暗管埋深对滴灌油葵农田水盐运移及产量的影响

2021-05-13温越王振华陈林衡通李文昊

石河子大学学报（自然科学版） 2021年2期

温越，王振华,2*，陈林，衡通，李文昊,2

(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003；2 现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832003；3 新疆天业节水灌溉股份有限公司，新疆石河子 832000)

土壤盐渍化是制约农业生产发展的主要原因[1]。据不完全统计，全球盐渍土面积已达到9.544×108hm2，中国盐渍土面积已超过3.6×107hm2，而全国大约70%的盐渍土在西北干旱区分布[2]。因此，合理开发盐渍土是解决西北地区农业发展滞后的有效途径，对中国乃至世界粮食安全和增产具有重要意义。

“盐随水来，盐随水去”是暗管排盐的主要特征，改善盐渍土土壤质量的方法众多，而淡水淋洗配合暗管排水的灌排结合手段具有直接、显著、起效快的优点[3]。我国暗管排水最早用于稻田，以改善土壤环境，提高根系活力[4]，随后，国内外专家学者利用暗管排水在盐渍土改良上取得了显著的成果。孟凤轩等[5]在新垦盐渍化水稻田中布置暗管，在地下水为咸水(矿化度5～13 g/L)的条件下,排盐量超过200 t/年；曾文治等[6]通过研究暗管控制水位、埋深、间距对硝态氮流失量的数值模拟发现，暗管埋深对其流失量影响更显著；刘慧涛等[7]在田间设置4种暗管埋深试验，发现相比于明沟排水均能提高降水淋洗盐分的效果，并能减少70%的渍涝灾害；万长宇等[8]研究了矿化度和暗管埋深对土壤水盐运移的影响，结果表明1.3 m暗管埋深较0.8 m埋深土壤含水率更高，土壤积盐更为明显；HENG T等[9]通过设置不同暗管间距(15、20、25 m)，探索2次滴灌淋洗后土壤脱盐情况，发现土壤整体脱盐率区间为51.82%～60.43%。农业生产增产的最大贡献将来自灌排系统的改善和扩大[10]；刘玉国等[11]在轻度和中度盐渍化棉田中铺设暗管，棉花增产幅度分别为25.3%和55%；石佳等[12]以油葵为试验对象，设置暗管区和非暗管区，观测分析了地下水位和产量水分利用效率的变化情况，结果表明暗管排水可增产8.1%,提高灌溉水生产效率8.4%。

目前，灌排结合是改良盐渍土的有效途径，但漫灌淋洗方式淋洗不彻底，作物根系下盐分仍会有较多残留，因此需要提高排盐效率，而且滴灌淋洗灌水均匀度高，盐分排出彻底，可以有效解决上述问题。而大多数研究只针对暗管对水盐运移、脱盐效果或作物生长产量指标进行研究，没有对水盐运移及作物生长产量进行综合研究，因此，本文采用滴灌方式进行淋洗，设计不同埋深排水暗管，探究滴灌淋洗条件下不同暗管埋深对土壤水盐运移和油葵生长及产量指标的影响，为盐渍化土壤改良和高盐弃耕地再开垦提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆维吾尔自治区沙湾安集海灌区，属141团(85°21′ E,44°36′ N)，总面积为3.4 hm2，地势南高北低，南北坡降为2.4‰。试验区为大陆性干旱荒漠气候,降水稀少而蒸发强烈，年平均气温6.8 ℃、降水量182 mm、蒸发量1 717.9 mm。试验地块为开垦多年的弃耕地，地下水埋深>4 m，土壤属于盐化土，浅层土壤含盐量>20 g/kg，土壤pH值8.51，田间持水率14.39%～27.58%。土壤物理参数见表1。

表1 试验地土壤物理指标

1.2 试验设计

分别在试验小区铺设埋深为0.6、1.0、1.4 m(分别记为H1、H2、H3)的排水暗管，暗管铺设为东西走向，铺设长度140 m，相邻暗管间距离15 m，共铺设3根暗管，以不铺设排水暗管作对照组CK。排水暗管和集水管类型分别为PVC单壁波纹管和硬塑料管，管径分别为Φ90、Φ250 mm，设计坡降为4‰和3‰，排水暗管开孔缝隙≤1 mm，开孔面积>250 cm2/m2。

暗管施工时段为2016年3—4月。施工前在试验地块边缘用田埂划分区域，按照试验设计坡降进行土地平整。管沟开挖器械选用轻型挖掘机，开挖宽度为1.5 m，每开挖20 m进行方向和深度的校核；开挖完毕后人工进行沟底平整，沿设计坡降铺设包裹过滤无纺布的排水暗管，暗管用粒径≤4 cm的砂砾石进行覆盖，约20 cm厚，随后用土进行分层填埋，每层填土20 cm，并对土层进行夯实。集水井类型为树脂一体式，一侧连接吸水管末端，另一侧连接集水管，将排水汇入排水沟。除开挖环节采用机械作业，其余工序均由人工完成。

试验地淋洗方式选用滴灌淋洗，并于试验前60天进行土地深翻。试验材料为油葵，品种为KF366，株距为10 cm，行距30 cm，6月8日播种，播种方式为二管一行，9月7日进行犁地，具体布置形式见图1，滴灌带间距为90 cm，滴头流量2.6 L/h，滴头间距30 cm，灌溉水源为地表水(矿化度0.8 g/L)。在油葵生育期前后各进行1次淋洗，第1次淋洗日期为6月8日，3个月后于9月9日进行第2次淋洗，分为供水和排水2个阶段，第1次淋洗耗时108 h，供水阶段为0～60 h，灌水量为1 150 mm，47～108 h为排水阶段(以初次进行排水时数为开始阶段)，第2次淋洗耗时110 h，供水阶段为0～64 h，灌水量为1227 mm，42～110 h为排水阶段。

图1 油葵种植与灌溉模式

1.3 数据的测定与处理

1.3.1 土壤含水率和含盐量

为观测不同埋深暗管在淋洗作用下的排水洗盐效果，分别在H1、H2、H3、CK处理设置观测点，各处理重复测定3次。土壤采样分4次进行，采样日期为第1次淋洗前后即6月8日和6月17日，第2次淋洗前后即9月8日和9月20日。除浅层土壤分为0～3、3～20 cm取样，深层土壤每隔20 cm取一次样，以200 cm埋深为限，共计11层土样，为探究淋洗效果，CK处理不进行滴灌淋洗。

采用烘干法测定土壤含水率，并将烘干后的土样碾压过100目标准筛，随后与蒸馏水按1∶5的土水比制作土水浸提液,经校准后，用DDS-307数显电导率仪测定上清液电导率EC。采用干燥残渣法对含盐量和电导率进行标定，转化方程如下:

y=2.277EC-0.324(R2=0.98),

(1)

式(1)中y为土壤含盐量，g/kg；EC为电导率，mS/cm。

1.3.2 油葵生长指标监测

株高。待油葵出苗2周后，每个处理选取发育良好、生长旺盛、长势相同的3株幼苗进行标记，测量从主茎底部到主茎顶部的高度，每隔1周测量1次，取平均值。

叶面积指数采用下面公式计算：

(2)

式(2)中LAI为叶面积指数，%；AI为测试范围内植株的总叶面积，m2；As为测试范围所占的土地面积，m2。

1.3.3 土壤脱盐率测定

土壤脱盐率的计算公式为

(3)

式(3)中N为脱盐率，%；S1为土壤盐分初始值，g/kg；S2为灌后土壤盐分终值，g/kg。

1.3.4 油葵产量指标测定

在9月7日对各处理采用五点取样法进行考种，测定指标包括千粒结实率、千粒重、单盘粒重，然后计算小区产量，并换算为标准产量。

1.4 试验数据分析

用Microsoft Excel 2010处理数据、SPSS24.0分析数据，采用最小显著差LSD法进行多重比较，Origin2017完成制图。

2 结果与分析

2.1 暗管不同埋深对土层水盐含量的影响

2.1.1 暗管不同埋深下土层含水量的变化

图2为不同暗管埋深处理在滴灌淋洗后0～200 cm土层含水率。滴灌淋洗前用环刀取原状土，测得0～140 cm的土层田间持水率和饱和持水率。经过2次淋洗后，不同暗管埋深处理下土壤含水率均呈现先增(0～80 cm)，后减(80～140 cm)，再增(140～200 cm)的趋势。例如，第2次淋洗后，3种暗管埋深不同土层土壤含水率均在田间持水率与饱和持水率之间，在0～80 cm土层，土壤含水率随土层深度逐渐增大，这是因为各土层间多余水分，一部分受重力作用补充地下水，另一部分被暗管排出；而在 80～140 cm 土层，土壤含水率总体呈现降低的趋势，这主要是由于土壤质地由壤土转变成粉砂壤土，土壤持水性较差。

图2 不同暗管埋深处理滴灌淋洗后土壤分层含水率

不同暗管埋深处理在滴灌淋洗后同一土层中土壤含水率大致为CK

2.1.2 暗管不同埋深下土层含盐量的变化

不同暗管埋深处理土壤垂直方向分层盐分含量见图3。由图3可知，第1次滴灌淋洗前土壤含盐量较高，各土层含盐量均>20 g/kg。土层含盐量从表层到深层大致呈现逐渐降低的趋势，表层盐分产生集聚，盐分含量大于38.04 g/kg。H3处理小区靠近明沟，因此其0～140 cm土层初始含盐量大于H1、H2处理，受明沟排水影响，在140～200 cm土层深度盐分反而有明显降低。第1次淋洗后各埋深处理土壤盐分均大幅减少，其中 H1处理土壤含盐量降低最多，平均土壤含盐量与灌前CK处理相比降低7.96 g/kg，浅层盐分随淋洗水分下渗，经暗管排出，而H2、H3处理在120～200 cm土层土壤含盐量降低更多，这说明随暗管埋深的增大，洗盐重心由浅层土壤转向深层土壤，因此，可通过增大暗管埋深的方式来排出深层土壤盐分。第2次淋洗后，土壤盐分进一步重分布，H1处理在0～60 cm土层土壤含盐量均<6 g/kg，排盐量明显优于H2、H3处理，耕作层内盐分含量较适合油葵生长。不同埋深的暗管处理总体排盐效果呈现CK

图3 不同暗管埋深处理滴灌淋洗前后分层土壤含盐量

2.2 暗管不同埋深对油葵生长指标的影响

植株生长指标可以直接反映作物受盐分胁迫的程度生长的优劣情况，不同暗管埋深处理对油葵株高、叶面积指数的影响见图4。

图4 不同暗管埋深处理对油葵生长指标的影响

由图4可知，油葵株高生长曲线趋近于“S”型，苗期生长缓慢，蕾期开始迅速生长，花期后植株由营养生长转为生殖生长，株高生长近乎停止，H1处理株高在整个生育期内均优于其他处理，CK处理最差，以收获前株高为例，H1处理株高较CK提高19.90%。就叶面积而言，各处理油葵叶面积均呈现单峰变化趋势，在苗期叶面积指数较小，随着植株生长繁殖的进行，叶片数量与面积逐渐增大，在定苗49 d前后(开花期)叶片生长最旺盛，随着油葵进入灌浆期叶片逐渐萎蔫，最终枯黄凋零，与株高相似，H1处理在整个生育期都保持着较高的叶面积指数，排水暗管处理间差距较小，但各处理叶面积指数均大于CK。综合油葵株高和叶面积指数来看，不同暗管埋深处理均有利于油葵的生长，而0.6 m的暗管埋深即H1处理可以更好的改良土壤盐渍化，使作物生长达到较优水平。

2.3 暗管不同埋深对土壤脱盐率及油葵产量的影响

土壤脱盐率是反映土壤盐渍化治理优劣的主要指标。暗管不同埋深对土壤脱盐率结果(表2)表明：脱盐效果随暗管埋深加大有明显差别。第1次灌水后，各暗管处理脱盐率均有较大提高，其中H1处理脱盐率最高，达25.22%，CK处理最小，为-0.66%，负值表明盐分含量有所提高，土壤平均含盐量分别在H1和CK处理取得最小、最大值，达18.10、27.56 g/kg。第2次灌水后，除H1处理外，H2、H3处理平均脱盐率较第1次灌水均有下降，但下降幅度较小，平均脱盐率最高的处理是H1，达28.48%，最低的是CK，为-1.68%。总脱盐率呈现CK

表2 不同暗管埋深对土壤脱盐率的影响

结实率是产量的重要组成要素，可以间接反应作物的生长状况。由不同暗管埋深对油葵产量影响的结果(表3)可知：不同暗管埋深处理结实率均大于无暗管排水处理，H2取得最大值，达96.97%，H1处理与H2没有显著性差异(P>0.05)，这说明土壤盐分过高会影响油葵植株授粉，进而影响果实发育，而埋深1.0 m的暗管处理能较好地促进果实发育，提高饱满程度。而产量的直接指标千粒重、单盘粒重和标准产量均在H1处理下取得最大值，分别为54.89 g、66.96 g和2164.15 kg/hm2，较CK处理分别提高37.16%、35.41%和35.41%。

表3 不同暗管埋深对油葵产量的影响

3 讨论

本文研究表明2次滴灌淋洗后不同暗管埋深处理土壤含水率均有显著变化，随土层深度增加大致呈现先增后减再增的趋势，暗管埋深越浅则平均土壤含水率越高，主要是由于土壤质地不同导致各土层持水特性不同，这与衡通[13]的结论一致。秦文豹等[14]研究发现细砂滤层会导致非饱和条件下暗管不排水，盐分更难以排出，本试验滤层采用细小砂砾石，提高了暗管处水分渗透能力，能够较好的排出盐分；祝榛等[15]研究表明不同暗管埋深处理均可有效降低土壤盐分，并且浅层土壤脱盐效果大于深层。本文研究表明滴灌淋洗后不同暗管埋深处理土壤含盐量均大幅下降，从土层平均含盐量来看，0～80 cm土层土壤含盐量降低最显著，而且随暗管埋深增大，120～200 cm深层土壤排盐量也随之增加；第2次滴灌淋洗结束后，0.6 m暗管埋深处理土壤耕层盐化程度已由重度变为轻度，适合耐盐作物油葵的生长。石培君等[16]研究发现3次滴灌淋洗后0～20 cm土层可达非盐化水平,20～60 cm总盐分含量可下降至8 g/kg以下，0～20 cm土壤脱盐率达到90%；本文研究表明2次滴灌淋洗过程中，0.6 m暗管埋深处理土壤脱盐率均达到最高，且最终脱盐率达到43.29%。

适宜的株高和叶面积可以改善株型，提高作物光合反应水平和营养生长速率，而盐分胁迫下油葵的株高、叶面积会受到明显抑制[17]。本文研究表明油葵株高和叶面积指数分别呈现为“S”型和单峰曲线，在重度盐化土中株高、叶面积的增长受到较大抑制，而且不同暗管埋深处理均可不同程度的提高油葵株高、叶面积的生长水平，土壤盐分越低则植株生长越好，0.6 m暗管埋深处理收获前株高较无暗管排水处理提高19.90%。

产量是影响经济收益的主要因素，也是衡量重盐化土改良情况的重要指标。Abdullah等[18]研究表明地下排水可显著提高水稻的产量构成和生长参数，地下排水处理2011年和2012年的水稻产量分别比地面排水处理高1.66和1.7倍；黄愉等[19]以油葵为研究对象，进行了为期2年的太阳能暗管排水试验，在生育期内灌水2次并经过持续排水，2年产量分别提高13.8%和21.6%；冯根祥等[20]通过设置80 cm和120 cm暗管埋深进行排水，结果表明80 cm暗管埋深处理可以取得最高的夏玉米产量。本文研究表明经暗管排水后产量较无暗管排水均有不同幅度的增产，而H1(0.6 m埋深)处理油葵取得最大产量，与其他处理具有显著性差异(P<0.05)，H2(1.0 m埋深)和H3(1.4 m埋深)处理间无显著性差异(P>0.05)。