秸秆与地膜覆盖方式对咸淡交替灌溉模式下水盐调控及玉米产量的影响

靳亚红，杨树青，张万锋，潘春洋，梁志航

（内蒙古农业大学-水利与土木工程建筑学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

我国盐碱地总面积约9.913×107hm2，约占全国陆地面积的10.3%，占全球盐渍土总面积的10.4%，尤以北方干旱半干旱地区及滨海平原地带居多［1］。为了开发盐碱地资源，增加农业耕种面积，科技工作者主要从有机物质改良剂［1］、安装排水措施［2］、间作盐生植物［3］、水利工程［4］、灌溉技术［5］、耕作方式［6］等方面进行了研究，探索出不同程度的合理改良技术，减轻了土壤盐渍化［1-6］问题，提高了作物产量。

近年来，国内外许多学者研究发现不合理的微咸水灌溉会造成土壤板结、作物产量降低。针对河套灌区水资源短缺和盐渍化问题，采用咸淡轮灌模式研究发现秋浇后没有发生积盐［7-8］，因此合理使用微咸水进行土壤水盐调控十分重要［5，9-11］。随着社会的发展，机械化耕作已成为普遍现象，李芙荣等［12］研究表明不同的耕作措施可以优化土壤水盐分布，改善土壤物理结构，为作物生长创造良好的生态环境，但Fiener等［13］通过不同的测量技术分析发现耕作对土壤侵蚀的危害比水对土壤侵蚀的危害更高。为减轻土壤侵蚀问题，学者研究发现覆盖与耕作联合技术［14-15］具有较好的调控土壤水盐热的作用。良好的覆盖技术对土壤与作物生长具有一定的促进作用，地膜覆盖可以提高作物的水分利用效率［16］，秸秆还田系统是旱地作物增产的可行性选择［17］。为实现秸秆还田与地膜覆盖的优势互补，有研究表明，秸秆和地膜覆盖可以减少土壤水分散失，降低盐分表聚，促进作物早期生长［6，18-19］，提高玉米产量［20］。

内蒙古河套灌区是重要的商品粮基地，受自然因素和人文因素的影响，淡水资源缺乏，且土壤盐渍化现象严重，如何解决河套灌区水资源短缺、土壤退化及作物生长的问题已迫在眉睫。目前将咸淡水交替灌溉、秸秆还田、地膜覆盖技术结合的措施对内蒙古河套灌区玉米生长与水盐运移效应的研究报道较少。本文旨在研究咸淡交替灌溉优化模式下秸秆与地膜覆盖技术的联合效应，分析对内蒙古巴彦淖尔市临河区玉米的生理指标、土壤水分利用效率、土壤水盐运移的影响，探索出一套适合内蒙古河套灌区轻度盐碱地的咸淡交替灌溉模式下秸秆与地膜覆盖的联合技术，构建一种节水型灌溉技术与秸秆地膜覆盖耦合的控盐农业综合模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区于2018年4月在内蒙古临河区双河镇进步村（107°18′E，40°41′N，海拔1 041～1 043 m）进行。该地属中温带半干旱大陆性气候，年均蒸发量2 032～3 179 mm，2018年降水量130 mm左右，河套灌区与阴山山脉相连，年平均风速2.5 m/s，年最大风速3.3 m/s，年均气温6.8℃，昼夜温差大，无霜期为130 d左右，年均日照时间约为3 219 h。

表1 供试土壤物理性状

1.2 试验材料与设计

1.2.1 试验设计

在内蒙古河套灌区选取主要种植作物玉米（均凯918）为供试材料，开展咸淡交替灌溉模式下地膜覆盖及秸秆覆盖联合技术的试验。试验共设置地膜覆盖（H1）、上膜上秸（地膜覆盖+秸秆表覆，H2）、上膜下秸（地膜覆盖+秸秆深埋，H3）、对照（无覆膜无秸秆，CK）4种处理，每个处理设3次重复。试验布置前进行激光平整土地，上膜上秸技术在膜间覆秸秆，上膜下秸技术在40 cm土层埋设秸秆。依据河套灌区多年研究成果，施用肥料采用尿素（N 46%）和磷酸二铵（N 18%，P2O546%），确定施氮量225 kg/hm2、施磷量150 kg/hm2，试验中50%的氮肥及全部磷肥在播种前基施，剩余的氮肥分别在一水前、二水前平均追施。灌水制度是根据本团队已有的较优的节水灌溉模式科研成果，即玉米生育期灌三水，灌水定额为270 mm，灌水方式为渠水-井水-渠水，分别在作物生长的拔节期-抽雄期-灌浆期进行灌溉。灌溉井水（地下微咸水）矿化度为2.0～2.5 g/L，灌溉渠水（黄河水）矿化度为0.608 g/L。出苗后20 d为苗期，40 d为一水前，50 d为一水后，60 d为二水前，80 d为二水后，100 d为三水前，120 d为三水后，140 d为秋浇。

1.2.2 测试指标及方法

（1）含水率和电导率：在玉米不同生育期取 土， 深 度 为100 cm， 即0～ 20、20～ 40、40～60、60～80、80～100 cm共5层。土壤含水率用烘干法测定；电导率用上海雷磁DDS-307实验室电导率仪测定。

（2）生理指标：玉米苗期在每小区选3～5株具有代表性的植株，并作标记。在每个生育期进行株高、茎粗、叶面积的测量。

（3）产量指标：主要包括穗长、穗粗、行数、行粒数、百粒重，计算收获指数与水分利用效率。收获指数是指穗籽粒质量和地上干物质质量之比。

1.2.3 计算方法

土壤盐分含量计算公式［20］：

作物耗水量（ET）的计算公式［10］：

水分利用效率（WUE）的计算公式：

式中：ET为作物耗水量，mm；Δ W为试验初期到末期土壤储水量的变化量，mm；i为土层编号；n为总土层数；γi为第i层土容重（g/cm3）；Hi为第i层土壤厚度（cm）；θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的含水量。P为降水量，mm；I为灌溉量，mm；Wg为地下水补给量；D和R分别是渗漏水量和地表径流，由于该区地下水位较高，地下水补给量远大于渗漏水量，因此渗漏水量忽略不计；试验区地面平坦，无明排，R可以忽略；WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为玉米产量，kg/hm2。

1.3 数据处理

采用 Excel 2013软件进行数据处理，SPSS 20.0对试验数据进行分析，运用SUFER 12进行网格化处理生成等值线图。

2 结果与分析

2.1 咸淡交替灌溉模式下秸秆还田与覆膜技术对土壤水盐效应的影响

2.1.1 土壤水分效应

由图1可知，不同处理下不同土层深度土壤含水率差异显著（P＜0.05）。0～20 cm土层各个处理变化规律基本一致，不同处理含水率大小为H2＞H1＞H3＞CK 处理；H2处理在玉米生育前期土壤含水率较高，与H1、H3、CK处理具有显著性差异，一水后H2处理比H1、H3、CK处理分别增长17.90%、9.20%、16.70%；二水灌溉井水后，气温升高，蒸发强烈，各个处理总体含水率降低，但H1、H2、H3处理比CK处理土壤含水率分别增加9.78%、14.78%、5.39%；三水后，各处理差异不显著，但均比CK处理含水率高。

20～40 cm土层，作物在生长前期，H3处理土壤含水率较高；一水后H3处理土壤含水率是CK处理的0.59倍，其他几个处理差异不显著，说明秸秆隔层有蓄水的作用，使土壤蓄水能力加强，含水率偏高；二水后由于温度升高，加快土壤蒸发，而H2处理表层覆盖秸秆，H3处理埋设秸秆隔层，土壤含水率差异不显著，且均比CK处理含水率高；三水后H3处理土壤含水率最高，可达19.39%。

40～60 cm土层各处理土壤含水率在8%～25% 范围内变化，整体变化趋势为 H3＞H1＞H2＞CK处理；一水后H1、H2、H3处理比CK处理增加5.26%、2.06%、6.08%；二水后H3处理土壤含水率较高，可达25.00%，这可能与二水灌井水有关，秸秆隔层破坏了土壤的稳定性，且秸秆的孔隙度大于土壤的孔隙度，形成孔隙差，增加水中的矿化度可以加快灌溉水的入渗速率；三水后H3处理土壤含水率最高。

60～100 cm土层土壤含水率变化范围在10.70%～22.85%之间，60～80 cm土层为偏砂性土壤，且80～100 cm土层为粉砂壤土，减缓上层水继续入渗，此层土壤含水率较高，此时土壤含水率表现趋势为H1＞CK＞H2＞H3处理，说明土壤的物理性质对下层土壤水分运移有一定的阻碍作用。

图1 不同处理土壤含水率的变化

2.1.2 土壤盐分效应

图2是不同处理土壤含盐量变化图。0～20 cm土层各个处理在一水前、二水前、三水前达到峰值，含盐量变化趋势为 CK＞H1＞H3＞H2处理；整个生育期CK含盐量最高，H2处理含盐量最低，且H2处理较H1、H3、CK处理分别显著降低33.90%、3.40%、50.65%。

20～40 cm土层中CK处理变化幅度最大，H1处理次之，H3处理变化幅度最小，H3处理形成“阻盐层”，有效降低20～40 cm土层含盐量，为作物根系提供较好的生态环境；整个生育期H3处理土壤含盐量较H1、H2、CK分别降低20.00%、12.50%、26.31%。

40～60 cm土层中，H2与H3处理的土壤含盐量变化波动较小，CK处理的土壤含盐量变化波动较大，一水后H3处理土壤含盐量最低（0.66 g/kg）；二水后达到峰值，H1、H2和H3处理分别比CK处理含盐量降低27.34%、32.03%和46.09%；三水灌溉淡水，各处理含盐量比二水灌溉含盐量低；秋浇后，H3处理下的土壤含盐量达到最低值，分别比H1、H2和CK降低35.22%、16.18%和25.00%。

60～100 cm土层中，各处理土壤含盐量和0～40 cm土层含盐量相反；各处理均是苗期土壤含盐量最低，成熟期土壤含盐量最高，土壤含盐量随着玉米生育期的推进呈增加趋势，整体表现为H3＞CK＞H1＞H2处理；一水后土壤含盐量显著降低，各处理无显著差异；二水前土壤含盐量偏高，但在二水后土壤盐分没有显著降低，说明随着灌溉水矿化度的增加，使土壤含盐量增加；三水前达到峰值，三水后又降低，说明渠水灌溉达到盐分淋洗的目的；在60～80 cm土层，H3处理在40 cm处埋设秸秆间接影响了60～80 cm土层的含盐量，这可能由于盐分随着土壤水分的运移向表层聚集，但秸秆减缓了土壤的蒸发，阻挡了盐分的上升，同时秸秆埋深以下土层深度土壤含水率低，所以在1 m土深中60～80 cm土层含盐量最高；CK处理土壤含盐量整体偏高，说明随着温度的增高，没有表层覆盖土壤蒸发强度加大，土壤盐分随水分蒸发上升，使得各个处理在玉米生长后期土壤含盐量偏高，而80～100 cm土层是“中水区”盐分存在淋洗现象，从而各处理土壤含盐量基本和表层土壤含盐量一致，并且在玉米收获期各土层不同处理的土壤含盐量基本趋于一致。

图2 不同处理土壤含盐量的变化

2.2 咸淡交替灌溉模式下秸秆还田与覆膜技术对玉米生长效应的影响

在玉米全生育期内各处理株高的变化趋势大体相近。苗期时H2处理玉米株高生长最快，且和H1、H3、CK处理有显著差异，H1、H2、H3处理较CK处理玉米株高分别增长18.60%、90.70%、32.56%，说明上膜上秸处理技术为玉米早期生长提供了较好的生态环境，覆盖地膜可以提高土壤温度，两膜之间覆盖秸秆可以蓄水保墒；拔节期时进行第一次灌水和追肥，玉米株高H3处理和其他处理有显著差异，且比CK处理增长48.81%，此时H2处理玉米株高增长较H3处理缓慢，与其他处理有显著差异；从拔节期到抽雄期这段时间进行第二次灌水和追肥，玉米株高增长幅度最快，H2和H3处理无显著差异，均和CK处理有显著差异，依次比CK处理增长15.38%、20.00%；此后玉米生长进入生殖生长阶段且增长缓慢，玉米灌浆期进行第三次灌水，各处理株高变化幅度不大；成熟期玉米停止生长，各处理差异与灌浆期相似，但H3处理株高总体保持最大。

玉米茎粗的整体变化趋势和玉米株高的变化趋势基本相同。在苗期时H2处理玉米茎粗最大（1.30 cm）且与其他3个处理有显著差异（P＜0.05），H1、H2、H3处理比CK处理茎粗分别大22.22%、44.44%、11.11%；拔节期H3处理增长较快且与CK处理有显著差异；而抽雄期与灌浆期玉米增长趋势相同，各个处理与CK有显著差异，H3处理茎粗最大，长势突出，且增长较快，玉米抽雄期茎粗长势基本稳定，H3处理比H1、H2、CK处理在抽雄期分别增长12.9%、6.1%、16.7%；玉米成熟期时，茎粗停止变化，但H3处理茎粗总体保持最粗。

叶片是玉米进行光合作用、呼吸作用和蒸腾作用非常重要的器官，其大小是衡量玉米籽粒产量多少的关键因素。不同处理玉米叶面积从苗期至抽雄期增加迅速，而灌浆期与成熟期玉米叶面积指数降低，但总体表现趋势为H3＞H2＞H1＞CK处理（P＜0.05）。玉米苗期时，H2处理增长最快，其次为H1处理，但各个处理都与CK处理有显著差异；拔节期叶面积指数变化和同时期玉米株高变化趋势相同，H1、H2、H3处理比CK处理分别增加41.89%、23.78%、50.21%；抽雄期时，H2和H3处理无显著差异，比CK处理分别增加7.96%、15.61%；玉米生长后期，叶面积指数降低，但H3处理总体始终保持最大。

图3 不同处理玉米生理指标的变化

2.3 咸淡交替灌溉模式下秸秆还田与覆膜技术对玉米产量及水分利用效率的影响

表2为不同耦合技术下玉米收获指数及水分利用效率。由表2可知，不同耦合技术下玉米产量收获指数及水分利用效率差异显著（P＜0.05）；H2与H3处理穗长无显著性差异，但与H1和CK处理有显著性差异，H1、H2、H3处理依次比CK处理增长10.50%、20.50%、26.30%。各个处理的穗粗与行粒数差异不明显，但H3处理均是最高的；H3处理比CK处理玉米行数高15.20%；玉米百粒重H3处理最高，和其他处理有显著差异，比CK处理增加36.14%；H1、H2、H3处理收获指数依次比CK处理高5.56%、13.90%、16.70%。玉米产量H3处理最高，H2、H3处理与CK处理有显著差异，分别比CK增产35.80%和25.10%。H2和H3处理玉米水分利用效率无显著差异，分别比H1提高8.60%、14.48%，比CK处理分别提高10.50%、16.50%。说明在同一灌水水平下，适宜的覆盖技术处理可以提高玉米的净光合速率，有利于植株渗透调节物质的积累，部分秸秆被土壤微生物分解转化有利于玉米根层营养的吸收，促进玉米干物质的积累及转运。从表中可知，上膜下秸处理技术有助于促进玉米生长，提高玉米产量，增加水分利用效率。

表2 不同处理对玉米产量指标和水分利用效率的变化

3 讨论

3.1 土壤水分效应分析

战秀梅等［15］通过研究深松和深翻发现这项耕作措施使土壤疏松，虽然增加了土壤接纳雨水的能力，但同时也加速了水分的散失，本试验中在苗期H3处理含水率较H1处理低5.56%，这可能是秸秆深埋处理造成前期土壤含水率低的原因。王婧等［18］通过地膜覆盖与秸秆深埋对河套灌区盐渍土水盐运动的影响研究发现，秸秆的吸水蓄水性优于土壤，秸秆还田可显著提高土壤含水率，本试验中在一水前H2处理比其他处理土壤含水率偏大，说明秸秆覆盖对土壤具有明显的保水作用，使表层土壤含水率显著增高，而H1、H3、CK处理由于土壤表层蒸发强烈，所以含水率偏低。而崔晨韵等［21］研究发现，秸秆还田在夏玉米生长初期，可能会抑制表土层水分入渗，从而造成表层中土壤含水率较小，这与本试验存在差异，这可能与试验地点、灌溉水矿化度、试验设置有关。试验结果显示，播种前，各处理土壤含水率均较高，一水前，秸秆表层覆盖处理土壤含水率明显较高，这可能由于秸秆覆盖降低了土壤表层温度，减缓土壤蒸发，二水前，土壤含水率降低，这由于温度的升高，加强了土体蒸发，三水前，平均日照数增加，土壤蒸发剧烈，各处理土壤含水率降低，三水前到三水后这段时间由于降雨，加强了土体的含水量，使得这段时间含水量保持基本不变的状态。H3处理在玉米营养与生殖生长阶段表现最好，有利于玉米产量的提高，对耕地土壤改良起到一定的作用，同时H3处理各生育时期不同深度土层土壤含水率均大于CK处理，这有利于玉米根层的吸水效果，对玉米的各个生育指标都起到积极作用。

3.2 土壤盐分效应分析

研究结果显示，H2处理较其他处理在0～20 cm土层土壤含盐量低，是因为采用秸秆与地膜覆盖抑制水分蒸发，起到蓄水保墒的作用，从而抑制盐分的表聚性，使土壤表层含盐量降至作物耐盐度以内，减轻二水采用微咸水灌溉对作物的危害程度，防止随着土壤水分的蒸发，土壤盐分表聚。李芙荣等［12］试验结果表明，秸秆覆盖抑制了盐分的表层聚集，防止了土壤耕层次生盐渍化的发生，这与本试验前期结果相同。但本试验后期H2处理土壤表现出一定积盐现象，主要是由于田间试验受耕作和环境气候因素影响较大，秸秆层有一定破坏，导致土壤蒸发增强，盐分开始表聚，二水前、三水前空气温度升高，蒸发加强，所以土壤表层含盐量增大，但始终比其他处理表层含盐量低。陆培榕等［22］研究发现，高矿化度的微咸水能在一定程度上改变土壤的结构特征，显著提升了排水效果，但并不利于土壤盐分的淋洗，本试验二水采用井水灌溉，对于有秸秆覆盖与秸秆深埋的H2、H3处理，可以降低盐分表聚现象，抑制盐分随水分上移蒸发，弥补了不利于盐分淋洗的缺点，所以H2、H3秸秆处理均有控盐的作用。对于H3处理60～100 cm土层土壤含盐量与表层相似，这是由于采用秸秆深埋处理，破坏了土壤毛细管的连续性，盐分离子进入40 cm土壤后入渗速度缓慢，使得盐分被淋洗到隔层以下位置，同时随着温度的升高，盐随水去，秸秆隔层抑制了盐分的上移，使得60～100 cm土层含盐量较高，这与赵永敢等［6］研究结果一致。但耕层土壤含盐量是决定作物产量高低的关键因素，本试验中H3处理土壤含盐量显著低于H2处理，所以H3处理更适合作物生长。

3.3 玉米生长效应分析

玉米的生育指标直接或间接地反映了玉米经济产量的优劣，通过不同技术手段改变玉米的生育指标可以增加玉米产量。杨树青等［11］通过SWAP模型和数理统计学方法的联合分析认为，采用微咸水结合灌溉，可以补充灌溉水源节约淡水，对环境更为有利。苏瑞东等［7-8］通过在内蒙古盐渍化灌域研究发现咸淡水灌溉是较好的灌溉模式，杨水源［14］通过耕作覆盖方式对旱作大豆产量及土壤水热效应影响的研究发现，不同的覆盖措施都会提高作物产量，这为本试验在研究咸淡水灌溉和不同覆盖技术方面打下了良好的基础。植株的不同生理指标可以间接反映产量。在苗期时，H2处理玉米株高生长最快，较CK处理玉米株高增长90.70%，且玉米茎粗最大为1.3 cm，比CK处理增长44.44%；H2处理为上膜上秸技术，即在田间覆盖地膜同时加盖秸秆，这有利于玉米生长早期土壤保墒，储存水量，促进玉米苗期生长，有利于壮苗。这与于贤磊等［23］研究发现的结果一致。玉米拔节期进行第一次灌水和追肥，H3处理玉米株高比CK处理增长48.81%，此时H2处理玉米增长较H3处理缓慢，这可能与表层覆盖秸秆，秸秆的吸水性比土壤的吸水性更高有关，再加上一部分肥料不能完全溶解到土壤中被植物吸收，而被秸秆所吸收，而秸秆的分解速率较慢，进而影响了玉米拔节期的生长。本试验中H3处理后期玉米生理指标表现较优，说明咸淡轮灌条件下秸秆深埋技术间接影响了玉米根层控盐保墒效果，最终影响了玉米产量，使得H3处理产量最高，符合内蒙古粮油发展基地的玉米种植发展趋势。

4 结论

通过田间试验分析了不同联合技术对作物生育指标、土壤水盐运移、作物产量、水分利用效率的影响，得到的主要结论如下：

（1）不同处理的株高、茎粗、叶面积指数差异显著。随着日照数的增加和灌水矿化度的改变，上膜上秸技术具有较好的控温蓄水作用，玉米生长前期H2处理玉米生育指标较优；上膜下秸技术对玉米根系具有保水控盐作用，玉米生长后期H3处理的玉米生育指标较优。

（2）通过对试验数据分析，得出土壤的含水率、含盐量与灌溉技术、覆盖技术有直接关系。在0～20 cm土层，土壤含水量整体表现为H2＞H1＞H3＞CK，土壤的含盐量则正好呈相反状态；在20～60 cm土层，H3土壤含水率较高，含盐量较低，说明秸秆处理的技术方式能够显著影响秸秆层的土壤含水量和含盐量，具有明显的抑盐保墒的作用。

（3）玉米的穗长、穗粗、行粒数、行数和百粒重均与覆盖方式有关，H3处理与H2处理收获指数无显著性差异，依次比CK处理高16.70%、13.90%。不同覆盖方式条件下的玉米产量从大到小依次为 H3＞H2＞H1＞CK。H3处理水分利用效率显著高于H1、CK处理。

综合以上对玉米生长效应、土壤水盐运移效应、产量及其构成因素和水分利用效率的分析，咸淡交替灌溉模式下，上膜下秸耦合技术为较适宜的内蒙古河套灌区轻度盐碱地优化的综合技术，该技术可有效地降低农耕成本，为灌溉技术与秸秆覆膜技术的联合推广提供理论支撑，为内蒙古河套灌区亟待改良的盐渍化耕地提供了技术依据。