覆膜沟灌下施氮量对土壤水盐分布和向日葵产量的影响

白宇龙，蒋 静，翟登攀，张 鹏，郭军玲

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，太原 030031；3.土壤环境与养分资源山西省重点实验室，太原 030031)

土地盐碱化是阻碍我国农业发展的一个重要因素，大同盆地盐碱地面积20.4 万hm2，占山西总盐碱地面积的2/3以上，且碱化度较高，一般为10%～30%。加之降雨量少，蒸发量大，径流少，使得该地区盐碱、干旱现象严重，作物生长环境十分恶劣。向日葵是我国主要油料作物之一，种植面积居第2[1]，且耐盐碱、耐干旱。因此，开展垄膜沟灌，并合理调控施氮量，对合理利用该地区水土资源，提高作物产量具有十分重要的现实意义。盐渍化农田传统的灌溉方法以地面漫灌为主，然而这种方法的灌溉生产效率会大幅度降低[2]。沟灌由于开沟培土及生育前期不灌溉，使得作物根系更发达，且灌水量相对较少，入渗效果好，基本无深层渗漏现象，肥料不易流失，有利于作物吸收利用，产量较高[3]。Cook和Valdes Gerardo等通过试验得出地膜覆盖具有提高土壤温度，降低田间水分蒸发，促进土壤微生物活动，提高肥料利用效率和作物产量等作用[4]。Baht和Shari指出，N是影响油葵产量的重要因素，适当增加氮肥施用量可促进油葵地上部的吸收[5]。覆膜沟灌是一种近年来在我国西北地区发展的地面节水灌溉的技术，具有减少土壤蒸发量，增加土壤储水量等特点[6]。沟灌+覆膜+优化施肥技术集成在节水40%的前提下，水分利用率提高1.5倍，土壤盐分下降12.3%～15.8%，土壤有机质增加17.5%、速效氮增加70.7%、速效磷增加30%以上，土壤微生物活性增强[7]。本试验通过对施氮量的控制，研究向日葵生育期内畦灌及覆膜沟灌下盐渍化土壤的电导率、含水量、pH及产量变化规律，为合理利用水土资源、防治土壤盐碱化以及提高盐碱地向日葵产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年5-9月在山西省农业科学院盐碱地改良试验基地进行，该基地地处山西省朔州市怀仁县毛皂镇(N 39°54′，E 113°15′)，海拔1 015 m。该基地位于大同盆地中部，属于北温带大陆性季风气候，冬季属于寒冷半干旱气候[8]，季节分布明确，为典型的盐碱地分布地区，年均气温7.3 ℃，高于10 ℃的有效积温为3 047 ℃，平均无霜期150 d左右，平均年降水量为315～459 mm，降水主要分布在夏季的7-9月，雨热同季，蒸发量约为1 500 mm。年均日照时数2 800 h，试验区主要是砂壤质土，盐碱土是苏打型盐碱土，含有较多的钠离子和碳酸氢根离子。容重1.65 g/cm3，田间持水率32%(体积含水率)，0～100 cm土体各土层土壤基本理化性质见表1。

表1 0～100 cm土层土壤理化性质

1.2 试验设计

供试向日葵品种“RH3708”，采用水平畦灌(Q，长10 m宽3 m)和宽垄覆膜沟灌(G)的耕作灌溉方式。播种日期为2017年5月26日，收获日期9月21日，全生育期为118 d。田间的垄沟设计标准：垄高度15 cm左右，垄顶宽度为70 cm左右，沟深15 cm左右，沟宽约为30 cm，垄台与沟底高度差30 cm。向日葵的播种方式采用人工穴播，每条垄上播种2行，向日葵行距60 cm，株距35 cm。播种前采用旋土机进行松土并相应地撒施基肥，氮肥为尿素。P2O5用量45.7 kg/km2，K2O用量54.84 kg/km2。施氮量：156、260和364 kg/hm2(N1、N2和N3)，对照组不施氮(N0)[9]。肥料基肥与补肥的比例为7∶3。该试验共设6个处理，3个平作，3个垄作，试验小区面积为35 m2(长7 m，宽5 m)，采用土埂分开，每个小区周围均设宽1.0 m的缓冲区，种植保护行。灌水量根据当地传统在生育期内的作物的各个时期灌溉(幼苗期6月27日灌水110 mm、现蕾期7月21日灌水130 mm、开花期8月21日灌水100 mm)，各处理及设置如表2所示。

1.3 测定指标及测定方法

1.3.1 土壤含水率

在向日葵全生育期内对各个生育阶段土壤进行取样，取3个点作为重复，深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm共采取6层。采用烘干法测量并计算土壤含水率。

1.3.2 土壤电导率及pH的测量

取样深度和时间和含水率一致，将土样风干，粉碎，过2mm 筛孔，制备土壤饱和浸提液(土水比为1∶5)，利用SG-3型电导率仪测定电导率(EC1∶5)[10]。称取通过2 mm筛孔的风干土10 g两份，各放在50 mL的烧杯中，一份加无二氧化碳蒸馏水，另一份放置30 min后份加1 mol/L KCl溶液各25 mL(此时土水比为1∶2.5，含有机质的土壤改为1∶5)间歇搅拌或摇动30 min用酸度计测定。

表2 向日葵灌溉施肥方案

1.3.3 产量及其构成因素

作物收获后对盘径，千粒质量和籽粒产量进行考种。

1.4 数据处理及分析

使用Microsoft Excel进行数据处理和规律分析，利用SPSS 20软件进行方差统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验，当p<0.05时认为差异达到显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下施氮量对土壤盐分分布的影响

由图1可知，EC1∶5沿土层垂直方向变化明显分为两个部分：0～40 cm土壤层和40～100 cm土壤层。

图1 不同时期土壤0～100 cm盐分剖面分布(Q为畦灌、G为沟灌、R为垄、F为沟)Fig.1 Soil salt distribution of 0～100 cm in different periods

在水平畦灌(Q)处理下，0～40 cm土层EC1∶5变化不太明显，在覆膜沟灌垄上(GR)土，除不施氮(N0)的0～10 cm表层EC1∶5在1 700 μS/cm左右，其他施氮处理的表层EC1∶5均在2 100 μS/cm左右。在5月26日(播种前)随着施氮量的增加，覆膜沟灌垄上(GR)10～20 cm土层的电导率逐渐增加，其中N0、N1、N2和N3分别约为1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm。在覆膜沟灌沟中土(GF)，除5月26日(播种前)EC1∶5较大，其他生育期0～10 cm土层EC1∶5均在1 000 μS/cm左右，10～20 cm土层EC1∶5在900 μS/cm左右。这是由于作物蒸腾作用，使得深层土壤中水分向上运移，盐分随着水分一起被带入表层土壤中[11]，导致该表层EC1∶5增大。40～100 cm各个处理土层EC1∶5的差异性不大，其数值均在1 000 μS/cm以下。

在不施氮的条件(N0)下，沟灌垄上(GR)土EC1∶5为1 600 μS/cm左右，比水平畦灌(Q)的0～40 cm表层EC1∶5要低15%～30%，沟中(GF)表层EC1∶51 000 μS/cm比水平畦灌(Q)低40%～50%。40 cm以下深层EC1∶5沟灌(300 μS/cm左右)比水平畦灌(420 μS/cm)低20%～40%。而在施氮条件下，沟灌垄上(GR)表层EC1∶5和水平畦灌(Q)差异不显著(p>0.05)，但随着施氮量增加二者表层EC1∶5都略微增加，沟灌沟中(GF)土0～40 cm表层EC1∶5较水平畦灌(Q)低40%～60%。40 cm以下土壤层多属于生土层，电导率较低，其基本分布于200～1 000 μS/cm之间。但是沟(GF)中土各个时期的电导率较垄上土(GR)和畦灌(Q)低40%左右。

2.2 不同施氮量对播种前后土壤盐分变化的影响

对各个处理下作物播种前后耕作层盐分变化，发现大部分小区的含盐量都有小幅降低(见表3)。原因是播种前施有机肥和氮磷钾肥，在作物生长过程中对其盐分的吸收使EC1∶5出现降低。经过对比可以得出，在一定范围内，随着施氮量的增加，EC1∶5的降低幅度越小。而在不同的灌溉方式下，沟灌与畦灌相对比，EC1∶5降低幅度更大，一定程度上说明沟灌有利于改善土壤盐分。但是当施氮量比较大时，沟灌与畦灌的差异性会减少，这是因为降雨，灌水和作物生长等不确定因素的影响。

表3 各个处理下作物播种前后耕作层(0～40 cm)盐分变化表

2.3 不同施氮处理对各耕作方式下作物生育期土壤含水率的影响

0～100 cm土壤是作物根系分布的主要区域，该区域内灌溉、降雨、蒸发等因素均会引起土壤水分变动。各处理土壤水分变化[12]如图2所示。由图2可知，剖面土壤水分含量具有明显分层现象，即浅层土壤含水量低，深层土壤含水量高。

由图2得出，覆膜沟灌下垄上(GR)土0～40 cm土层变化幅度较沟中(GF)土和畦灌(Q)土略有减少，这是因为沟灌垄上覆膜具有保水作用。沟灌(G)下40～100 cm土层含水率均在15%～20%之间，而畦灌(Q)含水率则在13%～21%之间。从整个生育期看水平畦灌(Q)含水率变化幅范围0%～13%，覆膜沟灌垄上(GR)含水率变化范围0%～10%。可以得出覆膜沟灌更有利于植物生长。土壤含水率空间分布特征及土壤储水量受灌水、施肥、植物吸收和蒸腾，土壤蒸发等影响。本研究发现，合理增施氮肥，可以促进土壤保水性，有助于作物成长，但过量施肥，会导致土壤结板，抑制作物生长。

2.4 不同灌溉下施氮量对pH的影响

图3得出各处理收获期土壤的pH与播种期相比均显著(p<0.05)降低。0～40 cm表层土壤水平畦灌(Q)下，N0的pH比播种前降低10.3%，QN1、QN2和QN3分别降低15.2%、15.9%和15.3%，覆膜沟灌(G)下，N0的pH比播种前降低10.3%，GN1、GN2和GN3分别降低15.4%、15.7%和15.6%。其中N2降低最明显。40～100 cm表层土壤土壤水平畦灌(Q)下，N0的pH比播种前降低10.3%，QN1、QN2和QN3分别降低12.9%、13.1%和12.9%，覆膜沟灌(G)下，N0的pH比播种前降低9.8%，GN1、GN2和GN3分别降低13.4%、14.8%和14.3%。其中N2降低最明显。0～40 cm表层土pH收获时均在7.0～7.5之间。40～100 cm表层土pH收获时均在7.5～8.0之间。说明合适的耕作方式可以改善盐碱地，降低土壤的pH。

图2 向日葵全生育期内个处理下不同土层的含水率变化图(Q为畦灌、G为沟灌、R为垄、F为沟)Fig.2 Variation of water content in different soil layers under the whole growth period of sunflower

图3 向日葵播种收获时期各个处理下土壤pH变化(Q为畦灌、G为沟灌、R为垄、F为沟)Fig.3 PH change under different treatments before and after sowing of sunflower

2.5 不同灌溉下施氮量对向日葵产量的影响

表4为向日葵在不同处理下成熟期各个生长指标及产量的数值。水平畦灌和覆膜沟灌下，在一定范围内随着施氮量增加，向日葵的盘径、千粒重、籽粒产量均会增加，但是当施氮量过高时又会降低。对比各个处理发现在覆膜沟灌情况下，采用260 kg/hm2的施氮时，向日葵生长最优，盘径22.5 cm、千粒重192.30 g、籽粒产量4 893.8 kg/hm2。沟灌下作物EC1∶5比畦灌平均大0.02%，结合数据得出沟灌有利于作物对养分的吸收，使作物的产量获得大幅增加。

表4 向日葵不同处理下产量及性状

注:同列不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

3 讨 论

盐分和水分是影响作物生长发育的关键指标。在研究中发现覆膜沟灌垄上表层EC1∶5在2 100 μS/cm左右，沟中在1 000 μS/cm左右，得出垄有聚盐作用。这与王增丽[13]的研究结论一致。在不同施氮量下随着施氮量的增加覆膜沟灌垄上(GR)10～20 cm土层的EC1∶5逐渐增加，其中N0、N1、N2和N3分别约为1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm，土壤的EC1∶5在与施氮量呈正相关，促进作物生长，植物根系吸收更多盐离子。但是过量施氮会抑制作物生长，减少盐分吸收，可能产生盐渍化现象，这与闫建文和史海滨[2]的结果一致。除6月份外，其他各个生育期施肥量越大，作物对土壤水分的吸收利用就越多，剖面土壤含水量就越低这与魏孝荣,郝明德的研究结论一致[14]。从整个生育期看水平畦灌(Q)含水率变化幅度0%～13%，覆膜沟灌垄上(GR)含水率变化范围0%～10%。根据畦灌和沟灌对比，可得出沟灌保水性更好。这验证了李永平的起垄覆盖集水效应[15]。

在同一灌溉方式下，在一定范围内播种前后土壤0～40 cm土层pH降低幅度高于40～100 cm土层，这是由于在收获期土壤表层的盐分在降水及灌溉的作用下向下移动，表层钠盐被作物部分吸收。因此表层土的pH会比播种前有加大幅度的降低。随着施氮量的增加，土壤表层pH会略有增加。这与张鹏[16]的结论相同。施氮量与灌水方式对作物产量均会造成影响。在施氮量相同时，覆膜沟灌对产量变化影响更显著。当施氮量在260 kg/hm2左右时，向日葵成熟时的生长状况最好，水平畦灌增产在25%以上，覆膜沟灌产量增加在30%以上。而过量施氮又会抑制作物生长，降低产量。

4 结 论

在干旱盐碱地地区，覆膜沟灌能改善当地土壤的水盐状况。在不施氮的条件下，垄上土比水平畦灌的0～40 cm表层EC1∶5低15%～30%，沟中表层EC1∶5比水平畦灌低40%～50%。40～100 cm以下深层EC1∶5，沟灌比水平畦灌低20%～40%。在施氮条件下，沟灌沟中土0～40 cm表层EC1∶5较水平畦灌低40%～60%。覆膜沟灌整个生育期土壤含水率均在10%～23%内，覆膜沟灌下农田在向日葵播种前及收获后pH降低比水平畦灌效果更好。在各个施氮水平下土壤表层EC1∶5N0N1>N2>N3。在一定范围内，而随着施氮量的增加，作物对水分的吸收越多，土壤剖面的含水量越低[17]。当施氮量在260 kg/hm2时，向日葵成熟时的生长状况最好，水平畦灌增产在25%以上，而覆膜沟灌产量增加在30%以上。因此可以说明覆膜沟灌可以在一定程度上加快土壤盐分的向下运移，减少土壤表层水分的蒸发[18]，为当地作物提供良好的生长环境，提高作物产量，对大同盆地盐碱地农业的持续发展具有重要的现实意义。