高分子多孔隙無紡布在鹽堿地治理中的應(yīng)用研究

王亞娟，唐鵬飛，張鳳華，董麗松，楊慧麗

(1. 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2. 新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003；3. 中國(guó)農(nóng)科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130000)

【研究意義】鹽漬土作為我國(guó)最主要的中低產(chǎn)田的土壤類型之一，是我國(guó)最重要的后備耕地資源，土壤中的鹽分含量過高直接影響土壤結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水導(dǎo)氣和供水供肥的能力，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，改造治理以及合理開發(fā)利用這些鹽漬土，可以擺脫耕地資源不足的困境，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一[1-3]。新疆氣候干旱，降雨稀少，土壤鹽漬化嚴(yán)重，土地鹽漬化是制約綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素[2]。土壤鹽分表聚是土壤發(fā)生鹽漬化的重要因素，土壤中過量的鹽分可以引起土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的改變，從而導(dǎo)致大部分農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境退化。通過地面覆蓋，能夠減少地面蒸發(fā)，降低土壤鹽分在表層的積累，防止土壤返鹽，促進(jìn)灌溉脫鹽[4-5]，因此，覆蓋也成為改良鹽堿地的一個(gè)重要措施。【前人研究進(jìn)展】覆蓋措施指利用化學(xué)、物理和生物物質(zhì)覆蓋農(nóng)田的表面使其對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生有益作用的栽培方式[6]，包括秸稈覆蓋、生草覆蓋、有機(jī)肥覆蓋、鹽生或耐鹽植物直接種植覆蓋以及兩種或多種覆蓋措施結(jié)合的方法，對(duì)鹽漬土的鹽分調(diào)控及改良具有明顯的作用[7-8]。研究表明，地面覆蓋(秸稈覆蓋和地膜覆蓋)下作物耕層水、鹽運(yùn)動(dòng)的分布情況，指出與無覆蓋措施相比較，秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能有效減少棵間蒸發(fā)，起到蓄水保墑作用，影響土壤鹽分分布[9-12]。目前，關(guān)于地面覆蓋措施的研究主要集中在秸稈覆蓋和地膜覆蓋等方面，但是傳統(tǒng)的地面覆蓋鹽分依然滯留在土壤中，無紡布是由纖維網(wǎng)制造成的布狀材料，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有疏松多孔、透氣、透光、保溫、易降解等特點(diǎn)[13-15]，覆蓋在地表其多孔性和表面極性更有利于鹽分從土壤中結(jié)晶析出，并將鹽分富集于其孔隙和表面，可將鹽分隨無紡布帶離土體?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以無覆蓋為對(duì)照，分析無紡布覆蓋后土壤水、鹽動(dòng)態(tài)變化，探究無紡布在保水、抑鹽方面的效果?！緮M解決關(guān)鍵問題】此研究結(jié)果以期為無紡布的應(yīng)用和土壤鹽漬化的防治提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)選擇了兩塊不同程度的鹽堿地，試驗(yàn)地一種植作物為棉花(本底含鹽量1.03 %～1.05 %)，采用膜下滴灌；試驗(yàn)地二種植作物為枸杞(本底含鹽量2.10 %～2.60 %)，采用滴灌技術(shù)。試驗(yàn)區(qū)一位于新疆石河子墾區(qū)石總場(chǎng)四分廠(N44.44124°，E086.01379°)，該區(qū)域?yàn)楦呔暥鹊貐^(qū)典型的溫帶大陸性氣候，降雨稀少，氣候干燥，年平均氣溫6.6 ℃，年降水量平均180 mm，蒸發(fā)量1600 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2784 h，無霜期年平均166 d，≥0 ℃積溫3918 ℃；試驗(yàn)區(qū)二位于新疆昌吉州瑪納斯縣北五岔鎮(zhèn)(N44.52609°，E86.31563°)進(jìn)行，該區(qū)域土壤鹽堿嚴(yán)重，干旱缺水，屬中溫帶大陸性半干旱半荒漠氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，年蒸發(fā)量1967.9 mm，年降水量121.8 mm，蒸發(fā)量大于降水量，無霜期平均151 d，全年平均日照時(shí)數(shù)為2765.9 h，熱量豐富(表1)。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of soil at the experimental field

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇滌綸無紡布，由江蘇江陰市杲信生物材料公司生產(chǎn)，由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所提供(表2)。

表2 試驗(yàn)材料Table 2 Test materials

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)一、二均采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，以無覆蓋作為對(duì)照，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)前用五點(diǎn)取樣法采集試驗(yàn)地一、二的本底樣品。試驗(yàn)一覆蓋于棉花膜間裸地，覆蓋前平整行間裸地，覆蓋物緊貼地膜邊緣且與土壤緊密結(jié)合，覆蓋后隨即澆透水使行間滴灌水痕相接，每個(gè)小區(qū)面積4.8 m2(0.4 m×12 m)，覆蓋期間未滴水，試驗(yàn)二覆蓋于枸杞地行間裸地，具體覆蓋措施與試驗(yàn)一相同，每個(gè)小區(qū)面積1.2 m2(0.4 m×3 m)，覆蓋期間未滴水。

1.4 樣品采集與測(cè)定方法

中、重度鹽堿地在間隔相同的時(shí)間內(nèi)采集土壤樣品，采樣點(diǎn)選在無紡布覆蓋下的中間區(qū)域，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)點(diǎn)的采樣深度均為100 cm，分5層，即 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，相同取樣深度混合土樣采用“四分法”，保留1 kg，土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，置于通風(fēng)、陰涼、干燥的室內(nèi)風(fēng)干，過1 mm 的篩孔以供進(jìn)行和鹽分和Na+含量等相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，保證取樣前7 d內(nèi)勿大水澆灌。

土壤含水率的測(cè)定：質(zhì)量烘干法；土壤總鹽含量的測(cè)定：采用殘?jiān)娓煞?；Na+含量采用離子色譜儀測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)處理的指標(biāo)數(shù)據(jù)采用3次重復(fù)的測(cè)定平均值，運(yùn)用SigmaPlot 12.5、Excel 2013、SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 滌綸無紡布覆蓋下土壤含水率的變化

圖1顯示，在中度、重度鹽堿地作物行間裸地覆蓋高分子多孔隙滌綸無紡布后土壤含水率的變化。無紡布覆蓋中度鹽堿地后，在0～20 cm土層，與CK相比，各處理土壤含水率分別增加13.71 %、17.47 %、19.43 %；在20～40和40～60 cm土層中，PET1、PET2和PET3無紡布覆蓋下的土壤含水率之間差異不大，但均高于CK；在60～80和80～100 cm土層，各覆蓋處理下的土壤含水率與CK相比差異不大；在0～60 cm土層，覆蓋下各處理的土壤含水率均隨著土層深度的增加而增加，在40～60 cm土層達(dá)到最大，60～100 cm呈下降趨勢(shì)，但均高于對(duì)照。無紡布覆蓋重度鹽堿地后，在0～20 cm土層，含水率分別較CK增加11.28 %、15.06 %、27.18 %；在0～80 cm土層，覆蓋下土壤含水率均隨著土層深度的增加而增加，60～80 cm達(dá)到最大值，80～100 cm土層又有所降低。在中、重度鹽堿地覆蓋無紡布，各處理下的土壤含水率均呈現(xiàn)出PET3>PET2>PET1>CK的趨勢(shì)，綜合比較，以滌綸PET3無紡布的保水效果最好。

圖1 滌綸無紡布覆蓋對(duì)中度及重度鹽堿地土壤含水率的影響Fig.1 Effect of PET mulch on soil moisture content in moderate and severe saline-alkali soils

2.2 滌綸無紡布覆蓋下土壤含鹽量的變化

圖2顯示，在中、重度鹽堿地作物行間裸地覆蓋滌綸無紡布后土壤含鹽量剖面分布情況，各處理鹽分含量變化趨勢(shì)不一、差異顯著(P<0.05)。在0～20 cm土層，土壤表現(xiàn)為積鹽狀態(tài)，土壤含鹽量呈現(xiàn)出：CK>PET1>PET2>PET3，依次為6.96、5.61、5.58、5.31 g/kg；在20～40 cm 土層，各處理土壤全鹽含量分別較CK下降1.10、1.20、1.99 g/kg，土壤含鹽量呈現(xiàn)出與0～20 cm 土層相同的趨勢(shì)，依次為5.35、4.25、4.14、3.35 g/kg；在40～100 cm 土層，各處理土壤全鹽含量分別較CK下降0.77、0.41、0.43 g/kg；在0～100 cm 土層，土壤全鹽含量依次為4.04、3.10、3.29、3.07 g/kg，與CK相比分別下降0.93、0.74、0.97 g/kg，以PET3無紡布覆蓋下土壤鹽分含量下降最多。

圖2 滌綸無紡布覆蓋對(duì)中度及重度鹽堿地土壤含鹽量的影響Fig.2 Effects of PET mulching on soil salinity in moderate and severe saline-alkali soils

無紡布覆蓋重度鹽堿地后，隨著土層深度的增加土壤含鹽量呈下降趨勢(shì)，在0～20 cm土層，各處理土壤含鹽量依次為18.94、13.62、12.97、11.37 g/kg；在20～40 cm 土層，各處理土壤全鹽含量分別較CK下降5.33、6.21、7.58 g/kg；在40～100 cm土層，各處理土壤全鹽含量依次為10.77、10.23、9.84、9.50 g/kg；在0～100 cm土層，土壤全鹽含量依次為12.20、10.85、10.47、10.32 g/kg，各處理含鹽量分別較CK下降1.36、1.73、1.88 g/kg；整體來看，無紡布覆蓋下土壤全鹽含量呈現(xiàn)CK>PET1>PET2>PET3，以PET3無紡布覆蓋下鹽分含量下降最大。

2.3 滌綸無紡布覆蓋下土壤鹽平衡分析

為了進(jìn)一步說明在中度及重度鹽堿地作物行間裸地覆蓋高分子多孔隙無紡布后土壤的脫鹽情況，對(duì)覆蓋下各處理的土壤全鹽含量進(jìn)行鹽平衡分析。表3顯示，在中度鹽堿地覆蓋無紡布后0～60 cm土層土壤的脫鹽效果。在0～20 cm土層，各處理的土壤的脫鹽率依次為46.83 %、47.07 %、49.69 %，分別較CK高11.91 %、12.06 %、14.68 %，各處理與CK相比均呈顯著性差異(P<0.05)；20～40 cm土層，各處理與CK相比均呈脫鹽狀態(tài)，其土壤脫鹽率分別較CK高23.49 %、25.70 %、42.69 %；在40～60 cm 土層，其鹽分積累程度依次為CK>PET2>PET3>PET1，這一現(xiàn)象與無紡布覆蓋后減少水分蒸發(fā)和抑制鹽分的垂向運(yùn)移密切相關(guān)；在0～60 cm土層， 覆蓋下各處理的土壤脫鹽率依次為28.01 %、26.59 %、33.51 %，分別較CK高18.19 %、16.77 %、23.69 %。在中度鹽堿地上覆蓋無紡布后，以PET3覆蓋下土壤的脫鹽率最高，整體來看，脫鹽效果依次為PET3>PET2>PET1>CK。

表3 中度鹽堿地0～60 cm土層脫鹽效果Table 3 Desalination effect of 0-60 cm soil layer on moderate saline-alkali soil

表4顯示，在重度鹽堿地作物行間裸地覆蓋無紡布后0～60 cm土層土壤的脫鹽效果。在0～20 cm土層，覆蓋下各處理土壤脫鹽率依次為48.54 %、51.86 %、57.04 %，分別較CK高20.13 %、23.45 %、28.63 %，各處理與CK相比均呈顯著性差異(P<0.05)；在20～40 cm土層，覆蓋下各處理土壤脫鹽率分別較CK高36.17 %、22.30 %、21.17 %，各處理間差異顯著；在40～60 cm土層，以PET2無紡布覆蓋下土壤脫鹽率最高，其次為PET1；在0～60 cm土層，與CK相比，無紡布覆蓋下土壤均呈脫鹽狀態(tài)，其脫鹽率依次為37.17 %、39.02 %、40.06 %，分別較CK高19.36 %、21.21 %、22.25 %，整體來看，在重度鹽堿地作物行間裸地覆蓋高分子多孔隙滌綸無紡布，以PET3無紡布的脫鹽率最高，脫鹽效果依次為PET3>PET2>PET1>CK。

表4 重度鹽堿地0～60 cm土層脫鹽效果Table 4 Desalination effect of 0-60 cm soil layer in severe saline-alkali soil

2.4 滌綸無紡布覆蓋下土壤Na+含量變化

表5顯示在中度鹽堿地棉田膜間覆蓋無紡布后0～60 cm土層Na+含量的變化，在0～20 cm土層中，土壤中的Na+含量依次為3.96、2.57、2.41、2.21 g/kg，與試驗(yàn)前相比，Na+含量依次下降14.29 %、44.37 %、47.84 %、52.16 %，與CK相比，均呈顯著性差異(P<0.05)；在20～40 cm土層中，Na+含量較CK分別下降10.30 %、9.88 %、14.17 %，PET3無紡布覆蓋處理下Na+含量下降最多，其中，PET1和PET2覆蓋處理下Na+含量無顯著差異；在40～60 cm土層中，Na+含量與試驗(yàn)前相比有所增加，這與鹽分含量的變化趨勢(shì)相同，但與CK相比，覆蓋下各處理Na+含量的積累均小于CK；在0～60 cm土層中，無紡布覆蓋均能不同程度地降低土壤中的Na+含量，其中，以PET3無紡布覆蓋處理下Na+含量下降最多，為29.42 %，Na+含量下降幅度依次為PET3>PET2>PET1>CK。

表5 中度鹽堿地0～60 cm土層Na+含量Table 5 Desalination effect of 0-60 cm soil layer on moderate saline-alkali soil

表6顯示在重度鹽堿地作物行間裸地覆蓋無紡布后0～60 cm土層Na+含量的變化，在0～20 cm土層中，土壤中的Na+含量依次為13.69、11.18、10.62、9.82 g/kg，與試驗(yàn)前相比，Na+含量依次下降8.43 %、25.22 %、28. 96 %、34.31 %，與CK相比，均呈顯著性差異(P<0.05)；在20～40 cm土層中，除CK外，覆蓋下各處理Na+含量與試驗(yàn)前相比均呈下降趨勢(shì)，分別較CK下降21.08 %、23.90 %、25.18 %；在40～60 cm土層中，與試驗(yàn)前相比，各處理土壤Na+含量下降不大，但與CK相比均呈顯著差異；在0～60 cm土層中，各處理Na+含量下降幅度依次為PET3>PET2>PET1>CK，其中，以PET3無紡布覆蓋處理下Na+含量下降最多，為22.78 %。

表6 重度鹽堿地0～60 cm土層Na+含量Table 6 Desalination effect of 0-60 cm soil layer on moderate saline-alkali soil

3 討 論

在鹽堿地作物行間裸地人為鋪設(shè)與原地面物理性質(zhì)不同的高分子多孔隙無紡布作為地面延伸介質(zhì)，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，無紡布覆蓋能夠減少表層土壤水分的蒸發(fā)，提高覆蓋下土壤含水率，以0～40 cm土層效果顯著，覆蓋后，給土壤表面增加了水分蒸發(fā)阻滯層，該阻滯層越厚，對(duì)土壤水分蒸發(fā)的阻滯作用越明顯，控制土壤水分損失的效果也就越顯著。其保水效果隨著無紡布厚度的增加而提高。有研究表明，在土壤表面覆蓋無紡布顯著抑制了土壤水分蒸發(fā)，并且抑制效果隨著無紡布覆蓋高度的增加而提高，單位面積克重越大，厚度也越大，孔隙度就越小，水蒸氣的透過性也就越差[16-17]。覆蓋層的存在可以增加或減少太陽(yáng)輻射的反射率,增加熱量和水汽傳輸?shù)淖杩筟18]，通過地面覆蓋可有效減少棵間蒸發(fā)、改善土壤的水鹽分布情況、促進(jìn)作物生長(zhǎng)[19-21]。高鵬程等人的研究證明：對(duì)于同一土壤含水量處理，在同一時(shí)間，所有覆蓋處理(秸稈覆蓋、地膜覆蓋、鋪沙等)的土壤水分蒸發(fā)量均小于對(duì)照，說明覆蓋對(duì)土壤水分的保持是有一定效果的，他們認(rèn)為這是由于覆蓋給土壤表面設(shè)置了一層物理阻隔，切斷了蒸發(fā)面與下層土壤的毛管聯(lián)系，減弱了土壤空氣與大氣之間的亂流交換強(qiáng)度，從而有效地抑制了土壤水分蒸發(fā)，達(dá)到保水的目的[22]。在地面設(shè)立一個(gè)擋水層或多孔覆蓋物，相當(dāng)于在土壤和大氣環(huán)境之間增加了一個(gè)物理阻隔層，改變其下土壤的能量狀況，能有效地減少土壤水分蒸發(fā)[23-25]。

無紡布覆蓋能夠有效減少地面水分蒸發(fā)散失，降低表層土壤與深層土壤之間的水勢(shì)梯度，由于鹽隨水走，因此有效抑制了鹽分隨水分的垂向運(yùn)移，能夠有效防止鹽分向土壤表層積累。

膜間是土壤水分和鹽分變化最劇烈的區(qū)域，在中度鹽堿地棉田膜間覆蓋無紡布，改善了耕作層土壤的水鹽分布，為棉花的生長(zhǎng)提供了良好的水鹽環(huán)境。在重度鹽堿地覆蓋無紡布，由于其本底含鹽量較高，故重度鹽堿條件下無紡布的脫鹽效果較中度鹽堿地效果顯著，其脫鹽效果均隨著無紡布克重的增加而提高。地面覆蓋是干旱、干旱地區(qū)改良鹽堿地的重要措施之一，關(guān)于覆蓋減少水分蒸發(fā)、抑制鹽分表聚的研究也多有報(bào)道[27-28]。覆蓋秸稈、鋪砂、施用PAM和壓實(shí)等措施均可以增加土壤含水率、抑制鹽分的垂向遷移、降低鹽分在作物根系層的積累程度[29]。無紡布的多孔性及表面極性更有利于鹽分從水中結(jié)晶析出，并富集于無紡布的孔隙及表面，使其脫離土體，無紡布吸附鹽分的同時(shí)，將土壤中的Na+等一些鹽基離子也隨之帶離土體。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上因作物種類不同、生育期特性不同、育苗或遮陰等用途不同所需的無紡布種類亦有所不同，然而類似的問題在無紡布的生產(chǎn)過程中并沒有得到重視，因此，達(dá)不到專用的定位[30]，本文通過在鹽堿地上覆蓋不同克重的滌綸無紡布，探究其在保水抑鹽方面的效果，為無紡布的應(yīng)用和土壤鹽漬化的防治提高方法參考。

4 結(jié) 論

(1)無覆蓋措施相比，在鹽堿地上覆蓋滌綸無紡布能夠減少地表蒸發(fā)，提高土壤含水率，具有保水性，其保水性隨著滌綸無紡布克重的增加而提高。

(2)在鹽堿地覆蓋無紡布后，降低了表層土壤與深層土壤之間的水勢(shì)梯度，抑制了鹽分隨水分的垂向運(yùn)移，能夠有效防止鹽分向土壤表層積累。無紡布的多孔性和表面極性有利于鹽分從水中結(jié)晶析出，將鹽分富集于材料帶離土體，使土壤Na+含量也有所下降。

(3)在鹽堿地覆蓋無紡布的脫鹽效果與土壤的本底含鹽量有關(guān)，重度鹽堿條件下無紡布的脫鹽效果較中度鹽堿地效果顯著。