不同覆膜開孔率條件棉花苗期土壤水鹽分布特征及出苗率分析

邢旭光，史文娟，王全九

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室，重慶 400042；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042；3.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，陜西 西安 710048)

鹽漬土是新疆地區(qū)分布極為廣泛的土壤類型。一般情況下土壤鹽分濃度過高會對作物產(chǎn)生滲透脅迫和破壞營養(yǎng)離子平衡，最終影響作物正常生長[1]。新疆地區(qū)蒸發(fā)量大，但降雨稀少，干旱指數(shù)大，因此土壤鹽漬化問題突出成為制約干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要障礙[2]。

近年來覆膜種植技術(shù)因具有增溫、保墑、節(jié)水、抑鹽等作用而在新疆地區(qū)得以迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用[3]，然而對于覆膜種植，需考慮“覆膜開孔率”(即膜孔總面積與相應(yīng)的薄膜截面積之比[4])的問題，由于土表薄膜覆蓋程度不同會影響水分利用效率，而這對分析干旱區(qū)作物水分生產(chǎn)力具有重要作用[5]，同時，其土壤水鹽運移特征也會受到不同程度的影響，分析土壤水鹽運移規(guī)律對深入研究水鹽平衡理論及其機理具有重要意義，同時土層的水分和鹽分運動特征也影響著作物的生長，明晰棉花出苗期土壤水鹽運移特性對棉花實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。

研究表明，降低棉花產(chǎn)量的起始鹽度(即耐鹽閾值)為7.7 dS/m(“dS/m”是土水比為1∶5浸提液電導(dǎo)率值的單位，1 dS/m相當于NaCl的質(zhì)量分數(shù)0.064%)，鹽分超過此值后每增加1 dS/m，產(chǎn)量降低5.2%[6]。賈玉珍[7]研究表明在土壤含水率適宜的前提下當土壤含鹽量為0.5%時棉花不能正常生長。羅賓[8]則認為棉花可以在土壤含鹽量1%以下的環(huán)境中正常生長。孫三民[9]對新疆阿拉爾灌區(qū)棉花進行了研究，表明0～20 cm和0～40 cm土層棉花的耐鹽閾值不同。董合忠[10]發(fā)現(xiàn)山東濱海鹽漬區(qū)土壤含鹽量超過4 g/kg時，棉花出苗率和成活率較低。

從以上研究中可以看出，不同試驗條件和不同地區(qū)棉花的耐鹽程度不相同。目前普遍認為南疆鹽堿地棉花的耐鹽度為0.5%[11]，但由于棉花的生長受當?shù)貧夂颉⑼寥蕾|(zhì)地和品種差異等因素影響，因此其耐鹽度并非為固定值，上述條件改變時，其耐鹽度也發(fā)生變化。倘若可以較準確的確定棉花耐鹽閥值，對改良鹽堿地和提高棉花產(chǎn)量均具有重要意義。

基于此，本研究通過田間試驗，對三種覆膜開孔率條件下的土壤水鹽分布特征和運移規(guī)律進行了研究，同時分析了土壤含鹽量和不同離子對棉花出苗的影響，旨在能對田間觀測及鹽堿地改良提供理論依據(jù)，為新疆棉花生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗站氣象條件

棉花田間試驗在新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所(灌溉試驗站)進行(41°36′ N, 86°12′ E)。該試驗站位于南疆庫爾勒市西尼爾鎮(zhèn)，處于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，屬于暖溫帶大陸性荒漠氣候，蒸發(fā)強烈而干旱少雨，晝夜溫差較大。多年平均降水量58.6 mm，潛在蒸發(fā)量2788.2 mm，日照時數(shù)3036.2 h，年平均氣溫11.48 ℃，≥10 ℃積溫4121.2 ℃，無霜期191 d[12]。試驗地土壤類型主要為砂壤土，砂層主要位于60 cm土層深度，而其余土層以壤土為主，土壤級配列于表1。

表1 供試土壤的顆粒組成

1.2 試驗設(shè)置

由于新疆庫爾勒地區(qū)大部分農(nóng)田都存在不同程度的鹽堿化，因此需要播前春灌，即采用大水漫灌方式，灌溉一次，目的在于淋洗土壤淺層鹽分，為棉花生長創(chuàng)造良好的水鹽環(huán)境，目前一般采用的灌溉洗鹽定額是250～300 m3/畝。

棉花品種為新陸中40，播種日期為2012年5月4日，播種深度2.5 cm，每穴一粒，種植方式為“一膜兩管四行”，行距配置為20 cm +40 cm +20 cm，株距10 cm。

試驗設(shè)置3種處理，即覆膜開孔率分別為3.27%、5.73%和6.55%，不同開孔率即預(yù)示著不同的播種密度，3.27%處理為目前傳統(tǒng)的機器播種時所產(chǎn)生的開孔率，另兩種處理為人工在薄膜上開孔，人工開孔單孔面積與機播產(chǎn)生單孔面積相同，各處理小區(qū)中均含有5塊條田(每塊條田長10 m)，且各處理中的5塊條田開孔率相同，各處理的土壤含水量和含鹽量初始值基本相同。

1.3 測試指標和方法

1.3.1苗期土壤水鹽運移監(jiān)測

苗期結(jié)束(即待棉花開始現(xiàn)蕾，本試驗按5月27日計)時土鉆取土(播種至苗期結(jié)束，即5月4日至27日期間無灌水、無降雨)，每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)在覆膜區(qū)域中央取點，取樣點位于非膜孔處，即膜孔周圍覆膜的位置，取土點與離其最近的膜孔之間的距離為10～20 cm。

每個取樣點分為0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共9個層次。

烘干法測定土壤含水量，用電導(dǎo)率儀(DDS-307)測定土水比1:5的土壤浸提液電導(dǎo)率值，用離子計(PXSJ-216)測定Na+和Cl-含量。

1.3.2棉花出苗率統(tǒng)計

播種后每隔3 d觀察出苗情況，并于5月27日統(tǒng)計所有條田出苗情況(相同處理內(nèi)的5個條田取其平均數(shù))，出苗率=(出苗數(shù)/播種數(shù))×100%，在研究出苗率和土壤鹽分(全鹽量和鹽分離子)關(guān)系時采用20 cm土層深度內(nèi)土樣進行分析(0～5cm、5～10 cm、10～15 cm和15～20 cm)，土壤鹽分測定方法如上所述。

播種30d后調(diào)查植株性狀：在每種處理小區(qū)中選取長勢均勻、具有一定代表性的6株棉花，用直尺測其株高和葉面積，用游標卡尺測定莖粗，葉面積采用“葉長×葉寬×0.84”計算[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜開孔率對土壤剖面水分分布的影響

圖1表示的是苗期結(jié)束時，即5月27日不同開孔率條件下土壤剖面含水量的變化情況。

在分析土壤剖面含水量時值得注意的是，由于取土位置在膜孔周圍，因此下述“土壤含水量”表示的是膜孔周圍的土壤含水量，并非膜孔處土壤含水量。

圖1 不同覆膜開孔率土壤剖面含水量變化

圖1顯示，各處理土壤含水量基本呈現(xiàn)隨深度的增大而增大的趨勢，且分布規(guī)律相似，不同開孔率處理土壤剖面含水量表現(xiàn)出開孔率5.73% > 開孔率3.27% > 開孔率6.55%。，即土壤含水量和開孔率之間并非呈現(xiàn)簡單的線性遞增或遞減關(guān)系。

對于鹽堿土而言，在蒸發(fā)初期，3.27%的開孔率最小，水分散失量最小，相應(yīng)的表層土壤鹽分的累積也最少，開孔率為5.73%的處理土壤水分散失量和鹽分累積量居中，開孔率為6.55%的處理土壤水分散失量和鹽分累積量最大；隨著蒸發(fā)的進行，開孔率6.55%的處理土壤表面最先形成一薄層鹽殼，這一鹽殼反過來阻止了水分的進一步蒸發(fā)，即對于鹽堿土來說，在蒸發(fā)后期，開孔率越大，其水分散失量減少的幅度越大，這在很多文獻中都已經(jīng)被證明[14-16]。

而開孔率3.27%的處理由于水分散失量最小，鹽殼形成時間滯后，因而水分散失在蒸發(fā)后期受鹽殼的影響(抑制作用)較小，開孔率5.73%的處理受鹽殼影響居中，經(jīng)歷一定的時間后(苗期結(jié)束時)，開孔率3.27%的處理水分散失總量將可能大于5.73%的處理，而開孔率6.55%的處理盡管受鹽分的影響最大，但因其開孔率大，鹽殼抑制水分蒸發(fā)的作用仍小于大氣強烈的蒸發(fā)作用，在苗期結(jié)束時其水分散失的絕對值仍然較大，從而導(dǎo)致水分的散失量表現(xiàn)為開孔率6.55%>開孔率3.27%>開孔率5.73%，土壤的含水量則表現(xiàn)為開孔率5.73%>開孔率3.27%>開孔率6.55%。

可見，鹽漬土壤的含水量分布不僅與開孔率有關(guān)，還與土壤的含鹽量和大氣蒸發(fā)能力有關(guān)，同時與取樣測定的時間也密切相關(guān)，因此，對于“棉田開孔率、土面蒸發(fā)和鹽分之間的相對作用”的問題仍需進一步深入研究。

此外，對比三種處理60 cm土層含水量整體有減小趨勢，這是該層是砂層的緣故。

2.2 不同覆膜開孔率對土壤鹽分遷移的影響

非飽和土壤中，鹽分溶于水中并隨之遷移，因此水分的蒸發(fā)和散失導(dǎo)致鹽分在土表積累[17]。圖2顯示了棉花苗期不同開孔率處理土壤剖面的鹽分變化特征。

圖2 不同覆膜開孔率土壤剖面電導(dǎo)率變化

從圖2可以看出，與開孔率3.27%的處理相比，開孔率為5.73%和6.55%的處理土層深度10 cm范圍內(nèi)土壤溶液電導(dǎo)率分別增加了16.33%和97.96%?？梢姡∧ぞ哂泻芎玫匾种汽}分上移的作用，在農(nóng)田中使用地膜覆蓋可以很好地防止土壤次生鹽堿化。

明顯看出，對于不同的處理，土壤含鹽量基本呈現(xiàn)隨著深度增加含鹽量減少的趨勢。當出苗基本穩(wěn)定時在20 cm土層內(nèi)土壤含鹽量隨著開孔率的增大而增加，這是因為大開孔率有助于鹽分隨水分不斷的向上遷移而導(dǎo)致土表積鹽。

開孔率3.27%的處理20～30 cm土層鹽分增加明顯，同時隨著深度的增加逐漸減少，但始終高于開孔率5.73%處理，小于開孔率6.55%處理。這是因為開孔率較小不利于土壤水分散失，反而積聚在薄膜上，反過來又滲入土壤中，從而淺層土壤鹽分向下移動。

而對于本試驗而言，開孔率為6.55%是一個較大的開孔程度，在外界強烈蒸發(fā)作用下，土壤水分攜帶鹽分不斷向土壤淺層移動。

2.3 棉花出苗及耐鹽性分析

2.3.1覆膜開孔率對棉苗性狀的影響

株高、莖粗和葉面積是表征作物地上部分的生育指標，反映了作物生長狀態(tài)[18]。不同開孔率條件下棉苗生長性狀見表2。

表2 覆膜開孔率對棉苗素質(zhì)的影響

從表2可以看出，隨著覆膜開孔率的增大，株高、莖粗和葉面積均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，棉苗則表現(xiàn)出生長緩慢、苗小、子葉面積小。與開孔率3.27%相比，開孔率5.73%的處理株高、莖粗和葉面積分別減小7.3%、5.9%和4.55%；開孔率6.55%的處理株高、莖粗和葉面積分別減小20.16%、15.97%和22.42%。經(jīng)過將開孔率對株高、莖粗和葉面積單因素方差分析可知，覆膜開孔率與棉苗株高和葉面積呈顯著關(guān)系，與莖粗呈極顯著關(guān)系。這表明，在棉花出苗階段，膜孔對棉苗莖粗影響最為顯著，對其株高和葉面積有一定影響。同時發(fā)現(xiàn)，開孔率6.55%的處理棉苗生長指標驟減，在這種情況下棉花將不能正常生長，由此可知大開孔率嚴重抑制棉苗生長。造成這種現(xiàn)象的原因在于不同覆膜開孔率導(dǎo)致淺層土壤鹽分含量差異較大，高含鹽量會阻礙棉花的生長，這與上述土壤剖面電導(dǎo)率變化相一致。

2.3.2土壤含鹽量對出苗的影響

棉花出苗期受土壤含鹽量影響，不同鹽離子對作物生長的影響亦不相同，因此淺層土壤(0～20 cm)總含鹽量的高低將直接影響棉花出苗率的高低。為更精確的對比土壤含鹽量和不同離子與出苗率的關(guān)系，在測定棉花出苗率的同時進行分層取樣(0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm和15～20 cm)監(jiān)測土壤Na+、Cl-和總鹽含量，對0～20 cm土層取加權(quán)平均值作為影響棉花出苗的鹽分值。加權(quán)平均值=∑(樣品含量×取樣深度/分析深度)[19]。圖3和4分別顯示了各覆膜開孔率條件下0～20 cm土層土壤全鹽量和各離子濃度與出苗率的關(guān)系。

圖3 土壤全鹽量與棉花出苗率的關(guān)系

圖4 Na+濃度與棉花出苗率的關(guān)系

由圖3可知，棉花出苗率與淺層土壤(0～20 cm)含鹽量呈顯著線性負相關(guān)，這與張俊鵬[18]、王偉[20]和王春霞[21]等人研究結(jié)果相同。根據(jù)所統(tǒng)計的15組棉花出苗率與土壤全鹽量的關(guān)系，對 0～20 cm土層土壤含鹽量與棉花出苗率的關(guān)系進行擬合，如式(1)所示：

W=-9.9176S+134.34 (R2=0.9513)

(1)

式中，W為出苗率(單位為%)、S為0～20 cm土層土壤全鹽量(單位為g/kg)。

根據(jù)相關(guān)研究[21-22]并結(jié)合當?shù)厍闆r，令棉花出苗率為80%、60%和0為棉花苗期耐鹽的適宜值、臨界值和極限值(下同)。由此可計算出棉花出苗時20 cm土層土壤全鹽量的適宜值、臨界值和極限值分別為5.48 g/kg、7.50 g/kg和13.55 g/kg。

Na+和Cl-是主要的影響作物生長的鹽分離子，對作物出苗同樣具有顯著影響，圖4和圖5分別顯示了Na+和Cl-與棉花出苗率的關(guān)系。

圖5 Cl-濃度與棉花出苗率的關(guān)系

由圖4和圖5均可以看出，棉花出苗率與淺層土壤(0～20 cm)中Na+和Cl-含量呈顯著線性負相關(guān)。根據(jù)所統(tǒng)計的15組棉花出苗率與各離子濃度的關(guān)系，對0～20 cm土層中Na+和Cl-含量與棉花出苗率的關(guān)系進行擬合，分別如式(2)、(3)所示：

W=-128.75M+154.17 (R2=0.9476)

(2)

W=-22.343N+219.81 (R2=0.938)

(3)

式中，W為出苗率(單位為%)、M和N分別為0～20 cm土層土壤Na+、Cl-濃度(單位為mmol/L)。

從式(2)、(3)可知，出苗率隨著Na+和Cl-濃度的增大而減小，可計算出棉花出苗時0～20 cm土層內(nèi)Na+和Cl-含量的適宜值、臨界值和極限值分別為0.58 mmol/L、0.73 mmol/L、1.20 mmol/L和6.26 mmol/L、7.15 mmol/L、9.84 mmol/L。當棉花萌發(fā)率相同時臨界濃度值低的離子比臨界濃度值高的離子對棉花萌發(fā)影響明顯，由0.73<7.15可知，Na+對棉花出苗的影響比Cl-明顯。

3 結(jié) 論

1) 膜孔處土壤在強烈蒸發(fā)作用下形成鹽殼，而鹽殼反過來抑制了土壤水分蒸發(fā)。

2) 由于存在鹽殼，土壤剖面含水量與土表開孔程度并非呈現(xiàn)常見的增減關(guān)系，對于鹽殼對土壤水鹽運移特性影響的問題仍需進一步研究。

3) 雖然小開孔率不易形成鹽殼，但可能導(dǎo)致淺層土壤含水量過小，不利于作物根系生長。當開孔率過大時，雖然為作物主根區(qū)提供足夠的水分，但同時導(dǎo)致大量鹽分在土表聚集，對作物造成極大危害。

綜上可以看出，對于覆膜種植型作物，確定適宜的開孔程度可以為作物主根區(qū)創(chuàng)造良好的水鹽環(huán)境，對作物生長具有重要作用，同時亦可以指導(dǎo)田間種植。

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