董平国, 王增丽, 霍云云
(武威市中心灌溉试验站, 甘肃 武威 733000)
摘要：对垄作沟灌土壤水盐分布及作物产量进行了田间试验．结果表明,灌水定额为400 m3/hm2时,沟底土壤水分的垂直运动明显增大．当灌水定额增加到500 m3/hm2时,土壤水分水平运动高于垂直运动．沟底土壤全盐量受灌水定额影响明显:在灌水阶段,沟底表层土壤发生脱盐现象．土壤蒸发阶段,土壤发生积盐现象．垄顶土壤含盐量相对稳定,基本不发生向下运移．重度水分亏缺(处理T1，灌溉定额为1 700 m3/hm2)垄、沟积盐量分别为1.49,1.35 kg/m2,中度水分亏缺(处理T2，灌溉定额为2 100 m3/hm2)垄沟积盐量分别为1.42,1.12 kg/m2,充分灌水(处理T3，灌溉定额为2 500 m3/hm2)垄、沟积盐量分别为1.32,0.83 kg/m2,畦灌措施使0～100 cm土壤发生脱盐现象,脱盐量为1.29 kg/m2．垄作沟灌下,制种玉米产量为2 765.1～4 619.5 kg/hm2,WUE为0.755～0.969 kg/m3．穗长(Ls)、穗粗(ds)、行粒数(NR)与作物产量呈显著正相关关系．
关键词：玉米；垄作沟灌;水盐分布;灌溉定额;产量
董平国, 王增丽, 霍云云. 垄作沟灌土壤水盐分布及作物产量试验研究[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(10):904-909，915.
DONG Pingguo, WANG Zengli, HUO Yunyun. Experimental study on soil water-salt distribution and crop yield with ridge tillage and furrow irrigation[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(10):904-909，915.(in Chinese)
(Key Irrigation Experimental Station in Wuwei City of Gansu Province, Wuwei, Gansu 733000, China)
甘肃省石羊河流域地处西北干旱地区,降雨稀少,蒸发量较大,农业生产具有“非灌不殖”的特点,地下水为该区农业灌溉的重要水源．流域内水资源开发利用程度高、用水矛盾突出,水资源严重超载等问题已极大影响了当地经济和社会的可持续发展[1]．垄沟耕作方改变了农田土壤的微地形,克服了传统平作耕作方式的不利因素,具有节水、增产的作用[2]．沈浩等[3]、魏光辉等[4]、朱海清等[5]先后在新疆地区玛纳斯河流域、孔雀河流域以及石河子地区进行了水盐运移研究,结果表明:土壤盐分变异强度较土壤水分大,盐分在土壤表层运移活跃,而深层盐分变化幅度不大,土层盐分和含水量具有较强的空间相关性．前人的研究大多集中在盐渍土壤方面,而对垄膜沟灌条件土壤盐渍化风险方面的研究鲜有报道．基于此,文中通过田间试验,研究垄作沟灌对土壤水盐分布特征及制种玉米产量的影响,探讨垄顶、沟底不同位置土壤水盐分布规律,为当地农业节水灌溉提供理论依据．
1.1 试验地概况
该田间试验在甘肃省武威市中心灌溉试验站进行,试验站海拔1 582 m, 位于102°50′E,37°52′N，地处腾格里沙漠边缘，为典型的内陆干旱区．多年平均降水量163.2 mm,多年平均蒸发量2 019.9 mm．土壤全氮质量比为0.44 g/kg，有机质质量比为6.74 g/kg.土壤质地为粉质壤土,平均土壤密度1.45 g/cm3,田间持水率31%(体积含水率),地下水埋深48 m．
1.2 试验材料及测定方法
供试作物为农大118制种玉米,于2013年4月24日种植,9月10日收获,全生育期140 d．垄沟设计标准:垄高20 cm,垄顶宽50 cm,垄底宽80 cm,沟底宽20 cm．采用玉米穴播机播种,每垄种植2行,株距20 cm,行距50 cm,播前随旋耕作业施入基肥:尿素262.5 kg/hm2,磷酸二氢铵525 kg/hm2,在拔节期,随灌水追施尿素200 kg/hm2．试验采用随机排列,重复3次,小区面积40 m2(4 m×10 m),试验区周围布置保护带．作物生育期各种农艺措施参照当地经验.各处理灌水定额及日期设置如表1所示,其中Q0为灌溉定额．
表1 各处理灌水定额及日期设置表
Tab.1 Experimental design of irrigation treatment for seeding maize m3/hm2
处理底墒水(04-26)拔节期(06-05)大喇叭口期(06-25)抽穗期(07-15)灌浆期(08-10)Q0T15003003003003001700T25004004004004002100T35005005005005002500CK5007507507507503500
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤含水量
在作物各生育期在垄顶、沟底位置分[0, 10)，[10, 20)，[20, 40)，[40, 60)，[60, 80)，[80, 100] cm共6层取样,采用烘干法测定土壤水分．
1.3.2 土壤全盐量
在作物各生育期垄顶、垄侧、垄腰和沟底(水平距离分别为0,25,35,50 cm处)取样．将土样风干、粉碎、过1 mm筛后,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),计算土壤含全盐量公式[6]为
S=0.027 5EC1 ∶5+0.136 6,
(1)
式中:S为土壤全盐量,g/kg;EC1:5为电导率测定值,μs/cm．
采用式(2)[7]对不同处理小区内100 cm深度土壤全盐绝对量进行盈亏计算，即
SAS=SSE-SSB,
(2)
式中:SAS为不同处理单位面积100 cm深度土壤盐储量变化,kg/m2;SSE为作物生育期末小区单位面积100 cm深度土壤含盐量,kg/m2;SSB为作物生育期初100 cm深度土壤含盐量,kg/m2．SAS为正表示积盐,为负表示脱盐．
1.3.3 产量及其构成因素
作物收获后对穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、千粒质量进行考种．各小区产量实行单打单收计算水分利用效率．
1.4 数据处理与分析方法
利用SPSS16.0对数据进行方差分析和显著性检验,利用Surfer8.0对土壤盐分进行制图．
2.1 不同灌溉定额对土壤含盐量的影响
2.1.1 土壤含盐量剖面分布特征分析
不同处理土壤0～100 cm土壤全盐量变化如图1所示,其中dv,ds分别为水平距离和土壤深度．由图可知,在水平方向上,垄顶含盐量高于沟底对应土层;在垂直方向上,浅层土壤高于深层土壤;在整个生育期内,生殖生长期高于营养生长期．
图1 制种玉米不同生育期土壤含盐量分布
Fig.1 Distribution of soil salinity at different stages of seeding maize
在苗期(见图1a),各处理垄顶、沟底均发生积盐现象,且随灌溉定额的增加,垄顶积盐土层深度呈增加的趋势．进入大喇叭口期(图1b)后,作物蒸发蒸腾量增加,土壤水分迅速上移,沟底表层土壤发生积盐现象．其中,0～10 cm土层,处理T1,T2,T3沟底含盐量分别为0.68,0.85,0.89 g/kg,较苗期各对应值分别增加3.18%,7.16%,27.81%．垄顶含盐量分别为1.54,1.71,2.02 g/kg,较苗期各对应值明显提高．到抽穗期(图1c),各处理垄顶、沟底0～40 cm土层含盐量变化规律与大喇叭口期基本一致,深层土壤含盐量较前期略有增加．
在灌浆期(图d),各处理100 cm土层深度含盐量变化差异进一步明显:浅层(0～40 cm)土壤发生积盐现象,中层(40～80 cm)发生脱盐现象,深层(80～100 cm)又发生积盐现象．其中,处理T1,T2,T3 0～40 cm土层垄顶含盐量分别为0.83,0.76,0.95 g/kg,较大喇叭口期(图c)分别增加15.98%,6.39%,1.02%．各处理沟底含盐量分别为0.76,0.82,0.97 g/kg,较各处理前期分别增加2.32%,29.74%,35.87%．作物进入收获期后,作物需水量减少,气温降低,作物蒸发蒸腾量随之降低,各处理土壤含盐量变化规律与灌浆期基本一致,但较前期略有降低．
研究结果表明,垄顶表层土壤在制种玉米整个生育期内发生积盐现象,且含盐量相对稳定,基本不发生向下运移现象．沟底土壤含盐量受灌水定额影响明显:灌水阶段,表层土壤发生脱盐现象．土壤蒸发阶段,表层土壤发生积盐现象．在垂直方向上,土壤表层易发生积盐现象,中层发生脱盐现象,深层发生积盐现象．
2.1.2 土壤含盐量盈亏分析
为进一步了解土壤盐分变化趋势,对不同处理0～100cm土层含盐量盈亏量进行分析,结果见表2.
表2 不同处理0～100 cm土壤含盐量盈亏分析
Tab.2 Analysis of breakeven for soil salt at 0-100 cm layer kg/m2
处理T1RFT2RFT3RFCK[0,40)cmSSE4.473.514.244.064.343.834.17SSB3.762.803.503.043.472.985.58SAS0.710.710.751.010.870.85-1.42[40,80)cmSSE2.482.542.432.222.352.022.38SSB1.951.981.802.021.922.102.06SAS0.540.560.630.200.43-0.070.32[80,100)cmSSE1.251.011.131.071.101.171.09SSB1.010.931.081.161.091.121.28SAS0.240.080.05-0.090.010.05-0.19[0,100]cmSAS1.491.351.421.121.320.83-1.29
表中R为垄顶,F为沟底．结果表明,作物收获后,处理T1,T2,T3在0～100 cm垄顶土壤全盐量分别为1.49,1.42,1.32 kg/m2,沟底分别为1.35,1.12,0.83 kg/m2,垄顶位置土壤积盐量高于沟底．结果表明,灌溉定额对土壤垄顶、沟底0～100 cm土壤盐分变化具有影响:重度水分亏缺(处理T1)垄沟积盐量最高,中度水分亏缺(处理T2)次之,充分灌水(处理T3、CK)可降低0～100 cm土壤全盐量．
研究结果表明,土壤含盐量空间分布特征受灌水定额、蒸发蒸腾、根系吸水等因素影响．随灌溉定额的减少,100 cm土层内易发生积盐现象．生育期有限的降雨不足以将土壤盐分淋洗到100 cm土体以下,增加灌溉定额可使部分盐分被淋洗到作物根区外的土体．
2.2 不同灌溉定额对土壤水分的影响
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如图2所示．由图可知,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．处理T1 于5月25日,6月25日土壤含水量测定结果表明,较低的灌水定额在维持作物需水后,仅在沟底20～40 cm土层内土壤含水量略有增加,但幅度不大．8月1日在灌水和降雨作用下,0～100 cm土壤含水量较前期增加,沟底含水率较垄顶增加3.04%．之后垄顶、沟底土壤含水量逐渐降低．
处理T2于 6月25日测定数据结果表明,当灌水定额增加100 m3/hm2时,垄顶、沟底土壤含水量分别增加3.07%和8.51%,沟底水分增幅明显高于垄顶．当灌水定额增加到500 m3/hm2时(处理T3),垄顶、沟底土壤含水量分别增加5.77%和8.19%,土壤水分横向运动逐渐增加,垂向运动变化不大．
研究结果表明,土壤含水率空间分布特征及土壤储水量受灌水和降雨影响.土壤经过反复的干湿经交替作用，土壤垂直运动较前期降低，土壤含水率横向运动逐渐增加.灌水定额对土壤含水量剖面分布影响很大,当灌水定额为300 m3/hm2时,对作物生育期垄顶、沟底土壤含水量的变化影响不大．当灌水定额为400 m3/hm2时,能明显促进沟底土壤水分的垂直运动,垄顶土壤水分略有提高,但增幅不大．当灌水定额增加到500 m3/hm2时,垄顶土壤水分明显提高,沟底土壤水分水平运动大于垂直运动．在制种玉米生育期内,在灌水、蒸发、降雨作用下,不同处理0～100 cm土壤水分含量均呈逐渐降低的趋势．
图2 制种玉米不同生育期土壤水分含量变化
Fig.2 Change of soil water at different stages of seeding maize
2.3 制种玉米产量及其构成因子分析
制种玉米产量及其构成因子分析结果如表3所示．表中Y,WUE，Ls,ds,Lb,Rs,NR,mk分别为产量、水分利用效率、穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、千粒质量．由表可知,处理T1,T2,T3制种玉米产量分别为2 765.1,4 054.0,4 619.5 kg/hm2,且各处理间差异具有统计学意义,对照产量为4 579.5 kg/hm2,与处理T3产量差异不具有统计学意义．各处理水分利用效率为0.755～0.969 kg/m3,从大到小依次为处理T3, T2,CK,T1,且T1,T2,T3间差异具有统计学意义．不同灌溉定额对产量构成因子Ls,ds,NR具有显著影响,而对Lb,Rs,mk因子影响不显著．
将制种玉米6个产量构成因子进行相关性分析,结果见表4．由表可知,制种玉米产量与产量各构成因子呈显著正相关关系(Lb除外),与ds,NR相关性具有统计学意义,说明制种玉米产量的增加是由ds(R2=0.95),NR(R2=0.90),Ls(R2=0.86)等因子共同作用的结果．构成因子结果表明,Ls与Rs,NR分别在0.05和0.01水平下具有正相关关系(R2=0.96,0.99),Rs与NR在0.01水平下具有正相关关系(R2=0.97),表明制种玉米穗长的增加有利于穗行数、行粒数的增加,而穗行数的增加又有利于行粒数的增加．
表3 制种玉米产量及其构成因子分析
Tab.3 Analysis of yield and its factors of seeding maize
处理Y/(kg·hm-2)WUE/(kg·m-3)Ls/cmds/mmLb/mmRs/行NR/粒mk/gT12765.1c0.755c11.33b29.54b6.67a10.3a14.3b289.53aT24054.0b0.875b11.57b32.59ab6.72a10.7a16.0b283.93aT34619.5a0.969a13.03a32.63ab6.38a11.3a20.0a298.73aCK4579.5a0.835b13.28a33.14a5.52a12.0a21.3a293.93a
表4 制种玉米产量特征值相关性分析
Tab.4 Correlation analysis of yield characteristic value of seeding maize
相关系数Y/(kg·hm-2)WUE/(kg·m-3)Ls/cmds/mmLb/mmRs/行NR/粒mk/gWUE/(kg·m-3)0.92*1Ls/cm0.860.691ds/mm0.95*0.830.721Lb/mm-0.56-0.23-0.83-0.551Rs/行0.820.570.96*0.77-0.93*1NR/粒0.90*0.730.99**0.80-0.820.97**1mk/g0.530.520.800.25-0.500.620.731
注:*,**分别表示P<>P<>
农田土壤水盐分布特征受灌溉、降雨等因素的影响．作物产量与灌溉定额和土壤盐分积累程度密切相关[8-10],在气温较高、蒸发强烈条件下,对作物进行过量灌溉不利于浅层土壤盐分向下运移,反而引起深层土壤盐分的向上运移[11]．膜下滴灌条件下,延长灌水周期具有抑制土壤返盐的作用．本研究结果表明,在土壤蒸发阶段,垄顶、沟底表层土壤盐分累积效应明显,这与袁成福等[12]研究结果相一致．灌水量对60～100 cm土层的含水量影响明显,这与蒋静等[13]研究结果相一致．王庆明等[14]研究结果表明,在微咸水灌溉条件下,水分因素对作物产量的贡献大于盐分因素,该结果同样适用于淡水灌溉试验研究．
土壤水分研究结果表明,在作物生育期内,当灌水定额为400 m3/hm2时,促进沟底土壤水分的垂直运动明显增大．当灌水定额增加为500 m3/hm2时,垄顶位置土壤含水量明显增加,土壤水分水平运动明显提高．
不同灌溉定额条件下,垄顶、沟底土壤表层均易发生积盐现象,中层发生脱盐现象．在作物生育期垄顶含盐量相对稳定,为0.735～2.016 g/kg．沟底表层土壤含盐量受灌水定额影响明显:灌水阶段,表层土壤发生脱盐现象．土壤蒸发阶段,表层土壤发生积盐现象．
不同灌溉定额对产量构成因子Ls,ds,NR的影响具有统计学意义,对Lb,Rs,mk因子影响不具有统计学意义．制种玉米产量与产量各构成因子呈正相关关系(Lb除外),与ds,NR相关性在0.05水平下具有统计学意义．
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(责任编辑 徐云峰)
DONG Pingguo, WANG Zengli, HUO Yunyun
Abstract：Field experiment was conducted to study on soil-salt distribution and crop yield with ridge tillage and furrow irrigation. The results show that the vertical movement of soil moisture could be improved with 400 m3/hm2 of irrigation quota, while the horizontal movement of soil moisture was faster than the vertical movement with 500 m3/hm2 of irrigation quota. Soil salt was influenced by irrigation quota in furrow topsoil: salinity accumulation and eluviation occurred in irrigating and evapotranspiration, respectively. Soil salification in topsoil was relatively stable, that was, the downward migration of soil-salt did not occur. Soil salt of T1 treatment (irrigation quota of 1 700 m3/hm2) was 1.49,1.35 kg/m2in ridge and furrow position, respectively, that of T2 treatment (irrigation quota of 2 100 m3/hm2) were 1.42,1.12 kg/m2, that of T3 treatment (irrigation quota of 2 500 m3/hm2) was 1.32, 0.83 kg/m2. Soil desalting (1.29 kg/m2) occurred at 0-100 cm layer with border irrigation. The yield of seeding maize was between 2 765.1 and 4 619.5 kg/hm2, and WUE was between 0.755 and 0.969 kg/m3. There was significant positive correlation between crop yield and its factors, such as Ls,ds and NR.
Key words：maize;ridge tillage and furrow irrigation；water-salt distribution；irrigation quota；yield
收稿日期：2016-01-12;
网络出版：时间： 2016-10-08
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20161008.1611.028.html
基金项目：水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201501017); 甘肃省水利科研计划推广项目(20140154)
作者简介：董平国(1966—),男,甘肃武威人,正高级工程师(dongpingguo@gmail.com),主要从事旱区水资源利用研究.
王增丽(1974—),女,山西祁县人,高级工程师,博士(wangzengli1201@163.com),主要从事农业水土资源保护与利用研究．
doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0007
董平国
中图分类号：S273.5
文献标志码：A
文章编号：1674-8530(2016)10-0904-06
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