井渠輪灌下秸稈還田對(duì)土壤含鹽量與玉米產(chǎn)量的影響

鄂繼芳 楊樹青 婁 帥 劉 鵬 靳亞紅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

0 引言

水資源的合理開發(fā)與利用對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。河套灌區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，地下微咸水資源豐富，因政策性引黃水量銳減，合理開發(fā)利用地下微咸水資源已成為有效緩解灌區(qū)淡水資源供需矛盾的重要舉措之一[2]。但灌溉地下微咸水勢(shì)必會(huì)增加耕地含鹽量[3]，可溶性鹽在表層聚集，造成耕作層及主根區(qū)含鹽量顯著上升[4-5]，引起鹽分脅迫，影響作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致耕地鹽堿化的潛在風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，調(diào)和作物需水與土壤鹽分聚集間的關(guān)系，采取有效措施調(diào)控土壤水鹽分布成為安全利用地下微咸水的關(guān)鍵。

目前，針對(duì)微咸水安全利用已開展大量研究，其中咸淡水交替灌溉措施已被證實(shí)是一種有效的灌溉模式[6]。研究表明，咸淡水交替灌溉應(yīng)避免在玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)關(guān)鍵期(拔節(jié)期)灌溉微咸水[7]，馬文軍等[8]發(fā)現(xiàn)，微咸水灌溉雖導(dǎo)致作物減產(chǎn)10%左右，但淡水資源節(jié)約60%以上。另外，合理的耕作措施可有效改善土壤水鹽分布，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的水土微環(huán)境[9]。研究表明，深翻與秸稈還田的耕作措施有效降低土壤無效蒸發(fā)，打破犁底層，提高土壤蓄水能力和水分利用效率，改善土壤水鹽的時(shí)空分布[10-11]；微咸水灌溉結(jié)合一定地面覆蓋的措施能夠有效抑制微咸水灌溉后鹽分表聚，降低作物根層積鹽，減輕微咸水灌溉對(duì)作物后期生長(zhǎng)不良影響[12-13]，但增加了土壤深層的鹽分[14]。近年研究微咸水多側(cè)重灌水水質(zhì)、灌溉制度等對(duì)土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化及作物生長(zhǎng)效應(yīng)的研究[15]，且研究結(jié)果也存在一定的差異。以井渠水交替灌溉下不同秸稈還田方式的耕作模式為切入點(diǎn)，研究井渠輪灌對(duì)土壤鹽分分布及作物生長(zhǎng)效應(yīng)的影響鮮見報(bào)道。本研究基于井渠輪灌及不同秸稈還田方式，在河套灌區(qū)開展2年不同秸稈還田方式田間試驗(yàn)，探究在玉米生育期，井渠輪灌下不同耕作模式對(duì)土壤鹽分分布、鈉質(zhì)化趨勢(shì)、玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期為河套灌區(qū)地下微咸水資源安全利用和秸稈資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)九莊農(nóng)業(yè)示范基地(40°42′N、107°24′E，海拔1 040 m)，地處河套灌區(qū)中上游，地勢(shì)平坦，屬典型干旱半干旱大陸性氣候，年均降水量130 mm左右，年均蒸發(fā)量2 330 mm，夏玉米生育期多年平均地下水埋深在1.5 m以下。試驗(yàn)于2018年4月—2019年10月在示范區(qū)開展，試驗(yàn)用微咸水取自示范基地地下水，淡水源自引黃渠水。示范區(qū)耕地為偏中度鹽漬土壤，供試土壤類型按照土壤質(zhì)地三角圖劃分為粉砂壤土，平均容重1.482 g/cm3，平均田間持水率22.57%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比12.69 g/kg，全氮質(zhì)量比0.71 g/kg，全磷質(zhì)量比0.34 g/kg，速效磷質(zhì)量比9.35 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比214.92 mg/kg。2018年和2019年研究期試驗(yàn)區(qū)氣溫及降雨量變化如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)無秸稈還田的常規(guī)耕作(CK)、秸稈表覆旋耕(BF)、秸稈深埋深翻(SM)和秸稈混拌旋耕(HB)4種處理，3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)小區(qū)面積約90 m2，各小區(qū)間有2.5 m寬的保護(hù)帶，在小區(qū)四周種植2行保護(hù)行，并在小區(qū)四周用聚乙烯塑料薄膜隔開，薄膜埋深1.2 m，且頂部預(yù)留不少于30 cm，防止小區(qū)間水肥互竄，減少影響。供試的玉米品種為鈞凱918，機(jī)械覆膜播種(各處理采用普通白色地膜，膜厚0.01 mm，幅寬 80 cm)，株距0.35 m，行距0.45 m，5月初播種，9月底收獲。播種前淺耙整平，各處理采用統(tǒng)一施肥水平(當(dāng)?shù)厮?：氮肥為尿素，施氮量225 kg/hm2(以純N計(jì)算，施用時(shí)需換算成尿素質(zhì)量)；磷肥為磷酸二銨，施磷量150 kg/hm2(以P2O5計(jì))；鉀肥為氯化鉀，施鉀量45 kg/hm2(以K2O計(jì))。全部磷肥、鉀肥與50%氮肥在播種時(shí)作為基肥一次施入，剩余氮肥在第1次灌水前施入。試驗(yàn)用秸稈來源于當(dāng)?shù)赜衩资斋@后粉碎的秸稈(秸稈長(zhǎng)度不超過8 cm)，秸稈用量為1.5 kg/m2，厚5 cm，多余秸稈清理干凈。玉米生育期灌水3次，灌溉模式采用團(tuán)隊(duì)優(yōu)化的“渠井渠”輪灌模式(研究期井水和渠水的主要性質(zhì)如表1所示)，單次灌水量90 mm[16]。試驗(yàn)小區(qū)田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理進(jìn)行，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示，3種秸稈還田方式示意圖如圖2所示。

表1 灌溉水主要性質(zhì)Tab.1 Main properties of irrigation water

表2 試驗(yàn)處理Tab.2 Treatments of experiment

1.3 樣品采集與分析

1.3.1土壤電導(dǎo)率及含鹽量

在玉米播種前、一水到三水前、后及成熟期分層取土樣，分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共5層。每小區(qū)采用對(duì)角及中點(diǎn)取樣法，共5鉆土樣，用干燥法測(cè)量各層土壤質(zhì)量含水率；并取5鉆各土層混合形成測(cè)鹽土樣，自然風(fēng)干、研磨、過篩，配制土水質(zhì)量比為1∶5的土壤浸提液，采用上海雷磁有限公司生產(chǎn)的DDS-307型電導(dǎo)儀測(cè)定各土層浸提液電導(dǎo)率。

土壤含鹽量與土壤浸提液電導(dǎo)率EC1∶5(mS/cm)之間的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系為

Si=2.599EC1∶5,i+0.468 (R2=0.997)

(1)

式中Si——第i層土壤含鹽量，g/kg

鈉吸附比(Sodium adsorption ratio，SAR)是表征土壤堿化的重要指標(biāo)，計(jì)算式為

(2)

式中LNa+、LCa2+、LMg2+——Na+、Ca2+、Mg2+濃度，mmol/L

各離子含量測(cè)定方法：Ca2+和Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法；Na+采用陰陽(yáng)離子平衡法。

1.3.2考種測(cè)產(chǎn)及水分利用效率

玉米收獲后，對(duì)玉米進(jìn)行考種。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株玉米，測(cè)量穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)等指標(biāo)，對(duì)收獲的籽粒進(jìn)行稱量，隨機(jī)選取100粒，3個(gè)重復(fù)，各自稱量取平均值計(jì)算百粒質(zhì)量；玉米籽粒干燥后稱總質(zhì)量并計(jì)算單位面積產(chǎn)量。作物耗水量(Evaporation and transpiration，ET，mm)計(jì)算式為

ET=P+I+Wg-D-R-ΔW

(3)

式中P——生育期降雨量，mm

I——生育期玉米灌溉量，mm

Wg——生育期地下水補(bǔ)給量(采用定位通量法計(jì)算)，mm

D——滲漏水量，mm，該示范區(qū)研究期地下水位較高，滲漏水量遠(yuǎn)小于地下水補(bǔ)給量，D可忽略不計(jì)

R——地表徑流量，mm，該示范區(qū)屬于干旱地區(qū)，降雨或地面灌溉不能形成徑流，R可忽略不計(jì)

ΔW——研究期末與期初土壤儲(chǔ)水量的變化量，mm

土壤儲(chǔ)水量計(jì)算式為

(4)

式中W——土壤儲(chǔ)水量，mm

θi——第i層土壤質(zhì)量含水率，%

ρi——第i層土壤容重，g/cm3

hi——第i層土層厚度，cm

水分利用效率(Water use efficiency，WUE)計(jì)算式為

WUE=Y/ET

(5)

式中Y——玉米產(chǎn)量，kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)和制圖，應(yīng)用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，采用最小顯著差異法(Least significant difference method，LSD)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 井渠輪灌下秸稈還田方式對(duì)土壤含鹽量的影響

2年各處理不同灌水時(shí)期土壤平均含鹽量分布如圖3所示。播前不同耕作模式下各土層含鹽量差異不顯著，均隨土層深度加深而降低。播種后，天氣逐漸轉(zhuǎn)暖，土壤蒸發(fā)逐漸增強(qiáng)，不同程度返鹽。

在一水前各處理土壤含鹽量不同程度增加，增加幅度隨土層深度加深而減小，CK處理的各土層平均含鹽量較播前提高11.3%～31.7%，較其他3個(gè)處理顯著增大(P<0.05)，其中SM處理增幅最小，平均含鹽量提高3.1%～13.4%，且對(duì)40 cm以下土層影響較小。玉米生育期一水灌溉渠水，對(duì)各處理土壤鹽分具有淋洗的作用，將耕層鹽分淋洗到深層土壤，淡化了玉米根層。相比一水前土壤剖面平均含鹽量，一水后各處理土壤平均含鹽量大幅下降，隨土層深度加深降幅逐漸變緩，CK處理降幅最大，為4.7%～24.8%，BF和HB處理趨勢(shì)基本類似，說明灌溉或有效降雨主要淋洗上層土壤鹽分，對(duì)深層土壤影響不顯著；而SM處理與其他處理存在差異：在0～40 cm土層含鹽量降低8.5%～11.8%，而在40～60 cm土層平均含鹽量增加了2.1%，大于60 cm土層平均含鹽量?jī)H降低3.8%，這是因?yàn)楦鲗欲}分被淋洗時(shí)，秸稈隔層改變了水鹽運(yùn)移路徑，部分鹽分滯留在秸稈隔層附近，導(dǎo)致40～60 cm土層平均含鹽量有所增加，同時(shí)秸稈隔層增大蓄水量，相對(duì)減少了入滲水量，導(dǎo)致大于60 cm土層鹽分淋洗不徹底，含鹽量下降幅度較小。

二水前，土壤蒸發(fā)作用較強(qiáng)，除SM處理外，其他處理土壤含鹽量變化趨勢(shì)與一水前類似，但此時(shí)期土壤平均含鹽量較一水前提高5.1%～16.3%，CK處理提高幅度最大，BF處理在0～20 cm土層含鹽量增加僅3.7%，有效緩解大量鹽分表聚；HB處理也有緩解鹽分表聚趨勢(shì)，但效果不顯著；與一水前相比，SM處理在0～20 cm土層含鹽量較CK處理僅降低4.7%，差異不顯著(P>0.05)，但在20～40 cm土層SM處理含鹽量較一水前降低了5.1%，為作物根層創(chuàng)造了低鹽環(huán)境，淡化根層，有利于玉米生長(zhǎng)。玉米生育期的二水灌溉地下微咸水，二水后各處理土壤剖面含鹽量變化趨勢(shì)與一水后存在較大差異：相比二水前，CK處理在0～60 cm土層含鹽量增加1.2%～8.3%，在大于60 cm土層含鹽量降低，但較一水后降幅顯著減小(P<0.05)；秸稈還田的3個(gè)處理土壤剖面含鹽量均降低，降幅較小，在大于40 cm土層降幅減緩，說明微咸水中鹽分直接增加了土壤含鹽量，井水淋洗作用主要影響0～40 cm土層，在大于40 cm土層含鹽量降幅均小于4.2%，淋洗作用不顯著。三水前、后土壤平均含鹽量變化趨勢(shì)與一水前、后基本一致。

從玉米整個(gè)生育期看，各處理在60～100 cm土層平均含鹽量變化比較平穩(wěn)，而0～40 cm土壤平均含鹽量差異較大。除CK處理，其他3個(gè)處理的0～20 cm土層平均含鹽量在夏玉米生育期內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)峰值，分別在一水前、二水前和三水前，但二水前到二水后土層含鹽量降幅較??；CK處理僅出現(xiàn)2個(gè)峰值，在二水后含鹽量略增，增幅為2.4%，各生育期秸稈還田的0～20 cm土層含鹽量均較CK處理不同程度降低，說明秸稈還田可有效抑制鹽分表聚。除SM處理外，其他處理的20～40 cm土層平均含鹽量在生育期出現(xiàn)2次峰值，分別在一水前和三水前，三水前峰值較一水前提高19.2%；SM處理的20～40 cm土層平均含鹽量在整個(gè)生育期未出現(xiàn)峰值，卻在一水后和三水后出現(xiàn)低谷，較播前的該土層平均含鹽量下降10.8%以上，其他時(shí)期含鹽量變化較平穩(wěn)，說明秸稈隔層可在20～40 cm土層形成低鹽土層，有效淡化根層。除CK處理外，其他處理的40～60 cm土層在灌溉后土壤含鹽量均下降，下降幅度差異不顯著(P>0.05)；CK處理在一水和三水后，40～60 cm土層平均含鹽量均迅速下降，但二水灌溉微咸水后該土層含鹽量增加，增幅平均為4.2%。

2.2 井渠輪灌下秸稈還田方式對(duì)土壤積鹽率的影響

為進(jìn)一步探究研究期灌溉井水對(duì)不同秸稈還田方式下土壤含鹽量的影響，采用玉米收獲后與播前各土層含鹽量的變化來定量分析各土層積鹽情況(表3)。由表3可知，各處理在0～20 cm土層均積鹽，CK處理積鹽率最大，2年平均積鹽率為21.4%，秸稈還田的3個(gè)處理顯著降低(P<0.05)表層積鹽率，其中BF積鹽率最小，2年平均為8.7%，說明相比傳統(tǒng)耕作，秸稈還田有效地調(diào)控表層鹽分布，抑制鹽分表聚，BF處理效果較好。除SM處理，其他處理在20～40 cm土層均積鹽，CK處理積鹽率最高，2年平均為16.2%；BF和HB處理平均積鹽率為8.5%和8.8%，二者差異不顯著(P>0.05)；SM處理有脫鹽趨勢(shì)，2年脫鹽率平均為6.8%。在40～100 cm土層各處理均積鹽，積鹽率隨土層加深逐漸減小，CK處理積鹽率最高，SM處理積鹽率最小。2年各處理的1 m土體在研究期均積鹽，其中CK處理平均積鹽率最高，為15.6%，BF、SM和HB處理平均積鹽率較CK處理下降8.7、12.4、6.9個(gè)百分點(diǎn)，分別為6.9%、3.2%和8.7%，顯著低于CK處理的積鹽率(P<0.05)。說明井渠輪灌下秸稈還田耕作模式可調(diào)控土體鹽分分布，有效降低玉米生育期1 m土體的積鹽率，其中秸稈深埋SM處理的效果較好，能夠保持夏玉米生育期1 m內(nèi)土體的鹽分平衡，有利于作物生長(zhǎng)。

2.3 井渠交替灌溉下秸稈還田方式對(duì)玉米收獲后土壤鈉質(zhì)化的影響

鈉吸附比(SAR)表征土壤鈉質(zhì)化的程度，土壤中Na+含量過高會(huì)減少黏粒含量，分散團(tuán)聚體，降低土壤水滲透性[17]。玉米收獲后土壤剖面浸提液鈉吸附比與初始值(播前)的變化情況如圖4(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))所示。各處理的SAR均隨土層深度加深呈降低趨勢(shì)，且各個(gè)秸稈還田處理較CK處理顯著降低SAR(P<0.05)。研究期，HB和BF處理在0～60 cm土層的SAR差異不顯著(P>0.05)，且二者在0～40 cm土層SAR超過初始值10.0%～26.4%，有鈉質(zhì)化趨勢(shì)，土壤堿化風(fēng)險(xiǎn)較大；在大于40 cm土層二者SAR較初始值小，土壤不會(huì)出現(xiàn)鈉質(zhì)化，土壤堿化風(fēng)險(xiǎn)?。籗M處理各土層SAR均不超過初始值，較初始值平均下降了0.4%～73.0%，說明井渠輪灌下秸稈深埋處理的土壤在玉米生育期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)鈉質(zhì)化趨勢(shì)，土壤堿化風(fēng)險(xiǎn)較小。CK處理的土壤SAR平均值超過初始值10.2%～53.3%，尤其表層土壤超過初始值53.3%，鈉質(zhì)化程度最大，土層堿化風(fēng)險(xiǎn)很大。從年際間分析，2019年各處理土壤的SAR較2018年提高0.2%～11.9%，CK處理增幅最大，SM處理增幅最小，可能是因?yàn)?019年降雨較小導(dǎo)致的，這也說明了井渠輪灌模式下，秸稈還田可有效減緩?fù)寥棱c質(zhì)化趨勢(shì)，降低土壤堿化風(fēng)險(xiǎn)，SM處理效果較好。

表3 2年不同處理的土壤含鹽量變化Tab.3 Changes in soil salinity content under different treatments in two years

2.4 井渠輪灌下秸稈還田方式對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.4.1玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、水分利用效率的響應(yīng)

井渠輪溉下不同秸稈還田方式對(duì)玉米產(chǎn)量的構(gòu)成因素產(chǎn)生不同程度影響，進(jìn)而影響各處理的玉米產(chǎn)量(表4)。2年SM處理穗長(zhǎng)和穗粗最大，較其他處理平均提高6.1%～19.3%(P<0.05)；BF和HB處理的穗長(zhǎng)和穗粗差異不顯著(P>0.05)，但較CK處理平均提高4.0%～8.3%。2年SM處理的禿尖長(zhǎng)較其他處理顯著短(P<0.05)，BF和HB處理禿尖長(zhǎng)差異不顯著(P>0.05)，分別較CK處理降低54.1%、38.6%和39.1%；2年各處理單株地上干物質(zhì)量間差異不顯著(P>0.05)。2018年BF、HB和CK處理的百粒質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)，而2019年僅BF和HB處理的百粒質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)，且較CK處理分別提高9.5%和11.3%(P<0.05)；2年均以SM處理的百粒質(zhì)量最大，較其他處理提高9.9%～25.2%(P<0.05)。2年各處理以SM處理產(chǎn)量最高，BF和HB處理的產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05)，三者分別較CK處理增產(chǎn)19.8%、11.2%和11.6%(P<0.05)。說明相比傳統(tǒng)耕作，秸稈還田耕作模式可顯著提高玉米產(chǎn)量。

表4 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及水分利用效率的影響Tab.4 Effects of different treatments on yield constitute factors and WUE of summer maize

年際間玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素存在不同程度的差異。除2019年各處理禿尖長(zhǎng)較2018年增加3.4%～11.8%(CK處理增幅最大)外，各處理的其他產(chǎn)量構(gòu)成因素較2018年降低2.9%～8.8%，其中CK減產(chǎn)最多，達(dá)到8.1%(P<0.05)。SM處理僅減產(chǎn)4.8%(P>0.05)?？梢?，井渠輪灌下少雨年份(2019年)因受耕層水鹽的雙重脅迫，導(dǎo)致夏玉米禿尖變長(zhǎng)，降低其他性狀，但結(jié)合秸稈還田，可緩解因水鹽脅迫對(duì)夏玉米造成的不利影響，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的目的，以秸稈深埋SM處理效果較好。

2年BF和HB處理的水分利用效率(WUE)差異不顯著(P>0.05)，但較CK處理平均提高18.4%和21.2%(P<0.05)；SM處理的WUE最高，較CK提高36.1%(P<0.05)。2019年(少雨年份)各秸稈還田處理的WUE較2018年提高了9.7%～19.3%，而CK處理僅提高4.8%(P>0.05)。說明井渠輪灌下秸稈還田在少雨年份可有效提高WUE，秸稈深埋還田方式效果較好。

2.4.2玉米主要性狀與產(chǎn)量的相關(guān)性

采用SPSS及通徑分析法進(jìn)行玉米主要性狀因子間的相關(guān)性分析(表5)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量與穗長(zhǎng)、穗粗和百粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與禿尖長(zhǎng)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與單株地上干物質(zhì)量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。除單株地上干物質(zhì)量，其余性狀因子間也呈不同程度的顯著相關(guān)性，說明玉米主要性狀因子間也相互影響，且間接對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生不同的影響。

表5 玉米產(chǎn)量與主要性狀因子的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between yield and main trait factors of summer maize

為進(jìn)一步明晰主要性狀因子對(duì)玉米產(chǎn)量的直接或間接影響，采用通徑分析方法對(duì)其進(jìn)行分析[18]。玉米主要性狀因子作為自變量，分別定義：穗長(zhǎng)為X1、穗粗為X2、禿尖長(zhǎng)為X3、單株地上干物質(zhì)量為X4、百粒質(zhì)量為X5；玉米產(chǎn)量Y作為因變量。經(jīng)正態(tài)性檢驗(yàn)，因變量(產(chǎn)量Y)服從正態(tài)分布，可進(jìn)行回歸分析。通徑分析結(jié)果見表6，通過決策系數(shù)可得到玉米主要性狀因子對(duì)產(chǎn)量影響的綜合排序由大到小依次為：穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量、穗粗、單株地上干物質(zhì)量、禿尖長(zhǎng)。其中，穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量、穗粗對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)起顯著促進(jìn)作用，穗長(zhǎng)X1為主要決策因子，因?yàn)樗腴L(zhǎng)直接決定作用最大(0.809)，且通過穗粗X2(0.265)和百粒質(zhì)量X5(0.332)協(xié)助穗長(zhǎng)X1增加夏玉米產(chǎn)量，起積極的促進(jìn)作用，受單株地上干物質(zhì)量X4的限制較小(-0.002)，對(duì)玉米產(chǎn)量影響較??；受禿尖長(zhǎng)X3限制較大(-0.190)，對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)起顯著抑制作用，為產(chǎn)量限制因子，直接作用較大，通過其他因子影響產(chǎn)量的間接作用均為負(fù)。因此，欲在井渠輪灌結(jié)合秸稈還田方式下提高玉米產(chǎn)量，須提高穗長(zhǎng)X1，限制禿尖長(zhǎng)X3，基本保障百粒質(zhì)量X5和穗粗X2，單株地上干物質(zhì)量X4可不必過多考慮。

表6 玉米產(chǎn)量與主要性狀因子的通徑分析Tab.6 Path analysis between yield and main trait factors of summer maize

3 討論

鹽分脅迫影響作物正常生長(zhǎng)，是鹽漬化灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙[19]。微咸水灌溉有效緩解淡水資源短缺的壓力，但增加了土壤鹽分含量，影響作物生長(zhǎng)和耕地質(zhì)量。因此，采取適宜的措施調(diào)控土壤鹽分分布成為微咸水安全利用的關(guān)鍵。微咸水灌溉結(jié)合適宜的地面覆蓋可有效降低作物主根層積鹽程度，抑制深層土壤返鹽[12-13]，這與本研究結(jié)果類似。本研究發(fā)現(xiàn)，井渠輪灌與秸稈還田結(jié)合顯著降低表層(0～20 cm)積鹽，收獲后BF處理效果較佳，較CK處理平均下降10.6%；SM處理顯著減緩深層土壤返鹽，在根層區(qū)20～40 cm土層形成脫鹽區(qū)，而其他處理均積鹽。這是因?yàn)榻斩捵陨砭哂写笥谕寥赖目紫堵剩沟肧M處理秸稈隔層吸持周圍土壤水分，降低了附近土壤的含水率[20]，進(jìn)而促進(jìn)地下水上移，但秸稈隔層在土壤中形成的毛細(xì)管障礙層破壞了土壤結(jié)構(gòu)的連續(xù)性[21]，導(dǎo)致上部土層沒有水分的持續(xù)供給，從而有效抑制地下水上升而引起土壤返鹽，在20～40 cm土層形成脫鹽區(qū)，2年平均脫鹽率為6.9%，但由于上部土層持續(xù)蒸發(fā)導(dǎo)致大量鹽分在0～20 cm土層聚集，2年平均積鹽率為11.3%，因此SM處理可抑制深層土壤返鹽，但不能抑制表層土壤蒸發(fā)而導(dǎo)致積鹽。秸稈表覆(BF)處理減少耕作層蒸發(fā)有限，在強(qiáng)蒸發(fā)作用下，地下水仍會(huì)上升而引起表層土壤積鹽，2年平均積鹽率為8.7%，但積鹽程度較CK處理下降12.7%；HB處理的秸稈混合層并未與土壤完全充斥，不會(huì)切斷土體間的聯(lián)系，與BF處理類似，仍會(huì)引起地下水上升而土壤返鹽，但積鹽程度較CK顯著減小，下降了11.2%。

二水灌溉微咸水后，CK處理的0～60 cm土層含鹽量增加1.2%～8.3%，這與朱成立等[22]研究結(jié)果類似，但與秸稈還田措施結(jié)合的各處理在0～60 cm土層含鹽量較CK處理顯著降低。一方面因?yàn)榻斩捵陨砭哂胸S富的微孔隙，且灌溉微咸水，二者共同作用，提高了土壤入滲性能，促進(jìn)鹽分淋洗；另一方面，秸稈還田形成的秸稈-土壤結(jié)構(gòu)可有效抑制土壤蒸發(fā)，減少土壤返鹽，進(jìn)一步緩解了耕作層積鹽，SM處理灌溉井水，未顯著增加玉米根層土壤含鹽量，效果較優(yōu)。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理的0～100 cm土體在收獲后仍積鹽，但河套灌區(qū)每年大水秋澆，此時(shí)將耕作層大部分鹽分淋洗到土壤深層，秋澆后SM處理的秸稈隔層可有效阻礙鹽分因潛水蒸發(fā)上移至耕作層，從而在播種前減少耕作層含鹽量；另外，作物生育期主要調(diào)控一次灌溉井水帶入的鹽分，因井水礦化度為2.0～2.5 g/L，屬于微咸水，且井水中的礦物質(zhì)在一定程度可以刺激作物生長(zhǎng)，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的鹽分脅迫；第三，2年收獲期土壤平均積鹽率分別為8.7%、6.9%和3.2%，均較CK處理(積鹽率為16.2%)顯著降低積鹽率，緩解了試驗(yàn)土體的積鹽，特別是SM處理可在20～40 cm土層形成脫鹽層，淡化根層，這對(duì)作物生長(zhǎng)非常有利。因此，通過秋澆淋鹽、井水灌溉和秸稈阻鹽的方式調(diào)控試驗(yàn)土體鹽分分布，保障了土壤鹽分平衡。

鈉吸附比(SAR)是表征土壤鹽堿化重要指標(biāo)，是限制灌區(qū)地下微咸水資源利用的主要因子[17]。灌溉微咸水主要影響土壤的交換性鈉含量和溶解性鹽，SAR隨著土壤中Na+含量增多而增大，逐漸引起土壤團(tuán)粒的破壞和膠體的分散，而鈣鎂離子含量的增加有利于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和膠體的形成[23-24]。試驗(yàn)結(jié)果表明，收獲后CK處理SAR超過初始值，尤其表層2年平均超過初始值53.3%，土壤鈉質(zhì)化風(fēng)險(xiǎn)很大。相比傳統(tǒng)耕作模式，秸稈還田可顯著降低SAR，有效緩解井渠輪灌下土壤堿化程度，降低土壤堿化風(fēng)險(xiǎn)。一方面因?yàn)橛衩捉斩捵陨砀缓}鎂等元素[25]，本試驗(yàn)將粉碎的秸稈提前還田，經(jīng)過近半年的時(shí)間降解，在一定程度上增加了土壤中的Ca2+、Mg2+等離子含量，促進(jìn)土壤形成大量的水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度[2,26]，有利于置換并淋洗土壤中的Na+，降低Na+對(duì)耕作層的不利影響，緩解耕地鈉質(zhì)化；另外，灌溉的井水中也含有少量的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子(表1)，灌溉井水改變了耕作層陽(yáng)離子分布，也能夠置換出一部分Na+，降低了SAR。在各處理中，以秸稈深埋SM處理效果較好，玉米收獲后能夠?qū)崿F(xiàn)土壤水鹽平衡[27]，有效緩解土壤鈉質(zhì)化。

耕作層含鹽量與作物產(chǎn)量密切相關(guān)，灌漿期是玉米籽粒形成的關(guān)鍵期，需適宜的水土環(huán)境及充足的養(yǎng)分[28]，且籽粒形成期對(duì)外界的影響高度敏感，耕作層鹽分脅迫影響成粒率而導(dǎo)致減產(chǎn)[29]。本研究在灌漿期灌溉渠水，淋洗耕作層鹽分，降低耕作層含鹽量，緩解了二水(微咸水)的鹽分脅迫，有利于玉米籽粒的形成。但三水后CK處理耕作層含鹽量仍比較高，鹽分脅迫強(qiáng)烈，影響光合同化物的生產(chǎn)與運(yùn)輸，造成籽粒營(yíng)養(yǎng)不足及減產(chǎn)，而秸稈還田各處理有效降低耕作層含鹽量，緩解鹽分脅迫，SM處理效果較好。SM處理的秸稈隔層抑制深層土壤返鹽，在20～40 cm的主根區(qū)形成脫鹽區(qū)，顯著提高深層根系密度[30]，增強(qiáng)深層根提水作用，充分利用深層土壤水分[31]，促進(jìn)玉米后期生長(zhǎng)，較CK處理平均增產(chǎn)19.8%，水分利用效率平均提高36.1%。此外，在玉米灌漿期，CK處理的肥效基本耗盡，影響玉米灌漿期的生殖生長(zhǎng)及籽粒的質(zhì)量，而秸稈富含碳氮等營(yíng)養(yǎng)元素、微空隙多及比表面積大[25]，還田后可吸持更多水分和養(yǎng)分，在玉米生育中后期逐漸釋放，供其生長(zhǎng)所需，一定程度上可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與耕層養(yǎng)分的平衡。通過玉米產(chǎn)量與5個(gè)主要性狀因子間的通徑分析發(fā)現(xiàn)，百粒質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量的直接正效應(yīng)最大，而禿尖長(zhǎng)通過百粒質(zhì)量間接對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)最強(qiáng)。因此，在井渠輪溉及秸稈還田下，應(yīng)采取積極的措施保證百粒質(zhì)量、穗長(zhǎng)和穗粗，并減小禿尖長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)咸淡水資源優(yōu)化配置及提高玉米產(chǎn)量的雙重目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究揭示了井渠輪灌下不同秸稈還田方式對(duì)土壤鹽分時(shí)空分布、土壤鈉質(zhì)化、玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響規(guī)律。與傳統(tǒng)耕作模式相比，秸稈深埋還田(SM處理)有效緩解鹽分表聚，抑制深層土壤返鹽，降低土壤鈉質(zhì)化風(fēng)險(xiǎn)，有效調(diào)控耕作層鹽分時(shí)空分布，在20～40 cm土層形成脫鹽區(qū)，淡化根層，為玉米根系生長(zhǎng)構(gòu)建低鹽微環(huán)境，增產(chǎn)19.8%，水分利用效率提高36.1%，達(dá)到提高水分利用效率及增產(chǎn)的目的。因此，井渠輪灌下秸稈深埋還田可為河套灌區(qū)緩解淡水資源短缺與合理安全利用微咸地下水提供參考，但仍需進(jìn)一步開展長(zhǎng)期的定位試驗(yàn)，更好地從土壤結(jié)構(gòu)及水力學(xué)特性改變、補(bǔ)充土壤鈣鎂碳氮等營(yíng)養(yǎng)元素等方面揭示河套灌區(qū)井渠輪灌與秸稈還田間內(nèi)部的依存關(guān)系與機(jī)理。