膜下滴灌棉田間作鹽生植物改良鹽堿地效果

王升，王全九，周蓓蓓，吳軍虎，史文娟，羅小東

（1.西安理工大學(xué)水資源研究所，陜西 西安710048；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；3.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410125）

新疆鹽堿土的總面積為2.1814×107hm2，占全國(guó)鹽堿土（9.913×107hm2）面積的22.01%［1］，鹽堿地資源的利用、鹽漬化耕地的改良，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中很有必要性。

在對(duì)鹽堿脅迫的長(zhǎng)期耐受性和適應(yīng)過程中鹽生植物形成了不同的適應(yīng)策略，國(guó)內(nèi)外已開展了較多鹽生植物耐鹽堿機(jī)理的研究［2-6］。近年來，利用生物措施改良鹽堿地的研究和應(yīng)用不斷深入，在鹽堿地中直接種植耐鹽植物（或作物），進(jìn)行常規(guī)灌溉管理，在植物根系和水向下運(yùn)動(dòng)的共同作用下，將土體鹽分隨根系向下推移［1，7-8］，并通過鹽生植物吸收鹽分。整個(gè)過程既沒有經(jīng)濟(jì)上的大量投資，又沒有嚴(yán)格的條件要求，也沒有水資源的浪費(fèi)，生物改良是最具有生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益的措施［9］。王文和張德罡［10］研究表明，種植白莖鹽生草（Halogeton arachnoideus）1年可從0～20 cm 土層中除去鹽分2.434 t／hm2，土壤p H 下降0.13～0.14；董曉霞等［11］在濱海鹽漬地種植紫花苜蓿（Medicago sativa），發(fā)現(xiàn)0～40 cm土層脫鹽率達(dá)65.5%，且使土壤肥力得到提高；王界平和田長(zhǎng)彥［12］、梁飛等［13］研究表明施氮能顯著提高鹽角草（Salicornia europaea）的生物量、種子產(chǎn)量及全鹽累積量，磷肥提高了鹽角草莖稈、同化枝全鹽累積量；趙可夫等［6，14］研究發(fā)現(xiàn)，種植堿蓬（Suaeda glauca）使0～60 cm土壤中的Na＋含量每年減少1245～1920 kg／hm2，且梁飛等［15］認(rèn)為追施氮肥能夠促進(jìn)堿蓬對(duì)鹽漬土的生物修復(fù)并降低土壤中Na＋濃度及其危害；秦嘉海等［16］、呂彪等［17］在河西走廊進(jìn)行了生物改土效應(yīng)的研究，表明魯梅克斯草和堿茅草（Puccinellia distans）的脫鹽改土效果均十分明顯；羅延彬等［7］、任崴等［8］在北疆進(jìn)行生物改良鹽堿地研究，發(fā)現(xiàn)生物方式改良后土地的產(chǎn)量高于灌水洗鹽后的產(chǎn)量，脫鹽后土地利用時(shí)需考慮深根與淺根、多根與少根作物的適配輪作。

新疆膜下滴灌棉田為便于機(jī)耕在兩膜棉花之間留有空地，在這部分空地上間作鹽生植物，一方面能增加地表覆蓋，減少表土水分蒸發(fā)［18］，防止土壤返鹽；另一方面植物根系生長(zhǎng)可改善土壤物理性狀，根系分泌的有機(jī)酸還能中和土壤堿性，并可吸收滴灌后驅(qū)逐到膜間的鹽分［19-20］，而目前尚無間作改良鹽堿地的研究。考慮到棉花（Gossypium spp.）株高、生育期等要求，本試驗(yàn)選用的間作鹽生植物為鹽地堿蓬和鹽角草，探求其對(duì)鹽堿地的改良效果及對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，為新疆綠洲農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2012年3月至10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州水管處國(guó)家重點(diǎn)灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，地處N 41°35′，E 86°09′，高程在895～903 m之間。區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富，多年年平均日照時(shí)數(shù)3036.2 h。多年平均降雨量為55.3～62.7 mm，多年平均蒸發(fā)量2273～2788 mm（直徑20 cm蒸發(fā)皿），屬暖溫帶大陸性荒漠氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土和砂壤土，土壤肥力較低，地下水埋深在1.6 m左右，變化較小。

采用“一膜兩管四行”的棉花種植模式，即滴灌管分別布置在1，2行和3，4行棉花中間，并覆蓋1張地膜，膜間距為30 cm。播種日期為2012年5月1日，品種為新陸中21號(hào)。2012年5月7日，將堿蓬和鹽角草的草種撒播于兩膜膜間，播種后每天用噴壺澆水，直至出苗。試驗(yàn)中滴頭流量為2.5 L／h，滴頭間距為30 cm，灌溉定額為4425 m3／hm2，灌水周期為7 d。6月中旬開始滴水灌溉，分別在1，4，7，9，11水灌水前后取土測(cè)定土壤含水率與電導(dǎo)率值（鹽角草在1水時(shí)剛剛萌發(fā)、11水時(shí)已枯萎，故鹽角草小區(qū)只在4，7，9水前后取樣），取土位置為寬行中間、窄行中間以及膜間，每個(gè)位置均在相鄰處取一重復(fù)，取土深度為5，10，15，20，30，40，60，80，100 cm。本研究3個(gè)處理分別為：對(duì)照（CK）；間作堿蓬（Suaeda glauca，簡(jiǎn)寫為SG）；間作鹽角草（Salicornia europaea，簡(jiǎn)寫為SE）。

測(cè)定項(xiàng)目及方法：土壤容重（環(huán)刀法）；土壤總孔隙度（計(jì)算法）；土壤含水量（烘干法）；全鹽（電導(dǎo)法，土∶水＝1∶5）；Na＋、K＋含量采用原子吸收法測(cè)定；Cl－含量使用硝酸銀滴定法［21］測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期內(nèi)土壤平均含水量的變化特征

生育期內(nèi)土壤平均含水量是指在棉花生育期內(nèi)不同水平位置取樣點(diǎn)相同土層深度處的含水量的算術(shù)平均值。圖1顯示了對(duì)照、堿蓬及鹽角草小區(qū)生育期內(nèi)土壤平均含水量，可見種植堿蓬和鹽角草的小區(qū)生育期內(nèi)土壤平均含水量均高于對(duì)照小區(qū)。在0～30 cm土層內(nèi)，堿蓬和鹽角草與對(duì)照小區(qū)的平均含水量差別較小，分別比對(duì)照小區(qū)增加21.4%和1.6%；30～100 cm土層的平均含水量，堿蓬和鹽角草均顯著大于對(duì)照小區(qū)，分別比對(duì)照小區(qū)增加180.6%和142.3%。0～100 cm土層內(nèi)，堿蓬和鹽角草小區(qū)含水量比對(duì)照小區(qū)高61.0%和34.1%。這是由于隨著堿蓬和鹽角草的生長(zhǎng)，地上部分覆蓋度不斷增大，有效地降低了膜間土壤水分蒸發(fā)［22］，間接影響到寬行及窄行土壤的水分運(yùn)移。堿蓬小區(qū)平均含水量高于鹽角草小區(qū)，主要是因?yàn)閴A蓬的蓋度大于鹽角草，堿蓬小區(qū)由于蒸發(fā)失去的水分小于鹽角草小區(qū)。

圖1 生育期內(nèi)土壤平均含水量的變化特征Fig.1 Variation of the average soil moisture in growth period

2.2 棉花生育期內(nèi)土壤鹽分離子的變化特征

2.2.1 棉花生育期內(nèi)土層含鹽量的變化特征 圖2顯示了對(duì)照、堿蓬及鹽角草小區(qū)生育期內(nèi)土壤含鹽量變化。可見隨著膜下滴灌的進(jìn)行，各個(gè)處理的土壤含鹽量均有所降低，這是灌水洗鹽的結(jié)果。對(duì)照小區(qū)的鹽分運(yùn)移較淺，在60 cm以內(nèi)；而堿蓬和鹽角草小區(qū)的鹽分向下淋洗較深，到達(dá)了80 cm，這是由于在植物根系和水向下運(yùn)動(dòng)的共同作用下，將土體鹽分隨根系向下推移。

對(duì)照、堿蓬和鹽角草小區(qū)膜間土壤的脫鹽率依次為17.15%，43.06%和30.64%，堿蓬株高0.5 m左右，冠幅達(dá)0.3 m，幾乎能把膜間土壤完全覆蓋住，而鹽角草冠幅較小，不能完全覆蓋膜間土壤，則堿蓬抑制鹽分表聚及淋鹽深度效果均好于鹽角草，故其脫鹽率也高于鹽角草。

由圖2可見，堿蓬、鹽角草小區(qū)土層含鹽量峰值分別位于60和40 cm處，是由于堿蓬、鹽角草根系深度不同，故對(duì)鹽分的影響深度也不同。進(jìn)一步分析堿蓬和鹽角草對(duì)不同深度土層鹽分的影響，結(jié)果表明鹽角草對(duì)土壤表層0～10 cm鹽分含量影響最大，含鹽量減少了78.59%，隨著土層加深，影響逐漸減少，20，30，40 cm土層含鹽量依次減少42.91%，33.08%和58.79%；而堿蓬對(duì)0～40 cm土層的影響都較大，依次減少70.08%，73.93%，61.72%，64.3%。通過比較說明，淺根系植物只是對(duì)土壤表層鹽分含量影響較大；而深根系植物發(fā)達(dá)的垂直根系有助于改善較深耕作層的鹽分。

2.2.2 棉花生育期內(nèi)土層K＋／Na＋及Cl－的變化特征 表1顯示了40 cm土層內(nèi)K＋／Na＋的變化特征，可見10 cm內(nèi)K＋／Na＋均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，其中堿蓬小區(qū)增長(zhǎng)率最大，達(dá)到539.31%；其次是鹽角草小區(qū)的371.92%，對(duì)照小區(qū)增長(zhǎng)率為311.68%。堿蓬小區(qū)的20 cm及20～40 cm土層內(nèi)K＋／Na＋也表現(xiàn)為顯著增加的趨勢(shì)，分別為433.33%和150.19%。K＋／Na＋的提高，對(duì)鹽堿地各種作物的生長(zhǎng)都十分重要，因?yàn)辂}堿地普遍存在K＋／Na＋過小的現(xiàn)象，而且40 cm土層內(nèi)分布了棉花大部分根系，棉田間作堿蓬調(diào)節(jié)了K＋／Na＋，從而改善了土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況，達(dá)到改良鹽堿地的目的［23］。

表2顯示了40 cm土層內(nèi)Cl－含量初期與末期的變化，可見3種處理的小區(qū)10 cm土層內(nèi)Cl－均呈減小趨勢(shì)；10～20 cm，20～40 cm土層堿蓬小區(qū)Cl－呈顯著的減小趨勢(shì)，對(duì)照和鹽角草小區(qū)變化較小，說明堿蓬的種植對(duì)Cl－有明顯的抑制作用，能夠減少對(duì)棉花的毒害。

圖2 生育期內(nèi)土層含鹽量變化Fig.2 Variation of the average soil salinity in growth period

表1 40 cm土層內(nèi)K＋／Na＋的變化特征Table 1 Variation of K＋／Na＋at the depth of 40 cm

表2 40 cm土層內(nèi)Cl-的變化特征Table 2 Variation of Cl-at the depth of 40 cm

2.3 間作鹽生植物對(duì)土壤物理性狀的改善

土壤容重和孔隙度緊密聯(lián)系，呈負(fù)相關(guān)，直接影響土壤的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)能力。表3顯示了生育期內(nèi)土壤容重及孔隙度的變化。從表3可知，在生育期內(nèi)，對(duì)照、堿蓬和鹽角草小區(qū)的土壤容重均呈下降趨勢(shì)，下降率分別為9.04%，20.12%和13.77%，孔隙度增加率分別為14.95%，35.54%和23.27%。這是由于隨著植物的生長(zhǎng)，其根莖增粗，側(cè)根數(shù)量增加，使土壤容重下降，孔隙度增加，土壤水分的滲透性和通氣狀況改善，提高了土壤的生產(chǎn)力。

表3 生育期內(nèi)土壤容重及孔隙度的變化Table 3 Variation of soil bulk density and porosity in growth period

2.4 間作鹽生植物對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

圖3顯示了各個(gè)處理棉花株高和莖粗在生育期內(nèi)的變化，各處理的株高和莖粗隨生育時(shí)間的增加呈緩慢生長(zhǎng)－快速生長(zhǎng)－緩慢生長(zhǎng)的大過程，6月中下旬由于氣溫升高、日照時(shí)間長(zhǎng)，是棉花生長(zhǎng)的快速期，7月進(jìn)入花鈴期，植株從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化，此時(shí)株高及莖粗又進(jìn)入了緩慢生長(zhǎng)階段。在打頂以前，間作堿蓬和鹽角草小區(qū)的棉花株高及莖粗均大于對(duì)照小區(qū)，主要是由于間作鹽生植物后土壤自然含水量增加，且土壤鹽分降低，適宜棉花生長(zhǎng)。

圖3 棉花株高和莖粗在生育期內(nèi)的變化Fig.3 Variation of plant height and stem diameter in growth period

表4顯示了各處理最終棉花的產(chǎn)量?？梢姡g作鹽生植物后，棉花的單鈴重?zé)o顯著差異，但每hm2鈴數(shù)較對(duì)照小區(qū)有較大的提高，堿蓬和鹽角草小區(qū)分別比對(duì)照增加了12.54%和7.31%；棉花產(chǎn)量較對(duì)照提高，間作堿蓬和鹽角草小區(qū)棉花的產(chǎn)量較對(duì)照增加了15.95%和2.57%。

表4 各處理最終棉花的產(chǎn)量Table 4 Cotton yield of each treatment

3 結(jié)論

1）間作堿蓬和鹽角草后，棉田生育期內(nèi)土壤平均含水量均高于對(duì)照小區(qū)，在100 cm土層內(nèi)，堿蓬和鹽角草小區(qū)含水量比對(duì)照小區(qū)大61.0%和34.1%。堿蓬小區(qū)平均含水量高于鹽角草小區(qū)，主要是因?yàn)閴A蓬的蓋度大于鹽角草，堿蓬小區(qū)由于蒸發(fā)失去的水分小于鹽角草小區(qū)。

2）間作鹽生植物可以顯著地提高土壤脫鹽率，間作堿蓬和鹽角草小區(qū)脫鹽率分別為43.06%和30.64%，高于對(duì)照小區(qū)的17.15%；且間作提高了K＋／Na＋，降低了對(duì)作物有毒害作用的Cl－含量。

3）由于鹽生植物根系的作用，使土壤容重下降，孔隙度增加，土壤水分的滲透性和通氣狀況改善，提高了土壤的生產(chǎn)力。

棉田間作鹽生植物后，增加了土壤自然含水量，吸收鹽分從而顯著降低了土壤含鹽量和毒害離子的量，并改善了土壤的物理性狀，使得棉花產(chǎn)量最終得到提高?？梢娫诓辉黾雍乃臈l件下，棉田間作鹽生植物是一種有效的改良鹽堿地措施。