文利軍，史文娟，何子建，高志永，石肖肖

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

水資源短缺與土壤鹽漬化是旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的兩大制約因素.新疆地區(qū)地域遼闊，但由于地處歐亞大陸腹地，降水稀少(年均147 mm)、蒸發(fā)強(qiáng)烈(年均2 125 mm)、地下水埋深淺且礦化度高，土壤的鹽堿化問題尤為突出.膜下滴灌技術(shù)因具有節(jié)水抑鹽保墑等作用而在新疆地區(qū)得到大面積推廣應(yīng)用，面積已達(dá)2.0×106hm2[1].覆膜阻斷了土壤水分與大氣之間的直接聯(lián)系，改變了蒸發(fā)體的上邊界條件，使得土壤蒸發(fā)量大大減小，明顯削弱了膜下土壤鹽分累積，為作物創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境，但根據(jù)長期的應(yīng)用，膜下滴灌技術(shù)是小定額的連續(xù)供水，只能將鹽分從根系驅(qū)趕向旁側(cè)和較深的土壤層次，膜間裸露土壤在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下仍處于鹽分累積狀態(tài)[2].隨著膜下滴灌年限的增長，淺層土壤鹽分逐漸累積，并且累積的層次向地表遷移.在強(qiáng)蒸發(fā)和作物蒸騰作用下，鹽分表聚現(xiàn)象會更強(qiáng)烈，長期應(yīng)用可能會產(chǎn)生一系列新的次生鹽漬化問題[3].因此，在新疆地區(qū)尋求適宜的鹽堿地改良措施對于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

目前，鹽堿地改良的方法主要有物理改良法、化學(xué)改良法、水利改良法和生物改良法[4].傳統(tǒng)的水利工程措施需要大量資金和淡水，而新疆淡水資源匱乏，水利工程改良無法長期大面積實(shí)施；物理改良工程量太大、可以改良的土地面積有限，且持續(xù)性較差；化學(xué)改良主要是通過向土壤中施加化學(xué)改良劑，增加鹽基代換量，改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤pH值，加速脫鹽排堿過程.目前，脫硫石膏因具有改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤透水性、降低土壤pH和提高作物產(chǎn)量等作用，已經(jīng)成為常用的化學(xué)改良劑[5].研究表明，耐鹽植物對鹽堿地有明顯的改良作用[6].與水利措施和物理措施相比，化學(xué)改良和生物改良具有高效、低投資、易養(yǎng)護(hù)、可持續(xù)和易操作等優(yōu)點(diǎn).不同方法對鹽堿地改良作用機(jī)理不同，其效果也受土壤條件、作物種植、管理措施等各種因素的影響.為尋求最適合新疆地區(qū)的鹽堿地改良方式，文中以新疆庫爾勒地區(qū)棉田土壤為研究對象，研究化學(xué)方法、生物方法和生物與化學(xué)綜合法的脫鹽改良效果，以尋求綜合效益最優(yōu)的節(jié)水脫鹽增產(chǎn)改良方法.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理處水利部重點(diǎn)灌溉試驗(yàn)站(86°12′E，41°36′N).區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)強(qiáng)、降雨少、晝夜溫差大.年平均降雨量53.3～62.7 mm，年潛在蒸發(fā)量2 273～2 788 mm，年平均氣溫11.48 ℃，≥10 ℃積溫為4 121.2 ℃，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候.試驗(yàn)地土壤顆粒組成中黏粒占1.82%，粉粒占9.61%，砂粒占88.57%，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)屬砂壤土；土壤容重為1.75 g/cm3.

1.2 試驗(yàn)方案及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置10個(gè)處理，每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為7.5 m×7.0 m.處理包括膜間間作孜然(1#)、堿蓬(8#)、苜蓿(9#)的生物改良處理；分別施加0.75 kg/m2(5#)、1.50 kg/m2(4#)、2.25 kg/m2(7#)石膏劑量的化學(xué)改良處理；孜然+0.75 kg/m2石膏(6#)、堿蓬+0.75 kg/m2石膏(2#)、苜蓿+0.75 kg/m2石膏(3#)的綜合改良處理以及1個(gè)對照組(10#).各處理的棉花種植模式均為一膜兩管四行(見圖1)，灌水方式為膜下滴灌，滴頭流量2.2 L/h，滴頭間距30 cm，棉花株距10 cm.灌溉水源為當(dāng)?shù)厍?，礦化度為0.84 g/L，全生育期灌溉定額為5 250 m3/hm2，灌溉制度如表1所示，其中q為灌溉定額.

圖1 棉花種植模式示意圖(單位：cm)

表1 棉花生育期灌溉制度

棉花于2017年4月23日播種，種植前在土壤中伴施不同施量的石膏.于4月27日即棉花出苗后對生物改良及綜合改良處理的小區(qū)膜間進(jìn)行撒播鹽生植物種子，并覆膜以保證種子萌發(fā)對水分和溫度的需求，待鹽生植物長出子葉后將膜移除.試驗(yàn)中除蟲、除草、打頂?shù)绒r(nóng)藝操作均一致.

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1)土樣的采集及測定

土樣的采集在灌水后的1—2 d進(jìn)行，取土?xí)r間根據(jù)棉花的生育期進(jìn)行，分別在播種后(5月4日)、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1次，且在停止灌水后最后取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)取土深度分別為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的比例制取土壤浸提液，根據(jù)測定的電導(dǎo)率與含鹽量的率定關(guān)系計(jì)算土壤含鹽量，具體關(guān)系式為

W=3.946EC，(R2=0.99,P<0.05),

(1)

式中:EC為電導(dǎo)率值，ms/cm；W為含鹽量，g/kg.

平均含鹽量=(寬行含鹽量+窄行含鹽量+膜間含鹽量)/3.

脫鹽率=(生育期初鹽分含量-生育期末鹽分含量)/生育期初鹽分含量.

土壤中可溶性Na+和Cl-質(zhì)量濃度按土水比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.

2)棉花耗水量采用水量平衡法[7]測定，計(jì)算公式為

ETa=I±ΔW,

(2)

式中：ETa為作物實(shí)際耗水量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為土層土壤儲水量的變化，mm.

3)棉花生理指標(biāo)的測定

各試驗(yàn)小區(qū)分別在內(nèi)行和外行選取并標(biāo)記3株長勢均勻的棉花，蕾期利用LCpro-SD型全自動(dòng)便攜式光合儀測定植株倒數(shù)第三片主莖葉的各項(xiàng)生理指標(biāo)，主要包括蒸騰速率、光合速率、氣體導(dǎo)度和單葉水分利用效率.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中數(shù)據(jù)均取3個(gè)重復(fù)的平均值，采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2016軟件作圖，采用SPSS 18軟件進(jìn)行顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤脫鹽效果分析

為了研究不同生物改良條件下鹽分的動(dòng)態(tài)變化過程，分析了棉花生育期0—100 cm土層生物改良處理土壤鹽分累積情況.如表2所示，表中S為脫鹽率，Wt為整個(gè)土層含鹽量，Wm為膜間含鹽量.從表中可以看出，對照組整個(gè)土層和膜間脫鹽率分別為-307.52%和-221.21%，說明不經(jīng)過任何改良處理的土壤其鹽分處于累積狀態(tài)，且膜間土壤的鹽分累積占整個(gè)土層的71.9%.經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，各生物改良組的脫鹽率差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).相比對照，膜間種植苜蓿的處理整個(gè)土層和膜間的脫鹽率分別為55.97%和20.91%，表示膜間種植苜蓿后整個(gè)土壤處于脫鹽狀態(tài)；孜然和堿蓬的膜間脫鹽率分別為-107.76%和-49.28%，整個(gè)土層二者的脫鹽率分別為-21.43%和-18.77%，均高于對照，表明膜間種植孜然和堿蓬后盡管棉田土壤依然處于積鹽狀態(tài).但與對照相比，其累積的鹽分明顯減少，說明種植孜然和堿蓬后，棉田土壤鹽分的累積受到了明顯抑制，其整個(gè)土層的鹽分抑制率(對照組脫鹽率與處理組脫鹽率的差值/對照組脫鹽率的比值)分別為93.03%和93.89%，膜間的抑制率分別為51.28%和77.72%.

表2 0—100 cm土層不同處理鹽分變化情況

化學(xué)改良處理的棉田0—100 cm土層棉花生育期始末鹽分累積變化情況如表2所示，不同施加量處理的改良效果有明顯差異.對照組的鹽分(平均含鹽量)累積最多，為4.09 g/kg.1.50 kg/m2的石膏處理組效果顯著高于對照組(P<0.05)，脫鹽率為13.77%，呈脫鹽狀態(tài)；其次是2.25 kg/m2的石膏處理組，其脫鹽率為8.88%.造成這種差異的原因是石膏主要成分是CaSO4，溶解后產(chǎn)生Ca2+，Ca2+對土壤膠體吸附的Na+進(jìn)行置換以降低土壤Na+的質(zhì)量濃度，從而降低土壤含鹽量[8].但施加較多的石膏會使土壤中溶解的Ca2+的質(zhì)量濃度增加，從而使土壤鹽分含量增加.0.75 kg/m2的石膏處理組由于石膏施量較少，Ca2+置換的Na+有限，鹽分處于累積狀態(tài)，累積量約為對照組的0.47倍.同一石膏施入量處理下，膜間的鹽分累積量遠(yuǎn)大于整個(gè)土層土壤平均鹽分累積量.3個(gè)石膏處理組的膜間鹽分累積量都較對照組小，石膏施加量越大，脫鹽效果越好.0.75 kg/m2和1.50 kg/m2的石膏處理組膜間鹽分呈累積狀態(tài)，脫鹽率分別為-137.33%和-17.31%.2.25 kg/m2的石膏處理組膜間土壤呈脫鹽狀態(tài)，脫鹽率為2.40%.這與1.50 kg/m2石膏處理的土層平均脫鹽效果最好有所差異，這是由于膜間沒有覆膜，蒸發(fā)強(qiáng)烈，隨水而來的鹽分和Na+也較多，2.25 kg/m2的石膏處理組的Ca2+較其他兩組多，能置換更多的Na+，因此其膜間的脫鹽效果較施加量少的好.

綜合改良措施下0—100 cm土層鹽分累積情況如表2所示.顯然，綜合改良對鹽堿地的含鹽量影響均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).3種綜合改良處理的平均含鹽量W都有所增加，其鹽分均呈累積狀態(tài)，其中苜蓿+石膏的處理鹽分累積最多，脫鹽率S為-42.12%.其次是堿蓬+石膏的處理，孜然+石膏的處理平均鹽分累積量最少，脫鹽率為-18.38%.對于膜間土壤，各處理的改良效果從大到小依次為堿蓬+石膏，孜然+石膏，苜蓿+石膏.在同一處理下，膜間土壤的鹽分累積量要多于整個(gè)土層平均土壤鹽分累積量，孜然+石膏組膜間和整個(gè)土層土壤的含鹽量差異最為明顯，苜蓿+石膏組處理的差異最小.綜合改良與單一的生物改良的結(jié)果有所差異，可能是由于石膏影響了土壤中的離子質(zhì)量濃度，從而對鹽生植物的生長和吸鹽效果產(chǎn)生了影響.

由表2可知，與對照組相比，所有的處理組均能使土壤鹽分累積情況有所改善.整體上，生物改良組優(yōu)于化學(xué)改良組，優(yōu)于綜合改良組.在綜合處理組里3個(gè)處理的平均鹽分都在累積增加，沒有脫鹽效果，只有一定程度的抑鹽效果，孜然+石膏的處理抑鹽效果要明顯好于單一的孜然處理，而苜蓿+石膏的處理則較單一的苜蓿效果差，這可能是石膏對不同的鹽生植物的生長影響不同造成的.相對于0.75 kg/m2石膏的化學(xué)改良，綜合改良優(yōu)于單一的化學(xué)改良.各個(gè)處理組的膜間鹽分含量都較平均含鹽量對應(yīng)的高，這是因?yàn)楦材じ魯嗔四は滤窒虼髿獾恼羯l(fā)，減少了隨水而來的鹽分，而膜間的由于沒有覆膜，鹽隨水而來，水散鹽留，使土壤鹽分累積增加較多.

棉花主根系層位于0—30 cm土層，0—30 cm土層含鹽量對棉花生長發(fā)育影響更為直接，0—30 cm土層生育期始末土壤鹽分變化情況如表3所示.由表可知，與對照組相比，所有處理組均在一定程度上改善了根系層土壤鹽分狀況.苜蓿的脫鹽效果最為顯著(P<0.05)，為對照組的0.22倍.整體上生物改良組平均脫鹽率優(yōu)于化學(xué)改良組和綜合改良組.各處理0—30 cm土層平均脫鹽率明顯高于膜間脫鹽率，這與膜內(nèi)0—30 cm土層鹽分受灌水淋洗有關(guān).

表3 0—30 cm土層不同處理鹽分變化情況

2.2 生育期末土壤離子分布特征

不同改良措施其作用機(jī)理不同，分析土壤鹽分離子分布特征有利于理解改良機(jī)理.為分析不同改良措施對Na+和Cl-分布的影響，對綜合改良(堿蓬+0.75 kg/m2石膏)、化學(xué)改良(0.75 kg/m2石膏)、生物改良(堿蓬)和對照組中的Na+和Cl-分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.圖2為生育期末Cl-在土層不同位置l和深度h的ωCl-分布情況.在生育期末，各處理間Cl-分布有一定的相似之處，同時(shí)也有一定差異.差異主要來源于化學(xué)改良劑的施加對Cl-淋洗的影響和膜間鹽生植物對Cl-的吸收和淋洗的影響，其中，對照組Cl-在寬行15—80 cm和膜間0—40 cm出現(xiàn)聚集，膜間土層聚集較顯著，這主要是受灌水的淋洗和膜間水分蒸發(fā)影響，膜間水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，Cl-表聚嚴(yán)重.綜合改良Cl-在膜間10—40 cm分布最為集中，在寬行和膜間下層土壤也有一定聚集現(xiàn)象，0—10 cm土層Cl-聚集沒有對照組強(qiáng)烈.化學(xué)改良Cl-分布相對較為平均，主要在膜間50—100 cm的膜間土層出現(xiàn)聚集.生物改良的Cl-在寬行0—35 cm和 45—80 cm土層出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，膜間未出現(xiàn)強(qiáng)烈聚集，這可能是由于膜間種植的鹽生植物對Cl-有一定的吸收作用[7].

圖2 氯離子生育期末分布

圖3為生育期末Na+在土層不同位置和深度的ωNa+分布情況.生育期末，對照組在膜間0—40 cm和寬行10—70 cm土層出現(xiàn)聚集.綜合改良在膜間出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，上層0—40 cm土層Na+質(zhì)量濃度要高于40—100 cm土層.化學(xué)改良在0—40 cm土層分布較為均勻，在40—80 cm土層出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這是由于表層土壤施加的改良劑減少了土壤中的Na+質(zhì)量濃度，或者受灌水淋洗使鈉離子向深層聚集.生物改良在膜間表層土壤未出現(xiàn)Na+聚集現(xiàn)象，在窄行下層土壤和寬行出現(xiàn)Na+聚集現(xiàn)象，這主要是受灌水淋洗和膜間間作的鹽生植物對Na+吸收的影響.

圖3 鈉離子生育期末分布

顯然，Na+與Cl-生育期末在土層不同位置分布情況相似.在灌溉水分的淋洗作用下，不同處理滴頭下方的土層離子質(zhì)量濃度相對較低.不同改良措施下，離子分布有一定差異.主要是由于在膜內(nèi)膜間都施加了化學(xué)改良劑，對膜內(nèi)膜間土壤都有一定改良效果.而鹽生植物只種植在膜間，單一的生物改良主要是減少膜間鹽分及離子的聚集，且2種改良的機(jī)理不同，對不同離子的影響也不同.其中，對照組在寬行和膜間土壤離子強(qiáng)烈聚集，一方面是灌水的淋洗使離子向濕潤鋒邊緣移動(dòng)，另一方面是由于膜間水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，易出現(xiàn)離子表聚.綜合改良則在膜間10—40 cm土層出現(xiàn)聚集顯現(xiàn)，上層土壤離子質(zhì)量濃度要略高于下層土壤.化學(xué)改良離子在膜間土層有一定聚集，但相對分布較為均勻.生物改良則在寬行0—40 cm和50—80 cm出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，間作鹽生植物使膜間土層未出現(xiàn)強(qiáng)烈聚集現(xiàn)象.

2.3 不同處理對棉花生理特征的影響

2.3.1 不同處理棉花光合日變化特征

圖4為蕾期不同處理棉花光合特性.由圖4a可以看出，不同處理棉花單葉蒸騰速率Tr呈單峰曲線，從早上10：00開始逐漸增大，并在13：00達(dá)到最大值，蒸騰速率日平均值與最大蒸騰速率均為綜合改良最大，且綜合改良蒸騰速率日平均值為對照組的1.6倍.圖4b為不同改良措施光合速率Pr日變化，其中化學(xué)改良與其他處理的光合速率有明顯差異，光合速率呈雙峰曲線，在13：00—15：00期間光合速率出現(xiàn)抑制.生物改良、綜合改良和對照組光合速率日變化呈單峰曲線，變化趨勢與蒸騰速率一致，從10：00開始逐漸增大，不同處理漲幅不同，均在13：00達(dá)到最大值.圖4c為不同處理氣孔導(dǎo)度Gs日變化情況，處理均呈單峰曲線，氣孔導(dǎo)度從早晨8：00開始逐漸增大，各處理在13：00達(dá)到峰值后隨后開始逐漸減弱，與蒸騰速率變化趨勢相似.除石膏處理在14：00出現(xiàn)最大值以外，其他處理最大值均在13：00附近出現(xiàn).氣孔導(dǎo)度日平均值中綜合改良為對照組的1.8倍.由圖4d可見，單葉水分利用效率WUE變化較為復(fù)雜，生物改良和對照變化趨勢相似，呈雙波谷，分別在13：00和17：00時(shí)到達(dá)波谷.綜合改良呈雙峰曲線，化學(xué)改良呈單峰曲線，并均在17：00達(dá)到最大值.可見，不同改良措施對棉花光合特性有顯著影響，不同改良措施均提高了棉花的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和光合速率，且日平均值均從大到小表現(xiàn)為綜合改良，化學(xué)改良，生物改良，對照.除化學(xué)改良的光合速率日變化呈雙峰曲線外，不同改良的蒸騰速率日變化、氣孔導(dǎo)度日變化和光合速率日變化均為單峰曲線.單葉水分利用效率則相反，從大到小表現(xiàn)為對照、生物改良、化學(xué)改良、綜合改良，即相同的水量能固定更多的CO2.

圖4 不同改良處理棉花光合特性

2.3.2 不同處理對棉花產(chǎn)量及耗水影響

棉花產(chǎn)量是衡量改良效果優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，如表4所示，其中ET為灌水量，I為耗水量，Y為每畝經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，η為灌溉水利用效率.分析得出，各改良措施都有一定增產(chǎn)效果.其中綜合處理組堿蓬+石膏的改良組合效果顯著高于對照(P<0.05)，增產(chǎn)了22.4%，其次是苜蓿+石膏.生物組中苜蓿效果最好，增產(chǎn)了11.7%，孜然的增產(chǎn)效果最差，其產(chǎn)量與對照組無差異.化學(xué)組中0.75 kg/m2石膏的增產(chǎn)效果最為明顯(P<0.05)，增產(chǎn)了21%.

表4表明，對照組的大田棉花群體水分利用效率為0.83，除孜然和孜然+石膏處理組的水分利用效率與對照組無差異外，其他各處理的水分利用效率均顯著高于對照組(P<0.05)，生物改良中水分利用效率最高的是苜蓿，為0.89 kg/m3；化學(xué)改良中水分利用效率最高的是0.75 kg/m2石膏；綜合改良中水分利用效率最高的是堿蓬+石膏.耗水量整體上從大到小依次是生物改良、綜合改良、化學(xué)改良，這是由于鹽生植物的生長也需要消耗一定的水分.施加石膏的土壤持水能力增強(qiáng)，因此綜合改良耗水量少于單一的生物改良.各個(gè)處理的灌溉水利用效率均大于對照組，堿蓬+石膏處理組較對照顯著提高了22.4%(P<0.05).比較各處理水分利用效率和灌溉水利用效率發(fā)現(xiàn)，各處理的2個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)基本一致，水分利用效率和灌溉水利用效率整體表現(xiàn)由高至低依次為化學(xué)改良、綜合改良、生物改良.

表4 各處理棉花產(chǎn)量和水分利用效率

3 結(jié) 論

1)3種改良措施均能使土壤鹽分累積情況有所改善.生物處理組里苜蓿的效果最好，化學(xué)處理組里1.50 kg/m2的石膏處理效果最好，綜合處理中孜然+石膏的效果最好.整體上，生物改良組優(yōu)于化學(xué)改良組，優(yōu)于綜合改良組.化學(xué)改良和綜合改良的離子在膜間土層出現(xiàn)聚集，生物改良在寬行出現(xiàn)聚集.

2)不同改良措施棉花的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和光合速率日平均值從大到小均表現(xiàn)為綜合改良、化學(xué)改良、生物改良、對照.

3)各個(gè)處理相比對照組均在一定程度上提高了棉花大田群體水分利用效率和灌水利用效率，且從低到高依次為生物改良、綜合改良、化學(xué)改良.

4)不同的改良措施對棉花脫(抑)鹽增產(chǎn)效果差異較大，追求單一脫鹽效果的可以選用苜蓿改良.綜合改良組雖然脫鹽效果不是最好的，但有最好的增產(chǎn)效果和較高的大田棉花群體水分利用效率，應(yīng)該在新疆鹽堿地的改良中具有較好的前景.