微咸水灌溉条件下土壤残膜对棉花出苗率与土壤盐分影响研究

朱 珠，姚宝林，李 男，蔡桂香，韩其晟

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002；2.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔843300）

南疆地处西北干旱区，水资源匮乏，其中农业用水比例占总用水的95%左右。为了保证生态用水、工业用水及生活用水供给，必须实现农业用水比例的负增长。新疆咸水资源丰富，作为农业灌溉用水的补充，是缓解南疆农业水资源不足的重要角色。棉花作为南疆一种高度耐旱耐盐的主要种植经济作物，咸水灌溉是南疆高效节水发展的一个重要方向。目前关于咸水灌溉已有诸多研究成果[1-3]，张俊鹏和董元杰[4，5]等研究发现棉花苗期是对盐分最敏感的生育阶段，但是适度的微咸水苗期灌溉并不会造成棉花出苗率降低，相反适宜的微咸水灌溉还能促进棉花根系的生长[6]。MIN 等[7]发现新疆干旱半干旱区咸水滴灌的灌溉水电导率适宜值为4 610 μS/cm，当灌溉水电导率值为8 040 μS/cm 时，棉花产量明显降低。微咸水之所以影响棉花生长，主要原因是由于其含有的盐分对土壤中原有离子浓度造成影响，进而导致棉花生长状况受到影响。王泽林[8]针对不同矿化度水灌溉开展试验，研究结果表明，随着灌溉水矿化度增大，0～20 cm土壤中阳离子由Ca2+逐渐向Mg2+和K+变化，阴离子由SO42-和HCO3-逐渐向Cl-变化。杨春霞等[9]研究认为Cl-、SO42-、Na+和Ca2+是造成土壤次生盐渍化的主要离子。覆膜滴灌是南疆棉花的主要种植模式，常年覆膜滴灌的耕作模式导致土壤中有大量的残余薄膜，严重影响了南疆棉花产业的可持续发展。不同于咸水灌溉改变土壤化学成分，土壤残膜主要是改变土壤的物理组成结构，阻碍土壤水分入渗，降低土壤比热容，造成土壤板结，进而导致土壤盐渍化程度加重[11-15]。目前，专家学者针对微咸水灌溉和土壤残膜危害的影响研究诸多，但是结合微咸水灌溉与土壤残膜对作物生长和土壤盐分的影响少见报道。本文依据生产实际，开展微咸水灌溉条件下土壤残膜对棉花出苗率和土壤电导率、盐分离子的影响研究，分析影响棉花出苗和土壤盐分的主要影响因子。阐述灌溉水电导率和土壤残膜对棉花出苗率、土壤电导率和土壤盐分离子的影响规律，以期为农膜残留棉田微咸水资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地（北纬40°20'47"～41°47'18"，东经79°22'33"～81°53'45"），属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，气候干燥，蒸发量大，降水量稀少；年降水量40.1～82.5 mm，年蒸发量1 876.6～2 558.9 mm[16]。

土壤为砂壤土，属氯化物—硫酸盐类土。表层0～30 cm土壤田间持水率θs22.69%[17]，土壤初始电导率为1 132 μS/cm，盐度为0.07%，TDS 为568 mg/L，CO32-为0.035 g/kg，HCO3-为0.351 g/kg，Cl-为1.109 g/kg，SO42-为1.861 g/kg，Ca2+为0.196 g/kg，Mg2+为0.097 g/kg，Na+为2.259 g/kg，K+为0.142 g/kg。

1.2 试验设计

2020年7月于塔里木大学现代农业工程重点实验室开展试验。采用四因素三水平正交盆栽试验（表1）。共9 个处理，每个处理设置3个重复。以土壤残膜量（土壤残膜取自大田土壤中残膜，洗净，晾干，配置不同水平[18]）、灌水控制下限（以田间持水率θs为依据）、土壤容重及灌溉水电导率（以NaCl配置不同水平）为影响因素，探讨在微咸水灌溉条件下，不同残膜量对棉花出苗率、土壤电导率、土壤离子的影响。取节水灌溉试验基地表层0～30 cm 原状风干土，过2 mm 土筛，按照不同容重与土壤残膜量装入花盆中，花盆高80 mm，直径100 mm。按照试验方案灌水栽种，置于RTOP 系列智能人工培养箱，设置两个光照时段，12 h 光照，12 h 黑暗；温度25 ℃，湿度控制在60%左右。供试棉花品种为新陆中52号。

表1 试验方案Tab.1 The scheme of the experiment

1.3 测定项目与方法

出苗率统计：第7 d 开始测定棉花出苗率，出苗率（%）=正常出苗的种子数/栽种种子数×100%；土壤EC 值测定方法：DDSJ-308A 电导率仪测定；土壤CO32-与HCO3-离子浓度测定方法：双指示剂滴定法；土壤Cl-离子浓度测定方法：AgNO3滴定法；土壤SO42-、Ca2+和Mg2+离子浓度测定方法：EDTA 容量法；土壤Na+和K+离子浓度测定方法：火焰光度计法[19]。

1.4 数据处理与分析

Origin2020数据分析与作图，DPS进行Duncan新复极差法方差分析。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉条件下不同残膜量对出苗率的影响

种植第7 d 开始测定出苗率，每间隔两天测定一次，直至第15 d 以后出苗率达到稳定值。由图1可知，T2 处理在第7 d至第11 d 出苗率最高，平均出苗率为66.7%；第13 d至第15 d时，T1 处理出苗率最高，平均出苗率为88.9%。T3 处理、T5处理和T6处理出苗率相近，第11天后T5处理的平均出苗率比T3 处理高9.17%，这是由于在容重相同的情况下，T3 处理虽然没有残膜影响出苗率，但灌溉水电导率对出苗率的影响凸显出来。T6处理相对于T3处理和T5处理，出苗率较低，是由于虽然灌水控制下限达到田间持水量，但残膜与灌溉水电导率的综合影响降低了出苗率。T4 处理和T8 处理出苗缓慢，至第11 d开始出苗。综合分析，T1处理、T2处理和T5处理出苗率较高，T4处理、T7处理和T8处理出苗率较低，平均出苗率最高仅达到33.3%。综上所述，残膜量与灌溉水电导率增加会降低棉花出苗率。

分析4 个因子对有效出苗率的单因素影响，由图2所示，土壤中残膜量增加会显著降低棉花的出苗率（P＜0.01）；残膜量240 kg/hm2处理的有效出苗率比残膜量0 kg/hm2处理降低31.7%，残膜量480 kg/hm2处理比残膜量0 kg/hm2处理降低48.8%；虽然土壤残膜量240 kg/hm2处理出苗率高于残膜量480 kg/hm2处理，但两种残膜量处理间不存在显著差异。随灌溉水电导率增加，有效出苗率降低，灌溉水电导率值2500 μS/cm 处理有效出苗率显著高于3 800 μS/cm 处理与5 200 μS/cm处理（P＜0.05），平均有效出苗率由72.2%降低至40.7%。虽然随着灌溉定额增加，出苗率由50%增加至59.3%，但是3 个灌水量水平间不存在显著差异（P＞0.05）。同样土壤容重因子3个水平间不存在显著差异性，容重1.3 g/cm3处理和容重1.4 g/cm3处理平均有效出苗率高于容重1.5 g/cm3处理5.5%。

采用极差分析法判别各因素对出苗率影响作用的顺序及达到出苗率最大时的因素水平组合方案。如表2所示，对出苗率的影响作用，残膜量因子＞灌溉水电导率因子＞灌水控制下限因子＞容重因子，因此土壤残膜量与灌溉水电导率是影响出苗率的主要因素。而出苗率达到最大值时的最优因子组合为A1B3C1D1，即残膜量0 kg/hm2，灌水控制下限至田间持水量，容重1.3 g/cm3，灌溉水电导率2 500 μS/cm组合处理。

表2 正交试验结果分析Tab.2 Analysis of orthogonal test results

2.2 微咸水灌溉条件下不同残膜量对土壤盐分的影响

微咸水中含有盐分和各种化学物质，随灌溉而进入土壤，从而影响土壤盐分变化。分析在微咸水灌溉条件下，土壤残膜量、灌水控制下限、土壤容重和灌溉水电导率对土壤电导率和离子浓度变化的影响。

分析各因素对土壤电导率的影响，如图3所示，随残膜量增加，土壤电导率值增加。无残膜处理平均土壤电导率值显著低于有残膜处理。残膜量240 kg/hm2处理的土壤平均电导率值比残膜量0 kg/hm2处理增加23.2%，残膜量480 kg/hm2处理比残膜量0 kg/hm2处理增加29.7%。灌水控制下限与土壤电导率呈正相关关系，是由于随着灌水量增加，灌溉水带入土壤中的盐分增加。土壤容重与土壤电导率呈负相关关系。随灌溉水电导率增加土壤电导率呈显著增加趋势，灌溉水矿化度5 200 μS/cm 处理平均土壤电导率值较3 800 μS/cm 处理增加13.1%，较2 500 μS/cm处理增加46.7%。

CO32-不受灌溉和残膜影响，在试验前后均没有测定出CO32-含量。由表3和表4可知，T1、T2 和T5 处理土壤中，Na+、K+与Ca2+含量显著小于其他处理，是由于T1处理和T2处理没有残膜影响，T1 处理和T5 处理灌溉水电导率为2 500 μS/cm，且T1、T2 和T5 处理土壤电导率值也较低。T8 处理较其他处理，土壤残膜量最多，灌溉水电导率值最高，其土壤中Na+、K+和Cl-含量显著高于其他处理，SO42-含量低于其他处理，阴离子由SO42-向Cl-转化。其出苗率较低，出苗缓慢，是因为，土壤中Na+和Cl-含量过多容易破坏土壤团聚体的稳定性，引起土壤分散、膨胀，土壤孔隙减少，渗透性降低，并引起植物其他营养失调[20]。T9处理土壤中，K+、Ca2+和SO42-含量较高，Mg2+含量较低，可能是因为残膜量和灌溉水量增加的影响作用。T1、T2 和T3 无残膜处理土壤HCO3-含量显著高于其他处理，T7、T8 和T9 处理，残膜量为480 kg/hm2，土壤HCO3-含量显著低于其他处理。

表3 各处理土壤阳离子差异显著性检验 g/kgTab.3 Significance test of soil cation difference in each treatment

表4 各处理土壤电导率和阴离子差异显著性检验Tab.4 Significance test of soil conductivity and soil anion difference in each treatment

各处理间土壤电导率存在显著差异。土壤初始电导率为1 132 μS/cm，T1 处理经过5 次灌溉后平均土壤电导率只增加2.4%，T5 处理增加16.6%，T2 处理增加29.9%，T9 处理增加50.4%，T7 处理增加51.7，T3 处理增加61.6%，T4 处理增加71.5%，T6处理增加97.3%，T8处理增加108.7%。综合出苗率分析可知，在无残膜土壤中，灌溉水电导率3 800 μS/cm 是棉花生长可接受的灌溉水盐度；在残膜土壤中，土壤残膜量240 kg/hm2，灌溉水电导率2 500 μS/cm 是棉花生长可接受的灌溉水盐度。

3 讨 论

南疆棉田残膜逐年增加已成为不争的事实。残留在土壤中的塑料薄膜，填充镶嵌于土壤较大孔隙中，降低团聚体之间的非毛管孔隙数量，致密土粒间距，增加土壤容重，恶化土壤通透性，致使土壤板结[21]。棉花种子在残膜土壤中出苗缓慢，当棉苗伸展至残膜处，无法破土而出，导致棉苗在土壤中腐烂，降低棉花出苗率，土壤残膜是影响棉花出苗率的最大影响因子。研究结果还表明，随着灌溉水电导率增加，土壤盐分累积，抑制棉花出苗，降低棉花出苗率，与叶盛兰[22]等研究结果一致。当土壤残膜量增加，残膜阻断孔隙连续性，破坏土壤团聚体结构，减小孔隙度增加入渗阻力，抑制水和溶质在土壤中运移，加之灌溉水和灌溉水盐分增加[13]，土壤在残膜处显著积盐，增加土壤电导率，阻碍棉苗根系生长和吸收土壤养分。不同残膜量、灌水控制下限、土壤容重和土壤电导率对土壤盐分离子存在极显著或显著的影响，土壤残膜和灌溉水电导率增加使土壤盐害离子含量增加，特别是Na+和Cl-过度积累，增强土壤中碳酸氢钠等盐类水解，增加土壤碱度，致使土壤颗粒分散结构恶化。重视残膜源头治理和使用可降解膜是解决残膜危害的重要途径，而适宜的灌溉水盐度对棉花出苗率和土壤盐分含量的影响较小，南疆农膜残留棉田资源化利用微咸水是可行的，但长期利用微咸水灌溉的影响研究需深入。本研究采用盆栽试验，棉苗根系生长受到限制，且与大田土壤气候环境还存在差异，但研究结果可为大田试验研究提供基础。

4 结 论

本文通过培养箱模拟光照与温湿度条件，开展微咸水灌溉条件下土壤残膜对棉花出苗率和土壤电导率、盐分离子的影响规律。通过Duncan 新复极差法方差分析影响棉花出苗和土壤盐分的主要影响因子和各因子不同水平的影响差异性，确定达到最高出苗率的最优方案。阐述灌溉水电导率和土壤残膜对棉花出苗率、土壤电导率和土壤盐分离子的影响规律。

（1）土壤残膜量与灌溉水电导率是影响棉花出苗率的主要因素。残膜量大，灌溉水电导率高，棉花出苗缓慢，有效出苗率低；零残膜量，灌溉水电导率低，出苗快，有效出苗率高。对棉花出苗率的影响作用中，残膜量＞灌溉水电导率＞灌水控制下限＞容重，综合确定出苗率达到最大值时的最优因子组合为残膜量0 kg/hm2，灌水控制下限至田间持水量，容重1.3 g/cm3，灌溉水电导率2 500 μS/cm组合处理。

（2）残膜量、灌水控制下限和灌溉水电导率与土壤电导率值呈正相关关系，土壤容重与土壤电导率值呈负相关关系。减少土壤残膜量，减小灌溉水电导率是降低土壤盐分的有效途径。在无残膜土壤中，灌溉水电导率3 800 μS/cm 是棉花生长可接受的灌溉水盐度；在残膜土壤中，土壤残膜量240 kg/hm2，灌溉水电导率2 500 μS/cm 是棉花生长可接受的灌溉水盐度。

（3）方差分析结果表明，无残膜、灌溉水电导率低的处理，土壤中Na+、K+与Ca2+含量显著小于其他处理。土壤残膜量多，灌溉水电导率高，其土壤中Na+、K+和Cl-含量显著高于其他处理。残膜量和灌溉水量增加使K+、Ca2+和SO42-含量增加，Mg2+含量较低。无残膜土壤HCO3-含量高，残膜量为480 kg/hm2处理的土壤HCO3-含量显著低于其他处理。