一膜两年覆盖对河套灌区盐碱土 水盐分布和食葵生长的影响

卢 闯，靳存旺，李二珍，杨柳青，李建忠，王 婧，逄焕成，李玉义*

（1. 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.北京农业信息技术研究中心， 北京 100097；3.五原县农牧业技术推广中心，内蒙古 五原015100）

0 引 言1

【研究意义】内蒙古河套灌区是我国重要的粮油生产基地，受特殊的地形和气候条件影响，当地土壤盐渍化及次生盐渍化严重，限制了农田的高效利用[1]。地膜不透气不透水，可以阻隔表层土壤与大气间的水分传输从而抑制盐分表聚，使表层土壤含盐量降至作物耐受范围内[2]，因而成为河套灌区作物栽培和盐渍土改良的重要农艺措施，从1982 年开始大面积推广至今。近年来，随着灌区覆盖面积的增长，地膜用量也逐年递增，据统计，2017 年河套灌区地膜年使用量达到2.32 万t[3]，而回收率只有约60%。大量的难分解残留地膜不仅会造成白色污染、耕层退化等生态环境问题，而且还会阻碍作物出苗、影响根系发育从而降低作物产量和品质[4-5]。地膜残留的危害不仅引起学者关注，也得到了国家有关部门的高度重视，2019 年农业农村部发布了《关于加快推进农用地膜污染防治的意见》，将地膜污染列为农业农村污染防治的重点[6]。因此，在河套灌区“无膜不植”的背景下，寻求地膜减量的生产方式是当地农业可持续发展的重要内容。【研究进展】旱作农业区近年来推行的地膜二次利用免耕栽培技术在减少地膜投入方面具有一定的应用效果，研究表明，一膜两年覆盖处理在玉米整个生育期内的耗水结构和常规覆膜无显著差异[7]；玉米茬一膜两年用，免耕穴播小麦的生产方式可减少20%的灌水量和氮肥用量[8]；一膜两年覆盖技术结合沟垄作或平作可降低作物耗水量并提高降水利用率，实现节本增效[9]。【切入点】目前相关研究多集中于地膜再利用对土壤-作物系统水分平衡的影响等方面，关于一膜两年覆盖在河套灌区盐渍化土壤上的应用研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】基于此，本试验选取中度盐渍化土壤，研究了一膜两年覆盖对土壤水盐分布、温度变化和食葵生长的影响，以期为该地区制定科学有效的地膜减量化栽培方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于内蒙古河套灌区五原县塔尔湖镇蛇林村一社，试验区地处41°08′N，107°57′E，海拔高度1 022 m，属于中温带半干旱大陆性气候，全年日照时间3 263 h，年均温度6.1 ℃，>10 ℃的积温3 363 ℃，无霜期120 d，年平均降水量为176.4 mm，年平均蒸发量为2 056.1 mm。2011 年10 月—2012 年5 月休闲期降水25.9 mm，蒸发1 050.8 mm；2012 年5—10 月作物生育期内降水310.5 mm，蒸发1 030.6 mm。试验区0～100 cm 层土壤为粉砂壤土，按盐土分类为氯化物-硫酸盐土，0～40 cm 土层平均体积质量为1.45 g/cm3，土壤孔隙度53.87%，田间持水率为28.17%，有机质量9.54 g/kg，全氮量0.51 g/kg，碱解氮量31.89 mg/kg，速效磷量3.09 mg/kg，速效钾量118.93 mg/kg。生育期内地下水埋深变幅为1.10～1.70 m。0～40 cm 各土层土壤盐分及离子组成见表1。

表1 试验区基础土壤盐分量与离子组成 Table 1 Basic soil salt content and ion composition in experimental area g/kg

1.2 试验设计

试验于2011 年10 月—2012 年10 月进行，食葵生长季为2012 年6 月2 日—9 月25 日，设置CT（秋季翻耕春季覆新膜），NT（秋季留膜免耕）2 个处理，采用大区试验，每个处理占地0.2 hm2，大区之间设置田埂和5 m 保护行。

2011 年食葵生长季统一采用70 cm 宽，0.008 mm厚的农用塑料薄膜覆盖地表，膜间距20 cm，膜间地表裸露。2011 年10 月食葵收获后，CT 处理回收地膜并翻耕土壤，NT 处理保留地膜免耕，尽量保持膜的完整性。

2012 年5 月27 日进行春灌，灌溉方式为大水漫灌，根据灌溉脱盐效率和地下水深度确定灌水量为1 850 m3/hm2，灌溉水源为黄河水（矿化度为0.58 g/L、pH 值8.23），灌溉后CT 处理覆相同规格新膜，NT 处理沿用旧膜。播种前条施底肥，施入尿素（含N 46.4%）270 kg/hm2，磷酸二铵（含P2O545%，N 15%）300 kg/hm2，硫酸钾（含K2O 50%）150 kg/hm2，在膜外开沟10 cm 施肥后覆土。2012 年6 月2 日人工点播，供试验作物为食用向日葵（Helianthus Annuus），品种为LD5009，一膜两行种植，株距48.5 cm，种植密度37 000 株/hm2；9 月25 日收获测产，其他田间管理与当地农户一致。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤水盐量

2012 年食葵收获后利用环刀法测定剖面土壤体积质量，CT 处理0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 体积质量分别为1.47、1.46、1.45、1.50、1.46、1.48、1.49 g/cm3，NT 处理则分别为1.55、1.51、1.48、1.45、1.44、1.48、1.50 g/cm3。

2012 年食葵播种前和收获后，利用不锈钢土钻在大区内按20 m×10 m 的单元格膜下取土，取样层次为0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，采用烘干法测定土壤质量含水率；风干土磨碎后过2 mm 筛，以1∶5 土水比提取土壤浸提液上清液，用DDS-307 电导率仪测定浸提液电导率，根据式（1）将电导率转化为土壤含盐量：

式中：S 为土壤含盐量（g/kg）；EC1:5为土水比1∶5下的电导率（μS/cm）；0.064 为换算系数。

使用式（2）计算0～100 cm 土壤贮水量：

式中：SWS 为单位面积的1 m 土体土壤贮水量（mm）；h 为土壤深度（cm）；ρ 为土壤体积质量（g/cm3）；W 为土壤含水率（%）。

根据式（3）计算0～100 cm 土壤储盐量：

式中：SSS 表示单位面积（1 m2）1 m 土体中储存的盐分量（g）。

1.3.2 地温测定

使用插入式地温温度计，从6 月9 日开始每隔3天测定1 天中06:00 和14:00 的不同处理5、10、15、20 cm 深度土壤温度。

1.3.3 农艺性状

分别于2012 年6 月12 日和21 日统计出苗率和成苗率，CT、NT 处理食葵出苗率分别为98%、96%，成苗率分别为97%、94%。在2012 年的7 月21 日、8月1 日、8 月19 日、9 月16 日分别测定株高、茎粗、盘径、叶面积、地上和地下部干质量，代表食葵蕾期、盛花期、灌浆期、成熟期农艺性状。干物质量测定先在105 ℃下置烘箱内杀青，然后在80 ℃恒温条件下烘烤至恒质量后称质量。

1.4 数据处理

数据采用Micro Office Excel 2013 进行基本数据处理，采用SPSS 13.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 一膜两年覆盖对土壤水盐分布的影响

2012 年食葵春播前，CT 和NT 处理土壤含水率均随土层深度的增加而增加（图1（a）），NT 处理在0～80 cm 各层次的含水率均显著高于CT 处理，平均含水率提高11.88%；从1 m 土体贮水量来看（表2），2012 年春播前CT 和NT 处理贮水量分别为404.28、444.35 mm，NT 处理较CT 处理显著提高9.91%。2012年作物收获后，CT 和NT 处理水分在剖面中的分布特征不一致（图1（b）），CT 处理土壤含水率随土层深度波状起伏，而NT 处理整体表现为随深度的增加而增大的趋势，2 个处理在10～60 cm 层次土壤含水率差异显著，其中在10～20 cm 和40～60 cm 土层NT处理分别较CT 处理显著降低10.89%、11.85%，在20～40 cm 土层NT 处理较CT 处理显著提高13.52%，此时期1 m 土体总贮水量并无显著差异，CT 和NT 处理贮水量分别为357.65、348.12 mm（表2）。

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

表2 土壤贮水量和储盐量 Table 2 Soil water storage and soil salt storage

如图2（a）所示，2012 年作物春播前NT 处理在0～100 cm 各土层的含盐量均显著低于CT 处理，2012 年作物收获后盐分剖面分布不同，CT 处理呈先增大后降低趋势，较多盐分积聚在20～40 cm 土层，而NT 处理盐分随土壤深度的增加总体呈降低趋势，NT 处理除表层0～5 cm 土层含盐量略低于CT 处理未达显著水平外，5～100 cm 土层含盐量均显著低于CT 处理。从总储盐量来看（表2），春播前CT 和NT处理在单位面积（1 m2）、单位高度（1 m）土体内的储盐量分别为2 200.65、1 411.97 g，NT 处理较CT处理显著降低35.86%；收获后NT 处理1 m 土体总储盐量也较CT 处理显著降低42.07%。

图2 2012 年春播前及收获后剖面土壤含盐量 Fig.2 Soil salt content in profiles before spring sowing and after harvest at 2012

2.2 一膜两年覆盖对土壤温度的影响

食葵生长苗期和蕾期温度变化如图3 所示。在夜晚散热过程中，深层土壤的热量向表层土壤传导，因此06:00 时刻土壤温度总体随深度的加深而升高（图3（a）），从苗期和蕾期的温度均值来看，NT 处理5、10、15、20 cm 土层的温度分别较CT 处理低0.9、1.0、1.2、1.3 ℃。在14:00（图3（b）），土壤吸热并向下传导热量，温度随深度的增加而降低，NT 处理保温效果较弱，在5、10、15、20 cm 土层的平均温度分别较CT 处理低1.7、1.2、0.9、1.5 ℃，但随着时间的推移，CT 与NT 处理间14:00 时刻的温差逐渐减小，其中在6 月9—24 日，NT 处理5 cm 土层平均温度较CT 处理低2.7 ℃，而在7 月12—27 日，NT 处理5 cm土层平均温度较CT 处理低0.9 ℃。

图3 不同层次土壤温度连续变化 Fig.3 Variation of soil temperature at different soil depth

表3 食葵不同时期农艺性状及干物质量 Table 3 Agronomic characters and dry matter of sunflower at different growth stage

2.3 一膜两年覆盖对食葵生长的影响

食葵各时期农艺性状和干物质量如表3 所示。蕾期NT 处理食葵株高较CT 处理显著低23.81%，茎粗则无显著差异；开花后NT 处理花盘直径显著低于CT 处理；灌浆期NT 处理茎粗和盘径与CT 处理无显著差异，株高、叶面积则分别较CT 处理显著提高9.78%、18.42%；至作物成熟期，NT 处理各方面长势均优于CT 处理。食葵地上和地下干物质量变化趋势和农艺指标趋势基本一致。在蕾期，NT 处理由于土壤积温较低，地上、地下干物质量分别较CT 处理低7.51%、23.61%；开花后CT 和NT 干物质量无显著差异，灌浆和成熟期NT 处理干物质量显著提高；从干物质积累速率来看，CT 处理在蕾期至花期、花期至灌浆、灌浆至成熟3 个生长阶段的地上干物质积累速率分别为4.36、5.39、3.03 g/d，NT 处理则为5.08、6.87、3.72 g/d，NT 处理作物在进入盛花期后生长加速，整个生育期来看NT 处理地上、地下干物质积累速率分别较CT 处理提高23.50%、26.59%。

2.4 一膜两年覆盖产投比

表4 为CT 和NT 处理经济效益。由表4 可知CT处理地膜、耕作和人工投入占总投入的39.64%，NT处理可节约成本，每公顷减少秋翻、地膜和人工共 2 550 元，此外，免耕旧膜再利用对作物产量无显著影响，NT 较CT 处理每公顷产量提高72 kg，每公顷增效约547 元，使用旧膜合计可增收3 097 元/hm2。CT 和NT 处理产投比分别为3.07、4.53，秋季免耕旧膜再利用具有显著的经济效益。

表4 不同处理经济效益 Table 4 Economic benefit of two treatments

3 讨 论

3.1 盐碱地一膜两年覆盖与土壤环境、作物生长

河套灌区从秋收至翌年春播有长达7 个月之久的休闲期，在此期间，受地下水位和气候变化的影响，区域土壤盐分呈现“春积秋返”的季节性变化特征，该地区传统的秋季回收地膜并翻耕的方法提高了秋浇淋盐效率，但同时也造成了大量地膜残留，而且地表长期裸露增加了水分无效蒸发，促进了盐分上行，尤其是在春季，表层土壤强烈积盐使作物出苗立苗受到盐分胁迫[10-11]，因此降低春播时期的土壤积盐对作物正常生长具有重要意义。梁建财等[12]研究表明，秋季休闲期将秸秆覆盖地表，次年春玉米播种时0～40 cm 土壤含盐量降低55.26%，0～120 cm 土壤贮水量提高了12.11%；本研究中，秋季旧膜再利用同样具有一定的抑盐保水效果，春播前NT 处理土壤盐分储量显著降低35.86%，1 m 土体贮水量显著高于CT 处理，旧膜覆盖措施保住了农田休闲期水分，同时减少了盐分的上行表聚，淡化耕层土壤，能够为作物出苗创造高水低盐的有利环境，NT 处理出苗率和保苗率分别达到了96%、94%，在河套灌区属于较高出苗水平[13]，但相较于CT 处理略低，可能与前期的温度差异有关，本研究中NT 处理0～25 cm 土壤的保温效果弱于新膜，这主要是因为河套灌区的秋季强风容易造成地膜破损裂解[14]，保温效果下降造成出苗阶段积温略低。另一方面，NT 处理作物前期生长缓慢，可能也是因为旧膜降低了土壤有效积温，延长了生育进程[15]。

在作物生长后期，随着冠层的逐渐增大，叶片相互重叠降低了太阳对地面的辐射强度，地膜的保温作用相对降低[16]。史建国等[15]在河套地区的试验表明，在食葵苗期以后旧膜与新膜保温增温效果并无差异；苏永中等[17]研究也表明新膜与旧膜的温度差异主要发生在玉米拔节期前；西北绿洲灌区的研究表明[18]，旧膜免耕玉米生长率在抽雄吐丝前较新膜处理低18.34%，但后期旧膜玉米生长加速，在吐丝期至成熟期较新膜处理提高了17.84%。本研究中CT 和NT 处理在吸热阶段的温度差异逐渐减小（图3（b）），从生长速率来看，CT 处理在花期、灌浆期和成熟期的地上干物质积累速率分别为4.36、5.39、3.03 g/d，NT 处理则为5.08、6.87、3.72 g/d，NT 处理食葵在开花后生长加速，可见温度不是食葵后期生长差异的主要影响因素。在盐碱土壤，若盐分在耕层积聚过多会全面降低作物生长性状，尤其危害根系的生长，并造成减产，因此低盐碱胁是作物生长、产量形成的基础[19]，本试验条件下，受强烈蒸发的影响，水盐在夏季的运移方式以上行为主[20]，NT 处理收获后盐分显著低于CT处理，这也反映出旧膜覆盖在作物生育期内仍能发挥控盐效用，减轻胁迫从而促进食葵的后期生长。充足的水分也是作物高产的必要条件。吴兵等[21]研究表明，旧膜直播措施较露地直播增加了胡麻田土壤贮水量，减少水分耗散，本研究中，收获期CT 和NT 处理总贮水量无显著差异，说明和新膜相比，旧膜的保水效应未显著下降，但剖面土壤水分分布不同，这可能是免耕改变了土壤孔隙的数量、大小分布和连通性，进而改变了水分分布[22-23]，下一步需加强免耕旧膜覆盖对土壤水分动态变化的研究。

3.2 盐碱地一膜两年覆盖应用前景

传统的秋季回收地膜翻耕属于高投入生产模式，对机械和劳动力依赖强。免耕一膜两年覆盖措施具有一定的经济效益。苏永中等[17]在河西走廊研究结果表明，免耕旧膜直播结合秸秆覆盖栽培方式下净收入提高 12.5%～17.1%，余秀珍等[24]研究表明宁夏地区食葵农田一膜两用措施下产投比提高36.17%，赵财等[25]认为一膜两用降低了投入成本，是适于西北绿洲灌区的覆膜农田管理新技术。在河套灌区，由于近些年来劳动力的缺乏，当地出现秋收、秋翻、秋浇难的现实问题，另一方面，食葵籽粒收购价格的下降也影响了农民增收，降低农民种植积极性。本研究中，一膜两年覆盖技术由于减少了食葵收后揭膜、整地、春季覆膜等作业，降低了对劳动力的依赖，同时也减少了地膜和机械的投入成本，显著提高了产投比，有利于缓解当地的生产矛盾。一膜两用与其他栽培措施相结合的技术体系还需进一步完善，其中，食葵自出苗到封行是膜内杂草滋生时期，因此在实际推广应用过程中要注意检查，若发现地面内封闭不严，可采用压土法灭草，小草压土后2～3 d 便会在膜内黄化枯死；此外，本研究采用的0.008 mm 地膜经风吹日晒后易老化破碎，减弱了保温效果，应用中应选择优质塑料生产，具有较高强度的增厚型地膜，在减少破损的同时也可提高地膜回收率，满足一膜两年用需求[26]。

4 结 论

与传统的秋季翻耕春季覆新膜措施相比，秋季免耕一膜两年覆盖措施显著改善了土壤水盐环境进而促进作物生长，春播期1 m 土体贮水量提高9.91%，储盐量降低35.86%；一膜两年覆盖在食葵苗期和蕾期的增温效应低于新膜，但并不影响食葵后期生长和籽粒产量的形成，产值和产投比分别提高2.14%、47.56%，属于节本高效型生产模式。