張雪佳,王金濤,董心亮,田 柳,婁泊遠,劉小京,孫宏勇**

(1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2.中國科學院大學 北京 100049)

環(huán)渤海地區(qū)是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū),冬小麥(Triticum aestivum)、夏玉米(Zea mays)是該地區(qū)主要的糧食作物。由于該區(qū)獨特的氣候條件,在冬小麥生長季內(nèi),降雨較少,為滿足冬小麥生長需求實現(xiàn)其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),通常會抽取深層地下水進行灌溉。長期高強度的地下水抽取,導致地下水位迅速下降,引發(fā)了一系列環(huán)境問題[1]。2014年我國將該地區(qū)作為地下水壓采政策的主要實施區(qū)域,進一步減少了農(nóng)業(yè)可用水量。目前,可利用淡水資源的減少加劇了水糧矛盾[2]。與此同時,環(huán)渤海地區(qū)具有較為豐富的淺層微咸水資源[3],因埋深較淺,地下水與土壤水聯(lián)系密切、轉(zhuǎn)化頻繁,直接影響土壤水土環(huán)境,進一步影響冬小麥產(chǎn)量、耗水和水分利用效率的變化[4]。因此,明確該區(qū)域作物生長的適宜地下微咸水埋深,對科學合理調(diào)控地下水動態(tài)變化,減少地下水的不正當消耗及提高水分利用效率具有指導意義。

地下水位作為區(qū)分非飽和含水層(含氧土壤層)及飽和含水層的指標,對土壤及作物均產(chǎn)生重要影響[5]。作物對淺層地下水的利用受多種因素影響,如土壤理化性質(zhì)、作物耐鹽性、地下水鹽度等[6]。近年來,眾多學者廣泛關(guān)注淺層地下水對作物的影響,并對此進行大量研究和實踐[7-8]。Mueller 等[9]報道隨地下水埋深的增加,冬小麥的水分利用效率最高可達3.0 kg·m-3。武朝寶[10]研究認為在地下水埋深為1.5 m 時,冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率最為適宜。Liu 等[11]研究了雨養(yǎng)條件下淺層地下水埋深對冬小麥水分利用及產(chǎn)量的影響,當?shù)叵滤簧疃仍?.4～1.5 m,季節(jié)性地下水的貢獻滿足冬小麥潛在蒸散量的65%以上,水分利用效率和地下水利用效率隨地下水埋深深度的增加而增加,1.5 m 是冬小麥產(chǎn)量形成的理想地下水埋深。一系列的研究發(fā)現(xiàn),當?shù)叵滤槐３衷谧罴焉疃葧r,作物的產(chǎn)量以及水分利用效率明顯提高[12]。然而,當?shù)叵滤贿^淺時,作物根系的有氧呼吸將會受到阻礙,同時,鹽分隨水運移至土壤剖面,蒸發(fā)則使鹽分聚集至根區(qū),對作物生長產(chǎn)生毒害作用,易造成作物減產(chǎn)[13]。當?shù)叵滤裆顬?.5 m 時,冬小麥根區(qū)的土壤含水量高,通氣性差,鹽分積累量增加,鹽害作用增強,冬小麥減產(chǎn)明顯[14]。另一方面,地下水埋深對土壤鹽分的積累影響顯著,隨著地下水埋深的降低,土壤鹽度的變化幅度隨之增加,并增加土壤鹽漬化的風險[15]。尤其是當?shù)叵滤|(zhì)為咸水時,對作物的生長及土壤健康存在一定程度的威脅。然而目前關(guān)于地下微咸水、土壤與作物之間的影響尚未得到廣泛研究。因此,在淺層地下水為微咸水區(qū)域,評估地下水埋深對土壤水鹽分布、作物耗水及產(chǎn)量的影響,對明確作物適宜的地下水埋深、改善作物生長環(huán)境和高效利用地下水資源至關(guān)重要。

由于自然條件下地下水呈動態(tài)性變化,為此,本文通過人工控制不同地下水埋深的試驗方法,研究地下微咸水埋深對土壤水、鹽分布及冬小麥耗水特性的影響,探究淺層微咸水條件下冬小麥的適宜地下水埋深,對于高效利用淺層地下水資源、保障國家水安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年11月-2022年6月在中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站(38°00′N,116°40′E)旱棚內(nèi)進行。該地位于河北省滄州市南皮縣,屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,多年平均溫度為12.3℃,平均降雨量為520 mm,年內(nèi)降雨時間分配不均,冬小麥季內(nèi)平均降雨量為115 mm。試驗區(qū)土壤類型為脫鹽潮土,質(zhì)地以壤土為主。淺層地下水埋深為1.0～10.0 m,主要以NaCl 為主的咸水或微咸水。試驗期間旱棚內(nèi)的小型氣象站自動記錄小氣象因子,冬小麥全生育期的最低溫度-9.16 ℃、最高溫度29.41 ℃、平均溫度為8.06 ℃。

1.2 試驗設計

供試裝置為自制,主要由3 部分組成: 試驗桶、連通器、供水系統(tǒng)。試驗桶高1.95 m,內(nèi)直徑為25 cm,桶內(nèi)填裝20 cm 砂礫石作為反濾層,剩余部分按照田間實際容重1.30 g·cm-3填裝并壓實土壤后種植試驗作物,桶外貼有反光膜,以消除光照對桶壁的影響;連通器由15 mm 水管鏈接試驗桶以及供水系統(tǒng),主要用于控制水位和補水、排水; 供水系統(tǒng)由馬氏瓶組成,馬氏瓶內(nèi)直徑為15 cm,高度50 cm,瓶外標有刻度,便于數(shù)據(jù)讀取。試驗裝置結(jié)構(gòu)信息如圖1所示。

圖1 試驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the test device

供試土壤選自試驗站內(nèi)農(nóng)田耕層土壤(0～20 cm),土壤容重為1.30 g·cm-3,田間持水量為34% (v/v),風干后過5 mm 篩,測得風干土壤體積含水量為2.8%,pH 為8.26,含鹽量為0.60 g·kg-1,有機質(zhì)含量為15.94 g·kg-1。該地區(qū)5 g·L-1以下地下水淺層微咸水資源分布廣泛[16]; 冬小麥作為中等耐鹽作物,其耐鹽閾值為3.19 g·L-1[17],因此,本試驗地下微咸水質(zhì)量濃度設置為3 g·L-1,采用NaCl 為主的海鹽配置。淡水pH 為8.11,礦化度為0.25 g·L-1; 配置微咸水pH為8.13,礦化度為3.37 g·L-1。設計3 個地下微咸水埋深處理,分別為0.5 m (GW1)、1.0 m (GW2)和1.5 m(GW3); 并設1 個對照處理(CK,無地下水位,淡水灌溉處理)。每個處理3 個重復,隨機排列在旱棚內(nèi)。

供試作物為冬小麥,品種為‘小偃60’。每個試驗桶播種前按750 kg·hm-2施小麥專用肥,總養(yǎng)分不低于44%,并澆水至田間持水量的80%,以確保種子萌發(fā)和幼苗生長。選取完好、無破碎的種子30 粒,均勻布施在試驗桶內(nèi),出苗后每桶定苗27 株。拔節(jié)期追施尿素250 kg·hm-2隨灌淡水輸入,水量為20.0 mm(肥料充足,施肥不是限制因素)。處理組(GW1、GW2、GW3)于2022年3月12日進行馬氏瓶安裝及地下水微咸水埋深處理,于2022年3月23日起每天8:00-8:30 記錄馬氏瓶中水位變化,除拔節(jié)期施肥灌溉,其他生育期均不灌溉; 對照組(CK)進行淡水灌溉處理,在返青期澆80.0 mm 返青水,在試驗開始之日起按照試驗地旱棚內(nèi)的氣象條件,計算作物潛在蒸散量,每7 d 進行一次灌溉,直至收獲,總灌溉量為487.5 mm。其他管理措施與當?shù)亓晳T保持一致。

參考作物蒸散: 采用Hargreaves-Samani 模型(HS 模型)[18-19]計算參考作物蒸散:

式中: ET0為H-S 模型計算的參考作物蒸散,mm·d-1;Tmax為最高氣溫,℃;Tmin為最低氣溫,℃;Tmean為平均氣溫,℃;Ra為太陽天頂輻射,mm·d-1,在進行單位轉(zhuǎn)換時,需要乘以輻射轉(zhuǎn)換因子,即蒸發(fā)潛熱的倒數(shù),1/λ=0.408;C和E為公式參數(shù),建議為0.0023 和0.5;Ra1為太陽天頂輻射,MJ·m-2·d-1;Gsc為太陽常數(shù),為0.0820 MJ·m-2·min-1;dr為相對日地距離的倒數(shù);δ為太陽磁偏角(弧度); φ為地理緯度(弧度);ωs為日落時角;J為年內(nèi)某天的日序數(shù),在1 (1月1日)至365或366 (12月31日)之間。

作物潛在蒸散量:

式中: ETc為作物潛在蒸散量,mm·d-1;Kc為作物系數(shù),本文冬小麥采用的作物系數(shù)為1.10[20]。

1.3 測定方法及指標

冬小麥實際蒸散量(ETa)利用水量平衡法計算[21]:

式中: ETa為作物蒸散量,mm;P為降雨量,mm;I為時段內(nèi)的灌溉水量,mm;Wg為時段內(nèi)地下水的補給量,mm; SWD 為時段內(nèi)土壤儲水量的變化,mm;R為地表徑流,mm;D為時段內(nèi)的深層滲漏量,mm。

土壤含水量: 在冬小麥收獲后,縱向剖開PVC桶,按照10 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm、100 cm、150 cm 分層取樣,采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量,計算得到土壤體積含水量。文中土壤含水量均指土壤體積含水量,計算得到土壤相對含水量(SRWC)。

式中: SWC 為土壤實際含水量,FWC 為田間持水量。

土壤鹽分: 測量土壤含水量后剩余部分土壤風干后研磨,過2 mm 篩,稱取土樣10.0 g,加入高純水50 mL,震蕩3 min 后離心3 min,取上清液過濾;HCO3-以及CO32-采用滴定法測定,其他離子利用離子色譜儀(ICS-900)測定,所有離子測定完成后計算得到土壤總鹽分含量。并計算鈉吸附比:

式中: SAR 表示鈉吸附比,Na+、Ca2+、Mg2+為離子濃度(mmol·L-1)。

產(chǎn)量: 冬小麥成熟后,整桶小麥一起收獲測產(chǎn),每個處理3 個重復,并計算收獲指數(shù)和水分利用效率。

式中: HI 為收獲指數(shù);Y為作物產(chǎn)量,kg·m-2;B為作物生物量,kg·m-2; WUEY為產(chǎn)量水平水分利用效率,kg·m-3; WUEB為生物量水平水分利用效率,kg·m-3;ETa為作物實際蒸散,mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 以及Origin Pro 2021b 進行數(shù)據(jù)整理以及圖表繪制,在SPSS 25.0 軟件采用鄧肯法(Duncan’s test)進行方差分析,采用Person 法進行相關(guān)性分析,P＜0.05 差異顯著,P＜0.01差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水埋深下土壤水鹽分布特征

不同地下水埋深直接影響土壤含水量在土壤剖面的變化。圖2為冬小麥收獲期各處理土壤體積含水量垂向空間分布特征。不同埋深處理下土壤含水量呈相似的變化趨勢,GW1、GW2、GW3 處理的土壤含水量均在一定土壤剖面深度范圍內(nèi),隨深度增加而增加。CK 處理受灌溉水及冬小麥蒸散作用的影響,土壤含水量整體波動較小,呈先增加后減小趨勢,在20～30 cm 土層達最大,為24.7%,平均土壤含水量為21.5%。隨地下水埋深的增加,0～10 cm 土壤表層含水量逐漸降低,與CK 處理相比,GW1 處理顯著增加30.9%,GW3 處理顯著降低79.3%。GW1 處理因地下水埋深較淺,整個土體全部維持在較高的水分條件下,0～50 cm 土壤水分變化較為平緩; GW2處理地下水埋深為1 m,土壤水分波動存在于0～100 cm,受毛管上升高度限制,GW2 處理下土壤水分低于相同土層的GW1 處理。地下水埋深為1.5 m 的GW3 處理,因受地下水位及毛管上升高度影響,整個土體各層土壤含水量出現(xiàn)明顯變化,其中土壤水分波動較大的土層為0～50 cm,50～150 cm 土層的土壤水分變化較小,表層(0～10 cm)土壤與深層(100～150 cm)土壤的差距可達32.4%。

圖2 不同地下微咸水埋深下冬小麥成熟期土壤含水量和土壤鹽分含量Fig.2 Soil water and soil salt contents at winter wheat harvest under different underground brackish water depths

冬小麥收獲期各處理土壤鹽分含量垂向空間分布特征如圖2所示。在GW1、GW2、CK 處理下,土壤鹽分變化趨勢相似,隨土壤深度的增加,土壤鹽分先降低后逐漸趨于穩(wěn)定; GW3 處理表現(xiàn)為隨土壤深度的增加,土壤鹽分先增加后減小并逐漸趨于穩(wěn)定,并在土壤中間層(30～50 cm)出現(xiàn)富集現(xiàn)象。GW1、GW2、GW3、CK 處理土壤鹽分含量最大值出現(xiàn)在0～10 cm、0～10 cm、30～50 cm、0～10 cm 土層中,其鹽分含量分別為4.2 g·kg-1、2.8 g·kg-1、2.7 g·kg-1、0.8 g·kg-1。受淺層微咸地下水影響,GW1、GW2、GW3 處理的各土層土壤鹽分含量明顯高于CK 處理,GW1 和GW2 處理表層鹽分含量較CK 處理分別顯著增加3.4 g·kg-1和2.0 g·kg-1。具有相似變化趨勢的GW1、GW2 處理,在土壤表層出現(xiàn)高鹽現(xiàn)象,GW3 處理土壤鹽分含量最大值出現(xiàn)在30～50 cm土層,而表層土壤鹽分含量較低(0.8 g·kg-1)。綜合分析0～50 cm 土壤鹽分含量,各處理間存在顯著差異,其中GW3 處理土壤鹽分含量最低。CK 處理下各土層土壤鹽分含量變化范圍為0.4～0.8 g·kg-1,整個土體全部處于低鹽狀態(tài)。

2.2 不同地下水埋深下冬小麥水量平衡的影響

地下水埋深處理中主要以地下水補給量對作物蒸散產(chǎn)生影響,而CK 處理由于無地下水供給,作物灌溉頻繁,灌溉后的土壤表層不能完全被作物覆蓋時,水分迅速蒸發(fā),表層干燥,因此需要持續(xù)性灌溉,其總供水量為灌溉水量。不同處理的水量平衡中外界供水量以及土壤水分狀況如表1所示。結(jié)果顯示,在GW1、GW2、GW3 處理中,總供水量、土壤水量變化以及蒸散量隨地下水埋深增加而逐漸降低。與CK 處理相比,GW1、GW2 和GW3 處理下總供水量分別顯著增加503.7 mm、296.3 mm 和153.0 mm。GW1 處理土壤儲水量變化幅度最高,且顯著高于其他處理,與CK 處理相比顯著增加60.2 mm。冬小麥蒸散量隨地下水埋深的增加而逐漸降低,與CK 處理相比,GW1 和GW2 處理分別顯著增加50.2%和20.3%; GW3 處理下蒸散量最低,且顯著低于GW1和GW2 處理,與CK 處理相比變化不顯著。如圖3所示,冬小麥蒸散量與地下水埋深深度存在極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),決定系數(shù)達0.96; 同時冬小麥蒸散量與0～10 cm 表層土壤含水量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),決定系數(shù)達0.74。即隨地下水埋深的增加,土壤表層含水量隨之降低,冬小麥蒸散量也逐漸降低。

圖3 不同地下微咸水埋深下冬小麥蒸散量與地下水埋深深度及0～10 cm 表層土壤含水量的關(guān)系Fig.3 Relationship between evapotranspiration of winter wheat and groundwater depth and 0-10 cm surface soil water content under different underground brackish water depths

表1 不同地下微咸水埋深下冬小麥的水量平衡Table 1 Water balance components of winter wheat under different underground brackish water depths

2.3 不同地下水埋深下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

表2為冬小麥的產(chǎn)量及構(gòu)成因素。由表2可知,GW3 處理的穗粒數(shù)、千粒重、穗數(shù)、收獲指數(shù)、產(chǎn)量、生物量水平水分利用效率及產(chǎn)量水平水分利用效率均高于其他處理,表現(xiàn)最優(yōu)。對于GW1、GW2、GW3 處理,隨地下水埋深的增加,冬小麥穗粒數(shù)與千粒重逐漸增加,表現(xiàn)為地下水埋深與穗粒數(shù)顯著正相關(guān),但與千粒重相關(guān)不顯著。與CK 處理相比,GW1、GW2 和GW3 處理的穗粒數(shù)分別顯著提高7.6%、14.1%和20.6%; 而GW1 處理的千粒重則較CK 處理低0.36%,GW2 和GW3 分別高于CK 處理4.94%和5.50%,但各處理間差異不顯著。各處理冬小麥穗數(shù)無顯著差異,在GW3 處理下達最大值。GW1、GW2 和GW3 處理下冬小麥收獲指數(shù)與CK均無顯著差異,但GW2 與GW3 處理間存在顯著差異。冬小麥在GW3 處理下產(chǎn)量最高,且顯著高于CK 和GW2 處理38.0%和49.4%,GW2 處理冬小麥產(chǎn)量較CK 處理低7.6%。GW1、GW2 及GW3 處理下冬小麥生物量水平水分利用效率與產(chǎn)量水平水分利用效率具有相似的變化趨勢,呈GW3＞GW2＞GW1,其中GW3 處理高于其他處理,比CK 處理提高26.86%和40.12%。

表2 不同地下微咸水埋深下冬小麥產(chǎn)量及其組成Table 2 Yield and yield components of winter wheat under different underground brackish water depths

2.4 不同地下水埋深下冬小麥產(chǎn)量與土壤水鹽的關(guān)系

地下水礦化度一定時,不同地下水埋深對土壤水鹽與冬小麥產(chǎn)量的影響可用線性回歸分析進行描述(表3)。對0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm、0～50 cm土壤水分、鹽分與冬小麥產(chǎn)量的線性回歸分析結(jié)果顯示,不同土壤深度回歸模型模擬良好,R2均高于0.6,可以真實可靠地反映出土壤水分、鹽分對冬小麥產(chǎn)量的影響。其中,0～30 cm 土層土壤的模擬結(jié)果最優(yōu),R2為0.759,P=0.014＜0.05,土壤積鹽含量與產(chǎn)量之間正相關(guān),與土壤平均含水量負相關(guān),回歸方程為Y=1.121-0.053SW+0.167SS。

表3 不同地下微咸水埋深下冬小麥產(chǎn)量與土壤水分、鹽分線性回歸分析Table 3 Linear regression analysis of winter wheat yield and soil moisture and salinity in different soil layers under different underground brackish water depths

進一步對0～30 cm 土壤的相對含水量及鈉吸附比進行分析,結(jié)果如圖4所示。不同地下水埋深處理的0～30 cm 土壤相對含水量及鈉吸附比均存在顯著差異(P＜0.05)。土壤相對含水量隨地下水埋深的增加顯著降低,在GW3 處理達到最低。鈉吸附比呈現(xiàn)出GW2＞GW1＞GW3 的變化趨勢,其中,GW2 處理下的鈉吸附比值最高,且顯著高于GW1 及GW2處理。

圖4 不同地下微咸水埋深下0～30 cm 土壤相對含水量及鈉吸附比Fig.4 Soil-relative water content and soil sodium adsorption ratio of 0-30 cm soil under different underground brackish water depths

對GW1、GW2 和GW3 處理下冬小麥產(chǎn)量及其要素的相關(guān)性分析如表4所示。冬小麥產(chǎn)量與穗數(shù)(r=0.915,P＜0.01)、收獲指數(shù)(r=0.921,P＜0.01)、生物量水平水分利用效率(r=0.843,P＜0.01)及產(chǎn)量水平水分利用效率(r=0.896,P＜0.01)極顯著正相關(guān)。穗數(shù)與收獲指數(shù)(r=0.852,P＜0.01)極顯著正相關(guān)。穗粒數(shù)與千粒重(r=0.710,P＜0.05)、生物量水平水分利用效率(r=0.681,P＜0.05)顯著正相關(guān),與蒸散(r=-0.862,P＜0.01)極顯著負相關(guān)。收獲指數(shù)與生物量水平水分利用效率(r=0.729,P＜0.05)顯著正相關(guān),與產(chǎn)量水平水分利用效率(r=0.828,P＜0.01)極顯著正相關(guān)。蒸散與生物量水平水分利用效率(r=-0.838,P＜0.01)極顯著負相關(guān),與產(chǎn)量水平水分利用效率(r=-0.776,P＜0.05)顯著負相關(guān)。生物量水平水分利用效率與產(chǎn)量水平水分利用效率(r=0.986,P＜0.01)極顯著正相關(guān)。

表4 不同地下微咸水埋深下冬小麥產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of yield in winter wheat under different underground brackish water depths

3 討論

地下水埋深直接影響土壤含水量變化[23-24],而土壤中鹽分的積累則是潛水蒸發(fā)的另一種表現(xiàn)形式。地下水埋深過淺時,土壤的強毛細作用可以向通氣區(qū)提供更多的地下水,從而增加淺層地下水埋深下的表層土壤含水量[25],當水分蒸發(fā)后,鹽分表聚[26-27]。隨著地下水埋深的增加,土壤中毛細作用逐漸減弱,毛細水累計上升量呈現(xiàn)遞減趨勢[28],到達淺層土壤的水量減少,淺層土壤含水量降低[25,29],與此同時,受毛管上升水的上升高度及輸水速度影響的土壤表層積鹽速度隨之降低[30]。在本研究中,GW1、GW2 和GW3 處理在土壤表層(0～10 cm)的土壤含水量、土壤含鹽量隨地下水埋深的增加而顯著降低,地下水埋深從0.5 m 增加至1.5 m,土壤表層(0～10 cm)含水量從27.8%下降到4.4% (圖2),土壤鹽分表聚量從4.2 g·kg-1下降到0.8 g·kg-1(圖2),這與前人的研究結(jié)果相一致[31-32]。淺層地下水埋深導致鹽分積累,是土壤發(fā)生次生鹽漬化風險的主要原因[33]。GW1 及GW2 處理的鹽分主要積累在土壤表層,但GW3 處理鹽分積累主要發(fā)生在30～50 cm 土層,因此,0～50 cm土層鹽分積累量GW3 處理明顯低于GW1 和GW2處理。地下水埋深為1.5 m 時,相對另外兩個埋深,土壤發(fā)生次生鹽漬化風險低。

地下水淺埋區(qū),作物蒸散主要受地下水供給量、地下水深度和鹽度、作物性狀、氣候條件以及土壤物理性質(zhì)的影響[25,34]。本研究中,地下水埋深顯著影響冬小麥蒸散,冬小麥蒸散量隨地下水埋深的增加而逐漸降低,當?shù)叵滤裆顬?.5 m 時,蒸散量最低(圖3)。這與早期研究一致,地下水埋深在一定范圍內(nèi),冬小麥蒸散量隨地下水埋深的增加而降低[35]。作物蒸散包括作物蒸騰和土壤蒸發(fā),其中,土壤蒸發(fā)是總蒸散的主要來源,尤其是在土壤含水量較高的地區(qū),即使作物冠層完全發(fā)育,作物蒸騰量也相對較低[36]。但作物蒸騰作為作物有效利用的水分,蒸騰量越大,作物生物量越多; 而土壤蒸發(fā)作為作物蒸散的無效損耗,降低這種損耗可提高作物的水分利用效率[37]。本研究中,表層(0～10 cm)土壤含水量顯著影響作物蒸散(圖3),蒸散與WUEB及WUEY存在顯著相關(guān)(P＜0.05)。這是由于地下水埋深過淺時,土壤表層含水量長期保持較高的水平,潮濕的土壤表面會迅速蒸發(fā),消耗更多的水分; 而地下水埋深較深時,毛細作用的速度相對較慢,當土壤表層的水分蒸發(fā)后,毛細水不能及時補充表層土壤水,致使土壤蒸發(fā)受限,作物蒸散量降低[38]。因此,地下水埋深較淺時,表層土壤含水量高會產(chǎn)生較多的水分損耗,不利于水分利用效率的提高。

不同淺層微咸地下水埋深情況下多因素相互作用影響冬小麥產(chǎn)量。過淺的地下水埋深會導致土壤內(nèi)澇,加劇氧氣供應緊張,在作物根系環(huán)境造成低氧脅迫,對作物生長與產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響[39-40]; 尤其是地下水中存在過量的鹽分,有可能會導致土壤鹽分含量過高,產(chǎn)生次生鹽漬化[41-42]。在植物方面,表現(xiàn)為低滲透勢和特定離子的毒性,導致植物生長受到抑制或死亡[43]。研究發(fā)現(xiàn),在無灌溉無降雨條件下,冬小麥產(chǎn)量最大值出現(xiàn)的地下水埋深為1.5 m,當?shù)叵滤裆畹陀?.5 m 時,冬小麥產(chǎn)量下降[44]。本研究中,冬小麥最高產(chǎn)量同樣出現(xiàn)在地下水埋深為1.5 m處理(GW3),并隨地下水埋深的增加而降低。但產(chǎn)量最低水平出現(xiàn)在地下水埋深為1.0 m 的處理(GW2),這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果存在一定差異。這是由于模擬試驗中地下水水質(zhì)與其存在差異,影響土壤中水鹽分布,進而對作物產(chǎn)量造成影響。通過分析產(chǎn)量與土壤水鹽的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)三者之間存在顯著線性相關(guān)(P＜0.05),其中0～30 cm 耕層土壤水、鹽對作物產(chǎn)量影響最為顯著。進一步對0～30 cm 耕層土壤的鈉吸附比及土壤相對含水量進行分析發(fā)現(xiàn),GW1與GW2 處理的水分條件相近,但GW2 處理鈉吸附比更高,土壤中鹽離子對作物的離子毒害作用更強,同時由于土壤中鹽分含量過高使得土壤溶液滲透勢降低,形成滲透脅迫[45],作物吸水困難,產(chǎn)生生理性干旱[46]。冬小麥是中度耐鹽作物,其穗數(shù)對水分、鹽分敏感,長時間的水鹽脅迫影響冬小麥穗數(shù)。穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重決定冬小麥最終產(chǎn)量,相關(guān)性分析表明,穗數(shù)是引起冬小麥產(chǎn)量發(fā)生差異的主要因素(表4),前人研究中也發(fā)現(xiàn)了相似結(jié)論[47]。與此同時,受產(chǎn)量與蒸散影響的產(chǎn)量水平水分利用效率,地下水埋深為1.5 m 時表現(xiàn)最佳,且隨著地下水埋深的減少而降低,這與前人的研究結(jié)果相一致[48]。因此,本試驗結(jié)果表明,適宜的地下水埋深增加能夠提高冬小麥的產(chǎn)量,而當?shù)叵滤裆钶^淺時,作物減產(chǎn)。這主要是由于地下水埋深較淺時作物根系周圍空氣流通率降低,根系有氧呼吸受到抑制,以及土壤中高鹽濃度造成的滲透脅迫,影響作物生長與產(chǎn)量。

淺層地下水埋深對土壤水鹽分布具有顯著影響,土壤水分管理是改變作物根區(qū)鹽脅迫的主要途徑[49-50]。土壤水分與鹽分的管理可通過小區(qū)域內(nèi)水位平衡的方法控制淺層地下水位,包括水庫調(diào)蓄、運河管理、灌排系統(tǒng)改善等[6]。在雨季之前,利用河道的排水作用或田間鋪設的暗管進行排水,對田間地下水位進行預降,干旱時利用控制工程攔蓄和調(diào)控河流分配,對地下水進行回補作用[51]。值得注意的是,在考慮田間實際情況(河流輸送及灌排系統(tǒng)管理)的前提下,需要有目的地進行地下水位管理,維持作物產(chǎn)量及控制土壤鹽分。

冬小麥作為深根系作物,根系分布不僅能夠吸收利用表層土壤水,同時也可以獲取深層地下水。然而,本試驗僅探討微咸地下水埋深為0.5～1.5 m 時土壤中水鹽分布以及作物的耗水特征,對于更深地下微咸水埋深對土壤及冬小麥的影響還有待進一步研究。

4 結(jié)論

1)咸水礦化為3 g·L-1,地下水埋深在0.5～1.5 m的條件下,地下水埋深顯著影響土壤水鹽分布。隨土層深度的增加,土壤含水量逐漸增加; 隨水運移的鹽分在地下水埋深為0.5 m 和1.0 m 下主要聚集在0～10 cm 土層,地下水埋深1 m 下鹽分主要聚集在30～50 cm 土層。隨地下水埋深增加,0～50 cm 土壤的水分、鹽分含量逐漸降低,土壤發(fā)生次生鹽漬化風險降低。冬小麥蒸散與地下水埋深存在顯著負相關(guān)關(guān)系,隨地下水埋深的增加而逐漸降低; 同時冬小麥蒸散與表層土壤含水量存在顯著正相關(guān)關(guān)系,隨表層土壤含水量的降低而降低,在地下水埋深為1.5 m時達最低,為564.0 mm。

2)土壤水環(huán)境的改變進一步影響冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率。地下水埋深為1.5 m 的產(chǎn)量及水分利用效率顯著優(yōu)于地下水埋深為0.5 m 及1.0 m。地下水埋深為1.0 m 時冬小麥產(chǎn)量最低,主要是因為土壤鹽分含量過高對作物造成離子毒害和滲透脅迫作用,通過影響作物成穗數(shù),最終影響冬小麥產(chǎn)量。

3)綜合考慮土壤水鹽狀況、冬小麥產(chǎn)量、耗水及水分利用效率,在淺層微咸水條件下,冬小麥返青期后控制地下水埋深為1.5 m 時,冬小麥產(chǎn)量最優(yōu)且土壤鹽分積累量可控,水分利用效率最高。因此,地下水埋深1.5 m 為該地區(qū)適宜冬小麥生長的淺層微咸地下水埋深上限。