地膜覆蓋時(shí)間對綠洲覆膜滴灌棉田土壤鹽分時(shí)空變化的影響

鄧方寧，祖米來提·吐爾干，林濤，孔松，迪麗拜爾·迪力買買提，吳鳳全，湯秋香*

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊830091；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）

地膜覆蓋是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于干旱缺水地區(qū)的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)。研究表明棉田覆蓋地膜具有增溫[1-2]、保墑[3]和抑鹽[4]的突出效果，但常年覆膜使棉田土壤中的殘膜蓄積污染加重，破壞土壤環(huán)境，造成棉花減產(chǎn)[5]。覆蓋可生物降解地膜能有效減少殘膜污染[6-7]，但在新疆棉田實(shí)際應(yīng)用中存在降解過早、后期保水性能差等問題[8]。水分是鹽分運(yùn)移的動(dòng)力條件[9]，土壤水分的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致次生鹽漬化，是限制作物根系生長的重要因素。研究表明，高濃度的鹽分會(huì)抑制棉花根系生長[10]，造成棉花生理干旱[11-12]。地膜滴灌技術(shù)是新疆地區(qū)棉田增產(chǎn)的主要方式，它能抑制土壤鹽分的累積，加速鹽分向地下淋洗[9]。不同的地膜覆蓋時(shí)間對棉田土壤環(huán)境有不同的影響，已有研究表明適時(shí)揭除地膜有利于改善土壤含水量等土壤微環(huán)境指標(biāo)[13]。然而地膜覆蓋時(shí)間對土壤鹽分分布及運(yùn)移規(guī)律的影響知之甚少，探究不同地膜覆蓋時(shí)間對土壤鹽分的影響，對改善棉田土壤環(huán)境具有重要意義。

研究表明土壤中的鹽分含量主要受蒸發(fā)量、灌水量和地下水埋深的影響[14]。地膜覆蓋能抑制土壤中水分的蒸發(fā)，使膜內(nèi)鹽分側(cè)向運(yùn)移，減少深層滲漏，降低次生鹽漬化發(fā)生的可能性[15-16]。鹽堿地覆膜種植玉米[17]、小麥[18]、向日葵[19]等作物能有效降低土壤鹽分，明顯提高產(chǎn)量；覆膜后膜內(nèi)土壤含鹽量低于膜外土壤，并維持適合作物生長的土壤基質(zhì)勢。適宜的覆膜時(shí)間能夠降低棉花生長后期的土壤溫度[20]，促進(jìn)棉花側(cè)根生長[21]。李君等[22]研究結(jié)果表明：新疆石河子地區(qū)8月10日后揭膜與全生育時(shí)期覆膜相比，土壤質(zhì)量含水量無差異，土壤鹽分含量降低。前人的研究主要集中于全生育時(shí)期覆膜或不同灌溉方式和年限條件下鹽分在土壤中的變化規(guī)律，而關(guān)于不同地膜覆蓋時(shí)間對土壤中鹽分含量及空間變化規(guī)律的影響少有報(bào)道。

本文旨在討論棉田膜下滴灌條件下不同地膜覆蓋時(shí)間對土壤鹽分分布運(yùn)移規(guī)律的影響，研究結(jié)果將為棉田土壤鹽漬化治理、降解地膜產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和安全性評(píng)價(jià)，以及地膜機(jī)械回收最佳時(shí)期的確定提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016 和2017年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院阿瓦提縣棉花育種基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于塔里木盆地西北緣，屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，是我國著名的優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域降水稀少、熱量豐富，年平均降水量46.4 mm，蒸發(fā)量2 900 mm，日照時(shí)間2 679 h，≥10 ℃年積溫3 987.7 ℃，無霜期227 d，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于地表水灌溉，試驗(yàn)田地下水位40～50 m，地下水不能補(bǔ)給到作物根系分布層，向上補(bǔ)給量忽略不計(jì)。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，田間持水率質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.92%，土壤肥力屬于中等，播前0～40cm土層土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 2016年和2017年供試0～40cm土層土壤肥力狀況Table 1 Soil fertility status in 0-40cm soil layer in 2016 and 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)采用單因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置覆膜40 d、55 d、70 d、85 d、100 d 和全生育期覆蓋（CK，2016年為163 d，2017年為160 d）6個(gè)處理，分別記為A、B、C、D、E 和CK。采用無色普通PE 地膜（新疆獨(dú)山子天利高新技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)），“1 膜2 管6 行”種植模式，地膜寬2.05 m，株行配置為窄行10cm，寬行66cm，株距11cm，理論密度23.7 萬株·hm-2。每處理重復(fù)3 次，小區(qū)長7 m，寬6.9 m，面積48.3 m2。為減小邊際效益，小區(qū)第1、3 幅膜為保護(hù)行，第2 幅膜為調(diào)查取樣小區(qū)。2016年于4月8日播種，9月21日收獲，全生育期163 d；2017年于4月15日播種，9月25日收獲，全生育期160 d。采用灌溉施肥，兩年均在6月14日滴頭水，每7 d 滴灌1 次，全生育期共滴灌11 次，灌水量為4 650 m3·hm-2。其它管理按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)方式進(jìn)行。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目與方法

先進(jìn)行土壤樣品的采集，將采集的土樣用于土壤含水量的測定，再將測完含水量的土壤進(jìn)行土壤鹽分含量的測定。

1.3.1土壤樣品采集。播前采用五點(diǎn)取樣法每10cm 為一層，測定0～80cm土壤pH、全氮、速效磷等背景值。于灌溉開始前一天取樣，取樣次數(shù)同滴灌次數(shù)。采用直徑5cm的土鉆于小區(qū)寬行、窄行和裸行3個(gè)條帶的中間位點(diǎn)以20cm 為一層，取0～80cm 剖面制備土樣（如圖1 所示）。

1.3.2土壤含水量的測定。取好的鮮土樣用自封袋密封，放入保溫箱后立刻帶回實(shí)驗(yàn)室稱鮮物質(zhì)質(zhì)量，記為M1；之后放入85 ℃烘箱烘干至恒重，稱干物質(zhì)質(zhì)量，記作M2。土壤質(zhì)量含水量（W）（以下稱含水量）的計(jì)算公式為：

1.3.3土壤鹽分的測量和計(jì)算。含鹽量使用電導(dǎo)率儀法[23]，將測完土壤含水量的土壤樣品磨碎，過2 mm 篩，按照水土質(zhì)量比1∶5的比例進(jìn)行混合，并攪拌均勻，待沉淀后過濾其浸提液，用電導(dǎo)率儀（DDS-307 型，上海雷磁科學(xué)儀器廠）測定土壤的電導(dǎo)率，用電導(dǎo)率計(jì)算土壤鹽分。

土壤鹽分變化量（ΔS）＝灌溉開始前的土壤含鹽量-灌溉結(jié)束后的土壤含鹽量

脫鹽率＝（灌溉開始前的土壤含鹽量-灌溉結(jié)束后的土壤含鹽量）/灌溉開始前的土壤含鹽量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 和DPS 7.05 進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性分析，采用最小顯著法（LSD）檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性水平（P＜0.05），使用SigmaPlot 12.5 繪制鹽分時(shí)空分布二維圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜覆蓋時(shí)間對生育期土壤平均含水量和含鹽量的影響

不同覆蓋處理0～80cm土層平均含水量的變化表明（圖2），苗期和蕾期（出苗后40～60 d）A 和B處理的平均含水量最低。從花期開始（出苗后70～105 d），氣溫逐漸升高，蒸發(fā)強(qiáng)烈，各處理的平均土壤含水量開始明顯變化。C、D處理的平均土壤含水量逐漸相近于A 和B處理，E 和CK處理保持比較高的平均土壤含水量。2年的數(shù)據(jù)均表明，播種100 d 后A、B、C 和D處理較CK 平均土壤含水量分別低14.5%、10.7%、8.7%和7.5%，而E處理則比CK 高出4.4%。表明地膜覆蓋雖然抑制土壤蒸發(fā)，但覆蓋時(shí)間超過100 d后，保墑性能反而降低。

0～80cm土層平均含鹽量的變化表明（圖3），覆膜時(shí)間越短，平均含鹽量越高。其中，A、B和C處理覆膜結(jié)束后土壤平均含鹽量易受降水和灌水等因素影響，變幅較D、E處理大與CK 具有顯著差異（P＜0.05）。其中A處理2年間平均含鹽量變幅分別為1.55g·kg-1和1.12g·kg-1，而E處理為1.05g·kg-1和0.7g·kg-1。

含水量和含鹽量綜合數(shù)據(jù)表明，平均土壤含水量越高的處理含鹽量越低，鹽分的變化幅度越小，充分體現(xiàn)“鹽隨水動(dòng)”的特性。E處理的平均土壤含水量高于CK，平均含鹽量低于CK，說明E處理的地膜保水抑鹽的效果優(yōu)于早期揭膜和全生育期覆蓋。

2.2 地膜覆蓋時(shí)間對土壤鹽分變化量和脫鹽率的影響

2年的試驗(yàn)結(jié)果表明（表2、表3）地膜覆蓋時(shí)間對不同土層含鹽量具有顯著的影響。以2016年試驗(yàn)為例，E處理末次測得ΔS和脫鹽率在0～20cm土層分別為1.25g·kg-1和42.79%，在20～40cm土層對應(yīng)指標(biāo)分別為1.52g·kg-1和47.24%。在0～40cm土層E處理的上述指標(biāo)分別與A、B 和C處理均具有顯著差異（P＜0.05），而與D 和CK處理則無顯著差異（P＞0.05）。在40～60cm土層，E處理的上述指標(biāo)與A、B、C、D和CK處理均無差異（P＞0.05）。其中，E處理的ΔS和脫鹽率最大，1.09g·kg-1和40.69%，而B處理的上述指標(biāo)最小，分別為-0.43g·kg-1和23.41%。

圖1 土壤含水量及含鹽量取樣位點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic map of sampling sites for soil water content and salinity

圖2 2016 和2017年0～80cm土層平均含水量變化Fig.2 Changes in the average moisture content of the 0-80cm soil layer in 2016 and 2017

圖3 2016 和2017年0～80cm土層平均含鹽量的變化Fig.3 Changes in average soil salinity of 0-80cm in 2016 and 2017

表2 2016 和2017年地膜覆蓋時(shí)間對棉田不同土層土壤鹽分含量的影響Table 2 Effect of film mulching duration on soil salinity in different soil layers in cotton field in 2016 and 2017

表3 2016 和2017年地膜覆蓋時(shí)間對棉田不同土層土壤鹽分變化量和脫鹽率的影響Table 3 Effect of film mulching duration on soil salinity change and desalination rate in different soil layers in cotton fields in 2016 and 2017

2017年試驗(yàn)上述指標(biāo)的變化趨勢與2016年相似，但可能由于對照土壤背景值含鹽量較高，因此抑鹽效果不明顯，C、D、E處理在0～20cm、20～40cm處末次測得土壤含鹽量均低于對照。0～20cm處ΔS和脫鹽率為E處理最佳，為0.8g·kg-1，32.28%；在20～40cm、40～60cm處ΔS和脫鹽率為D處理最佳，為0.55g·kg-1、20.52%；0.42g·kg-1、16.56%。

綜上所述，隨著覆膜時(shí)間的增長0～40cm土層含鹽量影響逐漸降低，而40～60cm 含鹽量逐漸增加，在0～60cm 范圍內(nèi)，土壤鹽分的變化量隨覆蓋時(shí)間的增加而增加，覆膜時(shí)間越長則抑鹽效果越明顯。

2.3 地膜覆蓋時(shí)間對棉田土壤鹽分時(shí)空分布的影響

2年的數(shù)據(jù)表明（圖4、圖5）苗期和蕾期（出苗后40～60 d）各處理0～60cm土層含鹽量較高，從花期（出苗后70～105 d）開始由于氣溫升高，蒸發(fā)量大，加之揭膜時(shí)間早使A、B、C處理含鹽量隨水分運(yùn)移到土壤表層，導(dǎo)致0～40cm處含鹽量升高，40～60cm處含鹽量降低。而D、E處理由于地膜的阻隔加速鹽分向深層土壤淋洗，使0～40cm處含鹽量降低，40～60cm處含鹽量升高。2年間各處理含鹽量峰值均在40～60cm處，但由于灌水、降雨等原因使各土層含鹽量均有降低。各處理覆膜結(jié)束后由于蒸發(fā)使0～40cm處含鹽量呈增加趨勢，A、B、C、D、E處理增幅為2016年：12.1%、43.1%%、33.2%、25%和4.3%；2017年：58.9%、24.7%、11.7%、2.5%和2.9%。其中D、E處理增幅較小，與早期揭膜相比保持較高的脫鹽率。

3 討論

3.1 地膜覆蓋時(shí)間對棉田土壤含水量和含鹽量的影響

地膜覆蓋、灌水都能有效減少耕層土壤含鹽量，使鹽分下移。本試驗(yàn)結(jié)果中E處理0～80cm平均土壤含水量比CK 高4.4%，證明覆膜100 d對土壤含水量的影響并不大，0～40cm 耕層脫鹽率達(dá)45%，這是由于水分的淋洗導(dǎo)致鹽分下移，進(jìn)而降低耕層土壤鹽分含量。隆小華等[24]、李彬等[25]研究發(fā)現(xiàn)全覆膜條件下0～20cm土層脫鹽率為29.9%～53.8%，本試驗(yàn)中全覆膜處理（CK）脫鹽率為22.99%，這既有可能是土壤基礎(chǔ)含鹽量較高導(dǎo)致，也可能是由于試驗(yàn)區(qū)氣候、試驗(yàn)品種、農(nóng)藝措施、土壤質(zhì)地等因素的不同造成，在今后的研究中仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。王振華等[26]認(rèn)為在新疆膜下滴灌條件下耕層處于脫鹽過程，脫鹽率逐漸升高，本試驗(yàn)中E處理0～40cm 含鹽量呈逐漸降低趨勢，這是由于在膜下滴灌條件下水分對鹽分的淋洗效果明顯，鹽分隨水運(yùn)移至土壤深層，體現(xiàn)鹽隨水動(dòng)的特性。覆蓋時(shí)間對土壤含鹽量的影響結(jié)果表明，A、B、C處理抑鹽效果不明顯，當(dāng)覆膜時(shí)長超過85 d時(shí)，覆膜的抑鹽作用才得以顯現(xiàn)，與CK 相比，E處理抑鹽效果最顯著。

圖4 2016年地膜覆蓋時(shí)間對棉田鹽分時(shí)空分布的影響Fig.4 Effect of plastic mulching duration on the temporal and spatial distribution of salt content in cotton field in 2016

圖5 2017年地膜覆蓋時(shí)間對棉田鹽分時(shí)空分布的影響Fig.5 Effect of plastic mulching duration on the temporal and spatial distribution of salt content in cotton field in 2017

3.2 地膜覆蓋時(shí)間對棉田土壤鹽分含量時(shí)空分布的影響

棉田土壤鹽分的時(shí)空分布主要受土面蒸發(fā)和植物蒸騰等作用的影響[27]。地膜覆蓋、灌水都能有效減少耕層土壤含鹽量，使鹽分下移。牟洪臣等[28]認(rèn)為，全生育期覆膜使棉花株間垂直方向0～40cm土層呈脫鹽狀態(tài)，鹽分在40～60cm土層逐漸增加，＞60cm土壤呈積鹽狀態(tài)。本試驗(yàn)結(jié)果中E處理2016年0～40cm土層含鹽量逐漸減少，40～80cm土層含鹽量逐漸增加，變化趨勢與其一致，這是由于地膜阻隔再加上多次滴灌使鹽分隨水分向深層土壤運(yùn)移；2017年覆膜85 d后0～80cm土層均呈脫鹽狀態(tài)，此結(jié)果要優(yōu)于牟洪臣等[28]的研究，雖然與灌水、降水等因素有關(guān)，但可以證明覆膜100 d的抑鹽效果與全生育時(shí)期覆膜相當(dāng)，甚至優(yōu)于全生育期覆膜。邵春琴[29]認(rèn)為，全生育期覆膜條件下20～80cm土層8月處于逐漸積鹽狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示鹽分在40～60cm處累積，這可能由于土壤孔隙度和灌水量不同等原因造成。張偉等[30]認(rèn)為土壤含鹽量在30～50cm處有峰值，2年間試驗(yàn)中最大含鹽量均出現(xiàn)在20～40cm的土層中，這是由于采用膜下滴灌技術(shù)使得土壤鹽分始終分布在浸潤體邊緣[31]。由于植物蒸騰等作用使得鹽分隨水進(jìn)行土壤中再分布，花鈴期過后停止灌水，各處理含鹽量均有上升。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，A、B、C處理覆膜時(shí)間較短使鹽分積聚于土壤表層，造成土壤次生鹽漬化，D、E處理能有效降低0～40cm土層含鹽量，改善棉花根區(qū)環(huán)境，對提高棉花產(chǎn)量具有重要意義。本研究僅在該地進(jìn)行了2年的試驗(yàn)，每個(gè)處理15 d進(jìn)行一次揭膜，得出覆膜時(shí)間在85～100 d時(shí)抑鹽效果最佳，但受試驗(yàn)條件的制約，具體覆蓋多長時(shí)間抑鹽效果最佳仍需借助模型等方法進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）該試驗(yàn)條件下鹽分累積在40～60cm土層，但隨著覆膜時(shí)間的增長，40～60cm土層含鹽量峰值隨之下降。

2）地膜覆蓋起到抑鹽的作用，覆膜時(shí)間在85～100 d時(shí)與全生育期覆膜在不同土壤深度中含鹽量無差異。