濱海鹽堿地溝播覆膜植棉技術增產機理研究

孫池濤，馮 棣，于 超，孫景生，張俊鵬，馮國藝，張 謙

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業農村部作物需水過程與調控重點實驗室，河南 新鄉 453002；2.山東農業大學 水利土木工程學院 山東 泰安 271018；3.濰坊科技學院，山東 濰坊 262700；4.河北省農林科學院棉花研究所，石家莊 050051）

0 引言

【研究意義】鹽堿地是我國重要的后備耕地資源，是保障我國糧食安全及戰略物資儲備豐盈的基礎[1-2]。棉花作為鹽堿地開發利用的先鋒作物，在濱海鹽堿地廣泛種植，鹽堿地棉花也早已成為中國棉花主要生態類型之一[3]。【研究進展】以往有關鹽堿地栽培技術的相關研究已有很多。孫池濤等[4]對比了滴灌條件下不同植棉方式對土壤水鹽運移的影響；文利軍等[5]分析了不同改良措施對膜下滴灌棉田土壤脫鹽效果及棉花生理特征的影響，指出綜合措施改良效果優于單一措施，無論何種措施對鹽堿地進行改良，作物水分利用效率及灌溉水利用效率均顯著提升；鄭春蓮等[6]研究了長期咸水溝灌對土壤水鹽變化與棉花生長及產量的影響，指出4 g/L 為咸水溝灌適宜礦化度閾值；Ganjegunte 等[7]研究了電磁感應法在鹽堿地灌溉中的應用。【切入點】縱觀已有報道可知，以往研究中多側重于鹽堿地改良措施或咸水利用對土壤水鹽運移或作物生理生長的單方面的影響研究，而改良技術對作物增產的機理報道鮮見。環渤海地區擁有近270 萬hm2的中低產田，棉花播種面積約有170 萬hm2，該區域棉花栽培多以平播覆膜和溝播覆膜2 種栽培技術為主[8]。溝播覆膜栽培技術在我國許多地區廣泛應用，而該區域溝播覆膜栽培技術的增產機理相關報道罕見。【擬解決關鍵問題】本文擬通過探究平播覆膜和溝播覆膜栽培技術對河北濱海平原區重度鹽堿地棉花生長及土壤水鹽變化的影響，旨在揭示溝播覆膜技術的保水、抑鹽、增產機理，為當地棉花栽培提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2014年和2015年在河北省海興縣國營農場（117°20′E，37°58′N）進行。試驗區氣候類型為暖溫帶季風性氣候，多年平均降水量為582 mm，約70%的降水集中在7—9月。2014年和2015年棉花生育期內降水量和最高氣溫、最低氣溫及其分布如圖1所示。2014年降水量分布相對分散，大于30 mm 強降水主要集中在2014年8月初至9月初之間，年總降水量為222.1 mm；2015年有2次大于50 mm強降水，分別在4月初和8月初，年總降水量為466.93 mm。2014年年平均最高氣溫和年平均最低氣溫分別為25.82 ℃和15.34 ℃；2015年年平均最高氣溫和年平均最低氣溫分別為24.68 ℃和15.31 ℃。研究區土壤粒徑組成見表1，土壤為粉質壤土。

圖1 2014年和2015年降水和氣溫分布Fig.1 Rainfall and temperature distribution in 2014 and 2015

表1 土壤理化性質Table 1 Soil physical and chemical composition

1.2 試驗設計

為研究溝播覆膜植棉技術在濱海鹽堿地的增產機理，試驗播種前選取表層0～40 cm 土壤含鹽量為5～7 g/kg 的重度濱海鹽堿地，設置平播覆膜（CK）和溝播覆膜（RF）2 個處理。其中RF 處理溝底寬60 cm，壟寬90 cm，壟高20 cm；CK 與RF 處理行距均為60 cm+90 cm，株距均為28 cm；在窄行覆膜，膜寬為75 cm。2 種種植方式示意如圖2。每種植棉方式設3 個重復小區，小區規格為4.5 m×5.4 m。2014年棉花播種日期為4月22日，收獲日期為10月23日；2015年播種日期為5月1日，收獲日期為10月29日。2014年，棉花生育期內采用滴灌共灌溉3 次，每次灌水量均為15 mm，灌水日期分別為4月21日（播種前）、6月13日（苗期）和7月10日（現蕾期）；2015年棉花生育期內未進行灌溉。2014年和2015年播種時在距播種行5 cm 位置處條施復合肥（N、P、K 質量比為24∶10∶14）施肥量為450 kg/hm2，于花鈴前期追施尿素（N：46%）300 kg/hm2。2014年和2015年棉花打頂日期分別為7月15日和17日。試驗期間棉田鋤草、噴藥、化控等管理與周圍農戶一致。

圖2 種植示意及取樣點位置分布Fig.2 Schematic diagram of planting patterns and the sampling position distribution

1.3 測定指標及方法

1）土壤水鹽

本研究以土壤質量含水率變化反應土壤水分狀況，土壤電導率變化反應土壤鹽分狀況。土壤含水率采用烘干稱質量法確定，土壤電導率采用電導率儀（DDS-307A）測定（土水比為1∶5 的土壤浸提液電導率值）。棉花生育期內每7～10 d 在每個試驗小區的寬行中心（膜外）、播種行和窄行中心（膜下）設置3 個取樣點，每10 cm 一層取樣，其中溝播覆膜壟上取樣深度為80 cm，其余各點取樣深度均為60 cm，取樣位置及層次如圖2所示，每個處理均取3 次重復。

2）棉花幼苗生長指標

于棉花播種后第14 天、第30 天，選擇每個小區內中間2 行統計棉花出苗量，記為m1和m2，則成苗率s為：s=m2/m1×100%；棉花播種后第30 天，用剪刀貼地面剪去地上部莖稈及葉片，用直尺測定株高h、葉片長（a）和寬（b），參照孫池濤等[9]計算方法，葉面積LA為：LA=0.84×ab；地上部棉花干物質量由烘干稱質量法獲得。

3）棉花根表面積

2014年于棉花苗期（6月17日）、現蕾期（7月17日）、花鈴初期（7月29日）和花鈴后期（8月20日）用根鉆（鉆頭直徑為7 cm，高10 cm）分層取根。取樣時首先剪去地上部植株，然后以主根系為中心，分別在膜下中心、膜外中心、主根系處3 個位置分層（每10 cm 一層）取樣。取出的根系樣品先在清水中浸泡10 h，過0.1 mm 網篩，除去雜質，然后用掃描儀（Epson Perfection V700）掃描成tif 格式圖片，最后利用Win RHIZO 根系分析軟件對圖片進行分析，獲得根表面積。

4）棉花產量及其構成要素

單株成鈴數為每個小區隨機選擇5 株統計可形成有效產量的鈴數；單鈴質量為每個小區隨機選擇的5 株棉花花鈴實收數量稱質量后取平均值獲得；棉花產量由各小區實打實收獲得；收獲密度為收獲時單位面積上可形成產量的株數統計獲得；霜前花率為各小區當年霜降前采摘的籽棉質量除以總籽棉質量獲得；衣分率為各小區實收籽棉通過軋花機軋花后獲得的棉花纖維質量與籽棉質量之比。

1.4 數據分析

采用Excel 和SPSS 對數據進行整理分析，多重比較用LSD 法，顯著性水平為0.05；采用Surfer 軟件進行二維圖繪制。

2 結果與分析

2.1 棉花生育期0～60 cm 土層土壤水鹽變化特征

2014年和2015年棉花生育期內0～60 cm 土層平均土壤含水率和平均土壤電導率動態變化如圖3所示。由圖3 可知，RF 處理提高了0～60 cm 土層的土壤含水率，與CK 相比，2014年和2015年RF 處理生育期內平均土壤含水率分別提高了3.27%和5.32%，說明溝播覆膜具有集雨效果，進而提高土壤儲水能力；2014年RF 處理電導率平均比CK 降低了14.43%，2015年RF 處理電導率前期高于CK（13.26%），后期低于CK（17.09%），總體電導率平均值略高于CK（1.24%）。此外，2014年7月17—27日期間，CK 0～60 cm 平均土壤含水率明顯高于RF 處理，平均提高了6.93%；2015年RF 處理歷次0～60 cm 平均土壤含水率均高于CK。

圖3 棉花生育期內0～60 cm 土層平均土壤含水率及平均電導率Fig.3 Soil moisture and electrical conductivity in 0～60 cm layer during the growth period

2.2 不同時期土壤剖面水鹽分布特征

2014年苗期、現蕾期、花鈴前期和花鈴后期CK與RF 處理0～60 cm 土層土壤含水率和土壤電導率剖面分布如圖4所示。由圖4 可見，除CK 花鈴前期膜下0～60 cm 土壤含水率低于膜外，其余時期CK 與RF 處理膜下0～60 cm 土壤含水率均高于膜外。其中，CK 苗期、現蕾期和花鈴后期膜下0～60 cm 土壤含水率比膜外分別高了54.39%、22.10%和35.81%；膜下0～60 cm 土壤電導率比膜外分別降低了235.26%、347.21%和259.29%。RF 處理苗期、現蕾期、花鈴前期和花鈴后期膜下0～60 cm 土壤含水率比膜外分別高了190.34%、88.28%、139.33%和210.19%；膜下0～60 cm 土壤電導率比膜外分別低了349.83%、330.05%、366.43%和337.92%。棉花生育期內，CK膜下土壤含水率比膜外高了2.67%，電導率低了27.78%；RF 處理膜下土壤含水率比膜外高了15.92%，電導率低了34.57%。綜上可知，覆膜改變了土壤剖面水鹽分布狀況，且覆膜對RF 處理土壤剖面膜下提升土壤含水率及降低電導率的影響大于CK。

2.3 棉花幼苗生長指標變化

棉花苗期優質的生長指標可為后期高產、穩產奠定堅實基礎。從表2 可以看出，2014年和2015年，RF 處理成苗率顯著（p<0.05）高于CK；與CK 相比，RF 成苗率分別提高了8.3%和56.6%。2014年，RF處理干物質量和株高均顯著高于CK，分別提高了32.9%和25.8%；然而，2015年RF 處理干物質量和株高均低于CK，分別降低了21.8%和5.8%。

表2 試驗期間棉花幼苗生長指標Table 2 Variation of cotton seedlings index during the experimental period

2.4 土壤剖面棉花根表面積變化

不同生育階段棉花根表面積變化如圖5所示。CK和RF 處理0～60 cm 土層平均棉花根表面積均是自苗期到花鈴后期呈先增加后降低的變化趨勢，花鈴前期棉花根表面積達到最大。0～60 cm 土層內CK 苗期、現蕾期和花鈴后期膜下根表面積均高于膜外，分別高了65.4%、75.8%和1.6%，而花鈴前期膜下根表面積比膜外低了25.9%；RF 處理各生育階段膜下根表面積均大于膜外，依次提高了317.1%、155.4%、121.6%和161.9%。對比各生育期0～60 cm 土層膜外與膜內根表面積均值可知，CK 膜外的根表面積較膜內平均降低了7.3%；而RF 處理膜外的根表面積較膜內平均降低了61.8%，說明RF 處理膜內土壤環境促進根表面積增加。此外，RF 處理各生育階段的根表面積均明顯高于CK，平均提高了35.9%，說明RF 處理促進根表面積增加，提高根系吸水能力。

圖5 棉花根系表面積分布特征Fig.5 Cotton root area distribution

2.5 棉花產量及產量構成要素變化

由棉花產量結果（表3）可知，2014年和2015年，RF 處理收獲密度比CK 分別增加了8.3%和56.6%，單株成鈴數比CK 分別增加了33.9%和63.4%。RF 處理與CK 的棉花單鈴質量無顯著差異（p>0.05）。2014年和2015年RF 處理籽棉產量較CK 分別顯著（p<0.05）提高了37.0%和196.4%，說明RF 處理較CK 具有顯著的增產優勢。結合產量各構成要素可知，RF 處理在增加收獲密度及提高單株成鈴數方面效果顯著。RF處理與CK 的衣分率和霜前花率無顯著差異。結合年際間統計分析結果可知，年際間收獲密度、單鈴質量、單株成鈴數、衣分率、籽棉產量和霜前花率均達到顯著水平（p<0.05）；同一年份不同處理對收獲密度、單鈴質量、單株成鈴數、籽棉產量和霜前花率影響顯著（p<0.05）；年份與處理交互作用對單鈴質量、單株成鈴數、籽棉產量和霜前花率影響顯著（p<0.05）。

表3 棉花產量及產量構成要素Table 3 Cotton yield and its composition

3 討論

成苗是鹽堿地植棉的關鍵，國內外針對鹽堿地成苗技術開展了不同程度的研究[3]。如王占彪等[10]針對環渤海地區春季降水小的特點，提出了一種適宜于鹽堿旱地提高成苗率的微溝覆膜植棉技術；董合忠等[3]在總結前人研究基礎上對濱海鹽堿地植棉提出了提墑增溫、構建膜下溫室等技術措施，以改善根區生態環境，減輕鹽害威脅。本研究發現，RF 處理較CK顯著提高棉花成苗率、增加苗期葉面積，原因可能是溝播覆膜后溝底蒸發量減少，且溝底能夠通過地表微地形起伏優勢集中降雨，為根區土壤蓄積水分，同時淋洗溝底鹽分（圖3），為幼苗生長創造適宜土壤環境。研究結果與Dong 等[11-12]一致。2014年CK 與RF 處理成苗率明顯高于2015年，原因可能是2015年播種期4—5月降水量偏高，2015年4—5月累積降水量比2014年平均高了414.6%，而最高氣溫和最低氣溫比2014年平均分別低了7.8%和11.5%（圖1），低溫冷害條件不利于棉花幼苗生長所致[13]。2015年CK 干物質量和株高均大于RF 處理，原因主要與本年度苗期低氣溫條件與膜下（溝底）地溫升溫困難不利于幼苗生長有關[14]。此外，2015年較低的成苗率是導致其收獲密度與籽棉產量低于2014年的重要原因[15]。

根表面積大小是反映植物根系吸水性能的重要指標，一般而言，根表面積越大，根系吸水性能越強；適宜的土壤水鹽環境可促進根表面積增加，提高根系吸水能力，促進植物生長[16]。本研究中，2014年和2015年RF 處理棉花生育期內0～60 cm 平均土壤含水率均高于CK，平均電導率低于CK，這為根表面積的增加創造了適宜的水鹽條件，因此，2014年棉花生育期內RF 處理歷次取樣根表面積均高于CK。但是，2014年7月7日—8月7日，RF 處理0～60 cm內土壤含水率低于CK，原因可能是前期降雨較少，且此階段棉花處于營養生長與生殖生長并進階段，根表面積迅速增加，植株耗水量較大所致[17]。覆膜可以抑制土壤水分蒸發，減少無效水分損失；然而，覆膜在一定程度上還能阻礙降水向膜下入滲，減少了膜下土壤水分補給來源[18]。本研究中，7月30日以前（花鈴前期以前），降水多以20 mm 以下為主，就CK 而言，降水很難直接入滲補給至膜下根系，加之苗期和現蕾期棉花植株較小，膜下水分環境可以滿足根系生長，因此CK苗期、現蕾期膜下根表面積均大于膜外；而花鈴前期棉花植株耗水量較大，CK 膜下水分環境已不足以滿足其生長需要，由于根系具有向水、向肥生長的特性[19]，因此CK 膜外的根表面積迅速增加甚至高于膜內；2014年8月4日—9月3日間有5 次大于20 mm 以上降水，受土壤蒸發和根系吸水共同影響，導致膜外0～60 cm 土層水分降低且低于膜內，而受覆膜保墑作用，膜下土壤水鹽環境優于膜外，因此花鈴后期CK 膜下根表面積高于膜外。就RF 處理而言，RF 處理因地表微地形起伏使膜下（溝底）可有效匯集降雨，水分可通過出苗孔入滲至棉花根區，導致RF 處理膜下（溝底）土壤含水率較高，這為膜下根系生長和吸水提供了有利條件，故棉花生育期內膜下（溝底）根表面積一直高于膜外，研究結果與孫池濤等[11]相一致。

2014年CK 與RF 處理棉花衣分率顯著高于2015年，棉花霜前花率顯著低于2015年，而年內二處理的棉花衣分率和霜前花率差異不顯著。原因可能是2015年7月31日—8月4日連續強降水（累計降水量為197.43 mm）導致棉田積水嚴重，棉田澇漬脅迫影響了棉花養分的運輸及棉鈴的生長進程，導致霜前花率升高，衣分率降低[20]。

4 結論

1）RF 處理在提高棉花成苗率，增加幼苗干物質量，擴大根表面積以及增加棉花產量等方面比CK 具有更明顯的優勢。

2）RF 處理通過地表微地形改變增強了土壤儲水能力，優化了土壤中水分、鹽分分布，有利于為棉花幼苗生長、根系發育及產量形成創造適宜條件。RF處理比CK 增產37.0%～196.4%。