APP下载

不同矿化度微咸水灌溉冬小麦对下季作物产量和周年土壤盐分平衡的影响*

2021-05-08高聪帅邵立威闫宗正陈素英张喜英

中国生态农业学报(中英文) 2021年5期
关键词:咸水含盐量盐分

高聪帅, 邵立威, 闫宗正, 李 璐, 陈素英, 张喜英**

不同矿化度微咸水灌溉冬小麦对下季作物产量和周年土壤盐分平衡的影响*

高聪帅1,2, 邵立威1, 闫宗正1,2, 李 璐1,2, 陈素英1, 张喜英1**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

冬小麦夏玉米一年两熟是环渤海低平原主要粮食作物种植模式, 该区淡水资源匮乏, 但浅层微咸水相对丰富, 在降水较少的冬小麦生长季, 适当利用微咸水代替淡水灌溉对维持冬小麦稳产高产有重要作用。冬小麦季实施微咸水灌溉后土壤盐分累积如何影响下季作物夏玉米生长以及对土壤周年盐分平衡影响, 是微咸水能否长期安全利用的关键。为探究上述问题, 于2015—2019年连续4年在环渤海低平原中国科学院南皮生态农业试验站进行冬小麦季不同矿化度微咸水灌溉定点试验, 共设置含盐量为1 g·L−1淡水(F)、3 g·L−1微咸水(S3)、4 g·L−1微咸水(S4)、5 g·L−1微咸水(S5) 4个梯度, 在拔节期灌水1次, 灌水量均为70 mm; 另以生育期不灌水作为对照(旱作, CK)。结果表明, 不同矿化度微咸水灌溉处理间冬小麦产量没有显著差异, 但平均比CK显著增产31.6%。同时, 冬小麦生长季微咸水灌溉均增加了收获时1 m以上土层的含盐量, 并随灌溉水含盐量增加而增加; 对1 m以下土层含盐量影响不明显。夏玉米播种时灌溉70 mm淡水不仅解决了土壤墒情不足问题, 并可使0~20 cm土层盐分控制在1 g∙kg−1以下, 保证夏玉米出苗和群体建立, 对夏玉米产量没有显著影响。经过夏季降雨的淋洗, S3、S4和S5处理0~40 cm土层含盐量降低幅度超过30%, 深层土壤含盐量变化不明显, 1 m以上土层可以实现周年盐分平衡。本研究表明冬小麦-夏玉米一年两季种植, 冬小麦耐盐能力较强的特征使其生育期可以通过不大于5 g∙L−1的微咸水灌溉维持稳产, 在保证夏玉米出苗水进行灌溉的条件下, 夏玉米季通过雨季降水淋盐维持0~1 m主要根层土壤不发生明显积盐过程, 可实现长期微咸水灌溉下土壤和作物安全。

微咸水灌溉; 冬小麦; 夏玉米; 作物产量; 土壤盐分; 盐分平衡

随着人口增加和城市化进一步发展, 对粮食和水资源的需求将会不断增加。如何解决水资源短缺和粮食生产之间的矛盾已经成为农业发展关注的焦点[1]。环渤海低平原是中国重要的粮食、棉花(spp.)和水果生产基地[2]。然而, 该地区淡水资源匮乏, 区域人均仅190 m3, 单位耕地面积平均淡水资源为1650 m3∙hm−2, 分别是全国的1/12和1/16[3]。在环渤海低平原地区浅层地下水中有着丰富的微咸水资源, 总储量达到2500亿m3, 小于5 g∙L−1的微咸水年可开采量占全国的1/2, 其中在河北黑龙港地区2~5 g∙L−1微咸水资源量达70亿m3, 年可利用量为22亿m3[4]。冬小麦()和夏玉米()是该地区的主要作物, 降水资源不能满足一年两季作物种植模式的需水要求, 特别是在冬小麦生长季节, 灌溉是维持作物高产稳产的重要措施。由于该地区缺乏浅层淡水资源, 深层地下水被过度开采, 导致了大面积深层地下水漏斗的出现[5-6]。因此, 微咸水资源的开发和利用可以有效缓解环渤海地区粮食生产和淡水资源匮乏之间的矛盾。

微咸水灌溉农作物已开展了较多的研究[7-10]。Ozturk等[11]研究发现大麦()和小麦在不同微咸水灌溉(EC=0.8 dS∙m−1、5 dS∙m−1、8 dS∙m−1、10 dS∙m−1)下生物量没有显著差异, 且两种作物都可以良好生长。Yang等[12]研究了在不同微咸水覆膜滴灌下对土壤物理化学特性和棉花产量的影响, 发现当灌溉水矿化度小于6g∙L−1时, 对棉花的吸水特性和产量没有明显影响; 土壤pH小于8.9时适宜棉花生长。除灌溉水矿化度外, 土壤质地也会对土壤盐分积累和作物产量产生影响。Huang等[13]通过试验发现与沙壤土相比, 粉质壤土会增加土壤盐分积累, 且玉米产量更低。在环渤海低平原地区, 微咸水灌溉已经被用于不同作物[14-16]。与淡水灌溉相比, 利用小于5 g∙L−1的微咸水灌溉, 冬小麦的产量不降低; 与雨养相比冬小麦增产10%~30%[17]。冬小麦的耐盐阈值高于夏玉米[3], 冬小麦生长季微咸水灌溉后土壤积盐导致夏玉米播种时土壤盐分积累,如何降低该盐分累积对玉米的影响, 是微咸水灌溉用于冬小麦-夏玉米一年两季种植能够成功的关键。

虽然在一定的盐分范围内, 作物产量并没有受到明显影响, 但是在长期微咸水灌溉下, 仍然可能对土壤盐分积累和作物生长产生负面作用[18]。Wang等[8]基于一个连续3年的试验, 发现试验期末0~1 m土层出现盐分积累, 灌溉未能将盐分淋洗到1 m以下土层。微咸水灌溉条件下土壤溶液中的Na+、Ca2+和Cl−比例快速被改变[19], 土壤pH和可交换性钠比例(ESP)升高, 破坏了土壤结构[20]。与淡水灌溉相比, 长期微咸水灌溉的土壤具有更高的电导率和钠吸附率以及更低的有机碳[21]。土壤盐分积累可能导致土壤盐碱化, 造成耕地退化和农业生产不可持续的后果[22]。另一方面, 与淡水灌溉相比, 长期微咸水灌溉可能增加土壤溶液的渗透势, 造成作物吸水困难, 使作物产生水分亏缺[23]。此外, 长期微咸水灌溉可能导致土壤积盐, 使植物的K+/Na+失衡, 蒸腾作用减少等[3,10]。因此长期灌溉微咸水时, 必须保证土壤含盐量在作物安全生长范围内, 否则可能对土壤和作物产生危害。在环渤海低平原冬小麦生长期间实施的微咸水灌溉可以解决冬小麦生育期淡水资源匮乏问题, 很多试验均证明了微咸水灌溉相比旱作具有显著增产作用[15,17,24]。但由于冬小麦生长季降水较少, 土壤水分是一个逐步降低的过程, 咸水灌溉带入土壤的盐分会聚集在土壤上层, 在夏玉米播种时, 土壤盐分达到一年中的最高含量, 夏玉米对盐分较敏感, 播种时较高的土壤含盐量影响夏玉米的出苗。另一方面, 微咸水灌溉能否持续的一个重要影响因素是土壤盐分平衡问题, 即灌水时带入的土壤盐分能否被淋溶至根层以外的土壤, 使土壤不发生明显盐分累积。对于此问题, 还需要做全面深入的研究。环渤海低平原的季风气候夏季降水集中的特点, 创造了土壤盐分淋溶的条件, 夏季降水如何影响土壤盐分分布和周年盐分平衡对微咸水能否长期安全利用起关键作用。本研究针对长期不同矿化度咸水灌溉冬小麦对下一季作物夏玉米产量、土壤盐分分布和周年土壤盐分平衡的影响等方面开展研究, 为微咸水持续安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于环渤海低平原的中国科学院南皮生态农业试验站(38°00′N,116°40′E, 海拔11 m)。该地区属于温带半湿润季风季候区, 年平均降水量为480 mm, 70%的降水集中在7—9月, 年平均温度为12.3 ℃, 平均日照时间为7.2 h。该区域潜水埋深为4 m左右, 浅层地下水为咸水或微咸水, 深层地下水为淡水。试验地点土壤类型为脱盐潮土, 试验起始0~20 cm土层含速效氮80.2 mg∙kg−1、速效磷26.3 mg∙kg−1、速效钾124.0 mg∙kg−1、有机质15.8 mg∙kg−1, 含盐量为0.9 g∙kg−1。

1.2 试验设计

本试验于2015—2019年开展。作物种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制。冬小麦生育期为10月中旬至次年6月上旬, 夏玉米生育期为6月中旬至9月底。冬小麦在底墒充足条件下设置了拔节期灌溉1水的灌溉制度, 以不灌水处理作为对照(CK)。灌溉水的矿化度是1 g∙L−1淡水(F)、3 g∙L−1微咸水(S3)、4 g∙L−1微咸水(S4)和5 g∙L−1微咸水(S5)。在农田中随机安排5个处理, 每个处理3个重复。小区面积为8 m´5 m, 每两个相邻的小区安排2 m宽的保护行, 不进行灌水处理, 减少小区之间的相互影响。灌溉水水质如表1所示。

表1 不同矿化度灌溉水离子含量

冬小麦收获后, 夏玉米立即播种, 播种后所有处理进行1次淡水灌溉, 保证夏玉米出苗, 其他时间不灌水。所用的淡水水源来自于试验站的深井水, 不同矿化度的微咸水用海盐和淡水在蓄水池中配置而成。灌水采用塑料软管连接蓄水池出水口, 蓄水池出水口加装水表记载灌水量。冬小麦拔节期灌水和夏玉米出苗水灌水量根据地面小畦灌溉需要的水量设定, 均为70 mm。

冬小麦品种为‘衡4366’(中度耐盐), 夏玉米收获后秸秆粉碎还田, 施入底肥为过磷酸钙(16%)、复合肥(25-8-12)和尿素, 用量分别为900 kg∙hm−2、350 kg∙hm−2和70 kg∙hm−2, 翻耕整地后机播种植小麦。播量为225 kg∙hm−2, 行距为等行距20 cm。冬小麦收获后, 立即播种夏玉米, 夏玉米品种是‘郑单958’(轻度耐盐), 采用机播方式, 种植密度为6株∙m−2, 种植行距为60 cm。

1.3 取样和测定

1.3.1 气象数据

本试验的降水、温度和日照时数等气象数据来自试验地点附近的泊头气象站。

1.3.2 土壤盐分测定

1.3.3 土壤水分测定

每个小区安装中子仪管, 深度2 m, 利用中子仪(CNC100, Beijing Super Technology, Inc., China)在作物的关键生育期(苗期、拔节期、灌浆期、成熟期)进行土壤水分测定, 每20 cm深度用探头测定数值。

1.3.4 作物产量

冬小麦和夏玉米收获时测定所有小区的密度; 在每个小区选择10 m2进行人工收获测产, 冬小麦随机选取80茎用于测定收获指数、穗粒数和粒重; 夏玉米每个小区选择3株测定生物量和籽粒重, 计算收获指数。

1.4 数据处理方法

试验数据基于SPSS 25和Microsoft excel 2016进行计算和作图分析。不同处理间的数据采用单因素方差分析, 组间采用最小显著差数法(LSD)进行两两比较, 显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 试验期间的气象条件

表2为2015—2019年冬小麦和夏玉米生育期的气象要素。根据皮尔逊Ⅲ型模型对1970—2019年降水量进行了拟合, 根据降水保证率划分年型, 选定25%和75%为界限, 得到降水量大于635.6 mm的年型为丰水年, 降水量小于415.2 mm的年型为枯水年,介于415.2~635.6 mm之间的为平水年。夏季降水占全年降水量的78.3%。2015—2019年均为平水年。2016—2019年次降水量大于25 mm分别为6次、4次、7次、8次, 其中在夏季的有6次、4次、6次、8次; 次降水量大于50 mm分别为2次、1次、3次、1次, 均在夏季; 2015—2019年冬小麦和夏玉米生育期的日照时数低于多年平均, 日均温度高于多年平均, ≥10 ℃的积温也高于多年平均。

表2 2015—2019年冬小麦和夏玉米生育期气象因素

2.2 试验期间试验地土壤水分动态

2015—2019年冬小麦季拔节期灌溉淡水处理和旱作处理0~40 cm深度土壤水分的动态变化如图1所示。以降水较多的2017—2018年冬小麦季为例, 对0~40 cm土壤储水和消耗进行分析。播种冬小麦前灌溉底墒水, 可使土壤体积含水量达到25%以上, 越冬期冬小麦耗水很少, 从2017年12月9日到2018年3月14日淡水和旱作处理土壤含水量分别降低了2.3%和1.3%; 越冬期结束后, 由于作物快速生长和大气蒸散力的增加, 土壤含水量快速下降, 至2018年4月7日淡水和旱作处理土壤含水量分别为10.5%和15%, 淡水处理在拔节期进行灌溉可使土壤含水量恢复至25%左右, 但不能满足冬小麦的需水要求, 对土壤储水的利用逐渐增加; 至冬小麦收获时, 淡水和旱作处理上层土壤含水量达到了最低点, 分别为13.3%和11.3%。如果夏玉米播种时不进行灌溉, 夏玉米不能及时出苗和建立群体, 受制于夏玉米生育期的限制, 将影响其正常成熟。因此, 该区冬小麦和夏玉米一年两熟种植中夏玉米播种时的灌溉是必须的。夏玉米播后的出苗水灌溉, 使土壤水分出现明显回升, 保证了夏玉米及时出苗, 随后夏季降雨增加, 使得土壤水分出现动态波动的过程。

2.3 冬小麦灌溉不同矿化度微咸水后收获期土壤盐分的剖面分布

图2显示了2016—2019年冬小麦连续灌溉4个生育期, 各生育期收获后土壤盐分在剖面的分布情况。由于冬小麦生育期内降水较少, 在限水灌溉条件下, 土壤剖面水分是逐渐减少过程, 土壤盐分累积特别是土壤表层盐分含量增加明显。0~20 cm土层, 随着灌溉水矿化度升高, 土壤盐分含量增加。4个生育期冬小麦季灌溉1次淡水处理0~100 cm土层的平均含盐量分别是1.1 g·kg−1、1.2 g·kg−1、1.1 g·kg−1和1.2 g·kg−1, 100~200 cm土层的平均含盐量分别是1.5 g·kg−1、2.0 g·kg−1、2.0 g·kg−1和1.9 g·kg−1; 旱作处理在0~100 cm土层平均含盐量分别是1.1 g·kg−1、1.1 g·kg−1、1.1 g·kg−1和1.0 g·kg−1, 100~200 cm土层平均含盐量分别是1.9 g·kg−1、1.9 g·kg−1、1.9 g·kg−1和1.7 g·kg−1, 旱作处理和淡水灌溉土壤盐分含量没有明显差异。冬小麦季灌溉1次微咸水处理, 0~100 cm土层平均含盐量是1.3 g·kg−1、1.3 g·kg−1、1.5 g·kg−1和1.5 g·kg−1, 100~200 cm土层平均含盐量分别是1.6 g·kg−1、1.8 g·kg−1、1.9 g·kg−1和1.9 g·kg−1。不同矿化度微咸水处理(3~5 g·L−1)在0~100 cm土层4个生育期平均土壤含盐量分别为1.3 g·kg−1、1.4 g·kg−1和1.5 g·kg−1, 随矿化度升高呈增加趋势; 在100~200 cm土层分别为1.9 g·kg−1、1.7 g·kg−1、1.8 g·kg−1, 没有随微咸水矿化度升高而增加。可以看出, 与冬小麦季拔节期灌溉1次淡水或旱作相比, 灌溉1次微咸水在小麦收获时明显增加了0~100 cm土层的土壤含盐量, 对100~200 cm土层的含盐量影响不明显。

2.4 夏玉米播种水灌溉对耕层土壤盐分的影响

冬小麦收获后, 土壤表层含水量很低, 夏玉米播种水的灌溉既可以补充土壤水分, 也可以实现对土壤盐分的淋洗, 使表层土壤盐分含量达到夏玉米出苗的安全范围。图3显示了2016—2019年夏玉米播种水灌溉前后0~20 cm土层土壤含盐量的变化。在夏玉米播种水灌溉前, 0~20 cm土壤含盐量随着灌溉水矿化度的增加而增加, 4个生育期趋势相同。夏玉米播种水灌溉后, 冬小麦季淡水灌溉和旱作0~ 20 cm土层土壤含盐量没有明显变化, 而冬小麦季微咸水灌溉的0~20 cm土层土壤含盐量均呈现明显下降趋势, 2016—2018年下降到1.0 g·kg−1含盐量水平, 2019年下降到1.5 g·kg−1含盐量水平, 不同矿化度微咸水灌溉处理的土壤含盐量基本下降到同一水平。夏玉米播种水的灌溉, 使表层土壤含盐量降到了夏玉米出苗的安全范围之内, 保证了夏玉米正常出苗。

不同小写字母代表同一调查时间各处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same investigation time (<0.05).

2.5 不同矿化度微咸水灌溉对作物产量和产量构成的影响

2015—2019年冬小麦和夏玉米产量如图4所示。4个生育期灌溉淡水处理冬小麦平均产量为6255.6 kg∙hm−2, 灌溉微咸水(3~5 g∙L−1)的平均产量分别为6740.0 kg∙hm−2、6285.0 kg∙hm−2和6132.1 kg∙hm−2。结果表明, 2015—2016年和2017—2018年两个生育期冬小麦季拔节期灌溉淡水和灌溉微咸水(3~5 g∙L−1)的冬小麦产量没有显著差异。旱作处理与灌溉淡水或微咸水处理均有显著差异。与旱作相比, 冬小麦季拔节期灌溉淡水或微咸水(3~5 g∙L−1)的产量平均增产31.6%。旱作处理产量降低的主要原因是穗数和穗粒数的降低(表3)。2016—2017年, S3、S4与S5、CK处理的收获指数有显著差异, 其他3个生育期各处理间冬小麦收获指数均没有显著差异(表3)。

冬小麦生育期的微咸水灌溉增加了土壤中的盐分, 由于夏玉米的耐盐阈值低于冬小麦, 因此土壤中积累的盐分可能会对下茬作物夏玉米产量造成影响。夏玉米播种后的灌水, 减少了表层盐分积累对夏玉米生长的影响。2016—2019年冬小麦季灌溉淡水处理的夏玉米平均产量为9419.1 kg∙hm−2, 冬小麦季灌溉微咸水(3~5 g∙L−1)的夏玉米平均产量分别为9082.6 kg∙hm−2、9076.1 kg∙hm−2和9164.5 kg∙hm−2, 旱作处理的夏玉米平均产量为9471.3 kg·hm−2。结果显示, 冬小麦季拔节期灌溉微咸水后, 对夏玉米的产量有一定的减产作用, 但统计分析没有达到显著差异水平。与淡水灌溉相比, 冬小麦季拔节期用3~ 5 g∙L−1微咸水灌溉, 2016—2019年4个生育期夏玉米平均产量降低311.3 kg∙hm−2。产量降低的原因是穗粒数和百粒重的降低(表4)。4个生育期内各处理间夏玉米收获指数均没有显著差异(表4)。

2.6 夏季降水对土壤盐分淋溶作用及周年盐分平衡

根据2016—2019年试验地点的降水情况(表2)选取夏玉米生育期降水最小年份(2017年, 315.4 mm)和最大年份(2018年, 461.6 mm)分析降水对土壤盐分的影响。土壤盐分的剖面分布如图5所示。经过夏季降水的淋洗, 与冬小麦收获时的土壤含盐量相比, S3、S4和S5处理在2017年和2018年夏玉米收获时的土壤表层(0~40 cm)含盐量均有明显的降低, 2017年降低幅度分别为33.1%、29.7%和30.9%, 2018年降低幅度分别为38.1%、28.2%和46.6%; 但土壤深层的含盐量都没有明显降低。在夏季降水前后, 2017年和2018年淡水处理和旱作处理的土壤表层含盐量和深层含盐量均没有明显变化。经过夏季降雨的淋洗, 土壤表层的盐分可以被淋洗下去, 而土壤深层的含盐量并不会发生明显改变。

不同小写字母代表同一年份各处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (<0.05).

表3 2015—2019年不同矿化度微咸水灌溉对冬小麦产量构成及收获指数

不同小写字母代表同一年份各处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (<0.05).

表4 2016—2019年冬小麦季不同矿化度微咸水灌溉对下茬作物夏玉米产量构成及收获指数的影响

不同小写字母代表同一年份各处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (<0.05).

图6是2016—2019年灌溉微咸水处理的冬小麦收获后和夏玉米收获后的不同土壤层含盐量动态变化趋势。100~200 cm土层的平均含盐量明显高于0~40 cm和40~100 cm土层的平均含盐量, 这是由于土壤浅层盐分被淋洗到深层, 导致了100~200 cm土层的盐分积累。在0~40 cm土层, 土壤含盐量受降水和灌溉的影响较大, 呈现动态波动的变化过程, 与2016年相比, 2019年S3、S4和S5处理的平均含盐量均没有增加。在40~100 cm土层, 土壤含盐量波动范围明显减小, 与2016年对比, 2019年S3、S4和S5处理的40~100 cm土层平均含盐量也均没有增加。在100~200 cm土层, 土壤含盐量呈现缓慢的上升趋势, 从2016年到2019年, S3、S4和S5处理的土壤含盐量分别从1.6 g·kg−1、1.7 g·kg−1、1.7 g·kg−1增加到1.8 g·kg−1、2.1 g·kg−1、1.9 g·kg−1。所以从2016年夏玉米收获到2019年夏玉米收获, 冬小麦季拔节期灌溉3~5 g·L−1的微咸水在0~100 cm土层可以达到周年盐分平衡, 而在100~ 200 cm土层土壤含盐量有缓慢的上升趋势。

3 讨论

本研究发现, 冬小麦拔节期微咸水灌溉增加了小麦收获时土壤表层的盐分含量。王诗景等[25]在宁夏引黄灌区利用微咸水灌溉春小麦的试验也得到了类似的结论。主要原因是灌溉微咸水后, 土壤蒸发强烈, 盐分向上运移, 造成土壤表层盐分含量增加。杨培岭等[26]探究了不同矿化度微咸水(2.0 g·L−1、3.5 g·L−1和5.0 g·L−1)对土壤盐分分布的影响, 发现随着微咸水矿化度的增加, 同一土壤深度电导率呈增加趋势。除灌溉水矿化度对土壤含盐量影响之外, 土壤质地与土壤根层盐分的积累关系也比较密切。Liu等[5]发现与非均质土壤相比, 均质土壤可以减缓盐分积累且淋洗效率更高。本研究表明, 与灌溉1次淡水相比, 冬小麦季拔节期灌溉1次微咸水会增加小麦收获时0~100 cm土层的含盐量, 这与其他人的研究结果相一致[27], 本研究同时还发现100~ 200 cm土层的含盐量变化不明显。

本研究的结果表明, 冬小麦季拔节期灌溉3~5 g∙L−1的微咸水, 产量比不灌水小麦增加30%以上,与其他研究结果相似[17,28], 说明在淡水资源匮乏地区, 可以对冬小麦适度进行微咸水灌溉。一定的盐胁迫可以促进干物质向小麦籽粒中转移, 提高小麦产量[29]。龚雨田等[30]通过试验发现, 与淡水灌溉相比, 利用2 g∙L−1微咸水灌溉可以使冬小麦产量提高7.88%。本研究中与淡水灌溉处理4年平均冬小麦产量相比, 3 g∙L−1微咸水灌溉提高7.7%, 4 g∙L−1和5 g∙L−1微咸水灌溉与其产量基本相同, 均未达显著差异水平。总体来看, 利用3~5 g∙L−1微咸水灌溉不会降低冬小麦的产量。与他人研究结果基本一致[3-4,17]。

冬小麦收获时, 土壤表层的盐分含量达最大值, 土壤含水量接近凋萎点。播种夏玉米时必须通过灌溉才能保证夏玉米出苗和群体的及时建立, 通过一次灌水, 可降低表层土壤含盐量, 消减冬小麦季土壤表层盐分积累对夏玉米出苗的影响。2016—2019年的结果表明, 夏玉米播种期灌水可以明显降低0~20 cm土层含盐量, 使耕层土壤含盐量达到夏玉米出苗的安全范围。陈素英等[17]研究了灌溉量对0~20 cm土层含盐量的影响, 发现当灌溉量为70 mm时, 灌溉后第5 d土壤含盐量就可以降低到安全阈值(1 g∙kg−1)以内。小麦季不同矿化度的微咸水灌溉虽然不会对夏玉米的出苗率造成明显影响, 但夏玉米的生物量有显著差异[31], 夏玉米播种期灌水为夏玉米的生长发育提供了安全保证。

长期微咸水灌溉的重要问题是土壤盐分积累, 而盐分淋失需要降水或灌溉。环渤海低平原属于季风气候区, 夏季降水集中, 多年平均降水量为417.2 mm, 为盐分淋洗创造了有利条件。关于降水对土壤盐分影响的研究, 张妙仙等[32]在中国科学院封丘农业生态试验站进行的试验发现, 当地下水埋深为2.5 m时, 经过降雨量为366.3 mm的特大暴雨, 土壤盐分会从0~83 cm淋洗至83~200 cm土层。本研究与其结果基本一致。其他的研究也得出, 当次降雨量大于25 mm时, 土壤盐分可以得到淋洗, 当夏季降雨量达到300 mm时, 土壤盐分基本可以达到平衡[17]。本研究表明, 在平水年的情况下, 0~100 cm土层土壤含盐量可以达到周年盐分平衡, 100~200 cm土层含盐量略有增加。当遇到夏季降水小于300 mm的年份, 不能实现根层土壤盐分的有效淋溶, 导致土壤出现积盐过程, 但随后出现的多雨年份, 可增加盐分淋溶, 实现年际间的土壤盐分调控。在环渤海低平原冬小麦季拔节期灌溉3~5 g∙L−1微咸水不会带来上部主要根层土壤的盐分积累。在丰水年可以进一步促进土壤盐分的淋洗。

4 结论

环渤海低平原淡水资源匮乏, 但是微咸水资源丰富, 在冬小麦季拔节期利用微咸水代替淡水进行灌溉可有效缓解水资源不足与粮食生产之间的矛盾,实现灌溉农业的可持续发展。在连续4年的田间试验中, 得到了如下主要结论: 冬小麦季拔节期灌溉不大于5 g∙L−1的微咸水不会造成冬小麦减产, 且比旱作处理增产31.6%。与淡水或旱作相比, 冬小麦季拔节期灌溉微咸水(3~5 g·L−1), 在冬小麦收获时明显增加了0~100 cm土层的含盐量, 对100~ 200 cm土层的含盐量变化影响不显著。通过夏玉米播种期灌水, 可以有效地将耕层土壤盐分淋洗下去,使耕层土壤含盐量下降到1 g·kg−1以下, 达到夏玉米出苗的安全阈值。冬小麦季灌溉微咸水对夏玉米产量影响没有显著差异。环渤海低平原处于季风气候区, 具有夏季降水集中的优势, 可将冬小麦季微咸水灌溉带到土壤中的盐分有效淋洗下去, 实现周年土壤盐分平衡。保证长期微咸水灌溉下土壤和作物安全。

[1] DE FRAITURE C, WICHELNS D. Satisfying future water demands for agriculture[J]. Agricultural Water Management, 2010, 97(4): 502–511

[2] ZHOU Z M, ZHANG G H, YAN M J, et al. Spatial variability of the shallow groundwater level and its chemistry characte­ristics in the low plain around the Bohai Sea, North China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2012, 184(6): 3697–3710

[3] 张喜英, 刘小京, 陈素英, 等. 环渤海低平原农田多水源高效利用机理和技术研究[J]. 中国生态农业学报, 2016, 24(8): 995–1004 ZHANG X Y, LIU X J, CHEN S Y, et al. Efficient utilization of various water sources in farmlands in the low plain nearby Bohai Sea[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(8): 995–1004

[4] 刘小京, 张喜英. 农田多水源高效利用理论与实践[M]. 石家庄: 河北科学技术出版社, 2018 LIU X J, ZHANG X Y. Theory and Practice of Efficient Utilization of Various Water Sources in Farmland[M]. Shi­jiazhuang: Hebei Science & Technology Press, 2018

[5] LIU B X, WANG S Q, KONG X L, et al. Modeling and assessing feasibility of long-term brackish water irrigation in vertically homogeneous and heterogeneous cultivated lowland in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2019, 211: 98–110

[6] LIU X W, FEIKE T, CHEN S Y, et al. Effects of saline irrigation on soil salt accumulation and grain yield in the winter wheat-summer maize double cropping system in the low plain of North China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2016, 15(12): 2886–2898

[7] SINGH A, PANDA S N. Effect of saline irrigation water on mustard () crop yield and soil salinity in a semi-arid area of north India[J]. Experimental Agriculture, 2012, 48(1): 99–110

[8] WANG Q M, HUO Z L, ZHANG L D, et al. Impact of saline water irrigation on water use efficiency and soil salt accumulation for spring maize in arid regions of China[J]. Agricultural Water Management, 2016, 163: 125–138

[9] WANG, T Y, XU Z H, PANG G B. Effects of irrigating with brackish water on soil moisture, soil salinity, and the agronomic response of winter wheat in the Yellow River Delta[J]. Sustainability, 2019, 11(20): 5801

[10] TIAN F, HOU M J, QIU Y, et al. Salinity stress effects on transpiration and plant growth under different salinity soil levels based on thermal infrared remote (TIR) technique[J]. Geoderma, 2020, 357: 113961

[11] OZTURK O F, SHUKLA M K, STRINGAM B, et al. Irrigation with brackish water changes evapotranspiration, growth and ion uptake of halophytes[J]. Agricultural Water Management, 2018, 195: 142–153

[12] YANG G, LI F D, TIAN L J, et al. Soil physicochemical properties and cotton (L.) yield under brackish water mulched drip irrigation[J]. Soil and Tillage Research, 2020, 199: 104592

[13] HUANG M Y, ZHANG Z Y, SHENG Z P, et al. Soil salinity and maize growth under cycle irrigation in coastal soils[J]. Agronomy Journal, 2019, 111(5): 2276–2286

[14] KANG Y H, CHEN M, WAN S Q. Effects of drip irrigation with saline water on waxy maize (L. var.Kulesh) in North China Plain[J]. Agricultural Water Ma­nagement, 2010, 97(9): 1303–1309

[15] 陈素英, 张喜英, 邵立威, 等. 微咸水非充分灌溉对冬小麦生长发育及夏玉米产量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(3): 579–585 CHEN S Y, ZHANG X Y, SHAO L W, et al. Effect of deficit irrigation with brackish water on growth and yield of winter wheat and summer maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(3): 579–585

[16] SUN H Y, SHAO L W, LIU X W, et al. Determination of water consumption and the water-saving potential of three mulching methods in a jujube orchard[J]. European Journal of Agronomy, 2012, 43: 87–95

[17] 陈素英, 邵立威, 孙宏勇, 等. 微咸水灌溉对土壤盐分平衡与作物产量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2016, 24(8): 1049–1058 CHEN S Y, SHAO L W, SUN H Y, et al. Effect of brackish water irrigation on soil salt balance and yield of both winter wheat and summer maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(8): 1049–1058

[18] OULD AHMED B A, INOUE M, MORITANI S. Effect of saline water irrigation and manure application on the available water content, soil salinity, and growth of wheat[J]. Agricultural Water Management, 2010, 97(1): 165–170

[19] ROMIC D, ONDRASEK G, ROMIC M, et al. Salinity and irrigation method affect crop yield and soil quality in watermelon (lanatusL.) growing[J]. Irrigation and Drai­nage, 2008, 57(4): 463–469

[20] CHOUDHARY O P, GHUMAN B S, BIJAY-SINGH, et al. Effects of long-term use of sodic water irrigation, amendments and crop residues on soil properties and crop yields in rice-wheat cropping system in a calcareous soil[J]. Field Crops Research, 2011, 121(3): 363–372

[21] HU Y X, LI X W, JIN M G, et al. Reduced co-occurrence and ion-specific preferences of soil microbial hub species after ten years of irrigation with brackish water[J]. Soil and Tillage Research, 2020, 199: 104599

[22] SCUDIERO E, SKAGGS T H, CORWIN D L. Comparative regional-scale soil salinity assessment with near-ground apparent electrical conductivity and remote sensing canopy reflectance[J]. Ecological Indicators, 2016, 70: 276–284

[23] LAMSAL K, PAUDYAL G N, SAEED M. Model for assessing impact of salinity on soil water availability and crop yield[J]. Agricultural Water Management, 1999, 41(1): 57–70

[24] 王全九, 徐益敏, 王金栋, 等. 咸水与微咸水在农业灌溉中的应用[J]. 灌溉排水, 2002, 21(4): 73–77 WANG Q J, XU Y M, WANG J D, et al. Application of saline and slight saline water for farmland irrigation[J]. Irrigation and Drainage, 2002, 21(4): 73–77

[25] 王诗景, 黄冠华, 杨建国, 等. 微咸水灌溉对土壤水盐动态与春小麦产量的影响[J]. 农业工程学报, 2010, 26(5): 27–33 WANG S J, HUANG G H, YANG J G, et al. Effect of irrigation with saline water on water-salt dynamic and spring wheat yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(5): 27–33

[26] 杨培岭, 王瑜, 任树梅, 等. 咸淡水交替灌溉下土壤水盐分布与玉米吸水规律研究[J]. 农业机械学报, 2020, 51(6): 273–281 YANG P L, WANG Y, REN S M, et al. Soil moisture and saline distribution characteristics and maize stem water uptake under alternate irrigation between saline water and groundwater[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(6): 273–281

[27] 吴忠东, 王全九. 微咸水非充分灌溉对土壤水盐分布与冬小麦产量的影响[J]. 农业工程学报, 2009, 25(9): 36–42 WU Z D, WANG Q J. Effects of deficit irrigation with bra­ckish water on soil water-salt distribution and winter wheat yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(9): 36–42

[28] WANG X P, YANG J S, LIU G M, et al. Impact of irrigation volume and water salinity on winter wheat productivity and soil salinity distribution[J]. Agricultural Water Management, 2015, 149: 44–54

[29] FRANCOIS L E, GRIEVE C M, MAAS E V, et al. Time of salt stress affects growth and yield components of irrigated wheat[J]. Agronomy Journal, 1994, 86(1): 100–107

[30] 龚雨田, 孙书洪, 闫宏伟. 微咸水灌溉对冬小麦产量及农艺性状的影响[J]. 节水灌溉, 2017(9): 33–37, 42 GONG Y T, SUN S H, YAN H W. Study on the impact of saline water with different materialization degree on growth characteristics and yield of winter wheat[J]. Water Saving Irrigation, 2017(9): 33–37, 42

[31] 梁硕硕, 房琴, 闫宗正, 等. 水分调控降低盐分对夏玉米的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(9): 1388–1397 LIANG S S, FANG Q, YAN Z Z, et al. Moisture control reduces soil salt effect on summer maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1388–1397

[32] 张妙仙, 杨劲松, 李冬顺. 特大暴雨作用下土壤盐分运移特征研究[J]. 中国生态农业学报, 2004, 12(2): 47–49 ZHANG M X, YANG J S, LI D S. Salt migration characteristics of silt loam soil by rainstorm[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2004, 12(2): 47–49

Annual soil salt balance and crop performance under brackish water irrigation during the winter wheat season*

GAO Congshuai1,2, SHAO Liwei1, YAN Zongzheng1,2, LI Lu1,2, CHEN Suying1, ZHANG Xiying1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijng 100049, China)

The annual double cropping system of winter wheat-summer maize is a stable cropping system in the low plain of the Bohai Sea. Owing to the shortage of fresh water and the relative abundance of shallow saline water in this region, saline water is used to irrigate winter wheat. The accumulated salt in the soil after the winter wheat season affects the following summer maize season, and the annual soil salt balance is affected by saline irrigation. To address these issues, a continuous 4-year field study was conducted at the Nanpi Eco-agriculture Experimental Station of Chinese Academy of Sciences from 2015 to 2019. Four treatments were set up to irrigate winter wheat once using irrigation water (70 mm) with different total salt contents at the jointing stage, i.e., freshwater 1 g∙L−1(F), 3 g∙L−1brackish water (S3), 4 g∙L−1brackish water (S4), and 5 g∙L−1brackish water (S5). There was also a treatment without irrigation (rain-fed, CK). The results showed that there was no significant difference in winter wheat yield among the four irrigation treatments, and the average yield with irrigation was 31.6% greater than that of CK. Irrigation using brackish water increased the soil salt content of the top 1 m soil profile during winter wheat harvesting. The soil salt content increase was proportional to the salt content of irrigation water. There were no significant differences in the soil salt contents below 1 m. The necessary irrigation using 70 mm freshwater for the seedling establishment of summer maize after winter wheat harvest reduced the salt content of the top 20 cm soil layer, which created favorable soil conditions for maize growth. No significant differences in summer maize yield were observed among different treatments. With concentrated rainfall during the summer monsoon season, the salt content in the top soil layer (0–40 cm) for the S3, S4, and S5 treatments decreased by more than 30% due to leaching, but the salt content of deep soil did not change. The results showed that the high salt tolerance of winter wheat maintained a stable yield with saline water irrigation. With irrigation at maize sowing and the subsequent summer rainfall, the accumulated salt is leached out of the major root zone to enable the continued use of saline water irrigation for winter wheat in this region.

Brackish water irrigation; Winter wheat; Summer maize; Yield of crop; Salt content of soil; Soil salt balance

10.13930/j.cnki.cjea.200698

高聪帅, 邵立威, 闫宗正, 李璐, 陈素英, 张喜英. 不同矿化度微咸水灌溉冬小麦对下季作物产量和周年土壤盐分平衡的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(5): 809-820

GAO C S, SHAO L W, YAN Z Z, LI L, CHEN S Y, ZHANG X Y. Annual soil salt balance and crop performance under brackish water irrigation during the winter wheat season[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(5): 809-820

S153.4

* 中国科学院科技服务网络计划项目和河北省重点研发计划项目(20326422D)资助

张喜英, 主要从事农田节水机理与技术研究。E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

高聪帅, 主要从事农田节水机理与技术研究。E-mail: gaocongshuai18@mails.ucas.ac.cn

2020-08-26

2021-01-28

* The study was supported by the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences and Hebei Key R&D Initiative Project (20326422D).

, E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

Aug. 26, 2020;

Jan. 28, 2021

猜你喜欢

咸水含盐量盐分
宁夏中部压砂区表层土壤离子分布及盐分类型预测
黄河三角洲盐渍土有机氮组成及氮有效性对土壤含盐量的响应*
滴灌条件下盐渍土盐分淡化区形成过程中离子运移特征
海水这么咸的原因
聊城市地下咸水地质特征与综合开发利用分析
男孩身体触碰灯泡能将其点亮
淡水·咸水·微咸水在吹填土和吹填砂脱盐中的优化利用研究
含盐量对滑坡粘性土强度影响的试验研究
惊险!大胆蜗牛鳄口脱险
摄影欣赏