田德龍 侯晨麗， 徐 冰 李仙岳 任 杰

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 呼和浩特 010020； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

0 引言

紫花苜蓿有“牧草之王”之稱，營養(yǎng)價值高，耐鹽及耐旱性較強(qiáng)，是我國種植面積較大、分布范圍較廣的牧草之一[1-2]。目前河套灌區(qū)鹽漬化耕地面積32.27萬hm2，占總耕地面積的45.5%，利用鹽漬化農(nóng)田種植苜蓿，對解決糧經(jīng)飼爭地矛盾、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、提升耕地質(zhì)量等具有重要意義。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，全面了解和掌握作物耗水規(guī)律，對節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展、水分利用效率的提高和生物產(chǎn)量的模擬預(yù)測均具有重要意義[3]。目前，農(nóng)田耗水研究仍習(xí)慣采用水量平衡法，一般通過土壤水分剖面分布或根系分布來確定作物對土壤水分的吸收利用[4]。白珊珊等[5]基于水量平衡法得出，冬小麥2年平均耗水量為387.9 mm，其中灌溉水消耗占比最大，但水分分布只能說明可利用水分的多少，根系的存在并不等于這些根在水分吸收方面活躍[4]，采用水量平衡法無法定量分析不同土層水分及各潛在水源對農(nóng)田耗水的貢獻(xiàn)率。近年來，同位素技術(shù)在農(nóng)田作物研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，李豐琇等[6]采用雙作物系數(shù)法計(jì)算蒸騰量，并與穩(wěn)定碳同位素法測得的耗水量進(jìn)行比較，兩者相關(guān)性較好，但穩(wěn)定碳同位素法具有一定局限性，無法定性確定植物利用水分來源信息及不同水源的利用比例，而穩(wěn)定氫氧同位素為植物水分來源和水分利用策略研究提供了新的技術(shù)方法[7-10]。余紹文等[7]對黑河戈壁區(qū)沙漠植物的水分來源研究顯示，干旱區(qū)植物水分來源主要依賴于降水。趙西寧等[8]研究了黃土丘陵區(qū)4個樹齡棗樹對不同深度土層土壤水分利用特征，分析得到，淺層土壤水分相對充足時期，棗樹主要吸收淺層土壤水分，淺層土壤水分匱乏時，深層土壤水分吸收比例增大，不同樹齡棗樹不同時期水分利用特征存在差異。鄔佳賓等[9]通過研究滴灌條件下紫花苜蓿對灌溉水的利用情況得到，灌水后作物迅速而高效地吸收利用了灌溉水，但對灌溉水的用水策略并不明確偏向于某一深度土層。孫寧霞[10]基于穩(wěn)定氫氧同位素方法分別研究了玉米不同生育期水分利用特征，結(jié)果表明，不同生育期不同深度土壤水貢獻(xiàn)率差異顯著。而在地下水埋深淺的灌區(qū)，有關(guān)水量平衡法與穩(wěn)定氫氧同位素相結(jié)合解析農(nóng)田耗水過程及不同水源(灌溉水、地下水、土壤水)水分貢獻(xiàn)率的研究鮮有報(bào)道。苜蓿為密植型作物，較傳統(tǒng)玉米(占河套灌區(qū)種植面積的77.9%)種植密度大，冠層覆蓋度大，群體葉面積指數(shù)大，進(jìn)而影響蒸散[11-12]。文獻(xiàn)[13-15]認(rèn)為，地表覆蓋增加，可減少地表蒸發(fā)，阻隔淺層鹽分積累，使農(nóng)田水分、鹽分時空重新分布。試驗(yàn)區(qū)降雨少、蒸發(fā)強(qiáng)度大、地下水位埋深淺。明廣輝等[16]研究發(fā)現(xiàn)，隨地下水位埋深的增加，土壤累積含鹽量呈負(fù)指數(shù)降低；何子健等[17]研究發(fā)現(xiàn)，棉花間作苜蓿可提高地下水利用效率，降低土壤鹽分。

苜蓿根系深、覆蓋度高，可增加地下水利用量，導(dǎo)致土壤剖面鹽分發(fā)生變化。為此，本文以苜蓿農(nóng)田為研究對象，以傳統(tǒng)玉米農(nóng)田為對照，分析種植苜蓿對農(nóng)田耗水過程、不同土層土壤水貢獻(xiàn)率、各潛在水源貢獻(xiàn)率及農(nóng)田鹽分的影響，旨在揭示苜蓿對水鹽的調(diào)控效果和機(jī)制，為當(dāng)?shù)佧}漬化農(nóng)田苜蓿種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣壩愣村圣牧高科經(jīng)濟(jì)園區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱少雨。年平均氣溫10.5℃；無霜期133～144 d；年平均降水量132 mm，年平均蒸發(fā)量2 258.5 mm。其中5—10月降雨量為56.86 mm，地下水平均埋深為1.4 m，參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)為720.85 mm(圖1)。土壤0～100 cm初始平均含鹽量為1.64 g/kg，平均容重為1.48 g/cm3，土質(zhì)為粉砂壤土，粒徑組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：砂粒36.10%、粉粒57.78%、黏粒6.12%，苜蓿農(nóng)田、傳統(tǒng)玉米農(nóng)田初始土壤0～100 cm平均有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比分別為12.66、9.30 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試紫花苜蓿品種為阿爾岡金，玉米品種為鈞凱918，生長周期大致相同(120～150 d)。苜蓿采用人工條播，行距15 cm，播種量22.5 kg/hm2；玉米播種行距450 mm，株距300 mm，不進(jìn)行覆膜，試驗(yàn)于2017年開展，苜蓿種植年限為第2年。試驗(yàn)農(nóng)田為相鄰兩地塊，面積均為35 m×20 m，中間設(shè)置寬1.5 m小路，小路左邊為苜蓿農(nóng)田(MX)，右邊為玉米農(nóng)田(YM)，地塊四周埋設(shè)1 m深塑料布，防止四周農(nóng)田的側(cè)漏補(bǔ)給，水鹽自動監(jiān)測儀平行于作物播種行地塊中間位置安置，苜蓿農(nóng)田灌水時間、灌水量、施肥量與玉米農(nóng)田相同，灌溉水為黃河水，灌水時間按照當(dāng)?shù)攸S河配水時間進(jìn)行灌溉，分別為5月20日、6月22日、7月8日及8月5日，共4次灌水，每次灌水定額105 mm，整個生育期共灌水420 mm。玉米播種時施入底肥，其中磷140 kg/hm2、氮210 kg/hm2；苜蓿為多年生牧草，免耕，苜蓿第1水前施入相同量磷肥與氮肥。第2水及第3水兩地塊同時進(jìn)行追肥，追肥施N 200 kg/hm2。苜蓿在初花期刈割，共收獲3茬(6月21日、7月26日、9月25日)；玉米在成熟期(9月25日)進(jìn)行收獲。

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1土樣采集及測定

氣象數(shù)據(jù)：試驗(yàn)田附近自設(shè)的氣象站(HOBO-U30型)自動采集，設(shè)定為1 h采集1次，采集數(shù)據(jù)包括氣溫、降雨量、濕度、太陽輻射、大氣壓等。

地下水位數(shù)據(jù)：試驗(yàn)區(qū)設(shè)置自動水位計(jì)(HOBO型)，每6 h自動記數(shù)1次，記錄數(shù)據(jù)包括水體壓強(qiáng)、水體溫度。

土壤水勢：兩個地塊中間分別埋設(shè)80、120 cm兩根真空表型負(fù)壓計(jì)，每3 d記錄1次負(fù)壓計(jì)度數(shù)，灌溉及降雨前后加測，每1 d記錄1次，時間為09:00。用于計(jì)算地下水補(bǔ)給量。

棵間蒸發(fā)數(shù)據(jù)：試驗(yàn)地塊中間放置一套北京時域通科技有限公司生產(chǎn)的棵間蒸發(fā)器測量系統(tǒng)(型號：LYS20，精度：0.1 g)，采用高精度傳感器稱量土柱中水分微量變化，蒸發(fā)桶面積為314 cm2，每2 h自動記數(shù)1次。

作物生育期內(nèi)含水率及電導(dǎo)率EC：取樣采用“S”形進(jìn)行均勻采樣，每次取樣重復(fù)3次，10 d左右取樣1次，灌水降雨前后加測，0～40 cm每10 cm取樣，40～100 cm每20 cm取樣。含水率土樣放入鋁盒干燥，電導(dǎo)率土樣取回陰干、磨細(xì)，過2 mm篩，按1∶5的土水質(zhì)量比混合制取土壤浸提液，采用DDS-307W型電導(dǎo)率儀測定。每個試驗(yàn)小區(qū)中間埋設(shè)一根沈陽巍圖科技公司生產(chǎn)的自動水鹽監(jiān)測儀(型號：Fleb-30c，含水率精度：±4%)，進(jìn)行連續(xù)含水率監(jiān)測，每1 h記錄1次，測定前要進(jìn)行標(biāo)定(標(biāo)定方法：根據(jù)儀器測定的土壤含水率和干燥法測定的土壤含水率，確定土壤水分標(biāo)定曲線，進(jìn)行相關(guān)性分析)。

氫氧同位素取樣及分析：7月為作物快速生長階段(苜蓿：第2茬生育期，玉米：拔節(jié)期-灌漿期)及需水高峰期，土壤水分變化劇烈，土壤垂直剖面水分交換頻繁，7月前后共進(jìn)行3次取樣，分析土壤中水分吸收利用情況。取樣時間分別為6月24日、7月11日、8月9日，包括降雨、灌溉水及地下水樣、0～100 cm不同土層土壤水、玉米和苜蓿的莖部水樣品，植物樣剪取3～4株距離地表5 cm的莖稈，土壤水取樣深度為0～40 cm每10 cm取樣、40～100 cm每20 cm取樣，樣品采集后放入10 mL玻璃瓶密封，2℃冰箱儲存，回到室內(nèi)用真空抽提系統(tǒng)及時提取土壤水分和植物莖部水分，最后放入2 mL樣品瓶進(jìn)行檢測。所有樣品采用Picarro L2140-i型超高精度液態(tài)水和水汽同位素分析儀進(jìn)行氫氧同位素測定，該儀器測試δD(氘含量)精度為0.04‰/300 s，δ18O為0.01‰/300 s，且17O盈余精度優(yōu)于0.015‰。

1.3.2農(nóng)田耗水量計(jì)算

土壤土水勢采用負(fù)壓計(jì)測定，分別在兩個地塊中間埋設(shè)80、120 cm兩根負(fù)壓計(jì)，選定距地表100 cm處為作物根系層下邊界，根據(jù)實(shí)測負(fù)壓及室內(nèi)試驗(yàn)得出的作物根系層各水力學(xué)參數(shù)[18]，采用達(dá)西定律計(jì)算地下水補(bǔ)給量與滲漏量。計(jì)算公式為

(1)

式中D——通過地下100 cm邊界上的水量，mm

ψm1——80 cm土層土壤水基質(zhì)勢，cm

ψm2——100 cm土層土壤水基質(zhì)勢，cm

z1——80 cm土層深度，cm

z2——100 cm土層深度，cm

kθ——非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d

Δt——時間步長，d

采用水量平衡法計(jì)算農(nóng)田各月耗水量，計(jì)算公式為

ET=ΔW+P+I-D-R

(2)

式中ET——農(nóng)田耗水量，mm

ΔW——0～100 cm土壤貯水變化量，mm

P——有效降雨量，mm

I——灌溉量，mm

R——徑流量，mm

當(dāng)D值為正，農(nóng)田水分發(fā)生深層滲漏，D值為負(fù)，地下水向上補(bǔ)給；試驗(yàn)期間試驗(yàn)區(qū)未發(fā)生持續(xù)性降雨，地面徑流損失R可忽略不計(jì)；一般認(rèn)為P<5 mm為無效降雨，降雨系數(shù)為0；5 mm≤P≤50 mm時，降雨系數(shù)為1；當(dāng)P>50 mm時，降雨系數(shù)為0.8[19]。

地表蒸發(fā)量及蒸騰量的計(jì)算公式為

(3)

式中E——地表蒸發(fā)量，為單位面積上水分變化量，mm

T——蒸騰量，mm

ΔS——2 h內(nèi)土柱質(zhì)量變化量，g

1.3.3農(nóng)田各潛在水源貢獻(xiàn)率

試驗(yàn)區(qū)降雨少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，6月23—24日有效降雨總量為9.4 mm，占灌水量的9%，7月11日及8月9日取樣前后無降雨，氫氧同位素測定的結(jié)果中降雨對作物的貢獻(xiàn)率為零，不易被植物吸收利用，因此在分析農(nóng)田各潛在水源貢獻(xiàn)率時將降雨忽略。試驗(yàn)區(qū)采用地面灌溉，水分來源包括：①灌溉水。②水分滲入土壤形成土壤水，被根系吸收，0～100 cm土層土壤水是作物水分來源。③淺埋深地下水，向上運(yùn)移到不同土層，被作物吸收利用，是作物水分來源。將各潛在水源δD、δ18O值輸入IsoSource模型，模型中將來源增量設(shè)為1%，質(zhì)量允許度設(shè)為0.1%。不同采樣時間土壤水δD、δ18O進(jìn)行相關(guān)性分析，由表1可知，δD、δ18O的相關(guān)性顯著，因此可基于δD計(jì)算不同土層土壤水分的貢獻(xiàn)比例。

表1 不同取樣時間土壤水PδD、Pδ18O決定系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between PδD and Pδ18O of soil water at different sampling times

IsoSource模型可以同時測定各種可能水源和植物莖稈水中至少一種同位素的值，利用同位素質(zhì)量守恒原理來計(jì)算植物對水分的利用比例[7]，計(jì)算公式為

(4)

其中

式中PδD——植物莖部水中氘含量，‰

PδDi——農(nóng)田中潛在水源i氘含量，‰

fi——植物對水源i的吸收比例，%

1.3.4不同土層土壤儲鹽量變化率

土壤質(zhì)量含鹽量采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行換算[19]，相關(guān)計(jì)算公式為

M=3.471PEC+0.015

(5)

式中PEC——土壤電導(dǎo)率，mS/cm

M——土壤質(zhì)量含鹽量，g/kg

兩次取樣時段內(nèi)第n層土壤儲鹽量變化率為

(6)

其中

h——土層深度，cm

Rn——土層土壤體積質(zhì)量，g/cm3

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并繪制圖表，利用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析及鄧肯式多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 改種苜蓿對農(nóng)田耗水過程的影響

生育期內(nèi)(5—9月)苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田水分消耗情況見表2。由表2可知，改種苜蓿后較玉米農(nóng)田，總耗水量增加20.17%，蒸發(fā)蒸騰量比平均值降低66.64%，其中0～100 cm土壤貯水變化量減少8.08%，地下水對作物補(bǔ)給量增加153.45%，滲漏量減少39.68%，蒸發(fā)量減少6.21%，蒸騰量增加35.80%。其中5月苜蓿農(nóng)田較玉米農(nóng)田耗水量偏高，主要用于作物蒸騰，蒸發(fā)蒸騰比為0.70，玉米農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰比為4.98。隨作物生長苜蓿農(nóng)田與玉米農(nóng)田耗水量總體上先增加后減小，苜蓿農(nóng)田最大耗水量集中在7月，為190.81 mm，8月玉米農(nóng)田耗水量最大，為159.43 mm。7—8月農(nóng)田蒸騰量均增加，土壤貯水量較5、6月均顯著減少(p<0.05)，苜蓿農(nóng)田土壤貯水變化量占蒸騰量比例平均值為40.77%，較玉米農(nóng)田占比小19.79%；地下水補(bǔ)給量占蒸騰量比例平均值為19.38%，較玉米農(nóng)田占比大16.99%；滲漏量占作物蒸騰量比例平均值為15.03%，較玉米農(nóng)田占比小12.01%。9月苜蓿生長處于緩慢階段，玉米生長處于停滯階段，蒸騰量均顯著減小，兩塊農(nóng)田耗水量均大幅下降；其中玉米農(nóng)田因作物細(xì)根衰老死亡，對土壤中毛管水的吸收利用減少，而苜蓿農(nóng)田土壤中水分消耗量顯著增加，較玉米農(nóng)田提高168.41%；地下水補(bǔ)給量均顯著高于其他月(p<0.05)；與玉米農(nóng)田相比，苜蓿農(nóng)田滲漏量減少7.39 mm，蒸發(fā)蒸騰比減小1.2，表明生長后期苜蓿農(nóng)田較玉米農(nóng)田耗水強(qiáng)度仍較大。

表2 生育期苜蓿農(nóng)田與玉米農(nóng)田水分消耗情況Tab.2 Water consumption in alfalfa and maize fields during growing period mm

注：同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(p<0.05)，下同。

圖2 生育期不同土層土壤體積含水率變化曲線Fig.2 Changing curves of soil volume water content in different soil layers during growing period

圖2為生育期不同土層土壤體積含水率變化曲線，生育期苜蓿農(nóng)田土壤體積含水率變化可分為激烈變化階段和線性下降階段，玉米農(nóng)田分為平穩(wěn)變化階段和平緩下降階段。苜蓿農(nóng)田0～100 cm平均土壤體積含水率較玉米農(nóng)田下降了6.39個百分點(diǎn)；苜蓿農(nóng)田0～10 cm與10～30 cm土壤體積含水率平均差值為1.01%，玉米農(nóng)田為4.32%，表明苜蓿農(nóng)田0～30 cm土壤水分較玉米農(nóng)田分布相對均勻。5月初苜蓿農(nóng)田較玉米農(nóng)田受作物自身耗水影響顯著，5月12日前，苜蓿農(nóng)田土壤平均體積含水率較玉米農(nóng)田降低了22.33個百分點(diǎn)。隨時間推移，農(nóng)田水分消耗主要以蒸騰為主，土壤貯水量消耗增加，土壤體積含水率呈下降趨勢，7月受灌溉及地面覆蓋度影響，苜蓿農(nóng)田0～60 cm土壤體積含水率呈“U”形變化，而玉米農(nóng)田土壤體積含水率呈“V”形變化。8月9日后，農(nóng)田無灌溉，農(nóng)田水分消耗主要來源是土壤中貯存水量，到9月10日，苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田0～60 cm土壤體積含水率變化率平均值分別為-0.48、-0.23，之后苜蓿農(nóng)田土壤體積含水率趨于平穩(wěn)，平均變化率為-0.07。為了進(jìn)一步了解改種苜蓿對農(nóng)田土壤水分空間分布的影響，對不同土層土壤儲水量變化進(jìn)行分析，見表3。5月苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田30～40 cm土壤儲水量均顯著低于其他土層(p<0.05)，表明農(nóng)田30～40 cm土壤水分易被作物根系吸收利用。隨時間推移，蒸騰量增大，農(nóng)田中土壤儲水量明顯減少，7月苜蓿農(nóng)田60～80 cm土層土壤儲水量顯著低于其他土層(p<0.05)；而玉米農(nóng)田0～10 cm土層土壤儲水量顯著低于其他土層(p<0.05)，7月正是氣溫最高、蒸發(fā)最為強(qiáng)烈時候，此時土壤水分受溫度影響，地表蒸發(fā)量增加。9月苜蓿農(nóng)田土壤儲水變化量相對8月增加，增加60.77個百分點(diǎn)，60～100 cm較0～40 cm土壤儲水變化量減少了16.15 mm；而玉米農(nóng)田土壤儲水變化量相對8月減少，減少72.03個百分點(diǎn)。對生育期內(nèi)各月0～100 cm土壤儲水量變化量進(jìn)行t檢驗(yàn)，改種苜蓿后農(nóng)田土壤儲水變化量較玉米農(nóng)田差異性顯著(p<0.05)。

表3 各月不同土層土壤儲水量變化Tab.3 Variation regularity of soil water storage in different soil layers in different months mm

2.2 改種苜蓿后各潛在水源貢獻(xiàn)率變化的同位素分析

農(nóng)田土壤中儲存水分主要由灌溉水及地下水轉(zhuǎn)化，最終被作物根系吸收。作物快速生長期內(nèi)，農(nóng)田中不同土層水分交換頻繁，利用直接對比法判辨根系優(yōu)先吸收某層土壤水分，圖3為土壤水與莖部水δD對比圖。6月24日取樣，苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田土壤水δD范圍分別為-79.12‰～-63.08‰、-120.04‰～-62.79‰；苜蓿農(nóng)田20～30 cm土壤水δD與莖部水δD有一個交點(diǎn)，80 cm土壤水δD接近于莖部水，表明苜蓿農(nóng)田耗水深度向下加深；玉米農(nóng)田20～30 cm、30～40 cm土壤水δD與莖部水δD均有一個交點(diǎn)(圖3a)。7月11日取樣，苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田土壤水δD范圍分別為-99.99‰～-53.58‰、-108.41‰～-67.20‰；其中苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田0～10 cm土壤水δD與莖部水δD均有交點(diǎn)，說明淺層土壤含水率增加時，優(yōu)先被根系吸收利用；玉米農(nóng)田30～40 cm土壤水δD與莖部水δD仍有一個交點(diǎn)(圖3b)。8月9日取樣，苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田土壤水δD范圍為-100.38‰～-36.40‰、-102.25‰～-59.67‰；其中苜蓿農(nóng)田80 cm土壤水δD與莖部水有一個交點(diǎn)，而玉米農(nóng)田30～40 cm土壤水δD與莖部水有一個交點(diǎn)(圖3c)?？梢钥闯?，玉米農(nóng)田不同時間30～40 cm土壤水δD與莖部水δD均有交點(diǎn)，而苜蓿農(nóng)田不同時間土壤水δD與莖部水交點(diǎn)深度不同，表明苜蓿農(nóng)田的土壤水利用具有靈活性，玉米農(nóng)田土壤水利用具有一定的偏向性，主要吸收利用30～40 cm土壤水。

圖3 不同取樣時間土壤水和莖部水δD比較Fig.3 Comparison of δD values of soil water and stem water at different sampling times

圖4 不同取樣時間不同土層土壤水分貢獻(xiàn)率Fig.4 Ratio of soil water use in different layers at different sampling times

為了進(jìn)一步分析農(nóng)田中不同深度土壤水利用比例，利用IsoSource模型定量計(jì)算不同采樣時間不同土層土壤水貢獻(xiàn)率，如圖4所示。隨時間推移，深層土壤(大于40 cm)水貢獻(xiàn)率呈增加趨勢，不同土層貢獻(xiàn)率整體趨于平穩(wěn)。6月24日，苜蓿農(nóng)田優(yōu)先利用20～30 cm土壤水分，貢獻(xiàn)率為78.10%，顯著高于其他土層(p<0.05)；玉米農(nóng)田優(yōu)先利用0～40 cm土壤水分，貢獻(xiàn)率在16%～20%，除20～30 cm，其他土層土壤水貢獻(xiàn)率無顯著差異(p>0.05)。7月11日，苜蓿農(nóng)田0～10 cm土壤水貢獻(xiàn)率顯著高于其他土層(p<0.05)，大于40 cm土壤水貢獻(xiàn)率較6月提高6.1%；玉米農(nóng)田30～40 cm土壤水貢獻(xiàn)率較6月提高20.1%，為40.6%，顯著高于其他土層(p<0.05)，大于40 cm土層土壤水貢獻(xiàn)率較6月提高2.2%；苜蓿農(nóng)田深層土壤水貢獻(xiàn)率較玉米農(nóng)田提高比例較大。8月9日，苜蓿農(nóng)田不同深度土壤水貢獻(xiàn)率間差異減小，苜蓿農(nóng)田0～10 cm土壤水貢獻(xiàn)率為24.10%，顯著高于其他土層(p<0.05)，大于40 cm土層土壤水貢獻(xiàn)率為40.4%，較6、7月平均增加26.25%，表明蒸騰作用水分消耗趨于深層；玉米農(nóng)田30～40 cm土壤水利用比例顯著高于其他層(p<0.05)，貢獻(xiàn)率為37.10%，其他土層水分貢獻(xiàn)率均勻分布，平均貢獻(xiàn)率為10.05%，大于40 cm土層土壤水貢獻(xiàn)率29.8%，較6、7月平均增加6%。隨時間推移蒸騰作用水分消耗均趨于深層土壤水分，苜蓿農(nóng)田深層土壤(大于40 cm)水貢獻(xiàn)率較玉米農(nóng)田提高比例較大，深層土壤水利用更為顯著。

不同時間農(nóng)田土壤水、灌溉水及地下水貢獻(xiàn)率如表4所示。由表可知，苜蓿農(nóng)田0～40 cm、40～100 cm土壤水貢獻(xiàn)分別為3.18%～34.02%、1.21%～25.74%，玉米農(nóng)田0～40 cm、40～100 cm土壤水貢獻(xiàn)分別為25.69%～35.31%、24.47%～28.96%，苜蓿農(nóng)田土壤水貢獻(xiàn)率較玉米農(nóng)田差異較大，可能是苜蓿根系對不同土層的水分吸收利用的靈活性所致。8月較6、7月，苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田的灌溉水與地下水貢獻(xiàn)率均減小，苜蓿農(nóng)田平均貢獻(xiàn)率分別減少24.95%、9.16%，玉米農(nóng)田平均貢獻(xiàn)率分別減少3.92%、5.33%，地下水貢獻(xiàn)率下降可能因深層滲漏量減小所致。苜蓿農(nóng)田不同時間各潛在水源貢獻(xiàn)率差異性顯著，6月24日40～100 cm土壤水貢獻(xiàn)率顯著高于其他水源貢獻(xiàn)率(p<0.05)；8月9日0～40 cm土壤水貢獻(xiàn)率顯著高于其他水源貢獻(xiàn)率(p<0.05)；7月11日苜蓿農(nóng)田灌溉水貢獻(xiàn)率顯著高于其他水源貢獻(xiàn)率(p<0.05)。玉米農(nóng)田不同時間0～40 cm土壤水貢獻(xiàn)率均顯著高于其他水源(p<0.05)，平均貢獻(xiàn)率為31.43%；灌溉水與地下水貢獻(xiàn)率均無顯著差異(p>0.05)。不同時間苜蓿農(nóng)田地下水貢獻(xiàn)率明顯高于玉米農(nóng)田，分別高0.62%、11.01%、1.99%，說明農(nóng)田改種苜蓿增加了對地下水的消耗。

2.3 改種苜蓿對農(nóng)田鹽分的影響

圖5為苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田不同土層土壤電導(dǎo)率變化曲線。由圖可知，生育期內(nèi)苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田不同深度土壤電導(dǎo)率呈周期性上下波動變化， 60～100 cm土壤電導(dǎo)率均大于或等于10～60 cm土層。苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田初始0～100 cm土壤平均電導(dǎo)率分別為0.60、0.52 mS/cm；收獲時0～100 cm土壤平均電導(dǎo)率分別為0.27、0.46 mS/cm，平均脫鹽率分別為53.90%、12.43%，0～10 cm土壤脫鹽效果最明顯，苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田0～10 cm土壤脫鹽率分別為73.46%、25.17%。土壤鹽分受灌溉淋洗，淺層土壤鹽分隨水分向下運(yùn)移，苜蓿農(nóng)田60～100 cm土壤電導(dǎo)率增大，5月13日、5月28日較0～10 cm土壤電導(dǎo)率分別高0.01、0.15 mS/cm。生育期內(nèi)苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田10～30 cm與30～60 cm土壤電導(dǎo)率差值的絕對值分別為0～0.06 mS/cm、0～0.13 mS/cm；苜蓿農(nóng)田10～60 cm土壤鹽分分布較玉米農(nóng)田相對集中且分布均勻。為了進(jìn)一步分析鹽分時空變化規(guī)律，對農(nóng)田不同時期不同深度土壤儲鹽量變化率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田各月不同深度土壤儲鹽量變化率無顯著差異(p>0.05)。5月苜蓿農(nóng)田除0～10 cm,30～40 cm土層，其余土層土壤儲鹽量變化率為正值；玉米農(nóng)田0～100 cm各深度土壤儲鹽量變化率均為正值，土壤鹽分呈積鹽狀態(tài)。6—8月苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田不同深度土壤儲鹽量變化率部分土層為負(fù)值；苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田0～100 cm平均土壤儲鹽量變化率分別為10.69%、2.05%，苜蓿農(nóng)田0～100 cm土壤鹽分較玉米農(nóng)田變化幅度較大，相對于玉米農(nóng)田呈積鹽狀態(tài)。9月，苜蓿農(nóng)田不同深度土壤鹽分整體呈脫鹽狀態(tài)，10～20 cm脫鹽效果最佳，土壤儲鹽量變化率為-15.31%，20～30 cm脫鹽效果最差，土壤儲鹽量變化率為-6.34%；30～60 cm土層隨深度增加，土壤儲鹽量變化率增加，60～100 cm土壤儲鹽量變化率趨于穩(wěn)定，平均為-10.28%；玉米農(nóng)田整體呈積鹽狀態(tài)，80～100 cm土層積鹽量最大，0～80 cm隨深度增加土壤積鹽量較0～10 cm均有所減小，表明土壤底墑降低時，苜蓿農(nóng)田較玉米農(nóng)田土壤鹽分呈脫鹽狀態(tài)。各月0～100 cm土層土壤儲鹽量變化率進(jìn)行t檢驗(yàn)，5、9月苜蓿農(nóng)田與玉米農(nóng)田土壤儲鹽量變化率差異顯著(p<0.05)，表明改種苜蓿對農(nóng)田鹽分分布的影響較明顯。

表4 不同時間農(nóng)田土壤水、灌溉水及地下水貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of soil water, irrigation water and groundwater at different times %

圖5 苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田不同土層土壤電導(dǎo)率變化曲線Fig.5 Changing curves of soil conductivity in different soil layers of alfalfa fields and corn fields

表5 各月不同土層土壤儲鹽量變化率Tab.5 Monthly variation rate of soil salt storage in different soil layers %

3 討論

3.1 改種苜蓿對農(nóng)田耗水過程的影響

農(nóng)田耗水過程主要包括滲漏、地下水補(bǔ)給、蒸發(fā)、蒸騰，相較于其他作物，苜蓿農(nóng)田耗水較大，較玉米農(nóng)田增加20.17%，最大耗水量為190.81 mm。苜蓿免耕留茬可增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體的形成，提高土壤的儲水性[20]，本研究表明，苜蓿農(nóng)田無效水分消耗減少，滲漏量及蒸發(fā)量均降低，農(nóng)田對灌溉水利用效率提高。兩年生苜蓿根系可生長達(dá)到1 m左右，可提高地下水利用[1,17]，研究結(jié)果證實(shí)苜蓿農(nóng)田較玉米農(nóng)田地下水補(bǔ)給量增加78.40 mm。作物水分利用狀況不僅取決于土層中的根系分布深度和根系密度，還取決于根系吸水活性以及土壤含水率等[4]，苜蓿細(xì)根是根系中最為活躍的部分，具有生長-凋亡-再生長的周期性變化[23]，進(jìn)而影響苜蓿細(xì)根吸水活性，使得不同深度土壤水及各潛在水源利用比例存在差異，水分利用無明確偏向性；而玉米細(xì)根無周期性變化，玉米根系85%以上分布在0～40 cm的土層中[19]，0～40 cm土層土壤水貢獻(xiàn)率顯著高于其他水源貢獻(xiàn)率，這與孫寧霞[10]研究結(jié)果有出入，水分利用具有明顯的偏向性。本研究表明苜蓿農(nóng)田不同時間段土壤水與灌溉水及地下水貢獻(xiàn)率均存在顯著性差異(p<0.05)。7月11日取樣苜蓿處于第2茬分枝期，細(xì)根發(fā)育生長，細(xì)根量增加，迅速而高效地優(yōu)先利用灌溉水，導(dǎo)致苜蓿農(nóng)田灌溉水貢獻(xiàn)率顯著高于其他水源貢獻(xiàn)率(p<0.05)，這與鄔佳賓等[9]研究結(jié)果一致。

3.2 改種苜蓿對土壤水分及鹽分的影響

土壤中水分變化主要受灌溉、降水、蒸發(fā)及溫度等外部水熱因素影響[21]，鹽堿地畦灌主要影響0～60 cm土層土壤含水率，對更深土壤含水率影響較小[22]，本研究表明，畦灌條件下苜蓿農(nóng)田0～100 cm各深度土壤體積含水率分為激烈變化階段和線性下降階段，可能原因是試驗(yàn)區(qū)地下水埋深淺，苜蓿根系分布較深，可頻繁吸收利用地下水，對深層60～100 cm土壤影響較大，導(dǎo)致苜蓿農(nóng)田60～100 cm土壤含水率變化較活躍。苜蓿多次刈割且免耕留茬，免耕留茬可抑制淺層土壤溫度激變[20]，土壤中水分變化受土壤溫度影響，使得苜蓿農(nóng)田0～30 cm土壤剖面水分整體均勻分布，這與魯為華等[23]漫灌水分主要在0～15 cm淺層土壤且均勻分布的研究結(jié)果相似。

土壤鹽分受水分及溫度雙重影響，苜蓿農(nóng)田10～60 cm土壤含鹽量相對集中且均勻分布。土壤有機(jī)質(zhì)可改善鹽漬土壤的物理性質(zhì)，增加土壤總孔隙度和毛管孔隙度，增加土壤的入滲率，從而有利于鹽漬土鹽分的淋洗[24]，5月苜蓿農(nóng)田60～100 cm土壤電導(dǎo)率增加。6—8月，由于此期間苜蓿有兩次收獲刈割致地表覆蓋度降低，且試驗(yàn)區(qū)地下水位埋深淺，受強(qiáng)烈蒸發(fā)作用帶動淺層地下水中可溶性鹽分離子向上運(yùn)移，使得苜蓿農(nóng)田土0～100 cm土層平均土壤儲鹽量變化率較玉米農(nóng)田大，呈積鹽狀態(tài)。生長后期苜蓿根系較玉米根系相對發(fā)達(dá)，發(fā)達(dá)的根系可增加根系分泌的可溶性糖，為微生物提供一定的碳源，微生物分泌有機(jī)物、死亡菌體的分解等使土壤有機(jī)成分增加，降低鹽度[24-25]；另外，苜蓿第3茬刈割后免耕留茬可抑制淺層土壤溫度激變[22]，農(nóng)田地面殘茬覆蓋可有效減少土壤水分蒸發(fā)[26]，降低了土壤鹽分的積累，使得9月苜蓿農(nóng)田0～100 cm土層土壤鹽分整體呈脫鹽狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)改種苜蓿后農(nóng)田總耗水量提高20.17%、蒸發(fā)蒸騰量比平均值降低66.64%，其中蒸發(fā)量減少6.21%、蒸騰量提高35.80%、土壤貯水變化量減少8.08%、滲漏量減少39.68%、地下水對作物補(bǔ)給量增加153.45%，表明改種苜蓿后農(nóng)田無效水分消耗減少，增強(qiáng)了地下水的消耗。生育期內(nèi)苜蓿農(nóng)田0～100 cm各土層土壤體積含水率較玉米農(nóng)田變化波動幅度大，分為劇烈波動階段和線性下降階段，7月苜蓿農(nóng)田0～60 cm土壤體積含水率呈“U”形變化，玉米農(nóng)田0～60 cm土壤體積含水率呈“V”形變化。生育期內(nèi)苜蓿農(nóng)田0～30 cm平均土壤水分較玉米農(nóng)田高且分布均勻。

(2)苜蓿農(nóng)田對土壤水、灌溉水、地下水吸收利用無明確偏向性；玉米農(nóng)田0～40 cm土壤水貢獻(xiàn)率顯著高于其他水源貢獻(xiàn)率(p<0.05)，水分利用具有偏向性。不同時間取樣0～100 cm土壤水，苜蓿農(nóng)田不同時期優(yōu)先利用淺層0～40 cm中某一土層土壤水，而玉米農(nóng)田主要利用30～40 cm土壤水。

(3)生育期內(nèi)苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田0～100 cm土壤平均脫鹽率分別為53.90%、12.43%；10～30 cm與30～60 cm土壤電導(dǎo)率差值絕對值分別在0～0.06 mS/cm、0～0.13 mS/cm之間，苜蓿農(nóng)田10～60 cm土層土壤電導(dǎo)率較玉米農(nóng)田相對集中且分布均勻。5月苜蓿農(nóng)田除0～10 cm、30～40 cm土層，其余土層均呈積鹽狀態(tài)，平均土壤儲鹽變化率較玉米農(nóng)田小。6—8月苜蓿農(nóng)田、玉米農(nóng)田0～100 cm土壤平均儲鹽量變化率分別為10.69%、2.05%，苜蓿農(nóng)田0～100 cm土壤鹽分較玉米農(nóng)田變化幅度大，呈積鹽狀態(tài)。9月苜蓿農(nóng)田不同土層土壤鹽分整體呈脫鹽狀態(tài)，土壤最大儲鹽量變化率為-15.31%，隨土層深度增加，土壤儲鹽量變化率先增大、后趨于穩(wěn)定；玉米農(nóng)田整體呈積鹽狀態(tài)，80～100 cm土層積鹽量最大，隨深度增加，土壤積鹽量減小。