微咸水滴灌条件下水氮互作模式对枸杞生长及农田土壤环境的影响研究

刘 月，杨树青 ，刘 敏，符 鲜，刘瑞敏

(内蒙古农业大学水利与土工建筑工程学院，呼和浩特 010018)

0 引 言

内蒙古河套灌区是我国土壤盐渍化发育的典型地区，盐渍土面积约占总土地面积的40%，耕地中不同程度盐渍化土约占总耕地面积的55%[1]，严重制约着当地农业发展。该区地下微咸水资源丰富，对其开发利用有利于地下水资源更新、淡水存储和生态环境建设与保护[2]。水和肥是作物生长的两大关键因素，同时，也是相互影响和制约的两个因子。滴灌施肥系统可以根据作物的需求准确地控制水肥施用制度，既能保证作物必需的养分，又可以提高养分利用效率，避免养分淋失[3]。枸杞属河套灌区地方特产，喜水肥，较耐寒，耐盐碱，在pH值不超过8.5的情况下均能正常生长，在河套灌区的种植面积达到1.33 万hm2，且枸杞是我国的一味常用中药，具有滋补肝肾、益精明目[4]、润肺止咳、延缓衰老等功效。目前有关水氮互作对作物光合特性、产量及品质等的研究较多，微咸水滴灌条件下水氮互作的研究也有较多报道，供试作物多为玉米、小麦、甜菜和棉花[5-8]等，而以枸杞为供试作物的研究鲜有报道。综上，在内蒙古河套灌区研究微咸水滴灌条件下水氮互作对枸杞生长和土壤环境的影响具有一定的实际意义。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年在内蒙古红卫田间节水灌溉试验示范园进行，地理坐标E108°45′～E109°36′，N40°30′～N40°40′，位于内蒙古河套灌区最下游的三湖河灌域西部。研究区属中温带大陆性多风干旱气候，多年平均降水量270 mm，多年平均蒸发量为2 383 mm，多年平均气温7.9 ℃，无霜期146 d，积温(大于10 ℃)3 200 h。

研究区土壤大部分为灌淤土、盐土，0～100 cm土壤容重为1.55 g/cm3。按美国农业部土壤质地三角划分标准，研究区土壤质地见表1，土壤基本性状见表2。

表1 研究区土壤质地

1.2 试验设计

供试作物为枸杞，品种为宁杞1号。枸杞物候期表现见表3。

试验为灌水量和施氮量的2因素试验，灌水量和施氮量分别设置3个水平，如表4，表5。

表2 研究区土壤基本性状

表3 枸杞物候表现(月-日)

灌水量为W1(2 325 m3/hm2)、W2(2 850 m3/hm2)、W3(3 375 m3/hm2)；施氮量：N1(525 kg/hm2)、N2(750 kg/hm2)、N3(975 kg/hm2)。试验采用两因素正交设计，共9个处理，每个处理设3次重复。试验小区面积39 m2，每小区包含枸杞13株，枸杞种植株距1.0 m，行距3.0 m。试验小区周边设有保护带，小区间采用60 cm隔水板做防渗隔离。试验采用地下微咸水灌溉，矿化度3.84 g/L。各处理生育期内灌溉制度如表4所示。试验采用磷酸二铵和硝酸磷在一水前作为基肥施入，尿素作为追肥在生育期随灌水水施入，追施时间分别为5月中下旬(施肥量为全年追肥总量的20%)；6月中旬(施肥量为全年追肥总量的30%)；7月上旬(施肥量为全年追肥总量40%)；8月上旬(施肥量为全年追肥总量的10%)。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 枸杞生长指标的测定

枸杞生长指标实行定株观测，每个处理选择长势相近的3棵作为观测株，观测株在整个生长期内不做任何修剪。主要观测以下项目：

表4 枸杞田间试验灌溉制度

株高：树体萌芽前后用钢卷尺测株高，此后，每月中旬测一次，截止果实采收结束。

地径：树体萌芽前修剪后用游标卡尺测地径，此后，每月中旬测一次，截止果实采收结束。

新枝生长速率：在植株东南西北中5个方位各选取一个新枝，每隔7 d，用钢卷尺观测新枝的生长量。

冠幅：树体萌芽前修剪后用卷尺测冠幅(东西长、南北长)，此后，每月中旬测一次冠幅，截止果实采收结束。

表5 枸杞田间试验施肥制度 kg/hm2

1.3.2 土壤环境指标的测定

土壤水、盐分测定取样每15 d一次，灌水前加测，取土深度为100 cm，共分七层，0～40 cm、每10 cm为一取土层，40～100 cm每20 cm为一取土层。观测项目包括土壤的含水率、电导率及pH值。土壤含水率采用烘干法测定，土壤浸提液的电导率使用DDS-307型电导率仪测定，pH值采用pH酸度计测定。

1.4 分析方法

采用EXCEL2007、SPSS19.0及Surfer12.0相结合的方法。

2 结果分析

2.1 不同水氮条件下对枸杞生长的影响

2.1.1 枸杞株高生长速率

由图1可知，不同水氮条件下枸杞株高生长速率在全生育期呈现出相同的变化规律，即从萌芽期开始增大，在春梢生长期生长速率达到峰值，最大值为W3N2处理下的0.418 cm/d，W2N2和W2N3处理次之，分别为0.415和0.412 cm/d。春梢生长期后生长速率开始下降，春梢生长期至开花期下降速率较大，盛果期生长速率最低，说明盛果期枸杞生长缓慢。在枸杞萌芽期，W2N3处理下的枸杞株高生长速率略高于其他处理，春梢生长期W3N2和W2N2处理下的枸杞株高生长速率较大。在枸杞开花期、果实膨大期和盛果期，W2N2处理下的枸杞株高生长速率高于其他处理。不同水氮条件下，W2N2、W2N3和W3N2处理下的株高生长速率高于平均水平，且不同时期W2N2处理下高于平均值的范围为0.011～0.021 cm/d，W2N3为0.003～0.010 cm/d，W3N2为0.004～0.011 cm/d。在各处理水平中，W2N2更利于枸杞株高生长。

图1 不同处理对枸杞株高生长速率的影响

由表3可得，多变量结果检验显示灌水量、施肥量均显著影响枸杞株高生长速率。成对比较显示，W1与W2、W1与W3之间存在P<0.05显著差异，W2和W3无显著性差异。同样，N1与N2处理、N1与N3处理之间存在均值差值在0.05级别上的显著差异，而N2和N3水平无显著性差异。说明灌水和施肥不足对枸杞株高影响较大，适宜的灌水施肥与过量的灌水施肥对枸杞株高影响较小。

表6 灌水量与施肥量的成对比较

注：*.代表在P<0.05上显著。

2.1.2 地径生长速率

不同水氮条件下，W2和W3水平下的枸杞地径生长速率的平均值大于W1水平。说明灌水不足影响地径的生长。由图2可见，在萌芽期至春梢生长期，W1水平略有下降，W2和W3水平增加，W2N2>W2N3>W3N2。春梢生长期到开花期地径生长速率持续下降，开花期到果实膨大期增大，果实膨大期达到最大值，为W2N2处理下的0.061 8 mm/d。果实膨大期到盛果期地径生长速率持续下降，盛果期为最低，说明盛果期枸杞生长缓慢。不同生育期内，W2N2处理下的地径生长速率均大于平均值，W2N2更利于枸杞地径生长。

图2 枸杞地径生长速率在不同生育期的变化

2.1.3 新枝生长速率

不同水氮处理下的枸杞新枝生长速率较为一致，且枸杞新枝生长速率在生育期的变化趋势与株高生长速率趋势基本一致(图3)。春梢生长期枸杞生长旺盛，达到最大值为W2N2水平下的0.573 mm/d。在不同生育期的同一灌水水平下，N2>N3>N1。说明适宜的施肥量有助于枸杞新枝生长，施肥量过多过少均不利于枸杞生长。不同处理下新枝生长速率表现为W2N2>W2N3>W3N2，在W2N2处理条件下，枸杞平均新枝生长速率最大，为0387mm/d，W2N2更利于枸杞新枝生长速率。

图3 枸杞新枝生长速率在不同生育期的变化

2.1.4 冠幅生长速率

不同水氮处理下的枸杞冠幅生长速率较为一致，且不同处理下的生长速率相差较小(图4)。与枸杞株高、地径与新枝生长速率等指标不同，枸杞冠幅生长速率在萌芽期最小，萌芽期到春梢生长期显著增大，春梢生长期达到最大值，南北向与东西向的最大值均为W2N2处理，对应数值为0.558和0.514 mm/d。南北向和东西向的冠幅生长速率在春梢生长期后逐渐下降，至盛果期冠幅生长速率较小。W2N2处理下的各生育期南北和东西方向上的最大冠幅生长速率最大。

图4 枸杞冠幅生长速率在不同生育期的变化

2.2 不同水氮条件下对土壤理化性质的影响

2.2.1 土壤含水率土壤剖面分布特征

由图5可见，土壤含水率在0～20 cm呈减小趋势，20～40 cm呈现增大趋势，40 cm以下的变化规律不明显，这是因为滴灌的水量较小，水分运移变化的土层较浅。

由图5(a)～图5(c)可见，W1水平时，增施氮肥使0～30 cm土层土壤含水率增加，说明水分不足时，增施氮肥土壤离子浓度会增高，肥料与植株争用土壤水分将水分持在土壤中。由图5(d)～图5(f)可见，W2水平下，增加氮肥0～30、70～100 cm土层土壤含水率逐渐减小，但增施氮肥30～70 cm土层的最大土壤含水率向下面土层移动，而大于N2水平最大土壤含水率又向上层土壤移动。由图5(g)～图5(i)可见，W3水平下，增加氮肥0～30 cm土层土壤含水率呈减小趋势，超过N2时含水率开始增大； 30～70 cm土层呈相反规律。

2.2.2 土壤含水率时间分布特征

由图5(a)～图5(c)可见，在W1水平下，土壤含水率的时间分布趋势一致。在0～20 d，最大含水率均集中在60 cm左右的土层深度；在20～60 d，最大含水率集中在40～60 cm土层，且由于枸杞处在开花初期和果实膨大期需要从土壤中补充更多的水分，小于0～20 d的最大含水率；60 d为果实膨大期，植株需要大量水分。

在60～120 d，W1N1和W1N3的土壤含水率分布较为接近，均在80 d左右80～100 cm土层达到较大的土壤含水率，在100～120 d的50～100 cm土层达到较大含水率，且W1N1高于W1N3处理下的含水率，而表层土壤含水率较低；W1N2在100 d左右在40～70 cm土层的含水率最大。

由图5(a)、图5(d)和图5(g)可见，在N1水平下，W2水平在70～100 d的土壤含水率高于W1水平的，此阶段为果实膨大期，由此推断果实膨大期枸杞需要从土壤中吸收更多的水分。而W3水平的土壤含水率并没有明显高于W1和W2水平的土壤灌水率，说明水分不适宜的情况下，土壤的水分可能蒸发流失并没有发挥其高水灌溉的价值。

2.2.3 土壤电导率时空分布特征

土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小[9-11]。由图6可以看出，W1水平下，各氮肥处理在0～40 cm土层内电导率高于W2、W3水平下各氮肥处理的电导率，在0～10 cm土层内出现最大值且出现闭合曲线，说明土壤盐分在该土层内发生累积。由于灌水量较小且上层蒸发强烈，盐分主要聚集在上层土壤中，这使植株主根区盐分较大而不利于其生长。W2水平下，各氮肥处理电导率在40～60 cm土层出现最大值，土壤盐分的运移能够受水分运动的影响，可以说水是盐的溶剂又是盐分运动的载体，常说“盐随水动”，W2水平的灌水量较适宜，能将大部分盐分带到40～60 cm土层使上层主根区呈现一个低盐状态，利于枸杞植株的生长。W3水平下，由于全生育期一直对枸杞植株灌溉较高水平的水量，水分下渗到较深土层带走盐分，形成了更大范围的低盐区，随着灌水量的增大，各处理的土壤电导率峰值出现的土层加深，40 cm以上土层随着灌水量的增加电导率减小。

图5 土壤含水率空间变化

由图6(a)～图6(c)分析可知，最大电导率均在测量30 d(春梢生长期)之前的0～20 cm土层，在40～80 d的0～30 cm土层的电导率均较小。由图6(c)、图6(f)和图6(i)可见，在N3水平下，随着灌水量的增大，电导率出现大面积的较小值，其集中于第40～100 d，可能与夏季降雨淋洗土壤盐分有关。

图6 土壤电导率空间变化

3 讨论与结论

王斌等[12]通过在河套灌区开展水氮互作的田间试验得出在玉米全生育期内，施氮量相同时，中水灌溉模式下水分对玉米株高及茎粗的促进作用达到最大；尹光华等[13]对春小麦的水肥耦合效应研究表明，在半干旱区水肥耦合的产量效应显著，适量水肥组合的效应大于高水高肥和低水低肥组合。本文研究得出：①在不同灌水与施氮水平下，株高、新枝和冠幅的生长速率在春梢生长期较大，而地径生长速率在果实膨大期较大。②综合不同灌水与施氮水平下，W2N2水平下的株高、地径、新枝生长速率及冠幅最优。③通过对枸杞株高的差异性分析得出灌水和施肥不足对枸杞株高影响较大，而适宜的灌水施肥与过量的灌水施肥对枸杞株高影响较小。④土壤含水率、土壤电导率空间变化规律显示，W2和W3灌水水平下，增施氮肥会使浅层土壤含水率增大，而过量施肥会出现相反结果。且W2水平能将大部分盐分带到40～60 cm土层，使上层主根区呈现一个低盐状态，利于枸杞植株的生长。⑤在利于枸杞株高、地径、新枝、冠幅生长及为植株提供良好的土壤环境基础上，本文推荐的枸杞适宜的水肥组合为W2N2。