不同水质滴灌与施氮措施下土壤盐分及关键离子变化研究_陈昊.pdf

2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 80 文章编号：1672-3317（2023）01-0080-07 不同水质滴灌与施氮措施下土壤盐分及关键离子变化研究 陈 昊1,2，王 军2*，马 超2，胡海珠1，李久生2（1.内蒙古大学，呼和浩特 010021；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）摘 要：【目的】探明不同滴灌水质和施氮量对土壤盐分及关键离子变化的影响。【方法】基于棉花盆栽试验，设置3 个施氮水平，分别为：F1（255 kg/hm2）、F2（315 kg/hm2）和 F3（375 kg/hm2）；3 个滴灌水质，分别为：Q1（矿化度为 1.27 g/L），Q2（矿化度为 3.03 g/L）和 Q3（矿化度为 4.90 g/L），分析不同滴灌水质与施氮水平下的土壤盐分及关键离子的响应差异。【结果】棉花生育末期，微咸水与咸水滴灌下的土壤总盐量与 Na+、Ca2+物质的量浓度分别相比地下水滴灌高 14%78%、42%197%与 58%253%；土壤钠吸附比（SAR）与可交换性钠百分比（ESP）相比地下水滴灌提高了 5%109%与 48%90%；较高施氮量（315、375 kg/hm2）下的土壤总盐量、Na+、Ca2+物质的量浓度相比低施氮量（255 kg/hm2）降低了11%70%、6%42%与21%138%，土壤SAR与ESP分别降低了5%27%与3%19%。【结论】土壤盐分总量随着滴灌水质矿化度的增加而增加，适宜的施氮量（315 kg/hm2）能够降低土壤盐分总量和关键离子量，缓解土壤盐碱化。关 键 词：滴灌；微咸水；土壤盐碱化；离子；水肥一体化 中图分类号：S278 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022396 OSID：陈昊,王军,马超,等.不同水质滴灌与施氮措施下土壤盐分及关键离子变化研究J.灌溉排水学报,2023,42(1):80-86.CHEN Hao,WANG Jun,MA Chao,et al.The Combined Effect of Drip Irrigation Quality and Nitrogen Fertilization on Soil Salinity and Na+and Ca2+Concentration in Soil WaterJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):80-86.0 引 言1【研究意义】水资源短缺是制约中国西北干旱区农业可持续发展的关键因素。近年来，滴灌技术因其节水、增产和增效的优势1，在我国西北地区得到了大面积推广应用，成为缓解干旱区水资源短缺的重要途径。另一方面，西北干旱区地下微咸水资源丰富，合理利用微咸水资源已成为缓解该地区水资源短缺的有效措施。然而，不合理的微咸水灌溉极易导致土壤盐碱化2。因此，有必要重点分析干旱区微咸水不同灌溉与施肥措施对土壤盐分的影响。【研究进展】微咸水灌溉后的土壤盐分水平取决于微咸水矿化度。张刘东等3认为，灌溉水矿化度越高，土壤盐分累积量则越大。Wei 等4研究表明，矿化度为 2.0 g/L 的微咸水灌溉可以缓解土壤盐渍化，而 3.55.0 g/L 的微咸水灌溉则会增加土壤盐分累积量。同时，微咸水中的盐分会影响土壤微生物活性5，进而影响作物对氮素的转化和吸收。适当的微咸水灌溉和施肥管理措施能够促进作物生长，且不增加 收稿日期：2022-07-16 基金项目：国家自然科学基金项目（52179055，51790513）；中国水科院基本业务费专项（ID110145B0022021）；科技兴蒙专项（NMKJXM202105）作者简介：陈昊（1998-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 通信作者：王军（1984-），男。正高级工程师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 土壤含盐量6。侯森等7发现，微咸水灌溉条件下增施氮肥可以降低盐分对棉花生长的胁迫程度。Zhang等8发现，盐分胁迫下增施氮肥可以提高棉花产量和氮素利用效率。邵志远等9研究表明，适当增施氮肥可降低土壤盐分累积量。Che 等10研究表明，微咸水灌溉条件下，棉花蕾期和花铃期施氮量为 255 kg/hm2和 375 kg/hm2能够有效降低根区土壤盐分累积量。然而，Min 等11认为，增施氮肥可以促进作物的蒸腾作用，从而增加土壤水分流失，导致根区可溶性盐的淋洗量减少，上层土壤盐分发生累积。【切入点】近年来，国内外学者围绕微咸水灌溉施肥措施对土壤盐分与作物生长的影响开展了大量研究。然而，灌溉水质与施氮量之间的交互作用机制尚不清楚，微咸水灌溉条件下的施氮水平对土壤盐分变化的影响尚存在争议。同时，旱区土壤和水质的时空变异性进一步增加了微咸水灌溉下土壤盐分演变的复杂性和不确定性。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究基于控制性棉花盆栽试验，研究不同滴灌水质与施氮量对土壤盐分总量、关键离子量、钠吸附比（SAR）、可交换钠百分比（ESP）的影响，进而确定适宜的灌溉水质与施氮量，为我国干旱区微咸水灌溉的水肥科学管理提供技术支撑。陈昊 等：不同水质滴灌与施氮措施下土壤盐分及关键离子变化研究 81 1 材料与方法 1.1 研究区概况 露天盆栽试验于 2020 年 510 月在新疆生产建设兵团第一师水利局水土保持试验站内（811143E，403722N，海拔 1 017 m）进行。该地区属于典型的暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年平均气温为11.3，年平均降水量为 45.7 mm，年际蒸发量为1 8772 559 mm。地下水埋深为 35 m。研究区土壤性质如表 1 所示。表 1 试验地土壤物理性质 Table 1 Physical properties of soil in the study plots 土层深度/cm 体积质量/(g cm-3)田间持水率/(cm3 cm-3)颗粒质量百分数/%土壤质地 0.002 mm 0.050.002 mm 0.052.0 mm 020 1.54 0.22 1.04 45.15 53.79 砂壤土 2040 1.52 0.21 0.99 43.24 55.76 砂壤土 4060 1.44 0.24 0.89 40.44 58.76 砂壤土 注 土壤分类基于美国农业部的土壤分类系统，由土壤颗粒百分比确定。1.2 试验设计 供试棉花品种为“新陆早 46 号”。采用露天控制性盆栽试验，盆栽所用容器为外径 40 cm、高 70 cm 的 PVC 桶。在桶底铺设 5 cm 厚度的反滤层并开设 3 个直径为 1.5 cm 的圆孔，以便排水和通气。土壤风干后过 5 mm 筛，按平均田间土壤体积质量（1.50 g/cm3）在反滤层上方分层填土，每层填土 5 cm，共 60 cm。040 cm 土层土壤的初始盐分和离子量如表 2 所示。试验考虑了灌溉水质和施氮量 2 个因素。施氮量水平包括：低氮（F1，255 kg/hm2）、中氮（F2，315 kg/hm2）、高氮（F3，375 kg/hm2）。灌溉水质包括：地下水（Q1，矿化度为 1.27 g/L）、微咸水（Q2，矿化度为 3.03 g/L）和咸水（Q3，矿化度为 4.90 g/L）。同时，设置深层地下水不施氮作为对照（CK）。试验共计 10 个处理，每个处理设置 10 个重复。地下水和微咸水的化学性质如表 3 所示。表2 试验地土壤盐分初始值 Table 2 Initial values of soil salinity in the study plots 土壤盐分量/(g kg-1)Na+量/(mmol L-1)K+量/(mmol L-1)Mg2+量/(mmol L-1)Ca2+量/(mmol L-1)5.57 66.17 3.75 2.79 56.40 表 3 灌溉水化学特性 Table 3 Irrigation water chemical characteristics in the study area 水质 TN 量/(mg L-1)K+量/(mg L-1)Na+量/(mg L-1)Ca2+量/(mg L-1)Mg2+量/(mg L-1)CO32-量/(mg L-1)HCO32-量/(mg L-1)Cl-量/(mg L-1)SO42-量/(mg L-1)地下水 0.356 4.92 259 83.4 34.0 0.1 76.7 605 206 微咸水 1.79 12.6 615 141 67.5 5.30 78.1 1 190 839 咸水 0.585 20.3 1320 216 108 2.65 124 2 010 1 370 1.3 灌水与施肥 棉花生育期内灌水定额根据作物需水量确定。ETc采用计算为：ETc=KcET0，（1）式中：ETc为作物需水量（mm/d）；Kc为参考作物系数12，取值参考 Yang 等13研究结果，苗期（030 d）为 0.23，蕾期（3180 d）为 0.230.88，花铃期（81135 d）为 0.88，吐絮期（136180 d）为 0.880.45；ET0为 参 考 作 物 需 水 量，利 用FAO56推 荐 的Penman-Monteith 公式计算。灌水方式为膜下滴灌，滴头流量为 1.6 L/h。灌水间隔期为 7 d，每次灌水量为 125%ETc。试验周期内共灌水 11 次；在蕾期、花铃期和吐絮期分 3 次施氮，施氮量分别为设计总施肥量的 30%、40%和 30%。灌水施氮过程如图 1 所示。1.4 土壤 SAR、ESP 与阳离子测定 在棉花蕾期、花铃期与吐絮期分别利用直径为4 cm 的土钻采集 020、2040、4060 cm 土样，分层测定 060 cm 土壤含盐量。将土样在阴凉处风干后研磨、过 2 mm 筛。取风干土 10 g，按 15 的土水比加入蒸馏水 50 mL，振荡 3 min，浸提后利用土壤电导仪测定土壤溶液的电导率。根据 Yang 等13提出的土壤电导率（EC1:5）与盐分质量比之间的标定关系计算土壤含盐量。同时，利用离子色谱仪（881 Compact IC Pro）测定土壤浸提液中的无机盐分离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）量。在此基础上，计算土壤钠吸附比（SAR，（mmol/L）0.5）和土壤可交换性钠百分比（ESP，%），计算方法详见文献14。1.5 统计分析 采用方差分析（ANOVA）检验灌溉水质和施氮量单因素和交互作用对土壤盐分、阳离子、SAR 和 ESP的影响（p0.05）。利用 SPSS19.0 软件对数据进行双因素方差分析（Two-way ANOVA）和显著性分析。灌溉排水学报 http:/ 82 (a)灌水过程 (b)施氮过程 图 1 灌溉和施氮过程 Fig.1 Irrigation and fertigation process 2 结果与分析 2.1 土壤含盐量变化 不同处理下的棉花各生育阶段土壤含盐量变化如图 2 所示。全生育期内土壤含盐量呈增加趋势。棉花吐絮期地下水、微咸水和咸水灌溉下的土壤含盐量相比蕾期分别高 21.6%38.5%、23.6%54.0%和24.5%51.7%。灌溉水质对棉花全生育期土壤含盐量的影响显著（表 4）（p0.05），土壤含盐量随着灌溉水矿化度的增加而增加。棉花蕾期、花铃期、吐絮期，微咸水与咸水灌溉下的土壤含盐量相比地下水灌溉分别高 11.1%30.9%、11.8%26.1%、14.2%54.9%与 28.7%70.5%、32.1%63.1%、40.9%78.2%。表 4 不同因素土壤含盐量方差分析 Table 4 Variance analysis of soil salinityduring different growth stages 因子 蕾期 花铃期 吐絮期 灌溉水质 0.004(*)0.007(*)0.0