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(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，耐鹽及耐旱性較強(qiáng)，是我國(guó)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(duì)解決糧經(jīng)飼爭(zhēng)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(gè)樹齡棗樹對(duì)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(duì)充足時(shí)期，棗樹主要吸收淺層土壤水分，淺層土壤水分匱乏時(shí)，深層土壤水分吸收比例增大，不同樹齡棗樹不同時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)象，以傳統(tǒng)玉米農(nóng)田為對(duì)照，分析種植苜蓿對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)間按照當(dāng)?shù)攸S河配水時(shí)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(gè)生育期共灌水420 mm。玉米播種時(shí)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(shí)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(cè)定內(nèi)容及方法

1.3.1土樣采集及測(cè)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(dòng)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(yáng)輻射、大氣壓等。

地下水位數(shù)據(jù)：試驗(yàn)區(qū)設(shè)置自動(dòng)水位計(jì)(HOBO型)，每6 h自動(dòng)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(shì)：兩個(gè)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(cè)，每1 d記錄1次，時(shí)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(shí)域通科技有限公司生產(chǎn)的棵間蒸發(fā)器測(cè)量系統(tǒng)(型號(hào)：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(dòng)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(cè)，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(cè)定。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中間埋設(shè)一根沈陽(yáng)巍圖科技公司生產(chǎn)的自動(dòng)水鹽監(jiān)測(cè)儀(型號(hào)：Fleb-30c，含水率精度：±4%)，進(jìn)行連續(xù)含水率監(jiān)測(cè)，每1 h記錄1次，測(cè)定前要進(jìn)行標(biāo)定(標(biāo)定方法：根據(jù)儀器測(cè)定的土壤含水率和干燥法測(cè)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(zhǎng)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(shí)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(chǔ)存，回到室內(nèi)用真空抽提系統(tǒng)及時(shí)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(cè)。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(cè)定，該儀器測(cè)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(shì)采用負(fù)壓計(jì)測(cè)定，分別在兩個(gè)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(cè)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(shì)，cm

ψm2——100 cm土層土壤水基質(zhì)勢(shì)，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(shí)間步長(zhǎng)，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(shí)，降雨系數(shù)為1；當(dāng)P>50 mm時(shí)，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(cè)定的結(jié)果中降雨對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)測(cè)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(duì)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(duì)水源i的吸收比例，%

1.3.4不同土層土壤儲(chǔ)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(shí)段內(nèi)第n層土壤儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)處于緩慢階段，玉米生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(gè)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(duì)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(gè)百分點(diǎn)。隨時(shí)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(shì)，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(duì)農(nóng)田土壤水分空間分布的影響，對(duì)不同土層土壤儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)間推移，蒸騰量增大，農(nóng)田中土壤儲(chǔ)水量明顯減少，7月苜蓿農(nóng)田60～80 cm土層土壤儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)候，此時(shí)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(chǔ)水變化量相對(duì)8月增加，增加60.77個(gè)百分點(diǎn)，60～100 cm較0～40 cm土壤儲(chǔ)水變化量減少了16.15 mm；而玉米農(nóng)田土壤儲(chǔ)水變化量相對(duì)8月減少，減少72.03個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)生育期內(nèi)各月0～100 cm土壤儲(chǔ)水量變化量進(jìn)行t檢驗(yàn)，改種苜蓿后農(nóng)田土壤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)期內(nèi)，農(nóng)田中不同土層水分交換頻繁，利用直接對(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(shí)，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(gè)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(gè)交點(diǎn)，而玉米農(nóng)田30～40 cm土壤水δD與莖部水有一個(gè)交點(diǎn)(圖3c)?？梢钥闯?，玉米農(nóng)田不同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間不同土層土壤水貢獻(xiàn)率，如圖4所示。隨時(shí)間推移，深層土壤(大于40 cm)水貢獻(xiàn)率呈增加趨勢(shì)，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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)地下水的消耗。

2.3 改種苜蓿對(duì)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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)集中且分布均勻。為了進(jìn)一步分析鹽分時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)田不同時(shí)期不同深度土壤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)鹽量變化率為正值；玉米農(nóng)田0～100 cm各深度土壤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)鹽量變化率為-15.31%，20～30 cm脫鹽效果最差，土壤儲(chǔ)鹽量變化率為-6.34%；30～60 cm土層隨深度增加，土壤儲(chǔ)鹽量變化率增加，60～100 cm土壤儲(chǔ)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(shí)，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(chǔ)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(chǔ)鹽量變化率差異顯著(p<0.05)，表明改種苜蓿對(duì)農(nóng)田鹽分分布的影響較明顯。

表4 不同時(shí)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(duì)灌溉水利用效率提高。兩年生苜蓿根系可生長(zhǎng)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(zhǎng)-凋亡-再生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(chǔ)鹽量變化率較玉米農(nóng)田大，呈積鹽狀態(tài)。生長(zhǎng)后期苜蓿根系較玉米根系相對(duì)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(duì)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(dòng)幅度大，分為劇烈波動(dòng)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(duì)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(shí)間取樣0～100 cm土壤水，苜蓿農(nóng)田不同時(shí)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)鹽量變化率為-15.31%，隨土層深度增加，土壤儲(chǔ)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。