馬嘉瑩，王興鵬，王洪博，王海瑞，王學(xué)成，李朝陽

(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

隨著全球淡水資源供需矛盾的日益突出，合理開發(fā)和利用咸水資源已經(jīng)成為各國共同關(guān)注的問題。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量約占總供水量的62%[1]，而區(qū)域性水資源短缺嚴(yán)重制約了灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2017年《水利部關(guān)于非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置的指導(dǎo)意見》明確指出，將咸水資源納入水資源統(tǒng)一配置[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國西北干旱地區(qū)地下咸水資源可開采量達(dá)到了42.39億m3·a-1[4]，其中新疆最高，占西北內(nèi)陸區(qū)咸水開采量的40.7%[5]。南疆屬于典型的極端干旱地區(qū)，蒸發(fā)強(qiáng)烈、降雨稀少、水資源匱乏，農(nóng)業(yè)用水比例占總用水的95%左右[6]。隨著近年來南疆地區(qū)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及人口數(shù)量的增加，水資源供需矛盾日益突出，因此，合理開發(fā)利用咸水資源進(jìn)行灌溉將成為解決淡水資源危機(jī)的重要途徑之一。

咸水灌溉不僅可以有效緩解區(qū)域降水量少、農(nóng)田灌溉水資源短缺的現(xiàn)狀，還可以在一定程度上提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。國內(nèi)外在咸水灌溉方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并取得了一些研究成果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。土壤水分與鹽分的動態(tài)變化緊密聯(lián)系，根據(jù)“鹽隨水來，鹽隨水去”的水鹽運(yùn)移規(guī)律，咸水灌溉帶鹽分進(jìn)入土壤，但同樣具有淋洗和壓鹽作用[8]。Pasternak等[9]經(jīng)過連續(xù)2 a的咸水灌溉發(fā)現(xiàn)土壤鹽分主要分布在0～30 cm土層，作物根區(qū)土壤容重、鹽分、pH和含水率明顯增加[10-11]。咸水灌溉改變了土壤水鹽環(huán)境進(jìn)而對作物的生理特性、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響。有關(guān)研究表明，3.5 g·L-1咸水灌溉可以保證向日葵產(chǎn)量的同時提高其品質(zhì)[12]，枸杞在3 g·L-1礦化度咸水灌溉下生長良好[13]，棉花在1.35～2.52 g·L-1礦化度咸水灌溉下，其產(chǎn)量、馬克隆值、纖維長度等品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值[14]，1.6 g·L-1是辣椒最適宜灌水礦化度[15]。以上研究結(jié)果證明，利用咸水進(jìn)行灌溉在一定程度上可促進(jìn)作物生長并提高作物品質(zhì)。另外，在設(shè)施作物咸水灌溉方面，有研究認(rèn)為[16-19]，3～4 g·L-1礦化度對設(shè)施番茄株高及莖粗生長具有一定促進(jìn)作用，可提高番茄果實(shí)含糖量和可溶性固形物含量，但葉片光合特性、產(chǎn)量及果實(shí)大小均隨鹽濃度增加逐漸降低。對于甜瓜和黃瓜等對鹽分中等敏感的設(shè)施作物，咸水灌溉也能提高其品質(zhì)[20-22]。然而，上述研究主要集中在降雨量較高或土壤鹽漬化程度相對較低的地區(qū)，對于極端干旱和土壤鹽漬化程度較高的南疆地區(qū)，咸水灌溉方面的研究相對較少。本文針對南疆設(shè)施番茄開展咸水灌溉試驗(yàn)，研究不同礦化度咸水灌溉對土壤水鹽分布、作物生長、品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，尋求南疆設(shè)施番茄適宜的灌溉水礦化度范圍，以期為南疆地區(qū)合理利用咸水資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年3—7月在南疆塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院試驗(yàn)基地(40°20′47″～41°47′18″N，79°22′33″～81°53′45″E)日光溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)地區(qū)海拔1 020 m，為溫暖帶極端大陸性干旱荒漠氣候，氣候干燥，蒸發(fā)量大，降水量稀少。年均氣溫10.8～14.5℃，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1 976.6～2 558.9 mm。試驗(yàn)地土壤為砂壤土，各土層容重、田間持水率及土壤初始含鹽量等土壤基本特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤基本特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以番茄為研究對象，品種為‘秦嶺蔬越’，于3月10日定植，7月10日拉秧。番茄生育期共計(jì)122 d，生育期劃分見表2。設(shè)置4個不同礦化度梯度的咸水灌溉處理，分別為2 g·L-1(T1)、4 g·L-1(T2)、6 g·L-1(T3)和8 g·L-1(T4)，并以淡水灌溉為對照(CK)。每個處理設(shè)置3次重復(fù)，共15個小區(qū)。番茄起壟種植，壟肩寬60 cm，壟高20 cm，壟間距60 cm，每壟種植兩行番茄，株行距分別為30、40 cm。采用滴灌方式進(jìn)行灌溉，滴灌帶布設(shè)在番茄行間，滴頭間距30 cm，種植模式如圖1所示。灌溉用水根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地下咸水離子成分，采取淡水和化學(xué)藥品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2按質(zhì)量比例1∶8∶8∶1∶1混合配制而成[23]。番茄全生育期灌水量為300 mm，灌水10次且灌水定額相同[24]。追肥采用水肥一體化，營養(yǎng)生長期以平衡肥為主，開花期和結(jié)果期以高鉀肥(N∶P∶K為12∶6∶40的復(fù)合肥)為主，用量為45 kg·hm-2。田間管理措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐保持一致。

表2 番茄生育期劃分

圖1 種植模式

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水鹽含量 采用烘干法測定土壤含水率：移栽前(3月10日)進(jìn)行取樣測定土壤初始含水率和含鹽量，生育期內(nèi)分別在開花期(4月22日)、開花結(jié)果期(5月9日)、開花結(jié)果盛期(6月2日)和結(jié)果末期(7月2日)灌水24 h后利用土鉆在距離滴灌帶水平距離0、20、40 cm和60 cm處進(jìn)行取樣，取樣深度為10、20、40、60 cm和80 cm；采用電導(dǎo)法測定土壤含鹽量：烘干土樣，經(jīng)研磨后過20目篩，制作水土比5∶1浸提液并采用便攜式電導(dǎo)儀(DDP-210，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國)測定浸提液電導(dǎo)率(EC)，最終利用烘干法標(biāo)定出土壤含鹽量與電導(dǎo)率的關(guān)系，換算土壤含鹽量。標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 烘干法標(biāo)定結(jié)果

1.3.2 植株生長指標(biāo) 株高和莖粗：移栽后在每個試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇10株長勢一致的番茄植株，監(jiān)測苗期(4月12日)、開花期(4月22日)、開花結(jié)果期(5月6日)、開花結(jié)果盛期(6月2日)、結(jié)果末期(7月2日)株高和莖粗。從植株基部用卷尺測量株高；用電子游標(biāo)卡尺測量莖粗并采用十字交叉法讀數(shù)，取其平均值。

1.3.3 番茄品質(zhì)及產(chǎn)量 在開花結(jié)果盛期(6月29日)各處理隨機(jī)采6個鮮果樣測定番茄果實(shí)的品質(zhì)。用手持折射儀(ATAG0,日本)測定可溶性固形物含量，用斐林試劑法測定還原性糖含量[25]；用硫酸-水楊酸法測定硝酸鹽含量[26]；用二氯酚靛酚滴定法測定Vc含量[27]。在設(shè)施番茄進(jìn)入采摘期后，每2～5 d人工摘收一次測定產(chǎn)量。每次收獲時，每個小區(qū)番茄按行摘收并稱重。

1.3.4 灌溉水利用效率 灌溉水利用效率(IWUE)計(jì)算公式為[27]

IWUE=Y/I

(1)

式中，Y為番茄產(chǎn)量(kg·hm-2)；I為生育期內(nèi)的灌溉水補(bǔ)給量(m3·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2018對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，使用Origin 2018進(jìn)行繪圖，應(yīng)用SPSS20.0-Duncan’s法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 咸水灌溉對土壤水鹽分布的影響

2.1.1 生育期內(nèi)土壤含水率分布變化 不同灌水礦化度下番茄生育期內(nèi)0～80 cm土壤含水率動態(tài)變化如圖3所示，各處理不同生育期階段垂直方向的變化趨勢基本相同，0～40 cm深度范圍內(nèi)土壤含水率隨土層深度增加而增加，表現(xiàn)為T4處理最大，T3、T2、T1處理次之，CK處理最低；40～80 cm深度范圍內(nèi)隨深度增加含水率逐漸降低，各處理間差異規(guī)律與0～40 cm土層一致，20～60 cm土層含水率較高，表層及深層土壤含水率相對較低；各處理土壤平均含水率均隨著生育期的推進(jìn)逐漸減小，生育期末60～80 cm土壤含水率顯著下降，但T3和T4處理0～80 cm含水率減小趨勢較T1和T2處理更為緩慢，含水率在開花期最大；移栽前期與開花期各處理土壤含水率降幅較小且比較穩(wěn)定，開花期至結(jié)果盛期土壤含水率降幅較大，結(jié)果盛期至結(jié)果末期土壤含水率在植株根區(qū)(20～60 cm)較高。

圖3 番茄全生育期土壤含水率變化

綜合對比各處理土壤含水率分布情況，在同一灌水定額下，灌溉水礦化度對土壤含水率影響顯著。分析認(rèn)為咸水灌溉使作物對水分的吸收受到一定限制，導(dǎo)致部分水分滯留土壤中不能被吸收利用，土壤含水率隨著灌溉水礦化度的提高逐漸增大；各處理含水率隨生育期的變化與各時期植株生長消耗土壤水分有關(guān)，移栽前期至開花期植株生長緩慢消耗土壤水分較少，開花期至結(jié)果盛期植株生長較快消耗土壤水分較多，結(jié)果盛期至結(jié)果末期植株生長趨于穩(wěn)定；當(dāng)灌溉水礦化度大于6 g·L-1時，對番茄根系吸水抑制作用的影響較為顯著。

2.1.2 生育期內(nèi)土壤含鹽量分布變化 不同灌水礦化度下番茄生育期內(nèi)0～80 cm土壤含鹽量動態(tài)變化如圖4所示，各處理土壤含鹽量分布規(guī)律基本相同，開花期和開花結(jié)果期含鹽量主要積聚在0～40 cm土層，在40～80 cm土層內(nèi)隨著深度增加含鹽量逐漸減小，隨著生育期推進(jìn)土壤含鹽量呈累積趨勢且向深層土壤運(yùn)移，開花結(jié)果盛期和結(jié)果末期土壤含鹽量主要積聚在0～60 cm，土壤平均含鹽量與灌水礦化度成正比；CK和T1處理表層(0～20 cm)土壤受淋洗作用影響處在脫鹽狀態(tài)，脫鹽率分別為28.06%和17.40%，鹽分主要積聚在20～60 cm土層，T2處理表層土壤積鹽率較小為4.79%，T3和T4處理0～80 cm土壤均處在積鹽狀態(tài)，灌水礦化度與積鹽率和積鹽深度均呈正比關(guān)系。

圖4 番茄全生育期土壤含鹽量變化

綜上可知，灌水礦化度越高對土壤的淋洗效果越差并加速土壤的積鹽。分析認(rèn)為，咸水灌溉對淺層土壤鹽分具有不同程度淋洗作用，部分鹽分運(yùn)移至深層，當(dāng)灌水礦化度達(dá)到6～8 g·L-1時由于土壤整體含水率增大，20～60 cm土層土壤在飽和狀態(tài)下更易發(fā)生下滲將鹽分帶入深層(60～80 cm)土壤，因此T3和T4處理深層土壤積鹽率顯著增加，分別達(dá)到910.86%和1 145.99%。

2.2 咸水灌溉對設(shè)施番茄生長的影響

不同處理下番茄株高和莖粗的變化如圖5所示，苗期至開花期未有灌水處理，處理間株高和莖粗無顯著差異。開花期后采用咸水灌溉，處理間植株生長指標(biāo)差異逐漸明顯。生育期內(nèi)各處理番茄株高和莖粗均表現(xiàn)為前期生長緩慢，開花結(jié)果期快速增長，結(jié)果盛期后基本趨于穩(wěn)定。與CK相比，T1和T2處理的番茄株高略有增加，但無顯著差異，T3和T4處理番茄株高顯著下降，隨著生育期的推進(jìn)，該現(xiàn)象愈加明顯。生育期末T1和T2處理株高相較CK分別增加5.32%和7.08%，T3和T4處理分別減少15.26%和42.14%；T1和T2處理莖粗變化規(guī)律與株高基本一致，生育期后期均顯著高于CK，分別增加了8.23%和9.25%，而T3和T4與CK相比無顯著差異。整體而言，T1和T2處理促進(jìn)了番茄的植株生長，T3和T4處理則起到了抑制作用，表明適宜礦化度的咸水灌溉對作物的生長較為有利。

圖5 全生育期株高和莖粗變化

2.3 咸水灌溉對設(shè)施番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水利用效率的影響

由表3可知，各處理番茄產(chǎn)量隨灌溉水礦化度的增加呈先增加后降低的變化規(guī)律，T1處理較CK增加了9.09%(P<0.05)，T2、T3和T4處理相比CK則顯著降低(P<0.05)；T2處理可溶性固形物含量、硝酸鹽含量和Vc含量較CK處理分別增加14.50%、119.38%和98.54%(P<0.05)；還原糖含量表現(xiàn)為T3處理最高，較CK處理增加了27.60%(P<0.05)；IWUE隨灌水礦化度增加呈先增加后減小趨勢，T1處理IWUE達(dá)到峰值(12.01 kg·m-3)。上述分析表明，與淡水相比，礦化度為2 g·L-1咸水灌溉可顯著提高番茄產(chǎn)量，且對植株吸收利用水分起到促進(jìn)作用；4 g·L-1灌溉水可顯著提高番茄果實(shí)品質(zhì)，但番茄產(chǎn)量有所下降；6 g·L-1處理番茄品質(zhì)差異相對較小，但番茄產(chǎn)量顯著下降；8 g·L-1處理番茄產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著降低。綜合考慮番茄產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)，2～4 g·L-1礦化度的咸水灌溉有利于番茄品質(zhì)和產(chǎn)量提高。

表3 不同處理番茄的品質(zhì)指標(biāo)及產(chǎn)量等指標(biāo)

2.4 灌水礦化度與產(chǎn)量、灌溉水利用效率、總干物質(zhì)量和土壤積鹽率的關(guān)系

如圖6所示，以灌水礦化度為自變量，設(shè)施番茄產(chǎn)量和水分利用效率為因變量，分別建立一元二次回歸方程，擬合曲線均呈拋物線分布，決定系數(shù)均為0.9510，產(chǎn)量和灌溉水利用效率均在2 g·L-1灌溉處理下達(dá)到峰值；干物質(zhì)積累與灌水礦化度呈負(fù)線性相關(guān)，決定系數(shù)為0.9987；土壤積鹽率與灌水礦化度呈正線性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.9623。

圖6 各項(xiàng)指標(biāo)與灌水礦化度之間的關(guān)系

3 討 論

在灌水、植株蒸騰、土壤蒸發(fā)、水源攜帶鹽分及土壤鹽分空間分布差異等諸多因素的影響下，土壤鹽分始終處于一個積累與淋洗的動態(tài)變化過程[28]。李曉彬等[29]研究表明不同咸水灌溉土壤鹽分空間分布表現(xiàn)出較大的差異，但總體上由于滴灌水分?jǐn)U散特性，會將部分鹽分淋洗到作物根系分布范圍以外，從而體現(xiàn)出一定的洗鹽效果。本試驗(yàn)結(jié)果表明，0～80 cm土層范圍內(nèi)土壤含水率隨著土層深度的增加呈先增加后減少的趨勢，且與淡水灌溉相比，咸水灌溉土壤含水率顯著增加，與郭安安等[30]研究結(jié)果一致，這是因?yàn)殡S著灌水礦化度的提高，土壤含鹽量明顯升高，間接降低了作物根系吸水能力，土壤水分未能被充分利用而在土體中積聚。李丹等[31]研究認(rèn)為，微咸水滴灌蕃茄條件下土壤含水率隨生育期的推進(jìn)略有降低，這與本研究結(jié)果基本一致，但其研究認(rèn)為咸水灌溉并沒有增加土體的鹽分，只是鹽分在土體內(nèi)進(jìn)行了重新分布，這與本研究結(jié)果存在差異，分析認(rèn)為是其試驗(yàn)區(qū)位于濱海地區(qū)，降水量高達(dá)554.9 mm，降雨對咸水灌溉后的根區(qū)土壤進(jìn)行了有效的淋洗，土壤鹽分被淋洗至取樣控制深度以外；而本試驗(yàn)是在氣候極端干旱的南疆地區(qū)進(jìn)行，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降雨稀少，且試驗(yàn)是在日光溫室內(nèi)進(jìn)行，未受到降雨影響，經(jīng)過多次咸水灌溉后，土壤含鹽量顯著增加。

利用咸水灌溉尤其是高頻咸水滴灌條件下，作物根區(qū)一定范圍內(nèi)土壤溶液的含鹽量主要受灌溉水帶入鹽分的影響[31]，經(jīng)過連續(xù)咸水灌溉后，灌水礦化度的不同會導(dǎo)致土壤水鹽環(huán)境出現(xiàn)明顯差異，進(jìn)而對作物生長、品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響[32]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，灌水礦化度2～4 g·L-1促進(jìn)了番茄植株的株高和莖粗生長，6～8 g·L-1則起到了明顯抑制作用，研究結(jié)果與前人對番茄、黃瓜、向日葵的研究結(jié)論基本一致[12,33-34]，說明適宜的灌溉水礦化度可以促進(jìn)作物生長，而過高礦化度的咸水灌溉導(dǎo)致作物根區(qū)土壤溶液滲透勢下降，抑制作物根系對水分的吸收，從而阻礙作物生長并導(dǎo)致減產(chǎn)。一定程度的鹽分脅迫有利于提高番茄產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)，Magán等[35]研究表明，鹽濃度增加提高了番茄果實(shí)可溶性固體物質(zhì)含量和有機(jī)酸含量，但當(dāng)鹽濃度超過閾值后，番茄總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益均隨其增大而降低。本試驗(yàn)結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，2～4 g·L-1礦化度的咸水灌溉可以提高果實(shí)的可溶性固形硝酸鹽和Vc含量及蕃茄產(chǎn)量，與其他研究結(jié)果基本一致[16,26,34]。Wan等[36]研究結(jié)果表明，黃秋葵的水分利用效率隨灌水礦化度的升高而降低；姚玉濤等[37]研究咸水滴灌對松花菜水分利用效率的影響發(fā)現(xiàn)，灌水量相同條件下，松花菜的產(chǎn)量在咸水脅迫下顯著下降。本研究同樣發(fā)現(xiàn)隨著灌水礦化度提高，灌溉水利用效率和干物質(zhì)累積量逐漸降低，說明適宜礦化度的咸水灌溉在保證作物產(chǎn)量的同時，還可以顯著提高果實(shí)的品質(zhì)。楊文杰等[33]研究認(rèn)為，1～3 g·L-1咸水促進(jìn)番茄生長，株高和莖粗生長趨勢基本一致，即在開花結(jié)果期生長迅速，在生育期末趨于平穩(wěn)；當(dāng)灌水礦化度達(dá)到5 g·L-1時，株高和莖粗則明顯降低，這與本研究結(jié)果一致；但其研究認(rèn)為灌水礦化度對番茄的產(chǎn)量沒有顯著影響，這與本研究結(jié)果有所不同，可能是由于其灌溉方式為膜下滴灌，灌水后鹽分淋洗至深層土壤和壟間，而覆膜有效抑制了土壤蒸發(fā)，削弱了鹽分在作物根區(qū)積聚程度，弱化了灌水礦化度對作物的影響；另外，其灌水最大礦化度設(shè)置相對較低，僅為5 g·L-1，可能未找到灌水礦化度對作物產(chǎn)量的影響閾值，加上供試番茄品種不同，存在耐鹽程度的差異，進(jìn)而導(dǎo)致研究結(jié)果有所不同。

4 結(jié) 論

1)番茄不同生育期階段20～60 cm土層土壤含水率較高，表層及深層土壤含水率相對較低；0～80 cm土層平均土壤含水率隨著生育期推進(jìn)逐漸降低，灌水礦化度越低，降低幅度越大。生育期初土壤含鹽量主要積聚在0～40 cm處，隨著生育期的推進(jìn)土壤鹽分呈累積趨勢且向深層土壤運(yùn)移，灌水礦化度越高，該現(xiàn)象越明顯。

2)番茄株高和莖粗均表現(xiàn)為前期生長緩慢，開花結(jié)果期快速增長，結(jié)果盛期之后基本趨于穩(wěn)定；2～4 g·L-1的咸水灌溉對番茄生長具有一定的促進(jìn)作用，6～8 g·L-1抑制作用明顯。

3)2～4 g·L-1的咸水灌溉在保證番茄產(chǎn)量和水分利用效率的同時可顯著提高果實(shí)品質(zhì)，6 g·L-1對果實(shí)品質(zhì)無顯著影響，但產(chǎn)量明顯下降，8 g·L-1則導(dǎo)致番茄產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著降低；推薦2～4 g·L-1為適宜灌水礦化度可對設(shè)施番茄進(jìn)行灌溉。