向日葵种植和灌排淋洗改良滨海盐碱地的协同效应研究

2023-07-25姚宇阗侯毛毛钟凤林

节水灌溉 2023年7期

韩冬，姚宇阗，陈超，汪帆，彭昊，侯毛毛，钟凤林，金秋

（1.德州学院生态与资源环境学院，山东德州 416012；2.江苏省沿海开发集团有限公司，南京 210036；3.江苏沿海生态科技发展有限公司，南京 210036；4.福建农林大学园艺学院，福州 350002；5.南京水利科学研究院，南京 210029）

0 引言

向日葵（HelianthusannuusL.）是桔梗目、菊科、向日葵属植物，在含盐量0.4%的盐碱地上可正常出苗，且其茎秆中本身含有的盐分量高达0.5%，因此相比于其他作物向日葵应对盐分胁迫的能力更强[1,2]；另一方面，向日葵植株较高、叶片宽大，对于控制因毛管水作用导致的盐碱地返盐效果明显，因此，向日葵被认为是优质的盐碱地改良植物[3,4]。

暗管排水是治涝降盐的重要技术措施，在盐碱地改良上有广泛应用[5,6]。暗管排水不会妨碍农田机械化作业，具备土地利用效率高、土壤治理效果好的优点[7]。然而，在排水工程建设中，若暗管埋深、间距等参数设置不合理，会导致排水效率低下、土壤养分流失大等问题，影响降盐效果且增加生态风险[8,9]。因此，确定科学的暗管排水参数是过去诸多研究致力于解决的关键问题[10]。

目前，利用植物措施和工程措施协同改良滨海盐碱地的研究较少，特定改良植物所对应的适宜暗管排水方案的研究则更为匮乏。向日葵种植后，势必会影响盐碱地剖面土壤水盐运移和分布，进而改变盐分淋洗和返盐过程，最终影响暗管埋深、间距等参数的确定。因此，阐明向日葵和暗管排水协同消减盐碱地盐分的效应，明确向日葵种植下最优暗管布局方案，有利于促进盐碱地改良工程和农艺技术的深度融合，对于科学建设盐碱地水利工程有重要的指导作用。本研究以向日葵作为盐碱地改良的植物材料，设计包括不同埋深和间距的暗管布局方案，探索向日葵种植和暗管排水协同作用下耕层土壤水分和剖面土壤盐分的响应规律，分析不同处理对向日葵生长和产量的影响，旨在为盐碱地生物-工程协同改良策略的制定提供理论和实践依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022 年6 月1 日-10 月4 日在江苏省盐城东台市条子泥垦区进行，条子泥垦区是江苏省百万亩滩涂综合开发试验区的首批启动工程，改良后的土地优先发展现代农业、平衡后备耕地和保护生态环境。试验地属于亚热带和暖温带的交界区，具有显著的季风气候和充沛的雨量，四季分明，2010-2020 年平均降雨量1 054.2 mm，日照2 130.5 h，近年来极端最高温为38.6 ℃、极端最低温为-5.8 ℃。试验区土壤为黄棕壤，0～20 cm土层全盐含量3.6 g/kg，有机质含量2.2%，速效氮、磷、钾含量分别为105.4 mg/kg、7.9 mg/kg和98.4 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用向日葵（HelianthusannuusL.）为植物材料，于6 月1 日播种，具体生育期划分如表1 所示。根据当地实际栽培习惯，分别在7月10日、7月28日、8月12日和9月10日进行灌溉，灌溉量分别为82.4 mm、78.5 mm、72.6 mm 和48.7 mm，试验期内累计降雨量为77.4 mm，即向日葵所获得实际水量为359.6 mm。灌溉水采用市政用水，灌溉装备为本课题组自主研发的智能灌溉机（见图1）。试验暗管埋深设计0.9（D1）和1.2 m（D2）2 个水平，间距15（S1）和20 m（S2）2个水平，同时设计有栽培（Y）和无栽培（N）向日葵2 个水平，共计8个处理，每个处理重复3次。

图1 本试验所采用灌溉装备Fig.1 Irrigation equipment used in this experiment

表1 向日葵生育期划分Tab.1 Division of sunflower growth period

试验采用小区种植的方式，每个重复占1 个小区，共24个小区。每个小区铺设5 根暗管，暗管长120 m，比降0.1%。暗管材质为PVC 波纹管，外包无纺布，铺设密度为70 g/m2。在每个小区正中央设置5 m×5 m的观测区，用于观测向日葵生长发育过程和采集剖面土壤样品。除暗管布局不同之外，采取的其他田间管理措施如病虫害防治、除草等，各处理均保持严格一致。

1.3 样品采集与测定

移栽后第1 d 开始，每隔15 d 采用五点取样法采集耕层土壤样品用于测定土壤含水率。测定方法为烘干法，即用铝盒装湿土置入烘箱中，105 ℃烘干至恒重后称重，计算土壤质量含水率。

在盛花期中期（8月17日）和成熟期中期（9月15日）各采集一次剖面（0～100 cm）土壤，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 分层取样，用于测定土壤全盐含量。土壤样品先自然风干，后研磨、过筛、浸提（水土比5:1）、过滤，最后采用DDSJ-308F（上海雷磁仪器有限公司生产，0.5 级）测定电导率，根据试验区前期基础样品回归公式换算，具体换算方法如下[11]：

式中：S为全盐含量，g/kg；EC为电导率值，mS/cm。

土壤脱盐率分0～20 cm和20～40 cm 2个土层进行分析。

对于某一土层，脱盐率为全盐量初始值与最终值之差，除以土壤含盐量初始值。

向日葵生长全生育期测定其株高、茎粗，成熟期测定其花盘质量和百粒重，最后换算为每公顷产量用于分析。

1.4 数据分析

数据分析采用SPSS 17.0 软件，依据Duncan’s multiple range test测算数据之间的差异显著性[12]。

2 结果与分析

2.1 向日癸种植和暗管排水协同作用下土壤含水率动态变化规律

向日癸种植和暗管排水协同作用下土壤含水率随移栽后时间呈波动性变化规律（见图2），不同处理土壤含水率在20.3%～28.2%范围内波动。暗管间距越小、埋深越浅，土壤含水率总体上越低，在有种植和无种植向日葵处理中均发现了这一规律。从向日葵全生育期来看，种植后土壤平均含水率（4 个处理均值）为24.9%，未种植处理为24.1%，表明种植向日葵有利于提升耕层土壤含水率，且提升效应在生育后期尤为明显。土壤水分迁移转化途径包括下渗、蒸发、作物吸收等[13,14]，向日葵种植后，其宽大的叶片形成对土壤的遮蔽作用，降低了土壤表面蒸发，这是向日葵栽培区土壤含水率更高的原因之一[15]；此外，有研究表明，植物根系存在提水作用，即在植物缺水或生理缺水时，根系会将深层土壤中的水分通过传导组织传导至浅层根系[16,17]，并向周围土壤释放，在一定程度上限制了耕层土壤含水率的衰减[18]。

图2 向日癸种植和暗管排水协同作用下土壤含水率随移栽后时间变化Fig.2 Change of soil moisture content with days after transplanting under the synergetic effect of sunflower planting and subsurface drainage

2.2 向日葵种植和暗管排水协同作用下剖面土壤盐分分布特征

剖面土壤总体以40-60 cm 土层土壤全盐含量最高，主根区土层0～20 cm 和20～40 cm 相对较低（见图3）。图3 中可看出，无论是否种植向日葵，剖面盐分均以D2S2 处于最高水平，D2S1 相对较低。盛花期，向日葵处理土体平均含盐量为2.82～3.10 g/kg，无向日葵处理土体平均含盐量为3.34～3.75 g/kg；成熟期，向日葵处理土体平均含盐量为2.27～2.74 g/kg，无向日葵处理土体平均含盐量为2.81～3.09 g/kg，表明在暗管排水的基础上种植向日葵对盐碱地0～100 cm 土体盐分有明显的消减作用。

图3 向日癸种植和暗管排水协同作用下剖面土壤盐分分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil salt in the profile under the synergetic effect of sunflower planting and subsurface drainage

研究表明，当0～20 cm 土层土壤含盐量大于0.4%时，向日葵生长将受到轻度抑制[1]。本研究土壤初始含盐量0.36%，有利于其正常生长并充分发挥吸盐能力。陈阳[19]等设计不同暗管间距（10、14 和20 m）对滨海土壤开展淋洗试验，结果表明，间距越小，排盐效果越好；周明耀[20]在沿海垦区的暗管降盐试验（间距15、20 m）得到了相似的结论，即间距15 m 脱盐效率最高。本研究与上述结论和前人主要研究结论[8,21]一致。但值得注意的是，关于暗管埋深对于土体脱盐效果的影响，前人研究有不同结论，如周明耀[20]脱盐试验（埋深0.9、1.1 m）结果表明埋深1.1 m 脱盐量更大，而王洪义[22]在大庆地区的暗管排水试验（埋深0.8、1.0 和1.2 m）研究表明埋深0.8 m脱盐效果最好，这与滨海盐碱地形成过程导致的剖面土壤性质差异，尤其是土壤颗粒组成、容重、导水率[23]差异有关，本研究试验结果表明较浅的埋深（0.9 m）下0～100 cm 土层脱盐效率更高。

2.3 不同暗管布局方式对向日葵生长和产量的影响

各处理向日葵株高和茎粗变化规律较为一致，株高呈快速增长（15～90 d）和维持稳定（90～120 d）2 个阶段[见图4（a）]，茎粗呈缓慢增长（15～45 d）、快速增长（45～90 d）和维持稳定（90～120 d）3 个阶段[见图4（b）]。株高和茎粗总体表现为D1S1Y 最高，移栽后120 d 分别达到183 cm 和38.1 mm；D2S2Y 最低，为162 cm 和32.7 mm；D1S2Y 和D2S1Y 表现为D1S2Y 略高于D2S1Y，但差异并不明显。不同暗管布置方式对向日葵产量有不同程度的影响（见图5），D1S1Y 向日葵产量最高，达到2.73 t/hm2，但与D1S2Y 和D2S1Y 差异并不显著（p＞0.05）；D2S2Y处理向日葵产量显著（p＜0.05）低于其他处理，仅为2.37 t/hm2。

图4 不同暗管布局方式下向日葵株高和茎粗随移栽后时间的动态变化Fig.4 Dynamic changes of plant height and stem diameter of sunflower with days after transplanting under different subsurface drainage arrangements

图5 不同暗管布局方式对向日葵产量的影响Fig.5 Effect of different subsurface drainage arrangements on sunflower yield

已有研究表明，盐碱地盐分以高渗透压阻碍植物对土壤水分的获取，影响植物水分平衡[24,25]，最终导致减产；并且，由于土壤盐离子含量过高，植物体内矿质营养失衡，对植物有毒性的离子在植物体内快速累积，导致产量形成受阻[26]。本研究中暗管布局影响剖面土壤盐分分布，进而对向日葵产量有间接影响，D1S1Y处理0～20 cm和20～40 cm土壤盐分在盛花期[见图3（a）]和成熟期[见图3（c）]均处于最低水平，而产量处于最高水平（见图5），表明向日葵产量与土壤盐分呈负相关关系，这一结论与前人研究一致[9,27]。耕层土壤高盐处理D2S2Y 向日葵产量显著低于其他处理，进一步支持了上述结论，同时也说明即便在耐受范围（＜0.4%）内，向日葵产量仍然与土壤盐分呈明显负相关。

2.4 主根区土层盐分消减效应

图6为不同暗管排水处理对0～20 cm 土层和20～40 cm 土层盐分消减效果。图6中可看出，种植向日葵处理对主根区（0～40 cm）土层消减效果明显优于无向日葵处理，有向日葵处理0～20 cm 盐分消减率为19.7%～50.3%，20～40 cm 盐分消减率为29.3%～43.4%；而未种植向日葵处理0～20 cm 盐分消减率为16.1%～35.0%，20～40 cm 盐分消减率为17.0%～26.1%。其中，D1S1Y 对主根区盐分的去除效果最优，盐分消减率0～40 cm 达到46.9%，即推荐以D1S1Y 作为本研究中盐碱地适宜的生物-工程协同改良方案。值得注意的是，本研究设置了不同暗管埋深、间距和向日葵种植处理，但灌溉和排水强度未设计差异处理，已有研究表明，灌溉流量[28]和排水强度[29]对降盐效果均有显著影响，且不同土壤达到相同降盐效果灌溉流量可相差高达42.9%[28]。因此，进一步研究应围绕适宜植物生长的灌溉量和适宜土壤降盐的淋洗量之间的平衡来开展。同时，后续研究将增加暗管埋深和间距的差异水平数，更有利于机理挖掘和方案选择。