“池-田”蓄引水模式改善環(huán)渤海棉田水鹽運移提高棉花產(chǎn)量

馮國藝，祁 虹，張 謙，雷曉鵬，梁青龍，王樹林，王 燕，董 明，劉 旭，杜海英，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)與遺傳育種重點實驗室，石家莊050051）

0 引 言

鹽堿地在世界多國廣泛分布，面積約為109hm2，占3%以上的陸地面積[1]。鹽堿地治理和改良是世界環(huán)境治理的一個重點內(nèi)容，其開發(fā)利用為解決社會與農(nóng)業(yè)發(fā)展中的爭地矛盾提供了一個重要途徑[2-3]。中國具有農(nóng)業(yè)開發(fā)利用潛力的濱海鹽堿地約占耕地面積的4%[4-5]，其合理開發(fā)利用成為穩(wěn)定種植面積、守住安全生產(chǎn)紅線的有力措施。中國環(huán)渤海地區(qū)一般年降水量在500 mm以上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)光熱水等資源較充裕，開發(fā)利用潛力巨大[6]。但是，環(huán)渤海地區(qū)氣候特點是降水周年分配不均：春季初夏降水少、蒸發(fā)大，鹽分大量表聚耕層；長期無降水加重干旱程度。夏季降水量大且單次降水多，導(dǎo)致農(nóng)田內(nèi)澇頻發(fā)[6]，嚴(yán)重阻礙正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。鹽堿地區(qū)植物正常生長發(fā)育受土壤鹽堿化影響嚴(yán)重[7-9]；如何實現(xiàn)環(huán)渤海鹽堿地鹽堿旱澇的綜合治理，成為高效開發(fā)利用環(huán)渤海鹽堿地資源的一個重要前提。

濱海鹽堿地鹽堿旱澇脅迫主要表現(xiàn)是土壤水分無效蒸發(fā)與潛水上升，地表返鹽和聚鹽[10-11]，作物春秋和初夏降水缺乏；雨季農(nóng)田排水不暢；以往學(xué)者多采用咸水結(jié)冰灌溉壓鹽、秸稈還田以及暗管排鹽等單一措施抑制潛水上升，促進(jìn)下行重力水的淋洗以及農(nóng)田排水，抑制返鹽和聚鹽，減緩內(nèi)澇，降低脅迫對植物的不利作用[12-15]。但單一農(nóng)藝改良措施受降水、氣溫等氣候影響顯著，在不同農(nóng)田中的改良效果差別較大，且土壤改良效果難以持久，鹽堿旱澇脅迫容易反復(fù)。濱海地區(qū)坑塘數(shù)量及儲水豐富[16]，可以利用坑塘改變?yōu)I海鹽堿地鹽堿旱澇狀況。已有“池-田”研究表明，抬高地面可有效降低農(nóng)田耕層鹽分，并可利用池塘進(jìn)行苦咸水養(yǎng)殖[17-18]，該模式下改良農(nóng)田面積較小，臺田春季干旱脅迫加重，池塘封閉，與周圍孤立，池塘水主要來自地下水礦化度高，不具備抗旱功能；筆者所在團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上，改造擴建池塘?xí)r形成臺田而且將周圍農(nóng)田通過排堿溝、溝渠與池塘相通，大量蓄積雨季降水，進(jìn)行旱季抗旱灌溉，形成生態(tài)調(diào)控池；并獨立構(gòu)建小型池塘，將周圍農(nóng)田的淺層地下水抽提蓄積進(jìn)行養(yǎng)殖，形成養(yǎng)殖池，提出“池-田”蓄引水模式[19]：即較大面積的生態(tài)調(diào)控池和面積較小的養(yǎng)殖池與臺田、淺層地下水抽提系統(tǒng)以及其他增墑抑鹽排堿農(nóng)藝措施構(gòu)成立體生態(tài)改良模式；該模式改良鹽堿地土壤的同時提高農(nóng)田通風(fēng)和排澇條件，為提高作物光合生產(chǎn)能力和產(chǎn)量提供便利條件。

棉花具有鹽堿耐受能力，常用做鹽堿地改良種植的先鋒作物[5]；同時棉花也是中國重要的經(jīng)濟作物，種植面積和產(chǎn)量分別占世界的1/6和1/4左右[20]；濱海鹽堿地植棉對于擴大中國糧食耕地種植面積具有重要意義[5]。環(huán)渤海地區(qū)海拔較低，池塘分布廣，數(shù)量多[16]，“池-田”蓄引水改進(jìn)模式應(yīng)用在濱海地區(qū)將越來越廣泛。本文研究旨在揭示“池-田”蓄引水模式對環(huán)渤海棉田水鹽運移規(guī)律及棉花光合生理及產(chǎn)量的影響，為高效開發(fā)利用濱海鹽堿地提供科學(xué)模式和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 “池-田”蓄引水模式

2014年在河北省滄州市海興縣國營海興農(nóng)場（38°21′N，117°31′E）建成濱海鹽堿地以“淺池-臺田”結(jié)合蓄引水的立體生態(tài)改良模式。模式選址為重度鹽堿地（4月下旬0～20 cm土層含鹽量為16.0～21.0 g/kg，pH值為 8.5～8.8，砂壤土）。傳統(tǒng)“池-田”模式中的池和田為各自獨立的孤立系統(tǒng)，無淡水引進(jìn)及地下水抽提系統(tǒng)，池塘水礦化度高，無灌溉功能，對周圍農(nóng)田地下水無明顯淡化影響?！皽\池-臺田”結(jié)合蓄引水模式基于傳統(tǒng)模式改進(jìn)為“養(yǎng)殖池+生態(tài)調(diào)控池+臺田+地下水抽提系統(tǒng)”：即較大面積的生態(tài)調(diào)控池（水面面積1.0 hm2）、面積較小的養(yǎng)殖池（水面面積不多于0.2 hm2）、淺層地下水抽提系統(tǒng)及修筑臺田（如圖 1所示）。具體建設(shè)方案如下：

1）生態(tài)調(diào)控池：深約3 m、長170 m、寬60 m，并通過溝渠與周圍農(nóng)田排堿溝及河流相連，進(jìn)行雨季淡水充分蓄。

2）養(yǎng)殖池：深度為 1.8 m，呈三角形，三邊長度分別為50、80和95 m，與生態(tài)調(diào)控池、排堿溝和淺層地下水抽提系統(tǒng)相連，進(jìn)行地下水或淡水補充。

3）臺田（A）：臺面寬60 cm、長160 m；建設(shè)方案為將地面耕層（地表約20 cm土層）去除堆積到一旁，之后在地面平鋪作物秸稈，壓實厚度約20 cm，將挖取池塘的土堆積平鋪的秸稈上，堆土抬高至約1.5 m，形成臺田，臺田剖面呈梯形，臺田四周斜坡與地面約呈50°夾角，之后將堆積的原耕層土壤均勻平鋪到臺田地表。

4）淺層地下水抽提棉田（B）：距生態(tài)調(diào)控池不超過100 m范圍內(nèi)棉田。距生態(tài)調(diào)控池50 m處棉田（非臺田）建立淺層地下水抽提系統(tǒng)，系統(tǒng)平行與生態(tài)調(diào)控池進(jìn)行設(shè)置布局，間距為100 m，抽提井深度為6 m，進(jìn)行日夜不間斷抽提淺層地下水，保持地下水位不低于2.5 m。抽提淺層地下水礦化度低于5.0 g/L時（常為夏秋季），排入生態(tài)調(diào)控池；高于5.0 g/L時（常為冬春季），排入養(yǎng)殖池。

5）抑鹽排澇棉田（C）：距生態(tài)調(diào)控池100～300 m內(nèi)棉田，每隔40 m修建1條排堿溝，排堿溝剖面呈倒梯形，上沿寬度約4 m，溝底寬約2 m，深約2.5 m，水網(wǎng)系統(tǒng)與生態(tài)調(diào)控池相聯(lián)，雨季將溝內(nèi)水排入生態(tài)調(diào)控池或河流。

圖1 環(huán)渤海鹽堿地“池-田”蓄引水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of “pools and raised-beds” system for storage and diversion of water in Bohai Rim saline-alkali land

A、B和C這3類棉田同時采用增墑抑鹽排澇農(nóng)藝措施，具體措施如下：1月5日前，對棉花秸稈進(jìn)行充分粉碎還田，粉碎后秸稈長度不超過2 cm，旋耕還田，旋耕土壤深度8～10 cm，秸稈與土壤充分混勻并鎮(zhèn)壓。1月5日－10日，對棉田進(jìn)行灌溉，利用池塘水或引進(jìn)河流水進(jìn)行充分灌溉，0～40 cm土壤耕層含水率達(dá)到田間持水量（25.6%）的86%～91%。3月10日－3月15日，對棉田進(jìn)行深翻。深翻前在棉田表層均勻撒施土壤改良劑。土壤改良劑由脫硫石膏（CaSO4.2H2O）和沸石（NaAlSi2O6·H2O）組成，質(zhì)量比為 3:2，施用量為18 t/hm2。深翻30～35 cm。沒有降雨條件下，1 d后利用特制的農(nóng)田碎土鎮(zhèn)壓平整器進(jìn)行鎮(zhèn)壓[21]，實現(xiàn)土壤0～5 cm表層緊實，耕層其余土壤均勻松散，無直徑超過3 cm的土塊；并且土地平整。播前用稀土硅鈣礦物質(zhì)和檸檬酸、聚馬來酸按濃度2:1:1進(jìn)行混勻攪拌，兌水稀釋 1 000倍，40～45 ℃浸種 12 h。雨季前在棉田垂直排堿溝每隔 30 m堆 1條土帶，長度為棉田寬度15～18 cm，寬度約10～12 cm，每隔10 m向排堿溝開設(shè)泄水口。

1.2 田間試驗設(shè)計及過程

試驗于2017－2018 年進(jìn)行。2 a降水及冬灌情況如表1所示。

表1 試驗田降水及冬灌情況Table 1 Precipitation and winter irrigation in experiment field

比較A、B、C這3類棉田水鹽運移及棉花生長情況，并以未進(jìn)行模式改良的棉田為對照（CK），揭示“池-田”蓄引水模式在改善水鹽運移及棉花生長狀況方面的優(yōu)勢。各棉田土質(zhì)為濱海鹽漬土，各棉田地形及 4月下旬地下水和土壤養(yǎng)分情況如表2所示。臺田（A）棉花播種時鋪設(shè)滴灌帶，滴灌帶（內(nèi)鑲式，內(nèi)徑16 mm，壁厚0.3 mm，貼片間隔30 cm，滴頭流量為2.5 L/h）鋪設(shè)在施肥溝正下方；棉花苗期和蕾期（5月和 6 月）土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測，視旱情利用生態(tài)調(diào)控；池水進(jìn)行膜下滴灌，灌水量約為525～690 m3/hm2。對照棉田（CK）采取傳統(tǒng)耕作栽培模式：播前進(jìn)行淺翻（深度約15 cm），播種時未進(jìn)行藥劑拌種，生育期內(nèi)無灌溉措施，棉田內(nèi)未進(jìn)行任何排水設(shè)置。

表2 環(huán)渤海鹽堿地“池-田”蓄引水模式棉田狀況Table 2 Status of cotton fields in “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water in Bohai Rim saline-alkali land

3種棉田類型及對照棉田其余農(nóng)藝操作相同，具體如下：前茬作物均為棉花，一年一熟制。2017年棉花品種為苗寶21，播種日期為4月24日、2018 年棉花品種為石抗126，播種日期為4月27日。2個品種播前發(fā)芽率均在85%以上，播種量為30 kg/hm2。搶墑播種。寬窄行為90 cm+45 cm覆膜形式，一膜兩行，在45 cm之間開通施肥溝。2 條種子溝深12 cm，進(jìn)行播種，覆土厚度為5 cm；施肥溝深15 cm，底施尿素180～300 kg/hm2、磷酸二銨240～300 kg/hm2、氯化鉀150～225 kg/hm2，保證化肥在土壤中深度不低于 10 cm，地膜為聚乙烯材質(zhì)，白色，膜厚0.008 mm，膜寬100 cm。出苗后及時定苗，留苗密度2017年為5.7萬株/hm2，2018年為6.6萬株/hm2?；ㄆ诜忭斍斑M(jìn)行中耕和除草。7月20日完成打頂，同時對生長過旺的葉枝也摘除頂尖?；ㄢ徠谝暯涤旰烷L勢進(jìn)行縮節(jié)胺調(diào)控1～2次，并追施1次尿素150 kg/hm2，簡化整枝和病蟲害防治等其他管理與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)措施相同。

1.3 取樣方法及項目測定方法

1.3.1 取樣方法

1）在棉花整個生育期（4－10月）研究水鹽運移規(guī)律，A處理取樣點為距生態(tài)調(diào)控池水平直線距離50 m處；B處理取樣點為距淺層地下水抽提系統(tǒng)和生態(tài)調(diào)控池水平直線距離均為50 m處； C處理取樣點設(shè)在距生態(tài)調(diào)控池水平直線距離150 m處；CK處理每隔50 m左右設(shè)置排水溝（上沿寬度約1.5 m，溝底寬約1 m，深約1 m）。

2）在棉花關(guān)鍵生育時期（6－10月的每個月下旬），在水鹽運移取樣點附近半徑約 35 m內(nèi)棉田進(jìn)行開展光合、產(chǎn)量等指標(biāo)測定。面積均大于0.3 hm2，各棉田土質(zhì)為濱海鹽漬土，取樣點均位于棉田中央。

1.3.2 測定方法

1）土壤水分、鹽分和pH值。

采樣時，將棉田深度200 cm土壤等分為10層，每月對各個土層中水分和鹽分進(jìn)行取土測定，每次取土2 h內(nèi)完成，每個棉田選 6個點測定。水分采用烘干法（105 ℃）測定。pH值與鹽分：測定時環(huán)境溫度保持在25 ℃（±1 ℃）左右。將土水按質(zhì)量比1:5配置成浸提液，利用PHS-3型pH酸度計測定pH值；DDS2307型電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)率值，按照相同地域換算公式（y=2.831 1x+0.293 2，y為鹽分，g/kg；x為電導(dǎo)率，mS/cm）[22]換算為含鹽量，g/kg。

2）群體光合速率：用 Li-820型紅外線 CO2分析儀（Li-cor，USA）采用同化箱法在田間直接測定。測定用同化箱高度6月測定為1.2 m，生育期其他月份為1.5 m，箱頂部和底部各放置 1臺小型風(fēng)扇用于混勻氣體，透明聚脂薄膜封閉形成閉路系統(tǒng)。測定群體光合速率時，選擇晴天光強穩(wěn)定在 1 200～1 400μmol/(m2·s)（09:00－11:00）時進(jìn)行。每次測定時間為60 s。不同處理采用輪回測定的方法。在測定同時，測定棉花群體結(jié)構(gòu)相近的地塊土壤呼吸以修正群體光合和群體呼吸的測定值。

3）凈光合速率測定：采用Li-6400便攜式光合作用系統(tǒng)（Li-cor，USA），選擇晴朗無云的天氣09:00－11:00。打頂前選取棉花主莖倒四葉、打頂后選取棉花主莖倒二葉測定，各棉田選3 個點，各點選取標(biāo)定15片葉。

5）葉面積指數(shù)：采用 LAI-2200 冠層儀（LI-Cor，USA）在清晨或傍晚無太陽光直射時測定。先將探頭水平放置于冠層上方測定，后將探頭水平放入群體內(nèi)測定，群體內(nèi)水平方向選擇冠層內(nèi)不同位置測量。

6）干物質(zhì)積累分配：在各個生育時期內(nèi)選代表性棉株分解后在105 ℃下殺青0.5 h，80 ℃烘至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量；用Logistic方程對光合物質(zhì)積累過程進(jìn)行模擬。

7）測產(chǎn)。各類棉田收獲前隨機選取3個面積為30 m2的取樣點，調(diào)查收獲株數(shù)和棉鈴數(shù)，折算出單株結(jié)鈴數(shù)和單位面積總鈴數(shù)。根據(jù)各類棉田取樣點實際收獲的平均籽棉產(chǎn)量折合計算單位面積的籽棉產(chǎn)量，kg/hm2。

各取樣點隨機選取窄行相鄰2行，每行混收10 棵，每取樣點隨機選取窄行相鄰2行，每行混收10 棵，統(tǒng)計鈴數(shù)；風(fēng)干測定樣本籽棉質(zhì)量，根據(jù)鈴數(shù)計算平均鈴質(zhì)量（g） ，3個取樣點平均鈴質(zhì)量求平均，得出各類型棉田的鈴質(zhì)量。

對每個取樣點樣品籽棉質(zhì)量（T）軋花后得到皮棉質(zhì)量（L），計算衣分：

式中Py為衣分，%；L取樣皮棉質(zhì)量，g；T為取樣籽棉質(zhì)量，g。3個取樣點衣分平均，得出各類型棉田衣分。

Up until now, many attempts have been conducted for the high output power of the GaSb based SDLs23. At present, the maximum CW output power of GaSb based SDLs emission at different wavelength has been listed in Fig. 3.

單位面積皮棉產(chǎn)量為籽棉產(chǎn)量與衣分的乘積，kg/hm2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件為SPSS 22.0分析，作圖軟件為SigmaPlot 10.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 “池-田”蓄引水模式棉田土壤水鹽運移特征

2.1.1 土壤水分時空變化特征

2017年和2018年不同類型棉田0～200 cm土層水分變化趨勢一致，故以2017年為例闡明土壤水分變化規(guī)律，見圖2。不同類型棉田土壤剖面水分從土壤表層起自上向下增高，各土層最低值出現(xiàn)在4－6月，峰值出現(xiàn)在7－8月。不同類型鹽堿棉田之間，CK棉田土壤水分最高，A棉田最低。棉花整個生育期4－10月之間，0～40 cm土層A和C棉田土壤含水率均低于20%，＞40～200 cm土層A棉田為16.2%～27.9%；C棉田為20.1%～34.1%；0～40 cm土層B棉田水分高于20%，0～200 cm土層B棉田土壤含水率為21.3%～29.9%，CK棉田為22.0%～34.6%。與CK對應(yīng)土層相比，臺田（A）土壤含水率降低13.0%～46.6%，B棉田降低1.9%～23.0%，C棉田降低0.3%～44.0%。

2.1.2 土壤鹽分時空變化特征

土壤鹽分是反映鹽堿化程度的重要指標(biāo)。對各類棉田0～200 cm土層鹽分測定表明，2017年和2018年趨勢一致，故以2017年為例，見圖3。除7－8月C和CK棉田外，不同類型棉田不同土層自上向下均為0～40 cm逐漸減小，之后逐漸增大。不同月份之間，4－6月最高，7－8月最低。不同棉田之間，CK棉田最高，A棉田最低，但與B棉田差異較小。棉花整個生育期4－10月之間，0～80 cm各土層A棉田含鹽量質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3.0 g/kg，B棉田在3.0 g/kg左右，C棉田低于5.0 g/kg，CK棉田高于5.0 g/kg；100～200 cm各土層A和B棉田其余土層均在5.0 g/kg左右。C和CK棉田含鹽量均高于5.0 g/kg。與CK棉田對應(yīng)土層相比，A棉田含鹽量降低 35.4%～77.6%，B棉田降低42.0%～73.1%，C棉田降低21.1%～43.9%。

圖2 2017年“池-田”蓄引水模式棉田土壤水分變化Fig.2 Change of soil moisture in cotton fields with “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water in Bohai Rim in 2017

圖3 2017年“池-田”蓄引水模式棉田土壤鹽分變化Fig.3 Change of salt content in cotton field with “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water in Bohai Rim in 2017

2.1.3 土壤pH值時空變化特征

各類棉田0～200 cm土壤pH值測定表明，2017年和2018年趨勢一致，故以2017年為例，見圖4。不同類型棉田不同土層自上向下0～40 cm土層先減小后增大。各土層最低值出現(xiàn)在7－8 月，峰值出現(xiàn)在9－10月。4－10月0～80 cm各土層A和B棉田均低于8.0，C棉田7－8月低于8.0，其他月份高于8.0；CK棉田各土層均高于8.0。100～200 cm各土層A棉田在7.41～8.76間，B棉田在7.49～8.76間，C棉田在7.49～9.20間，CK棉田在8.39～9.19間。與CK棉田對應(yīng)土層相比，0～80 cm土層A和B棉田pH值均顯著降低。

圖4 2017年“池-田”蓄引水模式棉田土壤pH值變化Fig.4 Changes of soil pH values in cotton fields with “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water in Bohai Rim in 2017

2.2 “池-田”蓄引水模式下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成

通過測產(chǎn)和籽棉實收表明（表3），環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式棉田產(chǎn)量顯著提高，籽棉產(chǎn)量A、B和C棉田分別超過了3 500、3 000和2 500 kg/hm2，較CK棉田分別提高了123.2%～164.6%、89.7%～136.5%和64.9%～96.6%。進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn)，“池-田”蓄引水模式下各類棉田及 CK棉田之間衣分均無顯著差異（P＞0.05），CK棉田收獲株數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量均處于最低水平。A和 B棉田收獲株數(shù)無顯著差異（P＞0.05）；與CK棉田相比，A和B棉田收獲株數(shù)提高26.1%～41.0%，A棉田單株鈴數(shù)提高40.9%～44.3%、單鈴質(zhì)量提高18.8%～26.8%，B棉田單株鈴數(shù)提高18.3%～27.1%、單鈴質(zhì)量提高25.1%～32.4%，C棉田收獲株數(shù)提高11.3%～18.5%，較A和B棉田少0.59～1.03 萬株/hm2；A～C棉田的單株鈴數(shù)提高 29.0%～38.6%、單鈴質(zhì)量提高11.9%～17.2%（P＜0.05）。

表3 環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式棉花產(chǎn)量及構(gòu)成Table 3 Yield and its components of cotton in Bohai Rim with “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water

2.3 “池-田”蓄引水模式棉田棉花光合特性

2.3.1 棉花葉面積及葉綠素含量

研究表明（圖5），各類棉田棉花葉面積指數(shù)和葉綠素SPAD值均先增大，出苗后120 d達(dá)到峰值之后開始下降；葉面積指數(shù)和葉綠素SPAD值差異明顯。A、B和 C棉田峰值較高，其中 A和 B棉田整個花鈴期（95～157 d）保持較高數(shù)值，葉綠素SPAD值保持高值更為明顯；C棉田生育前后期較低，上升和下降較為劇烈；CK棉田在整個生育期內(nèi)保持在較低范圍：葉面積指數(shù)為0.16～2.17，葉綠素SPAD值為23.3～39.8。與CK棉田相比，棉田A、B和C的葉面積指數(shù)分別提高125.3%～356.3%、106.3%～291.1%和42.1%～190.1%，葉綠素 SPAD值分別提高 25.4%～71.2%、19.6%～49.8%和7.7%～38.8%。

圖5 環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式棉花葉面積指數(shù)和SPADFig.5 Leaf area index and SPAD of cotton in Bohai Rim with“pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water

2.3.2 棉花凈光合速率及群體光合速率

各類棉田棉花冠層單葉及群體光合速率均先增大（圖6），出苗120 d時達(dá)到峰值之后開始下降；A、B和C棉田峰值較高，其中A和B棉田在整個花鈴期保持較高數(shù)值，C棉田生育前后期較低，上升和下降較為劇烈；CK棉田在整個生育期內(nèi)保持在較低范圍，單葉和群體光合速率分別為5.3～17.7和5.5～28.2μmol/(m2s)。與CK相比，A棉田單葉和群體光合速率分別高 116.1%～274.8%和27.5%～339.8%，B棉田分別高67.8%～210.0%和 20.9%～219.5%，C棉田分別高 45.6%～139.7%和18.1%～139.7%。

2.3.3 光合物質(zhì)積累

對模式下各類棉田測定分析表明（表4），CK棉田總光合物質(zhì)積累量小，光合物質(zhì)積累直線增長期開始時間和結(jié)束時間早，持續(xù)時間短，最大增長速率（Vmax）小，且出現(xiàn)時間早，物質(zhì)積累活躍期短。與CK相比，A棉田總光合物質(zhì)積累量增高 232.8%～269.0%，B棉田增高212.2%～250.8%，C棉田增高129.6%～153.2%。A和B棉田光合物質(zhì)積累直線增長期開始時間和Vmax及其出現(xiàn)時間無明顯差異，開始時間推遲了 8～11 d，Vmax提高29.4%～53.7%，出現(xiàn)時間推遲了27～28 d；C棉田開始時間推遲14～16 d，Vmax提高55.3～61.8 %，出現(xiàn)時間推遲22～23 d。A、B和C棉田直線增長期結(jié)束時間分別推遲了 48、43～44 和 30 d，持續(xù)時間分別延長 40、32～35 和15 d，物質(zhì)積累活躍期分別延長90～92、74～80和35 d。

圖6 環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式棉花單葉凈光合速率和群體光合速率變化Fig.6 Changes of net and canopy apparent photosynthesis rate of cotton in Bohai Rim with “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water

表4 環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式棉花光合物質(zhì)積累特征Table 4 Photosynthetic accumulation characteristics of cotton in Bohai Rim with “pools and raised-beds” mode of storage and diversion of water

3 討 論

3.1 環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式棉田水鹽運移規(guī)律

預(yù)計到2050年，50%以上的耕地會發(fā)生鹽堿化[23]，世界上受鹽度影響的土壤范圍有不斷擴大的趨勢[24]。鹽堿脅迫嚴(yán)重威脅著土地利用率和作物產(chǎn)量[25]。地下水位顯著影響濱海鹽堿地土壤水鹽運移情況[22,26]。本研究中，改造前生態(tài)調(diào)控池地下水和臺田、地下水抽提棉田距離原本為一體相通，改造后池塘蓄積水占據(jù)原來地下水位置，臺田和地下水抽提棉田距生態(tài)調(diào)控池距離較近，受池塘水低礦化度擴散作用影響，淺層地下水礦化度明顯下降，淺層地下水含鹽量在對照棉田為7.2 g/L的情況下，臺田降到6.0 g/L，地下水抽提棉田降到5.3 g/L（表2）。臺田提高地面，拉大了地下水位到耕層的距離，通過延長鹽分表聚距離，抑制要減少作物生長的耕層附近鹽分；臺田較高的海拔增強了降水、灌溉等措施的鹽分淋洗作用。淺層地下水抽提棉田采用的是通過抽提地下水降低水位的方法增大地下水位到耕層的距離，起到類似臺田抑制鹽分表聚的作用。有研究表明，地下水位大于1.2 m后，表土相對水分降低，其原因是地下水對土壤表層補給量隨地下水位增大而減少；當(dāng)?shù)叵滤怀^毛細(xì)管作用的臨界深度時，土壤表層將形成干土層[11]。而本研究中，地下水抽提棉田地下水位明顯下降，但 0～200 cm土層水分下降并不明顯，其中的重要原因是其與池塘處于同一水位，地下水抽提后促使池塘水大量補充地下水抽提棉田土壤水分，不僅土壤鹽分未明顯上升，而且為棉花正常生長發(fā)育提供了必要的水分。地下水抽提也具有高效的雨季排澇功能，防土壤水分與地下水相連時鹽分?jǐn)U散到耕層附近土壤。因此臺田和淺層地下水抽提棉田最為明顯；棉花生育期內(nèi)0～80 cm土層鹽分在3.0 g/kg左右，pH值低于 8.0，完全解除了鹽堿脅迫對棉花生長發(fā)育的影響。臺田在節(jié)水灌溉等農(nóng)藝措施的支持下，棉花光合生產(chǎn)優(yōu)勢明顯，鹽堿脅迫對秸稈還田等措施改善土壤有機質(zhì)情況干擾較少。淺層地下水抽提棉田較高的土壤水分有利于秸稈降解、改善土壤有機質(zhì)狀況[13]，土壤狀況的迅速改善進(jìn)一步促進(jìn)棉花光合生產(chǎn)和產(chǎn)量的提高?？梢娞Ц叩孛婧蜏\層地下水抽提實現(xiàn)了拉大地下水距耕層以及地表距離，使鹽分上升阻力加大。同時地下水礦化度變化也是影響棉田土壤鹽堿脅迫情況的重要因素。抑鹽排澇棉田由于距生態(tài)調(diào)控池較遠(yuǎn)，淺層地下水狀況沒有明顯改變，但是通過一定距離設(shè)置一定深度的排堿溝并與生態(tài)調(diào)控池和養(yǎng)殖池相連，春季返鹽高峰時一部分鹽分向排堿溝運移，棉田鹽分顯著下降，0～80 cm土層均低于5.0 g/kg；7－8月雨季時農(nóng)田內(nèi)排澇措施結(jié)合排堿溝形成的水網(wǎng)，實現(xiàn)了及時排澇，基本保證棉花的正常生長發(fā)育。臺田地勢較高，生態(tài)調(diào)控池水難以影響0～200 cm土層水分，0～40 cm土層含水率低于20%，無法滿足棉花生長發(fā)育需求，因此在需水關(guān)鍵生育期內(nèi)通過滴灌節(jié)水措施，生態(tài)調(diào)控池蓄積水源灌溉可以充分滿足棉花生產(chǎn)用水需求。本研究條件下，抑鹽排澇棉田土壤耕層鹽堿脅迫明顯改善，水分高于臺田，土壤水分能夠基本滿足棉花播種及苗期的需求，在雨季鹽堿脅迫進(jìn)一步解除，鹽堿改良效果十分明顯。

濱海鹽堿地土壤周年水鹽運移和 pH值同樣受降水情況的影響[22]。研究表明，環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式土壤水鹽和pH值均表現(xiàn)為峰值出現(xiàn)在4－6月（旱季），最低值出現(xiàn)在7－8月（雨季），9－10月（秋季）又上升。臺田和淺層地下水抽提棉田4－6月拉大地下水至地表的運移距離，同時增加了降水的停蓄時間，延長入滲過程，促進(jìn)離子交換、吸附和解析等作用[27]，這是土壤水分、鹽分和pH值顯著降低的較低原因。地下水抽提棉田同時利用池塘水蓄積雨季淡水的側(cè)向運動補充棉田水分，利用池塘水淡水資源形成低礦化度地下水，在非灌溉條件下實現(xiàn)產(chǎn)量提高[28]。抑鹽排澇棉田通過冬前造墑以及春季抑鹽措施緩解鹽堿脅迫，最大限度地實現(xiàn)棉花正常播種及出苗，其鹽堿脅迫的最大程度解除主要體現(xiàn)在7－8月：降雨大量淋洗鹽分并通過排堿溝排走鹽分。有研究表明，通過排堿溝排鹽技術(shù)，可將土壤中 45%～70%的鹽分排出[29]，水平方向排水避免鹽分下移在某一土層或地下水中富集現(xiàn)象的發(fā)生[30]。因此，排堿溝與生態(tài)調(diào)控池和養(yǎng)殖池聯(lián)通實現(xiàn)快速排水，是實現(xiàn)本模式鹽堿改良效果的必要條件之一。

3.2 “池-田”蓄引水模式棉田水鹽時空分布對棉花光合特性從影響

鹽脅迫迅速持久抑制光合作用，進(jìn)而間接影響生長[31]。研究表明，環(huán)渤海“池-田”蓄引水模式顯著影響棉花光合生產(chǎn)和產(chǎn)量。濱海鹽堿地土壤 4－6月臺田和地下水抽提棉田鹽堿脅迫顯著改善，苗期生長未受到明顯影響，收獲株數(shù)明顯提高，而抑鹽排澇棉田受到鹽堿脅迫明顯影響，收獲株數(shù)較小。研究表明，收獲株數(shù)臺田和地下水抽提棉田提高26.1%～41.0%；而抑鹽排澇棉田僅提高11.3%～18.5%，較臺田和淺層地下水抽提棉田少 0.59～1.03 萬株/hm2，這是限制抑鹽排澇棉田產(chǎn)量進(jìn)一步提高的主要因素之一。臺田和淺層地下水抽提棉田較低鹽分和pH值有利于葉片葉綠素含量提高，為產(chǎn)量提升提供了有利基礎(chǔ)[22]；而對照棉田雖然土壤水分較高，但較高的鹽分和pH對棉花產(chǎn)生離子傷害，并引起生理缺水，抑制葉片生長和葉綠素合成[32]。進(jìn)入7—8 月（雨季）后，環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式下各類棉田鹽分和 pH值顯著下降，鹽堿脅迫明顯解除，葉面積迅速增大，葉綠素含量顯著增加，光合速率明顯增高[33]，棉花表現(xiàn)出較強的光合生產(chǎn)能力和產(chǎn)量優(yōu)勢。而且臺田更為優(yōu)越的通風(fēng)排澇條件有利于產(chǎn)量提高。抑鹽排澇棉田營養(yǎng)生長增大尤為明顯，開花數(shù)和鈴數(shù)開始明顯增加；9－10月（秋季），土壤水分迅速下降，受鹽堿脅迫影響，光合速率明顯下降，導(dǎo)致單鈴質(zhì)量顯著下降，限制產(chǎn)量水平提高[34]。對照棉田在棉花整個生育期內(nèi)鹽堿脅迫程度較高，棉花光合能力弱，成鈴數(shù)少、單鈴質(zhì)量顯著下降，因此產(chǎn)量水平最低。

環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式土壤水鹽時空分布對棉花的影響還體現(xiàn)在光合物質(zhì)積累特征方面。鹽堿脅迫對光合生產(chǎn)進(jìn)程的不同影響導(dǎo)致光合物質(zhì)積累量差異明顯[35]，隨鹽堿程度降低而積累量顯著增加。對照棉田光合生產(chǎn)受鹽堿脅迫重，持續(xù)時間長，與光熱資源吻合度低，積累速率低[36]，快速積累持續(xù)時間短，因此積累量顯著降低，導(dǎo)致產(chǎn)量水平不高；抑鹽排澇棉田鹽堿脅迫在一段時期內(nèi)得到明顯解除，因此光合生產(chǎn)與光熱資源有一定吻合；臺田和地下水抽提棉田鹽堿脅迫得到解除，因此光合生產(chǎn)與光熱資源吻合度高，積累速率高，活躍期長，為高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，而且棉鈴發(fā)育充分，為皮棉產(chǎn)量提高提供了保障。

環(huán)渤?！俺?田”蓄引水模式改變了原有的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，打破了由氣候季節(jié)性變化與地下水礦質(zhì)化導(dǎo)致的旱澇鹽堿現(xiàn)象，立足當(dāng)?shù)佧}堿環(huán)境，開發(fā)利用降水資源，實現(xiàn)了鹽堿地立體改良模式，實現(xiàn)了排澇蓄水、減鹽增產(chǎn)、改善生態(tài)的良性循環(huán)，為改善土壤狀況提供有利條件，有力地促進(jìn)了棉花光合生產(chǎn)和產(chǎn)量的不斷提高。

4 結(jié) 論

1）“池-田”蓄引水模式受池塘對地下水礦化度的影響以及地下水位與地表拉大距離的作用，臺田和淺層地下水抽提棉田0～80 cm土層鹽分在3.0 g/kg左右，pH值低于8.0，其中臺田土壤水分、鹽分和pH值最低；抑鹽排澇棉田0～80 cm土層鹽分低于5.0 g/kg，7－8月鹽分更低，pH值低于8.0。

2）臺田和淺層地下水抽提棉田鹽堿脅迫在棉花整個生育期內(nèi)得到解除，利用生態(tài)調(diào)控池蓄積水源進(jìn)行灌溉或側(cè)滲補充土壤水分，光合生產(chǎn)指標(biāo)整個花鈴期保持較高數(shù)值，光合物質(zhì)積累情況較好，為實現(xiàn)濱海鹽堿地棉花高產(chǎn)提供充分條件；而臺田更為優(yōu)越的通風(fēng)排澇條件實現(xiàn)了產(chǎn)量更為顯著的提高，籽棉產(chǎn)量臺田超3 500 kg/hm2，淺層地下水抽提棉田超 3 000 kg/hm2。抑鹽排澇棉田在產(chǎn)量形成關(guān)鍵期7－8月的鹽堿程度顯著下降，光合性能顯著提高，光合生產(chǎn)和光熱資源吻合度較高，籽棉和產(chǎn)量超2 500 kg/hm2。

綜上，“池-田”蓄引水模式不同程度緩解環(huán)渤海鹽堿地鹽堿旱澇脅迫，有利于棉花光合生產(chǎn)，顯著提高棉花產(chǎn)量。由于試驗?zāi)晗掭^短，農(nóng)田尺度下水平方向水鹽運移影響因素較多，對于蓄引水后池塘水對周圍農(nóng)田地下水淡化以及土壤水分補充的作用機理還有待于進(jìn)行多年深入監(jiān)測研究。