不同覆盖方式和灌水定额对河西绿洲食葵农田土壤水热、养分和产量的影响

惠施佳,张金霞

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院,甘肃 兰州 730070；2.新疆水利厅水资源规划研究所,新疆 乌鲁木齐 830000)

我国西北地区河西绿洲地域辽阔，具有丰富的光热资源，适宜小麦、玉米等一年一熟粮食作物的种植，但该区特殊的地形和河谷的狭管效应，导致气候条件恶劣且常年沙尘暴不断[1]；此外，该区降水稀少，地表植被覆盖率极低，沙漠或裸露荒地分布广泛，导致生态环境逐渐恶化，阻碍了农业生产的可持续发展[2-4]。食葵是一种喜温耐旱作物，对土壤的要求相对较低，在各类土壤中均能生长[5]，有较强的耐盐碱能力[6]，是民勤地区重要经济作物，但限于该区水资源不足、土壤质量低下等条件，食葵产量常年低而不稳。因此，研发以提高土壤质量、改善土壤水分利用效率为核心的农业生产技术，是实现该区食葵稳产高产的关键。

覆盖种植包括地膜、秸秆等具有较好的蓄水调温等特点，研究表明，覆盖种植有利于提高水分利用效率[7]，同时可增加作物产量[8]，是近年来西北地区农作物生产中应用较为广泛的农业措施技术。但也有研究表明，地膜覆盖在提高作物产量的同时，造成的残膜旧膜难回收、影响作物根系发育等问题突出[9-10]。研究表明，秸秆覆盖有明显降温效果，因此单一秸秆覆盖易造成水分损耗及低温效应造成出苗率下降减产等负效应[11-13]，也有学者发现，秸秆覆盖同时具有增墒和减墒的双重效应[14-15]。

碎麦秸垫式膜覆盖是一种新型的二元覆盖方式，可以解决地膜覆盖造成的难剥离和污染问题，也可以更好地发挥秸秆覆盖的优点，具有提高籽粒产量和水分利用效率[16-18],蓄水调温[19]、改善土壤质地[20]等特点。受西北地区特殊的气候条件、生态环境等的影响，不同覆盖方式造成的土壤水热和养分变化均存在较大差异。因此，本研究在甘肃民勤绿洲开展田间试验，以无覆盖种植为对照，设置3种覆盖方式和2种灌水定额条件，探究覆盖方式结合灌水对食葵土壤水热、养分、籽粒产量及水分利用效率的影响，旨在深化理解覆盖种植增产机理，进而选择一种适合民勤绿洲食葵的最佳种植模式，为提高该地食葵产量及水分利用效率提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4—9月在民勤县城以北约13.5 km处的大滩乡东大村进行，该区海拔1 250 m，属典型的大陆性荒漠气候。多年平均气温7.8℃，平均湿度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm。年均风速2.2 m·s-1，全年平均扬沙59 d，年日照时数3 028 h，无霜期150 d。试验区土质0～60 cm为粘壤土，60 cm以下为沙壤土，土壤平均容重1.54 g·cm-3。该区主要依靠低水质的地下咸水灌溉农业，全年有效降水不足以淋溶出植物根区盐分，盐分在土壤中不断累积，且上游来水量呈递减趋势，地下水埋深逐年下降，作物根区土壤水分不能靠地下水补给，农田土壤水分以上行为主，表层含盐量高。试验期研究区平均气温20.10℃，平均风速1.34 m·s-1。总降雨量2.62 mm，降雨时间集中在4、6和7月。

1.2 试验设计

本试验设置3种覆盖方式及2个灌水定额，其中，覆盖方式包括秸秆覆盖(秸秆量为4 500 kg·hm-2)、地膜覆盖、碎麦秸垫膜覆盖(秸秆量为4 500 kg·hm-2)，灌水定额包括900 m3·hm-2和750 m3·hm-2，以无覆盖种植为对照。各处理设3次重复，试验小区随机布置，面积为35 m2(17.5 m × 2 m)，在整个生育期内，各处理的农艺措施(底肥量、播种量等)、灌水次数和灌溉时间均相同。为了保证出苗均匀性，播种前统一灌水(900 m3·hm-2)，底肥用量为尿素(含N≥46.3%)225 kg·hm-2、复合肥300 kg·hm-2、磷酸二铵300 kg·hm-2。

以当地主栽食用型向日葵品种‘TKC-2008’为供试材料，播种深度3 cm，每小区4行，行距50 cm，株距35 cm，于4月29日播种，8月19日收获，共设8个处理，详见表1。

表1 试验处理设计Table 1 Experimental design

1.3 观测指标

1.3.1 气象资料 运用试验基地的农田自动微气象站，即气象生态环境监测系统，观测地温、降雨量、空气温度、蒸发量、空气湿度等气象数据。

1.3.2 土壤含水率 采用烘干法测定土壤含水率。用土钻取土，测定深度为120 cm，其中0～10 cm土层每5 cm取样，10～120 cm土层每10 cm取样。播种前和每次灌水后加测含水率。

土壤贮水量的计算公式为：

(1)

式中,W为土壤贮水量(mm)；Δθi为第i层土壤的体积含水量(%)；Zi为第i土壤层厚度(mm)；i为土壤层次编号，共13层(n=13)，耗水量由水分平衡方程计算[20]：

ET=ΔW+P+I-D+Wg-R

(2)

式中,ΔW土壤贮水量变化量(mm)；P为生育期≥5 mm有效降水量(mm)；I为灌水量(mm)；D为灌水向下流动量(mm)；Wg为深层地下水利用量(mm)；R为地表径流量(mm)；ΔW为贮水量的变化量(mm)。本试验中，不考虑D、Wg和R。

水分利用效率采用式(3)进行计算：

WUE=Y/ET

(3)

式中，WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y为食葵实际籽粒产量(kg·hm-2)。

1.3.3 土壤温度 采用地温计测定土壤温度。测定0(土壤表层)、5、10、15、20、25 cm深度土层温度。每周观测1次，观测时间为6∶00—20∶00，每小时观测1次。

1.3.4 作物生长指标 记录食葵各个生育期的灌水次数、灌溉水量、灌溉时间。食葵的播种时间、播种量、收获时间和产量，以及食葵的株高和茎粗(每个生育期测1次)等。

1.3.5 土壤样品养分指标 采用酸度计(YSI pH 100)测定土壤pH；采用碱解扩散法测定土壤碱解氮；采用0.5 mol·L-1NaHCO3滴定法测定土壤速效磷；由NH4OAc浸提，采用火焰光度计测定土壤速效钾；采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质。

1.4 统计方法

采用Excel 2010和SPSS 22.0进行数据处理，采用Origin 2017和Excel 2010进行图表绘制。采用Duncan法进行差异显著性分析，显著性水平设置为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对土壤贮水量的影响

由图1A、B可以看出，不同处理土壤贮水量随食葵生育期的推进总体表现播种初期最大，而后逐渐减小的趋势。对于不同覆盖方式，SF较其他覆盖方式对土壤贮水量影响显著。当灌水定额为900 m3·hm-2时，SF和F处理土壤贮水量较N显著增加23.89%和12.37%，S增加了6.50%。当灌水定额750 m3·hm-2时，SF处理土壤贮水量较N显著增加20.64%，F和S较N的增幅为6.96%～8.23%。说明碎麦秸垫膜覆盖对土壤贮水量的影响优于地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖，对土壤储水具有着促进作用。

2.2 不同覆盖方式对土壤温度的影响

在食葵整个生育期土壤平均温度变化如图2所示，各处理土壤温度总体表现为随土层深度的增加而降低。当灌水定额为900 m3·hm-2时，SF、F较N增幅为2.82%～7.43%，S较N降低4.30%；当灌水定额为750 m3·hm-2时，SF和F均高于N，增幅为1.4%～6.87%，S与N处理之间无显著差异(P>0.05)。两种灌水定额情况下，F处理土壤温度最大，S处理土壤温度最小，说明地膜覆盖对土壤温度的影响具有促进作用。

图1 不同覆盖方式对土壤贮水量的影响Fig.1 Effects of different mulching methods on soil water storage

图2 不同覆盖方式对土壤温度的影响Fig.2 Effects of different mulching methods on soil temperature

2.3 覆盖方式和灌水定额对土壤理化性质的影响

2.3.1 土壤pH 图3可见，C为播种前土壤pH初始值，不同覆盖处理下土壤pH存在降低趋势，且播种后土壤pH值明显低于播种前，可知种植食葵可明显改善土壤的盐碱性。当灌水定额为900 m3·hm-2时，N、S、F和SF较播种前土壤pH降低1.79%、2.15%、2.62%和2.26%，地膜覆盖对土壤pH值降低效果较其他覆盖方式明显。当灌水定额为750 m3·hm-2时，N、S、F和SF较播种前土壤pH显著降低2.26%、2.62%、2.74%和2.98%，碎麦秸垫膜覆盖(SF)对土壤pH值的影响较其他覆盖方式明显。说明不同覆盖方式可以有效降低土壤pH值，较播种前降幅2.15%～2.98%。

2.3.2 土壤有机质 由表2可知，不同覆盖方式下土壤有机质含量随着土层的增加而降低，0～20 cm土层土壤有机质含量最大的为SFM，较NH、SH、FH、SFH、NM、SM、FM分别显著增加24.5%、11.0%、18.0%、11.8%、25.4%、30.7%、25.8%。20～40 cm土层中不同处理土壤有机质含量大小表现为SFM>FM>FH>NH>SM>SH>SFH>NM，其中NH、SH、FH、SFH和SM处理间无显著差异；40～60 cm土层中不同处理土壤有机质含量大小表现为SFM>SH>NM>FH>NH>SM>SFH>FM；60～120 cm土层中不同处理土壤有机质含量最大的为SF处理，较无覆盖处理显著增加16.7%，F和S分别较无覆盖增加6.3%～6.8%。

注：不同小写字母表示Duncan多重比较不同处理在5%水平下差异显著。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between Duncan multiple comparison and different treatments at 5% level.图3 不同覆盖方式对土壤pH值的影响Fig.3 Effects of different mulching methods on soil pH value

表2 不同处理方式对不同土层土壤养分的影响Table 2 Soil nutrients in different soil layers of different treatments

2.3.3 土壤碱解氮 由表2可知，土壤碱解氮含量在0～20 cm土层含量最高，且随着土层深度增加碱解氮呈降低趋势。0～20 cm土层中，SFM处理土壤碱解氮含量最高，说明碎麦秸垫膜覆盖对浅层土壤碱解氮含量有促进作用，FM处理土壤碱解氮含量最低。20～40 cm土层中，SFM处理土壤碱解氮含量最高，SH、FH、NM、SM和FM无显著性差异，NH处理土壤碱解氮含量最低。40～120 cm土层中SFM处理土壤碱解氮含量最高。SF土壤碱解氮含量较无覆盖显著增加16.5%，F和S分别较无覆盖处理降低了6.3%和6.8%。

2.3.4 土壤速效磷 由表2可知，土壤速效磷含量随着土层深度的增加而降低，0～20 cm土层中，SFM处理土壤速效磷含量最高，SFH次之，NH、SH、FH、NM、SM处理和FM处理差异性不显著。20～40 cm土层中，SFM处理土壤速效磷含量最高，NH处理最低，说明覆盖方式对土壤速效磷的含量有一定的促进作用。40～60 cm土层中，SFM和SH处理土壤速效磷含量较高，NM处理较低。60～120 cm土层中，土壤速效磷含量变化不在明显，较浅层土壤速效磷含量有明显减少，说明土壤速效磷大部分积聚在浅层土壤中，且有碎麦秸秆覆盖下的土壤速效磷含量较其他覆盖高。SF和F处理土壤速效磷含量分别较无覆盖处理显著增加15.2%和7.8%。

2.3.5 土壤速效钾 由表2可知，不同处理方式下不同土层土壤速效钾含量不同，土壤速效钾含量在0～20 cm土层含量最高，随着土层的增加，土壤速效钾含量依次降低。0～20 cm土层中，SFM处理土壤速效钾含量最高，NH和FM处理较低，说明无覆盖和地膜覆盖下的土壤速效钾含量较低。20～40 cm土层中，SFM处理土壤速效钾含量最高，依次为FM、NM、SM、SH、NH、FH和SFH。40～60 cm土层中，SFM处理土壤速效钾含量最高，FM次之。60～120 cm土层中，SFM和FM处理土壤速效钾含量较高，NH处理较低。SF处理土壤速效钾含量较无覆盖处理增加12.8%，F和S处理较N处理增加8.6%～8.8%。

2.4 覆盖方式和灌水定额对食葵生长及产量的影响

2.4.1 食葵株高 由表3可知，食葵的株高随着生育期的推进而增加，在开花期之前生长速度较快，而在此之后生长缓慢。在食葵出苗期株高较高的为FM和SFH处理，生长较缓的为NH、SH、NM和SM处理，且无显著性差异，说明在食葵的出苗期无覆盖和秸秆覆盖对食葵株高生长没有促进作用。在食葵现蕾期生长最快的为FH处理，SFH处理次之，说明地膜覆盖和高灌水定额在食葵的现蕾期对株高影响较大。在食葵开花期，食葵株高最大的为FH和SFM处理，最小的为SH处理。灌浆期食葵株高较大的为FH和SFH处理，较小的为NH和NM处理，说明无覆盖对食葵株高的生长没有促进作用。成熟期食葵株高较大的为FH和SFM处理，较小的为NM处理。说明地膜覆盖对食葵株高有促进作用。

2.4.2 食葵茎粗 由表3可知，食葵茎粗随着生育期逐渐增加，并成熟期达到最大值。食葵出苗期，FM处理食葵茎粗最大，说明地膜的保温作用可以促进食葵茎粗的生长。在现蕾期，食葵茎粗最大的为FH处理，最小的为SM处理，说明地膜覆盖和高灌水定额对食葵茎粗的生长有促进作用，未经处理的长秸秆覆盖对食葵茎粗的生长不益。食葵开花期和灌浆期，茎粗最大的为FH处理，较小的为SH、NH和SM处理。在食葵成熟期，不同处理对应的食葵茎粗无显著性差异。

2.4.3 食葵器官产量 由表4可知，不同处理对应的食葵器官产量所占比例不相同，从表4可以看出，不同器官产量处理表现为花盘>籽粒>茎>叶片，且SFM处理叶片、花盘和籽粒的产量最大。在灌水定额为900 m3·hm-2时，茎产量表现为N>SF>F>S，叶片产量表现为N>SF>F>S，花盘产量表现为SF>>N>S>F，籽粒产量表现为SF>N>F>S，由此可知当灌水定额较大时，食葵各器官产量在秸秆覆盖和地膜覆盖下的产量较小。当灌水定额为750 m3·hm-2时，不同处理茎产量表现为SF>N>F>S，叶片产量表现为SF>N>F>S，花盘产量变现为SF>N>F>S，籽粒产量表现为SF>F>N>S，由此可知当灌水定额为750 m3·hm-2时，SF处理的食葵各器官产量均最大，S处理的各器官产量均最小。

表3 不同处理方式对食葵株高和茎粗的影响Table 3 Plant height and stem diameter of sunflower of different treatments

表4 不同处理方式对食葵产量的影响Table 4 Sunflower yield of different treatment

2.4.4 食葵籽粒产量和水分利用效率 由表5可知，覆盖方式和灌水定额同时作用下，食葵产量变化也各不相同，SFM处理食葵产量、粒数、百粒重、水分利用效率和收获指数均最大，SH处理产量粒数均和水分利用效率最小，SH处理粒数最少，NH处理百粒重最小，SM处理收获指数最小。当灌水定额为900 m3·hm-2时，SF处理产量最大，较无覆盖处理显著提高14.29%，颗粒数在S、F和SF处理间无显著差异；不同处理百粒重表现为SF>F>S>N，且各处理间均有显著性差异，最大值和最小值差值为4.69 g；水分利用效率最大为SF处理(27.26 kg·hm-2·mm-1)，较无覆盖方式显著提高24.61%；收获指数最大的为S处理，S、F和SF处理无显著差异(P>0.05)。当灌水定额为750 m3·hm-2时，SF处理产量最大，F处理次之，S处理对应的产量最小，SF处理产量较无覆盖和秸秆覆盖处理分别显著提高8.2%和39.85%；SF处理颗粒数、百粒数、水分利用效率最大，即S处理最小。可以看出秸秆覆盖下的水分利用效率最低，SF处理水分利用效率较无覆盖提高7.10%，较秸秆覆盖显著提高41.21%；收获指数最大的为SF处理，最小的为S处理。

由表6可知，食葵产量与土壤贮水量呈负相关关系，与百粒重、颗粒数、花盘直径呈显著正相关关系，与土壤温度、收获指数相关性不显著，说明食葵百粒重、颗粒数和花盘直径对食葵产量有促进作用。食葵产量与土壤pH呈负相关关系，与土壤速效磷含量呈显著正相关，与速效钾和碱解氮呈极显著正相关，与土壤机质含量相关性不显著。

表5 不同处理方式对食葵产量和水分利用效率的影响Table 5 Sunflower yield and water use efficiency of different treatment

表6 食葵产量与主要农艺指标的相关性分析Table 6 Correlation analysis of sunflower yield and main agronomic indicators

表7 食葵产量与土壤理化性质的相关性分析Table 7 Correlation analysis of sunflower yield and soil physical and chemical properties

3 讨 论

3.1 不同覆盖方式对土壤贮水量和土壤温度的影响

覆盖方式和灌水定额是影响土壤贮水量和土壤温度的关键因素。当灌水量一定时，土壤贮水量的变化趋势变现为SF>F>S>N。碎麦秸垫膜覆盖对土壤贮水量的影响优于地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖，对土壤水分具有促进作用，这与郭小龙等[17]研究结果相同。研究表明，地面覆盖对土壤无效水的蒸发有制约作用[21]，在降雨或灌水后可以有效减小地表水的径流和无效散失。这是因为覆盖遮挡物可以阻断土气界的传输[22]，减少了土壤表层的直接蒸发，使得水分的入渗量大于蒸发量，这与本实验结果相似。有研究表明[23]，秸秆覆盖在高温时有降温效果，在低温时有保温作用，可保证食葵最适宜的生长的土壤温度，这与本试验研究存在差异，秸秆覆盖对应下的土壤温度低于地膜覆盖。刘宏胜等[24]研究表明，地膜覆盖并未在整个生育期表现出增温效果，只有在生育期前期有增温，而后期会出现降温作用。结合地膜覆盖和秸秆覆盖二者优点，碎麦秸垫式膜覆盖在整个生育期土壤温度相对无覆盖、地膜覆盖和秸秆覆盖较稳定，更有利于食葵的生长。正是由于覆盖后土壤湿度变化慢而趋于相对稳定，而导致土壤地温，尤其是地表温度变幅明显降低。土壤水分与土壤温度又有很大关系，由于水的比热容大于土壤，在受到太阳辐射后水分含量高的处理土壤温度升高会较慢[25]。对于地膜覆盖的温度效应，有研究表明，地膜覆盖可以增加土壤表层温度，并增加出苗率[16，26]，促进农作物的产量，但不满足生态环境的要求。研究表明，地膜覆盖可减少土壤水分蒸发，增强水分渗透，增加对深层土壤水的利用[27-28]，但普通地膜覆盖易导致土壤通气性变差，使其根系大量死亡，根系活力下降。尤其在夏季温度较高时，植物更易受到高温胁迫影响[29]，导致底墒不足时地膜覆盖造成耕层水分过度竭耗，形成土壤干层现象[30]。秸秆覆盖可有效缓解高温对植株造成的胁迫[31]，使得土壤蒸发降低，土壤贮水量提高，降水入渗增加，但单一秸秆覆盖易造成水分损耗及低温效应造成出苗率下降减产等负效应[11]。由此可见，单一的覆膜和秸秆覆盖模式各有利弊，通过地膜秸秆结合覆盖可有效弥补单一地膜和秸秆覆盖带来的负效应，减少土壤蒸发和降低高温气候对土壤根际温度的影响，以此提高降水入渗和持水能力，改善作物的供水条件[13,32-34]。

3.2 不同覆盖方式对土壤理化性质和食葵产量的影响

土壤理化性质是促进作物生长的关键因素，栾天浩等[35]研究得出，秸秆覆盖耕作方式有效提升了土壤肥力，碱解氮、有机质和速效钾含量分别增加了4.97%、7.55%、12.33%，pH值降低了1.83%。这与本研究结果相似，播种食葵后的土壤pH值均低于播种前，地膜覆盖、秸秆覆盖和碎麦秸垫膜覆盖均有降低pH的趋势，但是各处理间差异性不显著，研究表明适宜的灌水定额有利于提高产量和水分利用效率。在两种灌水定额下，不同处理土壤有机质含量变现为碎麦秸垫式膜覆盖>地膜覆盖>秸秆覆盖>无覆盖，这是因为麦秸秆可以增加土壤生物量和酶活性[36]，在微生物的分解作用下，秸秆还可以为土壤补充有机质、改善土壤结构、保证作物生长的养分供应。碎麦秸垫式膜覆盖后浅层土壤层养分显著高于其他两种覆盖条件，能够有效提高土壤中的速效钾和速效磷量，有利于食葵根系的生长，延缓根系和植株的衰老[9,37]，从而提高食葵产量。

食葵产量包含生物产量和经济产量，生物产量包括食葵的株高、茎粗和叶面积等，经济产量为籽粒的产量。食葵的株高、茎粗在灌浆期生长速率变缓[38]，这与卢闯等[39]的研究结果相似。靳亚红等[40]研究得出，地膜覆盖、秸秆+地膜覆盖处理的玉米收获指数大于无覆盖处理，分别提高了5.39%、14.48%；张俊等[41]研究得出，麦秸覆盖后，夏花生的产量比无覆盖降低5.2%。本试验得出地膜覆盖和碎麦秸垫膜覆盖产量比无覆盖分别增加6.1%和2.2%～14.1%，而秸秆覆盖较无覆盖方式降低了9.9%，同时得出收获指数地膜覆盖较无覆盖增加了7.6%，秸秆覆盖的收获指数较无覆盖降低了12.8%。然而栾天浩等[35]研究得出，秆覆盖耕作方式下产量增加了9.84%，这与本实验的结论不符，该试验得出秸秆覆盖下的食葵产量小于无覆盖方式下的食葵产量，可能是因为作物品种对土壤环境选择的作用，或者是秸秆覆盖量的选择对土壤环境改变使得产量下降。刘凯强等[42]提出，叶分配指数与产量呈负相关关系，百粒重对燕麦产量增产具有关键性作用;董云云等[43]提出秸秆覆盖可在一定程度上替代地膜覆盖，且以5 000 kg·hm-2的秸秆覆盖量较为合适；马忠明等[44]指出，秸秆覆盖可以减少棵间蒸发，但秸秆覆盖在作物生长的前期降低了土壤温度[35，45-47]，影响玉米出苗和生长，影响了玉米产量和水分生产效率降低。本试验得出，单一的秸秆覆盖对应的食葵产量低于碎麦秸垫膜覆盖下的食葵产量。蔡太义等[48]指出覆盖方式和灌水定额对食葵产量及构成有关。碎麦秸垫膜覆盖在保护环境和防治灌区荒漠化方面有一定的生态效应，覆盖表层土壤起到固定作用，大风过境时土就不会随风飞扬，沙尘天气也会减少，同时碎麦秸有助于土壤肥田改土，这与张金霞等[37]研究一致。

4 结 论

碎麦秸垫式膜覆盖对土壤贮水量有促进作用；结合地膜覆盖和秸秆覆盖二者优点，碎麦秸垫式膜覆盖在整个生育期土壤温度相对无覆盖、地膜覆盖和秸秆覆盖较稳定，更有利于食葵的生长；碎麦秸秆可补充土壤有机质、改善土壤结构、保证作物生长的养分供应；灌水定额为750 m3·hm-2时地膜覆盖和碎麦秸垫膜覆盖的产量高于无覆盖。综合考虑，碎麦秸垫式膜覆盖+750 m3·hm-2的灌水定额(SFM)是本研究地区食葵稳产的最优试验处理组合。