秸秆隔层对盐碱土水盐运移及食葵光合特性的影响

赵永敢，逄焕成，李玉义，*，胡小龙，王 婧，高鸿永

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081;2.石河子大学/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003;3.内蒙古河套灌区义长灌域管理局试验站，五原015100)

我国盐渍土面积较大且分布较广泛，同时还有大面积的潜在盐渍化土壤［1］，高效开发利用盐渍土资源对促进区域农业发展，保障我国粮食安全意义重大。内蒙古河套灌区是我国盐渍土面积较大的区域之一，全灌区盐碱耕地面积约为39.4万hm2，占总耕地面积的68.65%［2］，开发潜力较大。

长期以来，盐碱土改良主要采用灌溉排水、利用覆盖物和施加化学改良剂，以及客土转移和耐盐植物种植等措施［3-4］。在盐渍土利用过程中，土壤水分无效蒸发，潜水上升是造成地表返盐的主要原因，因此只要能有效控制土壤水分蒸发，或者阻断潜水上升路径，就能减轻盐分表聚，降低水分和盐分对作物的胁迫。国内外研究结果表明，通过地表覆盖能保墒蓄水、降低土表蒸发，提高水分利用效率，抑制地表返盐［5-9］。另有研究表明，在土表下30 cm处铺设砂砾层，以及在土表下20 cm处或30 cm处铺设秸秆层，可以切断土壤毛管，阻止底层土壤含盐潜水上行，减轻盐分表聚［10-15］，但有关土表下隔层的研究多数为室内模拟。总体来看，目前将地表覆盖与土表下设置隔层结合起来的研究较少，同时受盐渍土类型和地下水埋深的限制，研究结果具有一定的局限性，秸秆层对土壤水盐运动以及作物生长发育和光合特性的影响，还需要进一步的试验研究。因此，本研究在内蒙古河套灌区以玉米秸秆作为隔层材料，研究地表覆盖结合秸秆深埋措施对河套灌区中度盐渍土0—40 cm土层水盐运移及食葵光合特性的影响，探索土表下隔层措施的控盐效果，以期为河套灌区盐渍土改良和促进作物增产提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

试验于2011年5月至9月在内蒙古五原县隆兴昌镇永联村河套灌区义长灌域管理局试验站进行。地理坐标为北纬41.07°，东经108.00°，海拔1022 m。该地属于中温带季风气候带，全年日照时数3263 h，年均温6.1℃，≥10℃的积温3362.5℃，无霜期117—136 d。年蒸发量较大，蒸降比较高，冬春季土壤盐分表聚现象严重。试验区0—100 cm层土壤为粉砂壤土，按盐土分类为氯化物—硫酸盐土，平均容重为1.45—1.50 g/cm3，生育期内地下水埋深变幅为1.10—1.70 m。0—40 cm土层有机质9.54 g/kg，全氮0.51 g/kg，速效磷3.09 mg/kg，速效钾118.93 mg/kg。试验区基础土壤盐分含量与离子组成情况见表1。

2011年试验区总降水量为76.3 mm，食葵生育期内总降水量为55.5 mm，约占全年降水量的72.74%，其中苗期、蕾期、花期和乳熟期降水量分别为14.8 mm、9.4 mm、26.3 mm和5.0 mm。日降水量大多集中在0.2—0.4 mm/d之间，超过5.0 mm/d的天数极少，最大值(8月)仅为12.3 mm/d。

1.2 试验设计

试验安排在微区进行，每个微区面积为1.8 m×1.8 m=3.24 m2，随机区组排列。微区于2010年10月修建，先将各微区四周开槽深挖至1 m处，用双层塑料布阻隔，使微区间互不影响，中间再用土填实空隙。每个微区上部四周用40 cm×60 cm混凝土预制板围砌(外露20 cm，下埋40 cm)，然后将露出部分用水泥硬化。微区内土壤没有扰动，40—100 cm土层盐分相对一致，为保证微区表层土壤盐分基本一致，将各微区0—20 cm土层盐分通过人工方法均调到0.4%。方法是2010年秋浇前每个微区均取0—20 cm土层8个点土样混合，并测定其盐分值作为微区土壤盐分基础值，然后根据0—20 cm土层盐分基础值和目标值(0.4%)，添加盐结皮(结皮盐分类型和含量经混匀后完全一致)，所加盐全部均匀撒在地表并用耙挡平。

表1 试验区基础土壤盐分含量与离子组成Table 1 Foundational soil salt content and ion composition in experimental area

试验设地膜覆盖(当地农户普遍采用的措施，CK)、秸秆深埋(S)、上秸下秸(S+S)和上膜下秸(P+S)4个处理，每个处理重复3次。由于食葵根系生长主要分布在40 cm以上土层，机耕深度也低于40 cm，因此S、S+S和P+S处理在距地表40 cm深处埋设秸秆层，CK处理不埋设秸秆层。秸秆埋设前先将微区土壤用铁锹按0—20 cm和20—40 cm层次取出，然后把约10 cm长的玉米秸秆均匀铺设在地下，铺设厚度5 cm(压实前厚度)，最后将土壤按原层次回填。试验布置完毕，立即进行秋浇压盐，每个微区灌溉定额均为0.60 m3(合1850 m3/hm2)，用黄河水(矿化度为0.58 g/L)灌溉，用水表计量。

2011年5 月开始种植作物，供试验作物为食葵(Helianthus Annuus)，品种为LD5009。5月11日定额灌溉，灌水量为1850 m3/hm2，水源为黄河水。播前2 d进行人工耕翻，深度约20 cm。耕翻后松土施肥，所施肥料均为尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 18%，P2O546%)、硫酸钾(含K2O 50%)，用量分别为N 180 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2，均作为底肥一次性条施，用松土将肥料盖住。此后进行地表覆盖，其中，S处理地表不覆盖，P+S和CK处理地表用地膜分两行覆盖，膜间距20 cm，膜间地表裸露，S+S处理地表用切碎的玉米秸秆覆盖，秸秆用量约6 000 kg/hm2。5月28日播种，人工点播，每微区4行，每行3株，穴距45 cm，行距60 cm，种植密度约37 000株/hm2。食葵生育期内不再进行灌水和施肥，其它管理措施与当地农户一致。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤水分与盐分含量

用自制不锈钢土钻在各微区两行食葵之间取0—40 cm土样(有地膜覆盖的处理在膜下取样，有秸秆覆盖的处理在秸秆下取样)，带回实验室进行土壤水分和盐分含量测定。土壤水分含量用烘干法测定，为质量含水量。土样烘干后磨碎，过2 mm筛，以1∶5的土水比提取土壤溶液上清液，用电导率仪DDS-307测定土壤电导率，根据公式［16］计算出土壤盐分含量:土壤盐分含量(g/kg)=电导率×0.064×5×10/1000再根据公式计算出各时期土壤盐溶质浓度:土壤盐溶质浓度(g/L)=盐分含量/水分含量×10。

1.3.2 光合指标

采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合仪分别在食葵苗期、蕾期、花期和乳熟期选择晴朗无风的天气于9:00—11:00进行光合参数的测定。由于各处理生育期相差3—5 d，因此在各个时期连续测定3 d，取平均值作为该时期的光合参数值。用红蓝光源叶室测定，设定光量子度(PAR)为1 200μmol·m-·2s-1，样本室内气流速度(Flow)为500μmol.s-1，叶室温度为30℃。

每个微区选取长势一致的食葵3株，在每株相同部位选取完全伸张的向阳的叶片，每片叶读数5次，取15次平均结果。测定参数为:净光合速率(Pn，μmol CO·2m-·2s-1)、气孔导度(Gs，mmol·m-·2s-1)、胞间CO2浓度(Ci，mmol CO2/mol)和蒸腾速率(Tr，mmol H2O·m-2·s-1)。叶片水分利用效率(LWUE，μmol CO2/mmol H2O)的计算公式为:LWUE=Pn/Tr。

1.3.3 生长指标

食葵长至第4对小叶时开始，每个微区选取长势一致的3株定株观测，用卷尺和游标卡尺测量株高、茎粗和叶面积，每个时期测量1次。

1.4 数据处理

试验数据均用Excel做图，DPSv6.85版进行统计分析，单因素方差分析采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 秸秆隔层对土壤水盐运移的影响

2.1.1 土壤水分含量动态

从图1可以看出，在地下40 cm处铺设秸秆层能显著提高苗期0—40 cm土层水分含量。其中S、S+S和P+S铺设的秸秆层能把灌水蓄积在隔层以上土层，显著提高了土壤水分含量，三者在苗期分别比CK高11.30%、15.61%和11.02%，为食葵生长前期发育提供了充足的水分。而CK地下无秸秆层，灌水下渗速率较快，苗期土壤水分含量相对较低。

图1 不同时期0—40 cm土层水分含量Fig．1 Soil water content of 0—40cm layer in the different stages

随着生育期的推进，各处理土壤水分含量呈降低趋势。其中，S+S和P+S的土壤水分含量从蕾期开始显著低于CK，P+S尤为明显;S在蕾期略高于CK，花期显著高于CK。这可能是由于土壤水分含量还与降水有关，在蕾期和花期，当地降水量增加，S地表无覆盖，S+S地表覆盖秸秆，二者均能较好的接收降水，而CK和P+S只有膜间无覆盖区域能接收降水，土壤水补充量小。乳熟期食葵对土壤水消耗较大，由于S、S+S和P+S铺设的秸秆层减弱了底层土壤水向上供给能力，土壤水分含量下降较快，三者显著低于CK，其中P+S食葵生长最为旺盛，其土壤水分含量也最低。

2.1.2 土壤盐分含量动态

由图2可知，P+S在整个生育期内能降低0—40 cm土层盐分含量，控抑盐效果极为显著。P+S能使生育期内土壤盐分含量控制在2.5—4.0 g/kg之间，平均比CK低16.76%—27.78%。这是由于P+S地表覆盖的地膜降低了土壤蒸发量，抑制了地表返盐，同时地下铺设的秸秆层也阻断了底层土壤盐分随水向上运移，抑制了盐分表聚，隔层和地膜结合体现了较好的控抑盐效果，为食葵根系的生长提供了低盐环境。S+S在生长前期也能控制地表返盐，苗期其盐分含量比CK低25.43%，但控抑盐效果不如P+S明显，且只体现在苗期;蕾期和花期盐分含量略高于CK，乳熟期显著高于CK，后期控抑盐效果不佳。S在生育期内盐分含量高达4.0—7.0 g/kg，平均比CK高15.02%—66.21%，控抑盐效果最差。

由此可见，在铺设秸秆层的同时必须进行地表覆盖才能起到控抑盐作用，只设秸秆层而不进行地表覆盖的控抑盐效果较差。另外，在有秸秆层情况下，地表覆盖材料不同其控抑盐效果和作用时期也不同，地表覆盖地膜比覆盖秸秆的控抑盐效果显著，作用时期也持久，即P+S比S+S的控抑盐效果好、时效长。

2.1.3 土壤盐溶质浓度动态

图3表明，P+S在整个生育期内能显著降低0—40 cm土层盐溶质浓度，能为食葵的生长提供较低的盐溶质浓度环境。其中，P+S在生育期内土壤盐溶质浓度平均比CK低10.27%—34.95%，苗期尤为突出;S+S苗期土壤盐溶质浓度比CK低35.51%，蕾期和花期略高于CK，乳熟期显著高于CK;S苗期土壤盐溶质浓度与CK差异不大，后期显著高于CK。由此表明，尽管P+S在生长后期土壤水分含量低于其它处理，但由于其盐分含量较低，土壤盐溶质浓度不高，淡化了根系生长层，对食葵生长的盐胁迫程度要低于其它处理。

图2 不同时期0—40 cm土层盐分含量Fig．2 Soil salt content of 0—40cm layer in the different stages

图3 不同时期0—40 cm土层盐溶质浓度Fig．3 Soil salt solute concentration of 0—40cm layer in the different stages

2.2 秸秆隔层对食葵光合特性的影响

2.2.1 净光合速率

由于不同处理对0—40 cm土层水盐运移调控程度不同，食葵净光合速率(Pn)也随之发生变化(表2)。其中，P+S能在食葵关键生育期提高Pn，在苗期、蕾期和花期，其Pn分别比CK高4.89%、2.29%和3.70%。由于P+S生育期提前了2—3 d，其Pn在乳熟期略低于CK，但不显著，且此时食葵灌浆已基本完成，对产量的形成影响不大。S+S的Pn表现趋势与P+S相同，在苗期、蕾期和花期分别比CK高1.32%、2.11%和1.67%，但其Pn均低于P+S，表明S+S对提高Pn的效果不如P+S明显。而S的Pn仅在苗期比CK高1.17%，蕾期、花期和乳熟期分别比CK低4.03%、0.26%和1.29%，对提高Pn的作用时期较短。

从作用时期看，P+S对食葵Pn的提升效果主要体现在苗期、蕾期和花期，其中苗期尤为明显。这与其对水盐调控结果的趋势基本一致，进一步说明P+S在食葵生长前期可起到保墒控盐的作用，从而有效地降低了水盐胁迫对Pn的影响。

2.2.2 气孔导度

对各处理食葵气孔导度(Gs)的分析结果(表2)与Pn一致。P+S和S+S在苗期、蕾期和花期的Gs均显著高于CK，乳熟期由于土壤水分含量降低，水分胁迫下气孔关闭，Gs降低，显著低于CK。S在苗期Gs与CK差异不大，后期土壤盐溶质浓度较高，胁迫较严重，Gs显著低于CK。这表现出与水盐动态相同态势，说明食葵在受到水分和盐分胁迫时气孔关闭，极显著地降低了Gs，对Pn造成负面影响。

2.2.3 胞间CO2浓度

由表2可知，食葵生育期内胞间CO2浓度(Ci)的变化情况与Pn和Gs相反。在苗期、蕾期和花期，食葵的Ci表现为:S＞CK＞P+S＞S+S，乳熟期Ci表现为:P+S＞S+S＞S＞CK。由此可见，受水分、盐分或二者双重胁迫程度较大的处理，Ci也最高，Pn有所降低。这表明当土壤盐分含量过高或者水分含量过低时，叶肉细胞利用CO2的能力降低，导致Ci增加，从而降低了食葵的Pn。

2.2.4 蒸腾速率

在食葵生育期内，蒸腾速率(Tr)表现出与Gs相似的变化趋势(表2)。在苗期、蕾期和花期，食葵的Tr表现为:P+S＞S+S＞CK＞S，乳熟期Tr表现为:CK＞P+S＞S+S＞S。食葵的Tr受气孔大小调节，Gs较高，Tr也较大，从而加速了土壤水分散失速度，故而导致P+S和S+S处理水分含量下降。当土壤水分含量减少和盐分含量增加时，食葵可通过自身调节机制，关闭气孔，Gs减小，因而Tr下降。

2.2.5 叶片水分利用效率

从表2可以看出，食葵的叶片水分利用效率(LWUE)呈现先降后增的趋势。从苗期到蕾期，LWUE逐渐降低，而花期和乳熟期又迅速上升。在苗期，S、S+S和P+S的土壤水分含量均高于CK，但S的盐分含量也较高，形成一定程度的盐分胁迫，导致Tr降低，从而使LWUE高于其它处理，但不显著;从蕾期开始，P+S受水分胁迫，S和S+S受水分胁迫的同时还受盐分胁迫，Tr迅速降低，LWUE不断提高，到了乳熟期，三者的LWUE显著高于CK。由此表明，随着土壤水分含量的减少和盐分含量的增加，以及Pn的迅速下降，食葵主要通过降低Tr来提高LWUE，尤其在受到水分胁迫严重时表现较为明显。

表2 不同时期食葵光合参数Table2 Photosynthetic parameters of sunflower in the different stages

2.3 秸秆隔层对食葵农艺性状的影响

图4是食葵生育期内株高、茎粗、叶面积和地上部干物质量动态变化情况。与CK相比，P+S长势较好，尤其苗期生长较为迅速，其株高、茎粗和地上部干物质量均显著高于CK，平均比CK高4.23%、22.87%和16.22%。由于P+S的生育期较其它处理提前3—5 d，其叶面积在生长前期也平均比CK高17.82%，乳熟期略低于CK。S+S在苗期和蕾期的长势优于CK，地上部干物质量显著也高于CK，但株高、茎粗和叶面积与CK差异不显著;花期和乳熟期生长态势减缓，株高、叶面积和地上部干物质量显著小于CK。S在整个生育期内长势最差，地上部干物质也较少，显著弱于CK。这表明P+S处理能促进食葵生长发育，增加干物质积累量，进而实现增产，其效果明显优于其它处理。

3 讨论与结论

3.1 讨论

以往研究表明［5，11-14］，在盐碱耕地上，地表覆盖能使土表和空气接触面减小，提高保水性和抑盐性;地下铺设秸秆层能破坏土壤毛细管的连续性，降低深层土壤的水分蒸发，从而抑制盐分表聚。本试验结果显示，P+S控抑盐效果较好，体现了地表覆盖与秸秆层的控盐抑盐和蓄水保墒作用，且效果显著优于S+S。这是由于P+S和S+S均铺设了秸秆层，减弱了土壤毛管作用，将底土层盐分控制在秸秆层以下土层，其中P+S覆盖的地膜在地表形成不透气的阻隔层，使土壤水分垂直蒸发受阻，蒸发速率减缓，无效蒸发减少［17］，土壤水利用效率较高，而S+S覆盖秸秆的土壤蒸发量相对较大，返盐较快，因而其抑盐效果也较差。

图4 不同时期食葵的农艺性状动态Fig．4 Agronomic characteristic dynamics of sunflower in the different stages

在本试验中，P+S的0—40 cm土层水分含量从蕾期开始不断减少，这是由于其食葵生长旺盛(图4)，植株蒸腾作用强烈(表2)，水分消耗较大，同时秸秆层阻断了底土层水分的上升，降水补给量也不足，导致后期水分含量下降。但试验结果表明，P+S的盐分含量较低，为食葵的生长提供了较低的土壤盐溶质浓度环境。S+S的土壤水分含量在生长后期不断下降，而盐分含量上升也较快，其土壤盐溶质浓度显著高于P+S，对食葵生长后期不利。S在蕾期和花期水分含量最高，这可能是由于其植株长势较弱，对水分消耗量较小，加之对降水的接收能力相对较强，但其盐分含量也最高，严重抑制了食葵生长发育。CK由于无秸秆层，底层土壤水能向上供给，水分含量相对稳定，但盐分含量始终高于P+S。

光合作用是作物生产力高低的决定因素和对环境胁迫程度的反应指标［18-19］，土壤水分过低或盐分过高均会降低作物的Pn［20-21］。同时，Pn也受Gs和叶肉细胞光合能力高低的调控［22-25］，Pn和Tr的耦合过程决定了LWUE和作物能量转化效率的高低［26-27］。本试验结果显示，食葵在各时期Pn、Gs和Tr与土壤水分、盐分含量变化趋势相同，但Ci表现出不同的变化趋势。各时期导致食葵Pn降低的原因不同，苗期Pn与土壤水分含量有关，P+S、S+S和S的水分含量均显著高于CK，三者的Pn、Gs和Tr均高于CK，而Ci低于CK，表明此时Pn降低主要是由水分胁迫引起;蕾期、花期和乳熟期，Pn随土壤水分含量的降低和盐分含量的升高而降低，Gs和Tr也呈不同程度降低，而Ci先降后增，表明此时Pn降低由水分和盐分胁迫共同造成。另外，在本试验中，食葵生长前期各处理间LWUE差异不显著，后期水盐胁迫加剧时气孔关闭，Tr下降幅度大于Pn，从而使LWUE升高，且LWUE与胁迫程度关系密切，这与刘瑞显等［18］对棉花的研究结果一致。

在本试验中，P+S在食葵生长前期土壤水分含量充足，尽管后期有所降低，但其盐分含量较低，为食葵生长提供了较低的土壤盐溶质浓度环境，提高了Pn，整个生育期内保持了较好的生长态势和干物质积累。S+S在苗期和蕾期长势仅次于P+S，但从花期开始，土壤水分减少的同时盐分含量也不断增加，土壤盐溶质浓度升高，致使Pn降低，食葵长势减缓，影响了干物质积累。S在生育期内受盐分胁迫严重，后期还受水分胁迫，Pn较低，食葵长势较弱，干物质积累量也较少。

3.2 结论

(1)不同措施对土壤水盐调控的效果与作用时期差异较大。P+S在整个生育期内0—40 cm土层盐分含量和土壤盐溶质浓度较低，控抑盐效果极为突出，明显优于其它处理。S+S只能在苗期保墒控盐，且控盐效果比P+S差，生育后期水减盐增，土壤盐溶质浓度上升较快。S在整个生育期内盐分含量最高，控抑盐效果不佳，土壤盐溶质浓度较大。CK在整个生育期内土壤水分含量变化不大，而盐分含量较高，控盐效果也不明显。

(2)不同耕作措施对土壤水分和盐分有不同程度的调控作用，并通过改变土壤水盐动态而影响了食葵的光合特性和生长状况。与CK、S、S+S相比，P+S由于其较低的盐溶质浓度环境，明显改善了其光合特性，在苗期、蕾期和花期能提高净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)，增加气孔导度(Gs)，降低胞间CO2浓度(Ci)。另外，P+S促进了食葵生长发育，长势较好，干物质积累较多，明显优于其它处理。S+S在生长前期也能促进食葵生长发育，效果不如P+S显著，但后期长势减缓，干物质积累也减少。S抑制了食葵生长发育，在整个生育期内生长缓慢，长势比CK差，干物质积累较少。

(3)综合试验结果，P+S是内蒙古河套灌区盐碱地改良中优选的技术措施。

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