濱海鹽堿地預(yù)覆膜起壟的生態(tài)效應(yīng)及對棉花苗期的影響

張 謙，馮國藝，雷曉鵬，祁 虹，王樹林，王 燕，梁青龍，林永增

(河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

棉花是開發(fā)利用鹽堿地的先鋒作物[1]，利用棉花耐鹽性強(qiáng)的特點(diǎn)發(fā)展濱海鹽堿地植棉，對于充分利用土地資源、緩解糧棉爭地矛盾、進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。河北省濱海鹽堿耕地分布于東部低平原區(qū)和濱海平原區(qū)，覆蓋滄州市、唐山市、秦皇島市等地，面積約7.8×105hm2，占總耕地面積的10.4%[2]，其中，滄州市鹽堿地面積就有3.0×105hm2，后備土地資源豐富；該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，年平均氣溫10.8～12.6℃，有效積溫3 800～4 400℃，無霜期180～200 d，年平均降雨量600～700 mm[3]，光照充足，秋季氣溫高且多風(fēng)，具有發(fā)展棉花種植及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉的氣候條件。鹽堿地集中分布區(qū)域都是我國主要的棉花產(chǎn)區(qū)，但土壤類型復(fù)雜、鹽分春季積返嚴(yán)重、淡水資源匱乏等問題嚴(yán)重影響了河北濱海鹽堿地植棉水平。

針對濱海鹽堿地出苗難、缺苗斷壟嚴(yán)重等問題，科研人員采取耐鹽品種篩選、種衣劑浸種、地膜預(yù)覆蓋、溝畦覆蓋等技術(shù)[4]，在出苗成苗期抑制鹽分對種子萌發(fā)和發(fā)育的影響。目前，耐鹽育種進(jìn)展緩慢，真正有效且推廣種植的耐鹽品種很少，外源物質(zhì)浸種對棉花耐鹽性的提高作用也有待增強(qiáng)，通過栽培措施來驅(qū)鹽避鹽是鹽堿地植棉的主要有效途徑[8]。溝畦覆蓋植棉通過誘導(dǎo)根區(qū)鹽分差異分布，改善了溝畦中間根系的生態(tài)環(huán)境，有效減輕了鹽害；在無淡水壓鹽和造墑條件的輕度和中度鹽堿地采用播前預(yù)覆膜，可以實(shí)現(xiàn)增溫、保墑和抑鹽作用，比傳統(tǒng)覆膜栽培成苗率提高11.4%，皮棉單產(chǎn)提高7.1%[9]。河北濱海鹽堿地常規(guī)植棉模式多為雨養(yǎng)旱作，無淡水壓鹽條件，春季多風(fēng)，土壤積返鹽嚴(yán)重，早春軋地提墑，播種時(shí)利用分土器將鹽分含量高的表層土壤推至兩側(cè)，之后覆膜播種。前人對預(yù)覆膜和溝畦覆蓋對棉花播種后的根區(qū)土壤理化特點(diǎn)及出苗影響進(jìn)行了研究，對預(yù)覆膜+起壟對耕層生態(tài)效應(yīng)(土壤含鹽量、含水量、溫度)影響及不同起壟方式的控鹽效果鮮有報(bào)道。本研究將起壟溝播與預(yù)覆膜結(jié)合，研究不同處理對耕層土壤水熱鹽等生態(tài)因素的影響，以期為預(yù)覆膜起壟溝播技術(shù)提供理論依據(jù)并豐富濱海鹽堿地植棉技術(shù)體系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年在河北省國營海興農(nóng)場試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬濱海氯化物鹽土，表層土pH值8～9，土壤含鹽量多分布于0.2%～1.0%之間，屬黏質(zhì)壤土，周年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地下水埋深0.8～2.2 m，地下水礦化度最高值在30.6 g·L-1。選擇春季0～20 cm土壤含鹽量小于0.2%和0.2%～0.4%的輕度、中度鹽堿地為試驗(yàn)地塊，面積0.1 hm2。棉花收獲后粉碎秸稈，3月中下旬耕地并鎮(zhèn)壓保墑。試驗(yàn)處理為預(yù)覆膜和起壟，預(yù)覆膜為播種前約1個(gè)月對壟和播種溝進(jìn)行地膜覆蓋，起壟為中間起壟和兩側(cè)起壟。共設(shè)4個(gè)處理：處理1(T1)為中間高壟預(yù)覆膜。將兩側(cè)寬30 cm、深5 cm的表土翻到中間，形成下部寬30 cm、上部寬10 cm、高15 cm的高壟，壟與壟兩側(cè)播種行預(yù)覆膜。處理2(T2)為兩側(cè)低壟預(yù)覆膜。將中間寬60 cm、深5 cm的表土翻到兩側(cè)，形成下部寬30 cm、上部寬10 cm、高7.5 cm的低壟，壟與壟間播種行預(yù)覆膜。處理3(T3)為不起壟預(yù)覆膜(圖1)。處理4(CK)為常規(guī)播種，不起壟且無預(yù)覆膜，在播種時(shí)推開表層5 cm表土，開溝播種覆膜。4月1日進(jìn)行起壟預(yù)覆膜處理，4月28日播種，棉花品種為冀棉151，由河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所選育。

1.2 測定項(xiàng)目和方法

土壤水分、含鹽量測定：分別在處理前、播種前進(jìn)行取土，取土深度20 cm，T1，T2取土位置分別為壟上、播種行，T3取土位置為膜內(nèi)中間位置，利用烘干法和電導(dǎo)率法測定土壤含水量及含鹽量。

地溫測定：4月14日-5月5日利用多點(diǎn)土壤溫度記錄儀YM-04測定T1，T2壟上和播種行、T3膜內(nèi)膜外地溫，測定深度為0、5、10、15 cm。

棉花出苗率及棉苗干物質(zhì)測定：4月28日人工播種，每穴5粒，播種20 d后調(diào)查出苗數(shù)，計(jì)算出苗率：出苗率=出苗粒數(shù)/(實(shí)際播種粒數(shù)×種子發(fā)芽率)×100%；定苗前調(diào)查成苗情況，計(jì)算成苗率，成苗率=苗株數(shù)/(實(shí)際播種粒數(shù)×種子發(fā)芽率)×100%；播種后30 d每小區(qū)取代表性棉株5株，測定單株干重。

注：T1、T2、T3分別代表中間高壟預(yù)覆膜、兩側(cè)低壟預(yù)覆膜、不起壟預(yù)覆膜，下同；箭頭標(biāo)注處為取土樣點(diǎn)和土壤溫度監(jiān)測點(diǎn)。Note: T1、T2、T3 represent middle and high ridge with early plastic mulching, bilateral and low ridge with early plastic mulching, early plastic mulching without ridging,traditional seeding, respectively. Same as below. Arrow marks are soil sampling points and soil temperature monitoring points.圖1 不同預(yù)覆膜起壟處理示意圖Fig.1 Schematic diagram under different early plastic mulching and ridging

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010、DPS 7.05等軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)覆膜起壟對耕層土壤含鹽量的影響

從表1可以看出，在輕度和中度鹽堿土中，不覆膜處理含鹽量分別增加19.27%、16.57%，平鋪覆膜T3的含鹽量分別降低6.99%、7.55%，可見播前預(yù)覆膜能夠有效抑制春季返鹽，降低20 cm耕層的含鹽量。預(yù)覆膜的同時(shí)進(jìn)行起壟會(huì)加速耕層降鹽效率，鹽分隨水分向高處的壟上積聚，播種行內(nèi)含鹽量明顯降低，在輕度鹽堿土中，T1壟上與播種行內(nèi)含鹽量分別增加24.04%和降低2.3%，T2壟上與播種行內(nèi)含鹽量分別增加16.66%和降低9.11%，兩側(cè)低壟對鹽分在壟上和播種行內(nèi)的差異化分布影響大于中間高壟處理；中度鹽堿土中，T1壟上與播種行內(nèi)含鹽量分別增加26.97%和降低17.62%，T2壟上與播種行內(nèi)含鹽量分別增加41.03%和降低30.72%，兩側(cè)低壟對鹽分在壟上和播種行內(nèi)的差異化分布影響同樣大于中間高壟處理。

表1 不同預(yù)覆膜起壟處理對0～20 cm耕層土壤平均含鹽量的影響Table 1 Effects of early plastic mulching and ridging on soil salinity in 0～20 cm soil layer

2.2 預(yù)覆膜起壟對耕層土壤含水量的影響

從表2可以看出，預(yù)覆膜可以增加耕層土壤含水量，具有明顯的保墑作用。T1、T2處理中壟上與播種行內(nèi)20 cm土層平均含水量分別為18.24%，19.92%和18.31%，20.42%，平鋪覆膜T3的20 cm土層平均含水量為19.94%，均顯著高于未覆膜對照，且T2播種行內(nèi)耕層含水量最高；T1、T2播種行和 T3各土層含水量均為0～5 cm土層最高，對照為15～20 cm土層含水量最高。

2.3 不同預(yù)覆膜起壟處理對土壤溫度的影響

由圖2可見，覆膜可以有效增加耕層地溫，在4月15日至5月7日的預(yù)覆膜播種前和播種出苗期，膜下0、5、10、15 cm土層日平均溫度分別比膜外提高3.7、3.6、3.1、2.8℃，日平均溫度最大值分別高7.1、6.0、4.8、4.2℃；不同起壟方式的播種行日平均溫度相比較(圖3)，除地表溫度T1>T2,兩側(cè)低壟比中間高壟處理低1.6℃，耕層內(nèi)各土層地溫均為T2>T1，兩側(cè)低壟5、10、15 cm處地溫比中間高壟分別高1.3、1.2、0.7℃，有利于促進(jìn)種子萌發(fā)。

表2 不同預(yù)覆膜起壟處理對0～20 cm耕層土壤含水量的影響Table 2 Effects of early plastic mulching and ridging on soil moisture in 0～20 cm soil layer

注：同一列后的不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference atP<0.05. Same as below.

2.4 不同預(yù)覆膜起壟處理對棉花出苗率、成苗率及干物質(zhì)量的影響

由表3可見，播前預(yù)覆膜與常規(guī)模式相比，預(yù)覆膜可明顯提高輕度、中度鹽堿地棉花出苗率、成苗率及苗期干物質(zhì)；輕度鹽堿土中，不同起壟處理的出苗率相當(dāng)，T1、T2、T3出苗率分別為89.2%、86.2%、85.6%，顯著高于常規(guī)模式，但成苗率T2最高，比T1、T3、CK分別提高了12.3%、18.3%和34.8%，T1、T2、T3單株干重差異不明顯；中度鹽堿土中，T2出苗率、成苗率、單株干重均表現(xiàn)最高，出苗率比T1、T3、CK分別提高了7.6%、15.4%和45.9%，成苗率提高了16.1%、42.9%和70.7%，單株干重提高了8.3%、18.2%和44.4%，預(yù)覆膜且兩側(cè)低壟處理的出苗保苗效果最好。

圖2 不同覆膜處理下各土層日均溫度變化Fig.2 Daily average temperature variations of different early plastic mulching and ridging at different soil layers

圖3 不同覆膜起壟方式下各土層日均溫度變化Fig.3 Daily average temperature variations of ridging patterns with different early plastic mulching at different soil layers

表3 不同預(yù)覆膜起壟處理下棉花的出苗率、成苗率及干物質(zhì)量Table 3 Effects of early plastic mulching and ridging on seedling emergence rate, seedling rate and plant biomass of cotton

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)比較了預(yù)覆膜與常規(guī)的播后覆膜以及不同預(yù)覆膜起壟方式對棉花出苗的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證并表明了鹽堿植棉利用地膜覆蓋可以有效提高出苗成苗，同時(shí)，預(yù)覆膜結(jié)合起壟可以加速鹽分向壟上積聚，為棉種創(chuàng)造一個(gè)低鹽適墑適溫的萌發(fā)環(huán)境。結(jié)果表明：(1)播前預(yù)覆膜能夠有效抑制春季返鹽，降低耕層含鹽量，在輕度和中度鹽堿土20 cm耕層中，不覆膜處理含鹽量分別增加19.27%、16.57%，平鋪覆膜分別降低6.99%、7.55%，預(yù)覆膜的同時(shí)起壟會(huì)加速耕層降鹽，中間高壟處理播種行內(nèi)含鹽量分別降低2.3%和17.62%，兩側(cè)低壟分別降低9.11%和30.72%，兩側(cè)低壟對鹽分在壟上和播種行內(nèi)的差異化分布影響大于中間高壟處理，且在中度鹽堿土效果更明顯；(2)預(yù)覆膜可以增加耕層土壤含水量，有明顯的保墑作用，中間高壟、兩側(cè)低壟和平鋪覆膜播種行耕層平均含水量分別為19.92%、20.42%和19.94%，均顯著高于未覆膜對照；(3)預(yù)覆膜還可以增加耕層地溫，膜下0、5、10、15 cm土層日平均溫度分別比膜外提高3.7、3.6、3.1、2.8℃，兩側(cè)低壟在5、10、15 cm處地溫比中間高壟分別高1.3、1.2、0.7℃，有利于促進(jìn)種子萌發(fā)；(4)預(yù)覆膜起壟對耕層微生態(tài)環(huán)境的改變直接影響了棉花的苗期生長，輕度鹽堿土中，各預(yù)覆膜起壟處理的出苗率均顯著高于常規(guī)模式，成苗率方面，預(yù)覆膜同時(shí)兩側(cè)低壟最高，比常規(guī)模式提高了34.8%；中度鹽堿土中，預(yù)覆膜同時(shí)兩側(cè)低壟的出苗率、成苗率、單株干重均表現(xiàn)最高，比對照模式分別提高了45.9%、70.7%和44.4%，預(yù)覆膜且兩側(cè)低壟處理的出苗保苗效果最好。

地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用于鹽堿地植棉已有30余年的歷史，該技術(shù)有效地保證了鹽堿地棉花出苗、立苗和成苗[10-11]。先前的大量研究表明，地膜覆蓋能夠顯著改善棉花生長的微生態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)為增溫、增墑保墑和抑制返鹽[12-14]，預(yù)覆膜在無灌溉條件地區(qū)可明顯提高出苗及皮棉產(chǎn)量，起壟溝播可以誘導(dǎo)鹽分在根區(qū)差異分布以提高成苗率[15-16]。以往研究多集中在山東、新疆等播前可灌水壓鹽地區(qū)，播種前利用淡水壓鹽為種子萌發(fā)創(chuàng)造了低鹽適墑環(huán)境，對于雨養(yǎng)旱作棉田，在播種時(shí)依靠推開表層土來降低播層含鹽量，然后溝播。試驗(yàn)地區(qū)棉花苗期降雨以5 mm左右的微量降雨為主，棉花播前也常會(huì)有2～3次的微量降雨，2016年4月份有兩次6 mm左右的微量降雨，雨后在壟下膜間間隔20 cm左右膜上打孔，雨水入滲后及時(shí)壅土堵孔，苗期起壟覆膜的集雨作用顯現(xiàn)。本研究采取預(yù)覆膜起壟處理，充分發(fā)揮了地膜和起壟的覆蓋保墑、增溫、抑鹽、集雨壓鹽等作用，在播前為棉花創(chuàng)造出低鹽適墑適溫的萌發(fā)環(huán)境，能顯著提高棉花的出苗成苗率。預(yù)覆膜期無微量降雨情況下的耕層鹽分、含水量變化情況以及生產(chǎn)中是否可以通過壟上打孔增加土壤蒸發(fā)量、播種時(shí)加大推土深度等措施提高出苗成苗率有待進(jìn)一步研究。