高分子多孔隙无纺布在盐碱地治理中的应用研究

2021-05-25王亚娟唐鹏飞张凤华董丽松杨慧丽

西南农业学报 2021年1期

王亚娟，唐鹏飞，张凤华，董丽松，杨慧丽

(1. 石河子大学农学院，新疆石河子 832003；2. 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；3. 中国农科院长春应用化学研究所，吉林长春 130000)

【研究意义】盐渍土作为我国最主要的中低产田的土壤类型之一，是我国最重要的后备耕地资源，土壤中的盐分含量过高直接影响土壤结构、导水导气和供水供肥的能力，严重阻碍了农业生产的发展，改造治理以及合理开发利用这些盐渍土，可以摆脱耕地资源不足的困境，是促进农业可持续发展的重要手段之一[1-3]。新疆气候干旱，降雨稀少，土壤盐渍化严重，土地盐渍化是制约绿洲农业生产的重要因素[2]。土壤盐分表聚是土壤发生盐渍化的重要因素，土壤中过量的盐分可以引起土壤物理和化学性质的改变，从而导致大部分农作物和经济作物的生长环境退化。通过地面覆盖，能够减少地面蒸发，降低土壤盐分在表层的积累，防止土壤返盐，促进灌溉脱盐[4-5]，因此，覆盖也成为改良盐碱地的一个重要措施。【前人研究进展】覆盖措施指利用化学、物理和生物物质覆盖农田的表面使其对农作物产生有益作用的栽培方式[6]，包括秸秆覆盖、生草覆盖、有机肥覆盖、盐生或耐盐植物直接种植覆盖以及两种或多种覆盖措施结合的方法，对盐渍土的盐分调控及改良具有明显的作用[7-8]。研究表明，地面覆盖(秸秆覆盖和地膜覆盖)下作物耕层水、盐运动的分布情况，指出与无覆盖措施相比较，秸秆覆盖和地膜覆盖均能有效减少棵间蒸发，起到蓄水保墒作用，影响土壤盐分分布[9-12]。目前，关于地面覆盖措施的研究主要集中在秸秆覆盖和地膜覆盖等方面，但是传统的地面覆盖盐分依然滞留在土壤中，无纺布是由纤维网制造成的布状材料，其网状结构具有疏松多孔、透气、透光、保温、易降解等特点[13-15]，覆盖在地表其多孔性和表面极性更有利于盐分从土壤中结晶析出，并将盐分富集于其孔隙和表面，可将盐分随无纺布带离土体。【本研究切入点】本研究以无覆盖为对照，分析无纺布覆盖后土壤水、盐动态变化，探究无纺布在保水、抑盐方面的效果。【拟解决关键问题】此研究结果以期为无纺布的应用和土壤盐渍化的防治提供方法参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验选择了两块不同程度的盐碱地，试验地一种植作物为棉花(本底含盐量1.03 %～1.05 %)，采用膜下滴灌；试验地二种植作物为枸杞(本底含盐量2.10 %～2.60 %)，采用滴灌技术。试验区一位于新疆石河子垦区石总场四分厂(N44.44124°，E086.01379°)，该区域为高纬度地区典型的温带大陆性气候，降雨稀少，气候干燥，年平均气温6.6 ℃，年降水量平均180 mm，蒸发量1600 mm，年平均日照时数2784 h，无霜期年平均166 d，≥0 ℃积温3918 ℃；试验区二位于新疆昌吉州玛纳斯县北五岔镇(N44.52609°，E86.31563°)进行，该区域土壤盐碱严重，干旱缺水，属中温带大陆性半干旱半荒漠气候区，冬季严寒，夏季酷热，年蒸发量1967.9 mm，年降水量121.8 mm，蒸发量大于降水量，无霜期平均151 d，全年平均日照时数为2765.9 h，热量丰富(表1)。

表1 试验区土壤基础物理性质Table 1 Physical properties of soil at the experimental field

1.2 试验材料

试验材料选择涤纶无纺布，由江苏江阴市杲信生物材料公司生产，由中国科学院长春应用化学研究所提供(表2)。

表2 试验材料Table 2 Test materials

1.3 试验设计

试验一、二均采用单因素完全随机设计，共设4个处理，以无覆盖作为对照，每个处理3个重复，共12个小区，试验前用五点取样法采集试验地一、二的本底样品。试验一覆盖于棉花膜间裸地，覆盖前平整行间裸地，覆盖物紧贴地膜边缘且与土壤紧密结合，覆盖后随即浇透水使行间滴灌水痕相接，每个小区面积4.8 m2(0.4 m×12 m)，覆盖期间未滴水，试验二覆盖于枸杞地行间裸地，具体覆盖措施与试验一相同，每个小区面积1.2 m2(0.4 m×3 m)，覆盖期间未滴水。

1.4 样品采集与测定方法

中、重度盐碱地在间隔相同的时间内采集土壤样品，采样点选在无纺布覆盖下的中间区域，每个处理3个重复，每个点的采样深度均为100 cm，分5层，即 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，相同取样深度混合土样采用“四分法”，保留1 kg，土壤样品带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，过1 mm 的筛孔以供进行和盐分和Na+含量等相关指标的测定，保证取样前7 d内勿大水浇灌。

土壤含水率的测定：质量烘干法；土壤总盐含量的测定：采用残渣烘干法；Na+含量采用离子色谱仪测定。

1.5 数据分析

每个处理的指标数据采用3次重复的测定平均值，运用SigmaPlot 12.5、Excel 2013、SPSS 20.0对试验数据进行处理和分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 涤纶无纺布覆盖下土壤含水率的变化

图1显示，在中度、重度盐碱地作物行间裸地覆盖高分子多孔隙涤纶无纺布后土壤含水率的变化。无纺布覆盖中度盐碱地后，在0～20 cm土层，与CK相比，各处理土壤含水率分别增加13.71 %、17.47 %、19.43 %；在20～40和40～60 cm土层中，PET1、PET2和PET3无纺布覆盖下的土壤含水率之间差异不大，但均高于CK；在60～80和80～100 cm土层，各覆盖处理下的土壤含水率与CK相比差异不大；在0～60 cm土层，覆盖下各处理的土壤含水率均随着土层深度的增加而增加，在40～60 cm土层达到最大，60～100 cm呈下降趋势，但均高于对照。无纺布覆盖重度盐碱地后，在0～20 cm土层，含水率分别较CK增加11.28 %、15.06 %、27.18 %；在0～80 cm土层，覆盖下土壤含水率均随着土层深度的增加而增加，60～80 cm达到最大值，80～100 cm土层又有所降低。在中、重度盐碱地覆盖无纺布，各处理下的土壤含水率均呈现出PET3>PET2>PET1>CK的趋势，综合比较，以涤纶PET3无纺布的保水效果最好。

图1 涤纶无纺布覆盖对中度及重度盐碱地土壤含水率的影响Fig.1 Effect of PET mulch on soil moisture content in moderate and severe saline-alkali soils

2.2 涤纶无纺布覆盖下土壤含盐量的变化

图2显示，在中、重度盐碱地作物行间裸地覆盖涤纶无纺布后土壤含盐量剖面分布情况，各处理盐分含量变化趋势不一、差异显著(P<0.05)。在0～20 cm土层，土壤表现为积盐状态，土壤含盐量呈现出：CK>PET1>PET2>PET3，依次为6.96、5.61、5.58、5.31 g/kg；在20～40 cm 土层，各处理土壤全盐含量分别较CK下降1.10、1.20、1.99 g/kg，土壤含盐量呈现出与0～20 cm 土层相同的趋势，依次为5.35、4.25、4.14、3.35 g/kg；在40～100 cm 土层，各处理土壤全盐含量分别较CK下降0.77、0.41、0.43 g/kg；在0～100 cm 土层，土壤全盐含量依次为4.04、3.10、3.29、3.07 g/kg，与CK相比分别下降0.93、0.74、0.97 g/kg，以PET3无纺布覆盖下土壤盐分含量下降最多。

图2 涤纶无纺布覆盖对中度及重度盐碱地土壤含盐量的影响Fig.2 Effects of PET mulching on soil salinity in moderate and severe saline-alkali soils

无纺布覆盖重度盐碱地后，随着土层深度的增加土壤含盐量呈下降趋势，在0～20 cm土层，各处理土壤含盐量依次为18.94、13.62、12.97、11.37 g/kg；在20～40 cm 土层，各处理土壤全盐含量分别较CK下降5.33、6.21、7.58 g/kg；在40～100 cm土层，各处理土壤全盐含量依次为10.77、10.23、9.84、9.50 g/kg；在0～100 cm土层，土壤全盐含量依次为12.20、10.85、10.47、10.32 g/kg，各处理含盐量分别较CK下降1.36、1.73、1.88 g/kg；整体来看，无纺布覆盖下土壤全盐含量呈现CK>PET1>PET2>PET3，以PET3无纺布覆盖下盐分含量下降最大。

2.3 涤纶无纺布覆盖下土壤盐平衡分析

为了进一步说明在中度及重度盐碱地作物行间裸地覆盖高分子多孔隙无纺布后土壤的脱盐情况，对覆盖下各处理的土壤全盐含量进行盐平衡分析。表3显示，在中度盐碱地覆盖无纺布后0～60 cm土层土壤的脱盐效果。在0～20 cm土层，各处理的土壤的脱盐率依次为46.83 %、47.07 %、49.69 %，分别较CK高11.91 %、12.06 %、14.68 %，各处理与CK相比均呈显著性差异(P<0.05)；20～40 cm土层，各处理与CK相比均呈脱盐状态，其土壤脱盐率分别较CK高23.49 %、25.70 %、42.69 %；在40～60 cm 土层，其盐分积累程度依次为CK>PET2>PET3>PET1，这一现象与无纺布覆盖后减少水分蒸发和抑制盐分的垂向运移密切相关；在0～60 cm土层，覆盖下各处理的土壤脱盐率依次为28.01 %、26.59 %、33.51 %，分别较CK高18.19 %、16.77 %、23.69 %。在中度盐碱地上覆盖无纺布后，以PET3覆盖下土壤的脱盐率最高，整体来看，脱盐效果依次为PET3>PET2>PET1>CK。

表3 中度盐碱地0～60 cm土层脱盐效果Table 3 Desalination effect of 0-60 cm soil layer on moderate saline-alkali soil

表4显示，在重度盐碱地作物行间裸地覆盖无纺布后0～60 cm土层土壤的脱盐效果。在0～20 cm土层，覆盖下各处理土壤脱盐率依次为48.54 %、51.86 %、57.04 %，分别较CK高20.13 %、23.45 %、28.63 %，各处理与CK相比均呈显著性差异(P<0.05)；在20～40 cm土层，覆盖下各处理土壤脱盐率分别较CK高36.17 %、22.30 %、21.17 %，各处理间差异显著；在40～60 cm土层，以PET2无纺布覆盖下土壤脱盐率最高，其次为PET1；在0～60 cm土层，与CK相比，无纺布覆盖下土壤均呈脱盐状态，其脱盐率依次为37.17 %、39.02 %、40.06 %，分别较CK高19.36 %、21.21 %、22.25 %，整体来看，在重度盐碱地作物行间裸地覆盖高分子多孔隙涤纶无纺布，以PET3无纺布的脱盐率最高，脱盐效果依次为PET3>PET2>PET1>CK。

表4 重度盐碱地0～60 cm土层脱盐效果Table 4 Desalination effect of 0-60 cm soil layer in severe saline-alkali soil

2.4 涤纶无纺布覆盖下土壤Na+含量变化

表5显示在中度盐碱地棉田膜间覆盖无纺布后0～60 cm土层Na+含量的变化，在0～20 cm土层中，土壤中的Na+含量依次为3.96、2.57、2.41、2.21 g/kg，与试验前相比，Na+含量依次下降14.29 %、44.37 %、47.84 %、52.16 %，与CK相比，均呈显著性差异(P<0.05)；在20～40 cm土层中，Na+含量较CK分别下降10.30 %、9.88 %、14.17 %，PET3无纺布覆盖处理下Na+含量下降最多，其中，PET1和PET2覆盖处理下Na+含量无显著差异；在40～60 cm土层中，Na+含量与试验前相比有所增加，这与盐分含量的变化趋势相同，但与CK相比，覆盖下各处理Na+含量的积累均小于CK；在0～60 cm土层中，无纺布覆盖均能不同程度地降低土壤中的Na+含量，其中，以PET3无纺布覆盖处理下Na+含量下降最多，为29.42 %，Na+含量下降幅度依次为PET3>PET2>PET1>CK。

表5 中度盐碱地0～60 cm土层Na+含量Table 5 Desalination effect of 0-60 cm soil layer on moderate saline-alkali soil

表6显示在重度盐碱地作物行间裸地覆盖无纺布后0～60 cm土层Na+含量的变化，在0～20 cm土层中，土壤中的Na+含量依次为13.69、11.18、10.62、9.82 g/kg，与试验前相比，Na+含量依次下降8.43 %、25.22 %、28. 96 %、34.31 %，与CK相比，均呈显著性差异(P<0.05)；在20～40 cm土层中，除CK外，覆盖下各处理Na+含量与试验前相比均呈下降趋势，分别较CK下降21.08 %、23.90 %、25.18 %；在40～60 cm土层中，与试验前相比，各处理土壤Na+含量下降不大，但与CK相比均呈显著差异；在0～60 cm土层中，各处理Na+含量下降幅度依次为PET3>PET2>PET1>CK，其中，以PET3无纺布覆盖处理下Na+含量下降最多，为22.78 %。

表6 重度盐碱地0～60 cm土层Na+含量Table 6 Desalination effect of 0-60 cm soil layer on moderate saline-alkali soil

3 讨论

在盐碱地作物行间裸地人为铺设与原地面物理性质不同的高分子多孔隙无纺布作为地面延伸介质，本试验研究结果表明，无纺布覆盖能够减少表层土壤水分的蒸发，提高覆盖下土壤含水率，以0～40 cm土层效果显著，覆盖后，给土壤表面增加了水分蒸发阻滞层，该阻滞层越厚，对土壤水分蒸发的阻滞作用越明显，控制土壤水分损失的效果也就越显著。其保水效果随着无纺布厚度的增加而提高。有研究表明，在土壤表面覆盖无纺布显著抑制了土壤水分蒸发，并且抑制效果随着无纺布覆盖高度的增加而提高，单位面积克重越大，厚度也越大，孔隙度就越小，水蒸气的透过性也就越差[16-17]。覆盖层的存在可以增加或减少太阳辐射的反射率,增加热量和水汽传输的阻抗[18]，通过地面覆盖可有效减少棵间蒸发、改善土壤的水盐分布情况、促进作物生长[19-21]。高鹏程等人的研究证明：对于同一土壤含水量处理，在同一时间，所有覆盖处理(秸秆覆盖、地膜覆盖、铺沙等)的土壤水分蒸发量均小于对照，说明覆盖对土壤水分的保持是有一定效果的，他们认为这是由于覆盖给土壤表面设置了一层物理阻隔，切断了蒸发面与下层土壤的毛管联系，减弱了土壤空气与大气之间的乱流交换强度，从而有效地抑制了土壤水分蒸发，达到保水的目的[22]。在地面设立一个挡水层或多孔覆盖物，相当于在土壤和大气环境之间增加了一个物理阻隔层，改变其下土壤的能量状况，能有效地减少土壤水分蒸发[23-25]。

无纺布覆盖能够有效减少地面水分蒸发散失，降低表层土壤与深层土壤之间的水势梯度，由于盐随水走，因此有效抑制了盐分随水分的垂向运移，能够有效防止盐分向土壤表层积累。

膜间是土壤水分和盐分变化最剧烈的区域，在中度盐碱地棉田膜间覆盖无纺布，改善了耕作层土壤的水盐分布，为棉花的生长提供了良好的水盐环境。在重度盐碱地覆盖无纺布，由于其本底含盐量较高，故重度盐碱条件下无纺布的脱盐效果较中度盐碱地效果显著，其脱盐效果均随着无纺布克重的增加而提高。地面覆盖是干旱、干旱地区改良盐碱地的重要措施之一，关于覆盖减少水分蒸发、抑制盐分表聚的研究也多有报道[27-28]。覆盖秸秆、铺砂、施用PAM和压实等措施均可以增加土壤含水率、抑制盐分的垂向迁移、降低盐分在作物根系层的积累程度[29]。无纺布的多孔性及表面极性更有利于盐分从水中结晶析出，并富集于无纺布的孔隙及表面，使其脱离土体，无纺布吸附盐分的同时，将土壤中的Na+等一些盐基离子也随之带离土体。农业生产上因作物种类不同、生育期特性不同、育苗或遮阴等用途不同所需的无纺布种类亦有所不同，然而类似的问题在无纺布的生产过程中并没有得到重视，因此，达不到专用的定位[30]，本文通过在盐碱地上覆盖不同克重的涤纶无纺布，探究其在保水抑盐方面的效果，为无纺布的应用和土壤盐渍化的防治提高方法参考。