不同地面覆盖措施的应用效应及机理

　　内蒙古河套灌区是我国土壤盐渍化发育的典型地区， 地处干旱、半干旱、半荒漠草原地带， 地下水位较高， 土壤盐渍化严重[1], 土地盐渍化是制约该地区农业可持续发展的重要因素。地膜覆盖和秸秆覆盖是 2 种常用农田土壤覆盖方式， 覆盖后使田间乱流交换系数增大， 显热通量增加， 潜热通量与土壤热通量减小， 使得棵间土壤水分蒸发显著降低，从而积累更多的土壤水分， 供作物后期吸收利用，即从无效消耗过程向有效消耗过程转化[2].Sauer等[3]认为覆盖层水热效应的根本原因在于， 覆盖层的存在可以增加或减少太阳辐射的反射率， 增加热量和水汽传输的阻抗。地面覆盖能保持地温， 促进作物生长和发育， 提高作物产量等作用[4-7].Léonard等[8]、刘战东等[9]研究得出通过地面覆盖可有效改善土壤水分环境， 促进作物生长。李新举等[10]、孙博等[11]认为秸秆覆盖可以减少土壤蒸发， 明显抑制盐分表聚。Kladivko[12]、Nassar 等[13]、毕远杰等[14]、邓力群等[15]研究了地面覆盖（秸秆覆盖和地膜覆盖）下作物耕层水、盐运动的分布情况， 指出与无覆盖措施相比较， 秸秆覆盖和地膜覆盖均能有效减少棵间蒸发， 起到蓄水保墒作用， 影响土壤盐分分布。为解决残膜污染问题， 史建国等[16]研究了旧膜再利用对向日葵农艺性状和产量及其相关因子的影响， 指出旧膜再利用可以增加土壤温度， 加快向日葵生育进程， 并提高向日葵的产量。

　　关于地面覆盖措施的国内外研究主要集中在覆盖后的农田环境和作物增产效应上， 试验作物多为小麦、玉米等， 而向日葵的相关研究较少。河套灌区种植向日葵的最优覆盖方式并未明确， 不同覆盖方式对河套灌区盐渍化土壤水盐动态影响的研究报道较少。

　　综上， 本文拟在前人研究工作的基础上， 以无覆盖为对照， 系统地对秸秆覆盖（整秆覆盖、粉碎覆盖）和地膜覆盖（新地膜覆盖、地膜二次利用）下盐碱耕地水、盐动态变化、向日葵产量和种植经济效益等进行研究， 分析不同覆盖措施的应用效应及机理，以期为覆盖技术在河套灌区的利用提供理论依据和技术支持。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验区概况

　　试验在内蒙古河套灌区沙壕渠试验站节水灌溉研究基地进行。该试验基地位于内蒙古河套灌区中上游， 40°52′N, 107°10′E.研究区地处荒漠草原地带，属温带干旱气候， 年平均气温 6.9 ℃ ,冬季严寒少雪，夏季高温干旱， 年平均日照时数 3 189 h, 平均降水量 142.1 mm, 且集中在 7-8 月， 年平均蒸发量2 306.5 mm, 蒸降比在 10 以上， 全年冻融历时 180 d左右。属于无灌溉便无农业的地区[1], 土壤盐渍化是制约本地区农业发展的主要因素。

　　1.2 试验设计

　　试验设 7 个处理， 3 次重复， 共计 21 个小区， 随机排列， 各处理内容见表 1.小区面积为 24 m2（6 m×4 m）， 各小区间设置 1 m 宽隔离带， 试验区四周各设置 4 m 宽保护行。试验小区土壤质地为砂质黏壤土，属硫酸盐-氯化物型盐土， 灌底墒水前测定供试土壤（0~20 cm）含盐量为 4.95 g·kg-1, 属于中度盐渍化土壤（含盐量 4~6 g·kg-1）[17], 试验区基本性质： 有机质含量5.23 g·kg-1, 碱解氮 21.64 mg·kg-1, 全氮 0.17 g·kg-1,速效钾 68.34 mg·kg-1, 全钾 22.1 g·kg-1, 速效磷8.45 mg·kg-1, 全磷 0.72 g·kg-1.以向日葵‘3638c’为试验作物， 2013 年 5 月 10 日灌底墒水（保墒及洗盐），灌水定额 135 mm, 灌底墒水前覆新地膜， 2013 年 6月1日播种， 6月20日进行秸秆覆盖， 9月15日收获。

　　田间管理同当地水平， 施肥为底肥磷酸二胺（N 18%,P2O546%）375 kg·hm-2.现蕾期追肥尿素（N46%）375 kg·hm-2, 并在现蕾期灌水 90 mm.生育期内累计降雨 87.6 mm, 地下水埋深 0.32~1.58 m.

　　1.3 测试指标

　　在向日葵播种前、苗期、现蕾期、开花期、成熟期、灌水前后及收获后用土钻采集各小区 1 m 土体（0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm、15~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm）的土壤样品， 土样经自然风干、磨细并过 1 mm 筛后， 按土水比 1︰5制备土壤浸提液， 采用 DDS-308A 型电导率仪测定浸提溶液 EC 值， 然后根据经验公式换算为土壤水溶性全盐质量分数。y = 1.687l + 0.038（1）式中： y 为土壤盐分质量分数， g·kg-1; l 为 25 ℃时1︰5 土壤水浸出液的电导率， mS·cm-1.每隔 10 d 测定 1 次不同土层的质量含水率， 降雨及灌水后加测， 取样层次同上； 成熟后测定向日葵平均百粒重、单盘粒数， 收集各小区的实际籽实产量以确定单位面积（hm2）向日葵产量。

　　水分利用效率（WUE）用下式计算：

　

　　式中： Y 为作物的籽粒产量， kg·hm-2; ETc为生育期内作物的蒸发蒸腾量， mm.cET = P + I + U - R - D -D W（3）式中： P 为有效降雨量， mm; I 为灌水量， mm; U 为地下水补给量， mm; R 为地表径流量， mm; D 为深层渗漏量， mm; ΔW 为 0~100 cm 土层土壤含水量的变化量， mm.生育期内忽略地表径流量， 根据田间实测的土水势确定水分的流向， 运用达西定律计算地下水补给量和深层渗漏量。

　　向日葵计数结实率 Rcs为单盘粒数中实粒数占实粒数与秕粒数之和的百分比， 计算式如下：Rcs=N1/（N1+N2） （4）式中： N1单盘粒数中实粒数， N2单盘粒数中秕粒数。

　　1.4 数据分析

　　试验数据采用 SPSS 17.0 软件进行差异显著性检验， 采用 Microsoft Excel 2007 制图及数据整理。

　　2 结果与分析

　　2.1 不同覆盖方式对土壤盐分动态的影响

　　2.1.1 土壤盐分动态变化规律

　　本研究按不同土层深度定期取样对土壤含盐量进行动态观测。不同处理下， 向日葵生育期内0~5 cm、0~20 cm 土层土壤含盐量的动态变化如图1a、b 所示。定义收获后土壤含盐量和播前土壤含盐量的差值与土壤播前含盐量的比值为土壤积盐率。在土壤表层 0~5 cm, 处理 F0.9、YZ、DM 的土壤表层含盐量表现为收获后较播前减少 21.79%、5.59%、1.54%,土壤表层呈脱盐状态， 而 MG、F0.6、KZ、CK 增加14.04%、36.57%、238.01%、285.14%, 在土壤表层呈现积盐状态。表明各处理在土壤表层控盐效果由高到低的顺序为： F0.9>YZ>DM>MG>F0.6>KZ>CK.

　　这是由于秸秆覆盖抑制了地表棵间蒸发， 使土层储水量高于 CK, 减缓了盐分的表聚。不同秸秆覆盖处理间， 对土壤表层的抑盐效果相比较， 表现为 F0.9、YZ 强于 F0.6、KZ.地膜覆盖之间相比较表现为 DM强于 MG.向日葵种子对盐分具有一定的耐盐性， 向日葵幼苗随土壤盐碱程度的增加其生长发育呈下降趋势[18].在秸秆覆盖前， DM、MG 处理由于播前已经有地膜覆盖层， 其表层含盐量小于 2.00 g·kg-1有利于种子萌发和向日葵苗期的生长。生育期内 0~20 cm 土壤盐分是影响向日葵产量的首要因素， 覆盖秸秆通过影响 0~20 cm 土壤盐分进而影响向日葵的生长环境与产量形成[19-20].

　　计算不同时期土壤耕层 0~20 cm 深度内的含盐量均值， 处理 F0.9、DM 的土壤耕层含盐量收获后较播前减少 10.02%、3.78%, 土壤耕层呈脱盐状态， 而F0.6、YZ、MG、KZ、CK 增加 16.54%、27.14%、36.12%、56.93%、68.81%, 在土壤耕层呈现积盐状态。不同秸秆覆盖处理间， 对土壤耕层的抑盐效果相比较， F0.9、F0.6 强于 YZ、KZ, 薄膜覆盖之间为DM 强于 MG.处理 F0.9、DM、F0.6、MG、YZ、KZ、CK 在生育期内土壤耕层 0~20 cm 深度内的平均含盐量依次为： 2.62 g·kg-1、2.80 g·kg-1、2.80 g·kg-1、2.85 g·kg-1、3.22 g·kg-1、3.97 g·kg-1、4.26 g·kg-1.各覆盖处理均较 CK 低， 为向日葵的生长提供了一个相对淡化的土壤环境， 有利于向日葵植株的生长及发育。

　　2.1.2 土壤盐分剖面变化

　　在田间试验中， 秸秆覆盖前（7 月 3 日）、覆盖后现蕾期（7 月 24 日）和开花期（8 月 17 日）， 各处理剖面土壤盐分分布如图 2 所示： 0~20 cm 土层含盐量为1.23~10.12 g·kg-1, 呈现强烈表聚， 各处理土壤含盐量随深度依次向下递减。土层深度 20 cm 以下， 土壤盐分变化不大， 基本为 0.52~2.36 g·kg-1, 各处理20~100 cm 土壤平均含盐量为 0.81~1.52 g·kg-1.在秸秆覆盖前， DM、MG 处理由于播前已经有地膜覆盖层， 所以表层含盐量较低， 覆盖 1 个月后， DM 处理 20~40 cm 处土壤含盐量约为 1.71 g·kg-1, 高于其他处理， 而在 40~80 cm, DM 含盐量为 0.86 g·kg-1,小于其他处理。各覆盖处理主要影响 0~20 cm 的土壤含盐量， 随着土壤深度的增加， 外界因素对土壤含盐量的影响趋于一致。

　　2.2 不同覆盖方式对土壤水分的影响

　　2.2.1 土壤含水

　　向日葵生育期内土壤表层 0~5 cm 含水率如图3a 所示， 浇底墒水后， 播前土壤含水率较高， 地膜覆盖处理 DM、MG, 由于塑料薄膜的抑蒸作用， 土壤含水率高于其他处理。向日葵出苗后， 进行秸秆覆盖， 秸秆层抑制蒸发作用开始显现。在整个生育期内除降雨及灌水时， 土壤含水率短暂升高外， 土壤含水率整体呈下降趋势。生育期内， DM、MG 处理的平均土壤表层含水率为 23.77%、21.35%, 较 CK高 20.97%、8.65%; 秸秆覆盖处理的平均土壤表层含水率为 22.01%~20.55%, 较 CK 高 12.03%~4.58%;其中 F0.9 最高， KZ 最低； 新地膜覆盖在土壤表层的保墒作用强于秸秆覆盖处理。

　　0~20 cm 土层土壤含水率如图 3b 所示， 各覆盖处理间土壤含水率差异较 0~5 cm 土层减小。在整个生育期内， 各处理 0~20 cm 土层土壤含水率平均值相比较， 地膜覆盖处理 DM、MG 的含水率为 23.69%、22.03%, DM 处理较 CK 高 11.47%.秸秆覆盖处理的土壤含水率为 23.05%~22.15%, F0.9 最高， 较 CK 提高 8.47%.覆盖处理通过覆盖层的抑蒸保墒作用， 可以保证土壤耕层 0~20 cm 较未覆盖处理有较高的土壤含水率， 以保证向日葵生长期需水。在 0~5 cm 土层及 0~20 cm 土层， 粉碎秸秆覆盖处理（F0.9、F0.6）的生育期平均土壤含水率均高于整秆秸秆覆盖处理（YZ、KZ）。

　　2.2.2 土壤储水量

　　向日葵不同的生育时期中， 需水高峰期在现蕾期和开花期[21].由表 2 可知， 现蕾期及开花期各覆盖处理的 0~100 cm 储水量均显著高于不覆膜处理。在现蕾期： 处理 DM、F0.9、MG 蓄水保墒效果较好，较 CK 分别提高 37.24 mm、25.03 mm、22.39 mm; 不同秸秆覆盖处理之间， F0.9 显著高于 F0.6、YZ、KZ.薄膜覆盖处理间： DM 显著高于 MG.在开花期： F0.9、DM、YZ 的储水量较 CK 提高 38.05 mm、37.99 mm、36.73 mm.

　　不同秸秆覆盖处理之间： F0.9、YZ 显著高于F0.6、KZ.秸秆覆盖对盐渍土有非常明显保持土壤水分的作用， 且其作用随覆盖量的增加而增强。塑膜与土壤表面之间形成的饱和水汽层能抑制蒸发，保持土壤中的水分。薄膜覆盖处理间： DM 显著高于MG.处理 MG 在生育期后期的储水量降低较明显，是因为在生育期后期由于风化等因素， 旧塑料薄膜破损程度较大。在向日葵整个生育期内， 覆盖处理 DM、F0.9、YZ、F0.6、MG、KZ 的 0~100 cm 土壤储水量平均值较 CK 分别提高 39.05 mm、33.15 mm、25.30 mm、23.18 mm、21.71 mm、20.25 mm, 其中各覆盖处理均与 CK 差异显著， DM 与 F0.9 差异不显著， DM 与YZ、F0.6、MG、KZ 差异显著。

　　变异系数为标准差与均值的比值， 是衡量系列数据变异程度的一个统计量。表 2 中各覆盖处理的变异系数均显著低于 CK.F0.9、DM 处理的变异系数较CK 降低 42.51%、38.80%, 并显著低于其他覆盖处理，在生育期内保持了较稳定的土壤墒情， CK 处理的土壤储水量变异系数较高， 土壤蓄水保墒稳定性较低。

　　生育期结束后各处理储水量与播前土壤储水量的差值即储水量变化量 ΔW.各处理在向日葵收获后，储水量都低于播前， 均为负值， 其中， F0.9、DM 储水量变化量最小， 各覆盖处理均与 CK 差异达到显著水平（P<0.05）。说明覆盖处理表现出了良好的蓄水保墒效应。

　　2.3 不同覆盖方式对向日葵产量及水分利用效率的影响

　　定义向日葵单盘粒数中实粒数占实粒数与秕粒数之和的百分比为结实率。由表 3 可知， 覆盖措施较 CK 显著提高了向日葵的产量， DM 处理的产量最高， 比 CK 增产 69.0%, 达到 4 055.98 kg·hm-2.向日葵的产量特征表现为 DM>F0.9>YZ>F0.6>MG>KZ>CK, 各覆盖处理均较 CK 显著增产。百粒重表现为处理 DM、MG、YZ、F0.9、KZ 显著高于 CK, 处理F0.6 高于 CK, 但差异不显著。

　　水分利用效率为反映作物物质生产与水分消耗关系的指标。本研究中不同处理的水分利用效率存在较大差异， 覆盖各处理水分利用效率都高于不覆盖处理， 处理 DM、F0.9、YZ、F0.6、MG、KZ 的水分利用效率分别较 CK 提高 78.05%、72.58%、66.79%、54.72%、48.21%、13.13%.DM、F0.9、YZ 处理的作物水分利用效率显著高于其他处理。作物水分利用效率是由多个参数因子共同决定的量，而每个参数因子对水分利用效率的影响方式和影响程度各不相同。覆盖措施通过改善农田小环境提高了水分利用效率[22].

　　2.4 不同覆盖方式对经济效益的影响

　　对于盐渍化耕地， 不同覆盖措施的经济效益是衡量技术措施实用性能的主要指标。经济效益分析结果（表 4）表明， 各项覆盖处理均较 CK 提高了纯收入和产投比。DM、MG、F0.9、YZ、F0.6、KZ 较CK 增加收入 11 473.41 元·hm-2、8 436.03 元·hm-2、8 288.51 元·hm-2、7 828.60 元·hm-2、6 800.44 元·hm-2、999.67 元·hm-2.处理 DM、MG、YZ、F0.9、F0.6、KZ 的产投比最高， 比 CK 提高 56.59%、50.15%、39.55%、38.96%、32.86%、4.00%.处理 DM、MG、YZ、F0.9、F0.6 的产投比显著高于 CK, KZ 与 CK间差异不显著。

　　就投入与产出而言， 由于产量较高， 新地膜覆盖和地膜二次利用处理的纯收入及产投比显著高于秸秆覆盖。秸秆覆盖各处理间， 玉米粉碎秸秆覆盖量 9 000 kg·hm-2和玉米整秆覆盖的纯收入显著高于玉米粉碎秸秆覆盖量 6 000 kg·hm-2和向日葵整秆覆盖， 玉米粉碎秸秆覆盖量 9 000 kg·hm-2、覆盖量6 000 kg·hm-2和玉米整秆覆盖的产投比无显著差异。

　　3 讨论与结论

　　本研究从水、盐、产量和经济效益 4 个方面探讨了秸秆覆盖（整秆覆盖、粉碎覆盖）和地膜覆盖（新地膜覆盖、地膜二次利用）对河套灌区盐渍土壤种植向日葵的影响效应， 得出如下结论：覆盖措施具有能减少地表蒸发、蓄水保墒等效应。秸秆覆盖、新地膜覆盖、地膜二次利用处理均能够较无覆盖处理有效地减少无效蒸发， 玉米粉碎秸秆覆盖量 9 000 kg·hm-2、新地膜覆盖处理较未覆盖显著提高了向日葵生育期内 0~100 cm 土壤储水量平均值。玉米粉碎秸秆覆盖量 9 000 kg·hm-2、新地膜覆盖处理的储水量变异系数较未覆盖降低42.51%、38.80%, 并显著低于其他覆盖处理， 在生育期内保持了较稳定的土壤墒情。未覆盖的土壤储水量变异系数较高， 土壤蓄水保墒稳定性较低。

　　生育期内 0~20 cm 土壤盐分是影响向日葵产量的首要因素， 覆盖层抑制了耕层积盐， 改善了向日葵根系生长环境， 增强了向日葵对盐分胁迫的生态适应性。在覆盖处理之间， 玉米粉碎秸秆覆盖量 9 000 kg·hm-2、新地膜覆盖处理的土壤耕层含盐量收获后较播前减少 10.02%、3.78%, 土壤耕层呈脱盐状态， 而其余处理较播前积盐。新地膜覆盖与玉米粉碎秸秆覆盖量 6 000 kg·hm-2的生育期内耕层0~20 cm 平均含盐量值相同， 抑盐效果相近， 覆盖量9 000 kg·hm-2的含盐量最低， 抑盐效果最好。

　　向日葵整秆覆盖 0~20 cm 土层平均含盐量为3.97 g·kg-1, 抑盐效果较弱， 是由于向日葵秸秆只有茎秆部分， 无叶片， 且材质较硬， 覆盖后与地表面结合的不严实， 实际覆盖度偏低， 使覆盖层对土壤上界面水热效应的影响减弱， 因此向日葵秸秆并不适合用作地面覆盖材料。

　　关于覆盖下盐碱耕地种植向日葵的产量效应，地膜覆盖与秸秆覆盖相比较， 邓力群等在渭北旱塬研究得出玉米秸秆覆盖厚度为 5 cm 的处理， 油葵产量均高于覆膜及不覆盖处理。而本研究得出地膜覆盖的产量高于秸秆覆盖处理， 这是由于地膜覆盖增加了向日葵花盘籽粒数及单位面积株数。地膜二次利用处理较未覆盖显著提高了向日葵产量。史建国等在巴彦淖尔市临河区的研究得出旧膜覆盖较新膜覆盖向日葵产量降低了 3.3%, 在本研究中， 地膜二次利用较新地膜覆盖产量降低 16.18%, 降低幅度较大， 是由于旧膜经过前茬作物和冻融休闲期后，有一定的破损， 增温、保水和抑盐等效果减弱所致。

　　本研究未考虑在休闲期的覆盖效应问题， 而休闲期存在秋季返盐、秋浇淋盐、冻融期内水热盐运移、春季返盐等一系列问题， 针对休闲期地面覆盖下盐渍土壤水热盐效应问题， 应当进一步开展研究。

　　综合以上分析， 将减少盐渍化和增加纯收入结合起来， 对于中度盐渍耕地， 地膜覆盖仍然是最有效的覆盖方式。但考虑到减少残膜对农业环境的污染因素， 将玉米粉碎秸秆覆盖量 9 000 kg·hm-2或玉米整秆覆盖或地膜的二次利用应用于生产实践， 再结合科学的耕作措施和农艺技术， 将秸秆覆盖技术和免耕技术逐步完善， 可减少残膜对农业环境的污染， 节约降低农业资源的消耗， 达到增产增收， 可实现盐碱地的高效利用。