王艺乔，郑春莲，李科江，党红凯，曹彩云，马俊永，吴雨晴，张俊鹏

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.河北省农林科学院旱作农业研究所，河北省农作物抗旱研究重点实验室，河北 衡水 053000)

环渤海低平原区土地资源丰富，地势低平，区域气候条件优越，适宜发展农业生产，但受地表淡水资源匮乏的制约，农业用水长期依靠抽提深层地下淡水来维系，由此造成严重的地下水超采，并引发一系列地质灾害。然而，该区蕴藏着丰富的可更新浅层咸水资源却未有效利用。以黑龙港地区为例，咸水分布面积占91.8%，总储量达1.59×10m，其中矿化度2～5 g/L的浅层地下咸水分布面积67%，易开采咸水资源量达7×10m，但实际咸水利用量仅为5%。有研究表明，若利用方法得当，咸水可代替淡水用于农业生产。

咸水灌溉在增加土壤水分的同时亦带入盐分，土壤中适量的盐分对作物生长影响不大，甚至有促进效应。高聪帅等研究指出，冬小麦生育期降水少且耐盐能力较强，微咸水灌溉对冬小麦有保产作用，利用夏季降水与玉米播种水可有效淋洗耕层土壤盐分，维持作物生长的安全阈值。然而，若咸水利用方法不得当，会导致土壤盐分过量累积，降低土壤水分有效性，影响作物生长发育；江晓慧等研究表明，灌溉水盐分浓度>150 mmol/L时，植物体内光合器官受损，抑制棉花正常生长。团聚体是土壤结构的重要表征指标，其稳定性能够反映土壤结构好坏以及土壤透气性、持水性和抗蚀性，对作物生长具有重要影响。王纯等报道指出，盐分是影响团聚体分布及稳定性的重要限制参数，盐溶液进入土壤后通过离子交换，溶解胶结剂使大团聚体破坏；吴雨晴等研究表明，长期咸水灌溉有增加棉田土壤盐分、降低水稳性团聚体稳定性的趋势，其中<6 g/L的咸水灌溉棉田土壤积盐较少，土壤水稳性团聚体破坏程度较小，但当灌溉水矿化度≥6 g/L时，棉田土壤盐分显著增加，水稳性团聚体稳定性指标明显降低。土壤有机质是土壤养分的重要指标，可为土壤团聚体的形成提供胶结物质。张文等研究发现，咸水滴灌带入棉田土壤的盐分加快了有机质分解，土壤有机质含量随灌溉水盐度的增加而显著降低。

实现咸水资源安全利用的关键在于控制土壤盐分含量在合理范围之内，确保土壤环境不恶化。施用有机肥具有增加土壤养分和调控土壤盐分的双重作用，可有效改善土壤环境。已有研究表明，长期施用有机肥能够增加土壤中有机质和腐殖质含量，增强土壤团聚体稳定性，改善土壤通透性，进而促进土壤盐离子淋洗。Zhang等研究指出，施用有机肥可明显提高土壤团聚体稳定性以及与团聚体相关的有机质和腐殖酸浓度，改善土壤结构和固碳能力。以往关于咸水灌溉和施用有机肥单项因子对土壤盐分和团聚体稳定性影响的研究已有很多，但二者组合对土壤结构的影响效应鲜见报道。此外，受制于土壤水分迁移转化，咸水灌溉配施有机肥农田盐分运移过程极其复杂，致使其对土壤环境的影响具有持续性，短期研究难以揭示其影响效应。本文在麦玉两熟制农田长期定位咸水灌溉(始于2006年)和施用有机肥(始于2010年)试验的基础上，以2018年和2019年为例，研究了不同矿化度咸水灌溉下增施有机肥对农田耕层土壤盐分、有机质含量和水稳性团聚体稳定性的影响，旨在探究施用有机肥对咸水灌溉农田土壤环境的调控效应，丰富咸水安全利用技术体系，为缓解区域淡水资源危机、确保农业可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2018—2019年在位于河北省深州市护驾迟镇的河北省农林科学院旱作节水农业试验站(37°44′N，115°47′E)进行。该站地势平坦，海拔21 m，属于温带大陆性季风气候；多年平均气温12.8 ℃，年日照时间2 509 h，无霜期188天，多年平均降水量500 mm，70%降水集中在7—9月，年均蒸发量1 785 mm。2006年试验初始0—20 cm土层土壤有机质含量12.8 g/kg，速效磷含量17.6 mg/kg，速效钾含量134 mg/kg，碱解氮含量65.5 mg/kg；0—100 cm土层土壤田间持水量为28%，容重1.44 g/cm。试验区土壤类型为黏质壤性脱盐土，地下水埋深>5 m。

1.2 试验设计

本研究在麦玉两熟制农田长期定位咸水灌溉配施有机肥试验的基础上开展。咸水定位灌溉始于2006年10月，试验小区面积为57 m(9.5 m×6 m)，小区之间设置隔离带。依据灌溉水矿化度设置4个处理，分别为1，2，4，6 g/L，其中，1 g/L淡水取自当地深层地下水，2，4，6 g/L咸水使用深层地下水掺兑海盐配制而成，离子组成见表1。每个处理6次重复，随机排列。2010年10月开始，每个咸水灌溉处理的3组重复小区开始施用有机肥，另外3组重复不施有机肥；增施有机肥处理和不施用有机肥处理分别用OF和NOF表示。有机肥施用方案为每年冬小麦播种前施用1次，采取人工撒播的方式，均匀施用牛粪(有机质含量48.4%)75 m/hm。各处理的灌溉制度为：冬小麦生长季灌2～3次水，即造墒水(若播前土壤墒情较好，即0—20 cm土壤含水率大于田间持水量的70%，不再浇造墒水)、起身拔节水和扬花水；夏玉米一般只浇灌蒙头水(若播种时0—20 cm土壤含水率大于田持的70%，不再灌水)，遇干旱年份，若灌水计划湿润层(苗期0—40 cm、拔节期0—60 cm)土壤含水率低于田持60%，补灌1次水。灌水方式均为地面畦灌，灌水定额60 mm，水表计量。2017—2018年与2018—2019年，以夏玉米收获为时间节点的周年灌水量分别为240，300 mm，降水量依次为648.7，382.6 mm，逐月降雨分布情况见图1。各小区于小麦播种前施入基肥，撒施磷酸二铵(含PO46%和N 18%)450 kg/hm和尿素(含N 46%)150 kg/hm，春季结合第1次浇水追施尿素(含N 46%)375 kg/hm，玉米播种时底施专用复合肥(含N 25%，PO8%，KO 12%)675 kg/hm。所有处理的农业管理措施保持一致。

表1 灌溉水盐分特性

图1 2017-2019年冬小麦—夏玉米生长季降水逐月分布

1.3 土壤样品采集与分析

(1)土壤盐度：2018年和2019年夏玉米收获期(2018年10月2日和2019年9月30日)，采用土钻在各小区采集耕层(0—20 cm)土样，每小区采集3个样点均匀混合后作为1次重复。土样风干后，粉碎、过筛，按土水质量比1∶5配制悬浊液，使用DDS-307A型电导率仪测定电导率()。

(2)土壤有机质：土样采集时间及方法同土壤盐度一致，采用水合热重铬酸钾氧化—比色法测定土壤有机质含量。

(3)土壤水稳性团聚体：2018年和2019年夏玉米收获期(2018年10月2日和2019年9月30日)，采集各小区耕层(0—20 cm)原状土壤。在采集和运输过程中尽量减少对土壤的扰动，运回实验室后，沿原状土的自然剖面结构剥成1 cm左右的小块，将土样剔除杂质，自然风干。采用湿筛法对土壤水稳性团聚体组成进行分级。称取50 g土样，放置于TPF-100型土壤团粒结构分析仪套筛的最上层，将样品浸润10 min后振荡10 min，土样依次过5，2，1，0.5，0.25，0.053 mm筛网，湿筛结束后，将筛层各粒级团聚体分别冲洗入铝盒中，60 ℃烘干后称重。本研究采用水稳性大团聚体质量分数(，%)、平均重量直径(MWD，mm)、几何平均直径(GMD，mm)和质量分形维数()4个指标来表征土壤水稳性团聚体的稳定性，计算公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Office 2016和SPSS 25.0软件进行数据处理与分析，不同处理之间采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较，显著性水平为=0.05。

2 结果与分析

2.1 咸水灌溉配施有机肥对土壤盐度的影响

图2为2018年和2019年夏玉米收获时各处理农田0—20 cm土层土壤盐度()。从图2可以看出，同一施肥条件下土壤随着灌溉水矿化度的增加而增大，以未施有机肥为例，与1 g/L处理相比，2018年2，4，6 g/L处理的土壤分别增加19.41%，49.00%，78.85%；2019年依次增加11.86%，114.59%，243.52%，其中，4，6 g/L与1 g/L处理间的差异达显著水平。增施有机肥有降低咸水灌溉农田土壤盐度的趋势，与不施有机肥相比，施用有机肥条件下2018年2，4，6 g/L灌水处理的土壤分别降低4.86%，4.64%，15.28%；2019年依次降低17.53%，48.29%，30.99%。年际之间，2019年各处理耕层土壤均高于2018年，NOF和OF处理的增幅分别为65.92%～240.19%和38.32%～177.09%。

注：同一年份不同小写字母表示处理之间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 咸水灌溉配施有机肥对土壤有机质含量的影响

由图3可知，NOF和OF条件下，SOM含量均呈现随灌溉水矿化度增加而减小的趋势。以NOF处理为例，与1 g/L相比，2018年2，4，6 g/L灌水处理农田土壤有机质含量分别降低6.98%，10.97%，18.09%；2019年依次降低9.75%，15.87%，22.29%，其中，4，6 g/L与1 g/L灌水处理间的差异达显著水平。施用有机肥可显著增加耕层SOM含量，与NOF相比，OF条件下2018年1，2，4，6 g/L灌水处理SOM含量分别增加80.75%，86.7%，88.91%，101.25%；2019年依次增加97.41%，112.33%，115.25%，127.32%。与NOF条件下1 g/L处理相比，OF条件下所有灌水处理的SOM含量均显著增加。年际间，2019年各处理SOM含量较2018年均有所降低，NOF和OF处理的降低幅度分别为25.34%～29.45%和17.62%～20.00%。

图3 2018-2019年夏玉米收获时不同处理农田0-20 cm土壤有机质含量

2.3 咸水灌溉配施有机肥对土壤水稳性团聚体的影响

从表2可以看出，同一施肥条件下，、MWD和GMD均随着灌溉水矿化度增加而降低，呈现相反趋势。以NOF处理为例，与1 g/L相比，2018年和2019年2，4，6 g/L灌水农田土壤分别降低6.65%～53.96%和5.76%～31.39%，MWD分别减小7.46%～50.06%和8.31%～33.68%，GMD分别下降5.50%～45.94%和3.20%～26.52%，则分别增大3.70%～7.39%和0.84%～4.87%，其中4，6 g/L与1 g/L处理间的差异达到显著水平。不同灌水处理下，施用有机肥可显著增加土壤、MWD和GMD，降低。与NOF相比，2018年和2019年OF条件下各处理的分别增加12.38%～90.44%和10.36%～28.56%，MWD分别提高50.78%～129.11%和12.90%～31.84%，GMD分别增大30.75%～81.57%和11.88%～22.87%，分别下降1.42%～4.59%和0.47%～2.18%。与NOF条件下1 g/L灌水处理土壤团聚体稳定性指标相比，OF条件下仅6 g/L处理显著下降。年际间，2019年各灌水处理土壤水稳性大团聚数量和稳定性指标整体上优于2018年。

表2 2018-2019年夏玉米收获时不同处理农田0-20 cm土壤水稳性大团聚体质量分数及稳定性指标

统计分析结果显示，2018年施用有机肥对土壤和的影响达到显著水平，对MWD、GMD的影响达到极显著水平；灌溉水矿化度对和无显著影响，但其对MWD、GMD有显著影响；施用有机肥与灌溉水矿化度交互作用对团聚体各指标的影响均达到显著水平。2019年，施用有机肥对耕层土壤、MWD和GMD均有极显著影响，对有显著影响；灌溉水矿化度对土壤MWD具有极显著影响，对、GMD和有显著影响；二者交互对土壤团聚体各项指标的影响均不显著。

2.4 咸水灌溉农田土壤水稳性团聚体稳定性指标与盐分和有机质的相关性分析

从表3可以看出，2018年2种施肥模式下土壤SOM、、MWD和GMD与均呈显著负相关关系，土壤与呈显著正相关关系；与NOF相比，OF条件下土壤SOM、、MWD、GMD和等指标与之间的相关系数均有所降低。2019年NOF条件下土壤SOM、、MWD和GMD与均呈显著或极显著负相关关系，土壤与呈显著正相关关系；与NOF相比，OF条件下土壤有机质含量及水稳性团聚体各项指标与间的相关系数均明显下降，其中仅土壤与之间的相关性显著。2018年和2019年，2种施肥模式下土壤、MWD、GMD和与SOM均具有显著或极显著相关性；与NOF相比，OF条件下土壤团聚体各项指标与SOM之间的相关系数有所增加(2018年除外)。

表3 不同灌水处理农田0-20 cm土壤EC1∶5、SOM及团聚体各指标间的相关关系

3 讨 论

咸水灌溉可改变土壤盐度，本研究中，与1 g/L相比，2 g/L灌水处理耕层土壤无显著变化，4 g/L和6 g/L处理显著增加，Liu等基于棉花长期咸水灌溉得到与之相似结论。究其原因是适量浓度咸水灌溉带入土壤的盐分可通过降雨淋洗实现补排平衡，但当灌溉水矿化度超过一定限度，带入土壤盐分过多，降雨无法充分淋洗将产生盐分累积。施用有机肥可有效调控土壤盐度，当灌溉水矿化度≥2 g/L时，OF处理的土壤低于NOF处理，原因是增施有机肥能改善土体结构，提高土壤渗透性，可增强灌溉和降水对盐分的淋溶作用，促进耕层土壤脱盐。土壤盐分迁移机制非常复杂，年际间存在较大差异，2019年各处理土壤均明显高于2018年，原因是2019年干旱少雨，在夏玉米生育期间补灌了1次咸水，带入土壤的盐分增多，加之干旱导致土壤蒸发较为强烈，致使各处理耕层土壤盐度相对较高。

有机质作为土壤肥力的重要物质基础，是衡量土壤质量的重要指标之一。本研究中，农田耕层SOM含量随着灌溉水矿化度增加和灌水次数增多呈现下降的趋势，SOM含量与土壤呈显著负相关关系，刘文全等研究得到与之相同的结论。出现这种情况的原因是，咸水灌溉导致土壤盐度升高，破坏土壤团粒结构，减弱土壤对有机质固定和储存的能力；同时，作物生长受抑，地上部凋落物、秸秆等有机质来源减少。有机肥中富含有机质，本研究表明，增施有机肥可显著提高各灌水处理耕层SOM含量。究其原因，一是施用有机肥增加了外源有机物的直接输入量，二是施用有机肥可改善土壤环境，来自作物残留物和根系分泌物的碳源增加，有机质的输入量大于输出量。年际间，2019年有机质含量整体低于2018年，原因是2019年多灌1水带入土壤盐分多，作物受到干旱和盐分胁迫双重影响，生长发育差，王国栋等对干旱地区棉田土壤的研究得到与之相似的结果。与2006年试验初始时相比，2018年和2019年夏玉米收获时NOF条件下各处理的耕层土壤有机质含量均明显降低，这主要是长期单施化肥和连续多年咸水灌溉作用的结果；但OF条件下各处理的土壤有机质含量均有所增加，说明增施有机肥可有效缓解长期灌溉咸水和施用化肥对土壤有机质产生的负面影响，保持甚至提高土壤肥力。

土壤团聚体是土壤养分的储存库，也是土壤结构的基本组成单元，团聚体的稳定性常用、MWD、GMD以及等指标来评价，、MWD和GMD越大，值越小，表征土壤团聚体稳定性越强。诸多研究表明，咸水灌溉破坏土壤团粒结构。本研究中，、MWD、GMD随着灌溉水矿化度的升高均呈减小趋势，值呈增大趋势，当灌溉水矿化度≥4 g/L时，团聚体稳定性指标显著下降，这与吴雨晴等研究得出的结论相似。原因是灌溉咸水中Na占绝对优势，土壤胶体上吸附的交换性Na含量增加使胶体的电动电位增加，引起土壤团聚体的破碎与分散等物理变化，进而降低土壤团聚体的稳定性。施用有机肥能够增加土壤活性有机碳含量，促进团聚体的形成和稳定。本研究结果显示，相同矿化度咸水灌溉条件下OF处理的耕层土壤团聚体稳定性指标显著优于NOF处理。其原因在于有机肥不仅能够增加土壤中纤维素、多糖、腐殖酸等大分子有机组分，为土壤团聚体的形成提供胶结物质，还可为微生物提供营养基质，而微生物在团聚体的形成和稳定中发挥重要作用。本研究中，灌溉水矿化度和有机肥均对土壤团聚体稳定性指标产生重要影响，但前者的影响效应为负面，而后者是正面，其影响作用力为有机肥>灌溉水矿化度>二者互作。统计分析结果表明，NOF条件下耕层SOM含量、WR、MWD、GMD和与土壤之间，以及WR、MWD、GMD和与SOM含量之间均呈现显著或极显著相关性，相比之下，OF条件下土壤有机质含量和团聚体稳定性指标与土壤盐度间的相关性有所降低，而团聚体稳定性指标与有机质含量间的相关性升高。这进一步说明施用有机肥可减弱咸水灌溉带入盐分对土壤水稳性团聚体稳定性的不利影响，增强团聚体稳定性。年际之间，与2018年相比，2019年各处理耕层土壤增加，SOM含量降低，但土壤水稳性团聚体稳定性指标却有所提升，原因是土壤团聚体稳定性除受土壤盐分和SOM含量影响外还是，还受到取样时间、生产活动等因素的影响，2019年取样时间是夏玉米收获开始之前，耕层土壤未受到机械碾压等因素的影响，而2018年的取样时间是在玉米收获后，机械碾压对大团聚体的数量及稳定性造成一定程度的破坏。

4 结 论

(1)麦玉两熟制农田连续多年咸水灌溉条件下，夏玉米收获时耕层土壤随灌溉水矿化度的增加而增大，且4，6 g/L与1 g/L处理间的差异达显著水平；施用有机肥可促进咸水灌溉农田土壤盐分淋洗，降低耕层土壤盐度，4，6 g/L灌水处理尤为明显。

(2)土壤有机质含量随灌溉水矿化度的增加呈降低趋势，与1 g/L处理相比，4，6 g/L灌水处理显著降低；施用有机肥可显著增加各处理耕层土壤有机质含量，1，2，4，6 g/L灌水处理的增加幅度分别为80.75%～97.41%，86.7%～112.33%，88.91%～115.25%，101.25%～127.32%。

(3)咸水灌溉有降低耕层土壤水稳性团聚体稳定性的趋势，随灌溉水矿化度的升高，>0.25 mm水稳性大团聚体质量分数、团聚体平均重量直径和几何平均直径逐渐减小，分形维数逐渐增大，其中4，6 g/L与1 g/L灌水处理间的差异达显著水平。施用有机肥可显著提高各灌水处理的土壤团聚体稳定性指标。综上，在本研究条件下，≥4 g/L咸水灌溉会显著增加土壤盐分，降低土壤有机质含量，破坏土壤团粒结构，存在恶化土壤质量的风险；配施有机肥能有效降低咸水灌溉对土壤环境产生的不利影响，增大咸水的利用范围。建议试验区麦玉两熟制农田施用有机肥和不施有机肥条件下咸水灌溉的矿化度阈值分别为4，2 g/L。