不同措施对土壤脱盐及棉花生理特征的影响

文利军，史文娟，何子建，高志永，石肖肖

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

水资源短缺与土壤盐渍化是旱区农业发展的两大制约因素.新疆地区地域辽阔，但由于地处欧亚大陆腹地，降水稀少(年均147 mm)、蒸发强烈(年均2 125 mm)、地下水埋深浅且矿化度高，土壤的盐碱化问题尤为突出.膜下滴灌技术因具有节水抑盐保墒等作用而在新疆地区得到大面积推广应用，面积已达2.0×106hm2[1].覆膜阻断了土壤水分与大气之间的直接联系，改变了蒸发体的上边界条件，使得土壤蒸发量大大减小，明显削弱了膜下土壤盐分累积，为作物创造了良好的生长环境，但根据长期的应用，膜下滴灌技术是小定额的连续供水，只能将盐分从根系驱赶向旁侧和较深的土壤层次，膜间裸露土壤在强烈的蒸发作用下仍处于盐分累积状态[2].随着膜下滴灌年限的增长，浅层土壤盐分逐渐累积，并且累积的层次向地表迁移.在强蒸发和作物蒸腾作用下，盐分表聚现象会更强烈，长期应用可能会产生一系列新的次生盐渍化问题[3].因此，在新疆地区寻求适宜的盐碱地改良措施对于该地区经济和农业的可持续发展具有重要意义.

目前，盐碱地改良的方法主要有物理改良法、化学改良法、水利改良法和生物改良法[4].传统的水利工程措施需要大量资金和淡水，而新疆淡水资源匮乏，水利工程改良无法长期大面积实施；物理改良工程量太大、可以改良的土地面积有限，且持续性较差；化学改良主要是通过向土壤中施加化学改良剂，增加盐基代换量，改善土壤理化性质，降低土壤pH值，加速脱盐排碱过程.目前，脱硫石膏因具有改善土壤结构、增加土壤透水性、降低土壤pH和提高作物产量等作用，已经成为常用的化学改良剂[5].研究表明，耐盐植物对盐碱地有明显的改良作用[6].与水利措施和物理措施相比，化学改良和生物改良具有高效、低投资、易养护、可持续和易操作等优点.不同方法对盐碱地改良作用机理不同，其效果也受土壤条件、作物种植、管理措施等各种因素的影响.为寻求最适合新疆地区的盐碱地改良方式，文中以新疆库尔勒地区棉田土壤为研究对象，研究化学方法、生物方法和生物与化学综合法的脱盐改良效果，以寻求综合效益最优的节水脱盐增产改良方法.

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处水利部重点灌溉试验站(86°12′E，41°36′N).区域内蒸发强、降雨少、昼夜温差大.年平均降雨量53.3～62.7 mm，年潜在蒸发量2 273～2 788 mm，年平均气温11.48 ℃，≥10 ℃积温为4 121.2 ℃，属暖温带大陆性荒漠气候.试验地土壤颗粒组成中黏粒占1.82%，粉粒占9.61%，砂粒占88.57%，根据国际制土壤质地分类标准属砂壤土；土壤容重为1.75 g/cm3.

1.2 试验方案及设计

试验共设置10个处理，每种处理设3个重复，试验小区面积为7.5 m×7.0 m.处理包括膜间间作孜然(1#)、碱蓬(8#)、苜蓿(9#)的生物改良处理；分别施加0.75 kg/m2(5#)、1.50 kg/m2(4#)、2.25 kg/m2(7#)石膏剂量的化学改良处理；孜然+0.75 kg/m2石膏(6#)、碱蓬+0.75 kg/m2石膏(2#)、苜蓿+0.75 kg/m2石膏(3#)的综合改良处理以及1个对照组(10#).各处理的棉花种植模式均为一膜两管四行(见图1)，灌水方式为膜下滴灌，滴头流量2.2 L/h，滴头间距30 cm，棉花株距10 cm.灌溉水源为当地渠水，矿化度为0.84 g/L，全生育期灌溉定额为5 250 m3/hm2，灌溉制度如表1所示，其中q为灌溉定额.

图1 棉花种植模式示意图(单位：cm)

表1 棉花生育期灌溉制度

棉花于2017年4月23日播种，种植前在土壤中伴施不同施量的石膏.于4月27日即棉花出苗后对生物改良及综合改良处理的小区膜间进行撒播盐生植物种子，并覆膜以保证种子萌发对水分和温度的需求，待盐生植物长出子叶后将膜移除.试验中除虫、除草、打顶等农艺操作均一致.

1.3 测定项目与方法

1)土样的采集及测定

土样的采集在灌水后的1—2 d进行，取土时间根据棉花的生育期进行，分别在播种后(5月4日)、苗期(6月6日)、蕾期(7月3日)、花铃期(8月3日)、吐絮期(9月12日)各取1次，且在停止灌水后最后取1次.各处理每次取土位置分别为沿垂直膜间方向的膜间中间、宽行中间和窄行滴头下方(见图1)取土深度分别为0,10,20,30,40,60,80,100 cm.

土壤质量含水率采用烘干称质量法(105 ℃，8 h以上)测定.

土壤含盐量采用DDS-307型电导率仪(上海仪电科学仪器)测定，即将烘干土样磨细过2 mm筛，按土水比1∶5的比例制取土壤浸提液，根据测定的电导率与含盐量的率定关系计算土壤含盐量，具体关系式为

W=3.946EC，(R2=0.99,P<0.05),

(1)

式中:EC为电导率值，ms/cm；W为含盐量，g/kg.

平均含盐量=(宽行含盐量+窄行含盐量+膜间含盐量)/3.

脱盐率=(生育期初盐分含量-生育期末盐分含量)/生育期初盐分含量.

土壤中可溶性Na+和Cl-质量浓度按土水比1∶5的比例制取土壤浸提液，利用PXSJ-216型离子分析仪(上海雷磁)测得.

2)棉花耗水量采用水量平衡法[7]测定，计算公式为

ETa=I±ΔW,

(2)

式中：ETa为作物实际耗水量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为土层土壤储水量的变化，mm.

3)棉花生理指标的测定

各试验小区分别在内行和外行选取并标记3株长势均匀的棉花，蕾期利用LCpro-SD型全自动便携式光合仪测定植株倒数第三片主茎叶的各项生理指标，主要包括蒸腾速率、光合速率、气体导度和单叶水分利用效率.

1.4 数据处理

试验中数据均取3个重复的平均值，采用Excel 2016软件进行数据处理，采用Origin 2016软件作图，采用SPSS 18软件进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤脱盐效果分析

为了研究不同生物改良条件下盐分的动态变化过程，分析了棉花生育期0—100 cm土层生物改良处理土壤盐分累积情况.如表2所示，表中S为脱盐率，Wt为整个土层含盐量，Wm为膜间含盐量.从表中可以看出，对照组整个土层和膜间脱盐率分别为-307.52%和-221.21%，说明不经过任何改良处理的土壤其盐分处于累积状态，且膜间土壤的盐分累积占整个土层的71.9%.经统计分析，各生物改良组的脱盐率差异均具有统计学意义(P<0.05).相比对照，膜间种植苜蓿的处理整个土层和膜间的脱盐率分别为55.97%和20.91%，表示膜间种植苜蓿后整个土壤处于脱盐状态；孜然和碱蓬的膜间脱盐率分别为-107.76%和-49.28%，整个土层二者的脱盐率分别为-21.43%和-18.77%，均高于对照，表明膜间种植孜然和碱蓬后尽管棉田土壤依然处于积盐状态.但与对照相比，其累积的盐分明显减少，说明种植孜然和碱蓬后，棉田土壤盐分的累积受到了明显抑制，其整个土层的盐分抑制率(对照组脱盐率与处理组脱盐率的差值/对照组脱盐率的比值)分别为93.03%和93.89%，膜间的抑制率分别为51.28%和77.72%.

表2 0—100 cm土层不同处理盐分变化情况

化学改良处理的棉田0—100 cm土层棉花生育期始末盐分累积变化情况如表2所示，不同施加量处理的改良效果有明显差异.对照组的盐分(平均含盐量)累积最多，为4.09 g/kg.1.50 kg/m2的石膏处理组效果显著高于对照组(P<0.05)，脱盐率为13.77%，呈脱盐状态；其次是2.25 kg/m2的石膏处理组，其脱盐率为8.88%.造成这种差异的原因是石膏主要成分是CaSO4，溶解后产生Ca2+，Ca2+对土壤胶体吸附的Na+进行置换以降低土壤Na+的质量浓度，从而降低土壤含盐量[8].但施加较多的石膏会使土壤中溶解的Ca2+的质量浓度增加，从而使土壤盐分含量增加.0.75 kg/m2的石膏处理组由于石膏施量较少，Ca2+置换的Na+有限，盐分处于累积状态，累积量约为对照组的0.47倍.同一石膏施入量处理下，膜间的盐分累积量远大于整个土层土壤平均盐分累积量.3个石膏处理组的膜间盐分累积量都较对照组小，石膏施加量越大，脱盐效果越好.0.75 kg/m2和1.50 kg/m2的石膏处理组膜间盐分呈累积状态，脱盐率分别为-137.33%和-17.31%.2.25 kg/m2的石膏处理组膜间土壤呈脱盐状态，脱盐率为2.40%.这与1.50 kg/m2石膏处理的土层平均脱盐效果最好有所差异，这是由于膜间没有覆膜，蒸发强烈，随水而来的盐分和Na+也较多，2.25 kg/m2的石膏处理组的Ca2+较其他两组多，能置换更多的Na+，因此其膜间的脱盐效果较施加量少的好.

综合改良措施下0—100 cm土层盐分累积情况如表2所示.显然，综合改良对盐碱地的含盐量影响均有统计学意义(P<0.05).3种综合改良处理的平均含盐量W都有所增加，其盐分均呈累积状态，其中苜蓿+石膏的处理盐分累积最多，脱盐率S为-42.12%.其次是碱蓬+石膏的处理，孜然+石膏的处理平均盐分累积量最少，脱盐率为-18.38%.对于膜间土壤，各处理的改良效果从大到小依次为碱蓬+石膏，孜然+石膏，苜蓿+石膏.在同一处理下，膜间土壤的盐分累积量要多于整个土层平均土壤盐分累积量，孜然+石膏组膜间和整个土层土壤的含盐量差异最为明显，苜蓿+石膏组处理的差异最小.综合改良与单一的生物改良的结果有所差异，可能是由于石膏影响了土壤中的离子质量浓度，从而对盐生植物的生长和吸盐效果产生了影响.

由表2可知，与对照组相比，所有的处理组均能使土壤盐分累积情况有所改善.整体上，生物改良组优于化学改良组，优于综合改良组.在综合处理组里3个处理的平均盐分都在累积增加，没有脱盐效果，只有一定程度的抑盐效果，孜然+石膏的处理抑盐效果要明显好于单一的孜然处理，而苜蓿+石膏的处理则较单一的苜蓿效果差，这可能是石膏对不同的盐生植物的生长影响不同造成的.相对于0.75 kg/m2石膏的化学改良，综合改良优于单一的化学改良.各个处理组的膜间盐分含量都较平均含盐量对应的高，这是因为覆膜隔断了膜下水分向大气的蒸散发，减少了随水而来的盐分，而膜间的由于没有覆膜，盐随水而来，水散盐留，使土壤盐分累积增加较多.

棉花主根系层位于0—30 cm土层，0—30 cm土层含盐量对棉花生长发育影响更为直接，0—30 cm土层生育期始末土壤盐分变化情况如表3所示.由表可知，与对照组相比，所有处理组均在一定程度上改善了根系层土壤盐分状况.苜蓿的脱盐效果最为显著(P<0.05)，为对照组的0.22倍.整体上生物改良组平均脱盐率优于化学改良组和综合改良组.各处理0—30 cm土层平均脱盐率明显高于膜间脱盐率，这与膜内0—30 cm土层盐分受灌水淋洗有关.

表3 0—30 cm土层不同处理盐分变化情况

2.2 生育期末土壤离子分布特征

不同改良措施其作用机理不同，分析土壤盐分离子分布特征有利于理解改良机理.为分析不同改良措施对Na+和Cl-分布的影响，对综合改良(碱蓬+0.75 kg/m2石膏)、化学改良(0.75 kg/m2石膏)、生物改良(碱蓬)和对照组中的Na+和Cl-分布进行统计分析.图2为生育期末Cl-在土层不同位置l和深度h的ωCl-分布情况.在生育期末，各处理间Cl-分布有一定的相似之处，同时也有一定差异.差异主要来源于化学改良剂的施加对Cl-淋洗的影响和膜间盐生植物对Cl-的吸收和淋洗的影响，其中，对照组Cl-在宽行15—80 cm和膜间0—40 cm出现聚集，膜间土层聚集较显著，这主要是受灌水的淋洗和膜间水分蒸发影响，膜间水分蒸发强烈，Cl-表聚严重.综合改良Cl-在膜间10—40 cm分布最为集中，在宽行和膜间下层土壤也有一定聚集现象，0—10 cm土层Cl-聚集没有对照组强烈.化学改良Cl-分布相对较为平均，主要在膜间50—100 cm的膜间土层出现聚集.生物改良的Cl-在宽行0—35 cm和 45—80 cm土层出现聚集现象，膜间未出现强烈聚集，这可能是由于膜间种植的盐生植物对Cl-有一定的吸收作用[7].

图2 氯离子生育期末分布

图3为生育期末Na+在土层不同位置和深度的ωNa+分布情况.生育期末，对照组在膜间0—40 cm和宽行10—70 cm土层出现聚集.综合改良在膜间出现聚集现象，上层0—40 cm土层Na+质量浓度要高于40—100 cm土层.化学改良在0—40 cm土层分布较为均匀，在40—80 cm土层出现聚集现象，这是由于表层土壤施加的改良剂减少了土壤中的Na+质量浓度，或者受灌水淋洗使钠离子向深层聚集.生物改良在膜间表层土壤未出现Na+聚集现象，在窄行下层土壤和宽行出现Na+聚集现象，这主要是受灌水淋洗和膜间间作的盐生植物对Na+吸收的影响.

图3 钠离子生育期末分布

显然，Na+与Cl-生育期末在土层不同位置分布情况相似.在灌溉水分的淋洗作用下，不同处理滴头下方的土层离子质量浓度相对较低.不同改良措施下，离子分布有一定差异.主要是由于在膜内膜间都施加了化学改良剂，对膜内膜间土壤都有一定改良效果.而盐生植物只种植在膜间，单一的生物改良主要是减少膜间盐分及离子的聚集，且2种改良的机理不同，对不同离子的影响也不同.其中，对照组在宽行和膜间土壤离子强烈聚集，一方面是灌水的淋洗使离子向湿润锋边缘移动，另一方面是由于膜间水分蒸发强烈，易出现离子表聚.综合改良则在膜间10—40 cm土层出现聚集显现，上层土壤离子质量浓度要略高于下层土壤.化学改良离子在膜间土层有一定聚集，但相对分布较为均匀.生物改良则在宽行0—40 cm和50—80 cm出现聚集现象，间作盐生植物使膜间土层未出现强烈聚集现象.

2.3 不同处理对棉花生理特征的影响

2.3.1 不同处理棉花光合日变化特征

图4为蕾期不同处理棉花光合特性.由图4a可以看出，不同处理棉花单叶蒸腾速率Tr呈单峰曲线，从早上10：00开始逐渐增大，并在13：00达到最大值，蒸腾速率日平均值与最大蒸腾速率均为综合改良最大，且综合改良蒸腾速率日平均值为对照组的1.6倍.图4b为不同改良措施光合速率Pr日变化，其中化学改良与其他处理的光合速率有明显差异，光合速率呈双峰曲线，在13：00—15：00期间光合速率出现抑制.生物改良、综合改良和对照组光合速率日变化呈单峰曲线，变化趋势与蒸腾速率一致，从10：00开始逐渐增大，不同处理涨幅不同，均在13：00达到最大值.图4c为不同处理气孔导度Gs日变化情况，处理均呈单峰曲线，气孔导度从早晨8：00开始逐渐增大，各处理在13：00达到峰值后随后开始逐渐减弱，与蒸腾速率变化趋势相似.除石膏处理在14：00出现最大值以外，其他处理最大值均在13：00附近出现.气孔导度日平均值中综合改良为对照组的1.8倍.由图4d可见，单叶水分利用效率WUE变化较为复杂，生物改良和对照变化趋势相似，呈双波谷，分别在13：00和17：00时到达波谷.综合改良呈双峰曲线，化学改良呈单峰曲线，并均在17：00达到最大值.可见，不同改良措施对棉花光合特性有显著影响，不同改良措施均提高了棉花的蒸腾速率、气孔导度和光合速率，且日平均值均从大到小表现为综合改良，化学改良，生物改良，对照.除化学改良的光合速率日变化呈双峰曲线外，不同改良的蒸腾速率日变化、气孔导度日变化和光合速率日变化均为单峰曲线.单叶水分利用效率则相反，从大到小表现为对照、生物改良、化学改良、综合改良，即相同的水量能固定更多的CO2.

图4 不同改良处理棉花光合特性

2.3.2 不同处理对棉花产量及耗水影响

棉花产量是衡量改良效果优劣的一个重要指标，如表4所示，其中ET为灌水量，I为耗水量，Y为每亩经济产量，η为灌溉水利用效率.分析得出，各改良措施都有一定增产效果.其中综合处理组碱蓬+石膏的改良组合效果显著高于对照(P<0.05)，增产了22.4%，其次是苜蓿+石膏.生物组中苜蓿效果最好，增产了11.7%，孜然的增产效果最差，其产量与对照组无差异.化学组中0.75 kg/m2石膏的增产效果最为明显(P<0.05)，增产了21%.

表4表明，对照组的大田棉花群体水分利用效率为0.83，除孜然和孜然+石膏处理组的水分利用效率与对照组无差异外，其他各处理的水分利用效率均显著高于对照组(P<0.05)，生物改良中水分利用效率最高的是苜蓿，为0.89 kg/m3；化学改良中水分利用效率最高的是0.75 kg/m2石膏；综合改良中水分利用效率最高的是碱蓬+石膏.耗水量整体上从大到小依次是生物改良、综合改良、化学改良，这是由于盐生植物的生长也需要消耗一定的水分.施加石膏的土壤持水能力增强，因此综合改良耗水量少于单一的生物改良.各个处理的灌溉水利用效率均大于对照组，碱蓬+石膏处理组较对照显著提高了22.4%(P<0.05).比较各处理水分利用效率和灌溉水利用效率发现，各处理的2个指标表现基本一致，水分利用效率和灌溉水利用效率整体表现由高至低依次为化学改良、综合改良、生物改良.

表4 各处理棉花产量和水分利用效率

3 结 论

1)3种改良措施均能使土壤盐分累积情况有所改善.生物处理组里苜蓿的效果最好，化学处理组里1.50 kg/m2的石膏处理效果最好，综合处理中孜然+石膏的效果最好.整体上，生物改良组优于化学改良组，优于综合改良组.化学改良和综合改良的离子在膜间土层出现聚集，生物改良在宽行出现聚集.

2)不同改良措施棉花的蒸腾速率、气孔导度和光合速率日平均值从大到小均表现为综合改良、化学改良、生物改良、对照.

3)各个处理相比对照组均在一定程度上提高了棉花大田群体水分利用效率和灌水利用效率，且从低到高依次为生物改良、综合改良、化学改良.

4)不同的改良措施对棉花脱(抑)盐增产效果差异较大，追求单一脱盐效果的可以选用苜蓿改良.综合改良组虽然脱盐效果不是最好的，但有最好的增产效果和较高的大田棉花群体水分利用效率，应该在新疆盐碱地的改良中具有较好的前景.