微咸水离子组成对膜下滴灌土壤水盐分布和作物生长的影响

张通港，胡行路，罗 敏，王 春，闫思慧，程 煜，梁 青，冯 浩2,，张体彬2,*

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

【研究意义】内蒙古河套灌区是中国三大一首制自流灌区之一[1]。近年来，随着节水工程建设和国家政策性节水措施的实施，河套灌区年均引水量由20世纪90 年代的50 亿m3减少到目前的40 亿m3[2]，地表淡水资源紧缺和土壤盐渍化问题日益突出；而同时河套灌区地下微咸水资源丰富，如何高效利用地下微咸水资源，对河套灌区土壤盐渍化防治和农业生产可持续发展具有重要作用。

【研究进展】膜下滴灌节水、抑盐、保温等特点使其在西北盐碱地区得到大力推广。目前，诸多学者对微咸水膜下滴灌制度开展了大量研究。丁运韬等[3]在河套灌区开展膜下滴灌不同灌水下限深层土壤水分对作物根区的补给作用及根系吸水的响应研究，结果表明春玉米膜下滴灌的灌水下限设置为-30 kPa，生育期内灌水定额在240～300 mm 的灌溉制度不仅可以提高水分利用效率，还能充分利用深层土壤水分，提高根系吸水能力。齐智娟等[4]在河套地区开展不同覆膜方式膜下滴灌土壤盐分运移研究，结果表明全覆膜处理保水抑蒸效果明显，压盐效果显著。姚宝林等[5]通过矮化密植枣树微咸水滴灌田间试验，发现微咸水灌溉土壤积盐程度随灌溉水矿化度的提高而增加，且表聚明显。李金刚等[6]研究表明在微咸水覆膜滴灌条件下，不同灌水定额对土壤中盐分离子的分布影响显著，其中HCO3-、Cl-、Na+和K+容易随水分移动。

微咸水灌溉下，不同盐分离子对土壤渗透性能、作物生长发育的影响也极为重要。微咸水入渗过程中，水体盐分离子与土壤胶体颗粒发生作用，会改变土壤孔隙结构，影响土壤的入渗过程[7]。盛丰等[8]通过研究灌溉水盐分浓度和灌溉频率对土壤结构的影响，结果表明低频率、高定额的微咸水或低于3 g/L 的微咸水与淡水交替灌溉均有利于稳定土壤团聚结构，提高盐分淋洗效率，提高土壤水分入渗；但高矿化度的灌溉水不利于土壤团聚结构的稳定，使土壤发生板结，降低土壤入渗能力。李慧等[9]通过设置不同盐分浓度的土柱入渗试验，表明NaCl 溶液浓度越高，土壤渗透性能降低程度越大；CaCl2、MgCl2溶液均能提升土壤的渗透性能，但提升程度会随着溶液浓度的升高而逐渐放缓。同时诸多研究[10-14]也表明不同盐分离子在作物各器官内含量差异显著，并且对作物生长的影响也有所不同。【切入点】由此可见，前人关于微咸水灌溉的研究更多关注灌水制度和灌溉方式，而相同矿化度、不同阳离子组成的微咸水对土壤结构特性、水盐运移及作物生长影响的综合研究鲜有报道。

【拟解决的关键问题】因此，本研究针对河套灌区中度盐渍化农田，开展田间定位试验，进行春玉米种植，在生育期内利用微咸水膜下滴灌，向地下水中添加不同氯化盐，形成不同阳离子组成的微咸水处理，研究土壤孔隙结构特性、水盐时空分布，以及作物生长和产量形成，分析膜下滴灌条件下不同阳离子组成微咸水对土壤理化性质和作物生长的影响，以期为河套灌区地下微咸水的安全利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

田间试验于2021 年玉米生长季（4—9 月）在内蒙古河套灌区曙光试验站（107°13′E，40°43′N，海拔1 041 m）进行。该地区属中温带干旱气候，多年平均降水量134 mm，蒸发量大于2 200 mm，平均气温8.0 ℃，无霜期130～150 d，年日照时间3 100～3 300 h。

试验区农田0～40 cm 平均土壤饱和浸提液电导率（ECe）为7.1 dS/m，pH 值大于8.0，属于中度盐渍化水平[15]，其他土壤理化性质见表1。地下微咸水电导率（EC）和钠吸附比（SAR）分别为1.8 dS/m 和4.3（mmol/L）0.5，其主要阳离子组成见表2。试验过程中地下水埋深在2～3 m 之间，累积蒸发量和降水量分别为911.2 mm 和63.4 mm（图1）。

图1 玉米全生育期地下水埋深、水面蒸发量和降水量Fig.1 Groundwater depth, water surface evaporation and rainfall during growing stages of corn

表1 试验区玉米播种前土壤理化性质Table 1 Soil physicochemical properties before corn sowed in experimental area

表2 微咸水处理设置Table 2 Treatment table of slightly saline water

1.2 试验处理设置

供试作物为春玉米，品种为当地主栽品种‘金苹628’。采用“一膜一管双行”的膜下滴灌种植模式（图2）。玉米株距30 cm，膜下行距30 cm，膜间行距70 cm。采用贴片式滴灌带，滴头间距30 cm，流量2.7 L/h。以当地地下微咸水为对照（CK），分别添加相同摩尔当量、不同类型氯化盐，形成近似电导率、不同阳离子组成的微咸水处理（表2）。试验共5 个处理，每处理重复3 个小区。小区宽4 m，长15 m，种植8 行玉米。

图2 种植模式示意图Fig.2 Schematic diagram of planting pattern

根据前期研究成果[16-17]，针对此土壤和地下水条件，将滴头正下方20 cm 深度处的土壤基质势下限控制为-30 kPa，用来指导灌溉。考虑地下水EC（1.8 dS/m）接近玉米耐盐阈值（1.7 dS/m）[18]，所以地下水灌溉处理（CK）未设置淋洗率（LR），单次灌水定额为10 mm，而其他添加盐分处理灌溉水EC大致在3.8 dS/m 左右，按照式（1）、式（2）计算，LR约为19%，实际灌水定额为12.3 mm。以T1 处理为例，根据单次灌水量及需添加NaCl 浓度计算单次灌水所用盐量，灌溉前将NaCl 倒入施肥桶中加水充分溶解，利用比例施肥泵将溶液与地下水混合，进入管道均匀灌溉。CK 和添加不同阳离子微咸水灌溉处理（T1—T4）生育期内总灌水量分别为330 mm 和406 mm。LR计算式为：

式中：LR为淋洗率（%）；EC为灌溉水电导率（dS/m）；ECmax为作物产量降为0 时的灌溉水EC（dS/m）；AW为实际灌水量（mm）；AWCK为作物实际灌水量（此处取值为CK 的灌水定额10 mm）。

基肥于播种之前耕翻时施入，采用尿素（N：46%）、磷酸二铵（N：18%，P2O5：42%），按照N、P 分别为150、180 kg/hm2的施用量均匀撒于地表。玉米生育期内追施水溶性较好的尿素，于灌水前溶于施肥罐中，随灌水施入，且保证各处理施肥量一致，玉米全生育期内纯氮累积施入量为300 kg/hm2。其他田间管理，如除草、病虫害防治等同周边农田一致。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤性质测定

为研究土壤孔隙特性，在玉米成熟期，采用直径为75 mm 的PVC 管取0～40 cm 土层深度原状土柱，取土位置为滴头下方。对原状土柱进行CT 扫描（uMI 780 PET/CT 扫描仪），利用Image J 软件进行图像处理，获取土壤孔隙特性指标，图像取样区域为4 mm×4 mm。根据Wang 等[19]对孔隙度划分方法进行划分，将孔隙面积＜0.8 mm2孔隙划分为小孔隙，孔隙面积＞0.8 mm2孔隙划分为大孔隙。

土壤体积质量采用环刀法测定，计算式为 ：

式中：γ为土壤体积质量（g/cm3）；M为环刀内干土质量（g）；V为环刀容积（cm3）。

土壤含水率采用烘干法测定质量含水率，然后利用容重换算成体积含水率，土壤剖面储水量计算为：

式中：W为土层储水量（mm）；Wi为某土层质量含水率（g/g）；γ为某土层体积质量（g/cm3）；Hi为土层厚度（cm）。

土样经风干、过筛后，进行盐分特性测定。土壤盐分特性测定采用饱和泥浆法进行。具体步骤为：20 g 风干土壤加少量水浸泡过夜后，调制饱和泥浆，然后将饱和泥浆离心（4 000 rpm，30 min），得到饱和浸提液。利用电导率仪（PHS-3C 型，上海雷磁）测定ECe；Na+、K+采用火焰光度法；Ca2+、Mg2+采用EDTA 滴定法；Cl-采用硝酸银滴定法，植物样品经硫酸-双氧水消解后，离子量测定方法同上。

1.3.2 作物干物质及产量测定

在玉米不同生育期内取样，其中苗期和拔节期，将植株分为茎和叶二部分，而抽雄期、灌浆、成熟期分为茎、叶及穗3 部分，每个处理取3 次重复。把植株样品放在烘箱中105 ℃杀青30 min，然后将温度调到75 ℃烘干至恒质量。在玉米的成熟期对试验地的每个处理小区进行产量测定。每个小区取10 株玉米，自然状态下将其风干，然后人工脱粒，测定玉米产量。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2019 和Image J 进行数据整理分析，采用IBM SPSS Statistics 24 统计分析软件对试验数据进行方差分析，使用Surfer 19.2 和Origin 2021b 软件进行科学绘图。

2 结果与分析

2.1 不同阳离子组成微咸水对土壤孔隙率的影响

相较于CK，T1、T2 处理和T4 处理0～20 cm 土层大孔隙分别提高了114.27%、145.20%和62.47%，T3 处理无明显变化；T1、T2、T3 处理和T4 处理20～40 cm 土层大孔隙分别降低了29.70%、38.18%、32.84%和61.11%（图3）。与CK 相比，T1 处理0～20 cm土层小孔隙提高了144.60%，其余处理变化无显著差异；T1—T4 处理20～40 cm 土层小孔隙度相较CK 分别降低30.50%、84.23%、43.89%和85.09%。T2、T3处理和T4 处理0～20 cm 小孔隙度相较T1 处理分别降低了128.72%、147.73%和132.01%。

图3 不同阳离子组成微咸水灌溉各处理0～40 cm 土层孔隙度Fig.3 The soil porosity in 0～40 cm depth under saline water irrigation with different cation composition

2.2 不同阳离子组成微咸水对土壤水盐分布特性的影响

随着土层深度增加，苗期和拔节期土壤含水率整体呈先增大后减小的变化趋势，含水率变化突变点在60 cm 土层，抽雄期土壤含水率整体降低（图4）。随着滴灌频率增加，灌浆期土壤含水率继续保持先增多后减小趋势，0～100 cm 各处理土壤含水率浮动范围较为稳定。成熟期各处理0～30 cm 土壤体积含水率均降低，且低于CK，40 cm 土层土壤含水率有所提升，之后随土壤深度变化逐渐降低至稳定。

图4 不同阳离子组成微咸水灌溉下各生育期土壤剖面含水率Fig.4 The water content of soil profile under saline water irrigation with different cation compositions at different growth stages

全生育期土壤储水量整体呈现从高到低的变化趋势（图5，图中不同字母表示各处理间在该土层存在显著差异（P<0.05））。作物生长初期0～100 cm土层土壤储水量处于高水平，抽雄期土壤储水量达到最低水平，灌浆期逐渐升高。成熟期T2、T3 处理土壤储水量相比CK、T1、T4 处理有所提升，数值上呈显著差异（P<0.05），0～20 cm 土层中T1、T2、T3、T4 处理储水量显著低于CK（P<0.05）。在抽雄期、灌浆期、成熟期，0～60 cm 土层中T2 处理和T3 处理土壤储水量显著高于T1 处理（P<0.05），T2 处理和T3 处理之间无显著差异（P>0.05）。60～100 cm 土层中灌浆期和成熟期T1 处理和T4 处理差异明显，T4处理较T1 处理分别降低58.05%、31.34%。T2 处理和T3 处理储水量呈上升趋势，数值上差异不显著（P>0.05）。除CK 外，在灌浆期和成熟期，T1 处理和T4 处理0～100 cm 土层储水量处于较低水平；T2处理和T3 处理0～100 cm 土层储水量较大，始终高于T1 处理和T4 处理。

图5 不同阳离子组成微咸水灌溉下各生育期土壤剖面储水量Fig.5 The water storage capacity of soil profile under saline water irrigation with different cation compositions at different growth stages

添加不同阳离子的微咸水灌溉处理明显影响作物全生育期土壤剖面盐分动态变化过程（图6）。受灌溉水EC影响，各处理根区平均ECe分别为3.06、3.55、3.15、3.88、3.73 dS/m。受夹砂层的影响，各处理60～100 cm 土层ECe整体低于0～60 cm，0～20 cm土层均有不同程度积盐现象，并且大都分布于25～50 cm（图6），表明滴灌带淋洗效果明显。随着作物生长，T1 处理积盐区从0～10 cm 土层逐渐下移至20 cm。T2 处理盐分向膜外运移规律不明显。不同的是T3、T4 处理土壤盐分整体移向膜外区域，T4 处理更为明显，同时在根区20～30 cm 土层也有较小程度的盐分累积。从图6 可以看出，在生育期内T1 处理作物根区0～20 cm 土壤ECe值逐渐增高；T3、T4 处理膜外土壤ECe呈增大趋势，说明更多的盐分向膜外运移。

图6 不同阳离子组成微咸水灌溉下各生育期土壤剖面ECeFig.6 The ECe of soil profile under saline water irrigation with different cation compositions at different growth stages

图7 为苗期和成熟期不同阳离子组成微咸水灌溉下0～60 cm 根区土壤阳离子物质的量浓度。由图7 可知，Na+是河套灌区盐渍土主要的盐分阳离子，其物质的量浓度远超于K+、Ca2+、Mg2+，且K+物质的量浓度最低。在苗期，T1—T4 处理土壤阳离子物质的量浓度均低于CK。在成熟期，与CK 相比，T1 处理Na+物质的量浓度无显著差异（P>0.05），T2、T3、T4 处理Na+物质的量浓度显著降低（P<0.05），T2、T3、T4处理所对应添加的K+、Ca2+、Mg2+物质的量浓度显著增高（P<0.05），降低了Na+在阳离子中的占比。

图7 苗期和成熟期不同阳离子组成微咸水灌溉下0～60 cm 根区土壤阳离子物质的量浓度Fig.7 The soil cation concentration in 0～60 cm root zone under saline water irrigation with different cation compositions at seedling stage and mature stage

2.3 不同阳离子组成微咸水对作物生长的影响

图8 为不同阳离子组成微咸水灌溉下玉米茎、叶中离子量。由图8 可知，玉米地上部器官中各离子量变化趋势接近，由于各处理添加了不同类型氯化盐，其对应的阳离子量就会较其他处理显著增高（P<0.05）。研究发现玉米地上部器官离子量中K+量最高，Na+量最低且显著低于K+、Ca2+、Mg2+量和Cl-量（P<0.05）。Na+、K+量和Cl-量均表现为叶<茎，Ca2+量和Mg2+量表现为叶>茎。

图8 不同阳离子组成微咸水灌溉下玉米茎、叶中离子量Fig.8 The ions contents in corn stems and leaves under saline water irrigation with different cation compositions

图9 为不同阳离子组成微咸水灌溉下玉米各生育期叶、茎干质量。由图9 可知，拔节期和抽雄期T1 处理的单株茎、叶干质量均高于CK、T2 处理，但是灌浆期、蜡熟期、成熟期T1 处理的单株茎、叶干质量变化整体均低于其他处理。T2 处理各生育期内茎叶干质量均高于T1 处理，差异不显著（P>0.05）。成熟期T3 处理的茎干质量表现为高于T1 处理，低于CK、T2、T4 处理，叶干质量高于CK、T1、T2 处理，低于T4 处理。T4 处理的茎、叶干质量整体高于其他添加盐分处理，整体变化数值上差异不显著（P>0.05）。

图9 不同阳离子组成微咸水灌溉下玉米各生育期叶、茎干质量Fig.9 The leaves and stems dry weight of corn under saline water irrigation with different cation compositions at different growth stages

从产量构成来看（表3），各处理之间单株穗粒数无显著差异（P>0.05），T2、T3 处理对比CK 百粒质量显著增加14.4%和20.14%（P<0.05），其他处理之间无显著差异（P>0.05）。从最终产量来看，T1、T2、T3、T4 处理分别较CK 提高了6.78%、10.44%、13.00%、17.33%。

表3 不同阳离子组成微咸水灌溉下玉米产量构成Table 3 The corn yields and yield components under saline water irrigation with different cation compositions at different growth stages

3 讨 论

3.1 不同阳离子组成微咸水对土壤理化性质的影响

膜下滴灌是微咸水灌溉的主要方式，其具有很好的脱盐、抑盐效果，并且能够保持土壤水分，防止土壤水分蒸发和盐分累积，为作物提供良好的生长环境[20-21]。由于砂土孔隙度小于壤土孔隙度，土壤持水性能较差，因此在灌溉阶段各处理60～80 cm 土层土壤含水率有所降低，直到收获阶段这种现象才消失，推测是因为在高频率稳定灌水条件下，当土壤中存在砂质夹层时，由于土层间水分入渗能力的差异，水势差逆向而出现暂时性的水分下移[22]，到成熟期灌水频率逐渐降低直到停止，受重力作用砂层水分逐渐下移，上层水分向下补给，这种现象才逐渐消失。本研究发现在抽雄期各处理0～100 cm 土壤储水量达到最低水平，这是由于抽雄期作物需水量逐渐增大，储水量整体降低。随着灌溉频率增加，储水量有所上升，但整体低于苗期土壤储水量。由于成熟期降低了灌水频率，同时作物根系吸水速率降低，作物需水量减小，地表蒸发强烈，使各处理土壤表层储水量呈降低趋势。另外成熟期0～20 cm 土层各处理土壤储水量显著低于CK，这可能是由于微咸水入渗过程中，水体盐分离子与土壤胶体颗粒发生作用，改变了土壤的孔隙结构，影响土壤的入渗过程[7]。在抽雄期和成熟期，T1处理20～60 cm 土壤储水量显著低于T2 处理和T3 处理（P<0.05），灌浆期差异虽不显著（P>0.05），但T1 处理土壤储水量仍低于T2 处理和T3 处理，而T2处理和T3 处理之间无显著差异（P>0.05），导致这种现象发生的原因是T1 处理Na+物质的量浓度高于其他处理，造成土壤黏粒分散[23]，土壤胶体中吸附的Na+物质的量浓度增加，土壤表层的小孔隙数量增多，使土壤的导水能力下降[24]。有研究表明CaCl2是一种很好的化学稳定剂，有利于减轻土壤膨胀，有利于稳定土壤结构，并且滴灌对土壤表层Ca2+淋洗效果明显[25]，这也与本文中T3 处理20～60 cm 土壤储水量整体高于其他处理的研究结果一致。本试验表明T2、T3、T4处理土壤小孔隙数量都低于T1 处理，同时根区土壤中Na+物质的量浓度均低于T1 处理，表明添加K+、Ca2+和Mg2+的灌溉水一定程度上降低了土壤中Na+物质的量浓度，减少了土壤小孔隙的形成。K+对土壤颗粒表面吸附能力强于Na+，一般认为土壤中K+量增高有利于缓解Na+对土壤黏粒的分散作用[26]。同时MgCl2也是一种良好的化学稳定剂[27]，有抑制土壤黏粒分散，减少土壤膨胀，提高土壤孔隙的连通性的作用[28-29]。

采用不同阳离子组成微咸水灌溉对土壤孔隙度影响不同，导致对土壤环境的影响程度有所差异。在苗期T1—T4 处理土壤阳离子物质的量浓度均低于CK，这是因为其他处理灌溉时设置了淋洗率，增加了盐分的淋洗。但是随着生育期延长，灌水增多，成熟期各添加盐分处理阳离子总物质的量浓度均有所上升，但处理间无明显差异。本研究发现随着灌水次数增多，T1 处理土壤积盐程度逐渐加重，20 cm 土层以下ECe明显降低，同时T1 处理0～20 cm 土壤小孔隙度明显增大，说明添加NaCl 的灌溉水使得土壤表层发生积盐现象，导致这一现象的原因是较多的Na+破坏了土壤中的Na+和K+的平衡，致使更多土壤团聚体分散，提高了土壤小孔隙度，大孔隙堵塞导致连通性降低，影响了灌溉水下移。T2 处理由于K+增多，并且T2 处理土壤表层大孔隙数量大于T1 处理，表明K+存在较多的土壤中，土壤孔隙分散现象得到一定程度缓解，提高了土壤入渗能力，因此土壤表层积盐现象不明显。研究表明土壤中Ca2+、Mg2+增加会置换土壤中Na+，防止土壤黏粒分散，提高土壤入渗能力，可以改善土壤环境[9,29-31]。这也与本研究中T3 处理和T4 处理小孔隙度减少，土壤中Na+物质的量浓度相对降低的结果一致。

3.2 不同阳离子组成微咸水对作物生长的影响

盐胁迫会影响作物生长发育，主要会引起植物体内离子平衡失调，不利于作物生长[32]。从玉米茎和叶部Na+量和干质量分析结果看，各处理玉米茎部Na+量均大于叶部，从而降低了Na+对叶片部分生长发育的干扰，但T1 处理玉米器官内仍有较多的Na+，玉米茎叶干质量均低于CK，说明玉米体相对较多的Na+对茎和叶部干质量累积产生不利影响，但是T1 处理产量高于CK，说明本试验添加的Na+物质的量浓度并未使产量降低，只是对除产量外的器官干质量累积产生不利影响。前人研究发现Na+更多被玉米根茎部吸收，缓解了盐分对叶片造成的伤害，但Na+过量累积会破坏玉米体内营养物质平衡，抑制对K+吸收[11]，这与本试验研究结果一致。从Na+和K+在作物体内的量来看，T1 处理Na+量提升，K+量降低，相反T2 处理Na+量降低，K+量上升，这是因为2 种阳离子在被作物吸收过程中处于竞争关系。而T2 处理的茎叶干质量和产量均高于T1 处理，说明玉米体内K+量的增加降低了玉米对Na+的吸收，有利于作物生长。玉米茎部K+量较高，使得玉米茎部对Na+吸收的抑制效果优于叶部[10]。大量研究发现外源Ca2+、Mg2+有利于作物生物量的累积。Ca2+在作物干旱或盐胁迫响应下起到了重要的信号调节作用，包括提高作物水分利用效率和光合速率，促进地上部生物量累积，有利于与作物生长，同时Ca2+对稳定细胞稳定性有突出贡献[14,33-34]。Mg2+是植物生长发育不可或缺的元素，Mg2+缺失会严重影响植物生长发育及产量[35]。本研究中叶部Ca2+量和Mg2+量显著高于茎部，并且研究发现随着T3 处理和T4 处理玉米茎和叶部Ca2+量和Mg2+量的提升，Na+的吸收量降低，T3 处理和T4 处理成熟期叶部干重累积量大于CK、T1 处理和T2 处理，产量上相较于其他处理也有所提升，表明Ca2+和Mg2+在玉米体内量的提高有助于作物叶片生长发育，对产量提升效果较为明显，尤其是Mg2+量高的处理。添加盐分处理产量提高的原因为：一是灌溉考虑了淋洗率，总灌水量增多；二是适量物质的量浓度的微咸水灌溉在不产生盐分胁迫的阈值内，还可以为作物提供一些K+、Ca2+、Mg2+等营养元素，更利于作物生长。

4 结 论

灌溉水中较多的Na+增加了土壤表层小孔隙数量，不利于灌溉水下渗，使作物根区表层土壤发生积盐现象。灌溉水中较多的K+、Ca2+、Mg2+产生对土壤有利的影响，减少土壤中Na+物质的量浓度，降低土壤表层小孔隙比例，有利于盐分淋洗，作物根区无明显积盐现象。添加CaCl2处理的灌溉水对土壤根区储水效果最好。微咸水灌溉下，玉米地上部器官内Na+物质的量浓度升高，显著抑制了茎、叶部干物质的累积；而灌溉水中适当物质的量浓度的K+、Ca2+、Mg2+均有助于提高作物干质量累积以及最终的产量形成，其中Mg2+对于提高玉米地上部生物量、产量效果最佳。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）