膜下滴灌間作鹽生植物棉田水鹽運移特征及脫鹽效果

何子建，史文娟，楊軍強

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膜下滴灌間作鹽生植物棉田水鹽運移特征及脫鹽效果

何子建，史文娟※，楊軍強

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

鹽生植物改良鹽堿地作為改良鹽堿地最有效的方法之一，具有成本低，效率高，環(huán)境友好等特點，有良好的應(yīng)用前景。該文包括2個研究目標(biāo)：1）研究間作不同鹽生植物的膜下滴灌棉田水鹽運移特性；2）研究不同地下水埋深條件下鹽生植物的鹽堿地改良效果。針對第1個研究目標(biāo)，設(shè)置了3種（孜然、堿蓬、苜蓿）間作鹽生植物，進行大田試驗，分析地下水埋深相似條件下間作不同鹽生植物時土壤水鹽分布狀況；針對第2個研究目標(biāo)，設(shè)置了4種地下水埋深（1.5、2.0、2.5、3.0 m），進行均衡場試驗，研究不同地下水埋深條件下間作鹽生植物時地下水的補給比例和土壤脫鹽效果。結(jié)果表明：1）膜下滴灌棉田間作鹽生植物能明顯提高棉花生育期膜間和膜內(nèi)0～30 cm土層平均含水率，且堿蓬效果最明顯；間作條件下苜蓿、堿蓬、孜然、對照0～100 cm土層平均脫鹽率依次為55.97%、-18.77%、-21.43%、-307.52%，即苜蓿的總脫鹽率效果最好；間作鹽生植物能在一定程度上抑制0～100 cm土層鈉離子和氯離子的聚集，同時增加棉花產(chǎn)量和提高其水分利用效率，且堿蓬對抑制鹽離子累積的效果最好；2）間作條件下，地下水埋深越淺，0～100 cm土層平均含水率越高，膜內(nèi)膜間的含水率差異越小，土壤的脫鹽率越低。與未間作相比，間作種植有效的提高了土壤脫鹽率，增加了棉花產(chǎn)量、提高了地下水補給比例和水分利用效率?？梢?，膜下滴灌棉田間作鹽生植物不僅可以有效降低土壤含鹽量，增加其含水率，還可以增加棉花產(chǎn)量和提高其水分利用效率，且間作堿蓬和苜蓿的節(jié)水、脫鹽、增產(chǎn)效果較好，這為膜下滴灌土壤鹽堿地改良提供了有效的理論支撐。

土壤水分；含鹽量；間作；棉田；膜下滴灌；水鹽運移

0 引 言

膜下滴灌作為一種先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)、抑鹽等優(yōu)點。自1996年新疆建設(shè)兵團農(nóng)八師對鹽堿地膜下滴灌實踐取得較好的效果后，膜下滴灌技術(shù)就此在新疆大規(guī)模應(yīng)用推廣開來。據(jù)新疆統(tǒng)計局和農(nóng)業(yè)廳數(shù)據(jù)，截止到2015年，新疆膜下滴灌面積已超過200萬hm2。隨著膜下滴灌技術(shù)在新疆地區(qū)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用，膜下滴灌條件下的土壤水鹽運移問題也日益受到學(xué)者的關(guān)注。研究表明，膜下滴灌條件下鹽分會隨著水分的運動向濕潤鋒邊緣遷移，在三維土壤中重新分布[1-2]，并在土壤剖面產(chǎn)生一個明顯的積鹽區(qū)和脫鹽區(qū)，膜間鹽分強烈聚積[3-4]；李明思[5]則認(rèn)為鹽堿地膜下滴灌時其鹽分呈環(huán)狀分布，膜間的鹽分高于膜內(nèi)；蘇里坦等[6]通過對土壤鹽分再分布的研究認(rèn)為灌溉結(jié)束后，土壤鹽分呈下層向上層，膜內(nèi)向膜間的雙向遷移趨勢。由于膜下滴灌只是調(diào)節(jié)土壤鹽分的再分布，土壤鹽分總量并沒有減少，在短時期內(nèi)，灌水的淋洗作用能保證作物能正常生長發(fā)育[7-10]。但隨著膜下滴灌應(yīng)用時間的延長，強烈的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用下，膜下滴灌土壤的鹽分總量還有所增加[11-14]。牟洪臣等[15]通過對膜下滴灌不同種植年限的棉田鹽分累積情況進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限的增加，各層土壤鹽分也相應(yīng)增加。劉洪亮等[16]通過實測年積鹽速率計算，認(rèn)為膜下滴灌輕度鹽漬化耕地達(dá)到重度次生鹽漬化水平(總鹽量20～30 g/kg)需要40～70 a，達(dá)到中度次生鹽漬化水平(總鹽量10～20 g/kg)僅需要15～40 a。因此，長期采用膜下滴灌技術(shù)將面臨次生鹽堿化加重的潛在生態(tài)風(fēng)險，需要進一步研究減小土壤次生鹽堿化風(fēng)險的有效措施。

目前，新疆地區(qū)鹽堿地改良主要是以水利措施、物理措施和化學(xué)措施為主[17-18]。水利措施和物理措施雖然見效快，但由于水資源的緊缺和不便于普及推廣而受到一定限制，化學(xué)措施雖然效果較好，但其成本相對較高，并易引入新的離子造成二次污染，有一定的環(huán)境負(fù)效應(yīng)[19]。生物措施作為成本低，效率高的環(huán)境友好型改良措施具有較大的潛力[20-21]。已有研究表明，鹽生植物對鹽分具有明顯的吸收積累作用[22-23]，對鹽堿地具有明顯改良作用[24-27]。Shaygan等[28]通過評估鹽生植物對鹽堿地修復(fù)能力認(rèn)為，鹽生植物可用來改良鹽堿地，提供穩(wěn)定的植被覆蓋條件，有助于生態(tài)連續(xù)性。Egamberdieva等[29]利用甘草修復(fù)鹽漬土發(fā)現(xiàn)其能提高土壤氮素含量，增加土壤有機質(zhì)，刺激土壤生物活性，提高土壤持水能力。張麗珍[30]在大同盆地鹽堿灘地上進行的種植試驗表明，種植檸條能有效減少土壤含鹽量，顯著增加土壤養(yǎng)分含量。Xiao等[31]研究發(fā)現(xiàn)種植檉柳、葦狀羊茅、油葵能有效降低土壤全鹽含量，改善土壤肥力水平，增加土壤微生物含量。林學(xué)政等[32]研究表明堿蓬對濱海鹽堿有明顯脫鹽效果，能有效改善濱海鹽堿地的生態(tài)環(huán)境。膜下滴灌棉田鹽分易在膜間累積，結(jié)合新疆地區(qū)覆膜特點，將大田經(jīng)濟作物與鹽生植物間作種植，充分發(fā)揮生物改良鹽堿地的優(yōu)勢，有助于解決膜下滴灌次生鹽堿化問題，同時提高了土地利用效率和經(jīng)濟效益。王升等[33]對膜間間作鹽生植物土壤的水鹽動態(tài)進行了初步研究，但對間作條件改良鹽堿地的研究仍較少。因此，不同條件下間作模式改良鹽堿地的效果以及適宜鹽生植物等都是需要進一步研究的問題。

地下水位是鹽堿地土壤水鹽調(diào)控的重要指標(biāo)，同時也是影響地下水向上補給的主要因素。本文對考慮地下水埋深條件下膜下滴灌棉田間作不同鹽生植物的土壤水鹽運移及脫鹽效果進行了研究，探求不同條件下適宜的鹽生植物，為膜下滴灌技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用提供一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理處水利部重點灌溉試驗站（41°36′N，86°12′E）。區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富。多晴少雨，蒸發(fā)強，風(fēng)沙較多。年平均降水量53.3～62.7 mm，年潛在蒸發(fā)量2 273～2 788 mm，年平均風(fēng)速在2.0 m/s以上。晝夜溫差較大，年平均氣溫11.48 ℃，≥10 ℃積溫3 870～4 300 ℃，無霜期175～200 d，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候。

1.2 試驗方法與設(shè)計

1.2.1 大田試驗

在棉花生長期（2015年4月—2015年9月）內(nèi)，大田的地下水位較為穩(wěn)定（埋深2.8～3.3 m），故視為同一地下水埋深條件下間作不同鹽生植物的處理。共設(shè)4處理，分別為棉花間作苜蓿、間作堿蓬和間作孜然以及無間作（對照），每組重復(fù)3次。4組處理灌溉制度相同，灌溉水為當(dāng)?shù)厍?，其礦化度約為1 g/L；棉花生育期內(nèi)地下水埋深約3 m，其礦化度約為3.0 g/L。試驗小區(qū)面積為7 m×7 m，土質(zhì)以砂壤土為主，其中黏粒占1.82%，粉粒占9.61%，砂粒占88.57%。土壤容重為1.75 g/cm3，其pH值為8.1。土壤為強鹽漬土[34]，初始含鹽量為7.29 g/kg，Na+、Cl-、SO42-、Ca2+以及HCO3-的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.03、0.06、1.93、0.04和1.07 g/kg。

間作植物中，苜蓿品種為紫花苜蓿，種植密度為1.5 g/m2，堿蓬品種為鹽地堿蓬，種植密度為15 g/m2，孜然品種為新疆孜然王，種植密度為1.5 g/m2。棉花品種為九華棉，大田種植模式為1膜2管4行（圖1a），棉花株距均為10 cm。灌水方式均為膜下滴灌，滴頭流量2.2 L/h，滴頭間距為30 cm，灌溉定額為5 250 m3/hm2，灌溉制度如表1所示?；示S水施加，第1次灌水和最后1次灌水不施肥，其余11次灌水均等量施加化肥，尿素總施量為670.2 kg/hm2（氮為308 kg/hm2）。硫酸鉀總施量為241.5 kg/hm2（鉀為96.6 kg/hm2）。磷酸一銨總施量為377.4 kg/hm2（磷為98.1 kg/hm2）。棉花于2015年4月23日播種，4月27日左右出苗，同時于2015年4月27日對生物改良處理的膜間進行撒播鹽生植物種子并覆膜以保證種子萌發(fā)對水分的需求，待鹽生植物長出2片子葉后將膜去掉，并用灑壺給膜間鹽生植物葉片灑少量水以防止葉片被正午的太陽光線灼傷，直到鹽生植物長出2～3對葉片后停止噴灑。試驗中間苗、除蟲、除草、打頂?shù)绒r(nóng)藝操作均一致。

圖1 棉花種植模式示意圖

表1 2015年大田試驗棉花灌溉制度

1.2.2 均衡場試驗

土壤質(zhì)地和容重與大田試驗地相同，試驗分間作與未間作堿蓬2種模式，且二者均設(shè)置4個地下水埋深（1.5、2.0、2.5和3.0 m），共計8種處理，每種處理2個重復(fù)。水位由馬氏瓶控制，地下水水源和灌水水源均為當(dāng)?shù)鼐?，礦化度為3 g/L，均衡場地上種植部分為長方形土箱，其尺寸為1.5 m×1.0 m。均衡場試驗?zāi)は碌喂嗖贾脼?膜1管2行（圖1b），灌溉、施肥及其他措施均同大田試驗。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土樣采集及測定

試驗土樣的采集在灌水第1～2天后進行，取土?xí)r間依棉花生育期進行，分別在棉花播種后（5月4日），棉花苗期（6月6日）、蕾期（7月3日）、花鈴期（8月3日）、吐絮期（9月12日）各取土1次，且在停止灌水后取得最后1次。各處理每次取土位置分別為沿垂直膜間方向的膜間中間、寬行中間和窄行滴頭下方（見圖1），取土深度為0、10、20、30、40、60、80、100 cm。

土壤質(zhì)量含水率采用烘干稱質(zhì)量法（105 ℃，8 h以上）測定。

土壤含鹽量采用DDS-307型電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器）測定，即將烘干土樣磨細(xì)過2 mm篩，按土水比 1∶5制取土壤浸提液，根據(jù)測定的電導(dǎo)率與含鹽量的率定關(guān)系計算土壤含鹽量，具體關(guān)系式為=3.946 EC（2=0.99，<0.05），EC為電導(dǎo)率值，mS/cm，為含鹽量，g/kg。

土壤中可溶性Na+和Cl-含量按土水比1∶5的比例制取土壤浸提液，利用PXSJ-216型離子分析儀（上海雷磁）測得。

1.3.2 棉花耗水量、產(chǎn)量、地下水補給量等指標(biāo)確定

棉花耗水量采用水量平衡原理測定：

ET=P++RSI±Δ（1）

式中ET為作物實際耗水量（mm）；P為降水量（mm）；為灌水量（mm）；為地下水補給量（mm）；為地表徑流量（mm）；SI為深層滲漏量（mm）；Δ為土層土壤儲水量的變化（mm）。試驗所在地年際降雨量稀少（試驗期降雨量為38.55 mm），基本可以忽略。參考往年研究成果[35-36]，地下水埋深為3 m時，地下水補給量較小（未間作與間作條件下，其補給比例約為2%和5%），且為膜下滴灌的灌水方式，基本上不產(chǎn)生深層滲漏和地表徑流，即深層滲漏和地表徑流可以忽略；因此，大田條件下可簡化為

ET=±Δ（2）

均衡場地下水補給量采用馬氏瓶測定，測定時段為2015年5月4日—9月12日，每天08:00和20:00讀取馬氏瓶水位值。

均衡場條件下簡化為

ET=+±Δ（3）

均衡場地下水補給比例為

=/ET（4）

式中為地下水補給比例；為地下水補給量（mm）；ET為作物實際耗水量（mm）。

均衡場棉花籽棉產(chǎn)量通過實際收獲產(chǎn)量獲得，大田小區(qū)棉花籽棉產(chǎn)量通過實測平均鈴質(zhì)量和總鈴數(shù)獲得。水分利用效率通過產(chǎn)量與耗水量的比值計算獲得。

生育期末脫鹽率計算方法為：

= (-)/（5）

式中為脫鹽率，為土壤初始含鹽量，為生育期末土壤含鹽量。

間作處理相對于無間作處理的相對脫鹽率為

R= (D-D)/D（6）

式中R為相對脫鹽率，R>0為相對脫鹽，R<0為相對積鹽，R越大，脫鹽效果越好。D處理組為脫鹽率，D為未間作組脫鹽率。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 12軟件進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于大田試驗的間作鹽生植物下土壤剖面水鹽動態(tài)變化

2.1.1 各處理土壤剖面含水率分布特征

水分和鹽分是影響作物生長的重要因素，其在土壤剖面的分布會因灌溉和間作鹽生植物而發(fā)生變化[35-36]。不同處理生育期膜間和膜內(nèi)土壤剖面平均含水率（膜內(nèi)土壤含水率為整個生育期內(nèi)膜內(nèi)寬行和窄行含水率取算術(shù)平均）分布如圖2所示。

圖2 棉花間作不同鹽生植物膜內(nèi)膜間土層平均含水率

圖2a表明各處理膜間0～30 cm土層含水率均隨深度增加而增加，且同一深度土層含水率呈顯著性差異（<0.05），大小依次為堿蓬>苜蓿>孜然>對照；各處理30～100 cm土層含水率則差異較大，間作孜然的含水率大于無間作的對照組，間作苜蓿的含水率基本小于對照組，間作堿蓬的含水率在80～100 cm土層深度小于對照組，這可能是由于鹽生植物的耗水特性不同，間作鹽生植物一方面增加了膜間的植被覆蓋，減少了水分蒸發(fā)，但另一方面鹽生植物生長過程中也會消耗一定水分，且不同鹽生植物消耗水量不同，因此造成了間作不同鹽生植物膜間含水率之間的差異。圖2b顯示，各處理膜內(nèi)0～30 cm土層，堿蓬組含水率最大，孜然組、苜蓿組和對照組含水率大小基本相同；30～100 cm土層膜內(nèi)含水率則與膜間變化一致。由此可見，與對照組相比，間作鹽生植物能一定程度上增加棉花生育期主根系層（0～30 cm）土壤平均含水率。

圖3為0～40 cm土層生育期水分變化情況，膜內(nèi)膜間含水率變化均隨生育期變化呈波浪形，單波峰和波谷。生育期內(nèi)，間作堿蓬處理與其他處理組膜間土壤含水率差異顯著（<0.05）。而對于膜內(nèi)含水率（圖3b），除堿蓬處理組明顯高于其他處理組外（<0.05），其他處理組之間的水分差異并不大（>0.05）。

圖3 0～40 cm土層生育期水分變化情況

2.1.2 不同處理土壤鹽分動態(tài)

圖4為間作不同鹽生植物的棉花生育期末膜間和膜內(nèi)土壤含鹽量剖面分布情況。由圖4a可見，膜間各處理表層0～60 cm土壤鹽分有聚集現(xiàn)象，不同處理鹽分聚集程度不同，且均呈顯著性差異（<0.05），鹽分含量從低到高依次為苜蓿、堿蓬、孜然和對照。對照組和孜然間作組鹽分聚集最為明顯，對照組和孜然組鹽分最大值分別出現(xiàn)在土層20和40 cm深度處，分別為11.1和12.5 g/kg。堿蓬和苜蓿含鹽量最大值出現(xiàn)在0 cm處，分別為6.1、5.6 g/kg，且含鹽量隨深度的增加而降低。從圖4b可見，膜下滴灌對膜內(nèi)鹽分具有明顯的淋洗效果，灌水淋洗作用下，不同間作處理的鹽分分布變化趨勢基本一致，但鹽分含量有顯著差異（<0.05），含鹽量依次為對照>孜然>堿蓬>苜蓿，這與含水量情況稍有不同。間作鹽生植物能有效降低膜內(nèi)和膜間土壤鹽分的累積區(qū)間和含量，且對膜間鹽分的影響略大于膜內(nèi)，且堿蓬和苜蓿的脫鹽效果較好。

圖4 生育期末膜間和膜內(nèi)土層含鹽量

圖5為0～100 cm膜內(nèi)膜間土層生育期鹽分變化情況，在初始含量差異和氣溫等影響下，生育期前期和后期變化情況有一定差異，不同處理間在前期與后期的差異程度也不同。對于膜間土層生育期鹽分變化而言（圖5a），在灌水作用下，前期鹽分含量呈下降趨勢，后期含鹽量大幅上升，無間作處理增幅最明顯，苜蓿處理組增幅最小。圖5b為膜內(nèi)土層生育期鹽分變化情況，除無間作處理組在前期鹽分增加，間作處理組鹽分含量均呈下降趨勢，孜然處理組下降幅度最大，這與其初始含量較高有關(guān)。生育后期苜蓿組無明顯增幅，其他處理組均鹽分含量均有一定程度的增加無間作處理組增幅最為明顯。

圖5 0～100 cm土層生育期鹽分變化情況

2.1.3 100 cm土層脫鹽效果

為進一步探求間作不同鹽生植物的脫鹽情況，對膜內(nèi)和膜間鹽分含量做統(tǒng)計分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 不同間作處理0～100 cm土層脫鹽率

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著<0.05，下同。

Note: Different letters indicate significant different among treatments<0.05, same as below.

表2顯示，苜蓿、堿蓬、孜然、對照組膜間脫鹽率依次為20.63%、-48.79%、-49.69%、-266.67%，即除苜蓿外，其它處理的土壤鹽分均呈累積狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計分析，各處理的寬窄行脫鹽率均呈顯著性差異（<0.05，見表2），寬行從大到小依次為苜蓿>孜然>堿蓬>對照，窄行從大到小依次為苜蓿>堿蓬>孜然>對照，苜蓿、堿蓬、孜然、對照平均脫鹽率依次為55.97%、-18.77%、-21.43%、-307.52%。與對照相比（表2相對脫鹽率），各處理不同位置相對脫鹽率均大于0，即各處理組相對于對照組均呈脫鹽狀態(tài)。此外，不同位置，土壤脫鹽率差異較大，窄行脫鹽率最高，寬行其次，膜間脫鹽率最低，鹽分聚集最嚴(yán)重。這是由于寬行和窄行均有灌水的淋洗作用，而窄行距離滴灌帶更近，灌水的淋洗效果也更為顯著。

2.1.4 100 cm土層內(nèi)生育期Na+和Cl-平均含量變化情況

土壤中NaCl含量高于0.4%時會對棉花的生長發(fā)育會產(chǎn)生不利影響[37]。圖6為Na+和Cl-生育期膜間和膜內(nèi)土層離子平均含量（膜內(nèi)土壤離子含量為整個生育期內(nèi)膜內(nèi)寬行和窄行含量取算術(shù)平均）隨深度變化情況。在0～30 cm內(nèi)，對照組Cl-呈先增大后減小的變化趨勢，間作處理則隨深度增加一直呈下降趨勢。間作不同鹽生植物的下降幅度不同，堿蓬組在0～30 cm土層平均含量較低，Cl-去除效果最好。各處理在30 cm處達(dá)到近似值，30～100 cm各處理的Cl-變化基本一致，其變化趨于平穩(wěn)。

Na+生育期土層平均含量變化則與Cl-變化相似，對照組Na+平均含量呈先增大再減小的變化趨勢，間作條件下土層Na+平均含均隨土層深度的增加而降低，不同處理的下降幅度不同。0～60 cm內(nèi)，堿蓬組的Na+含量最低，對照組的含量最高。60～100 cm土層各處理Na+平均含量變化趨勢存在一定差異，但變幅較小，差異不大。根據(jù)前述，苜蓿對總鹽量的去除率大于堿蓬?？梢?，不同鹽生植物的脫鹽效果與Na+和Cl-的變化并不同步，即總鹽量降低并不意味著Na+和Cl-的含量也會相應(yīng)降低，說明不同鹽生植物對各鹽離子的吸收利用程度不同，如何選擇適宜的鹽生植物，提高其對作物生長發(fā)育影響較大的鹽離子的去除效果也是今后需要進一步研究的問題。

圖6 0～100 cm土層Na+和Cl-隨深度變化

表3為0～100 cm生育期前后Na+和Cl-變化情況。與各處理棉花生育初期的Na+含量相比，生育期末苜蓿組、對照組、孜然組和堿蓬組的Na+含量增長率分別為152.2%、157.4%、116.6%和27.8%，經(jīng)統(tǒng)計分析可知，除苜蓿處理外，其他各處理與對照相比，均呈顯著水平。Cl-在0～100 cm土層變化情況與Na+不同，經(jīng)過生育期的灌水淋洗和鹽生植物的吸收，土層中Cl-含量均有所減小，減少率從大到小依次為堿蓬、苜蓿、孜然和對照，其中堿蓬組的減小率是對照組的2.3倍（<0.05）?？梢?，間鹽生植物能夠有效改善0～100 cm土層Na+和Cl-的累積分布情況，減少其對作物的毒害，在3種鹽生植物中，堿蓬的效果最好，對Na+和Cl-有明顯的抑制和脫鹽效果。由于Na+易被土壤膠體吸附，不容易被淋洗[38]，因此在整個生育期處于累積狀態(tài)。

表3 0～100 cm土層生育期前后Na+和Cl-變化情況

2.1.5 間作不同鹽生植物棉花的耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率

不同間作處理耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率如表4所示。表4表明，灌水量一定條件下，孜然組耗水量最大，苜蓿組其次，對照組耗水量最小，即間作鹽生植物的處理耗水量均大于對照組，說明鹽生植物在生長過程中也消耗了一定土壤水分，從而增加了間作系統(tǒng)整體耗水量。從產(chǎn)量情況來看，其大小順序依次為苜蓿>堿蓬>孜然>對照，其水分利用效率表現(xiàn)為苜蓿>堿蓬>對照>孜然，且呈顯著差異（<0.05）。說明膜下滴灌棉田間作鹽生植物不僅可以有效降低土壤含鹽量，增加土壤含水率，還可以增加棉花產(chǎn)量和提高其水分利用效率，且間作堿蓬和苜蓿的脫鹽、增產(chǎn)效果較好。

表4 不同處理棉花產(chǎn)量和水分利用效率

2.2 不同地下水埋深條件下間作堿蓬對土壤水鹽動態(tài)的影響

2.2.1不同地下水位埋深時土壤含水率剖面分布特征

圖7為間作堿蓬條件下不同地下水埋深時整個生育期土壤平均含水率變化情況，平均含水率是指在棉花生育期內(nèi)不同水平位置取樣點同一土層深度處的含水率算術(shù)平均值。

圖7 間作條件下不同地下水位下土壤含水率分布

圖7a和圖7b分別為地下水埋深為1.5、2.0、2.5和3.0 m時膜間膜內(nèi)平均含水率變化情況。埋深為1.5 m時，膜內(nèi)和膜間含水率差異較小，含水率大小隨深度變化基本一致；埋深為3 m時，膜內(nèi)和膜間含水率差異較大，且不同土層深度，其差異程度不同，0～40 cm土層膜內(nèi)膜間含水率差異較大，膜內(nèi)含水率明顯高于膜間，40～100 cm的含水率則差異較小。當(dāng)?shù)叵滤裆钤綔\時，地下水向上補給作用越大，間作的鹽生植物長勢更好，對膜間土表的覆蓋度更高，膜間土壤含水率也越高，而較高的含水率又反饋于鹽生植物的生長發(fā)育，形成一個良性的相互反饋過程。圖7c為間作條件下不同地下水埋深整個土層平均含水率?？梢钥闯?，地下水埋深越淺，其向上補給量也會就越大，其土壤含水率也就會相對越大。通過計算0～100 cm土層生育期始末土壤平均含水率變化可知，地下水埋深為1.5、2.0、2.5、3.0 m時，減小率依次為16.5%、6.6%、4.8%、3.5%，即地下水埋深越淺，其生育期始末含水率減小率越大，且減小率也越大，與地下水埋深為3.0 m相比，地下水埋深為1.5和2.0 m時含水率均呈顯著差異（<0.05）。

2.2.2 全生育期土層平均含鹽量變化情況

圖8為間作條件下不同地下水埋深各土層深度膜內(nèi)膜間平均含鹽量變化情況。由圖可見，土壤含鹽量隨深度增加先減小后增大，鹽分變化在0～40 cm土層內(nèi)較為活躍，不同處理鹽分含量差異較大；40～100 cm鹽分含量變幅逐漸變小，不同地下水埋深處理鹽分差異也逐漸減小。在0～ 100 cm土層內(nèi)，膜內(nèi)和膜間平均鹽分隨深度的變化趨勢基本一致。同一深度土層，地下水埋深越小，平均含鹽量越大，不同地下水埋深條件下的膜內(nèi)、膜間鹽分含量的差異也越大。

圖8 不同地下水埋深條件下間作棉田平均含鹽量分布

2.2.3 間作和未間作條件下各處理產(chǎn)量、水分利用效率、脫鹽率及地下水補給比例

表5為間作與未間作堿蓬條件下各處理產(chǎn)量、水分利用效率、脫鹽率和地下水補給情況。

表5 間作與未間作堿蓬不同埋深地下水補給量及補給比例

由表5可以看出，地下水埋深越淺，地下水向上的補給量和補給比例也越大。同一地下水埋深時，間作條件下地下水補給量、補給比例和產(chǎn)量均大于未間作處理，以地下水埋深2 m的處理為例，間作和未間作條件下的地下水補給量分別占其總耗水量的19.4%和16.7%，間作的地下水補給量比未間作處理增加了19.5%，產(chǎn)量增加了12.1%。說明棉田間作鹽生植物后增加了產(chǎn)量和農(nóng)田系統(tǒng)整體的耗水量和地下水的補給比例（見表5）。從鹽分累積狀況來看，間作與未間作的鹽分累積差異較大，未間作條件下，土層鹽分呈累積狀態(tài)，地下水埋深越大，積鹽率越小。間作條件下，土層呈脫鹽狀態(tài)，地下水埋深越淺，脫鹽率越低。

可見，間作不僅能有效增加棉花產(chǎn)量和水分利用效率、抑制土壤鹽分累積，而且可以有效調(diào)控地下水補給與返鹽量之間的關(guān)系，即在一定程度上改變地下水補給比例越大、其返鹽率越大[39]這一傳統(tǒng)的定量關(guān)系，從而促進作物生長、提高其水分利用效率。

3 討 論

鹽生植物能有效地改良鹽堿地，這已經(jīng)得到大量研究成果的證實，但其種植模式主要以單作為主且其研究目標(biāo)僅以除鹽為主[20]。間作條件下，鹽生植物在除鹽脫鹽的同時，與主要作物棉花也在進行著水肥的競爭，從而有可能會影響棉花的生長發(fā)育以及產(chǎn)量，而本研究結(jié)果證實，適宜地間作鹽生植物不僅能有效地降低土壤含鹽量，還可以增加土壤含水率，提高棉花的產(chǎn)量和水分利用效率，同時增加淺層地下水的補給比例。由于鹽生植物堿蓬和苜蓿均屬于真鹽型植物，他們可以吸收利用土壤中的鹽分；同時，鹽生植物均非常耐旱，在其生長發(fā)育期間僅消耗少量水分，因此可以通過“生物泵”的作用降低土壤中的鹽分[26-28]。此外，鹽生植物還可以有效地改善土壤物理性質(zhì)，使其容重下降，孔隙度提高，鹽分的淋洗作用更強[40]。堿蓬和苜蓿等鹽生植物還增加土壤有機質(zhì)和耐鹽性較低的微生物含量，提高土壤中N、P、K含量[41]。由此可見，在膜下滴灌棉田間作真鹽型鹽生植物時，棉花產(chǎn)量的提高不僅與含鹽量下降有關(guān)，應(yīng)該還與土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分的改善有關(guān)。在地下水埋深較淺條件下，鹽生植物降低土壤鹽分的同時，還可以增加地下水的補給比例，起到生物排水和節(jié)約淡水的作用。

4 結(jié) 論

1）膜間間作鹽生植物能有效提高膜下滴灌棉花根系層（0～30 cm）土壤的平均含水率，且膜間的含水率增幅較膜內(nèi)明顯；各處理中，間作堿蓬的效果最為明顯。

2）同一地下水埋深條件下，間作鹽生植物能有效降低土壤膜間和膜內(nèi)的含鹽量，4種處理（依次為苜蓿、堿蓬、孜然和對照）的土壤平均脫鹽率依次為55.97%、-18.77%、-21.43%、-307.52%。不同位置，土壤脫鹽率差異較大，其中窄行脫鹽率最高，寬行其次，膜間脫鹽率最低；不同埋深條件下，埋深越淺，間作處理的脫鹽率越低。間作鹽生植物能抑制鈉離子和氯離子的聚集，降低生育期土層平均含量，其中堿蓬效果最好。

3）不同地下水埋深條件下，間作鹽生植物的處理棉花產(chǎn)量均有不同程度提高，隨地下水埋深的增加，其產(chǎn)量逐漸降低。同一地下水埋深時，與未間作相比，間作處理增加地下水補給量和補給比例，降低了返鹽率，提高了作物產(chǎn)量和水分利用效率，為進一步有效利用地下微咸水、減少地表水灌溉量提供了依據(jù)。

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Water and salt transport and desalination effect of halophytes intercropped cotton field with drip irrigation under film

He Zijian, Shi Wenjuan※, Yang Junqiang

(710048,)

Improvement of saline-alkali soil by halophyte is one of the most effective methods, which has good application prospect such as low cost, high efficiency and environment friendliness. Large amounts of saline-alkali soils and severe drought significantly restricts sustainable development of irrigated agriculture in the Xinjiang region. However, long-term application of the irrigation method will face the potential risk of salinization. Thus, the paper’s aim was to explore the characteristics of water and salt transport in field soil and halophytes’s desalinization effect in saline-alkali soil under the intercropped cotton systems under the drip irrigation with film. The experiment was carried in field and water balance spot. In the field experiment, the groundwater depth was not adjusted and 3 kinds of halophytes (alfalfa, Suaeda and cumin) were used. The treatment without halophytes was considered as the control. In the water balance spot experiment, the Suaeda was intercropped with cotton and 4 kinds of groundwater depths (1.5, 2.0, 2.5 and 3.0 m) were designed. The soil moisture, salinity, sodium and chloride ion content, cotton yield and groundwater recharge were determined. The results showed that halophytes intercropped with cotton could significantly increase the average soil moisture at 0-30 cm depth between the film and inside film during the growth stage of cotton in field, and the treatment with intercropping Suaeda was the most effective. The average soil desalinization rate of intercropping alfalfa, Suaeda, cumin and the treatment of no intercropping in soil at 0-100 cm depth was 55.97%,-18.77%,-21.43% and-307.52%, respectively. The treatment with intercropping alfalfa was the most effective to remove salt from soil. The desalination rate in the narrow rows was the highest and that between the film was the lowest; Intercropping halophytes could decrease the content of sodium ions and chloride ions to a certain extent in soil at 0-100 cm depth, and increase the cotton seed yield and water use efficiency. Among the treatments, intercropping alfalfa was the best for decreasing sodium ions and chloride ions content of the field soil. The trial of water balance spot showed that the smaller the groundwater depth was, the higher the average soil moisture was, and the smaller the moisture difference inside film and between films in soil at 100 cm depth under intercropping conditions was. Compared with no intercropping, the intercropping treatments could effectively reduce soil salinity, increase the soil moisture, increase the cotton yield and improve the water use efficiency. In addition, the intercropping treatments increased the groundwater recharge ratio. Among all the treatments, the intercropping Suaeda and alfalfa had the best effect. We suggested to improve saline soil by intercropping Suaeda with cotton under the drip irrigation with film since the intercropping Suaeda with cotton had the better inhibition effect for sodium ion accumulation than the intercropping alfalfa treatment. These results will provide the support for saline alkali soil improvement with drip irrigation under film and the sustainable application for the irrigation method in saline alkali soil and arid region.

soil moisture; salinity; intercropping; cotton field; drip irrigation under film; water and salt transport

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.017

S152

A

1002-6819(2017)-23-0129-10

2017-05-12

2017-11-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（51379173）；陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目（16JS085）

何子建，湖北咸寧人，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源與生態(tài)環(huán)境方面研究。Email：2460845224@qq.com

史文娟，陜西武功人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源高效利用研究。Email：shiwj@xaut.edu.cn