigation.

Winter wheat-summer maize cropping system; Brackish water irrigation; Soil salt accumulation; Maize emergency rate; Salt leaching

, E-mail: liweishao@sjziam.ac.cn

Jan. 19, 2018;

May 15, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180095

S158.2

A

1671-3990(2018)09-1388-10

邵立威, 主要从事作物水分高效利用研究。E-mail: liweishao@sjziam.ac.cn 梁硕硕, 主要从事农田节水机理与技术研究。E-mail: liangshuoshuo16@mails.ucas.ac.cn

2018-01-19

2018-05-15

* This research was supported by the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-ZDTP-001).

* 中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目(KFJ-STS-ZDTP-001)资助

梁硕硕, 房琴, 闫宗正, 路杨, 邵立威. 水分调控降低盐分对夏玉米的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(9): 1388-1397

LIANG S S, FANG Q, YAN Z Z, LU Y, SHAO L W. Moisture control reduces soil salt effect on summer maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1388-1397