咸淡混合水喷灌对土壤水盐运移及小麦、玉米产量的影响

焦艳平，王罕博，张栓堂，陈文彬，郑成海

(1.河北省水利科学研究院，河北 石家庄 050051；2.河北省农业节水技术创新中心，河北 石家庄 050051；3.国家半干旱农业工程技术研究中心，河北 石家庄 050050)

我国是典型的农业大国，农业淡水资源需求量大，但国内淡水资源严重短缺，供需矛盾越来越突出。微咸水或者咸水与淡水按一定比例混合后用于农田灌溉可以有效保障淡水资源短缺下的农业生产发展[1-2]。

微咸水用于灌溉一方面提供了作物生长所需的水分，另一方面给土壤带入大量的盐分，影响土壤的渗透势，短期灌溉能破坏土壤水稳性团聚体[3]，若长期灌溉会恶化土壤理化性状，土壤入渗速度降低，当土壤盐分超过农作物耐盐阈值时会造成盐分胁迫，作物生长迟缓和叶片光合作用降低，产量显著下降[4-6]。小麦属于中等耐盐作物，当咸水矿化度超过2 g·L-1时，小麦生长指标、叶片生理指标和产量随咸水矿化度的增高而逐渐降低[7-8]；玉米生理活动也对盐胁迫响应敏感，当微咸水矿化度超过3 g·L-1时会对玉米生长和叶片光合作用产生永久危害[9-11]；即使在丰水年，4 g·L-1微咸水灌溉的小麦和玉米产量分别较淡水灌溉减产8.9%和7.2%[12-13]。咸淡水混合水喷灌是将咸水与淡水按一定比例混合，通过喷灌设备使水以雨滴状态降落田间的灌溉新技术，既可以节省水量、不破坏土壤结构、调节地面小气候，又可以实现真正意义上的水盐调控，降低盐分对作物的抑制作用。针对河北低平原地区冬小麦-夏玉米这种高密度的栽培模式和高频率的机械化作业，本文推荐选择喷灌用于微咸水灌溉，且喷灌系统的水压较大不易发生堵塞，还可以配施农药和叶面肥，在当前条件下优于滴灌。但是，要实现咸淡混合水喷灌，首先需要一整套咸淡水混合灌溉自动化调节系统，咸淡混合水的矿化度不能超过3 g·L-1，否则喷头会发生堵塞[14]，其次作物受到土壤盐分和喷灌水盐分的双重影响，需要制定与微咸水喷灌相适应的灌溉制度，选择一些耐盐性品种[15-17]。

河北低平原地区处于河北东南部，属黄河、海河冲击平原和滨海平原，该地区浅层咸水面积占总耕地面积的一半左右，非常规水源利用潜力大。冬小麦-夏玉米一年二熟制是该地区的主要种植模式，小麦生育期常处于干旱季节，玉米又处于降雨频繁期，合理的农业灌溉是保证冬小麦-夏玉米高产的重要手段。咸淡水混合水喷灌可以弥补枯水年淡水资源的不足对冬小麦-夏玉米生长影响并促进咸淡混合水的合理高效利用。目前咸淡混合水用于灌溉的模式还处于畦灌、沟灌及轮灌等方式，而在利用咸淡水混合喷灌对土壤水盐的累积变化、作物生长和产量的研究还需要不断拓展。本文在长期咸淡混合水灌溉定位试验[18]基础上，通过探究河北低平原地区灌水矿化度和咸淡混合水喷灌对土壤水分、盐分运移和盐分垂直分布的影响，分析不同处理对冬小麦-夏玉米产量特征的影响，为合理开发冬小麦-夏玉米咸淡混合水喷灌模式提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

大田试验于2017—2019年在中国农业大学曲周实验站进行。试验站位于北纬36°40′，东经114°55′，海拔39 m。属于暖温带半湿润半干旱大陆性气候，多年平均气温13.2℃，多年平均日照2 454.4 h，多年平均无霜期206.6 d，多年平均降水量518.5 mm。该站1 m土层田间持水量(重量含水量)为21.9%，土壤干容重为1.46 g·cm-3，土壤质地为潮土类砂壤土，耕作层全氮1.15 g·kg-1，全磷0.85 g·kg-1，全钾22.23 g·kg-1，有机质16.83 g·kg-1，全盐1.66 g·kg-1。2017—2018年冬小麦全生育期的累计降水量为321.1 mm，2018—2019年为112.6 mm；2017—2018年夏玉米全生育期的累计降水量为257.2 mm，2018—2019年为286.7 mm。可见两年的降水情况很不规律，2017—2018年为偏丰水年，2018—2019年为偏枯水年。

1.2 试验设计

试验区种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制，冬小麦品种为‘龙堂1号’，播种量187.5 kg·hm-2，行距为15 cm，10月上旬播种，6月上旬收获；夏玉米品种为‘郑单958’，播种密度为63 000 株·hm-2，6月上旬播种，9月下旬收获。该站浅水地下水埋深15 m，浅层咸水含盐量为5.6 g·L-1，深层淡水含盐量为1.04 g·L-1，将浅层咸水与深层淡水通过一套咸淡水混合灌溉自动化调节系统按一定比例混合，并能自动调节出水端的混合水矿化度，使混合水的矿化度维持在2 g·L-1和3 g·L-1两个水平用于灌溉试验。咸淡水喷灌试验采用大区试验，试验区总面积72 m×216 m，采用全移动管道式喷灌系统，支管和喷头间距均为12 m，喷头正方形布置，喷头直径3.3/1.8 mm，流量0.9 m3·h，射程12.3 m，每个小区2条支管，每条支管5个喷头，小区面积72 m×36 m。试验处理包括淡水喷灌(FS)、2 g·L-1咸淡混合水喷灌(2S)、3 g·L-1咸淡混合水喷灌(3S)、淡水小畦田地面灌(FB)4个处理，每个处理设3个重复。灌溉计划在考虑降水预报的前提下，根据田间土壤墒情监测站监测数据，0～40 cm的平均土壤含水量达到田间持水量的60%～70%开始灌溉，3月上旬和5月上旬分别为春一水和春二水，7月中旬为夏一水，两种作物喷灌和地面灌的灌水定额均为675 m3·hm-2。冬小麦畦灌和喷灌试验，将全部的磷、钾肥和40%的氮肥作基肥底施, 其余60%的氮肥随春一水和春二水施入。夏玉米畦灌和喷灌试验，均将全部的磷、钾肥和50%的氮肥作基肥，其余50%的氮肥随生育期夏一水追施。冬小麦期的总施肥量N∶P2O5∶K2O比例为225∶150∶75 (kg·hm-2)，夏玉米总施肥量N∶P2O5∶K2O比例为270∶60∶180 (kg·hm-2)。4个处理播种前一天须灌足底墒淡水，其它田间管理措施一致。

1.3 测定内容及方法

土壤水分和盐分：土钻取土，根据作物生育期取样，取样土壤深度分别为0～7、7～15、15～25、25～35、35～50、50～70、70～90、90～100 cm，实验室采用数显电导率仪测定土水比1∶5的土壤溶液浸提液电导率(EC1∶5，mS·cm-1)，烘干法测土壤含水量。

考种测产：取各处理区已作标记的1 m2面积小麦，全部收获，每个处理3个重复，每个区取回的植株先数总植株穗数，从中选出18个有代表性的，剪穗，测穗粒鲜重、穗粒干重；最后将1 m2的所有植株穗打出籽粒，晒干扬净后测量籽粒总重，并计算千粒重。玉米测产，于收获时考种计产，各小区内取1 m2的植株，晾干后测量玉米的穗长、秃尖长、穗粗、穗重等指标。对收获的果实进行称量，计算每颗玉米穗的穗粒数，并从玉米穗粒中随机取3个重复，每个重复100粒，各自称量并取平均数计算百粒重。

1.4 数据分析

使用IBM SPSS 19.0软件通过方差分析(One-way ANOVA)分析各因素之间的差异显著性，显著水平为0.05。图形使用Excel 2016构建。

2 结果与分析

2.1 土壤水分剖面分布

图1为两年两次灌溉后的不同处理冬小麦土壤水分剖面分布图。喷灌后，FB处理的土壤水分含量较高，特别是30 cm以下的深层土较其它处理平均提高了21.6%，差异呈显著水平(P<0.05，下同)，这是因为畦灌处理灌水不均匀，导致氮肥没有得到有效利用就被淋洗到土壤深层，作物对氮肥的利用率低下，作物生长受阻致使土壤水分消耗量降低。其它3个喷灌处理间土壤含水率变化基本一致，灌水和降水是引起表层土壤含水率上升的重要因素，与其它类似文献的结论一致[19]。

2.2 土壤盐分剖面分布和累积情况

河北低平原区属典型季风气候区，小麦拔节期、收获期以及玉米收获期正值干燥多风、高温少雨和雨季结束后土壤盐分累积的波峰时段[18]。0～100 cm土层是地面灌溉对土壤盐分运移影响的活跃深度。研究作物生育期典型时段根层土(0～40 cm)和0～100 cm土层的盐分分布和累积对阐明盐分和作物生长的关系具有重要意义。

图2为2018年不同处理下的冬小麦各生育期土壤盐分剖面分布图。春一水喷灌处理后(返青期)各处理的盐分分布差异显著，盐分随着土层深度的增加而提高，主要集中在深层土(40～100 cm)，较根系密集层(0～40 cm)平均高出2.0倍；3S处理的各土层盐分含量较2S处理平均提高了39.7%。拔节期、收获期与返青期的各处理盐分分布趋势一致，收获期3S处理的深层土(40～100 cm)盐分含量显著高于其它处理，平均高出61.4%，而FB处理表层(0～20 cm)的盐分含量显著高于其它处理，平均高出61.7%。

图3为2018年不同处理的夏玉米成熟和收获后土壤盐分剖面分布图。各生育期3S处理的土层盐分含量均高于其它处理，尤其在夏玉米收获期，平均高出其它处理46.3%；FS处理的各土层盐分含量在收获后均低于其它处理，比FB处理平均降低了11.4%，比2S和3S处理平均降低了34.6%。盐分随着土层深度的增加而提高，主要集中在深层土壤中(40～100 cm)。

图4为2019年不同处理下的冬小麦各生育期土壤盐分剖面分布图。在垂直剖面上，土壤盐分随土壤深度的增加逐渐提高，各处理在根层土(0～40 cm)的盐分含量差异不显著；3S处理的深土层(40～100 cm)盐分含量较其它处理提高了34.1%～74.4%，差异呈显著水平；2S处理的深土层(40～100 cm)盐分含量较FS处理提高了35.9%～47.2%，差异也呈显著水平，尤其在灌春一水后的拔节期，差异最明显。

图5为2019年不同处理下的夏玉米各生育期土壤盐分剖面分布图。拔节期(未灌水前)，3S处理的土层盐分含量均高于其它处理，尤其在深层土(40～100 cm)，平均高出其它处理96.0%，而其他处理的差异不显著，此时正值高温多雨时期，还因播种前灌足底墒水，表层土壤盐分已出现淋洗状态，深层土壤含盐量逐渐增高；随后，灌夏一水和雨季来临，土壤中盐分属于降水淋盐阶段，灌浆期的含盐量较低，FS和FB处理的各土层盐分含量均显著低于其它处理，平均降低了37.0%，3S处理的各土层盐分含量仍保持在较高水平。到了玉米收获期，降雨逐渐减少，在土壤水分消耗积盐的作用下，各土层的盐分含量逐渐增加，3S处理的深土层(40～100 cm)盐分含量高于其它处理，平均高出61.5%。

表1为该站点冬小麦和夏玉米轮作农田连续2年不同矿化度咸淡混合水喷灌后的土壤剖面盐分累积情况。连续两年灌溉，麦收后2S和3S处理的根层(0～40 cm)土体含盐量两年平均分别比FS处理增加17.8%和42.7%，0～100 cm土体含盐量两年平均分别比FS处理增加32.9%和74.3%；玉米收获后2S和3S处理的根层(0～40 cm)土体含盐量两年平均分别比FS处理增加40.3%和86.9%，0～100 cm土体含盐量两年平均分别比FS处理增加39.0%和88.9%。说明2 g·L-1和3 g·L-1矿化度喷灌均显著提高了主根层(0～40 cm)和0～100 cm土体的含盐量。根据换算公式ECe=1.33+5.88EC1∶5计算[20]，两年后小麦收获期2 g·L-1和3 g·L-1矿化度喷灌的主根层含盐量ECe分别为4.2 mS·cm-1和4.7 mS·cm-1，0～100 cm土体含盐量ECe分别为5.9 mS·cm-1和6.8 mS·cm-1，与小麦耐盐阈值6.0 mS·cm-1相比较，2 g·L-1矿化度喷灌处理的盐分累积程度均小于影响小麦生长的盐分阈值，但3 g·L-1矿化度喷灌处理的盐分累积已超出小麦生长的盐分阈值，会对小麦生长产生显著不利影响。两年后玉米收获期2 g·L-1和3 g·L-1矿化度喷灌的主根层(0～40 cm)含盐量ECe分别为3.3 mS·cm-1和3.8 mS·cm-1，0～100 cm土体含盐量ECe分别为5.2 mS·cm-1和6.7 mS·cm-1，均超出夏玉米耐盐阈值1.7 mS·cm-1，但由于玉米生长季节降雨频繁，土壤墒情良好，会一定程度减缓土壤盐分对作物的胁迫影响，与之前的研究结论一致[18]。

2.3 作物生长和产量

表2为两年度不同矿化度咸淡混合水灌溉处理下的冬小麦和夏玉米产量及构成因素。2017—2018年度冬小麦产量来看，FS处理的产量为最高，其余几个处理依次是FB、2S、3S，3S处理比FS的产量降低了25.0%(差异显著)，2S处理的平均产量较FS处理降低了9.8%(差异不显著)，较3S处理显著提高了20.3%。4个处理之间的千粒重差异不显著。不同处理间群体密度与产量的差异变化趋势基本一致，FS处理的群体密度为最高，其次是2S，最小的是3S，其中2S处理的群体密度略低于FS处理，平均降低了18.9%，3S的群体密度较FS显著降低了31.6%。2018—2019年度各处理冬小麦产量与前一年度趋势基本一致，FS处理的产量为最高，3S比FS处理的产量降低了25.9%(差异显著)，2S处理的产量较FS处理降低了11.4%(差异不显著)，较3S显著提高了19.7%。3S处理的千粒重显著高于其它处理，平均增加了9.5%，其它处理之间的千粒重差异不显著。2S处理的群体密度略低于FS处理，平均降低了14.2%，3S处理的群体密度较FS处理降低了18.3%(差异显著)，表明2 g·L-1矿化度咸淡水混合喷灌对冬小麦的群体密度和产量影响不大，3 g·L-1喷灌对产量和群体密度造成显著不利影响，与前人研究结论一致[18,21]。

表2 不同矿化度咸淡混合水灌溉的作物产量及构成因素

从两年夏玉米产量及构成因素来看，FS处理的产量为最高，2S和FB处理次之，3S处理最小，3S比FS处理的产量降低了14.7%～15.3%，差异显著；2S处理的产量较FS处理降低了6.6%～10.5%(差异不显著)，较3S处理提高了5.8%～9.5%。3S处理的百粒重显著低于FS处理，平均降低了18.6%～22.4%，2S处理的百粒重也显著低于FS处理，平均降低了9.4%～14.8%，FS和FB两个处理之间的百粒重差异不显著。2S处理的单株穗粒质量略低于FS处理，平均降低了5.1%～10.4%，3S处理的单株穗粒质量较FS处理显著降低了18.2%～25.9%。表明2 g·L-1矿化度咸淡混合水喷灌对夏玉米的产量和单株穗粒质量无显著影响，3 g·L-1矿化度喷灌对产量、百粒重和单株穗粒质量造成显著不利影响，与前人研究结论基本一致[22]。此外，两年度FB处理的冬小麦和夏玉米产量均低于FS处理，平均分别降低了10.8%和6.5%，且除了2017—2018年度冬小麦产量两处理间有显著差异外，其它均无显著差异，表明在同一灌水定额下，淡水喷灌效果要优于畦灌，促进了农作物增产增收。

3 讨论

咸淡混合水灌溉会改变土壤水盐分布，给土壤带来一定量Na+，而K+、Ca2+等离子势必减少，维持土壤平衡的离子关系被打破[23]，影响其他离子的渗透调节机制，从而抑制冬小麦生长发育；此外，微淡混合水带来的盐分使得土壤渗透势增加，降低了土壤-植物根系-植物叶片的水势梯度，降低叶片细胞膨压、减小细胞扩张速度、破坏叶绿体，从而导致生长速度和光合作用降低，最终对干物质积累和产量产生不良影响[24]。

咸淡混合水灌溉引发土壤可溶性盐含量增高，当灌水量不足或者遇到干旱年份，会引起水盐联合胁迫，此时使用矿化度高于3 g·L-1的咸淡混合水灌溉，会明显加速土壤盐碱化的进程[25]。微咸水灌溉也会对大田不同土层产生不同程度盐碱化，杨建国[26]等就宁夏引黄灌区的咸淡混合水灌溉试验指出，根区土壤(0～30 cm)范围内土壤含盐量变化幅度较大，而30 cm以下深土含盐量变化相对较小，根区土壤更易保持土壤盐分平衡。随咸淡混合水灌溉次数增加，土壤积盐程度加深，在75 cm深度出现终年积盐现象[24]。咸淡混合水灌溉过程中，土壤盐分随水分向下迁移，表现为上层脱盐、下层积盐，随着淋洗作用和土壤水分蒸发的交替进行，各层土壤电导率值呈波动周期性变化，40～60 cm土层电导率值变化趋势与主根区一致，但变化幅度明显小于主根区[27]。本文研究也得出了同样的结论，主根层盐分累积偏低，而深层土的盐分累积较高，且3 g·L-1喷灌处理的土壤盐分累积量和变化幅度显著高于2 g·L-1处理。同时，考虑到喷灌冠层截留部分水分，土壤盐分分布状况也相应受到影响，有研究得出与滴灌相比，咸淡混合水喷灌会明显增加土壤盐分，累积盐分量较高[15,28]，这有待进一步研究论证。

根系是作物养分与水分吸收器官，叶片是作物进行光合作用和能量转换的重要场所。咸淡混合水喷灌导致作物受到土壤盐分和喷灌水盐分的双重影响，表现在两个方面：一方面较高的土壤含盐量影响根的发育和叶片气孔导度，进而影响作物水分和养分吸收[29]；另一方面咸淡混合水喷灌直接灼伤作物叶片，光合器官的光合活性显著下降，导致叶片光合速率明显降低，最终表现为对产量的影响[30]。大量研究表明，矿化度3 g·L-1咸淡混合水灌溉对华北地区主要作物(冬小麦)的株高、叶面积指数和干物质量产生显著不利影响，产量比淡水灌溉平均降低了15%[18,31-32]；渤海地区，咸淡混合水灌溉导致冬小麦千粒重降低，而对穗数和穗粒数无显著影响，但2 g·L-1及以下的咸淡混合水灌溉对冬小麦全年产量无显著影响[33]。本研究得出，2 g·L-1矿化度咸淡混合水处理的冬小麦产量略低于淡水喷灌(差异不显著)，而3 g·L-1矿化度处理的产量与淡水喷灌处理相比呈显著下降趋势，与前人研究结论一致。因此，我们可选用咸淡混合水矿化度不大于2 g·L-1的喷灌模式，在保障较高产量的前提下实现咸水资源的合理利用。

4 结 论

1)无论是淡水灌溉还是咸淡混合水喷灌，各层土壤水分的变化规律基本一致。咸淡混合水2 g·L-1和3 g·L-1矿化度喷灌均显著提高了主根层(0～40 cm)和0～100 cm土体的含盐量。与小麦耐盐阈值相比较，0～100 cm土体2 g·L-1矿化度喷灌处理的盐分累积程度均小于影响小麦生长的盐分阈值，但3 g·L-1矿化度喷灌处理的盐分累积已超出小麦生长的盐分阈值，会对小麦生长产生显著不利影响。

2)与淡水喷灌相比，2 g·L-1矿化度咸淡混合水喷灌的冬小麦产量有所下降，但差异不明显，3 g·L-1矿化度喷灌会显著降低冬小麦产量。

3)2 g·L-1矿化度喷灌的夏玉米产量略低于淡水喷灌，对夏玉米的单株穗粒质量和产量无显著影响；3 g·L-1矿化度会对夏玉米产量、百粒重和单株穗粒质量造成显著不利影响，导致严重减产。咸淡混合水矿化度不大于2 g·L-1的喷灌模式用于该地区冬小麦田间灌溉是可行的。在同一灌水定额下，淡水喷灌效果要优于畦灌。