滨海盐碱地沟播覆膜植棉技术增产机理研究

孙池涛，冯 棣，于 超，孙景生，张俊鹏，冯国艺，张 谦

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部作物需水过程与调控重点实验室，河南 新乡 453002；2.山东农业大学 水利土木工程学院 山东 泰安 271018；3.潍坊科技学院，山东 潍坊 262700；4.河北省农林科学院棉花研究所，石家庄 050051）

0 引言

【研究意义】盐碱地是我国重要的后备耕地资源，是保障我国粮食安全及战略物资储备丰盈的基础[1-2]。棉花作为盐碱地开发利用的先锋作物，在滨海盐碱地广泛种植，盐碱地棉花也早已成为中国棉花主要生态类型之一[3]。【研究进展】以往有关盐碱地栽培技术的相关研究已有很多。孙池涛等[4]对比了滴灌条件下不同植棉方式对土壤水盐运移的影响；文利军等[5]分析了不同改良措施对膜下滴灌棉田土壤脱盐效果及棉花生理特征的影响，指出综合措施改良效果优于单一措施，无论何种措施对盐碱地进行改良，作物水分利用效率及灌溉水利用效率均显著提升；郑春莲等[6]研究了长期咸水沟灌对土壤水盐变化与棉花生长及产量的影响，指出4 g/L 为咸水沟灌适宜矿化度阈值；Ganjegunte 等[7]研究了电磁感应法在盐碱地灌溉中的应用。【切入点】纵观已有报道可知，以往研究中多侧重于盐碱地改良措施或咸水利用对土壤水盐运移或作物生理生长的单方面的影响研究，而改良技术对作物增产的机理报道鲜见。环渤海地区拥有近270 万hm2的中低产田，棉花播种面积约有170 万hm2，该区域棉花栽培多以平播覆膜和沟播覆膜2 种栽培技术为主[8]。沟播覆膜栽培技术在我国许多地区广泛应用，而该区域沟播覆膜栽培技术的增产机理相关报道罕见。【拟解决关键问题】本文拟通过探究平播覆膜和沟播覆膜栽培技术对河北滨海平原区重度盐碱地棉花生长及土壤水盐变化的影响，旨在揭示沟播覆膜技术的保水、抑盐、增产机理，为当地棉花栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2014年和2015年在河北省海兴县国营农场（117°20′E，37°58′N）进行。试验区气候类型为暖温带季风性气候，多年平均降水量为582 mm，约70%的降水集中在7—9月。2014年和2015年棉花生育期内降水量和最高气温、最低气温及其分布如图1所示。2014年降水量分布相对分散，大于30 mm 强降水主要集中在2014年8月初至9月初之间，年总降水量为222.1 mm；2015年有2次大于50 mm强降水，分别在4月初和8月初，年总降水量为466.93 mm。2014年年平均最高气温和年平均最低气温分别为25.82 ℃和15.34 ℃；2015年年平均最高气温和年平均最低气温分别为24.68 ℃和15.31 ℃。研究区土壤粒径组成见表1，土壤为粉质壤土。

图1 2014年和2015年降水和气温分布Fig.1 Rainfall and temperature distribution in 2014 and 2015

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

1.2 试验设计

为研究沟播覆膜植棉技术在滨海盐碱地的增产机理，试验播种前选取表层0～40 cm 土壤含盐量为5～7 g/kg 的重度滨海盐碱地，设置平播覆膜（CK）和沟播覆膜（RF）2 个处理。其中RF 处理沟底宽60 cm，垄宽90 cm，垄高20 cm；CK 与RF 处理行距均为60 cm+90 cm，株距均为28 cm；在窄行覆膜，膜宽为75 cm。2 种种植方式示意如图2。每种植棉方式设3 个重复小区，小区规格为4.5 m×5.4 m。2014年棉花播种日期为4月22日，收获日期为10月23日；2015年播种日期为5月1日，收获日期为10月29日。2014年，棉花生育期内采用滴灌共灌溉3 次，每次灌水量均为15 mm，灌水日期分别为4月21日（播种前）、6月13日（苗期）和7月10日（现蕾期）；2015年棉花生育期内未进行灌溉。2014年和2015年播种时在距播种行5 cm 位置处条施复合肥（N、P、K 质量比为24∶10∶14）施肥量为450 kg/hm2，于花铃前期追施尿素（N：46%）300 kg/hm2。2014年和2015年棉花打顶日期分别为7月15日和17日。试验期间棉田锄草、喷药、化控等管理与周围农户一致。

图2 种植示意及取样点位置分布Fig.2 Schematic diagram of planting patterns and the sampling position distribution

1.3 测定指标及方法

1）土壤水盐

本研究以土壤质量含水率变化反应土壤水分状况，土壤电导率变化反应土壤盐分状况。土壤含水率采用烘干称质量法确定，土壤电导率采用电导率仪（DDS-307A）测定（土水比为1∶5 的土壤浸提液电导率值）。棉花生育期内每7～10 d 在每个试验小区的宽行中心（膜外）、播种行和窄行中心（膜下）设置3 个取样点，每10 cm 一层取样，其中沟播覆膜垄上取样深度为80 cm，其余各点取样深度均为60 cm，取样位置及层次如图2所示，每个处理均取3 次重复。

2）棉花幼苗生长指标

于棉花播种后第14 天、第30 天，选择每个小区内中间2 行统计棉花出苗量，记为m1和m2，则成苗率s为：s=m2/m1×100%；棉花播种后第30 天，用剪刀贴地面剪去地上部茎秆及叶片，用直尺测定株高h、叶片长（a）和宽（b），参照孙池涛等[9]计算方法，叶面积LA为：LA=0.84×ab；地上部棉花干物质量由烘干称质量法获得。

3）棉花根表面积

2014年于棉花苗期（6月17日）、现蕾期（7月17日）、花铃初期（7月29日）和花铃后期（8月20日）用根钻（钻头直径为7 cm，高10 cm）分层取根。取样时首先剪去地上部植株，然后以主根系为中心，分别在膜下中心、膜外中心、主根系处3 个位置分层（每10 cm 一层）取样。取出的根系样品先在清水中浸泡10 h，过0.1 mm 网筛，除去杂质，然后用扫描仪（Epson Perfection V700）扫描成tif 格式图片，最后利用Win RHIZO 根系分析软件对图片进行分析，获得根表面积。

4）棉花产量及其构成要素

单株成铃数为每个小区随机选择5 株统计可形成有效产量的铃数；单铃质量为每个小区随机选择的5 株棉花花铃实收数量称质量后取平均值获得；棉花产量由各小区实打实收获得；收获密度为收获时单位面积上可形成产量的株数统计获得；霜前花率为各小区当年霜降前采摘的籽棉质量除以总籽棉质量获得；衣分率为各小区实收籽棉通过轧花机轧花后获得的棉花纤维质量与籽棉质量之比。

1.4 数据分析

采用Excel 和SPSS 对数据进行整理分析，多重比较用LSD 法，显著性水平为0.05；采用Surfer 软件进行二维图绘制。

2 结果与分析

2.1 棉花生育期0～60 cm 土层土壤水盐变化特征

2014年和2015年棉花生育期内0～60 cm 土层平均土壤含水率和平均土壤电导率动态变化如图3所示。由图3 可知，RF 处理提高了0～60 cm 土层的土壤含水率，与CK 相比，2014年和2015年RF 处理生育期内平均土壤含水率分别提高了3.27%和5.32%，说明沟播覆膜具有集雨效果，进而提高土壤储水能力；2014年RF 处理电导率平均比CK 降低了14.43%，2015年RF 处理电导率前期高于CK（13.26%），后期低于CK（17.09%），总体电导率平均值略高于CK（1.24%）。此外，2014年7月17—27日期间，CK 0～60 cm 平均土壤含水率明显高于RF 处理，平均提高了6.93%；2015年RF 处理历次0～60 cm 平均土壤含水率均高于CK。

图3 棉花生育期内0～60 cm 土层平均土壤含水率及平均电导率Fig.3 Soil moisture and electrical conductivity in 0～60 cm layer during the growth period

2.2 不同时期土壤剖面水盐分布特征

2014年苗期、现蕾期、花铃前期和花铃后期CK与RF 处理0～60 cm 土层土壤含水率和土壤电导率剖面分布如图4所示。由图4 可见，除CK 花铃前期膜下0～60 cm 土壤含水率低于膜外，其余时期CK 与RF 处理膜下0～60 cm 土壤含水率均高于膜外。其中，CK 苗期、现蕾期和花铃后期膜下0～60 cm 土壤含水率比膜外分别高了54.39%、22.10%和35.81%；膜下0～60 cm 土壤电导率比膜外分别降低了235.26%、347.21%和259.29%。RF 处理苗期、现蕾期、花铃前期和花铃后期膜下0～60 cm 土壤含水率比膜外分别高了190.34%、88.28%、139.33%和210.19%；膜下0～60 cm 土壤电导率比膜外分别低了349.83%、330.05%、366.43%和337.92%。棉花生育期内，CK膜下土壤含水率比膜外高了2.67%，电导率低了27.78%；RF 处理膜下土壤含水率比膜外高了15.92%，电导率低了34.57%。综上可知，覆膜改变了土壤剖面水盐分布状况，且覆膜对RF 处理土壤剖面膜下提升土壤含水率及降低电导率的影响大于CK。

2.3 棉花幼苗生长指标变化

棉花苗期优质的生长指标可为后期高产、稳产奠定坚实基础。从表2 可以看出，2014年和2015年，RF 处理成苗率显著（p<0.05）高于CK；与CK 相比，RF 成苗率分别提高了8.3%和56.6%。2014年，RF处理干物质量和株高均显著高于CK，分别提高了32.9%和25.8%；然而，2015年RF 处理干物质量和株高均低于CK，分别降低了21.8%和5.8%。

表2 试验期间棉花幼苗生长指标Table 2 Variation of cotton seedlings index during the experimental period

2.4 土壤剖面棉花根表面积变化

不同生育阶段棉花根表面积变化如图5所示。CK和RF 处理0～60 cm 土层平均棉花根表面积均是自苗期到花铃后期呈先增加后降低的变化趋势，花铃前期棉花根表面积达到最大。0～60 cm 土层内CK 苗期、现蕾期和花铃后期膜下根表面积均高于膜外，分别高了65.4%、75.8%和1.6%，而花铃前期膜下根表面积比膜外低了25.9%；RF 处理各生育阶段膜下根表面积均大于膜外，依次提高了317.1%、155.4%、121.6%和161.9%。对比各生育期0～60 cm 土层膜外与膜内根表面积均值可知，CK 膜外的根表面积较膜内平均降低了7.3%；而RF 处理膜外的根表面积较膜内平均降低了61.8%，说明RF 处理膜内土壤环境促进根表面积增加。此外，RF 处理各生育阶段的根表面积均明显高于CK，平均提高了35.9%，说明RF 处理促进根表面积增加，提高根系吸水能力。

图5 棉花根系表面积分布特征Fig.5 Cotton root area distribution

2.5 棉花产量及产量构成要素变化

由棉花产量结果（表3）可知，2014年和2015年，RF 处理收获密度比CK 分别增加了8.3%和56.6%，单株成铃数比CK 分别增加了33.9%和63.4%。RF 处理与CK 的棉花单铃质量无显著差异（p>0.05）。2014年和2015年RF 处理籽棉产量较CK 分别显著（p<0.05）提高了37.0%和196.4%，说明RF 处理较CK 具有显著的增产优势。结合产量各构成要素可知，RF 处理在增加收获密度及提高单株成铃数方面效果显著。RF处理与CK 的衣分率和霜前花率无显著差异。结合年际间统计分析结果可知，年际间收获密度、单铃质量、单株成铃数、衣分率、籽棉产量和霜前花率均达到显著水平（p<0.05）；同一年份不同处理对收获密度、单铃质量、单株成铃数、籽棉产量和霜前花率影响显著（p<0.05）；年份与处理交互作用对单铃质量、单株成铃数、籽棉产量和霜前花率影响显著（p<0.05）。

表3 棉花产量及产量构成要素Table 3 Cotton yield and its composition

3 讨论

成苗是盐碱地植棉的关键，国内外针对盐碱地成苗技术开展了不同程度的研究[3]。如王占彪等[10]针对环渤海地区春季降水小的特点，提出了一种适宜于盐碱旱地提高成苗率的微沟覆膜植棉技术；董合忠等[3]在总结前人研究基础上对滨海盐碱地植棉提出了提墒增温、构建膜下温室等技术措施，以改善根区生态环境，减轻盐害威胁。本研究发现，RF 处理较CK显著提高棉花成苗率、增加苗期叶面积，原因可能是沟播覆膜后沟底蒸发量减少，且沟底能够通过地表微地形起伏优势集中降雨，为根区土壤蓄积水分，同时淋洗沟底盐分（图3），为幼苗生长创造适宜土壤环境。研究结果与Dong 等[11-12]一致。2014年CK 与RF 处理成苗率明显高于2015年，原因可能是2015年播种期4—5月降水量偏高，2015年4—5月累积降水量比2014年平均高了414.6%，而最高气温和最低气温比2014年平均分别低了7.8%和11.5%（图1），低温冷害条件不利于棉花幼苗生长所致[13]。2015年CK 干物质量和株高均大于RF 处理，原因主要与本年度苗期低气温条件与膜下（沟底）地温升温困难不利于幼苗生长有关[14]。此外，2015年较低的成苗率是导致其收获密度与籽棉产量低于2014年的重要原因[15]。

根表面积大小是反映植物根系吸水性能的重要指标，一般而言，根表面积越大，根系吸水性能越强；适宜的土壤水盐环境可促进根表面积增加，提高根系吸水能力，促进植物生长[16]。本研究中，2014年和2015年RF 处理棉花生育期内0～60 cm 平均土壤含水率均高于CK，平均电导率低于CK，这为根表面积的增加创造了适宜的水盐条件，因此，2014年棉花生育期内RF 处理历次取样根表面积均高于CK。但是，2014年7月7日—8月7日，RF 处理0～60 cm内土壤含水率低于CK，原因可能是前期降雨较少，且此阶段棉花处于营养生长与生殖生长并进阶段，根表面积迅速增加，植株耗水量较大所致[17]。覆膜可以抑制土壤水分蒸发，减少无效水分损失；然而，覆膜在一定程度上还能阻碍降水向膜下入渗，减少了膜下土壤水分补给来源[18]。本研究中，7月30日以前（花铃前期以前），降水多以20 mm 以下为主，就CK 而言，降水很难直接入渗补给至膜下根系，加之苗期和现蕾期棉花植株较小，膜下水分环境可以满足根系生长，因此CK苗期、现蕾期膜下根表面积均大于膜外；而花铃前期棉花植株耗水量较大，CK 膜下水分环境已不足以满足其生长需要，由于根系具有向水、向肥生长的特性[19]，因此CK 膜外的根表面积迅速增加甚至高于膜内；2014年8月4日—9月3日间有5 次大于20 mm 以上降水，受土壤蒸发和根系吸水共同影响，导致膜外0～60 cm 土层水分降低且低于膜内，而受覆膜保墒作用，膜下土壤水盐环境优于膜外，因此花铃后期CK 膜下根表面积高于膜外。就RF 处理而言，RF 处理因地表微地形起伏使膜下（沟底）可有效汇集降雨，水分可通过出苗孔入渗至棉花根区，导致RF 处理膜下（沟底）土壤含水率较高，这为膜下根系生长和吸水提供了有利条件，故棉花生育期内膜下（沟底）根表面积一直高于膜外，研究结果与孙池涛等[11]相一致。

2014年CK 与RF 处理棉花衣分率显著高于2015年，棉花霜前花率显著低于2015年，而年内二处理的棉花衣分率和霜前花率差异不显著。原因可能是2015年7月31日—8月4日连续强降水（累计降水量为197.43 mm）导致棉田积水严重，棉田涝渍胁迫影响了棉花养分的运输及棉铃的生长进程，导致霜前花率升高，衣分率降低[20]。

4 结论

1）RF 处理在提高棉花成苗率，增加幼苗干物质量，扩大根表面积以及增加棉花产量等方面比CK 具有更明显的优势。

2）RF 处理通过地表微地形改变增强了土壤储水能力，优化了土壤中水分、盐分分布，有利于为棉花幼苗生长、根系发育及产量形成创造适宜条件。RF处理比CK 增产37.0%～196.4%。