张昌爱1,2, 辛淑荣1,2, 王国良3, 王成章4, 盛亦兵3
(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所, 山东 济南 250100; 2.农业部山东省耕地保育科学观测实验站, 山东 寿光 262714; 3.山东省农业可持续发展研究所, 山东 济南 250100; 4.河南农业大学牧医工程学院, 河南 郑州 450002)
摘要：为了优化盐碱地苜蓿栽培的灌水方式,采用自然降雨、滴灌、漫灌3处理3重复的田间小区试验研究了不同灌水方式对盐碱地苜蓿株高、株密度、产量及土壤水盐动态的影响作用.研究结果表明:与自然降雨条件相比,漫灌及滴灌均能显著增加苜蓿的株高和产量;滴灌与漫灌相比,在节约用水60%条件下产量不具有统计学意义差异,因而滴灌是苜蓿栽培中值得推荐的节水灌溉方式;漫灌主要影响到0～60 cm土层的土壤含水率,而对更深土层的水分含量影响较小;而滴灌主要影响到0～20 cm土层含水率,对20～60 cm土层含水率影响略小.随着土层的加深,灌溉对土壤盐分含量的影响差异逐渐减小.在试验条件下,灌溉措施主要影响到上层土壤的盐分含量(0～60 cm土层).就2种灌溉措施而言,漫灌能增加表层(0～20 cm)土壤的盐分含量,而滴灌对上层(0～60 cm)土壤盐分含量的影响较为平均.漫灌和滴灌对土壤pH值及土壤EC值均具有一定的扰动作用,且其影响作用主要体现在0～60 cm深度的土层内;相对漫灌而言,滴灌对土壤0～60 cm各土层土壤pH值及土壤EC值的影响作用较为平均.
关键词：苜蓿;灌水方式;盐碱地;水盐动态
张昌爱, 辛淑荣, 王国良， 等. 不同灌水方式对盐碱地苜蓿生长及土壤水盐动态的影响[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(3):271-276.
ZHANG Chang′ai, XIN Shurong, WANG Guoliang, et al. Influence of irrigation method on alfalfa growth and water-salt dynamics[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(3):271-276.(in Chinese)
中国畜牧养殖业发展迅速,而牧草栽培方面的发展和研究相对滞后[1].黄河三角洲地区土壤的盐碱较为突出,而苜蓿根茎发达,耐受能力较强[2-3],很适合在当地发展.苜蓿是一种需水较多的饲用植物[4-5],在干旱、半干旱地区种植时如果降雨不足,则会致使苜蓿的产量明显下降[6-7],黄河三角洲地区年均降水量为574.4 mm,年均蒸发量为1 962.1 mm[8],其中约 63.9% 的降水集中于7月中旬至8月中旬,而苜蓿春秋季节的生长需要水分比较突出,因而针对苜蓿灌溉方面的研究非常必要.
大田漫灌是当地农业生产中主要的灌水方式,漫灌水分利用率较低,一般不到30%～40%[9].同时由于灌溉水在土壤中会经历下沉、蒸发等过程,从而很大程度上扰动了土壤的水肥气热环境,对盐碱地土壤的水盐动态影响显著[10-11].目前,滴灌作为主要的节水灌溉措施逐渐被多数专家学者所接受,已有的研究表明滴灌具有节水保墒、促进光合作用、增加作物产量的优势[12-14];在滴灌条件下土壤水盐动态分析方面研究也有一些报道,如吕殿青等[15]开展了膜下滴灌水盐运移影响因子的探析；张伟等[16]分析了新疆棉田膜下滴灌盐分运移规律;而针对苜蓿栽培中灌溉措施的研究较少,尽管孙宗玖等[17]采用完全随机试验设计,对新牧1号杂花苜蓿适宜浇水时期、浇水次数及浇水量进行了研究,但其灌水方式均为漫灌;鲁为华等[18]采用田间试验分析了滴灌苜蓿田间土壤水盐及苜蓿细根的空间分布,但未分析对其产量的影响.目前对比分析几种灌溉方式对苜蓿生长等方面的研究鲜见报道.
文中对比分析自然降水、滴灌和漫灌3种不同灌水方式对苜蓿生长的影响及其对土壤水盐动态影响的差异,为苜蓿栽培技术的提高提供理论依据.
试验于2015年在国家牧草产业技术体系东营综合实验站的核心试验基地进行.该基地位于东营市农业高新技术产业示范区(118°36′E,37°17′N),海拔3 m，年均气温12.8 ℃,无霜期203 d,年日照时数2 440.3 h,大于0 ℃积温约4 600 ℃,年均降雨量545 mm.试验地土壤为潮土,偏盐碱,地下水位年均3.96 m.苜蓿品种为鲁苜1号,试验用种子由山东省农业可持续发展研究所提供. 供试土壤基本理化性质如下:有机质为12.64 g/kg，碱解氮为56.72 mg/kg,有效磷为11.55 mg/kg,速效钾为53.05 mg/kg,pH值为8.83,电导率为0.87 dS/m,水溶性盐总量为0.32%,土水比为1∶5.
试验设置3个处理:① CK,自然降雨条件,在自然降水条件下生长,不主动浇水,注意降雨后的排水;② FI,辅助引导式漫灌浇水,在干旱或生长必要时辅助浇水,采用漫灌方式;③ TI,滴灌浇水,在干旱或生长必要时辅助浇水,采取滴灌方式.每处理重复3次,共9个试验小区,采用纵横无重复的试验布置方法安排小区布局.小区面积长(南北)10 m,宽5 m,区间隔离带宽0.8～1.0 m.小区周围起0.5 m高的垄,以避免附近小区浇水的影响.苜蓿于2015年3月份采用造墒保苗的方式种植,待6月初收割第一茬后,划定小区,于6月5日实施试验的浇水处理,试验于7月10日结束,期间只下过一次小雨,降雨量7.1 mm.试验期间漫灌及滴灌浇水进行了2次(6月5日及6月24日),每次漫灌用水量约为1 000 m3/hm2,每次滴灌用水量约为400 m3/hm2，滴灌管间距0.5 m.所用水源为当地的地下深井水源,水的矿化度为1.59 g/L.
苜蓿收割时随机在小区内测定20株有代表性苜蓿的株高,计量2行每行0.5 m长内的株数,并测定每平方米内苜蓿的产量.试验地块每年苜蓿收割4次,该试验在6月至7月份进行,故而只列出第2茬的产量.鲜质量为收割时测定的新鲜苜蓿产量,干质量为晾晒干后每公顷苜蓿的干重.土样采集时在每小区分5层取1 m深土壤样品用于室内分析.
土壤盐分含量采用烘干残渣法,土壤pH值及EC值采用FIA-4型测定仪测定,土壤水分采用烘干法测定,其他指标均采用常规分析法测定[19].
2.1 不同灌水方式对盐碱地苜蓿生长的影响
2.1.1 不同灌水方式对苜蓿株高的影响
苜蓿株高h是产量组成的主要因素之一.试验中分别在第1,3,5,7周对各小区内代表性苜蓿的株高做了测定,结果如图1所示.
图1 不同灌水方式对苜蓿株高的影响
Fig.1 Effect of irrigation method on alfalfa plant height
从图1可以看出,在第1周时各处理间苜蓿的株高基本没有差异,而从第3周开始,各处理间苜蓿株高开始有较大差异,滴灌处理苜蓿的株高最大,对照处理的株高最小,而漫灌处理的苜蓿株高与滴灌处理接近,但远高于对照处理.到收割阶段,FI与TI处理间苜蓿株高差异不具有统计学意义,但分别比CK处理的株高增加了32.76%和36.39%,差异具有统计学意义.
在试验期内,由于处于干旱期,土壤水分对苜蓿生长的影响很大,这是CK处理苜蓿株高较低的主要原因.浇水处理后尽管根系分布层水分充足,但同时也会造成土壤空隙的急剧减少,土壤空气不足,从而抑制苜蓿根系的正常发育和生长.漫灌与滴灌相比,后者更有利于满足根系对土壤空气的要求,因而其株高一直高于漫灌浇水处理.而到5—7周时,土壤水分降低,土壤空气及湿度的影响降低,FI处理的苜蓿长势最强,及至收割时,FI与TI处理苜蓿株高极为接近.
2.1.2 不同灌水方式对苜蓿株密度的影响
图2为不同灌水方式对苜蓿株密度ρ的影响.
苜蓿的株密度差异是由其分蘖造成的,直接影响到苜蓿的产量.3个处理中株密度的大小顺序依次为TI,CK,FI.与CK处理相比,FI处理苜蓿株密度下降了8.0%,二者之间的差异具有统计学意义,这表明大水漫灌不利于紫花苜蓿的分蘖.其原因主要在于盐碱地土壤上,大水漫灌促进了表层盐分向根系的迁移,并限制了根系对空气的需要,从而短期内影响到苜蓿的生长发育[10-11].
图2 不同灌水方式对苜蓿株密度的影响
Fig.2 Effect of irrigation method on alfalfa plant population
与CK处理相比,TI处理苜蓿株密度增加了1.1%,二者之间差异不具有统计学意义.由此可以推测水分不是紫花苜蓿分蘖的直接影响因素.而关于此推论有待进一步试验验证.
2.1.3 不同灌水方式对第2茬苜蓿产量的影响
图3为不同灌水方式对第2茬苜蓿产量m的影响.
图3 不同灌水方式对苜蓿产量的影响
Fig.3 Effect of irrigation method on alfalfa yield
从图3可以看出,各处理每公顷苜蓿鲜质量的高低顺序依次为FI,TI,CK.与CK处理相比,漫灌及滴灌处理苜蓿鲜质量分别增加了57.06%和52.45%,苜蓿干质量分别增加了53.47%和51.04%,差异均具有统计学意义,说明在当地及当年雨水条件下苜蓿浇水非常必要.
漫灌处理与滴灌处理相比,苜蓿鲜质量及干质量分别增产3.02%和1.61%,差异均不具有统计学意义.滴灌用水量是漫灌用水量的40%,而产量却没有差异,因而滴灌能明显节约水资源,值得在苜蓿栽培中推荐.
2.2 不同灌水方式对盐碱地土壤水盐动态的影响
2.2.1 不同灌水方式对土壤含水量的影响
试验周期内分别在浇水后的10,5及18 d共3次取土,间隔20 cm土层测定了1 m深度土层内土壤的含水量,测定结果见表1,表中d为土层深度.
从表1可发现以下规律:① 在1 m土层内随着土层深度的增大,土壤含水率呈现增大的趋势;② 浇水后间隔日期越少,同一处理同一土层的土壤水分含量越大;这种规律与实际情况比较符合,可以验证数据的可靠性.
表1 不同处理对土壤含水量的影响
Tab.1 Effects of irrigation methods on soil moisture content
d/cm监测时间CK均值标准差FI均值标准差TI均值标准差0～206月15日27.342.1237.492.9129.122.266月29日26.782.0846.253.5933.372.597月13日19.151.4928.452.2126.312.0420～406月15日35.472.7641.333.2136.552.456月29日30.022.3347.123.6635.942.797月13日22.831.7730.892.4028.952.2540～606月15日36.412.9842.293.2937.342.596月29日34.112.6548.123.7438.172.977月13日29.762.3135.322.7432.882.5560～806月15日38.193.2843.513.3839.142.896月29日37.192.8948.973.8040.083.117月13日35.412.7537.632.9236.062.7280～1006月15日39.083.1540.123.5839.153.046月29日40.153.0441.193.8242.983.347月13日40.252.8941.463.2241.043.19
注:分别于6月5日及6月24日浇水处理.
同一土层同一时期不同处理间的土壤含水率有较大差异,其从高到低顺序依次为FI,TI,CK.尽管5个土层均呈现一致的规律,但可以看出在0～20 cm土层内处理间的差异值最大,其次为20～40 cm土层和40～60 cm土层,而在60～80 cm土层和80～100 cm土层内各处理间的土壤含水率差异值极小.这表明漫灌主要影响到0～60 cm土层的土壤含水率,而对更深土层的水分含量影响较小.TI与FI相比,尽管滴灌比漫灌对20～40 cm土层和40～60 cm土层土壤含水率影响略小,但也具有一定的扰动作用.
2.2.2 不同灌水方式对土壤含盐量的影响
图4为不同灌水方式对土壤盐分含量ω的影响.
图4 不同灌水方式对土壤盐分含量的影响
Fig.4 Effect of irrigation method on soil salinity
采用试验结束时取得的土样,用水浴蒸干法测定了5个不同土层的土壤含盐量.其中0～20 cm土层中土壤盐分含量以CK处理为最低,与之相比,FI和TI处理土壤含盐量分别增加了13.29%和7.97%;20～40cm土层中FI和TI处理土壤含盐量分别比CK处理增加了6.34%和9.51%;40～60 cm土层中FI和TI处理土壤含盐量分别比CK处理增加了5.13%和9.52%;60～80 cm土层中FI和TI处理土壤含盐量分别比CK处理增加了-0.96%和1.59%;而80～100 cm土层中FI和TI处理土壤含盐量分别比CK处理增加了0.63%和2.82%.由此看出,随着土层的加深,灌溉对土壤盐分含量的影响差异逐渐减小.在试验条件下,灌溉措施主要影响到上层(0～60 cm)土壤的盐分含量.
就2种灌溉措施而言,漫灌能较明显的增加表层(0～20 cm)土壤的盐分含量,而滴灌对上层(0～60 cm)土壤盐分含量的影响各层之间较为平均.究其原因在于漫灌与滴灌相比,土水势及其入渗、再分布、蒸发等都存在差异,尽管在此难以细致分析,但仍可以得出滴灌与漫灌相比,对土壤盐分的垂直分布具有更小扰动作用的结论.
不施化肥条件下种植3 a苜蓿后,不同土层间土壤盐分含量从高到低顺序依次为80～100,60～80,0～20,20～40,40～60 cm.由此可以推测,土壤盐分存在由底层向表层迁移的现象,但由于苜蓿的种植,这种向上迁移的动力有限,因而只影响到60 cm以内的深度.这种推测在其他作物或条件下是否一致有待进一步验证.
2.2.3 不同灌水方式对土壤pH值的影响
土壤pH值为表征土壤酸碱程度的重要指标,由于土壤里含有多种有机酸、无机酸、碱以及盐类等物质,从而使土壤的酸碱性呈现动态变化.试验地块的土壤属于滨海盐碱土地,其土壤pH值为8.5左右.灌溉方式的不同会影响到土壤的水盐动态,必然也会影响土壤的pH值,如图5所示.
图5 不同灌水方式对土壤pH值的影响
Fig.5 Effect of irrigation method on soil pH value
对试验结果进行分析,在0～40 cm土层内,浇水处理后不同程度地降低了土壤pH值,0～20 cm土层中土壤pH值以CK处理为最高,与之相比,FI和TI处理土壤pH值分别降低了0.11和0.14;20～40 cm土层中FI和TI处理土壤pH值分别比CK处理下降了0.08和0.09;而在40～100 cm土层内,3个处理的土壤pH值基本在同一水平徘徊.这表明浇水对土壤pH值有一定的影响作用,而这种影响作用短期内主要表现在较浅土层内(0～40 cm).究其原因在于浇水除了水分渗透及蒸发作用的直接影响外,也会影响到苜蓿的生长,从而影响到根系对土壤中阴阳离子的吸收水平,并且根系分泌物也是影响到土壤pH值的重要影响因素.
不同土层之间土壤pH值的高低顺序依次为80～100，60～80，40～60，20～40，0～20 cm.即随着土层的加深,土壤pH值呈现增大的趋势.
2.2.4 不同灌水方式对土壤EC值的影响
由于土壤浸出液中各种盐类一般均以离子的形式存在,所以总盐量是指土壤浸出液中各种阴、阳离子的总量[20].土壤电导率即EC值是研究精细农业不可缺少的重要参数,它包含了反映土壤质量和物理性质的丰富信息.由于EC值的测定具有简单、稳定的特点,且与土壤盐分含量具有密切的相关性,因而将EC值作为土壤盐分含量的替代指标已被科研界所认可[21].实际上由于土壤中的盐分、水分、温度、有机质含量和质地结构都不同程度影响着土壤电导率[22],并且,文中研究浇水对土壤的影响,不同土层的质地、温度、水分等差异较大,将EC值和盐分含量指标分开分析很有必要.
各处理间不同土层深度土壤的EC值情况如图6所示.
图6 不同灌水方式对土壤EC值的影响
Fig.6 Effect of irrigation methods on soil EC
就CK处理而言,不同土层之间土壤EC值从高到低顺序依次为0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm.即随着土层的加深,土壤EC值呈现降低的趋势.这与土壤含盐量的垂直分布有较大差异,因而可以看出,土壤EC值不仅受土壤盐分含量的影响,也会受到苜蓿根系的影响,甚至土壤质地、孔隙度、水分含量等因素也不容忽视.
FI与TI处理不同土层之间土壤EC值的高低顺序基本一致,均依次为20～40,0～20,40～60,60～80,80～100 cm.由此可以看出,浇水处理与自然条件相比,对土壤电导率具有一定的影响作用,而FI与TI处理之间的土壤EC值差异极小,可以认为这种影响主要是由于浇水改变了土壤水分蒸发的连续性从而隔断了盐分及根系分泌物向地表的迁移,而灌水造成的水分沉降洗盐致使盐离子下沉的作用差异不具有统计学意义.
1) 试验条件下,漫灌及滴灌均能显著增加苜蓿的株高和产量,因而浇水是苜蓿产量提高的必要措施.滴灌与漫灌相比,在节约用水60%条件下产量差异不具有统计学意义,表明滴灌在苜蓿栽培中是一种值得推荐的灌水方式.
2) 盐碱地栽培中通过灌水压盐能有效缓解作物生长期内土壤的盐渍化危害,因而灌溉方式中一般不选择滴灌.但通过对3种灌水方式的分析,可以看出在盐碱地苜蓿栽培中推广滴灌不仅没有降低苜蓿的产量,还有利于水肥一体化技术的推广,且有利于各层次土壤中主要盐分离子的稳定.
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(责任编辑 谈国鹏)
ZHANG Chang′ai1,2, XIN Shurong1,2, WANG Guoliang3, WANG Chengzhang4, SHENG Yibing3
(1.Agricultural Resources and Environment Institute of Shandong Agriculture Science Academe, Jinan, Shandong 250100, China; 2.Scientific Observing Experimental Station of Arable Land Conservation of Shandong Province, Ministry of Agriculture,Shouguang, Shandong 262714, China; 3.Shandong Institute of Agricultural Sustainable Development, Jinan, Shandong 250100, China; 4.College of Animal Science and Veterinary Medicine, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002, China)
Abstract：In order to optimize irrigation method for alfalfa growth in saline-alkali soil in the Yellow River Delta region, a field plot experiment was conducted. In the experiment, three irrigation methods such as natural rainfall, drip irrigation and flood irrigation are applied. The effects of these irrigation methods on plant height, population, yield and water-salt dynamics in the saline-alkali soil are observed. The experimental results show that the plant height and yield of alfalfa are all increased in flood and drip irrigations in comparison with natural rainfall. There is not significant difference in the plant height and yield of alfalfa from flood irrigation to drip irrigation with 60% water saving, suggesting drip irrigation is one water saving irrigation method which is worthy of recommendation to alfalfa cultivation. In flood irrigation, the water content in 0-60 cm thick soil layer is mainly affected, in drip irrigation, however, the water content in 0-20 cm layer is changed significantly. The salt content in 0-60 cm soil layer is affected greatly in flood irrigation in comparison with 0-20 cm soil layer in drip irrigation. The PH and EC values in 0-60 cm soil layer vary in flood irrigation, however, these values seem to show a uniform variation across the whole layer in drip irrigation.
Key words：alfalfa;irrigation methods;saline-alkali soil;water-salt dynamic
张昌爱
doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0021
收稿日期：2016-01-21;
网络出版：时间： 2017-03-17
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170317.1016.010.html
基金项目：公益性行业(农业)科技专项资助项目(201403048-6);国家牧草产业技术体系(CARS-35);山东省农业良种工程重大课题(鲁农良种字[2013]1号)
作者简介：张昌爱(1971—),男,山东泰安人,研究员,博士(zca2006@sina.com),主要从事农业资源与环境研究. 盛亦兵(1963—),男,山东济南人,研究员,硕士(通信作者,shengyib@163.com),主要从事牧草育种及栽培研究.
中图分类号：S275.6
文献标志码：A
文章编号：1674-8530(2017)03-0271-06
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