油菜秸秆还田对盐碱地油菜根系生长发育的影响*

李 斌，王家平*，李鲁华*，郑 旭，杨 涛，王内利

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832003）

盐碱地是指因土壤盐分含量过高而导致植物无法正常生长发育的土地，遍布的地区多为干旱、半干旱地区以及滨海地区[1]。盐碱化土壤不仅直接危害到农作物的生长发育，而且会对土地进行破坏，降低土壤生产力。我国盐碱地主要分布在东北、华北、华东和西北四大区域[2]。新疆是我国盐碱化面积最大、分布最广、类型最多和积盐最重的地区。新疆盐碱地面积为2 181 hm2，占全国盐碱地面积的21%[3-5]。经过多年的盐碱土壤改良，得到了很大程度的改善，目前盐碱土壤治理仍是大家关注的热点[6-7]。

盐碱地的改良措施包括物理改良、 生物改良和化学改良三大改良措施。物理改良主要是通过建立完善的排灌系统，借助井、沟、渠等配套措施，钻灌水井、修筑台田、埋设暗管等，达到灌水适当、排水及时的效果。刘慧涛[8]等研究暗管对地下水盐的变化中发现，暗管能增强降水洗淋的盐分，同时又能降低地下水位，具有明显的改良效果。王晓光[9]通过对暗管排盐技术与膜下滴灌技术相结合，实现节水15%以上，节水效果显著。胡明芳[10]指出，合理的搭配各种改良措施，利用现代生物技术培育耐盐品种，建立水盐监测体系，形成完整的盐碱土改良技术。生物改良措施包括两方面，一是通过生物排水，有效降低地下水位；二是盐生植物的种植，主要是一些苜蓿、牧草等植物，增强土壤肥力，改善土壤结构。赵振勇[11]对重盐碱土上种植耐盐植物的研究得出，盐角草较盐地碱蓬对Na+和Cl-有很强的聚集特征，在重盐渍化地区改良效果明显。董晓霞[12]等对耐盐植物中耐盐基因进行研究，提出对耐盐基因转移到农作物的重要性。化学改良措施的主要原理是通过酸碱中和的方法改良盐碱土的理化性质[13-14]。安东[15]等采用大田试验与玉米室内模拟盆栽结合的研究思路，对比盐碱土在施用硫磺、石膏、有机肥、PAM 等不同改良剂后土壤水分及相关性质的变化，综合而言，PAM 表现出了最佳效果。杨全刚[16]对褐煤、硫磺、石膏和糠醛渣4 种改良剂进行研究发现，各改良剂都能较好地改良土壤物理性质，组合配施能得到更好的改良效果。各改良剂单独使用对于不同植物都有不同的改良效果。

农作物秸秆还田可起到抑盐、降盐、改善土壤水分状况和土壤物理结构的作用[17-20]，是一种适用性较广的盐碱地改良措施。李新举[21]在覆盖秸秆于盐碱土的研究中发现，覆盖秸秆可显著降低土壤水分蒸发速度，控制土壤表层盐分的聚集，随着覆盖量的增加，土壤盐分表聚作用逐渐减弱。吴泠[22]等利用玉米秸秆改良盐碱土，结果表明，秸秆处理明显降低了土壤表层的可溶性离子含量和pH 值，增加了土壤有机质含量、土壤微生物数量和酶活性。国立财[23]研究发现，秸秆还田各处理均能提高土壤含水量和田间持水量，并不同程度地提高了土壤脲酶和过氧化氢酶的活性。周连仁[24]等通过秸秆还田改良盐碱土壤的研究发现，秸秆还田处理有机质含量增加，1～0.25 mm 和0.25～0.05 mm 的团聚体含量有所增加，施用有机肥后，效果更为明显。田平[25]通过对玉米秸秆还田的试验研究发现，秸秆还田显著提高了耕层土壤有机碳和全氮含量。赵亚丽[26]研究发现，深耕和秸秆还田可显著提高植物的土壤呼吸速率和干物质积累量。王双磊[27]通过棉花秸秆还田改良滨海盐碱土壤的研究发现，连续两年秸秆还田显著降低了土壤容重、总含盐量、水溶性钠离子含量、pH 值和真菌数量，使土壤中的细菌、放线菌数量、脲酶、过氧化氢酶和棉花产量都有着显著提高。徐旭[28]通过研究秸秆还田处理伴随低氮试验发现，适量的秸秆还田与低氮处理，更有助于耕层土壤中根系的生长，增加作物产量，是一种更加环保和可持续的农业技术。目前，干旱区重度盐碱地治理主要依靠化学方法进行改良，盐碱作物产量较低，通过秸秆还田改良盐碱地比较困难。

油菜不仅是重要的油料作物，也是当前旅游的一种主要资源，同时油菜秸秆中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，是一种高品质的青贮饲料。华油杂62号不仅有着生长周期短、生物量高，还具有耐盐碱等优点，研究表明，在pH 为11.2 的盐碱土壤中种植华油杂62号，青贮饲料产量可达4.5 t/667 m2以上[29]，为重度盐碱地进行盐碱地改良提供了一种可行途径。本试验利用不同处理油菜秸秆还田田间原位试验，通过不同秸秆还田量模拟最佳重度盐碱地还田年限，探究秸秆还田量对于油菜根系生长发育的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

原位培养试验位于石河子一四六团 （44°36′1.75″N，85°57′35.72″E），石河子属于典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年平均降水量100～190 mm，年平均蒸发量在1 200 mm 左右。无霜期为170 d 左右。≥0 ℃的活动积温为4 100 ℃左右，≥10 ℃的活动积温为3 600 ℃左右。石河子地区日照充沛，年日照时数为2 800 h 左右，北部地区日照时数多于南部地区。农田为重度盐碱地试验田（试验田pH 为11.2）。

1.2 试验设计

本试验供试作物为饲料油菜（品种为华油杂62号）。设置对照不进行秸秆还田处理（CK）、单倍秸秆还田处理（Single Straw）、两倍秸秆还田处理（Double Straw）和三倍秸秆还田处理（Triple Straw）4 个原位处理，模拟一年、两年和三年秸秆还田影响，每个处理3 次重复。单倍秸秆还田按照饲料油菜在盐碱地收获生物量设置，为4 500 kg/667 m2，两倍秸秆还田和三倍秸秆还田分别为9 000 kg/667 m2和13 500 kg/667 m2。试验采用机械土钻（QTZ - 3D）将深度60 cm、直径45 cm 的原状盐碱土壤取出，把PVC 培养管（深度60 cm、直径45 cm）放置在土坑里，然后将外缘土恢复原状。将取出的盐碱土充分混匀，在每个管里放入混匀盐碱土至培养管30 cm 处。最后将收获的油菜秸秆剪至2 cm 长度，按照培养量与盐碱土混匀，分别放入相应的培养管。试验使用底部密封的透明树脂玻璃根管（与CI-600 配套）监测油菜根系，根管内径64 mm，根管长度为50 cm，根管埋设与地面呈45°的夹角，根管俯视投影与油菜中间行平行 （图1）。根管露出地面的外管壁缠上黑色塑料胶带，阻止光线透过微根管，以防止影响油菜根系生长。埋设完毕后，黑色塑料盖密封管口，阻隔外界水气在内管壁凝结，预防在监测时水珠进入损坏仪器。油菜在2018年4月中旬种植，油菜全生育期灌水5～7 次，4 个处理保持灌水时间和施肥量一致。

表1 不同深度秸秆还田处理油菜平均根直径变化特征

图1 根管布置示意图

1.3 根系监测与处理

油菜苗期后，每隔10 d 用根系监测系统对根系进行监测。使用拉杆送下扫描头，在与扫描头连接的拉杆上，每隔20 cm 安装拉杆，使用这些拉杆，把扫描头送到需要测量的位置，根据埋设角度计算，得到（0～14 cm、14～28 cm）不同深度根系的分布图。每次获取的图片面积为21.60 cm×15.60 cm，像素密度为1 200 dpi，以TIFF 格式保存在电脑上，在实验室利用系统配备的WINRHIZOTRON2015a 进行分析。

1.4 数据统计与分析

运用WINRHIZOTRON2015a（上海泽泉科技有限公司，United States of America）对试验图片进行处理，然后用SPSS 19.0 对试验数据进行单因素统计分析（p ＝0.05），图形绘制利用Sigma Plot 12.5 软件，图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田处理油菜根长变化特征

不同秸秆还田处理油菜根长总体趋势都呈现随生育时期的推进根长不断增加。0～14 cm 土壤层中根长在5月19日生长速率达到顶峰，而后缓慢增长；14～28 cm 土壤层中根长在5月29日达到顶峰，随后缓慢增长。不同秸秆还田处理在0～14 cm土壤层中均与对照存在着显著性差异，二倍秸秆还田、三倍秸秆还田处理根长在5月29日分别为81.2 cm 和83.7 cm，两处理无显著性差异。在该时期之后二倍秸秆还田处理与三倍秸秆还田处理无显著性差异，表明秸秆还田中三倍秸秆还田对于油菜根系促进作用与二倍秸秆还田无显著效果。同时二倍秸秆还田与单倍秸秆还田处理存在显著性差异，说明对于油茶根长的促进，二倍秸秆还田作用效果更加明显。在14～28 cm 土壤层中单倍秸秆还田处理与对照无显著性差异，与二倍秸秆还田处理、三倍秸秆还田处理存在着显著性差异，表明在14～28 cm土壤层中需至少2 倍秸秆还田才能较为显著的促进油菜根系生长。

2.2 不同秸秆还田处理根平均根直径变化特征

从表1 可知，在不同土壤深度中，平均根直径随着生育时期的推进呈现出逐渐增加而后保持缓慢增加的现象。在同一土壤深度，平均根直径表现出随着秸秆还田量的增加根直径增加。0～14 cm 土壤层中对照处理与单倍秸秆还田处理无显著差异，三倍秸秆还田处理在6月9日根直径为0.59 mm，二倍秸秆还田处理为0.54 mm，两种不同处理在6月9日后均存在显著差异。14～28 cm 土壤层中，三倍秸秆还田处理与对照处理存在显著差异，在7月29日根直径分别为0.53 mm、0.53 mm、0.55 mm 和0.56 mm，对照处理与单倍秸秆还田处理无显著差异，表明单倍秸秆还田对于油菜根直径的作用效果不显著。

2.3 不同秸秆还田处理油菜根体积变化特征

油菜根体积在不同深度土壤层中保持随着时间的增加根体积不断增加的变化趋势。0～14 cm 土壤层中油菜根体积增长最快时期到5月29日，而后缓慢增长。14～28 cm 土壤层中则为6月9日，不同土壤层中根体积均表现为三倍秸秆还田处理＞二倍秸秆还田处理＞单倍秸秆还田处理＞对照处理。油菜根体积在0～14 cm 土壤层中总体表现为单倍秸秆还田处理与对照处理无显著差异，二倍秸秆还田处理与三倍秸秆还田无显著差异，三倍秸秆还田处理与对照存在显著差异。不同秸秆还田处理在7月29日的根体积分别为0.12 cm3、0.19 cm3、0.21 cm3和0.23 cm3，各秸秆还田处理间无显著差异。油菜秸秆在14～28 cm 土壤层中，根体积总体表现为三倍秸秆还田处理与单倍秸秆还田处理和对照处理存在显著性差异，与二倍秸秆还田处理无显著性差异。7月29日单倍秸秆还田处理与二倍秸秆还田存在显著性差异，根体积在这一时期分别为0.06 cm3、0.08 cm3、0.12 cm3和0.14 cm3，三倍秸秆还田处理与二倍无显著性差异，表明两种处理对于改良盐碱地的程度并无明显差异，能够满足油菜根系生长所需的营养物质。

2.4 不同秸秆还田处理油菜根尖数变化特征

油菜根尖数在整个生育时期表现逐渐增加的现象，不同土壤深度表现出随着秸秆还田量的增加，根尖数逐渐增加。0～14 cm 土壤层中的根尖数均高于14～28 cm 土壤层中的根尖数。0～14 cm 土壤层中根尖数增长速率最快时期到5月29日，14～28 cm根尖数增长速率最快出现在同一时期，而后都呈现缓慢增长。在0～14 cm 土壤层中，油菜苗期后总体表现为单倍秸秆还田处理与对照处理无显著差异，二倍秸秆还田处理与三倍秸秆还田处理无显著差异，但都与单倍秸秆还田处理存在显著差异。油菜秸秆还田对于根尖数增加起着较为显著的作用，但是存在峰值作用效果。在14～28 cm 土壤层中，三倍秸秆还田处理与单倍秸秆还田处理、 对照处理存在着显著性差异，二倍秸秆还田处理与单倍秸秆还田处理、三倍秸秆还田处理无显著性差异。不同秸秆还田处理总体表现为：三倍秸秆还田处理＞二倍秸秆还田处理＞单倍秸秆还田处理＞对照处理。

2.5 油菜根体积与根生物量之间的关系

由图2 可知，不同油菜秸秆还田处理油菜根系体积变化范围在0.14～0.42 cm3之间，油菜根干重集中在3.8～6.9 g 之间。油菜监测根体积与油菜干重呈极显著线性正相关关系（R2＝0.54，p ＜0.01），散点围绕在回归线两侧，线性回归关系较好。由回归方程可知，线性斜率为0.057，说明利用CI-600 根系监测系统监测0～28 cm 土层根系占全株油菜根系的5.7%，虽然CI-600 根系监测系统具有连续监测、无破坏原状土壤监测等特性，但是存在监测范围较少，无法较为全面的反映植物根系生长状况，监测存在一定的局限性。

图2 油菜根体积与根生物量之间的线性关系

2.6 重度盐碱地油菜秸秆还田对油菜根系生长的影响

从表2～3 可知，根长、根直径、根体积和根尖数在不同土壤深度不同秸秆还田处理均表现为7月最大，6月居中，5月最小。在同一土壤深度，根长、根直径、 根体积和根尖数表现出随着秸秆还田量的增加而不断增加。0～14 cm 土壤深度油菜根长、根体积和根尖数在5月、6月和7月间三倍和两倍秸秆还田处理与对照处理达到显著性差异，而根直径仅在6月和7月具有显著性差异。二倍秸秆还田处理根长、根体积和根尖数与三倍秸秆还田处理在5、6、7月份没有显著性差异。在14～28 cm 土壤层，油菜根长、根直径、根体积和根尖数均随着秸秆还田量的增加而增加，各项指标在7月最大，6月居中，5月最小。三倍秸秆还田处理根长和根体积在生育期内均与二倍秸秆还田处理差异不显著，与对照和单倍秸秆还田处理具有显著性差异。

表2 不同秸秆还田处理对5月油菜根系生长的影响

表3 不同秸秆还田处理对6～7月油菜根系生长的影响

3 讨论

不同深度土壤油菜根长、根直径、根体积和根尖数都随着生育期延长而不断增加，但0～14 cm 土壤层根系各指标均大于14～28 cm 土壤层。与高嵩涓[30]利用根管法研究油菜苗期根系形态研究结果相一致，均表现为表层土壤根系指标数值最大。高嵩涓研究表明，油菜苗期生长16 d 根体积为0.15 cm3，本试验对照处理油菜根体积为0.18 cm3，显著小于高嵩涓的研究结果，究其原因主要与本试验所处地区为半干旱的内陆地区，蒸发量大于降水量，且试验地pH 为11.2的重度盐碱地等综合因素有关。在油菜生育时期，根长、根直径、根体积和根尖数均表现出7月＞6月＞5月，与前人研究结果相一致[31-33]。

本研究表明，不同秸秆还田处理随着秸秆还田量的增加，油菜根长、根体积和根尖数均呈现增加趋势，顺序依次为：三倍秸秆还田处理＞两倍秸秆还田处理＞单倍秸秆还田处理＞对照处理。与对照相比，秸秆还田处理根长分别增加了50.1%、74.1%和83.1%。对照、单倍秸秆还田处理、两倍秸秆还田处理、三倍秸秆还田处理油菜根体积大小分别为0.18 cm3、0.27 cm3、0.33 cm3和0.36 cm3，均呈增加的趋势。秸秆还田显著增加了土壤孔隙，导致土壤容重下降，通气性增强，随着秸秆还田量的增加，作用效果更为明显，从而表现出对油菜根系生长的促进作用逐渐增强[34-35]，研究表明油菜秸秆还田不仅提高作物结实率和产量，而且还显著提高了土壤有机质含量[36]。张玉文[37]等通过研究4 种不同秸秆还田梯度，研究发现随着秸秆还田施用量的增加，对土壤起到了显著的改善作用，起到了对棉花增产的效果。

赵海成[38]通过连年秸秆还田改良盐碱土的试验发现，随着秸秆还田年数的增加，对于水稻产量有很好的促进作用，显著的提高了土壤中有机质含量和土壤碱解氮含量，对植物生长起到促进作用。张慧[39]通过不同梯度高粱秸秆还田处理研究表明，油菜的产量也随着秸秆还田量的增加而增加。本试验结果表明，三倍秸秆还田处理在油菜根长、根体积和根尖数等特征与二倍秸秆还田处理无显著差异，与单倍秸秆还田处理差异显著（表2）。由此推断出秸秆还田不同施用量对于盐碱地的改良存在峰值，通过两年秸秆还田后，盐碱土壤作物生产达到最优。通过研究不同秸秆还田处理对油菜根系生长影响，初步揭示改良重度盐碱地中秸秆还田对于油菜根系的作用效果。以往研究表明，不同氮磷处理对油菜根系生长的试验中发现，不同施氮量对于油菜根系特征有着显著影响，表现出随着施氮量增加而增加，施磷量表现对于油菜根系起到峰值作用效果，少量磷肥起到促进，随着含量增加而起到抑制作用[40]。本研究结果表明，两倍秸秆还田可显著的促进油菜根系的生长发育，能够较好地改善油菜根系在盐碱土壤的生长情况。秸秆还田不同处理对于油菜根系形态指标存在梯度增加趋势，秸秆腐熟产物对改良盐碱土壤机理研究尚不清楚，有待进一步研究。

4 结论

通过CI-600 监测油菜整个生育时期内根系分布，油菜根长、根直径、根体积和根尖数在7月份最大，5月份最小。与对照处理相比，两倍秸秆还田处理和三倍秸秆还田处理对于油菜根系作用效果显著，三倍秸秆还田处理对油菜根系发育作用效果最佳，对油菜根系生长发育效果显著，由此可知，重度盐碱地通过两倍以上的秸秆还田能较好地改善油菜根系的生长状况，为油菜在重度盐碱地生长提供了一定的可行性。