膜下滴灌棉田生物改良鹽堿地效果研究

張艷超，史文娟，馬 媛

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

新疆地區(qū)氣候干燥，地下水埋深淺且礦化度高，鹽堿地及耕地鹽漬化嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)開發(fā)和持續(xù)發(fā)展[1-2]。生物改良鹽堿地措施是指在鹽堿地上直接或間作種植吸鹽、耐鹽和泌鹽的植物，從而吸收土壤鹽分，通過(guò)收割轉(zhuǎn)移鹽分，減少土面蒸發(fā)，改善土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到改良鹽堿地的目的[3-4]。相關(guān)研究[5-7]表明，堿蓬、鹽角草、苜蓿、孜然、怪柳等植物具有較強(qiáng)的吸鹽和耐鹽能力。從直接種植鹽生植物的角度來(lái)看，耐鹽植物對(duì)鹽堿土具有明顯的生物改良效果。選擇合適的植物類型是實(shí)現(xiàn)提高鹽堿地生物改良效果的關(guān)鍵[8]。毛勇[9]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿地連續(xù)7年種植苜蓿，土壤pH值逐年呈下降趨勢(shì)，第1年至第5年土壤脫鹽效果明顯，脫鹽率為72.24%。任崴等[10]研究發(fā)現(xiàn)，種植耐鹽禾木科牧草，0～40 cm土壤脫鹽率可達(dá)67.3%，并可以在土壤中累積大量根系殘?bào)w。穆哈西等[11]研究表明鹽角草吸走土壤中的Na+、Cl-離子，土深20 cm處含鹽量降低了0.26 g·kg-1。祁通等[12]通過(guò)滴灌條件下種植堿蓬和海蓬子，發(fā)現(xiàn)在0～20 cm范圍土壤總鹽含量、Na+、Cl-和K+離子濃度顯著降低，但土壤pH值影響不明顯。從間作鹽生植物改良鹽堿地的角度來(lái)看，Kilic等[13]人研究了馬齒莧的最大耐鹽量以及不同程度鹽脅迫下馬齒莧的脫鹽效果，并提出了在鹽堿地果園中間作種植耐鹽性植物以改良土壤鹽性的設(shè)想。王升等[14]對(duì)棉田間作堿蓬和鹽角草的土壤脫鹽效果進(jìn)行了初步研究。羅廷彬等[15]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥套播草木樨的種植方式，1 m土層脫鹽率可達(dá)85.82%。由此可見，鹽生植物的鹽堿地改良效果顯著，但有關(guān)鹽生植物間作套種的鹽堿地改良方式研究還相對(duì)較少。

膜下滴灌技術(shù)是目前新疆地區(qū)開發(fā)利用鹽堿地的主要方式，但由于膜下滴灌技術(shù)只是給作物創(chuàng)造了適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，并不能去除土壤中的鹽分，且隨著種植年限的延長(zhǎng)而加重，從而對(duì)膜下滴灌技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用構(gòu)成潛在的威脅。對(duì)比不同鹽生植物的改良效果，選取合適的鹽生植物，對(duì)鹽堿地改良技術(shù)的發(fā)展、指導(dǎo)農(nóng)田灌溉、實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)以及治理鹽堿地具有現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本文擬將膜下滴灌技術(shù)和生物改良鹽堿地技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)在膜下滴灌棉田膜間種植一些耐鹽較強(qiáng)的鹽生植物，以探究間作條件下膜下滴灌棉田水鹽動(dòng)態(tài)及鹽生植物對(duì)棉田的改良效果，為新疆膜下滴灌技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用和鹽堿地改良提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在新疆巴音郭楞蒙古族自治州巴州重點(diǎn)灌溉試驗(yàn)站。試驗(yàn)站地處亞歐大陸中心，位于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，海拔988～991 m，東經(jīng)86°09′～86°10′，北緯41°35′～41°36′，地形總趨勢(shì)為北高南低，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候。多年降水量53.5～62.7 mm，蒸發(fā)量2 273～2 788 mm，平均氣溫10.7℃，年日照數(shù)3 036.2 h，風(fēng)速2.4 m·s-1，無(wú)霜期144～241 d。灌溉水主要來(lái)自孔雀河，平均灌水礦化度為0.8 g·L-1。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)以砂土和壤質(zhì)砂土為主[16-17]。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)

棉花的播種日期為2015年5月3日，采用開溝、播種、覆膜的機(jī)械一體化播種模式。種植模式為一膜兩管四行(見圖1)，棉花株距為10 cm，灌水方式為膜下滴灌。灌溉定額為5250 m3·hm-2，第一次灌水間隔12 d，其它灌水周期約為5 d，首次灌水時(shí)間為2015年6月18日，灌水定額為300 m3·hm-2，以后每次灌水450 m3·hm-2，8月25日灌水結(jié)束，灌水次數(shù)為12次。滴灌帶選用迷宮式滴頭滴灌帶，滴頭間距為40 cm，流量為3.8 L·h-1。鹽生植物的播種日期為2015年5月6日，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為在膜間間作鹽生植物苜蓿(Ⅰ)、堿蓬(Ⅱ)、孜然(Ⅲ),以不間作為對(duì)照(CK)，每種處理重復(fù)3次。其中，苜蓿選用紫花苜蓿，堿蓬選用鹽地堿蓬，孜然為新疆孜然王，三者的種植密度均為1.5 g·m-2，棉花品種為九華棉。試驗(yàn)布設(shè)如圖1所示，每個(gè)小區(qū)面積為7 m×7 m，為避免相互影響，每?jī)蓚€(gè)小區(qū)之間設(shè)有緩沖區(qū)，其間距為1 m。根據(jù)設(shè)定的播種密度在膜下滴灌棉田的膜間進(jìn)行人工撒播鹽生植物種子的方式進(jìn)行，播種后覆膜以保證種子萌發(fā)對(duì)水分的需求，待鹽生植物長(zhǎng)出2～3片子葉后將膜去掉。試驗(yàn)中施肥、間苗、除蟲、除草、打頂?shù)绒r(nóng)藝操作均一致。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1.3.1 取樣點(diǎn)的選擇 每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選擇1個(gè)取樣位置，取土?xí)r間選擇在灌后取樣。每個(gè)取樣位置均在寬行、窄行、膜間的中間位置設(shè)定取樣點(diǎn)，各點(diǎn)的取樣深度分別為0、10、20、30、40、60、80、100 cm處。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 土壤含水量采用烘干法(105℃，8～12 h)測(cè)定。土壤含鹽量利用電導(dǎo)率儀(DDS-307)測(cè)定，土水比為1∶5。棉花生長(zhǎng)特性指標(biāo)通過(guò)選取具有代表性的內(nèi)、外行棉花，用卷尺測(cè)量子葉節(jié)點(diǎn)至生長(zhǎng)點(diǎn)間的距離為株高，用游標(biāo)卡尺測(cè)量棉株莖粗，干物質(zhì)量采用分類、殺青和烘干稱重測(cè)得。每個(gè)處理在內(nèi)、外行選取長(zhǎng)勢(shì)均勻并有代表性的植株，共采摘100朵籽棉，在65℃下烘72 h，測(cè)出平均每朵籽棉的重量；每個(gè)處理沿滴管帶選取30株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，測(cè)定各株棉花鈴數(shù)，計(jì)算單株棉花平均鈴數(shù)；根據(jù)各處理行的棉花株數(shù)和鈴數(shù)計(jì)算不同處理棉花的籽棉產(chǎn)量。

圖1 棉花種植模式和田間試驗(yàn)布置圖Fig.1 Cotton planting mode and design of field experiment

本文以對(duì)照組為參考，引入保水率評(píng)價(jià)不同處理的保水效果，具體計(jì)算方法為

式中，C為保水率(%)；Cx為間作處理含水量(%)；C0為對(duì)照含水量(%)。

引入抑鹽率評(píng)價(jià)鹽生植物鹽堿地改良效果，其計(jì)算公式為

式中，γ為抑鹽率(%)；γx為間作處理積鹽量(%)；γ0為對(duì)照積鹽量(%)。

棉花耗水量采用水量平衡原理進(jìn)行計(jì)算，即

ET=Pr+I+G-R-SI±ΔW

式中,ET為作物實(shí)際耗水量(mm)；Pr為降水量(mm)；I為灌水量(mm)；G為地下水補(bǔ)給量(mm)；R為地表徑流量(mm)；SI為深層滲漏量(mm)；ΔW為土層土壤儲(chǔ)水量的變化(mm)。由于試驗(yàn)所在地年降雨量稀少，基本可以忽略。試驗(yàn)期間，田間地下水埋深基本在3m左右且為膜下滴灌的灌水方式，基本上不產(chǎn)生深層滲漏和地表徑流，即深層滲漏(G)和地表徑流量(R)也可以忽略。

水分利用效率(WUE)計(jì)算公式為，

式中,Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為耗水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作鹽生植物條件下土壤水分變化特征研究

2.1.1 生育期內(nèi)土壤含水量縱向分布 各處理除間作植物不同，其它條件均一致，通過(guò)計(jì)算各處理棉花生育期膜內(nèi)和膜間土壤平均含水量，分析土壤垂直剖面含水量的變化情況，見圖2所示。由圖可知，膜內(nèi)膜間含水量變化趨勢(shì)相似，土壤含水量隨深度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，40 cm左右為含水量峰值區(qū)間，這主要與灌后土壤水分的再分布和土面蒸發(fā)有關(guān)。同時(shí)，間作苜蓿(Ⅰ)、孜然(Ⅱ)和堿蓬(Ⅲ)的小區(qū)膜內(nèi)、膜間土壤含水量平均值在0～60 cm深度均大于對(duì)照組(CK)。此外，與對(duì)照相比，間作鹽生植物的各處理膜內(nèi)膜間含水量差值明顯縮小，說(shuō)明膜間間作的鹽生植物作為一種遮蔽物，有效地降低了膜間裸土水分的蒸發(fā)，使得土壤膜內(nèi)膜間的土壤含水量差異縮小。

2.1.2 各處理保水效果分析 表1為各處理不同土層深度范圍(0～40 cm和0～100 cm)棉花生育期土壤平均含水量。由表可知，各處理保水效果從高到低為：苜蓿>孜然>堿蓬>對(duì)照組(Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>CK)，這可能與間作鹽生植物的覆蓋面積有一定的關(guān)系。與對(duì)照組相比，間作苜蓿的處理在0～40 cm和0～100 cm土層土壤含水量分別提升了29.80%和27.54%。間作孜然的處理在0～40 cm和0～100 cm土層土壤含水量分別提升了14.49%和13.35%。可見，膜下滴灌條件下在膜間種植鹽生植物，可以在一定程度上提高膜內(nèi)、膜間的土壤含水量，尤其在0～40 cm深度，保水效果最為明顯。

圖2 生育期內(nèi)土壤膜內(nèi)膜間平均含水量縱向分布圖Fig.2 Vertical distribution of average soil moisture content in below and between the plastic film during cotton growth period

處理Treatment0～40 cm含水量平均值/%Average soil moisture保水率/%Water retention rate0～100 cm含水量平均值/%Average soil moisture保水率/%Water retention rate對(duì)照組(CK)No intercropping 9.8809.200間作苜蓿(Ⅰ)Intercropping with alfalfa12.8329.8011.7327.54間作孜然(Ⅱ)Intercropping with cumin11.3114.4910.4313.35間作堿蓬(Ⅲ)Intercropping with suaeda10.9410.7510.059.26

2.2 生物改良措施下土壤鹽分變化特征研究

2.2.1 生育期內(nèi)土壤含鹽量縱向分布 圖3為各處理棉花生育期內(nèi)土壤平均含鹽量的縱向分布。圖中顯示，各處理膜內(nèi)土壤含鹽量基本集中在0～60 cm的土層，呈現(xiàn)S型趨勢(shì)。膜間土壤含鹽量均高于膜內(nèi)土壤含鹽量，說(shuō)明膜下滴灌可以減少膜內(nèi)土壤的水分蒸發(fā)，抑制其鹽分上移。膜間與膜內(nèi)相比土壤含鹽量差異明顯縮小，由此可見膜間間作鹽生植物有效地抑制了膜間土壤鹽分的累積。膜內(nèi)土壤鹽分主要集中在30～40 cm深度，膜間土壤鹽分主要累積在土層表面，間作苜蓿和堿蓬的處理與對(duì)照組相比膜間土壤含鹽量在0～20 cm深度下降較快，這主要與這兩種處理土壤的初始含鹽量較高，較多的鹽分隨水分蒸發(fā)遷移至土壤表面導(dǎo)致鹽分形成的趨勢(shì)有關(guān)。

2.2.2 不同處理的土壤抑鹽率分析 為了解不同處理的土壤脫鹽效果，分別對(duì)各處理不同深度范圍內(nèi)含鹽量平均值的初始值與生育期末值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果見表2和表3。表中顯示，因大田土壤存在一定的空間變異，各小區(qū)土壤鹽分初始值存在較大差異，但從生育期末的土壤鹽分看，所有間作鹽生植物的小區(qū)積鹽量與對(duì)照組相比均有一定程度的減少，間作苜蓿的小區(qū)在0～40 cm深度抑鹽率達(dá)到了125%。從整體抑制鹽分累積的效果看：苜蓿>孜然>堿蓬>對(duì)照組，這與保水效果順序一致，即抑鹽保水效果最好的為苜蓿作物。

由上述內(nèi)容可知，土壤鹽分隨水遷移至土壤表面，尤其在膜間的裸土表面。在膜間種植鹽生植物，相比于裸土減少了陽(yáng)光照射的面積，從而在一定程度上降低了裸土表面水分的蒸發(fā)，所以對(duì)于鹽分的累積有一定的抑制作用。此外，研究表明[4,6-7]，真鹽生植物可以吸收土壤中的鹽分作為養(yǎng)料，從而帶走土壤中的一部分鹽分；同時(shí)鹽生植物還可以有效地改善土壤物理性質(zhì)，使其容重下降，孔隙度提高，使得鹽分的淋洗作用更強(qiáng)[9]。因此，膜下滴灌與間作鹽生植物相結(jié)合，可以有效地抑制土壤鹽分的累積，尤其在0～40 cm深度的范圍內(nèi)，給棉花根系營(yíng)造一個(gè)相對(duì)合適的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于棉花植株的成長(zhǎng)。

圖3 生育期內(nèi)土壤膜內(nèi)膜間平均含鹽量縱向分布圖Fig.3 Vertical distribution of average soil salinity below and between the plastic film during cotton growth period

處理Treatment初始含鹽量Initial soil salinity/(g·kg-1)生育期末土壤含鹽量The final soil salinity/(g·kg-1)積鹽量Salt accumulationamount/(g·kg-1)相對(duì)抑制量Relative desalinizationamount/(g·kg-1)抑鹽率Ratio ofdesalinization/%對(duì)照組No intercropping1.745.423.6800間作苜蓿Intercropping with alfalfa4.373.45-0.924.6125間作孜然Intercropping with cumin3.034.121.092.5970.38間作堿蓬I(lǐng)ntercropping with suaeda6.218.262.051.6344.29

表3 不同處理0～100 cm土層抑鹽效果

2.3 生物改良措施下棉花生長(zhǎng)特性研究

2.3.1 不同生物改良措施對(duì)棉花株高、莖粗和干物質(zhì)的影響 圖4為不同處理棉花株高、莖粗和干物質(zhì)隨著時(shí)間的變化。由圖可知，棉花從苗期到蕾期株高、莖粗和干物質(zhì)快速增長(zhǎng)，從蕾期到鈴期株高和莖粗增長(zhǎng)緩慢，干物質(zhì)繼續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度相對(duì)較緩。間作苜蓿、孜然和堿蓬小區(qū)棉花的生長(zhǎng)指標(biāo)均大于對(duì)照組，且間作苜蓿和孜然處理的莖粗、株高和干物質(zhì)指標(biāo)均大于其它處理。這主要由于在棉花出苗以后，膜下滴灌在膜內(nèi)給棉花創(chuàng)造了一個(gè)低鹽多水的環(huán)境，而鹽分主要累積在膜間土壤，對(duì)照組相比于間作鹽生植物的處理，從7月開始，由于溫度的不斷升高，膜間兩次灌水之間水分的流失相對(duì)較快，從而在一定程度上抑制了作物的生長(zhǎng)，而間作鹽生植物的處理由于其保水抑鹽的效果，生長(zhǎng)指標(biāo)均高于對(duì)照組。

2.3.2 不同處理對(duì)棉花產(chǎn)量和耗水量的影響 棉花的產(chǎn)量和水分利用效率是衡量鹽生植物改良效果的重要依據(jù)之一。本文在水分、溫度、肥料和株型生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)等因素相對(duì)統(tǒng)一的前提下，對(duì)間作不同鹽生植物處理的棉田籽棉產(chǎn)量以及水分利用效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表4)。由表可知，對(duì)照組每株的平均鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量均小于間作鹽生植物的處理。且間作孜然、苜蓿和堿蓬的處理籽棉產(chǎn)量分別比對(duì)照提高了10.45%、7.74%和5.76%，但間作孜然、苜蓿和堿蓬處理的耗水量分別比對(duì)照組增加了6.93%、8.20%和16.18%，其水分利用效率除孜然處理比對(duì)照組提高了3.3%，苜蓿和堿蓬處理分別比對(duì)照組降低了0.40%和9.0%。說(shuō)明間作鹽生植物改良鹽堿土可以起到抑鹽促產(chǎn)的作用，但同時(shí)也可能會(huì)增加農(nóng)田耗水量和降低水分利用效率。選擇適宜的鹽生植物，才能達(dá)到水分利用效率提高和鹽堿地改良共贏的目的。

圖4 生育期內(nèi)棉花株高、莖粗和干物質(zhì)的變化Fig.4 Changes of plant height, stem diameter, and dry matter during cotton growth period

處理Treatment平均單鈴重/gMean single bollweight平均鈴數(shù)Average bollnumber/(個(gè)·株-1)處理行株數(shù)Total plants ina row/株籽棉產(chǎn)量Cotton yield/(kg·hm-2)相對(duì)變化率Relative changerate/%耗水量Evapotranspiration/mm水分利用效率Water useefficiency/(kg·m-3)對(duì)照No intercropping5.7326.211224435.740454.210.976間作苜蓿Intercropping with alfalfa5.8086.451254779.177.74%491.440.972孜然間作Intercropping with cumin5.8886.451264899.1010.45%485.71.008間作堿蓬I(lǐng)ntercropping with suaeda5.8096.381244691.045.76%527.680.889

3 結(jié) 論

(1)膜下滴灌棉田間作鹽生植物的生物改良鹽堿地方法，可以有效縮小膜間和膜內(nèi)土壤剖面同一深度處的含水量差異，使土壤含水量峰值保持在40 cm深度左右。相比于對(duì)照組，間作苜蓿和孜然的保水效果較好，在0～40 cm深度范圍內(nèi)分別提升了29.80%和14.49%。

(2)間作鹽生植物對(duì)膜間土壤鹽分的累積起到了一定的抑制作用。其中，間作苜蓿和堿蓬的處理土壤含鹽量在0～20 cm深度下降較為明顯。從抑制鹽分累積的作用看：苜蓿>孜然>堿蓬>對(duì)照組。

(3)膜下滴灌棉田間作鹽生植物的處理其棉花生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量均高于對(duì)照組，其中以間作孜然和苜蓿處理的籽棉產(chǎn)量提升最高，分別提升10.45%和7.74%，但其總的耗水量也有所增加，其水分利用效率僅孜然處理的高于對(duì)照，苜蓿處理的與對(duì)照基本相同。

綜上所述，膜下滴灌條件下，間作鹽生植物選取孜然和苜蓿，在保水和抑制鹽分累積的效果上較為突出，棉花的生長(zhǎng)指標(biāo)和水分利用效率較為理想。同時(shí)，在改善鹽堿地的前提下，間作鹽生植物還可以提高田間土地利用率，獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。