微咸水灌溉條件下土壤殘膜對棉花出苗率與土壤鹽分影響研究

朱 珠，姚寶林，李 男，蔡桂香，韓其晟

（1.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)453002；2.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾843300）

南疆地處西北干旱區(qū)，水資源匱乏，其中農業(yè)用水比例占總用水的95%左右。為了保證生態(tài)用水、工業(yè)用水及生活用水供給，必須實現(xiàn)農業(yè)用水比例的負增長。新疆咸水資源豐富，作為農業(yè)灌溉用水的補充，是緩解南疆農業(yè)水資源不足的重要角色。棉花作為南疆一種高度耐旱耐鹽的主要種植經(jīng)濟作物，咸水灌溉是南疆高效節(jié)水發(fā)展的一個重要方向。目前關于咸水灌溉已有諸多研究成果[1-3]，張俊鵬和董元杰[4，5]等研究發(fā)現(xiàn)棉花苗期是對鹽分最敏感的生育階段，但是適度的微咸水苗期灌溉并不會造成棉花出苗率降低，相反適宜的微咸水灌溉還能促進棉花根系的生長[6]。MIN 等[7]發(fā)現(xiàn)新疆干旱半干旱區(qū)咸水滴灌的灌溉水電導率適宜值為4 610 μS/cm，當灌溉水電導率值為8 040 μS/cm 時，棉花產量明顯降低。微咸水之所以影響棉花生長，主要原因是由于其含有的鹽分對土壤中原有離子濃度造成影響，進而導致棉花生長狀況受到影響。王澤林[8]針對不同礦化度水灌溉開展試驗，研究結果表明，隨著灌溉水礦化度增大，0～20 cm土壤中陽離子由Ca2+逐漸向Mg2+和K+變化，陰離子由SO42-和HCO3-逐漸向Cl-變化。楊春霞等[9]研究認為Cl-、SO42-、Na+和Ca2+是造成土壤次生鹽漬化的主要離子。覆膜滴灌是南疆棉花的主要種植模式，常年覆膜滴灌的耕作模式導致土壤中有大量的殘余薄膜，嚴重影響了南疆棉花產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。不同于咸水灌溉改變土壤化學成分，土壤殘膜主要是改變土壤的物理組成結構，阻礙土壤水分入滲，降低土壤比熱容，造成土壤板結，進而導致土壤鹽漬化程度加重[11-15]。目前，專家學者針對微咸水灌溉和土壤殘膜危害的影響研究諸多，但是結合微咸水灌溉與土壤殘膜對作物生長和土壤鹽分的影響少見報道。本文依據(jù)生產實際，開展微咸水灌溉條件下土壤殘膜對棉花出苗率和土壤電導率、鹽分離子的影響研究，分析影響棉花出苗和土壤鹽分的主要影響因子。闡述灌溉水電導率和土壤殘膜對棉花出苗率、土壤電導率和土壤鹽分離子的影響規(guī)律，以期為農膜殘留棉田微咸水資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆阿拉爾市塔里木大學水利與建筑工程學院節(jié)水灌溉試驗基地（北緯40°20'47"～41°47'18"，東經(jīng)79°22'33"～81°53'45"），屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，氣候干燥，蒸發(fā)量大，降水量稀少；年降水量40.1～82.5 mm，年蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm[16]。

土壤為砂壤土，屬氯化物—硫酸鹽類土。表層0～30 cm土壤田間持水率θs22.69%[17]，土壤初始電導率為1 132 μS/cm，鹽度為0.07%，TDS 為568 mg/L，CO32-為0.035 g/kg，HCO3-為0.351 g/kg，Cl-為1.109 g/kg，SO42-為1.861 g/kg，Ca2+為0.196 g/kg，Mg2+為0.097 g/kg，Na+為2.259 g/kg，K+為0.142 g/kg。

1.2 試驗設計

2020年7月于塔里木大學現(xiàn)代農業(yè)工程重點實驗室開展試驗。采用四因素三水平正交盆栽試驗（表1）。共9 個處理，每個處理設置3個重復。以土壤殘膜量（土壤殘膜取自大田土壤中殘膜，洗凈，晾干，配置不同水平[18]）、灌水控制下限（以田間持水率θs為依據(jù)）、土壤容重及灌溉水電導率（以NaCl配置不同水平）為影響因素，探討在微咸水灌溉條件下，不同殘膜量對棉花出苗率、土壤電導率、土壤離子的影響。取節(jié)水灌溉試驗基地表層0～30 cm 原狀風干土，過2 mm 土篩，按照不同容重與土壤殘膜量裝入花盆中，花盆高80 mm，直徑100 mm。按照試驗方案灌水栽種，置于RTOP 系列智能人工培養(yǎng)箱，設置兩個光照時段，12 h 光照，12 h 黑暗；溫度25 ℃，濕度控制在60%左右。供試棉花品種為新陸中52號。

表1 試驗方案Tab.1 The scheme of the experiment

1.3 測定項目與方法

出苗率統(tǒng)計：第7 d 開始測定棉花出苗率，出苗率（%）=正常出苗的種子數(shù)/栽種種子數(shù)×100%；土壤EC 值測定方法：DDSJ-308A 電導率儀測定；土壤CO32-與HCO3-離子濃度測定方法：雙指示劑滴定法；土壤Cl-離子濃度測定方法：AgNO3滴定法；土壤SO42-、Ca2+和Mg2+離子濃度測定方法：EDTA 容量法；土壤Na+和K+離子濃度測定方法：火焰光度計法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

Origin2020數(shù)據(jù)分析與作圖，DPS進行Duncan新復極差法方差分析。

2 結果與分析

2.1 微咸水灌溉條件下不同殘膜量對出苗率的影響

種植第7 d 開始測定出苗率，每間隔兩天測定一次，直至第15 d 以后出苗率達到穩(wěn)定值。由圖1可知，T2 處理在第7 d至第11 d 出苗率最高，平均出苗率為66.7%；第13 d至第15 d時，T1 處理出苗率最高，平均出苗率為88.9%。T3 處理、T5處理和T6處理出苗率相近，第11天后T5處理的平均出苗率比T3 處理高9.17%，這是由于在容重相同的情況下，T3 處理雖然沒有殘膜影響出苗率，但灌溉水電導率對出苗率的影響凸顯出來。T6處理相對于T3處理和T5處理，出苗率較低，是由于雖然灌水控制下限達到田間持水量，但殘膜與灌溉水電導率的綜合影響降低了出苗率。T4 處理和T8 處理出苗緩慢，至第11 d開始出苗。綜合分析，T1處理、T2處理和T5處理出苗率較高，T4處理、T7處理和T8處理出苗率較低，平均出苗率最高僅達到33.3%。綜上所述，殘膜量與灌溉水電導率增加會降低棉花出苗率。

分析4 個因子對有效出苗率的單因素影響，由圖2所示，土壤中殘膜量增加會顯著降低棉花的出苗率（P＜0.01）；殘膜量240 kg/hm2處理的有效出苗率比殘膜量0 kg/hm2處理降低31.7%，殘膜量480 kg/hm2處理比殘膜量0 kg/hm2處理降低48.8%；雖然土壤殘膜量240 kg/hm2處理出苗率高于殘膜量480 kg/hm2處理，但兩種殘膜量處理間不存在顯著差異。隨灌溉水電導率增加，有效出苗率降低，灌溉水電導率值2500 μS/cm 處理有效出苗率顯著高于3 800 μS/cm 處理與5 200 μS/cm處理（P＜0.05），平均有效出苗率由72.2%降低至40.7%。雖然隨著灌溉定額增加，出苗率由50%增加至59.3%，但是3 個灌水量水平間不存在顯著差異（P＞0.05）。同樣土壤容重因子3個水平間不存在顯著差異性，容重1.3 g/cm3處理和容重1.4 g/cm3處理平均有效出苗率高于容重1.5 g/cm3處理5.5%。

采用極差分析法判別各因素對出苗率影響作用的順序及達到出苗率最大時的因素水平組合方案。如表2所示，對出苗率的影響作用，殘膜量因子＞灌溉水電導率因子＞灌水控制下限因子＞容重因子，因此土壤殘膜量與灌溉水電導率是影響出苗率的主要因素。而出苗率達到最大值時的最優(yōu)因子組合為A1B3C1D1，即殘膜量0 kg/hm2，灌水控制下限至田間持水量，容重1.3 g/cm3，灌溉水電導率2 500 μS/cm組合處理。

表2 正交試驗結果分析Tab.2 Analysis of orthogonal test results

2.2 微咸水灌溉條件下不同殘膜量對土壤鹽分的影響

微咸水中含有鹽分和各種化學物質，隨灌溉而進入土壤，從而影響土壤鹽分變化。分析在微咸水灌溉條件下，土壤殘膜量、灌水控制下限、土壤容重和灌溉水電導率對土壤電導率和離子濃度變化的影響。

分析各因素對土壤電導率的影響，如圖3所示，隨殘膜量增加，土壤電導率值增加。無殘膜處理平均土壤電導率值顯著低于有殘膜處理。殘膜量240 kg/hm2處理的土壤平均電導率值比殘膜量0 kg/hm2處理增加23.2%，殘膜量480 kg/hm2處理比殘膜量0 kg/hm2處理增加29.7%。灌水控制下限與土壤電導率呈正相關關系，是由于隨著灌水量增加，灌溉水帶入土壤中的鹽分增加。土壤容重與土壤電導率呈負相關關系。隨灌溉水電導率增加土壤電導率呈顯著增加趨勢，灌溉水礦化度5 200 μS/cm 處理平均土壤電導率值較3 800 μS/cm 處理增加13.1%，較2 500 μS/cm處理增加46.7%。

CO32-不受灌溉和殘膜影響，在試驗前后均沒有測定出CO32-含量。由表3和表4可知，T1、T2 和T5 處理土壤中，Na+、K+與Ca2+含量顯著小于其他處理，是由于T1處理和T2處理沒有殘膜影響，T1 處理和T5 處理灌溉水電導率為2 500 μS/cm，且T1、T2 和T5 處理土壤電導率值也較低。T8 處理較其他處理，土壤殘膜量最多，灌溉水電導率值最高，其土壤中Na+、K+和Cl-含量顯著高于其他處理，SO42-含量低于其他處理，陰離子由SO42-向Cl-轉化。其出苗率較低，出苗緩慢，是因為，土壤中Na+和Cl-含量過多容易破壞土壤團聚體的穩(wěn)定性，引起土壤分散、膨脹，土壤孔隙減少，滲透性降低，并引起植物其他營養(yǎng)失調[20]。T9處理土壤中，K+、Ca2+和SO42-含量較高，Mg2+含量較低，可能是因為殘膜量和灌溉水量增加的影響作用。T1、T2 和T3 無殘膜處理土壤HCO3-含量顯著高于其他處理，T7、T8 和T9 處理，殘膜量為480 kg/hm2，土壤HCO3-含量顯著低于其他處理。

表3 各處理土壤陽離子差異顯著性檢驗 g/kgTab.3 Significance test of soil cation difference in each treatment

表4 各處理土壤電導率和陰離子差異顯著性檢驗Tab.4 Significance test of soil conductivity and soil anion difference in each treatment

各處理間土壤電導率存在顯著差異。土壤初始電導率為1 132 μS/cm，T1 處理經(jīng)過5 次灌溉后平均土壤電導率只增加2.4%，T5 處理增加16.6%，T2 處理增加29.9%，T9 處理增加50.4%，T7 處理增加51.7，T3 處理增加61.6%，T4 處理增加71.5%，T6處理增加97.3%，T8處理增加108.7%。綜合出苗率分析可知，在無殘膜土壤中，灌溉水電導率3 800 μS/cm 是棉花生長可接受的灌溉水鹽度；在殘膜土壤中，土壤殘膜量240 kg/hm2，灌溉水電導率2 500 μS/cm 是棉花生長可接受的灌溉水鹽度。

3 討 論

南疆棉田殘膜逐年增加已成為不爭的事實。殘留在土壤中的塑料薄膜，填充鑲嵌于土壤較大孔隙中，降低團聚體之間的非毛管孔隙數(shù)量，致密土粒間距，增加土壤容重，惡化土壤通透性，致使土壤板結[21]。棉花種子在殘膜土壤中出苗緩慢，當棉苗伸展至殘膜處，無法破土而出，導致棉苗在土壤中腐爛，降低棉花出苗率，土壤殘膜是影響棉花出苗率的最大影響因子。研究結果還表明，隨著灌溉水電導率增加，土壤鹽分累積，抑制棉花出苗，降低棉花出苗率，與葉盛蘭[22]等研究結果一致。當土壤殘膜量增加，殘膜阻斷孔隙連續(xù)性，破壞土壤團聚體結構，減小孔隙度增加入滲阻力，抑制水和溶質在土壤中運移，加之灌溉水和灌溉水鹽分增加[13]，土壤在殘膜處顯著積鹽，增加土壤電導率，阻礙棉苗根系生長和吸收土壤養(yǎng)分。不同殘膜量、灌水控制下限、土壤容重和土壤電導率對土壤鹽分離子存在極顯著或顯著的影響，土壤殘膜和灌溉水電導率增加使土壤鹽害離子含量增加，特別是Na+和Cl-過度積累，增強土壤中碳酸氫鈉等鹽類水解，增加土壤堿度，致使土壤顆粒分散結構惡化。重視殘膜源頭治理和使用可降解膜是解決殘膜危害的重要途徑，而適宜的灌溉水鹽度對棉花出苗率和土壤鹽分含量的影響較小，南疆農膜殘留棉田資源化利用微咸水是可行的，但長期利用微咸水灌溉的影響研究需深入。本研究采用盆栽試驗，棉苗根系生長受到限制，且與大田土壤氣候環(huán)境還存在差異，但研究結果可為大田試驗研究提供基礎。

4 結 論

本文通過培養(yǎng)箱模擬光照與溫濕度條件，開展微咸水灌溉條件下土壤殘膜對棉花出苗率和土壤電導率、鹽分離子的影響規(guī)律。通過Duncan 新復極差法方差分析影響棉花出苗和土壤鹽分的主要影響因子和各因子不同水平的影響差異性，確定達到最高出苗率的最優(yōu)方案。闡述灌溉水電導率和土壤殘膜對棉花出苗率、土壤電導率和土壤鹽分離子的影響規(guī)律。

（1）土壤殘膜量與灌溉水電導率是影響棉花出苗率的主要因素。殘膜量大，灌溉水電導率高，棉花出苗緩慢，有效出苗率低；零殘膜量，灌溉水電導率低，出苗快，有效出苗率高。對棉花出苗率的影響作用中，殘膜量＞灌溉水電導率＞灌水控制下限＞容重，綜合確定出苗率達到最大值時的最優(yōu)因子組合為殘膜量0 kg/hm2，灌水控制下限至田間持水量，容重1.3 g/cm3，灌溉水電導率2 500 μS/cm組合處理。

（2）殘膜量、灌水控制下限和灌溉水電導率與土壤電導率值呈正相關關系，土壤容重與土壤電導率值呈負相關關系。減少土壤殘膜量，減小灌溉水電導率是降低土壤鹽分的有效途徑。在無殘膜土壤中，灌溉水電導率3 800 μS/cm 是棉花生長可接受的灌溉水鹽度；在殘膜土壤中，土壤殘膜量240 kg/hm2，灌溉水電導率2 500 μS/cm 是棉花生長可接受的灌溉水鹽度。

（3）方差分析結果表明，無殘膜、灌溉水電導率低的處理，土壤中Na+、K+與Ca2+含量顯著小于其他處理。土壤殘膜量多，灌溉水電導率高，其土壤中Na+、K+和Cl-含量顯著高于其他處理。殘膜量和灌溉水量增加使K+、Ca2+和SO42-含量增加，Mg2+含量較低。無殘膜土壤HCO3-含量高，殘膜量為480 kg/hm2處理的土壤HCO3-含量顯著低于其他處理。