CN115868402B - 一种盐碱地节水控盐供肥的方法 - Google Patents
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Abstract
一种盐碱地节水控盐供肥的方法，对盐碱地起垄，在垄上土表下埋设滴灌和微润管：对于单垄单行种植，滴灌和微润管位于作物下方；对于单垄双行种植，滴灌管位于相邻种植行中间，微润管位于每行作物下方；滴灌和微润管埋设完成后，垄上覆膜，在垄上埋设盐分传感器；滴灌水盐调控：根据土壤入渗性能适配滴头流量，强化淋洗压盐；微润灌水肥供施：在滴灌控盐完成后，适时采用微润灌进行作物根部施肥，将作物所需的肥料以水溶肥溶解于水中并随微润灌滴入。
Description
技术领域
本发明涉及盐碱地节水控盐与水肥高效利用的方法，特别是涉及一种利用滴灌和微润灌错位错时供水的盐碱地节水控盐供肥方法。
背景技术
中国发明CN 202210270070.3公开了一种盐碱地棉田高频滴灌节水保苗壮苗增产的高效栽培方法，通过整地方式、种植模式、布管方式、高频滴灌方式、水肥一体化施肥方式等优化组合，提高盐碱地棉田整地与播种质量，节约灌溉水量，增加出苗率与保苗率。
中国发明CN202011093448.4公开了一种用于盐碱地农作物种植的节水方法，其通过在农田附近建设调配泵站，利用淡水以及盐碱水进行调配，调配成一定含盐量的调配水，用于耐盐碱作物的栽培和种植，可缓解盐碱地区淡水资源压力，保障盐碱地农作物的种植。
中国发明CN202210029688.0公开了一种深埋秸秆和浅埋滴灌结合改良盐碱地的方法，通过深翻秸秆方式改良利用盐碱地，同时解决秸秆深翻后不易分解以及作物种子难以扎根且萌发率低的问题，有效提高了作物出苗率。
中国发明CN201910133300.X公开了一种重度盐碱地节水控肥生态治理与增效利用方法，步骤包括施用磷石膏，粉垄深松混匀，非生育期灌溉压盐，并根据土壤盐分状况与作物水肥需求特点确定滴灌时机，解决了干旱区水资源短缺和盐碱地灌溉控盐的要求。
中国发明CN201810054206.0公开了一种盐碱地水稻覆膜软管微喷节水栽培的方法，步骤包括选择土地、施肥耕作、覆膜播种、微喷灌水、洗盐造墒、田间管理。该方法提高栽培效率，降低劳作强度，达到节水、降低成本的目的。
中国发明CN201610679243.1公开了一种重盐碱地棉花节水保苗方法，重点通过地膜覆盖和苗孔喷洒液体地膜等措施，减少盐碱随水分蒸发向地表富集，最大限度减少表层土壤盐碱含量，从而实现重盐碱地棉花节水、保苗的目的。
从已有相关知识产权反映的情况来看，针对盐碱地多水源综合利用、滴灌节水控盐、农艺节水抑盐的较多，但未见将非常规水滴灌控盐、微润灌精准供肥错位错时相结合，将控盐供水和施肥供水分离相结合，并综合考虑水-肥-盐耦合高效的盐碱地节水控盐供肥方法。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对盐碱地传统漫灌淋盐和水分、养分利用效率低的难题，克服和改进了土壤控盐滴灌的水质、水量难以精确定量以及滴灌水肥一体化养分分布范围大、浓度不均一等不足，采用非常规水滴灌加速耕层脱盐，利用微润灌根区限域均匀施肥，通过滴灌和微润灌的对控盐和供肥分时分域调控，提出一种盐碱地节水控盐供肥方法。
技术方案：一种盐碱地节水控盐供肥的方法，具体步骤为：一、对盐碱地起垄，垄高5～15cm，垄宽20～40cm；二、在垄上土表下2～4cm和6～15cm分别埋设滴灌和微润管：对于单垄单行种植，滴灌和微润管位于作物下方；对于单垄双行种植，滴灌管位于相邻种植行中间，微润管位于每行作物下方；滴灌和微润管埋设完成后，垄上覆膜，在垄上埋设盐分传感器；三、滴灌水盐调控：根据土壤入渗性能适配滴头流量，强化淋洗压盐，根据土壤控盐目标和盐分传感器读数确定滴灌持续时间，当盐分传感器读数降至控盐目标即停止滴灌；四、微润灌水肥供施：在滴灌控盐完成后，采用微润灌进行作物根部施肥，将作物所需的肥料以水溶肥溶解于水中并随微润灌滴入，微润灌水量要求在主要根系层形成直径4～6cm的湿润体。
所述步骤一中：种植须根系作物，垄高5～10cm；种植直根系作物，垄高10～15cm。
所述步骤一中：粘土为2～0.02mm砂粒含量≤30wt.％、<0.02mm粘粒含量≥25wt.％的土壤。
所述步骤一中：若土壤质地为粘土，施用细沙3～5m3/亩并与表层0～10cm土壤混匀后，机械起垄。
所述步骤二中：种植须根系作物，滴灌管和微润管的埋深分别为2～4cm和6～10cm；种植直根系作物，滴灌管和微润管的埋深分别为2～4cm和10～15cm。
所述步骤二中：滴灌管为PE塑料材质、壁厚0.3～0.4mm，内径12～18mm；微润管是由高分子半透膜制成的黑色软质管，壁厚0.8～1.2mm，管壁上分布大量孔径为10～900nm的纳米微孔，数量>105个/cm2。
所述步骤二中：垄上的土表下30～40cm处埋设探针式盐分传感器。
所述步骤三中：滴灌管的滴头流量不大于土壤的入渗速率，且滴灌用水的盐分含量与土壤控盐目标的关系如下：
ECw≤1.5×TDSs
式中ECw表示滴灌用水的含盐量，dS/m；TDSs表示土壤控盐目标值，g/kg。
所述步骤四中：适时微润灌进行作物根部施肥，砂土以土壤含水量不低于田间持水量为宜；壤土以土壤含水量不低于80～90％田间持水量为宜；粘土以土壤含水量不低于70～80％田间持水量为宜。
所述步骤四中：微润灌用水的盐分含量不高于滴灌用水盐分含量，流量控制在250～450mL/(h·m)，溶解肥料的水量为微润管周围形成直径4～6cm饱和湿润体所需的灌水量。
有益效果：(1)水源高效利用。采用垄膜滴灌替换传统的大水漫灌，提高盐分淋洗效率，同时采用高灵敏度的探针式盐分传感器确定滴灌持续时间，快速形成有利于作物根系生长的淡化淋洗层，实现土壤盐分的精准限域调控。(2)养分精准供施。采用微润灌施肥替代传统的撒施、条施、穴施以及滴灌水肥一体化，在作物根系主要分布区形成有限范围的高肥力湿润体，通过集中限域供肥使得养分供给更加高效精准，避免养分损耗、土壤残留等。(3)肥盐分时分域。滴灌管位于微润管的上方，前期大流量的滴灌形成重力水使得表层土壤盐分向深层淋洗，后期小流量的微润管在淡化区域的根系主要分布层单独供肥，滴灌控盐和微润灌供肥分时分域，避免养分向深层土壤扩散，提高作物对肥料的吸收效率。(4)系统安装灵活。微润灌可依托原有的滴灌系统，无需单独的水泵、压力罐、干管和支管等设备，仅需在支管上装配独立的微润灌系统，包括微润管、控制阀、过滤器和文丘里施肥器，即可实现滴灌和微润灌的单独控制。(5)复合协同增效。将滴灌节水控盐、微润灌精准供肥、非常规水安全利用、垄作覆膜抗盐种植有机结合，通过盐碱地水-肥-盐-生多要素耦合，实现盐碱地治理过程的控水、控盐和控肥，以及土壤提质、作物提产和水肥提效。(6)区域适用性强。本发明具有针对我国不同类型、分布区域的盐碱地共性特征，不仅适用于地下水浅埋的东部低平原滨海盐碱区，还适用于北方干旱-半干旱盐碱区，尤其是引黄灌区、绿洲灌区、地下水抽灌区等水资源相对匮乏的西北内陆盐碱区。
附图说明
图1滴灌和微润灌错位错时供水的盐碱地节水控盐供肥方法示意图：(a)单垄单行；(b)单垄双行；
图2滴灌和微润灌复合灌溉系统示意图；
图3滴灌和微润灌复合节水控盐供肥田间试验：(a)系统安装；(b)微润灌埋设；(c)滴灌控盐；(d)微润灌供肥；
图4西瓜开花前期灌溉后不同处理土壤剖面水分、盐分和无机氮分布(2021年)：(a)土壤盐分，g/kg；(b)土壤含水量，g/g；(c)土壤无机氮，mg/kg；
图5枸杞物候期各处理0～20cm土壤盐分时序动态变化(2020年)；
图6枸杞物候期最后一次灌溉施肥后不同处理土壤剖面盐分和无机氮分布(2020年)：(a)土壤盐分，g/kg；(b)土壤无机氮，mg/kg。
具体实施方式
以下的具体实施例是对本发明的进一步说明，而不意味本发明的内容仅限于所举实例的范围。
实施例1：
内蒙古河套灌区灌淤土，中轻度盐碱化。试验地表层0～20cm土壤盐分1.4～2.9g/kg，平均含盐量2.3g/kg，pH值8.25，平均有机质含量11.1g/kg，全氮0.66g/kg，有效磷17.9mg/kg，速效钾176mg/kg，缓效钾1084mg/kg，有效铜1.43mg/kg，有效锌0.58mg/kg，有效铁17.9mg/kg，有效硅124.5mg/kg。0～20cm土壤质地为砂壤土，容重1.43g/cm3，20～100cm为壤土和粘壤土。地点：内蒙古巴彦淖尔市五原县新公中镇永联村，为河套灌区盐碱化灌淤土的典型代表。试验地块前期为向日葵，本试验时间为2021年3月～2021年7月，种植作物类型为西瓜，于2021年3月下旬育秧，5月上旬移栽，7月下旬收获，品种为麒麟西瓜(美都)。主要实施环节如下：
(1)实验设计2个处理，分别为CK(常规滴灌)和DM(滴灌+微润灌)。
(2)系统安装：2021年5月中旬于西瓜苗期在现有常规滴灌系统的基础上，补充安装微润管系统；西瓜为垄栽覆膜，行距60cm，株距25cm，单垄单行，垄高10cm，垄宽25cm，滴灌管位于西瓜根系附近，深度为地表下2cm；利用开沟机在瓜秧侧边3cm左右开12cm小沟，并将微润灌埋入，每个垄下均埋设，同时安装控制阀、肥料过滤器、文丘里施肥器等，实现微润灌与滴灌单独控制(图3)。
(3)传感器埋设：在离西瓜根系10cm位置，埋设探针式土壤盐分传感器(型号莱恩德LD-EC)，传感器探针中间部位的埋深为30cm。
(4)滴灌控盐补墒：采用滴灌系统进行滴灌控盐，滴灌用水为当地地下水，电导率0.72dS/m，设定西瓜苗期耐盐阈值为1.0g/kg土壤，该地下水质已符合控盐滴灌水质要求；根据土壤渗透系数的测定结果，确定滴头流量1.2L/h，滴灌2h后，盐分传感器显示土壤盐分低于1.0g/kg，停止滴灌，完成第一阶段滴灌控盐。滴灌用水的含盐量阈值确定方法如下：
ECw≤a×ECe＝a×c×TDSs＝1.5×TDSs
式中ECw表示滴灌用水的含盐量，dS/m；ECe表示土壤盐分，以饱和泥浆浸提液电导率表示，dS/m；a为饱和灌溉达到平衡条件下灌溉水含盐量(dS/m)和土壤盐分(dS/m)间的换算关系，一般取2/3；c为土壤可溶全盐含量(即控盐目标值TDSs，g/kg)与盐分(ECe，dS/m)之间的换算关系，介于2.2～3之间，取安全下限值2.2。
(5)微润灌供肥：CK处理于滴灌控盐完成后，继续利用滴灌管将肥料施入土壤；DM处理于滴灌控盐完成后2h，利用微润管将肥料施入土壤。因施肥灌溉的灌水量和水分饱和带远小于控盐滴灌，其灌溉水含盐量应不高于控盐滴灌用水的盐分含量。
(6)生育期水肥管理：西瓜全生育期投入12kg N/亩，其中基肥25kg磷酸二铵，15-15-15复合肥25kg/亩；生育期补水滴灌8次，追肥3次；分别在开花前期、坐果期追施20-20-20水溶复合肥7.5kg/亩；在果实膨大期追施14-14-30水溶肥5kg/亩。各处理生育期肥料投入量相同。
(7)土壤样品采集：于西瓜生育期的开花前期(滴灌和微润灌完成后)采集土壤样品，采样方式为距离西瓜根系5cm、10cm、15cm、20cm位置，分别采集0～10、10～20、20～30和30～40cm深度土壤样品，测定土壤盐分、水分和无机氮含量。
(8)西瓜产量与品质：西瓜收获后测定产量、可溶性糖、固形物含量、有机酸、维生素C及糖酸比等营养指标，并计算西瓜水分生产力和氮肥利用率。
从西瓜开花前期灌溉后不同处理土壤剖面水分、盐分和无机氮分布(图4)可以看出，常规滴灌(CK)和滴灌+微润灌(DM)处理土壤剖面盐分分布差异不大，以滴灌的滴头为中心形成直径25～35cm的淡化湿润体；土壤水分含量存在一定差异，表现为CK处理在0～10cm最高，这是由于滴灌/微润灌完成后进行采样，滴头附近土壤含水量仍然最高，而DM处理在5～20cm含水量最高，这是由于微润管埋设深度为12cm，微润灌后局部含水量最高，无机氮含量也表现出相同的规律；CK处理无机氮含量最大值在20～30cm深度，而DM处理无机氮最大值在10～20cm深度，更加集中且接近西瓜的主要根系分布区，更有利于西瓜根系水肥吸收。
表1不同处理西瓜产量、营养品质指标与水肥利用效率
从收获后测定的西瓜产量来看(表2)，DM处理产量较CK产量提高317kg/亩，增幅达7.3％；从品质指标来看，DM处理较CK处理显著提高总糖含量，增幅达9.3％，而固形物含量、有机酸、维生素C和糖酸比差异不大；此外，DM处理较CK处理，大幅提高了水分生产力和氮肥利用率，其中水分生产力提高3.14kg/m3，氮肥利用率提高4.2个百分点。上述试验结果表明，较传统滴灌方式，滴灌和微润灌错位错时不仅降低施肥过程耗水，还通过对作物主要根系分布区的集中供肥，减少养分扩散与残留，更有利于作物水肥吸收与水肥利用率的提高。
实施例2：
江苏滨海新围滩涂重度盐碱地。试验地表层0～20cm土壤盐分5.7～9.3g/kg，平均含盐量6.7g/kg，pH为8.11，平均有机质含量3.38g/kg，水解性氮含量5.95mg/kg，有效磷为6.53mg/kg，速效钾183.5mg/kg，阳离子交换量CEC为6.7cmol/kg。0～20cm土壤为粉砂质黏壤土，20～100cm为粉砂壤土。地点：江苏省东台市弶港镇条子泥垦区条北14区，为滨海泥质滩涂盐碱地典型代表，试验时间为2020年4月～2020年10月。试验地块前期为新垦滩涂盐碱地，于2017开始种植水稻，受土壤质地粘重、地势低洼和浅咸地下水的影响，土壤淋盐不畅导致盐分较高，于2020年开始种植枸杞，品种‘海杞’。主要实施环节如下：
(1)试验处理：试验设置3个处理，分别为CK(常规滴灌)、SD(常规滴灌+掺砂)、SM(常规滴灌+微润灌+掺砂)。
(2)表层掺砂：试验地块面积约为5亩，东西宽60m，南北长60m，设置3个小区，每个小区面积20×60m；选择其中2个小区，撒入细沙3.5m3/亩，并与0～10cm表层土壤混匀。
(3)机械起垄：对试验区进行机械起垄，垄高15cm，垄宽40cm，垄间距150cm，起垄完成后，每个小区计13垄。
(4)微润管铺设：在SM处理每条垄的中央位置，人工开挖10cm深的槽沟，将微润管埋入，并覆土。
(5)枸杞移栽：于2020年4月下旬进行枸杞移栽，行距100cm，移栽时基肥穴施，每穴施用有机肥2kg、磷酸一铵50g、过磷酸钙200g，施肥穴距离枸杞根系10～15cm。
(6)滴灌系统安装：所有试验处理均安装滴灌系统，滴灌带位于枸杞种植行中央，深度2cm，灌溉用水来自于试验区周边的河流的微咸水，电导率在3.0～4.2dS/m；灌溉水抽入储水桶后，采用水泵增压进行灌溉。
(7)微润灌系统安装：通过安装单独的控制阀、肥料过滤器、文丘里施肥器等，将微灌管与滴灌系统的支管连接，实现微润灌与滴灌独立控制。
(8)传感器埋设：在离枸杞根系8cm位置，埋设探针式土壤盐分传感器(型号莱恩德LD-EC)，传感器探针中间部位的埋深为30cm。
(9)滴灌控盐：4月下旬枸杞移栽后，利用滴灌系统进行滴灌控盐，枸杞苗期耐盐阈值为3.0g/kg土壤(控盐滴灌水质ECe≤4.5dS/m，滴灌微咸水水质已满足要求)，滴头流量统一设定为1.0L/h，当盐分传感器显示土壤盐分低于3.0g/kg，停止滴灌，完成移栽成活前的滴灌控盐。枸杞物候期内共计进行5次滴灌控盐，分别在5月12日、5月31日、7月13日、8月4日和8月26日。
(10)微润灌供肥：CK处理于滴灌控盐完成后，继续利用滴灌管将肥料施入土壤；DM处理于滴灌控盐完成后2h，利用微润管将肥料施入土壤。枸杞物候期内共计进行3次追肥，分别在5月31日、7月13日和8月26日，每次施用2.5kg N/亩。
(11)土壤样品采集：枸杞物候期在距离枸杞根系5cm位置采集0～20cm土壤样品，样品采集频率为1次/月(在每月15日)，测定土壤盐分；并在8月26日滴灌和微润灌结束后采集剖面土壤样品，采样方式为距离枸杞根系5cm、10cm、15cm、20cm位置，分别采集0～10、10～20、20～30和30～40cm深度土壤样品，测定土壤盐分和无机氮含量。
(12)枸杞产量与品质：测定枸杞秋果(当年无夏果)产量、多糖、甜菜碱、总糖、总酸等营养指标，并计算枸杞水分生产力和氮肥偏生产力。
从枸杞物候期不同处理0～20cm土壤盐分时序动态变化可以看出(图5)，SM处理土壤盐分最低，平均值为3.32g/kg，其次是SD处理，为3.78g/kg，CK处理土壤盐分最高达4.02g/kg，这表明掺砂后有助于土壤盐分快速脱除并抑制返盐。
从8月26日滴灌和微润灌结束后不同处理土壤剖面盐分和无机氮分布(图6)来看，CK(常规滴灌)和SD(常规滴灌+掺砂)、SM(常规滴灌+微润灌+掺砂)处理土壤剖面盐分分布特征较为接近，但是SD和SM处理剖面土壤盐分显著低于CK处理，同时SD和SM处理湿润锋外土壤盐分存在显著的“跃变”，而CK处理盐分分布整体较平滑，这表明表层掺砂形成的疏松土壤(垄上)可加速土壤盐分的淋洗，有利于尽快形成淡化层。无机氮亦表现出显著差异，CK处理无机氮的峰值在0～15cm深度范围，这是由于迁移速率较慢造成的；SD处理在10～30cm深度范围无机氮含量较高，而SM处理无机氮峰值主要集中在10～20cm，SM处理较SD处理无机氮分布更加集中，且接近枸杞的主要根系分布区，更有利于枸杞的养分吸收。
表2不同处理枸杞秋果鲜果产量、营养品质指标与水肥利用效率
从收获后测定的枸杞秋果鲜果产量来看(表2)，SD处理产量较CK产量提高23kg/亩，增幅为18.4％，SM处理产量较CK提高37kg/亩，增幅达29.6％。从枸杞品质指标来看，SM处理的多糖、甜菜碱、总糖、总酸等营养指标均高于SD处理和CK处理，但营养指标差异不显著。同时，SD处理和SM处理均提高了枸杞水分生产力和氮肥偏生产力，其中SM处理的水分生产力较CK提高0.09kg/m3，氮肥偏生产力提高4.26kg/kg。上述结果表明，针对粘质盐碱地，表层掺砂叠加滴灌和微润灌错位错时不仅快速降低土壤盐分并持续控盐，还减少控盐和施肥过程耗水，促进枸杞根系养分吸收，减少养分残留，提升水肥利用效率。
Claims (10)
1.一种盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，具体步骤为：一、对盐碱地起垄，垄高5～15cm，垄宽20～40cm；二、在垄上土表下2～4cm和6～15cm分别埋设滴灌和微润管：对于单垄单行种植，滴灌和微润管位于作物下方；对于单垄双行种植，滴灌管位于相邻种植行中间，微润管位于每行作物下方；滴灌和微润管埋设完成后，垄上覆膜，在垄上埋设盐分传感器；三、滴灌水盐调控：根据土壤入渗性能适配滴头流量，强化淋洗压盐，根据土壤控盐目标和盐分传感器读数确定滴灌持续时间，当盐分传感器读数降至控盐目标即停止滴灌；四、微润灌水肥供施：在滴灌控盐完成后，采用微润灌进行作物根部施肥，将作物所需的肥料以水溶肥溶解于水中并随微润灌滴入，微润灌水量要求在主要根系层形成直径4～6cm的湿润体。
2.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤一中：种植须根系作物，垄高5～10cm；种植直根系作物，垄高10～15cm。
3.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤一中：粘土为2～0.02mm砂粒含量≤30wt.％、<0.02mm粘粒含量≥25wt.％的土壤。
4.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤一中：若土壤质地为粘土，施用细沙3～5m3/亩并与表层0～10cm土壤混匀后，机械起垄。
5.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤二中：种植须根系作物，滴灌管和微润管的埋深分别为2～4cm和6～10cm；种植直根系作物，滴灌管和微润管的埋深分别为2～4cm和10～15cm。
6.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤二中：滴灌管为PE塑料材质、壁厚0.3～0.4mm，内径12～18mm；微润管是由高分子半透膜制成的黑色软质管，壁厚0.8～1.2mm，管壁上分布大量孔径为10～900nm的纳米微孔，数量>105个/cm2。
7.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤二中：垄上的土表下30～40cm处埋设探针式盐分传感器。
8.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤三中：滴灌管的滴头流量不大于土壤的入渗速率，且滴灌用水的盐分含量与土壤控盐目标的关系如下：
ECw≤1.5×TDSs
式中ECw表示滴灌用水的含盐量，dS/m；TDSs表示土壤控盐目标值，g/kg。
9.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤四中：适时微润灌进行作物根部施肥，砂土以土壤含水量不低于田间持水量为宜；壤土以土壤含水量不低于80～90％田间持水量为宜；粘土以土壤含水量不低于70～80％田间持水量为宜。
10.根据权利要求1所述盐碱地节水控盐供肥的方法，其特征在于，所述步骤四中：微润灌用水的盐分含量不高于滴灌用水盐分含量，流量控制在250～450mL/(h·m)，溶解肥料的水量为微润管周围形成直径4～6cm饱和湿润体所需的灌水量。
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