微咸水与再生水混合滴灌对土壤斥水性的影响

张春芳，刘春成，叶炳效，曾 智，崔丙健，孟春芳，马 天

（1.河南省新乡水文水资源勘测局，河南 新乡 453000；2.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；3.中国农业科学院 研究生院，北京 100081；4.中国农业科学院 新乡农业水土环境野外科学观测试验站／农业水资源高效安全利用重点开放实验室，河南 新乡 453000；5.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330000）

我国水资源十分短缺，人均水资源量不足世界平均水平的1／3［1］，其中农业用水量占比在60%以上，但是我国水资源时空分布与耕地资源的不匹配使得北方地区农业用水难以得到满足，严重制约了我国北方地区农业的可持续发展。再生水利用研究主要涉及再生水灌溉对作物生长的影响［2－5］、再生水灌溉对西红柿果实品质的影响［6－8］、再生水灌溉对土壤环境的影响［4，9－10］、再生水灌溉对土壤微生物群落结构的影响［11］、再生水灌溉对地下水的影响［12－13］、再生水适宜灌水技术［14－16］等。微咸水利用主要从微咸水矿化度、灌溉土壤质地、适宜作物及田间管理等方面进行了大量的实践研究，合理组合利用微咸水、再生水等非常规水资源对缓解淡水资源的短缺和保障农业可持续发展具有重要意义。

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤称为斥水土壤［17－18］。当滴水穿透时间（WDPT）＞5 s时，认为土壤存在斥水性。斥水性是普遍存在的，土壤斥水性的危害主要有水分分布不均、表层干燥易水土流失、降雨或灌水后地表径流和侵蚀加强、影响作物的正常生长［19］。再生水、微咸水等非常规水资源水质成分复杂，可能会对土壤斥水性产生一定影响；若产生土壤斥水性，则水分不易入渗到土壤中，水中的盐分与养分也难以进入土壤，进而影响水、盐和重金属的分布，从而影响作物生长。因此，本研究通过盆栽西红柿试验，设置不同比例微咸水与再生水混合灌溉，探索微咸水与再生水混灌对土壤斥水性的影响，以期为淡水资源匮乏地区微咸水与再生水的合理安全利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自河南省新乡市七里营大田试验基地，土壤经风干、碾碎、过筛（≤2 mm）后备用。土壤容重为1.40 g／cm3，土壤田间质量持水量为23.02%，1∶5土水比土壤浸提液电导率为314μS／cm，有机质质量分数为2.66%。采用BT－9300HT型激光粒度仪进行土样颗粒分析，黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）、砂粒（0.02～2.00 mm）占比分别为13.05%、62.46%、24.49%，土壤质地属于粉壤土（国际制）。

1.2 试验装置与方案

试验于2020年4—7月在中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站温室大棚进行。试验站地处北纬35°19′、东经113°53′，海拔73.2 m，年均气温为14.1℃，多年年均降水量、年均水面蒸发量分别为588、2 000 mm，无霜期为210 d，多年年均日照时间为2 398 h。

采用盆栽试验，试验盆规格为上口径38 cm、下口径30 cm、高40.5 cm；每盆装土35 kg，所有处理均施复合肥（N∶P2O5∶K2O为1∶1∶1）且全部作为基肥施入，施肥参考当地常规施肥标准。供试作物为千禧矮生番茄，播种前所有处理均灌清水造墒。于2020年4月27日移栽千禧矮生番茄，每盆定植1棵幼苗，长势稳定后进行不同水源灌溉处理。试验采用滴灌灌水方式，滴头流量为2 L／h，当土壤含水率低于田间持水量70%时开始灌水，灌水上限为田间持水量85%。试验中微咸水与再生水混合比例设3个水平，即再生水、微咸水－再生水（1∶1）、微咸水，分别记为T1、T2、T3，其中微咸水矿化度为5 g／L，并以当地地下水灌溉为对照（CK）。微咸水、再生水以及地下水水质情况见表1。

表1 微咸水、再生水、地下水水质指标

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水盐含量

番茄收获后采用土钻分层（0～10、10～20、20～30 cm）取土样，采用抖动法取根际土壤样品，土壤样品风干、磨碎、过筛（≤2 mm）后备用。采用烘干法测定各土层土壤含水率，采用电导率仪测定各土层土壤浸提液电导率EC1∶5（土水比1∶5）；采用火焰光度法测定各土层土壤水溶性Na＋和K＋，采用EDTA滴定法测定各土层土壤水溶性Ca2＋和Mg2＋，采用AgNO3滴定法测定各土层土壤水溶性Cl－，采用双指示剂－中和滴定法测定各土层土壤水溶性和，采用EDTA间接络合滴定法测定各土层土壤水溶性。

1.3.2 土壤全氮TN与有机质含量OM

采用流动分析仪测定0～10、10～20、20～30 cm土层土壤TN含量。采用低温外热重铬酸钾氧化比色法测定土壤有机质含量。

1.3.3 土壤斥水性

采用滴水穿透时间法测定土壤WDPT，用于表征土壤斥水性。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件整理试验数据，采用SPSS 25.0软件进行单变量方差分析，采用最小显著差异法（LSD）进行显著性检验（显著性水平p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 微咸水与再生水混灌对土壤水盐的影响

番茄收获后，不同微咸水与再生水混灌处理各土层土壤质量含水率和土壤浸提液电导率的变化情况见表2。

表2 微咸水与再生水混灌处理各土层土壤水盐剖面变化情况

从表2可以看出，土层深度一定时，随着灌溉水中微咸水比例的升高，土壤质量含水率逐渐升高，其中0～10 cm土层T2和CK间差异不显著，10～20 cm土层CK、T1、T2处理间差异不显著，20～30 cm土层T3与CK间、T1与T2间差异不显著，其他情况下均差异显著。出现这种现象的原因在于：灌溉水盐分越高，越不利于作物吸收，进而留在土壤中的水分就越多。同一处理，总体上土层深度越深，含水率越高。T2、T3处理不同土层间差异不显著，T1处理0～10 cm土层土壤质量含水率显著低于其他土层且其他土层间差异不显著，CK处理20～30 cm土层土壤质量含水率显著高于其他土层且其他土层间差异不显著。

土壤EC1∶5总体变化趋势与含水率类似，不同之处在于各土层EC1∶5表现为CK＞T1，这是因为当地地下水电导率高于再生水的。这与杨培岭等［20］研究结论相吻合。本试验结果表明，在微咸水与再生水混合溶液中随着微咸水比例的提升，土壤含水率和土壤含盐量也均呈逐渐升高趋势，这与前人研究结果是一致的。这是因为在微咸水与再生水混合液中随着微咸水比例的提高，盐分含量提高，灌溉后土壤含盐量较高，土壤盐分在一定程度上会抑制作物对水分的吸收，因此在灌水量一致的情况下随着矿化度的升高，作物对水分的吸收减少，土壤质量含水率提高。

2.2 微咸水与再生水混灌对不同土层土壤水溶性离子的影响

不同微咸水与再生水混灌处理后土壤水溶性离子含量的变化情况见表3。

表3 微咸水与再生水混灌下土壤水溶性离子含量的变化 mg／kg

2.2.1 Na＋、Cl－

土层深度一定时，T1处理土壤水溶性Na＋、Cl－含量低于CK处理，其中Na＋含量在0～10、10～20 cm土层处理间差异显著（p＜0.05），其他情况处理间差异不显著。随着灌溉水中微咸水比重的升高，土壤水溶性Na＋、Cl－含量逐渐升高且处理间差异显著（p＜0.05）。同一处理土壤水溶性Na＋主要集中在0～10 cm土层，含量显著高于其他土层，且T2处理和T3处理在10～20 cm与20～30 cm土层间差异达到了显著性水平（p＜0.05），而土壤水溶性Cl－在T2、T3处理主要分布在0～10 cm土层，在CK、T1处理中主要分布在20～30 cm土层。

2.2.2 Ca2＋、

2.2.3 Mg2＋、、K＋

土层深度一定时，T1处理Mg2＋、、K＋含量高于CK处理（10～20 cm土层Mg2＋、含量除外）；随着灌溉水中微咸水比例的提高，Mg2＋、、K＋含量变化规律不明显。同一处理，HCO－3主要分布在0～10 cm土层，K＋主要分布在10～20 cm土层，Mg2＋主要分布在20～30 cm土层（CK除外）。

2.3 微咸水与再生水混灌对剖面土壤全氮含量的影响

土壤全氮（TN）是指土壤中各种形态氮素含量之和。对于耕种土壤来说，利用方式、轮作制度、施肥制度以及耕作和灌溉制度等会影响全氮量的分布。微咸水与再生水混灌条件下各土层土壤全氮量变化见表4。

表4 微咸水与再生水混灌条件下各土层土壤TN变化情况 g／kg

从表4可以看出，土层深度一定时，随着灌溉水中微咸水比例的提升，TN含量总体上呈现下降的趋势，0～10 cm土层CK、T1处理间差异不显著且均显著高于T2、T3处理，10～20 cm土层CK、T1、T2处理差异不显著且均显著高于T3处理，20～30 cm土层CK、T1、T3处理间以及T1、T2处理间差异不显著。

T2处理TN含量在10～20 cm土层最高且显著高于0～10 cm土层，其他处理TN含量随着土壤深度的增加而逐渐升高，其中CK、T3处理在20～30 cm土层显著高于其他土层，T1处理在不同土层间差异显著。

2.4 微咸水与再生水混灌对土壤剖面有机质的影响

土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一。不同微咸水与再生水混灌处理后土壤有机质含量的变化情况见图1。

图1 微咸水与再生水混灌下土壤有机质含量的变化

从图1看出，T1处理0～10 cm土层土壤有机质含量显著高于CK处理，其他土层各处理间无显著差异，这与已有部分研究结果“再生水灌溉后土壤有机质含量提高但不显著”［21］基本吻合，但与部分学者研究结论“再生水灌溉土壤有机质含量较清水灌溉显著提高”［22］不完全一致，在表层分布规律类似，而在其他土层未出现显著提高的趋势，这是土柱裸灌与种植作物的不同引起的。同一土层，随着灌溉水中微咸水比例的升高，土壤有机质含量呈先升高后降低趋势，但总体上各处理间差异不显著，表明微咸水与再生水混合灌溉在一定程度上可以提高土壤有机质含量。同一处理，CK、T1处理土壤有机质含量在不同土层间差异未达到显著性水平，T2、T3处理土壤有机质含量在10～20 cm土层最高。

2.5 微咸水与再生水混灌对土壤剖面WDPT的影响

土壤斥水性的强弱一般用WDPT表征，当WDPT＞5 s时，认为土壤存在斥水性。不同微咸水与再生水混灌处理后土壤WDPT的变化情况见图2。

图2 微咸水与再生水混灌下根际土壤WDPT的变化

从图2看出，各处理土壤WDPT均小于5 s，未产生土壤斥水性。同一处理，WDPT均以0～10 cm土层最高，其中CK处理土层间差异显著。同一土层，T1处理WDPT低于CK处理，差异达到了显著性水平；WDPT随着灌溉水中微咸水比例的升高而呈下降趋势，且处理间差异总体上呈现显著性差异，说明微咸水利用对土壤斥水性的影响是负效应。这与已有研究结果“微咸水入渗后土壤大部分剖面都有了微弱的斥水性”［23］是不一致的，原因在于微咸水中的离子会影响根系的生长及根系分泌物的类型。本试验结果表明，再生水灌溉后土壤WDPT较CK处理显著降低，而商艳玲等［24］认为再生水灌溉可能会引起土壤斥水性，这与本试验结果略有不同，原因主要为：一是再生水水质成分的区域以及土壤类型的差异；二是土壤质量含水率是土壤斥水性的一个影响因素，商艳玲等研究基于室内土柱试验对比入渗后土壤与装土前风干土的WDPT，在本试验中是对比再生水和当地地下水灌溉土壤风干后WDPT的变化；三是再生水中的有机成分不同，所有的有机成分并不都是斥水的［25］，这就导致了有机质含量与斥水性的复杂关系；四是CK处理采用的是当地地下水，地下水电导率为3 069μS／cm，较再生水高。

2.6 土壤剖面WDPT影响因素分析

土壤斥水性的影响因素是复杂的，在此根据土壤剖面WDPT与相应理化指标进行相关性分析，其结果见表5。

表5 WDPT与土壤理化指标相关系数

从表5看出，土壤WDPT与EC、K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、OM含量负相关，其中与EC、Cl－在0.01水平相关性显著，与K＋、Na＋、OM含量在0.05水平相关性显著；土壤WDPT与、、TN含量正相关，其中与含量在0.01水平相关性显著。WDPT与OM含量显著负相关，这与任长江等［26］研究结果“WDPT与土壤有机质含量成正相关性”不一致，这可能与复杂的水质情况、不同的土壤类型相关。WDPT与EC显著负相关，这与刘春成等［23］研究结果“微咸水灌溉可能会产生微弱的土壤斥水性”不吻合，是否由微咸水灌溉影响种植作物根系分泌物所致，有待进一步研究。WDPT与TN含量正相关，这与王海等［27］研究结果是一致的。

选取与土壤WDPT显著相关的指标（EC、K＋、Na＋、Cl－、OM、），根据多重共线性结果，剔除引起多重共线性的解释变量EC、Na＋，再进一步进行多元线性回归分析，回归方程为：WDPT＝4.176－0.002K＋－0.004Cl－－1.462OM＋0.028（R2＝0.778）。

3 结 论

（1）土壤含水率和含盐量与微咸水－再生水混合液中微咸水比例正相关。随着灌溉水中微咸水比例的升高，土壤水溶性Na＋、Cl－含量逐渐升高且各处理间差异显著（p＜0.05），Ca2＋、含量总体上无显著变化，Mg2＋、、K＋含量变化规律不明显。

（2）随着灌溉水中微咸水比例的升高，TN含量总体上呈现下降的趋势。微咸水与再生水混合灌溉在一定程度上可以提高土壤有机质含量。

（3）试验条件下微咸水与再生水混灌各处理未产生土壤斥水性。土壤WDPT与EC、Cl－和K＋、Na＋含量在0.01和0.05水平显著负相关，与HCO－3含量在0.01水平显著正相关。