膜下滴灌棉田生物改良盐碱地效果研究

张艳超，史文娟，马 媛

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)

新疆地区气候干燥，地下水埋深浅且矿化度高，盐碱地及耕地盐渍化严重制约了当地的农业开发和持续发展[1-2]。生物改良盐碱地措施是指在盐碱地上直接或间作种植吸盐、耐盐和泌盐的植物，从而吸收土壤盐分，通过收割转移盐分，减少土面蒸发，改善土壤结构，达到改良盐碱地的目的[3-4]。相关研究[5-7]表明，碱蓬、盐角草、苜蓿、孜然、怪柳等植物具有较强的吸盐和耐盐能力。从直接种植盐生植物的角度来看，耐盐植物对盐碱土具有明显的生物改良效果。选择合适的植物类型是实现提高盐碱地生物改良效果的关键[8]。毛勇[9]研究发现，在盐碱地连续7年种植苜蓿，土壤pH值逐年呈下降趋势，第1年至第5年土壤脱盐效果明显，脱盐率为72.24%。任崴等[10]研究发现，种植耐盐禾木科牧草，0～40 cm土壤脱盐率可达67.3%，并可以在土壤中累积大量根系残体。穆哈西等[11]研究表明盐角草吸走土壤中的Na+、Cl-离子，土深20 cm处含盐量降低了0.26 g·kg-1。祁通等[12]通过滴灌条件下种植碱蓬和海蓬子，发现在0～20 cm范围土壤总盐含量、Na+、Cl-和K+离子浓度显著降低，但土壤pH值影响不明显。从间作盐生植物改良盐碱地的角度来看，Kilic等[13]人研究了马齿苋的最大耐盐量以及不同程度盐胁迫下马齿苋的脱盐效果，并提出了在盐碱地果园中间作种植耐盐性植物以改良土壤盐性的设想。王升等[14]对棉田间作碱蓬和盐角草的土壤脱盐效果进行了初步研究。罗廷彬等[15]研究发现冬小麦套播草木樨的种植方式，1 m土层脱盐率可达85.82%。由此可见，盐生植物的盐碱地改良效果显著，但有关盐生植物间作套种的盐碱地改良方式研究还相对较少。

膜下滴灌技术是目前新疆地区开发利用盐碱地的主要方式，但由于膜下滴灌技术只是给作物创造了适宜的生长环境，并不能去除土壤中的盐分，且随着种植年限的延长而加重，从而对膜下滴灌技术的可持续应用构成潜在的威胁。对比不同盐生植物的改良效果，选取合适的盐生植物，对盐碱地改良技术的发展、指导农田灌溉、实现作物高产以及治理盐碱地具有现实意义。

因此，本文拟将膜下滴灌技术和生物改良盐碱地技术相结合，通过在膜下滴灌棉田膜间种植一些耐盐较强的盐生植物，以探究间作条件下膜下滴灌棉田水盐动态及盐生植物对棉田的改良效果，为新疆膜下滴灌技术的可持续应用和盐碱地改良提供新思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区设在新疆巴音郭楞蒙古族自治州巴州重点灌溉试验站。试验站地处亚欧大陆中心，位于天山南麓塔里木盆地边缘孔雀河冲积平原带，海拔988～991 m，东经86°09′～86°10′，北纬41°35′～41°36′，地形总趋势为北高南低，属暖温带大陆性荒漠气候。多年降水量53.5～62.7 mm，蒸发量2 273～2 788 mm，平均气温10.7℃，年日照数3 036.2 h，风速2.4 m·s-1，无霜期144～241 d。灌溉水主要来自孔雀河，平均灌水矿化度为0.8 g·L-1。试验区土质以砂土和壤质砂土为主[16-17]。

1.2 试验内容与设计

棉花的播种日期为2015年5月3日，采用开沟、播种、覆膜的机械一体化播种模式。种植模式为一膜两管四行(见图1)，棉花株距为10 cm，灌水方式为膜下滴灌。灌溉定额为5250 m3·hm-2，第一次灌水间隔12 d，其它灌水周期约为5 d，首次灌水时间为2015年6月18日，灌水定额为300 m3·hm-2，以后每次灌水450 m3·hm-2，8月25日灌水结束，灌水次数为12次。滴灌带选用迷宫式滴头滴灌带，滴头间距为40 cm，流量为3.8 L·h-1。盐生植物的播种日期为2015年5月6日，试验共设4个处理，分别为在膜间间作盐生植物苜蓿(Ⅰ)、碱蓬(Ⅱ)、孜然(Ⅲ),以不间作为对照(CK)，每种处理重复3次。其中，苜蓿选用紫花苜蓿，碱蓬选用盐地碱蓬，孜然为新疆孜然王，三者的种植密度均为1.5 g·m-2，棉花品种为九华棉。试验布设如图1所示，每个小区面积为7 m×7 m，为避免相互影响，每两个小区之间设有缓冲区，其间距为1 m。根据设定的播种密度在膜下滴灌棉田的膜间进行人工撒播盐生植物种子的方式进行，播种后覆膜以保证种子萌发对水分的需求，待盐生植物长出2～3片子叶后将膜去掉。试验中施肥、间苗、除虫、除草、打顶等农艺操作均一致。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 取样点的选择 每个试验小区随机选择1个取样位置，取土时间选择在灌后取样。每个取样位置均在宽行、窄行、膜间的中间位置设定取样点，各点的取样深度分别为0、10、20、30、40、60、80、100 cm处。

1.3.2 测定项目及方法 土壤含水量采用烘干法(105℃，8～12 h)测定。土壤含盐量利用电导率仪(DDS-307)测定，土水比为1∶5。棉花生长特性指标通过选取具有代表性的内、外行棉花，用卷尺测量子叶节点至生长点间的距离为株高，用游标卡尺测量棉株茎粗，干物质量采用分类、杀青和烘干称重测得。每个处理在内、外行选取长势均匀并有代表性的植株，共采摘100朵籽棉，在65℃下烘72 h，测出平均每朵籽棉的重量；每个处理沿滴管带选取30株长势均匀的植株，测定各株棉花铃数，计算单株棉花平均铃数；根据各处理行的棉花株数和铃数计算不同处理棉花的籽棉产量。

图1 棉花种植模式和田间试验布置图Fig.1 Cotton planting mode and design of field experiment

本文以对照组为参考，引入保水率评价不同处理的保水效果，具体计算方法为

式中，C为保水率(%)；Cx为间作处理含水量(%)；C0为对照含水量(%)。

引入抑盐率评价盐生植物盐碱地改良效果，其计算公式为

式中，γ为抑盐率(%)；γx为间作处理积盐量(%)；γ0为对照积盐量(%)。

棉花耗水量采用水量平衡原理进行计算，即

ET=Pr+I+G-R-SI±ΔW

式中,ET为作物实际耗水量(mm)；Pr为降水量(mm)；I为灌水量(mm)；G为地下水补给量(mm)；R为地表径流量(mm)；SI为深层渗漏量(mm)；ΔW为土层土壤储水量的变化(mm)。由于试验所在地年降雨量稀少，基本可以忽略。试验期间，田间地下水埋深基本在3m左右且为膜下滴灌的灌水方式，基本上不产生深层渗漏和地表径流，即深层渗漏(G)和地表径流量(R)也可以忽略。

水分利用效率(WUE)计算公式为，

式中,Y为经济产量(kg·hm-2)；ET为耗水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 间作盐生植物条件下土壤水分变化特征研究

2.1.1 生育期内土壤含水量纵向分布 各处理除间作植物不同，其它条件均一致，通过计算各处理棉花生育期膜内和膜间土壤平均含水量，分析土壤垂直剖面含水量的变化情况，见图2所示。由图可知，膜内膜间含水量变化趋势相似，土壤含水量随深度的增加，呈现先增加后减少的趋势，40 cm左右为含水量峰值区间，这主要与灌后土壤水分的再分布和土面蒸发有关。同时，间作苜蓿(Ⅰ)、孜然(Ⅱ)和碱蓬(Ⅲ)的小区膜内、膜间土壤含水量平均值在0～60 cm深度均大于对照组(CK)。此外，与对照相比，间作盐生植物的各处理膜内膜间含水量差值明显缩小，说明膜间间作的盐生植物作为一种遮蔽物，有效地降低了膜间裸土水分的蒸发，使得土壤膜内膜间的土壤含水量差异缩小。

2.1.2 各处理保水效果分析 表1为各处理不同土层深度范围(0～40 cm和0～100 cm)棉花生育期土壤平均含水量。由表可知，各处理保水效果从高到低为：苜蓿>孜然>碱蓬>对照组(Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>CK)，这可能与间作盐生植物的覆盖面积有一定的关系。与对照组相比，间作苜蓿的处理在0～40 cm和0～100 cm土层土壤含水量分别提升了29.80%和27.54%。间作孜然的处理在0～40 cm和0～100 cm土层土壤含水量分别提升了14.49%和13.35%。可见，膜下滴灌条件下在膜间种植盐生植物，可以在一定程度上提高膜内、膜间的土壤含水量，尤其在0～40 cm深度，保水效果最为明显。

图2 生育期内土壤膜内膜间平均含水量纵向分布图Fig.2 Vertical distribution of average soil moisture content in below and between the plastic film during cotton growth period

处理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对照组(CK)No intercropping 9.8809.200间作苜蓿(Ⅰ)Intercropping with alfalfa12.8329.8011.7327.54间作孜然(Ⅱ)Intercropping with cumin11.3114.4910.4313.35间作碱蓬(Ⅲ)Intercropping with suaeda10.9410.7510.059.26

2.2 生物改良措施下土壤盐分变化特征研究

2.2.1 生育期内土壤含盐量纵向分布 图3为各处理棉花生育期内土壤平均含盐量的纵向分布。图中显示，各处理膜内土壤含盐量基本集中在0～60 cm的土层，呈现S型趋势。膜间土壤含盐量均高于膜内土壤含盐量，说明膜下滴灌可以减少膜内土壤的水分蒸发，抑制其盐分上移。膜间与膜内相比土壤含盐量差异明显缩小，由此可见膜间间作盐生植物有效地抑制了膜间土壤盐分的累积。膜内土壤盐分主要集中在30～40 cm深度，膜间土壤盐分主要累积在土层表面，间作苜蓿和碱蓬的处理与对照组相比膜间土壤含盐量在0～20 cm深度下降较快，这主要与这两种处理土壤的初始含盐量较高，较多的盐分随水分蒸发迁移至土壤表面导致盐分形成的趋势有关。

2.2.2 不同处理的土壤抑盐率分析 为了解不同处理的土壤脱盐效果，分别对各处理不同深度范围内含盐量平均值的初始值与生育期末值进行统计分析，具体结果见表2和表3。表中显示，因大田土壤存在一定的空间变异，各小区土壤盐分初始值存在较大差异，但从生育期末的土壤盐分看，所有间作盐生植物的小区积盐量与对照组相比均有一定程度的减少，间作苜蓿的小区在0～40 cm深度抑盐率达到了125%。从整体抑制盐分累积的效果看：苜蓿>孜然>碱蓬>对照组，这与保水效果顺序一致，即抑盐保水效果最好的为苜蓿作物。

由上述内容可知，土壤盐分随水迁移至土壤表面，尤其在膜间的裸土表面。在膜间种植盐生植物，相比于裸土减少了阳光照射的面积，从而在一定程度上降低了裸土表面水分的蒸发，所以对于盐分的累积有一定的抑制作用。此外，研究表明[4,6-7]，真盐生植物可以吸收土壤中的盐分作为养料，从而带走土壤中的一部分盐分；同时盐生植物还可以有效地改善土壤物理性质，使其容重下降，孔隙度提高，使得盐分的淋洗作用更强[9]。因此，膜下滴灌与间作盐生植物相结合，可以有效地抑制土壤盐分的累积，尤其在0～40 cm深度的范围内，给棉花根系营造一个相对合适的生长环境，有利于棉花植株的成长。

图3 生育期内土壤膜内膜间平均含盐量纵向分布图Fig.3 Vertical distribution of average soil salinity below and between the plastic film during cotton growth period

处理Treatment初始含盐量Initial soil salinity/(g·kg-1)生育期末土壤含盐量The final soil salinity/(g·kg-1)积盐量Salt accumulationamount/(g·kg-1)相对抑制量Relative desalinizationamount/(g·kg-1)抑盐率Ratio ofdesalinization/%对照组No intercropping1.745.423.6800间作苜蓿Intercropping with alfalfa4.373.45-0.924.6125间作孜然Intercropping with cumin3.034.121.092.5970.38间作碱蓬Intercropping with suaeda6.218.262.051.6344.29

表3 不同处理0～100 cm土层抑盐效果

2.3 生物改良措施下棉花生长特性研究

2.3.1 不同生物改良措施对棉花株高、茎粗和干物质的影响 图4为不同处理棉花株高、茎粗和干物质随着时间的变化。由图可知，棉花从苗期到蕾期株高、茎粗和干物质快速增长，从蕾期到铃期株高和茎粗增长缓慢，干物质继续增长，但增长速度相对较缓。间作苜蓿、孜然和碱蓬小区棉花的生长指标均大于对照组，且间作苜蓿和孜然处理的茎粗、株高和干物质指标均大于其它处理。这主要由于在棉花出苗以后，膜下滴灌在膜内给棉花创造了一个低盐多水的环境，而盐分主要累积在膜间土壤，对照组相比于间作盐生植物的处理，从7月开始，由于温度的不断升高，膜间两次灌水之间水分的流失相对较快，从而在一定程度上抑制了作物的生长，而间作盐生植物的处理由于其保水抑盐的效果，生长指标均高于对照组。

2.3.2 不同处理对棉花产量和耗水量的影响 棉花的产量和水分利用效率是衡量盐生植物改良效果的重要依据之一。本文在水分、温度、肥料和株型生长结构等因素相对统一的前提下，对间作不同盐生植物处理的棉田籽棉产量以及水分利用效率进行统计分析(见表4)。由表可知，对照组每株的平均铃数和籽棉产量均小于间作盐生植物的处理。且间作孜然、苜蓿和碱蓬的处理籽棉产量分别比对照提高了10.45%、7.74%和5.76%，但间作孜然、苜蓿和碱蓬处理的耗水量分别比对照组增加了6.93%、8.20%和16.18%，其水分利用效率除孜然处理比对照组提高了3.3%，苜蓿和碱蓬处理分别比对照组降低了0.40%和9.0%。说明间作盐生植物改良盐碱土可以起到抑盐促产的作用，但同时也可能会增加农田耗水量和降低水分利用效率。选择适宜的盐生植物，才能达到水分利用效率提高和盐碱地改良共赢的目的。

图4 生育期内棉花株高、茎粗和干物质的变化Fig.4 Changes of plant height, stem diameter, and dry matter during cotton growth period

处理Treatment平均单铃重/gMean single bollweight平均铃数Average bollnumber/(个·株-1)处理行株数Total plants ina row/株籽棉产量Cotton yield/(kg·hm-2)相对变化率Relative changerate/%耗水量Evapotranspiration/mm水分利用效率Water useefficiency/(kg·m-3)对照No intercropping5.7326.211224435.740454.210.976间作苜蓿Intercropping with alfalfa5.8086.451254779.177.74%491.440.972孜然间作Intercropping with cumin5.8886.451264899.1010.45%485.71.008间作碱蓬Intercropping with suaeda5.8096.381244691.045.76%527.680.889

3 结 论

(1)膜下滴灌棉田间作盐生植物的生物改良盐碱地方法，可以有效缩小膜间和膜内土壤剖面同一深度处的含水量差异，使土壤含水量峰值保持在40 cm深度左右。相比于对照组，间作苜蓿和孜然的保水效果较好，在0～40 cm深度范围内分别提升了29.80%和14.49%。

(2)间作盐生植物对膜间土壤盐分的累积起到了一定的抑制作用。其中，间作苜蓿和碱蓬的处理土壤含盐量在0～20 cm深度下降较为明显。从抑制盐分累积的作用看：苜蓿>孜然>碱蓬>对照组。

(3)膜下滴灌棉田间作盐生植物的处理其棉花生长特性和产量均高于对照组，其中以间作孜然和苜蓿处理的籽棉产量提升最高，分别提升10.45%和7.74%，但其总的耗水量也有所增加，其水分利用效率仅孜然处理的高于对照，苜蓿处理的与对照基本相同。

综上所述，膜下滴灌条件下，间作盐生植物选取孜然和苜蓿，在保水和抑制盐分累积的效果上较为突出，棉花的生长指标和水分利用效率较为理想。同时，在改善盐碱地的前提下，间作盐生植物还可以提高田间土地利用率，获得更多的经济效益。