一膜兩年覆蓋對(duì)河套灌區(qū)鹽堿土 水鹽分布和食葵生長(zhǎng)的影響

盧 闖，靳存旺，李二珍，楊柳青，李建忠，王 婧，逄煥成，李玉義*

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.五原縣農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 五原015100）

0 引 言1

【研究意義】?jī)?nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國(guó)重要的糧油生產(chǎn)基地，受特殊的地形和氣候條件影響，當(dāng)?shù)赝寥利}漬化及次生鹽漬化嚴(yán)重，限制了農(nóng)田的高效利用[1]。地膜不透氣不透水，可以阻隔表層土壤與大氣間的水分傳輸從而抑制鹽分表聚，使表層土壤含鹽量降至作物耐受范圍內(nèi)[2]，因而成為河套灌區(qū)作物栽培和鹽漬土改良的重要農(nóng)藝措施，從1982 年開(kāi)始大面積推廣至今。近年來(lái)，隨著灌區(qū)覆蓋面積的增長(zhǎng)，地膜用量也逐年遞增，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017 年河套灌區(qū)地膜年使用量達(dá)到2.32 萬(wàn)t[3]，而回收率只有約60%。大量的難分解殘留地膜不僅會(huì)造成白色污染、耕層退化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，而且還會(huì)阻礙作物出苗、影響根系發(fā)育從而降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。地膜殘留的危害不僅引起學(xué)者關(guān)注，也得到了國(guó)家有關(guān)部門的高度重視，2019 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見(jiàn)》，將地膜污染列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染防治的重點(diǎn)[6]。因此，在河套灌區(qū)“無(wú)膜不植”的背景下，尋求地膜減量的生產(chǎn)方式是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容?！狙芯窟M(jìn)展】旱作農(nóng)業(yè)區(qū)近年來(lái)推行的地膜二次利用免耕栽培技術(shù)在減少地膜投入方面具有一定的應(yīng)用效果，研究表明，一膜兩年覆蓋處理在玉米整個(gè)生育期內(nèi)的耗水結(jié)構(gòu)和常規(guī)覆膜無(wú)顯著差異[7]；玉米茬一膜兩年用，免耕穴播小麥的生產(chǎn)方式可減少20%的灌水量和氮肥用量[8]；一膜兩年覆蓋技術(shù)結(jié)合溝壟作或平作可降低作物耗水量并提高降水利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效[9]?！厩腥朦c(diǎn)】目前相關(guān)研究多集中于地膜再利用對(duì)土壤-作物系統(tǒng)水分平衡的影響等方面，關(guān)于一膜兩年覆蓋在河套灌區(qū)鹽漬化土壤上的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于此，本試驗(yàn)選取中度鹽漬化土壤，研究了一膜兩年覆蓋對(duì)土壤水鹽分布、溫度變化和食葵生長(zhǎng)的影響，以期為該地區(qū)制定科學(xué)有效的地膜減量化栽培方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣塔爾湖鎮(zhèn)蛇林村一社，試驗(yàn)區(qū)地處41°08′N，107°57′E，海拔高度1 022 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，全年日照時(shí)間3 263 h，年均溫度6.1 ℃，>10 ℃的積溫3 363 ℃，無(wú)霜期120 d，年平均降水量為176.4 mm，年平均蒸發(fā)量為2 056.1 mm。2011 年10 月—2012 年5 月休閑期降水25.9 mm，蒸發(fā)1 050.8 mm；2012 年5—10 月作物生育期內(nèi)降水310.5 mm，蒸發(fā)1 030.6 mm。試驗(yàn)區(qū)0～100 cm 層土壤為粉砂壤土，按鹽土分類為氯化物-硫酸鹽土，0～40 cm 土層平均體積質(zhì)量為1.45 g/cm3，土壤孔隙度53.87%，田間持水率為28.17%，有機(jī)質(zhì)量9.54 g/kg，全氮量0.51 g/kg，堿解氮量31.89 mg/kg，速效磷量3.09 mg/kg，速效鉀量118.93 mg/kg。生育期內(nèi)地下水埋深變幅為1.10～1.70 m。0～40 cm 各土層土壤鹽分及離子組成見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)土壤鹽分量與離子組成 Table 1 Basic soil salt content and ion composition in experimental area g/kg

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011 年10 月—2012 年10 月進(jìn)行，食葵生長(zhǎng)季為2012 年6 月2 日—9 月25 日，設(shè)置CT（秋季翻耕春季覆新膜），NT（秋季留膜免耕）2 個(gè)處理，采用大區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)處理占地0.2 hm2，大區(qū)之間設(shè)置田埂和5 m 保護(hù)行。

2011 年食葵生長(zhǎng)季統(tǒng)一采用70 cm 寬，0.008 mm厚的農(nóng)用塑料薄膜覆蓋地表，膜間距20 cm，膜間地表裸露。2011 年10 月食葵收獲后，CT 處理回收地膜并翻耕土壤，NT 處理保留地膜免耕，盡量保持膜的完整性。

2012 年5 月27 日進(jìn)行春灌，灌溉方式為大水漫灌，根據(jù)灌溉脫鹽效率和地下水深度確定灌水量為1 850 m3/hm2，灌溉水源為黃河水（礦化度為0.58 g/L、pH 值8.23），灌溉后CT 處理覆相同規(guī)格新膜，NT 處理沿用舊膜。播種前條施底肥，施入尿素（含N 46.4%）270 kg/hm2，磷酸二銨（含P2O545%，N 15%）300 kg/hm2，硫酸鉀（含K2O 50%）150 kg/hm2，在膜外開(kāi)溝10 cm 施肥后覆土。2012 年6 月2 日人工點(diǎn)播，供試驗(yàn)作物為食用向日葵（Helianthus Annuus），品種為L(zhǎng)D5009，一膜兩行種植，株距48.5 cm，種植密度37 000 株/hm2；9 月25 日收獲測(cè)產(chǎn)，其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤水鹽量

2012 年食葵收獲后利用環(huán)刀法測(cè)定剖面土壤體積質(zhì)量，CT 處理0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 體積質(zhì)量分別為1.47、1.46、1.45、1.50、1.46、1.48、1.49 g/cm3，NT 處理則分別為1.55、1.51、1.48、1.45、1.44、1.48、1.50 g/cm3。

2012 年食葵播種前和收獲后，利用不銹鋼土鉆在大區(qū)內(nèi)按20 m×10 m 的單元格膜下取土，取樣層次為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率；風(fēng)干土磨碎后過(guò)2 mm 篩，以1∶5 土水比提取土壤浸提液上清液，用DDS-307 電導(dǎo)率儀測(cè)定浸提液電導(dǎo)率，根據(jù)式（1）將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量：

式中：S 為土壤含鹽量（g/kg）；EC1:5為土水比1∶5下的電導(dǎo)率（μS/cm）；0.064 為換算系數(shù)。

使用式（2）計(jì)算0～100 cm 土壤貯水量：

式中：SWS 為單位面積的1 m 土體土壤貯水量（mm）；h 為土壤深度（cm）；ρ 為土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；W 為土壤含水率（%）。

根據(jù)式（3）計(jì)算0～100 cm 土壤儲(chǔ)鹽量：

式中：SSS 表示單位面積（1 m2）1 m 土體中儲(chǔ)存的鹽分量（g）。

1.3.2 地溫測(cè)定

使用插入式地溫溫度計(jì)，從6 月9 日開(kāi)始每隔3天測(cè)定1 天中06:00 和14:00 的不同處理5、10、15、20 cm 深度土壤溫度。

1.3.3 農(nóng)藝性狀

分別于2012 年6 月12 日和21 日統(tǒng)計(jì)出苗率和成苗率，CT、NT 處理食葵出苗率分別為98%、96%，成苗率分別為97%、94%。在2012 年的7 月21 日、8月1 日、8 月19 日、9 月16 日分別測(cè)定株高、莖粗、盤徑、葉面積、地上和地下部干質(zhì)量，代表食葵蕾期、盛花期、灌漿期、成熟期農(nóng)藝性狀。干物質(zhì)量測(cè)定先在105 ℃下置烘箱內(nèi)殺青，然后在80 ℃恒溫條件下烘烤至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Micro Office Excel 2013 進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 13.0 進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 一膜兩年覆蓋對(duì)土壤水鹽分布的影響

2012 年食葵春播前，CT 和NT 處理土壤含水率均隨土層深度的增加而增加（圖1（a）），NT 處理在0～80 cm 各層次的含水率均顯著高于CT 處理，平均含水率提高11.88%；從1 m 土體貯水量來(lái)看（表2），2012 年春播前CT 和NT 處理貯水量分別為404.28、444.35 mm，NT 處理較CT 處理顯著提高9.91%。2012年作物收獲后，CT 和NT 處理水分在剖面中的分布特征不一致（圖1（b）），CT 處理土壤含水率隨土層深度波狀起伏，而NT 處理整體表現(xiàn)為隨深度的增加而增大的趨勢(shì)，2 個(gè)處理在10～60 cm 層次土壤含水率差異顯著，其中在10～20 cm 和40～60 cm 土層NT處理分別較CT 處理顯著降低10.89%、11.85%，在20～40 cm 土層NT 處理較CT 處理顯著提高13.52%，此時(shí)期1 m 土體總貯水量并無(wú)顯著差異，CT 和NT 處理貯水量分別為357.65、348.12 mm（表2）。

圖1 2012 年春播前及收獲后剖面土壤含水率 Fig.1 Soil water content in profiles before spring sowing and after harvest at 2012

表2 土壤貯水量和儲(chǔ)鹽量 Table 2 Soil water storage and soil salt storage

如圖2（a）所示，2012 年作物春播前NT 處理在0～100 cm 各土層的含鹽量均顯著低于CT 處理，2012 年作物收獲后鹽分剖面分布不同，CT 處理呈先增大后降低趨勢(shì)，較多鹽分積聚在20～40 cm 土層，而NT 處理鹽分隨土壤深度的增加總體呈降低趨勢(shì)，NT 處理除表層0～5 cm 土層含鹽量略低于CT 處理未達(dá)顯著水平外，5～100 cm 土層含鹽量均顯著低于CT 處理。從總儲(chǔ)鹽量來(lái)看（表2），春播前CT 和NT處理在單位面積（1 m2）、單位高度（1 m）土體內(nèi)的儲(chǔ)鹽量分別為2 200.65、1 411.97 g，NT 處理較CT處理顯著降低35.86%；收獲后NT 處理1 m 土體總儲(chǔ)鹽量也較CT 處理顯著降低42.07%。

圖2 2012 年春播前及收獲后剖面土壤含鹽量 Fig.2 Soil salt content in profiles before spring sowing and after harvest at 2012

2.2 一膜兩年覆蓋對(duì)土壤溫度的影響

食葵生長(zhǎng)苗期和蕾期溫度變化如圖3 所示。在夜晚散熱過(guò)程中，深層土壤的熱量向表層土壤傳導(dǎo)，因此06:00 時(shí)刻土壤溫度總體隨深度的加深而升高（圖3（a）），從苗期和蕾期的溫度均值來(lái)看，NT 處理5、10、15、20 cm 土層的溫度分別較CT 處理低0.9、1.0、1.2、1.3 ℃。在14:00（圖3（b）），土壤吸熱并向下傳導(dǎo)熱量，溫度隨深度的增加而降低，NT 處理保溫效果較弱，在5、10、15、20 cm 土層的平均溫度分別較CT 處理低1.7、1.2、0.9、1.5 ℃，但隨著時(shí)間的推移，CT 與NT 處理間14:00 時(shí)刻的溫差逐漸減小，其中在6 月9—24 日，NT 處理5 cm 土層平均溫度較CT 處理低2.7 ℃，而在7 月12—27 日，NT 處理5 cm土層平均溫度較CT 處理低0.9 ℃。

圖3 不同層次土壤溫度連續(xù)變化 Fig.3 Variation of soil temperature at different soil depth

表3 食葵不同時(shí)期農(nóng)藝性狀及干物質(zhì)量 Table 3 Agronomic characters and dry matter of sunflower at different growth stage

2.3 一膜兩年覆蓋對(duì)食葵生長(zhǎng)的影響

食葵各時(shí)期農(nóng)藝性狀和干物質(zhì)量如表3 所示。蕾期NT 處理食葵株高較CT 處理顯著低23.81%，莖粗則無(wú)顯著差異；開(kāi)花后NT 處理花盤直徑顯著低于CT 處理；灌漿期NT 處理莖粗和盤徑與CT 處理無(wú)顯著差異，株高、葉面積則分別較CT 處理顯著提高9.78%、18.42%；至作物成熟期，NT 處理各方面長(zhǎng)勢(shì)均優(yōu)于CT 處理。食葵地上和地下干物質(zhì)量變化趨勢(shì)和農(nóng)藝指標(biāo)趨勢(shì)基本一致。在蕾期，NT 處理由于土壤積溫較低，地上、地下干物質(zhì)量分別較CT 處理低7.51%、23.61%；開(kāi)花后CT 和NT 干物質(zhì)量無(wú)顯著差異，灌漿和成熟期NT 處理干物質(zhì)量顯著提高；從干物質(zhì)積累速率來(lái)看，CT 處理在蕾期至花期、花期至灌漿、灌漿至成熟3 個(gè)生長(zhǎng)階段的地上干物質(zhì)積累速率分別為4.36、5.39、3.03 g/d，NT 處理則為5.08、6.87、3.72 g/d，NT 處理作物在進(jìn)入盛花期后生長(zhǎng)加速，整個(gè)生育期來(lái)看NT 處理地上、地下干物質(zhì)積累速率分別較CT 處理提高23.50%、26.59%。

2.4 一膜兩年覆蓋產(chǎn)投比

表4 為CT 和NT 處理經(jīng)濟(jì)效益。由表4 可知CT處理地膜、耕作和人工投入占總投入的39.64%，NT處理可節(jié)約成本，每公頃減少秋翻、地膜和人工共 2 550 元，此外，免耕舊膜再利用對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響，NT 較CT 處理每公頃產(chǎn)量提高72 kg，每公頃增效約547 元，使用舊膜合計(jì)可增收3 097 元/hm2。CT 和NT 處理產(chǎn)投比分別為3.07、4.53，秋季免耕舊膜再利用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 不同處理經(jīng)濟(jì)效益 Table 4 Economic benefit of two treatments

3 討 論

3.1 鹽堿地一膜兩年覆蓋與土壤環(huán)境、作物生長(zhǎng)

河套灌區(qū)從秋收至翌年春播有長(zhǎng)達(dá)7 個(gè)月之久的休閑期，在此期間，受地下水位和氣候變化的影響，區(qū)域土壤鹽分呈現(xiàn)“春積秋返”的季節(jié)性變化特征，該地區(qū)傳統(tǒng)的秋季回收地膜并翻耕的方法提高了秋澆淋鹽效率，但同時(shí)也造成了大量地膜殘留，而且地表長(zhǎng)期裸露增加了水分無(wú)效蒸發(fā)，促進(jìn)了鹽分上行，尤其是在春季，表層土壤強(qiáng)烈積鹽使作物出苗立苗受到鹽分脅迫[10-11]，因此降低春播時(shí)期的土壤積鹽對(duì)作物正常生長(zhǎng)具有重要意義。梁建財(cái)?shù)萚12]研究表明，秋季休閑期將秸稈覆蓋地表，次年春玉米播種時(shí)0～40 cm 土壤含鹽量降低55.26%，0～120 cm 土壤貯水量提高了12.11%；本研究中，秋季舊膜再利用同樣具有一定的抑鹽保水效果，春播前NT 處理土壤鹽分儲(chǔ)量顯著降低35.86%，1 m 土體貯水量顯著高于CT 處理，舊膜覆蓋措施保住了農(nóng)田休閑期水分，同時(shí)減少了鹽分的上行表聚，淡化耕層土壤，能夠?yàn)樽魑锍雒鐒?chuàng)造高水低鹽的有利環(huán)境，NT 處理出苗率和保苗率分別達(dá)到了96%、94%，在河套灌區(qū)屬于較高出苗水平[13]，但相較于CT 處理略低，可能與前期的溫度差異有關(guān)，本研究中NT 處理0～25 cm 土壤的保溫效果弱于新膜，這主要是因?yàn)楹犹坠鄥^(qū)的秋季強(qiáng)風(fēng)容易造成地膜破損裂解[14]，保溫效果下降造成出苗階段積溫略低。另一方面，NT 處理作物前期生長(zhǎng)緩慢，可能也是因?yàn)榕f膜降低了土壤有效積溫，延長(zhǎng)了生育進(jìn)程[15]。

在作物生長(zhǎng)后期，隨著冠層的逐漸增大，葉片相互重疊降低了太陽(yáng)對(duì)地面的輻射強(qiáng)度，地膜的保溫作用相對(duì)降低[16]。史建國(guó)等[15]在河套地區(qū)的試驗(yàn)表明，在食葵苗期以后舊膜與新膜保溫增溫效果并無(wú)差異；蘇永中等[17]研究也表明新膜與舊膜的溫度差異主要發(fā)生在玉米拔節(jié)期前；西北綠洲灌區(qū)的研究表明[18]，舊膜免耕玉米生長(zhǎng)率在抽雄吐絲前較新膜處理低18.34%，但后期舊膜玉米生長(zhǎng)加速，在吐絲期至成熟期較新膜處理提高了17.84%。本研究中CT 和NT 處理在吸熱階段的溫度差異逐漸減小（圖3（b）），從生長(zhǎng)速率來(lái)看，CT 處理在花期、灌漿期和成熟期的地上干物質(zhì)積累速率分別為4.36、5.39、3.03 g/d，NT 處理則為5.08、6.87、3.72 g/d，NT 處理食葵在開(kāi)花后生長(zhǎng)加速，可見(jiàn)溫度不是食葵后期生長(zhǎng)差異的主要影響因素。在鹽堿土壤，若鹽分在耕層積聚過(guò)多會(huì)全面降低作物生長(zhǎng)性狀，尤其危害根系的生長(zhǎng)，并造成減產(chǎn)，因此低鹽堿脅是作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[19]，本試驗(yàn)條件下，受強(qiáng)烈蒸發(fā)的影響，水鹽在夏季的運(yùn)移方式以上行為主[20]，NT 處理收獲后鹽分顯著低于CT處理，這也反映出舊膜覆蓋在作物生育期內(nèi)仍能發(fā)揮控鹽效用，減輕脅迫從而促進(jìn)食葵的后期生長(zhǎng)。充足的水分也是作物高產(chǎn)的必要條件。吳兵等[21]研究表明，舊膜直播措施較露地直播增加了胡麻田土壤貯水量，減少水分耗散，本研究中，收獲期CT 和NT 處理總貯水量無(wú)顯著差異，說(shuō)明和新膜相比，舊膜的保水效應(yīng)未顯著下降，但剖面土壤水分分布不同，這可能是免耕改變了土壤孔隙的數(shù)量、大小分布和連通性，進(jìn)而改變了水分分布[22-23]，下一步需加強(qiáng)免耕舊膜覆蓋對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化的研究。

3.2 鹽堿地一膜兩年覆蓋應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的秋季回收地膜翻耕屬于高投入生產(chǎn)模式，對(duì)機(jī)械和勞動(dòng)力依賴強(qiáng)。免耕一膜兩年覆蓋措施具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。蘇永中等[17]在河西走廊研究結(jié)果表明，免耕舊膜直播結(jié)合秸稈覆蓋栽培方式下凈收入提高 12.5%～17.1%，余秀珍等[24]研究表明寧夏地區(qū)食葵農(nóng)田一膜兩用措施下產(chǎn)投比提高36.17%，趙財(cái)?shù)萚25]認(rèn)為一膜兩用降低了投入成本，是適于西北綠洲灌區(qū)的覆膜農(nóng)田管理新技術(shù)。在河套灌區(qū)，由于近些年來(lái)勞動(dòng)力的缺乏，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)秋收、秋翻、秋澆難的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，另一方面，食葵籽粒收購(gòu)價(jià)格的下降也影響了農(nóng)民增收，降低農(nóng)民種植積極性。本研究中，一膜兩年覆蓋技術(shù)由于減少了食葵收后揭膜、整地、春季覆膜等作業(yè)，降低了對(duì)勞動(dòng)力的依賴，同時(shí)也減少了地膜和機(jī)械的投入成本，顯著提高了產(chǎn)投比，有利于緩解當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)矛盾。一膜兩用與其他栽培措施相結(jié)合的技術(shù)體系還需進(jìn)一步完善，其中，食葵自出苗到封行是膜內(nèi)雜草滋生時(shí)期，因此在實(shí)際推廣應(yīng)用過(guò)程中要注意檢查，若發(fā)現(xiàn)地面內(nèi)封閉不嚴(yán)，可采用壓土法滅草，小草壓土后2～3 d 便會(huì)在膜內(nèi)黃化枯死；此外，本研究采用的0.008 mm 地膜經(jīng)風(fēng)吹日曬后易老化破碎，減弱了保溫效果，應(yīng)用中應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)塑料生產(chǎn)，具有較高強(qiáng)度的增厚型地膜，在減少破損的同時(shí)也可提高地膜回收率，滿足一膜兩年用需求[26]。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的秋季翻耕春季覆新膜措施相比，秋季免耕一膜兩年覆蓋措施顯著改善了土壤水鹽環(huán)境進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)，春播期1 m 土體貯水量提高9.91%，儲(chǔ)鹽量降低35.86%；一膜兩年覆蓋在食葵苗期和蕾期的增溫效應(yīng)低于新膜，但并不影響食葵后期生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量的形成，產(chǎn)值和產(chǎn)投比分別提高2.14%、47.56%，屬于節(jié)本高效型生產(chǎn)模式。