膜下滴灌棉田生物改良鹽堿地效果研究

張艷超，史文娟，馬 媛

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

新疆地區氣候干燥，地下水埋深淺且礦化度高，鹽堿地及耕地鹽漬化嚴重制約了當地的農業開發和持續發展[1-2]。生物改良鹽堿地措施是指在鹽堿地上直接或間作種植吸鹽、耐鹽和泌鹽的植物，從而吸收土壤鹽分，通過收割轉移鹽分，減少土面蒸發，改善土壤結構，達到改良鹽堿地的目的[3-4]。相關研究[5-7]表明，堿蓬、鹽角草、苜蓿、孜然、怪柳等植物具有較強的吸鹽和耐鹽能力。從直接種植鹽生植物的角度來看，耐鹽植物對鹽堿土具有明顯的生物改良效果。選擇合適的植物類型是實現提高鹽堿地生物改良效果的關鍵[8]。毛勇[9]研究發現，在鹽堿地連續7年種植苜蓿，土壤pH值逐年呈下降趨勢，第1年至第5年土壤脫鹽效果明顯，脫鹽率為72.24%。任崴等[10]研究發現，種植耐鹽禾木科牧草，0～40 cm土壤脫鹽率可達67.3%，并可以在土壤中累積大量根系殘體。穆哈西等[11]研究表明鹽角草吸走土壤中的Na+、Cl-離子，土深20 cm處含鹽量降低了0.26 g·kg-1。祁通等[12]通過滴灌條件下種植堿蓬和海蓬子，發現在0～20 cm范圍土壤總鹽含量、Na+、Cl-和K+離子濃度顯著降低，但土壤pH值影響不明顯。從間作鹽生植物改良鹽堿地的角度來看，Kilic等[13]人研究了馬齒莧的最大耐鹽量以及不同程度鹽脅迫下馬齒莧的脫鹽效果，并提出了在鹽堿地果園中間作種植耐鹽性植物以改良土壤鹽性的設想。王升等[14]對棉田間作堿蓬和鹽角草的土壤脫鹽效果進行了初步研究。羅廷彬等[15]研究發現冬小麥套播草木樨的種植方式，1 m土層脫鹽率可達85.82%。由此可見，鹽生植物的鹽堿地改良效果顯著，但有關鹽生植物間作套種的鹽堿地改良方式研究還相對較少。

膜下滴灌技術是目前新疆地區開發利用鹽堿地的主要方式，但由于膜下滴灌技術只是給作物創造了適宜的生長環境，并不能去除土壤中的鹽分，且隨著種植年限的延長而加重，從而對膜下滴灌技術的可持續應用構成潛在的威脅。對比不同鹽生植物的改良效果，選取合適的鹽生植物，對鹽堿地改良技術的發展、指導農田灌溉、實現作物高產以及治理鹽堿地具有現實意義。

因此，本文擬將膜下滴灌技術和生物改良鹽堿地技術相結合，通過在膜下滴灌棉田膜間種植一些耐鹽較強的鹽生植物，以探究間作條件下膜下滴灌棉田水鹽動態及鹽生植物對棉田的改良效果，為新疆膜下滴灌技術的可持續應用和鹽堿地改良提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區設在新疆巴音郭楞蒙古族自治州巴州重點灌溉試驗站。試驗站地處亞歐大陸中心，位于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，海拔988～991 m，東經86°09′～86°10′，北緯41°35′～41°36′，地形總趨勢為北高南低，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候。多年降水量53.5～62.7 mm，蒸發量2 273～2 788 mm，平均氣溫10.7℃，年日照數3 036.2 h，風速2.4 m·s-1，無霜期144～241 d。灌溉水主要來自孔雀河，平均灌水礦化度為0.8 g·L-1。試驗區土質以砂土和壤質砂土為主[16-17]。

1.2 試驗內容與設計

棉花的播種日期為2015年5月3日，采用開溝、播種、覆膜的機械一體化播種模式。種植模式為一膜兩管四行(見圖1)，棉花株距為10 cm，灌水方式為膜下滴灌。灌溉定額為5250 m3·hm-2，第一次灌水間隔12 d，其它灌水周期約為5 d，首次灌水時間為2015年6月18日，灌水定額為300 m3·hm-2，以后每次灌水450 m3·hm-2，8月25日灌水結束，灌水次數為12次。滴灌帶選用迷宮式滴頭滴灌帶，滴頭間距為40 cm，流量為3.8 L·h-1。鹽生植物的播種日期為2015年5月6日，試驗共設4個處理，分別為在膜間間作鹽生植物苜蓿(Ⅰ)、堿蓬(Ⅱ)、孜然(Ⅲ),以不間作為對照(CK)，每種處理重復3次。其中，苜蓿選用紫花苜蓿，堿蓬選用鹽地堿蓬，孜然為新疆孜然王，三者的種植密度均為1.5 g·m-2，棉花品種為九華棉。試驗布設如圖1所示，每個小區面積為7 m×7 m，為避免相互影響，每兩個小區之間設有緩沖區，其間距為1 m。根據設定的播種密度在膜下滴灌棉田的膜間進行人工撒播鹽生植物種子的方式進行，播種后覆膜以保證種子萌發對水分的需求，待鹽生植物長出2～3片子葉后將膜去掉。試驗中施肥、間苗、除蟲、除草、打頂等農藝操作均一致。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 取樣點的選擇 每個試驗小區隨機選擇1個取樣位置，取土時間選擇在灌后取樣。每個取樣位置均在寬行、窄行、膜間的中間位置設定取樣點，各點的取樣深度分別為0、10、20、30、40、60、80、100 cm處。

1.3.2 測定項目及方法 土壤含水量采用烘干法(105℃，8～12 h)測定。土壤含鹽量利用電導率儀(DDS-307)測定，土水比為1∶5。棉花生長特性指標通過選取具有代表性的內、外行棉花，用卷尺測量子葉節點至生長點間的距離為株高，用游標卡尺測量棉株莖粗，干物質量采用分類、殺青和烘干稱重測得。每個處理在內、外行選取長勢均勻并有代表性的植株，共采摘100朵籽棉，在65℃下烘72 h，測出平均每朵籽棉的重量；每個處理沿滴管帶選取30株長勢均勻的植株，測定各株棉花鈴數，計算單株棉花平均鈴數；根據各處理行的棉花株數和鈴數計算不同處理棉花的籽棉產量。

圖1 棉花種植模式和田間試驗布置圖Fig.1 Cotton planting mode and design of field experiment

本文以對照組為參考，引入保水率評價不同處理的保水效果，具體計算方法為

式中，C為保水率(%)；Cx為間作處理含水量(%)；C0為對照含水量(%)。

引入抑鹽率評價鹽生植物鹽堿地改良效果，其計算公式為

式中，γ為抑鹽率(%)；γx為間作處理積鹽量(%)；γ0為對照積鹽量(%)。

棉花耗水量采用水量平衡原理進行計算，即

ET=Pr+I+G-R-SI±ΔW

式中,ET為作物實際耗水量(mm)；Pr為降水量(mm)；I為灌水量(mm)；G為地下水補給量(mm)；R為地表徑流量(mm)；SI為深層滲漏量(mm)；ΔW為土層土壤儲水量的變化(mm)。由于試驗所在地年降雨量稀少，基本可以忽略。試驗期間，田間地下水埋深基本在3m左右且為膜下滴灌的灌水方式，基本上不產生深層滲漏和地表徑流，即深層滲漏(G)和地表徑流量(R)也可以忽略。

水分利用效率(WUE)計算公式為，

式中,Y為經濟產量(kg·hm-2)；ET為耗水量(mm)。

2 結果與分析

2.1 間作鹽生植物條件下土壤水分變化特征研究

2.1.1 生育期內土壤含水量縱向分布 各處理除間作植物不同，其它條件均一致，通過計算各處理棉花生育期膜內和膜間土壤平均含水量，分析土壤垂直剖面含水量的變化情況，見圖2所示。由圖可知，膜內膜間含水量變化趨勢相似，土壤含水量隨深度的增加，呈現先增加后減少的趨勢，40 cm左右為含水量峰值區間，這主要與灌后土壤水分的再分布和土面蒸發有關。同時，間作苜蓿(Ⅰ)、孜然(Ⅱ)和堿蓬(Ⅲ)的小區膜內、膜間土壤含水量平均值在0～60 cm深度均大于對照組(CK)。此外，與對照相比，間作鹽生植物的各處理膜內膜間含水量差值明顯縮小，說明膜間間作的鹽生植物作為一種遮蔽物，有效地降低了膜間裸土水分的蒸發，使得土壤膜內膜間的土壤含水量差異縮小。

2.1.2 各處理保水效果分析 表1為各處理不同土層深度范圍(0～40 cm和0～100 cm)棉花生育期土壤平均含水量。由表可知，各處理保水效果從高到低為：苜蓿>孜然>堿蓬>對照組(Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>CK)，這可能與間作鹽生植物的覆蓋面積有一定的關系。與對照組相比，間作苜蓿的處理在0～40 cm和0～100 cm土層土壤含水量分別提升了29.80%和27.54%。間作孜然的處理在0～40 cm和0～100 cm土層土壤含水量分別提升了14.49%和13.35%。可見，膜下滴灌條件下在膜間種植鹽生植物，可以在一定程度上提高膜內、膜間的土壤含水量，尤其在0～40 cm深度，保水效果最為明顯。

圖2 生育期內土壤膜內膜間平均含水量縱向分布圖Fig.2 Vertical distribution of average soil moisture content in below and between the plastic film during cotton growth period

處理Treatment0～40 cm含水量平均值/%Average soil moisture保水率/%Water retention rate0～100 cm含水量平均值/%Average soil moisture保水率/%Water retention rate對照組(CK)No intercropping 9.8809.200間作苜蓿(Ⅰ)Intercropping with alfalfa12.8329.8011.7327.54間作孜然(Ⅱ)Intercropping with cumin11.3114.4910.4313.35間作堿蓬(Ⅲ)Intercropping with suaeda10.9410.7510.059.26

2.2 生物改良措施下土壤鹽分變化特征研究

2.2.1 生育期內土壤含鹽量縱向分布 圖3為各處理棉花生育期內土壤平均含鹽量的縱向分布。圖中顯示，各處理膜內土壤含鹽量基本集中在0～60 cm的土層，呈現S型趨勢。膜間土壤含鹽量均高于膜內土壤含鹽量，說明膜下滴灌可以減少膜內土壤的水分蒸發，抑制其鹽分上移。膜間與膜內相比土壤含鹽量差異明顯縮小，由此可見膜間間作鹽生植物有效地抑制了膜間土壤鹽分的累積。膜內土壤鹽分主要集中在30～40 cm深度，膜間土壤鹽分主要累積在土層表面，間作苜蓿和堿蓬的處理與對照組相比膜間土壤含鹽量在0～20 cm深度下降較快，這主要與這兩種處理土壤的初始含鹽量較高，較多的鹽分隨水分蒸發遷移至土壤表面導致鹽分形成的趨勢有關。

2.2.2 不同處理的土壤抑鹽率分析 為了解不同處理的土壤脫鹽效果，分別對各處理不同深度范圍內含鹽量平均值的初始值與生育期末值進行統計分析，具體結果見表2和表3。表中顯示，因大田土壤存在一定的空間變異，各小區土壤鹽分初始值存在較大差異，但從生育期末的土壤鹽分看，所有間作鹽生植物的小區積鹽量與對照組相比均有一定程度的減少，間作苜蓿的小區在0～40 cm深度抑鹽率達到了125%。從整體抑制鹽分累積的效果看：苜蓿>孜然>堿蓬>對照組，這與保水效果順序一致，即抑鹽保水效果最好的為苜蓿作物。

由上述內容可知，土壤鹽分隨水遷移至土壤表面，尤其在膜間的裸土表面。在膜間種植鹽生植物，相比于裸土減少了陽光照射的面積，從而在一定程度上降低了裸土表面水分的蒸發，所以對于鹽分的累積有一定的抑制作用。此外，研究表明[4,6-7]，真鹽生植物可以吸收土壤中的鹽分作為養料，從而帶走土壤中的一部分鹽分；同時鹽生植物還可以有效地改善土壤物理性質，使其容重下降，孔隙度提高，使得鹽分的淋洗作用更強[9]。因此，膜下滴灌與間作鹽生植物相結合，可以有效地抑制土壤鹽分的累積，尤其在0～40 cm深度的范圍內，給棉花根系營造一個相對合適的生長環境，有利于棉花植株的成長。

圖3 生育期內土壤膜內膜間平均含鹽量縱向分布圖Fig.3 Vertical distribution of average soil salinity below and between the plastic film during cotton growth period

處理Treatment初始含鹽量Initial soil salinity/(g·kg-1)生育期末土壤含鹽量The final soil salinity/(g·kg-1)積鹽量Salt accumulationamount/(g·kg-1)相對抑制量Relative desalinizationamount/(g·kg-1)抑鹽率Ratio ofdesalinization/%對照組No intercropping1.745.423.6800間作苜蓿Intercropping with alfalfa4.373.45-0.924.6125間作孜然Intercropping with cumin3.034.121.092.5970.38間作堿蓬Intercropping with suaeda6.218.262.051.6344.29

表3 不同處理0～100 cm土層抑鹽效果

2.3 生物改良措施下棉花生長特性研究

2.3.1 不同生物改良措施對棉花株高、莖粗和干物質的影響 圖4為不同處理棉花株高、莖粗和干物質隨著時間的變化。由圖可知，棉花從苗期到蕾期株高、莖粗和干物質快速增長，從蕾期到鈴期株高和莖粗增長緩慢，干物質繼續增長，但增長速度相對較緩。間作苜蓿、孜然和堿蓬小區棉花的生長指標均大于對照組，且間作苜蓿和孜然處理的莖粗、株高和干物質指標均大于其它處理。這主要由于在棉花出苗以后，膜下滴灌在膜內給棉花創造了一個低鹽多水的環境，而鹽分主要累積在膜間土壤，對照組相比于間作鹽生植物的處理，從7月開始，由于溫度的不斷升高，膜間兩次灌水之間水分的流失相對較快，從而在一定程度上抑制了作物的生長，而間作鹽生植物的處理由于其保水抑鹽的效果，生長指標均高于對照組。

2.3.2 不同處理對棉花產量和耗水量的影響 棉花的產量和水分利用效率是衡量鹽生植物改良效果的重要依據之一。本文在水分、溫度、肥料和株型生長結構等因素相對統一的前提下，對間作不同鹽生植物處理的棉田籽棉產量以及水分利用效率進行統計分析(見表4)。由表可知，對照組每株的平均鈴數和籽棉產量均小于間作鹽生植物的處理。且間作孜然、苜蓿和堿蓬的處理籽棉產量分別比對照提高了10.45%、7.74%和5.76%，但間作孜然、苜蓿和堿蓬處理的耗水量分別比對照組增加了6.93%、8.20%和16.18%，其水分利用效率除孜然處理比對照組提高了3.3%，苜蓿和堿蓬處理分別比對照組降低了0.40%和9.0%。說明間作鹽生植物改良鹽堿土可以起到抑鹽促產的作用，但同時也可能會增加農田耗水量和降低水分利用效率。選擇適宜的鹽生植物，才能達到水分利用效率提高和鹽堿地改良共贏的目的。

圖4 生育期內棉花株高、莖粗和干物質的變化Fig.4 Changes of plant height, stem diameter, and dry matter during cotton growth period

處理Treatment平均單鈴重/gMean single bollweight平均鈴數Average bollnumber/(個·株-1)處理行株數Total plants ina row/株籽棉產量Cotton yield/(kg·hm-2)相對變化率Relative changerate/%耗水量Evapotranspiration/mm水分利用效率Water useefficiency/(kg·m-3)對照No intercropping5.7326.211224435.740454.210.976間作苜蓿Intercropping with alfalfa5.8086.451254779.177.74%491.440.972孜然間作Intercropping with cumin5.8886.451264899.1010.45%485.71.008間作堿蓬Intercropping with suaeda5.8096.381244691.045.76%527.680.889

3 結 論

(1)膜下滴灌棉田間作鹽生植物的生物改良鹽堿地方法，可以有效縮小膜間和膜內土壤剖面同一深度處的含水量差異，使土壤含水量峰值保持在40 cm深度左右。相比于對照組，間作苜蓿和孜然的保水效果較好，在0～40 cm深度范圍內分別提升了29.80%和14.49%。

(2)間作鹽生植物對膜間土壤鹽分的累積起到了一定的抑制作用。其中，間作苜蓿和堿蓬的處理土壤含鹽量在0～20 cm深度下降較為明顯。從抑制鹽分累積的作用看：苜蓿>孜然>堿蓬>對照組。

(3)膜下滴灌棉田間作鹽生植物的處理其棉花生長特性和產量均高于對照組，其中以間作孜然和苜蓿處理的籽棉產量提升最高，分別提升10.45%和7.74%，但其總的耗水量也有所增加，其水分利用效率僅孜然處理的高于對照，苜蓿處理的與對照基本相同。

綜上所述，膜下滴灌條件下，間作鹽生植物選取孜然和苜蓿，在保水和抑制鹽分累積的效果上較為突出，棉花的生長指標和水分利用效率較為理想。同時，在改善鹽堿地的前提下，間作鹽生植物還可以提高田間土地利用率，獲得更多的經濟效益。