• ISSN 1008-505X
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河套灌区春灌结合秸秆隔层对盐碱土壤温度的调控效果

常芳弟 王国丽 张晓丽 张宏媛 宋佳珅 卢闯 逄焕成 冀宏杰 李玉义

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河套灌区春灌结合秸秆隔层对盐碱土壤温度的调控效果

    作者简介: 常芳弟 E-mail:1072498534@qq.com;
    通讯作者: 李玉义, E-mail:liyuyi@caas.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31871584);国家重点研发计划项目(2016YFC0501302);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132016051)。

Regulation effect of spring irrigation combined with straw interlayer on saline-alkali soil temperature in Hetao Irrigation District

    Corresponding author: LI Yu-yi, E-mail:liyuyi@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  对河套灌区春灌结合秸秆隔层措施下食葵生长季土壤温度连续多年动态变化进行科学性评价。  【方法】  田间微区定位试验在内蒙古五原县进行,供试作物为食用向日葵 (Helianthus annuus L.),品种为JK601 (2016—2017年) 和HT361 (2018年)。以无秸秆隔层,常规春灌量2250 m3/hm2为对照 (CK),处理均采用秸秆隔层,灌水量为对照的100%(W100)、90%(W90)、80%(W80)。秸秆隔层一次性布置,之后连续三年,用5TE-传感器测定食葵生育期膜内距地表下10、20、30和40 cm处土壤水分、电导率、温度。收获期调查了食葵的产量和产量构成因素。  【结果】  与CK处理相比,W100处理的0—40 cm土层土壤温度在食葵生育时期均表现出增温效果,但增温幅度随着实施年份的增加在降低,其中在2016年食葵蕾期、花期和成熟期显著增温0.7℃~1.8℃,2017年食葵苗期、蕾期和花期生长阶段显著增温0.6℃~0.9℃ (P < 0.05),而在2018年两处理间土壤温度无显著性差异。W100处理的0—40 cm土层土壤温度在食葵苗期和蕾期最高,与W90和W80处理相比,3年平均提高了0.3℃ ~0.4℃和0.2℃~0.5℃;而在食葵花期和成熟期表现为W80处理的土壤温度最高,与W100和W90处理相比,3年平均提高了0.8℃~1.0℃和0.5℃~1.0℃ (P < 0.05)。相较于CK处理,W100处理和W90处理均能增加食葵产量,但二者间未达到显著性差异水平,其中,W100处理在3年分别增产34.63%、18.83%和6.57%,W90处理分别增产30.42%、15.91%和0.64%。  【结论】  在进行秸秆隔层处理的前两年,常规春灌水量可以起到在食葵生长前期增温、后期控温的作用,有利于食葵的生长。而降低春灌水量20%则起到相反的作用,即前期增温不明显,而后期土壤温度显著高于正常灌水量。综合比较土壤温度调控、节约水资源、作物产量,在当地常规春灌基础上减少10%灌水量结合秸秆隔层处理 (W90) 是可供选择的方案。但是,秸秆隔层处理对土壤温度的调控效果在前两年较为显著,因此,应考虑每两年进行一次隔层处理,以保证该措施对土壤温度调控的有效性。
  • 图 1  试验区2016—2018年降水量及气温分布

    Figure 1.  Precipitation and temperature distribution in the test area during 2016–2018

    图 2  2016—2018年食葵全生育期土壤温度的垂直变化特征

    Figure 2.  Vertical change of soil temperature in growth season of sunflower in 2016–2018

    表 1  试验区土壤基本理化性质

    Table 1.  Background physicochemical properties of the experimental soil

    土层深度 (cm)
    Soil d layer
    机械组成 (%)
    Mechanical composition
    容重 (g/cm3)
    Bulk density
    有机质 (g/kg)
    OM
    碱解氮 (mg/kg)
    Available N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    砂粒Sandy粉粒Silt黏粒Clay
    0—1034.0951.9213.991.4511.0635.626.36161.29
    10—2035.7553.7610.491.4710.6331.912.03115.12
    20—3036.2253.4610.321.49 8.2130.331.03 98.24
    30—4037.3855.387.241.47 6.9429.680.88 80.37
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    表 2  试验区0—40 cm土壤含盐量 (g/kg) 与离子组成 (cmol/kg)

    Table 2.  Initial soil salt content (g/kg) and ion composition (cmol/kg) of the 0-40 cm depth in the experimental field

    土层深度 Soil depth (cm)pH全盐量Total saltCO32–HCO3ClSO42–Ca2+Mg2+Na+ + K+
    0—58.778.610.050.356.255.900.902.609.05
    5—208.533.120.050.502.031.800.300.703.38
    20—408.362.310.030.431.471.320.400.422.42
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    表 3  食葵生育阶段起止日期 (month/day)

    Table 3.  Starting and end date of growth stages of sunflower

    年份Year苗期Seedling stage蕾期Bud stage花期Flowering stage成熟期Maturity stage
    20165/21—6/4 6/5—7/3 7/4—7/31 8/1—9/19
    20175/31—6/176/18—7/167/17—8/128/13—9/24
    20185/26—6/136/14—7/147/15—8/138/14—10/2
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    表 4  2016—2018年食葵各生育期0—40 cm土层土壤温度及变异系数

    Table 4.  Temperature and variation ecoefficiency in the 0–40 cm soil layer at each growth period of sunflower from 2016 to 2018

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    苗期Seedling stage蕾期Bud stage花期Flowering stage成熟期Growth season
    土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
    (%)
    土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
    (%)
    土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
    (%)
    土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
    (%)
    2016CK 15.0 ± 0.21 ab2.3920.7 ± 0.15 b1.7022.4 ± 0.15 c2.1620.1 ± 0.17 b2.44
    W10015.4 ± 0.19 a2.1521.4 ± 0.15 a1.2024.2 ± 0.18 a1.2921.1 ± 0.18 a1.45
    W9014.5 ± 0.14 b1.7020.4 ± 0.16 b1.3523.3 ± 0.15 b1.0921.2 ± 0.18 a1.43
    W8014.8 ± 0.18 b2.1420.8 ± 0.15 b1.2423.9 ± 0.12 a0.8521.6 ± 0.13 a1.03
    2017CK20.1 ± 0.12 b1.0523.6 ± 0.12 c0.8723.2 ± 0.12 d0.9019.6 ± 0.25 c2.17
    W10021.0 ± 0.11 a0.9425.3 ± 0.11 a0.7823.8 ± 0.12 c0.8519.7 ± 0.15 c1.33
    W9020.3 ± 0.16 b1.3724.8 ± 0.10 b0.7024.7 ± 0.15 b1.0820.8 ± 0.19 b1.57
    W80 20.6 ± 0.14 ab1.2125.6 ± 0.13 a0.8626.4 ± 0.14 a0.9021.5 ± 0.16 a1.26
    2018CK19.0 ± 0.16 a1.5023.4 ± 0.15 a1.1024.2 ± 0.11 c0.7917.9 ± 0.17 b1.72
    W10019.1 ± 0.18 a1.6323.6 ± 0.15 a1.09 24.4 ± 0.10 bc0.7118.1 ± 0.16 b1.57
    W9019.4 ± 0.20 a1.7823.5 ± 0.11 a0.85 24.7 ± 0.14 ab0.9918.3 ± 0.19 b1.80
    W8019.1 ± 0.18 a1.6023.4 ± 0.13 a0.9924.9 ± 0.09 a0.6418.6 ± 0.16 a1.43
    注(Note):CK—无秸秆隔层,当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) Conventional irrigation (2250 m3/hm2) with no straw interlayer; W100—埋设秸秆隔层, 100% 当地常规灌水量 (2250 m3·hm-2) 100% conventional irrigation (2250 m3/hm2) with straw interlayer; W90—埋设秸秆隔层, 90% 当地常规灌水量 (2025 m3/hm2) 90% conventional irrigation (2025 m3/hm2) with straw interlayer; W80—埋设秸秆隔层, 80% 当地常规灌水量 (1800 m3/hm2) 80% conventional irrigation (1800 m3/hm2) with straw interlayer; CV—变异系数 Coefficient of variation;表中数据为 3 次重复的平均值 ± 标准误 Date are mean of triplicates ± SE. 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Different letters after the same column value indicate significant difference between different treatments (P < 0.05).
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    表 5  土壤温度 (y) 与大气温度 (x) 的回归关系

    Table 5.  Regression relationship between soil temperature (y) and air temperature (x)

    年份
    Year
    处理
    Treatments
    回归方程
    Regression equation
    R2
    2016CKy = 0.671x + 6.0360.855**
    W100y = 0.804x + 4.2670.874**
    W90y = 0.738x + 5.1800.827**
    W80y = 0.800x + 4.2820.849**
    2017CKy = 0.556x + 9.5010.816**
    W100y = 0.712x + 6.8130.854**
    W90y = 0.706x + 9.7710.777**
    W80y = 0.701x + 8.3280.754**
    2018CKy = 0.670x + 7.3120.950**
    W100y = 0.671x + 7.7190.954**
    W90y = 0.685x + 7.0100.965**
    W80y = 0.654x + 8.5870.961**
    注(Note):CK—无秸秆隔层,当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) Conventional irrigation (2250 m3/hm2) with no straw interlayer; W100—埋设秸秆隔层, 100% 当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) 100% conventional irrigation (2250 m3/hm2) with straw interlayer; W90—埋设秸秆隔层, 90% 当地常规灌水量 (2025 m3/hm2) 90% conventional irrigation (2025 m3/hm2) with straw interlayer; W80—埋设秸秆隔层, 80% 当地常规灌水量 (1800 m3/hm2) 80% conventional irrigation (1800 m3/hm2) with straw interlayer; 气温数据采用试验基地自动气象站观测值 The air temperature data were obtained from weather station of the experimental base; **—P < 0.01.
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    表 6  不同处理食葵产量及其构成因素

    Table 6.  Yield of sunflower and its components under different treatments

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    地上生物量 (t/hm2)
    Aboveground biomass
    增长率 (%)
    Increase rate
    百粒重 (g)
    100-grain weight
    增长率 (%)
    Increase rate
    产量 (t/hm2)
    Yield
    增长率 (%)
    Increase rate
    2016CK19.55 ± 0.14 b4.19 ± 0.27 b
    W10020.11 ± 0.09 a2.865.65 ± 0.44 a34.63
    W90 19.91 ± 0.09 ab1.835.47 ± 0.26 a30.42
    W80 19.71 ± 0.17 ab0.793.41 ± 0.22 b–18.71
    2017CK15.77 ± 0.82 b19.20 ± 0.09 b4.21 ± 0.14 b
    W10017.58 ± 0.63 a11.5120.46 ± 0.12 a6.565.00 ± 0.37 a18.83
    W9017.45 ± 0.67 a10.6520.96 ± 0.26 a9.194.88 ± 0.38 a15.91
    W8015.83 ± 0.19 b 0.3620.45 ± 0.15 a6.563.50 ± 0.23 c–16.74
    2018CK11.44 ± 0.11 a17.88 ± 0.39 b2.96 ± 0.28 a
    W10011.52 ± 0.66 a 0.7219.60 ± 0.13 a9.593.15 ± 0.11 a 6.57
    W9011.52 ± 0.29 a 0.6419.37 ± 0.27 a8.312.98 ± 0.28 a 0.64
    W808.59 ± 0.60 b–24.97 18.51 ± 0.41 ab3.512.01 ± 0.04 b–32.30
    注(Note):CK—无秸秆隔层,当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) Conventional irrigation (2250 m3/hm2) with no straw interlayer; W100—埋设秸秆隔层, 100% 当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) 100% conventional irrigation (2250 m3/hm2) with straw interlayer; W90—埋设秸秆隔层, 90% 当地常规灌水量 (2025 m3/hm2) 90% conventional irrigation (2025 m3/hm2) with straw interlayer; W80—埋设秸秆隔层, 80% 当地常规灌水量 (1800 m3/hm2) 80% conventional irrigation (1800 m3/hm2) with straw interlayer; 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Different letters after the same column value indicate that the difference between different treatments reaches the significance level (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-01

河套灌区春灌结合秸秆隔层对盐碱土壤温度的调控效果

    作者简介:常芳弟 E-mail:1072498534@qq.com
    通讯作者: 李玉义, liyuyi@caas.cn
  • 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31871584);国家重点研发计划项目(2016YFC0501302);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132016051)。
  • 摘要:   【目的】  对河套灌区春灌结合秸秆隔层措施下食葵生长季土壤温度连续多年动态变化进行科学性评价。  【方法】  田间微区定位试验在内蒙古五原县进行,供试作物为食用向日葵 (Helianthus annuus L.),品种为JK601 (2016—2017年) 和HT361 (2018年)。以无秸秆隔层,常规春灌量2250 m3/hm2为对照 (CK),处理均采用秸秆隔层,灌水量为对照的100%(W100)、90%(W90)、80%(W80)。秸秆隔层一次性布置,之后连续三年,用5TE-传感器测定食葵生育期膜内距地表下10、20、30和40 cm处土壤水分、电导率、温度。收获期调查了食葵的产量和产量构成因素。  【结果】  与CK处理相比,W100处理的0—40 cm土层土壤温度在食葵生育时期均表现出增温效果,但增温幅度随着实施年份的增加在降低,其中在2016年食葵蕾期、花期和成熟期显著增温0.7℃~1.8℃,2017年食葵苗期、蕾期和花期生长阶段显著增温0.6℃~0.9℃ (P < 0.05),而在2018年两处理间土壤温度无显著性差异。W100处理的0—40 cm土层土壤温度在食葵苗期和蕾期最高,与W90和W80处理相比,3年平均提高了0.3℃ ~0.4℃和0.2℃~0.5℃;而在食葵花期和成熟期表现为W80处理的土壤温度最高,与W100和W90处理相比,3年平均提高了0.8℃~1.0℃和0.5℃~1.0℃ (P < 0.05)。相较于CK处理,W100处理和W90处理均能增加食葵产量,但二者间未达到显著性差异水平,其中,W100处理在3年分别增产34.63%、18.83%和6.57%,W90处理分别增产30.42%、15.91%和0.64%。  【结论】  在进行秸秆隔层处理的前两年,常规春灌水量可以起到在食葵生长前期增温、后期控温的作用,有利于食葵的生长。而降低春灌水量20%则起到相反的作用,即前期增温不明显,而后期土壤温度显著高于正常灌水量。综合比较土壤温度调控、节约水资源、作物产量,在当地常规春灌基础上减少10%灌水量结合秸秆隔层处理 (W90) 是可供选择的方案。但是,秸秆隔层处理对土壤温度的调控效果在前两年较为显著,因此,应考虑每两年进行一次隔层处理,以保证该措施对土壤温度调控的有效性。

    English Abstract

    • 内蒙古河套灌区位于我国干旱、半干旱地区,其农业生产潜力大,是我国西部地区重要的优质农产品生产基地[1]。但由于其特殊的地理环境和气候条件再加上不合理的灌排,盐碱化耕地面积高达50%以上[2],严重制约了当地农业持续发展。针对河套灌区土壤的盐渍化,本课题组创建了利用作物秸秆深埋“隔盐”结合地膜覆盖“抑盐”的盐碱地隔抑盐新技术,该技术通过在地表下40 cm处埋设作物秸秆隔层,提高了盐分淋洗效率,同时由于破坏了土壤的毛细管,在强烈蒸发的条件下,秸秆隔层能够切断潜水蒸发的通道,阻碍潜水蒸发,这样就可以减弱底层的盐分随水分上行而表聚,能够有效抑制地表返盐,降低土壤盐害,达到淡化耕层土壤盐分的目的,为作物提供一个良好的生长环境[3-5]。目前该技术已在当地得到了广泛认可。然而,有关该技术条件下农田土壤温度变化动态的研究还比较缺乏,不利于正确评价秸秆隔层技术措施的综合效应。在河套灌区,灌溉方式普遍采用格田淹灌,灌区的灌溉制度主要是常规的春灌 (4—5月) 和秋收后进行的“洗盐保墒”灌溉,简称“秋浇”(10月底—11月中旬)。近年来,由于引黄水量的减少以及种植结构的变化使得该地区部分农民不再秋浇,只进行春灌。灌溉制度的改变以及盐渍土秸秆隔层控盐技术的实施必然会影响农田土壤水、肥、气、热状况[6]。因此研究春灌结合秸秆隔层对河套灌区盐碱土壤温度变化特征和食葵产量的影响十分必要。

      土壤温度作为土壤环境的重要参数,其变化直接影响着土壤有机质的分解、养分的转化与迁移、微生物活性和作物根系的生长发育[7-8]。研究表明,灌溉在一定程度上可以调控土壤温度[9];土壤含水量高时土壤温度一般较低,二者呈极显著负相关关系[10];在灌水量为400 m3/hm2处理下的温室大棚内冬小麦土壤温度要比灌水量为800 m3/hm2的处理高3.3℃,随着土层深度增加,不同灌水量处理的土壤温度变化幅度在减小[11];但也有研究发现不同土层深度土壤温度在大水漫灌 (14400 m3/hm2) 最高,反而在地面滴灌 (7500 m3/hm2) 最低,说明土壤温度与灌溉方式有关[12]。此外,秸秆深埋 (18—27 cm) 处理下的土壤温度明显高于秸秆均埋 (0—27 cm)[13]。不管是在无灌水还是灌水条件下,在温室中秸秆深埋处理能够有效提高0—50 cm土层的土壤平均温度,与无深埋秸秆处理相比,灌水期深埋秸秆处理的土壤平均温度提高了1.0℃,非灌水期深埋秸秆提高土壤的平均温度为0.43℃,灌水过程激发秸秆深埋的土壤产生了更多的热量,加剧了秸秆层上部土壤温度的变化[14]。显然,不同的田间管理措施会引起农田土壤温度的变化,但以往的研究大多是对非盐碱土壤单一灌水或秸秆深埋条件下土壤温度的变化规律。而在盐碱地表下铺设一层作物秸秆再结合春灌措施对土壤温度的影响以及随着秸秆深埋时间的延长,秸秆逐渐腐解后对土壤温度的变化特征尚不清楚。针对上述问题,本研究提出科学假设:埋设秸秆隔层增加了土壤大孔隙数量,使土壤热容量变小,更容易升温,但随着秸秆隔层不断地腐解,增温幅度会显著降低;而在秸秆隔层构建条件下,土壤温度的变化主要受不同春灌水量调控,在作物生长前期河套地区昼夜温差相对较大,土壤较高的含水率有利于土壤白天吸热、晚上保持温度,降低昼夜土壤温差,春灌水量越多处理土壤温度相对较高,而在作物生长后期,对于春灌水量少的处理,由于前期脱盐效果弱,影响作物长势和地表覆盖度,后期地面受太阳辐射的面积较大,再加上秸秆隔层影响,土壤含水量低,土壤热容量也低,越易增温。基于以上假设,本文通过3年田间微区定位试验,研究春灌结合秸秆隔层对盐碱地食葵生育期土壤温度和食葵生长的影响,以期为河套灌区盐碱土资源的改良利用提供理论和生产实践指导。

      • 试验于2016—2018年在内蒙古五原县河套灌区义长灌域管理局试验站 (41.07°N、108.00°E,海拔1022 m) 进行。该试验地属于中温带半干旱大陆性气候,年均日照时数3263 h,年均温6.1℃,≥ 10℃的积温3362.5℃,无霜期117—136天。该地区降水稀少,且大多集中在夏秋两季,年蒸发量较大,蒸降比较高,多年平均降水量200 mm、蒸发量2200 mm。试验期间试验站月降水量和气温分布情况见图1。供试土壤按盐土分类为氯化物-硫酸盐,质地为粉砂壤土,0—40 cm土层土壤基本理化性质见表1,土壤盐分离子组成情况见表2

        图  1  试验区2016—2018年降水量及气温分布

        Figure 1.  Precipitation and temperature distribution in the test area during 2016–2018

        表 1  试验区土壤基本理化性质

        Table 1.  Background physicochemical properties of the experimental soil

        土层深度 (cm)
        Soil d layer
        机械组成 (%)
        Mechanical composition
        容重 (g/cm3)
        Bulk density
        有机质 (g/kg)
        OM
        碱解氮 (mg/kg)
        Available N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        砂粒Sandy粉粒Silt黏粒Clay
        0—1034.0951.9213.991.4511.0635.626.36161.29
        10—2035.7553.7610.491.4710.6331.912.03115.12
        20—3036.2253.4610.321.49 8.2130.331.03 98.24
        30—4037.3855.387.241.47 6.9429.680.88 80.37

        表 2  试验区0—40 cm土壤含盐量 (g/kg) 与离子组成 (cmol/kg)

        Table 2.  Initial soil salt content (g/kg) and ion composition (cmol/kg) of the 0-40 cm depth in the experimental field

        土层深度 Soil depth (cm)pH全盐量Total saltCO32–HCO3ClSO42–Ca2+Mg2+Na+ + K+
        0—58.778.610.050.356.255.900.902.609.05
        5—208.533.120.050.502.031.800.300.703.38
        20—408.362.310.030.431.471.320.400.422.42
      • 试验在田间微区进行,微区面积为3.24 m2(1.8 m × 1.8 m),随机区组排列。微区为2015年5月设置,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,塑料隔断对土壤水盐的影响可忽略,5—10月份没有安排试验处理,所有微区均种植食葵。2015年10月试验处理正式实施前,取样测定各微区60—100 cm土层含盐量,由于其相对一致,因此不再调盐,用铁锹将微区0—20 cm和20—40 cm土壤分层取出,然后把取自试验基地周边上年秋季收获后的整株风干玉米秸秆 (品种为西蒙6号) 用铡刀均匀切成约5 cm长度 (叶、秆混合),均匀铺设在地表下40 cm处,铺设厚度5 cm,秸秆用量12 t/hm2,秸秆埋设完毕后将土壤按原层次回填压实。此后两年,不再进行秸秆埋设。为保证试验条件的一致性,将0—20 cm土层含盐量通过人工添加取自盐荒地的盐结皮调至4.6 g/kg (该含盐量代表当地中度盐碱水平),即春灌前在每个微区取8个表层土样,混合后测定其含盐量并作为基础值,根据基础值和目标值差值将盐结皮 (盐分类型为氯化物-硫酸盐) 均匀撒在地表并用耙子挡平,调盐过后试验地代表中度盐碱土[15]

        试验设4个处理,分别为:CK (无秸秆隔层,当地常规灌水量2250 m3/hm2),W100 (埋设秸秆隔层,100%当地常规灌水量,即2250 m3/hm2),W90 (埋设秸秆隔层,90%当地常规灌水量,即2025 m3/hm2),W80 (埋设秸秆隔层,80%当地常规灌水量,即1800 m3/hm2),每个处理设3次重复。春灌时间分别为2016年5月13日、2017年5月24日、2018年5月13日。所有处理播前化肥按统一用量一次性作底肥条施,施肥量为尿素 (含N 46%) 260 kg/hm2、磷酸二铵 (含N 18%、P2O5 46%) 290 kg/hm2、硫酸钾 (含K2O 50%) 150 kg/hm2,施肥深度10 cm,随后覆土,根据试验要求,覆盖处理用70 cm宽的农用塑料薄膜覆盖,每个小区有两条膜带,膜间距20 cm,膜间地表裸露。供试作物为食葵 (Helianthus annuus L.),品种为JK601 (2016—2017年) 和HT361 (2018年)。食葵生育期内不再进行灌水和施肥,其他管理措施与当地农户一致。

        试验分别于2016年5月18日、2017年5月31日、2018年5月25日播种,人工点播,播种深度7 cm,播种后穴口用细砂覆盖,行距60 cm,株距20 cm,种植密度为49000株/hm2。食葵分别于2016年9月19日、2017年9月24日、2018年10月2日收获。食葵具体生育阶段划分见表3

        表 3  食葵生育阶段起止日期 (month/day)

        Table 3.  Starting and end date of growth stages of sunflower

        年份Year苗期Seedling stage蕾期Bud stage花期Flowering stage成熟期Maturity stage
        20165/21—6/4 6/5—7/3 7/4—7/31 8/1—9/19
        20175/31—6/176/18—7/167/17—8/128/13—9/24
        20185/26—6/136/14—7/147/15—8/138/14—10/2
      • 土壤温度采用5TE-土壤水分、电导率、温度传感器 (温度范围为–40~60°C、测量精度 ± 1℃、温度分辨率0.1℃、传感器类型为热敏电阻) 测定,埋在膜内距地表下10、20、30和40 cm处,每层埋设1个传感器探头,自动记录相应土层温度,记录时间间隔为1 h。土壤日平均温度为每个测定日24次测定的平均值;0—40 cm土层温度为4个土层 (0—10、10—20、20—30和30—40 cm) 温度的算术平均值。

      • 作物产量及其构成因素主要包括花盘数、地上生物量、百粒重、籽粒产量。测定方法:食葵成熟期将各小区花盘全部收获,收割后脱粒、晒干,计算籽粒产量和百粒重。

      • 试验数据用Microsoft Excel 2010进行处理,采用SPSS 17.0软件进行统计分析,单因素方差分析采用LSD法,并使用双侧检验对大气温度和土壤温度进行相关分析 (Person系数)。

      • 在食葵不同生育阶段内,各处理对0—40 cm土层平均土壤温度的影响差异较大 (表4)。在春灌水量相同的条件下,在2016—2018年食葵各生育时期0—40 cm土层土壤平均温度均表现为W100 > CK处理,3年在食葵苗期分别提高了0.4℃、0.9℃和0.1℃,蕾期分别提高了0.7℃、1.6℃和0.2℃,花期分别提高了1.8℃、0.6℃和0.2℃,成熟期分别提高了1.0℃、0.1℃和0.2℃。由此可以看出在2016年食葵花期和成熟期以及2017年食葵苗期和蕾期,即从2016年7月4日到9月19日以及2017年5月31日到7月16日,这段时间相较于CK处理,W100处理的增温效果最为显著,增温幅度在0.9℃~1.8℃。但是随着年际的增加,W100处理的增温幅度在显著降低;在秸秆隔层埋设条件下,0—40 cm土层土壤平均温度在食葵苗期和蕾期表现为W100处理最高,与W90和W80处理相比,3年平均提高了0.3℃~0.4℃和0.2℃~0.5℃;而在食葵花期和成熟期则表现为W80处理的土壤温度最高,与W100和W90处理相比,3年平均提高了0.8℃~1.0℃和0.5℃~1.0℃。

        表 4  2016—2018年食葵各生育期0—40 cm土层土壤温度及变异系数

        Table 4.  Temperature and variation ecoefficiency in the 0–40 cm soil layer at each growth period of sunflower from 2016 to 2018

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        苗期Seedling stage蕾期Bud stage花期Flowering stage成熟期Growth season
        土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
        (%)
        土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
        (%)
        土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
        (%)
        土壤温度 (℃) Soil temperatureCV
        (%)
        2016CK 15.0 ± 0.21 ab2.3920.7 ± 0.15 b1.7022.4 ± 0.15 c2.1620.1 ± 0.17 b2.44
        W10015.4 ± 0.19 a2.1521.4 ± 0.15 a1.2024.2 ± 0.18 a1.2921.1 ± 0.18 a1.45
        W9014.5 ± 0.14 b1.7020.4 ± 0.16 b1.3523.3 ± 0.15 b1.0921.2 ± 0.18 a1.43
        W8014.8 ± 0.18 b2.1420.8 ± 0.15 b1.2423.9 ± 0.12 a0.8521.6 ± 0.13 a1.03
        2017CK20.1 ± 0.12 b1.0523.6 ± 0.12 c0.8723.2 ± 0.12 d0.9019.6 ± 0.25 c2.17
        W10021.0 ± 0.11 a0.9425.3 ± 0.11 a0.7823.8 ± 0.12 c0.8519.7 ± 0.15 c1.33
        W9020.3 ± 0.16 b1.3724.8 ± 0.10 b0.7024.7 ± 0.15 b1.0820.8 ± 0.19 b1.57
        W80 20.6 ± 0.14 ab1.2125.6 ± 0.13 a0.8626.4 ± 0.14 a0.9021.5 ± 0.16 a1.26
        2018CK19.0 ± 0.16 a1.5023.4 ± 0.15 a1.1024.2 ± 0.11 c0.7917.9 ± 0.17 b1.72
        W10019.1 ± 0.18 a1.6323.6 ± 0.15 a1.09 24.4 ± 0.10 bc0.7118.1 ± 0.16 b1.57
        W9019.4 ± 0.20 a1.7823.5 ± 0.11 a0.85 24.7 ± 0.14 ab0.9918.3 ± 0.19 b1.80
        W8019.1 ± 0.18 a1.6023.4 ± 0.13 a0.9924.9 ± 0.09 a0.6418.6 ± 0.16 a1.43
        注(Note):CK—无秸秆隔层,当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) Conventional irrigation (2250 m3/hm2) with no straw interlayer; W100—埋设秸秆隔层, 100% 当地常规灌水量 (2250 m3·hm-2) 100% conventional irrigation (2250 m3/hm2) with straw interlayer; W90—埋设秸秆隔层, 90% 当地常规灌水量 (2025 m3/hm2) 90% conventional irrigation (2025 m3/hm2) with straw interlayer; W80—埋设秸秆隔层, 80% 当地常规灌水量 (1800 m3/hm2) 80% conventional irrigation (1800 m3/hm2) with straw interlayer; CV—变异系数 Coefficient of variation;表中数据为 3 次重复的平均值 ± 标准误 Date are mean of triplicates ± SE. 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Different letters after the same column value indicate significant difference between different treatments (P < 0.05).

        食葵各生育期0—40 cm土层土壤平均温度的变异系数表现为只进行春灌处理 (CK) 最大,可见,埋设秸秆隔层能够减缓土壤温度的波动幅度。在秸秆隔层埋设条件下,不同春灌水量处理的土壤温度变异系数在苗期和蕾期表现为W100处理较小,而花期和成熟期则W80处理较小。

      • 各处理在食葵全生育期0—40 cm土层土壤温度均表现为随土层深度减小 (图2),从0—10 cm土层到30—40 cm土层的3年平均降温幅度在2.2℃~2.4℃之间。在春灌水量相同的条件下,秸秆隔层处理 (W100) 的各土层土壤温度均高于CK处理,与CK处理相比,W100处理的0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土层土壤温度在2016年分别增加了1.0℃、1.0℃、1.2℃和0.8℃,在2017年分别增加了0.8℃、0.9℃、0.7℃和0.7℃,在2018年分别增加了0.2℃、0.5℃、0.3℃和0.3℃。同一年份里,W100处理较CK处理在各土层的增温幅度变化不大,但是随着年份的增加,各土层的增温幅度显著降低,连续3年0—10 cm土层的增温幅度由1.0℃降低为0.2℃,10—20 cm土层由1.0℃降低为0.5℃,20—30 cm土层由1.2℃降为0.3℃,30—40 cm土层由0.8℃降为0.3℃;在秸秆隔层存在的条件下,不同春灌水量处理 (W100、W90和W80) 的0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土层土壤温度变化幅度范围在2016年为0.1℃~0.5℃、0.4℃~0.8℃、0.4℃~1.0℃和0.2℃~0.7℃,2017年的土壤温度变化幅度范围在0.2℃~1.0℃、0.2℃ ~1.1℃、0.5℃~1.5℃和0.3℃~0.9℃,2018年的土壤温度变化幅度范围在0.1℃~0.3℃、0.2℃~0.4℃、0.2℃~0.4℃和0.2℃~0.4℃。不同春灌水量处理的0—40 cm各土层土壤温度在2017年差异显著 (P < 0.05),而2018年各处理在各土层的土壤温度差异在显著减小,处理间差异未达显著水平 (P > 0.05)。

        图  2  2016—2018年食葵全生育期土壤温度的垂直变化特征

        Figure 2.  Vertical change of soil temperature in growth season of sunflower in 2016–2018

      • 对土壤温度 (y) 与大气温度 (x) 做回归分析 (表5),进一步表明不同处理模式下土壤温度和大气温度间具有极显著的正相关关系 (P < 0.01),各处理R2值2016年分布在0.827~0.874之间,2017年分布在0.754~0.854之间,2018年分布在0.950~0.965之间。土壤温度与大气温度的回归方程的斜率反映了土壤温度对大气温度的敏感程度,表示大气温度每升高1.0℃土壤温度的增加值。在春灌水量相同的条件下,3个年度里W100处理的R2和回归斜率均高于CK处理,说明春灌结合秸秆埋设条件下土壤温度对大气温度变化的响应更为敏感,与大气温度变化联系最为紧密;在秸秆埋设条件下,W100、W90和W80处理的土壤温度与大气温度的斜率在2016年分别为0.804、0.738和0.800,在2017年分别为0.712、0.706和0.701,在2018年分别为0.671、0.685和0.654,随着年份的增加,W100、W90和W80处理的土壤温度与大气温度的斜率均在减小,说明随着秸秆埋设年限增加,土壤温度对大气温度的响应在减弱。

        表 5  土壤温度 (y) 与大气温度 (x) 的回归关系

        Table 5.  Regression relationship between soil temperature (y) and air temperature (x)

        年份
        Year
        处理
        Treatments
        回归方程
        Regression equation
        R2
        2016CKy = 0.671x + 6.0360.855**
        W100y = 0.804x + 4.2670.874**
        W90y = 0.738x + 5.1800.827**
        W80y = 0.800x + 4.2820.849**
        2017CKy = 0.556x + 9.5010.816**
        W100y = 0.712x + 6.8130.854**
        W90y = 0.706x + 9.7710.777**
        W80y = 0.701x + 8.3280.754**
        2018CKy = 0.670x + 7.3120.950**
        W100y = 0.671x + 7.7190.954**
        W90y = 0.685x + 7.0100.965**
        W80y = 0.654x + 8.5870.961**
        注(Note):CK—无秸秆隔层,当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) Conventional irrigation (2250 m3/hm2) with no straw interlayer; W100—埋设秸秆隔层, 100% 当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) 100% conventional irrigation (2250 m3/hm2) with straw interlayer; W90—埋设秸秆隔层, 90% 当地常规灌水量 (2025 m3/hm2) 90% conventional irrigation (2025 m3/hm2) with straw interlayer; W80—埋设秸秆隔层, 80% 当地常规灌水量 (1800 m3/hm2) 80% conventional irrigation (1800 m3/hm2) with straw interlayer; 气温数据采用试验基地自动气象站观测值 The air temperature data were obtained from weather station of the experimental base; **—P < 0.01.
      • 表6可以看出,不同处理食葵3年产量结果均表现为W100 > W90 > CK > W80。W100处理和W90处理的食葵产量在2016年和2017年显著高于CK和W80处理 (P < 0.05),但W100和W90处理未达到显著性差异水平 (P > 0.05),与CK处理相比,2016年和2017年W100处理分别增产34.63%和18.83%,W90处理分别增产30.42%和15.91%;而在2018年W100和W90处理较CK处理仅增产6.57%和0.64%,W80处理的食葵产量显著低于CK处理 (P < 0.05)。

        表 6  不同处理食葵产量及其构成因素

        Table 6.  Yield of sunflower and its components under different treatments

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        地上生物量 (t/hm2)
        Aboveground biomass
        增长率 (%)
        Increase rate
        百粒重 (g)
        100-grain weight
        增长率 (%)
        Increase rate
        产量 (t/hm2)
        Yield
        增长率 (%)
        Increase rate
        2016CK19.55 ± 0.14 b4.19 ± 0.27 b
        W10020.11 ± 0.09 a2.865.65 ± 0.44 a34.63
        W90 19.91 ± 0.09 ab1.835.47 ± 0.26 a30.42
        W80 19.71 ± 0.17 ab0.793.41 ± 0.22 b–18.71
        2017CK15.77 ± 0.82 b19.20 ± 0.09 b4.21 ± 0.14 b
        W10017.58 ± 0.63 a11.5120.46 ± 0.12 a6.565.00 ± 0.37 a18.83
        W9017.45 ± 0.67 a10.6520.96 ± 0.26 a9.194.88 ± 0.38 a15.91
        W8015.83 ± 0.19 b 0.3620.45 ± 0.15 a6.563.50 ± 0.23 c–16.74
        2018CK11.44 ± 0.11 a17.88 ± 0.39 b2.96 ± 0.28 a
        W10011.52 ± 0.66 a 0.7219.60 ± 0.13 a9.593.15 ± 0.11 a 6.57
        W9011.52 ± 0.29 a 0.6419.37 ± 0.27 a8.312.98 ± 0.28 a 0.64
        W808.59 ± 0.60 b–24.97 18.51 ± 0.41 ab3.512.01 ± 0.04 b–32.30
        注(Note):CK—无秸秆隔层,当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) Conventional irrigation (2250 m3/hm2) with no straw interlayer; W100—埋设秸秆隔层, 100% 当地常规灌水量 (2250 m3/hm2) 100% conventional irrigation (2250 m3/hm2) with straw interlayer; W90—埋设秸秆隔层, 90% 当地常规灌水量 (2025 m3/hm2) 90% conventional irrigation (2025 m3/hm2) with straw interlayer; W80—埋设秸秆隔层, 80% 当地常规灌水量 (1800 m3/hm2) 80% conventional irrigation (1800 m3/hm2) with straw interlayer; 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Different letters after the same column value indicate that the difference between different treatments reaches the significance level (P < 0.05).

        从产量构成因素来看,W100处理和W90处理地上生物量高于CK和W80处理。与CK处理相比,W100和W90处理在2017年分别提高了11.51%和10.65%,W80处理仅提高了0.36%,而在2018年W100、W90和CK处理间无显著性差异 (P > 0.05),W80处理相较于CK显著降低了24.97% (P < 0.05)。W100、W90和W80处理的食葵百粒重在2016—2018年均高于只春灌处理 (CK),与CK处理相比,2016—2018年W100处理增幅为2.86%、6.56%和9.59%,W90处理增幅为1.83%、9.19%和8.31%,W80处理增幅为0.79%、6.56%和3.51%。

      • 土壤温度作为重要的因素影响着作物的生长发育[16],同时土壤中的水盐运移[17]、各种生物化学过程都受其影响[18]。土壤水分的变化会改变土壤热特性,进而影响土壤温度[19-20]。土壤由三部分组成,分别是固体颗粒、液态水和空气,其中空气的热容量较小,而水的热容量较大。土壤中固体成分相对较为稳定,而水和空气的含量则经常变化[21],因此土壤温度的变化主要取决于土壤中水和空气的含量,但空气的热含量远小于水的热容量,因而水分含量的多少很大程度上决定了土壤中热量传输[22]。有研究表明不同灌水量处理对土壤温度日变化的影响在早晨8:00表现为灌水量最少的处理土壤温度最低,但在其他时间段灌水量最少的处理的土壤温度反而最高,这主要是因为灌水量少的处理,土壤热容量较小,易受到外界气温的影响[11]。深埋秸秆处理可以有效地提高地温[23],秸秆还田后,改变了土壤原有的物理特性,使得土壤温度受到影响。本研究中春灌结合秸秆隔层处理 (W100) 的0—40 cm土层土壤温度在食葵各生育时期均高于只春灌处理 (CK),出现这种现象的可能原因是深埋秸秆后,土壤质地的均匀性和土体构型发生了改变[24],大孔隙数量增多[25-26],使土壤热容量变小,更容易升温,同时改变了土体的通透性和导水能力的连续性[3],增加了作物生长前期秸秆隔层上部 (0—40 cm) 的土壤水分含量,而在作物生长前期河套地区昼夜温差相对较大,土壤较高的含水率有利于土壤白天吸热、晚上保持温度,降低昼夜土壤温差,从而有利于提升土壤温度;随着食葵生育时期的推进,植株蒸腾作用加强、耗水量增大,秸秆隔层的存在阻断了毛管水的上升,使得0—40 cm土层耗水严重,水分含量降低[27],在外界昼夜温差较小的情况下更易升温。但是研究发现随着年份的增加,春灌结合秸秆隔层处理较只春灌处理在各土层的增温幅度在显著减小,可能是随着秸秆还田时间的延长,秸秆逐渐被压实,此时,大孔隙逐渐减少,土壤通透性降低,与外界热量的交换减弱[28];其次,秸秆作为一种生物质,随着埋设时间的延长,秸秆几乎全部腐解[29],其自身的各项特性与土壤本身接近,因此会出现随着年限的增加,春灌结合秸秆隔层处理 (W100) 与只春灌处理 (CK) 的土壤温度差异显著减小的现象。

        本研究表明在秸秆隔层条件下,不同春灌水量处理对0—40 cm土层土壤温度的影响在食葵不同的生育时期表现不同,其中苗期和蕾期表现为W100处理最高,而在花期和成熟期表现为W80处理的土壤温度最高,这与其他研究中白天土壤温度与含水量呈显著负相关关系有所出入[30],推测可能的原因是土壤温度的观测时间不一致,本研究中土壤温度为每个测定日24 h的平均温度;另外,由于本研究的试验地点在内蒙古河套灌区,前期昼夜温差较大,春灌水量较多的土壤含水率高,土壤热容量较大,升温缓慢,降温也比较慢,有利于热量的吸收与保持[31],为植物根系抵御土壤温度的急剧变化提供了保护,随着含水率的增加,土壤对太阳能的吸收增加,提升了土壤的蓄热能力进而促使植物生长速度和产量增加[32]。本研究同样发现秸秆隔层结合100%当地常规春灌处理 (W100) 的食葵地上部生物量最高,食葵生长速度较快,所以到了后期相较于W80处理而言,地面植株生长旺盛,叶面积增大[27],极大地增加了地表的覆盖度,减小了太阳对地面的辐射面积,土壤温度开始降低[33];而W80处理长势较弱,叶片面积相对较小[27],地面受太阳辐射的面积较大,土壤接收到热能也就多,并且含水量低的土壤热容量较小,受外界气温的影响升温快,土壤温度也较高。因而在食葵苗期和蕾期表现为W100处理的土壤温度最高,在食葵花期和成熟期表现为W80处理的土壤温度最高。

        土壤温度变化与土层深度之间有一定的关系。王维钰等[34]研究表明免耕条件下秸秆还田处理的土壤平均温度随着土壤深度的增加而降低。本研究也表明各处理土壤温度均一致表现为沿深度方向减小,这是因为土壤温度的主要来源是太阳辐射,土壤表面吸收太阳辐射的能量而增温,并向深处传递热量,但每层收到的热量不一样,越是在下层的土壤,收到的热量就越少,因此土壤温度的变化随深度的增加而减少[35]

      • 大气温度是影响土壤温度变化的主要因子,土壤温度随着大气温度的周期性变化而变化[36]。有研究表明各土层土壤温度日变化随气温呈正弦函数变化,土壤温度随气温的变化滞后[37]。土壤温度对大气温度的响应程度受不同管理措施的影响,朱琳等[6]研究发现地膜覆盖条件下土壤温度对大气温度变化的响应更为敏感,与大气温度变化联系最为紧密,而秸秆覆盖土壤温度对大气温度变化反应最迟钝。不同的灌溉模式下,地面灌溉处理下的土壤温度跟随气温变化,与气温变化显著相关,而膜下滴灌主要受灌水的影响,与气温相关性较差[38]。本研究表明无论是在只春灌还是在春灌结合秸秆隔层处理下,土壤温度和大气温度间具有极显著的正相关关系 (R2值分布在0.754~0.965之间),但是春灌结合秸秆埋设条件下土壤温度对大气温度变化的响应更为敏感,与大气温度变化联系最为紧密,推测可能的原因是埋设秸秆隔层的处理使土壤结构产生了明显的分层现象,进而直接影响了土壤水分运移,降低了土壤水分的入渗速率,提高了土壤的持水性能,明显提高了食葵生长前期0—40 cm土层水分含量[3],导致0—40 cm土层土壤热容量较大,能够有效地吸收太阳辐射;其次土壤的颜色能够影响土壤的吸热性,一般来说,土壤颜色越深,吸热性越强[39],埋设秸秆隔层后,随着不断腐解,土壤剖面颜色变暗[40],相较于只春灌处理 (CK) 吸热性加强,导致土壤温度对大气温度的响应更加敏感。

      • 本研究中秸秆隔层结合100%和90%的当地常规春灌处理 (W100、W90) 的食葵地上生物量、百粒重和产量显著高于其他处理 (P < 0.05)。在内蒙古河套灌区限制作物生长的主要因素是盐碱胁迫,作物的耐盐碱的能力在苗期最差,导致出苗率低,保苗困难[41]。课题组前期研究发现秸秆隔层结合春灌措施能够提高作物耕层脱盐率,提高根系分布层的土壤水分含量,并且春灌水量越多,效果越显著[27]。另外,秸秆隔层结合100%当地常规春灌措施在前期具有保温和增温作用,同时秸秆隔层能够起到保持土壤水分、控制土壤水分蒸发的作用,形成了有利于作物生长的土壤温度和水分环境,使食葵根系吸收养分和水分的能力升高,促进了食葵生长发育,增产效果明显,W90处理与其无显著性差异 (P > 0.05)。而W80处理的食葵产量在2016—2018年均显著低于对照处理 (P < 0.05),推测可能的原因是W80处理由于春灌水量少,前期脱盐效果差,长势弱,到了生长后期,由于秸秆隔层的作用,隔层以下土壤水分很难上移到上层土壤,最终食葵产量下降。

      • 春灌结合秸秆隔层能够提高食葵生育期土壤温度,增温幅度随着秸秆埋设时间的延长而降低,并且在食葵生长前期春灌水量越多,土壤温度越高,为作物提供了较好的生长环境。综合考虑土壤温度调控、节约水资源、作物产量等方面考虑,在当地常规春灌基础上减少10%灌水量结合秸秆隔层处理 (W90) 是可供选择的方案。

    参考文献 (41)
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