长期咸水灌溉对棉田土壤水稳性团聚体的影响

吴雨晴，郑春莲，孙景生，李科江，党红凯，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； 3.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业部作物需水与调控重点开放实验室，河南 新乡 453002）

0 引 言

【研究意义】华北平原作为我国重要的棉粮产区，淡水资源紧缺，许多地区农林灌溉用水依赖深层地下水开采，这已成为地下水超采和降落漏斗形成的主导影响因素[1-2]，然而，该地区地下浅层咸水分布广泛，尚未有效利用。以位于该区的河北低平原为例，咸水分布面积占总面积的91.8%，总储水量约153.9 亿m3，利用面积尚不及10%[3]。因此，合理开发利用咸水资源, 对于缓解水资源危机、扩大农业用水等方面有非常重要的意义。【研究进展】许多学者指出[4-6]，若方法得当，咸水可代替淡水用于农业灌溉。咸水灌溉具有两面性，在增加土壤湿度的同时，也将盐分离子带入农田与土壤颗粒发生物理化学作用，进而影响土壤结构[7]。咸水灌溉会增加土壤体积质量，降低土壤孔隙度，并对土壤质地产生不利影响。Sameni 等[8]研究提出土壤中盐分和阳离子（特别是Na+）质量浓度过高会引起土壤中黏粒量的改变。李小刚等[9]对甘肃景电灌区盐化土壤结构稳定性进行分析，指出土壤中黏粒的分散导致团聚体的分散和微孔隙崩塌，限制水分和气体的运动，造成土壤结构不稳定。土壤团聚体作为土壤的基础单元结构，其分布可以表征土壤结构稳定性。通常用直径>0.25 mm 水稳性团聚体量、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）作为衡量土壤水稳性团聚体稳定性的指标[10-12]。【切入点】以往有关农田团聚体稳定性的研究多集中在农业耕作制度或土地利用方式等方面[10-13]，鲜见咸水灌溉对农田团聚体稳定性的报道。咸水灌溉对土壤质量的影响具有持续性，短期研究难以揭示其影响效应。【拟解决的关键问题】兹连续10 a 定位咸水灌溉棉田土壤为研究对象，探索长期咸水灌溉对土壤水稳性团聚体的影响，研究结果有助于丰富咸水灌溉技术体系，对于实现咸水资源安全高效利用和农业可持续发展具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河北省农林科学院旱作节水农业试验站进行。该站地处北纬37°44′，东经115°47′，平均海拔高度21 m；属温带大陆性季风气候，年平均气温12.8 ℃，年均降水量500 mm，年均蒸发量为1 785 mm，年日照时间2 509 h。供试验土壤为壤土，0～20 cm 耕层有机质量11.5 g/kg，速效氮量76 mg/kg，速效钾量112 mg/kg，速效磷量15 mg/kg；0～100 cm 土壤体积质量为1.44 g/cm3，田间持水率为28%。试验区地下水埋深大于5 m。

1.2 试验设计

棉花咸水定位灌溉试验始于2006 年，2006—2007 年种植模式为棉花单作，为探索棉花—饲用黑麦连作模式的可行性，于2008—2011 年棉花收获后播种饲用黑麦，2012 年黑麦收获后恢复棉花单作。共设置5 个咸水质量浓度水平，即2、4、6、8、10 g/L，分别记作T1、T2、T3、T4、T5，以当地深井淡水（1 g/L）灌溉处理为对照（CK）。2、4、6、8、10 g/L咸水均使用当地深层地下水掺兑海盐配制而成，离子组成如表1 所示。灌水方式为畦灌，作物播种前及生育期间灌水计划湿润层土壤含水率低于田间持水率60%时灌水，灌水定额75 mm，2006—2015 年年灌水量分别为75、75、150、225、225、150、75、75、75、150 mm。采用大田随机区组试验设计，设置3 个重复，共18 个小区，试验小区面积为37.62 m2（6.6 m×5.7 m）。

表1 灌溉水离子组成 Table 1 Ion content in irrigation water

本研究在长期咸水定位畦灌试验的基础上开展，重点分析了连续咸水灌溉第10年（2015年4—10月）棉田土壤盐分和水稳性团聚体状况。2015 年棉花造墒前CK、T1、T2、T3、T4、T5 处理0～60 cm 土层盐分质量分数分别为0.10%、0.11%、0.16%、0.16%、0.22%、0.29%。供试棉花品种为“冀863”，4 月21日各处理采用对应矿化度的灌溉水进行播前造墒，4月25 日采用宽窄行植棉方式人工播种，宽行80 cm，窄行50 cm，播后窄行覆膜，株距30 cm，于播种后第20 天用移栽法补齐棉苗。花铃初期（7 月5 日）进行了补灌，造墒和补灌的灌水定额均为75 mm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品的采集与测定

土壤盐分：于2015 年棉花苗期（5 月22 日）和吐絮期（10 月25 日）采集棉田0～30 cm 土层的土样，每10 cm 分为1 层。每个小区的宽行中心和窄行中心各采集 1 个样点。土样风干后研磨过筛，采用DDS-307A 型电导率仪（上海雷磁）测定土水比1∶5悬浊液的电导率（EC1:5）。

土壤水稳性团聚体：于2015 年棉花苗期（5 月22 日）和吐絮期（10 月25 日）采集0～30 cm 土层的原状土，每10 cm 分为1 层，每个小区的宽行中心和窄行中心各采集1 个样点。采用TPF-100 型土壤团粒结构分析仪测定土壤水稳性团聚体组成，测定方法为湿筛法[10]。称取风干土样50 g，放置套筛最上层，套筛自上而下孔径大小依次为2、0.25、0.053 mm，于水中浸润10 min 后震荡10 min，筛动频率为30次/min。筛好后，将各级筛层团聚体收集至铝盒中，烘箱60 ℃烘干，称质量并计算。每个处理4 次重复。

1.3.2 结果计算

1）土壤盐度用土壤盐分质量分数（%）来表示，与EC1:5之间相关关系为[14]：

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016 和DPS 软件进行数据处理和分析。多重比较采用LSD 法，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 棉田土壤盐分

由图1 可以看出，土壤盐分在棉花生长前期和后期均随灌溉水矿化度的增加而增大。棉花生长前期（苗期），与CK 相比，T1、T2、T3、T4 和T5 处理0～30 cm 土层平均土壤盐分增加8.46%、55.51%、145.77%、163.08%和177.40%，其中，T2、T3、T4、T5 处理与CK 均差异显著。同一灌水矿化度处理下，随着土层深度的增加，土壤盐分整体呈降低趋势。与0～10 cm 土层相比，20～30 cm 土层内CK、T1、T2、T3、T4 和T5 处理土壤盐分依次降低25.52%、11.68%、18.87%、9.93%、15.77%和22.81%。

棉花生长后期（吐絮期），各处理土壤盐分降低，与前期相比，CK、T1、T2、T3、T4、T5 处理棉田0～30 cm 土层的平均土壤盐分依次减少了51.87%、54.08%、50.23%、64.14%、42.60%、27.41%。同一灌水矿化度处理下，土壤盐分随土层深度的变化趋势与前期相反，均随土层深度的增加而增大，与0～10 cm土层相比，20～30 cm 土层内CK、T1、T2、T3、T4和T5 处理土壤盐分依次增大38.90%、21.61%、33.12%、54.44%、45.01%和38.19%

图1 咸水灌溉对棉田土壤盐分的影响 Fig.1 Effects of saline water irrigation on soil salinity in cotton field

2.2 棉田土壤水稳性大团聚体数量

从图2 可以看出，棉田土壤水稳性大团聚体的量整体呈随灌水矿化度的增大而减小的趋势，0～10 cm土层表现尤为明显。棉花生长前期，T1、T2、T3、T4、T5 处理棉田0～30 cm 土层大团聚体平均量较CK依次降低5.26%、8.13%、15.43%、22.43%、29.45%。其中，0～10 cm 土层内，T4 和T5 处理较CK 分别降低了33.04%和48.22%，差异达显著水平。同一灌水矿化度处理下，随土层深度增加，CK、T1、T2、T3处理的水稳性大团聚体呈先降低后上升的趋势，以10～20 cm 土层大团聚体量最低。当灌溉水矿化度达到8 g/L 和10 g/L 时，水稳性大团聚体量随土层深度的增加而增大。

棉花生长后期，各处理水稳性大团聚体量均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4、T5 处理0～30 cm 土层大团聚体量平均较前期分别增加了35.18%、33.34%、29.57%、29.79%、15.15%、53.23%。与前期相同，咸水灌溉处理棉田的大团聚体量小于CK，与CK 相比，T1、T2、T3、T4、T5 处理0～30 cm 土层大团聚体量平均依次降低1.9%、8.9%、12.2%、17.4%、23.8%。同一灌水矿化度处理下，团聚体量在土层间的变化规律与前期不同，除T4 和T5 处理外，其余各处理大团聚体量随土层深度增加先上升后降低，以10～20 cm土层大团聚体量最高；T4 和T5 处理以20～30 cm 的量最高。

图2 咸水灌溉对棉田土壤水稳性大团聚体量的影响 Fig.2 Effects of saline water irrigation on the content of soil water stable big aggregates in cotton field

2.3 棉田土壤水稳性团聚体大小

由表2 可以看出，棉花生长前期，MWD 随灌水矿化度增加而减小，以0～10 cm 土层为例，T1、T2、T3、T4、T5 处理棉田的MWD 分别比CK 降低了5.9%、9.9%、16.0%、29.6%、38.2%，其中T4、T5 处理与CK 差异显著。GMD 随灌溉水矿化度的变化规律与MWD 相似，以10～20 cm 土层为例，与CK 相比，T1、T2、T3、T4、T5 处理GMD 依次降低7.5%、12.3%、23.7%、30.7%、47.8%，其中T4、T5 处理与CK 相比差异显著。不同土层下，T1、T2、T3 处理的MWD随土层深度的增加呈先降低后上升的趋势，以10～20 cm 土层的MWD 值最小，当灌水矿化度达到6、8 g/L时，水稳性团聚体的MWD 随土层深度增加呈上升趋势。GMD 随土层变化规律与之相似。

棉花生长后期各处理棉田的MWD 与GMD 均有所增大。与前期相比，CK、T1、T2、T3、T4、T5处理棉田0～30 cm 土层的平均MWD 分别增加了23.8%、24.0%、26.5%、33.5%、29.8%、39.8%，GMD依次增加30.9%、27.3%、26.0%、20.1%、19.3%、21.7%。与前期变化规律相似，棉花后期MWD 与GMD 整体上亦随灌水矿化度的增加而降低，以10～20 cm 为例，T1、T2、T3、T4、T5 处理下MWD 较CK 分别降低0.4%、6.1%、11.4%、21.8%、35.1%，GMD 依次降低2.8%、8.6%、13.1%、41.8%、53.1%，其中T4、T5 处理与CK 差异显著。

表2 咸水灌溉对棉田土壤水稳性团聚体MWD 和GMD 的影响 Table 2 Effects of saline water irrigation on soil water stable aggregates MWD and GMD in cotton field

2.4 棉田土壤水稳性团聚体分形特征

由图3 可以看出，无论在棉花生长前期还是后期，棉田土壤水稳性团聚体的D 值均随灌水矿化度的增加整体呈上升趋势。以棉花生长后期10～20 cm 土层为例，T1、T2、T3、T4、T5 处理的D 值较CK 依次增加1.2%、1.8%、3.5%、5.7%、6.0%。

与棉花生长前期相比，棉花生长后期，各处理土壤水稳性团聚体D 有所降低CK、T1、T2、T3、T4、T5 处理在0～30 cm 各土层内水稳性团聚体D 的降低幅度依次为5.3%～10.3%、4.6%～9.3%、3.1%～9.0%、4.3%～8.4%、4.4%～7.8%、4.5%～9.1%，其中，10～20 cm土层的降低幅度最大。同一灌水处理下，CK、T1、T2、T3 处理棉田水稳性团聚体D 随土层深度增加先减小后增大，T4、T5 处理相反。

2.5 棉田土壤水稳性团聚体稳定性指标相关性分析

由表3 可知，棉田土壤盐度及水稳性团聚体各指标间均具有一定相关性。整体来看，棉田0～30 cm 土层平均土壤盐度与R0.25、MWD、GMD 呈极显著负相关，与D 呈极显著正相关。水稳性团聚体各指标间，R0.25、MWD、GMD 之间相互呈极显著正相关，均与D 呈极显著负相关。与棉花生长前期相比，后期土壤盐度与各水稳性团聚体指标之间相关系数均有所下降，其中，土壤盐度与D 之间的相关性下降至0.05水平上的显著相关。

图3 咸水灌溉对棉田土壤水稳性团聚体分形维数的影响 Fig. 3 Effects of saline water irrigation on fractal dimension of soil water stable aggregates in cotton field

表3 棉田土壤盐度及水稳性团聚体各参数之间的相关性 Table 3 The correlation between soil salinity and parameters of water-stable aggregates in cotton fields

3 讨 论

咸水灌溉在增加土壤水分的同时，也带入了盐分。本研究中，棉花生长前期，咸水灌溉棉田土壤盐度较高，且随灌溉水矿化度增加而增大、随土层深度的增加呈降低趋势。原因可能是棉花播种前进行了灌水，灌溉水矿化度愈高，带入的盐分愈多，此外，棉花生长前期干旱少雨，蒸发返盐强烈，导致盐分表聚。棉花生长中期（7—9 月）恰逢该区的雨季，生育期内降雨可对土壤盐分进行有效淋洗，由此促使棉花后期0～30 cm 土层含盐量较前期明显降低，表层（0～10 cm）土壤淋盐效果最为明显。

团聚体是土壤结构最基本的单元，其数量和质量可以表征土壤的透气性、持水性和孔隙性[17-18]，其中直径>0.25 mm 水稳性团聚体是结构性最好的一类团聚体[19]。本研究表明，咸水灌溉有减少大团聚体量的趋势，究其原因，咸水灌溉带入土壤大量的Na+，Na+可以代替黏土矿物颗粒中的Ca2+和吸附在土壤颗粒表面或者团聚体层间的Mg2+等土壤黏合剂，进而引起土壤颗粒的膨胀与分散[20-21]。棉花生长前期，同一灌水条件下，随土层深度的增加，CK、T1、T2、T3处理棉田土壤大团聚体数量先降低后增大，以10～20 cm 土层量最低，这是由于每年4 月底棉花播种前均对试验田进行旋耕，旋耕深度约12～15 cm，耕作层以下形成了厚度约5～7 cm 的犁底层，耕层土壤团聚体结构遭到破坏，大团聚体量降低[10,13]。然而，T4、T5 处理大团聚量随土层深度增加而增大，此规律与土壤盐度分布规律负相关，由此可知，在10～20 cm土层，低矿化度灌水处理下大团聚体量受耕作机械扰动影响较大，高矿化度灌水处理受土壤盐分的影响较大。

MWD、GMD 是评价土壤结构性的数量指标，同时评价了土壤团聚体的数量和大小，其值越大，土壤团聚度和稳定性越强[22]。本试验表明，长期咸水灌溉有减小MWD、GMD 的趋势，张余良等[23]研究得出了相似结论。本研究中，棉花生长前期，0～10 cm 土层内，T4、T5 处理的MWD 显著低于CK，但经过生育期内盐分淋洗和土壤环境稳定，棉花生长后期，各处理MWD上升且与CK差异不显著。GMD呈与MWD类似的变化规律。说明咸水灌溉会降低土壤团聚度和稳定性，但经过棉花生育期降雨淋盐，表层土壤环境得到改善，有助于其他更稳定的金属离子作为胶结物质与黏团形成团聚体；同时，表层土壤环境的改善，可使微生物活性增加，各级团聚体在微生物分泌多糖物质黏结矿物颗粒和吸附小团聚体多糖类物质作用下，形成临时性团聚体[24]，进而对土壤水稳性团聚体稳定性起到恢复作用。此外，通过本研究还可看出，适量的质量浓度咸水灌溉对土壤团聚度和稳定性影响不大（表3），当灌溉水矿化度小于6 g/L 时，棉花生长前后期棉田土壤各土层MWD 和GMD 与CK 相比均无显著差异，水稳性团聚体较稳定。冯棣[25]基于土壤盐分平衡、棉花产量和纤维品质，认为环渤海低平原区适宜棉花生长的灌水矿化度阈值为6 g/L，本研究结论与之相似。

分形维数D 是反映土壤结构几何形体的参数，其值越小，土壤的结构与稳定性越好。本试验表明，D随灌水矿化度的增加呈升高趋势，说明咸水灌溉导致土壤水稳性团聚体稳定性降低。棉花生长前期，T4、T5 灌水处理表层土壤含盐量高，D 随土层深度的增加而降低，这与其他研究中非咸水灌溉农田团聚体土层变化规律相反[12,26]。棉花生长后期，各处理棉田水稳性大团聚体D 较前期降低，以10～20 cm 土层恢复最为显著。

本研究中，土壤盐分与R0.25、MWD、GMD 极显著负相关，与D 极显著正相关，说明土壤中盐分离子会降低土壤水稳性团聚体的稳定性，破坏土壤结构。且棉花生长后期，土壤盐分与各水稳性团聚体指标相关系数较前期有所减小，说明在棉花生育期降雨淋盐、土壤自然沉降[11,26]等作用下，土壤环境改善，土壤盐分对团聚体的不良影响有所降低。

4 结 论

1）咸水灌溉增加了土壤盐分、降低了水稳性团聚体稳定性。随灌溉水矿化度的增加，土壤水稳性大团聚体数量、MWD、GMD 均呈下降趋势，D 的变化规律与上述指标相反。

2）棉花生长后期土壤水稳性大团聚体数量、MWD、GMD 较前期均有所回升，D 有所下降，以10～20 cm 恢复效果最为显著。

3）与CK 相比，T1、T2、T3 处理棉田不同时期不同土层的水稳性团聚体指标差异均不显著，连续多年咸水灌溉条件下低于6 g/L 的咸水灌溉对棉田土壤水稳性团聚体破坏程度较小。