秸稈覆蓋對(duì)溝灌水鹽遷移與玉米水分利用效率的影響

范雷雷 史海濱 李瑞平 苗慶豐 王思楠 裴文武

(1.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； 2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局， 巴彥淖爾 015000)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，加快傳統(tǒng)資源消耗型農(nóng)業(yè)向技術(shù)效益型轉(zhuǎn)化、實(shí)現(xiàn)資源高效利用已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的主要問題[1]。近年來(lái)，河套灌區(qū)總引水量逐年減少，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾日益突出[2]，如何緩解灌區(qū)用水矛盾、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入成為目前重要問題之一[3-6]。灌區(qū)農(nóng)民節(jié)水意識(shí)較差，常年采用“大水漫灌”的灌水方式，在浪費(fèi)水資源的同時(shí)還造成地下水位上升、土壤鹽漬化加劇[7]。溝灌是一種常見的地面灌溉方式，與微灌、噴灌等壓力灌溉相比，具有設(shè)施簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、經(jīng)濟(jì)成本較低等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，并且溝灌灌水后不會(huì)破壞作物根系附近的土壤結(jié)構(gòu)，能夠保持根部土壤疏松，增加土壤通氣性，同時(shí)可抑制土壤表面板結(jié)、減少深層滲漏、防止地下水位升高和上壤養(yǎng)分淋失等[10-12]。在多雨季節(jié)，還可利用灌水溝匯集地表徑流，減少株間土壤蒸發(fā)，增加土壤墑情[13-14]。

地膜覆蓋作為一種成熟的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)，在灌區(qū)得到廣泛應(yīng)用[15]。傳統(tǒng)溝灌種植模式的覆膜過程相對(duì)復(fù)雜，且常規(guī)地膜極易破損，破碎地膜與秸稈殘?jiān)然旌显谕寥乐胁灰追纸?，土壤中殘膜含量逐年增多，農(nóng)田水土環(huán)境不斷惡化，直接影響土壤水肥利用效率及作物產(chǎn)量[16-19]。因此探尋一種新的溝灌地表覆蓋技術(shù)對(duì)于改善灌區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋作為一種常見的保護(hù)性耕作措施，能顯著降低無(wú)效水分蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱分布，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[20-23]。并且，翌年秸稈還田后可增加土壤腐殖質(zhì)、增強(qiáng)土壤肥力，是作物秸稈高效利用的主要方式之一[24]。本研究于2019年進(jìn)行壟背秸稈覆蓋、常規(guī)覆膜及裸地不覆蓋的溝灌灌水試驗(yàn)，對(duì)比分析不同秸稈覆蓋量下玉米生育期前后溝斷面土壤水鹽分布、作物產(chǎn)量以及水分利用效率的變化情況，采用主成分分析法對(duì)溝灌秸稈覆蓋下土壤保墑抑鹽效果、作物產(chǎn)量以及水分利用效率等因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提出灌區(qū)適宜溝灌種植模式下的秸稈覆蓋量，以期改善灌區(qū)土壤水土環(huán)境、減少地膜殘留帶來(lái)的白色污染。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在河套灌區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水示范區(qū)內(nèi)進(jìn)行，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，晝夜溫差大，熱量豐富，光照充足，無(wú)霜期短，四季分明。該地區(qū)年平均降水量?jī)H188 mm，年平均蒸發(fā)量卻高達(dá)2 032～3 179 mm，普遍為降水量的10～30倍。示范區(qū)土壤主要以粉砂壤土為主，平均容重為1.51 g/cm3，屬輕中度鹽漬化地區(qū)。

地下水埋深是造成土壤積鹽的主要因素[25]，河套灌區(qū)由于排水系統(tǒng)不完善，多余的農(nóng)田灌溉水不能及時(shí)排出，導(dǎo)致地下水位長(zhǎng)期處于較高水平，受蒸發(fā)蒸騰作用影響，地表始終聚集大量鹽分，造成土壤鹽漬化[26]。鹽分的長(zhǎng)期聚集會(huì)嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量，因此掌握作物生育期內(nèi)地下水埋深變化規(guī)律對(duì)于分析根系土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化及指導(dǎo)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉具有重要現(xiàn)實(shí)意義。圖1為試驗(yàn)區(qū)2019年監(jiān)測(cè)所得降雨和地下水位數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)玉米播種至收獲期的整個(gè)作物生育期內(nèi)累計(jì)降雨量為108 mm，平均地下水位為1.51 m。3月末由于土壤消融，地下水水位上升，而到5月初(玉米播種期)，此時(shí)可能由于地下水上升帶來(lái)的返鹽影響，玉米出苗受到抑制。進(jìn)入灌溉季節(jié)后，受到灌溉水及降雨補(bǔ)給作用影響，地下水水位會(huì)急劇上升，而后隨著每次灌水前后灌溉水的補(bǔ)給，地下水埋深呈動(dòng)態(tài)變化。隨著灌溉季節(jié)的結(jié)束，受土壤蒸發(fā)、作物耗水等影響，地下水水位呈下降趨勢(shì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)溝灌裸地不覆蓋對(duì)照(CK)、常規(guī)覆膜(DM)以及壟背秸稈覆蓋(秸稈覆蓋量分別為0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2，記為P0.3、P0.6、P0.9、P1.2)共6種處理，3個(gè)重復(fù)，共計(jì)18條灌水溝，溝長(zhǎng)均為50 m，每個(gè)處理之間由田埂隔開。種植作物為玉米(鈞凱918)，全生育期130 d左右，玉米4月27日播種，采用一壟兩行種植方式，行距和株距分別為40、28 cm，人工種植深度2.5 cm。玉米播種時(shí)施底肥(磷酸二銨和尿素按照4∶1混合)450 kg/hm2，第1次灌水時(shí)追加尿素450 kg/hm2，其他灌水輪次均不施肥，9月24日收獲。作物生育期共灌水4次，每次灌水定額45 mm，其他田間管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)做法進(jìn)行。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1土壤含水率及含鹽量

每隔10 d分別在溝首、中、尾位置處采用干燥法測(cè)定壟背及溝底0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土壤含水率，灌水及降雨前后加測(cè)，土壤儲(chǔ)水量計(jì)算式為[27]

(1)

式中W——土壤儲(chǔ)水量，mm

γi——第i層土壤容重，g/cm3

di——第i層土層厚度，cm

θi——第i層土壤質(zhì)量含水率，%

采用DDS-308A型電導(dǎo)率儀測(cè)定各土層土壤電導(dǎo)率EC，取樣點(diǎn)位置同含水率測(cè)定位置，3次重復(fù)，并以EC表征各土層土壤含鹽量[28]，計(jì)算式為

Q=3.471EC+0.015

(2)

式中Q——土壤全鹽含量，g/kg

EC——土壤1∶5浸提液25℃時(shí)電導(dǎo)率，mS/cm

1.3.2玉米產(chǎn)量及水分利用效率

玉米收獲時(shí)每個(gè)處理連續(xù)取20株玉米測(cè)定產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量、行粒數(shù)等指標(biāo)(105℃殺青2 h，而后在80℃條件下干燥至質(zhì)量恒定)。作物水分利用效率是表征作物對(duì)水分利用程度的重要指標(biāo)，采用水量平衡法計(jì)算作物生育期耗水量及水分利用效率，計(jì)算式為

ET=ΔW+P+I+U-D-R

(3)

WUE=Ya/ET

(4)

式中ET——作物實(shí)際耗水量，mm

WUE——水分利用效率，kg/(mm·hm2)

Ya——作物產(chǎn)量，kg/hm2

ΔW——生育期前后土壤儲(chǔ)水量變化量，mm

P——生育期降雨量，mm

I——灌溉定額，mm

U——地下水補(bǔ)給量，mm，通過達(dá)西公式計(jì)算[29]

D——深層滲漏量，mm，由于該溝灌試驗(yàn)灌水定額較小，灌溉水主要儲(chǔ)存在計(jì)劃濕潤(rùn)層中，未產(chǎn)生深層滲漏，故D忽略不計(jì)

R——地表徑流量，mm，各處理小區(qū)尾部閉口，且無(wú)持續(xù)性降雨，R可忽略不計(jì)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤儲(chǔ)水量時(shí)空分布

圖2為不同秸稈覆蓋下土壤儲(chǔ)水量空間分布情況，其中S為土層深度，Dh為溝斷面水平距離。從圖中可以看出，0～80 cm土壤中，各處理壟背和溝底土壤儲(chǔ)水量分布規(guī)律基本一致，均隨土層深度的增加逐漸增多。玉米苗期需水強(qiáng)度弱且土壤蒸發(fā)較小，此時(shí)覆膜處理DM和秸稈覆蓋處理(P1.2、P0.9、P0.6)土壤儲(chǔ)水量均高于對(duì)照處理CK，其中P1.2和DM處理土壤儲(chǔ)水量最大，較CK分別提高8.33%、7.39%，這是由于覆膜和秸稈覆蓋減少了土壤與大氣之間的水分交互通道，降低土壤無(wú)效水蒸發(fā)，水分散失減少，為玉米生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境；P0.3處理由于秸稈覆蓋量較少，不能覆蓋整個(gè)地表，蓄水保墑性能較CK變化不顯著(P>0.05)。拔節(jié)期受作物耗水及土壤蒸發(fā)影響， DM、P1.2、P0.9、P0.6、P0.3、CK處理表層0～20 cm土壤儲(chǔ)水量較苗期均有所下降，分別降低6.51%、2.21%、6.63%、9.69%、16.51%、16.71%，P1.2處理較CK保墑效果最佳，這是由于秸稈覆蓋減小了地表土壤與大氣的接觸面積，土壤蒸發(fā)減少，并且秸稈覆蓋量越大，保墑效果越好。受灌溉及降雨影響，示范區(qū)地下水水位上升，在地下水補(bǔ)給作用下各處理深層(20～80 cm)土壤含水率較苗期均有所增加。抽雄期是玉米生長(zhǎng)的第1個(gè)需水高峰期，受降雨及灌水影響，各處理0～80 cm土壤儲(chǔ)水量較拔節(jié)期均有一定程度增加， P1.2、P0.9、P0.6、P0.3、CK處理土壤儲(chǔ)水量分別為300.05、296.32、284.25、286.03、288.92 mm，且P1.2和P0.9土壤儲(chǔ)水量較CK增加顯著，分別提高3.85%和2.56%，而P0.6、P0.3處理土壤儲(chǔ)水量較CK差異不顯著，原因是由于P0.6、P0.3及CK處理表層含鹽量較高，降低了土壤表層的水吸力，土壤持水能力得到增強(qiáng)，儲(chǔ)水量變化不顯著?？紤]到覆膜增溫效應(yīng)促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，增加了玉米的蒸騰耗水，使得DM處理土壤儲(chǔ)水量最少，僅為271.74 mm，較CK減少5.95%。灌漿期是玉米生長(zhǎng)的主要需水高峰期，此時(shí)土壤蒸發(fā)及作物耗水劇烈，各處理0～80 cm土壤儲(chǔ)水量均有所降低， P1.2、P0.9、P0.6、P0.3處理由于秸稈覆蓋降低了土壤蒸發(fā)，土壤儲(chǔ)水量較CK分別增加3.18%、4.80%、3.10%和2.94%，此時(shí)DM處理由于覆膜增溫效應(yīng)增加了作物蒸騰耗水，0～80 cm土壤儲(chǔ)水量仍為最少。玉米成熟期，各處理0～80 cm土壤儲(chǔ)水量均有一定程度下降，由于此時(shí)玉米需水強(qiáng)度較弱，且受到植株遮陰作用降低土壤蒸發(fā)，并且土壤經(jīng)過生育期灌溉及蒸發(fā)反復(fù)的干濕交替使得土壤容重發(fā)生變化，垂直方向土壤水分運(yùn)動(dòng)較前期減弱，各處理土壤儲(chǔ)水量差異不顯著。但由于秸稈的吸水蓄水性能優(yōu)于土壤，使得秸稈覆蓋處理土壤儲(chǔ)水量略高于CK處理。整體來(lái)看， P1.2、P0.9處理的保墑效果最佳(P<0.05)，較CK分別增加9.42、8.36 mm。

2.2 不同秸稈覆蓋量對(duì)土壤鹽分遷移的影響

2.2.1土壤含鹽量時(shí)空分布

圖3為不同秸稈覆蓋量情況下土壤鹽分空間分布情況，由圖可知，壟背土壤含鹽量均高于溝底。玉米苗期，各處理壟背及溝底表層土壤均發(fā)生積鹽現(xiàn)象，但由于覆膜和秸稈覆蓋后降低土壤無(wú)效水蒸發(fā)，各處理0～80 cm土壤含鹽量均低于CK處理，并且玉米苗期土壤蒸發(fā)及作物耗水強(qiáng)度較弱，各處理土壤含鹽量增幅無(wú)顯著差異(P>0.05)，此時(shí)覆膜和秸稈覆蓋均為幼苗的生長(zhǎng)提供了較為適宜的土壤環(huán)境。玉米拔節(jié)期，在土壤蒸發(fā)及玉米根系吸水作用下，深層土壤鹽分隨水分向表層運(yùn)移，表層0～10 cm土壤中， DM、P1.2、P0.9、P0.6、P0.3、CK處理土壤含鹽量均值分別為1.39、1.90、1.84、2.57、2.98、3.37 g/kg，覆膜和秸稈覆蓋處理表層土壤鹽分均低于CK處理，且P1.2和DM處理土壤鹽分較播種增加幅度最小，僅有33.04%和16.98%，這是由于覆膜和秸稈覆蓋后減少了土壤水分的垂向蒸發(fā)運(yùn)移通道，土壤保墑效果增強(qiáng)，減少了鹽分向表層土壤的聚集，且隨著秸稈覆蓋量的增加，保墑抑鹽效果越好。隨著生育期的延長(zhǎng)，至玉米抽雄期，受灌溉影響，溝底0～60 cm呈脫鹽狀態(tài)，深層60～80 cm土壤呈積鹽狀態(tài)，壟背0～10 cm土壤呈積鹽狀態(tài)，10～60 cm土壤呈脫鹽狀態(tài)，60～80 cm土壤呈積鹽狀態(tài)，其中CK處理壟背表層0～10 cm土壤鹽分顯著高于其他處理，且P1.2和P0.9處理表層土壤含鹽量最低，分別僅有1.24、1.22 g/kg，這是由于秸稈覆蓋減少了壟背土壤蒸發(fā)，土壤保墑能力增強(qiáng)，抑制了鹽分向表層土壤運(yùn)移。玉米灌漿期，受連續(xù)降雨影響(7月20—23日累計(jì)降雨量為26.8 mm)，DM、P1.2、P0.9、P0.6、P0.3、CK處理壟背0～10 cm土壤含鹽量分別為1.18、1.06、1.56、1.70、1.60、1.48 g/kg，較抽雄期分別減少34.16%、14.33%、27.48%、36.97%、32.18%、60.48%，P1.2和P0.9處理由于秸稈覆蓋后減少了地表與大氣的接觸面積，表層土壤鹽分受降雨淋洗幅度較小。此時(shí)作物耗水及土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，深層土壤鹽分隨水分向根系層運(yùn)移，各處理40～80 cm土壤鹽分顯著增加，且由于覆膜增溫及秸稈覆蓋保墑效應(yīng)促進(jìn)DM和P1.2及P0.9處理玉米生長(zhǎng)，作物蒸騰耗水加劇，受根系吸水及地下水補(bǔ)給影響，鹽隨水走，40～80 cm鹽分累積量顯著高于其他3個(gè)處理。作物進(jìn)入成熟期之后，受土壤蒸發(fā)及蒸騰耗水影響，各處理土壤含鹽量均有所增加，但由于此時(shí)作物耗水強(qiáng)度較弱，各土層土壤含鹽量變化規(guī)律與拔節(jié)期基本一致，但較前期增幅減小。

研究發(fā)現(xiàn)，壟背表層0～10 cm土壤在玉米整個(gè)生育期內(nèi)發(fā)生積鹽現(xiàn)象，秸稈覆蓋量越多受降雨淋洗影響越弱，10～40 cm土壤鹽分受到灌溉水的淋洗及土壤蒸發(fā)蒸騰影響，每次灌水前后呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。溝底土壤由于受到降雨蒸發(fā)及灌水影響，各處理土壤含鹽量呈動(dòng)態(tài)變化，灌溉期間溝底表層0～20 cm土壤呈脫鹽狀態(tài)，蒸發(fā)階段表層土壤呈積鹽狀態(tài)。由于示范區(qū)地下水埋深較淺，始終有地下水對(duì)深層土壤進(jìn)行一定的補(bǔ)給，鹽隨水走，深層40～80 cm土壤鹽分始終處于較高水平。

2.2.2生育期前后土壤鹽分變化

各處理壟背和溝底生育期前后各土層土壤含鹽量變化如圖4所示，從圖4a可以發(fā)現(xiàn)，溝灌加劇了鹽分的聚集，各處理壟背土壤含鹽量均高于初始值，且以表層0～10 cm土壤含鹽量增幅最大，達(dá)到55.28%～242.64%，這是由于溝壟表層0～10 cm土壤始終沒有灌溉水的淋洗，僅溝斷面水位之下土壤鹽分才能受到灌溉水的淋洗，表層土壤水分僅能通過土壤毛細(xì)作用進(jìn)行補(bǔ)給，而鹽隨水走，表層鹽分產(chǎn)生聚集，后續(xù)受到蒸發(fā)及蒸騰作用影響，進(jìn)一步加劇了表層土壤鹽分的累積。生育末期DM、P1.2、P0.9、P0.6、P0.3、CK處理的土壤含鹽量均值分別為1.61、1.45、1.58、1.73、1.74、3.04 g/kg，較初始土壤含鹽量分別增加 27.22%、14.10%、24.74%、36.36%、37.42%、139.25%，覆膜和秸稈覆蓋能有效抑制溝壟鹽分聚集，且P1.2和P0.9處理抑鹽效果最佳，一定程度上促進(jìn)了玉米產(chǎn)量的形成。

從圖4b可以看出，灌溉期間溝底土壤在灌溉水及降雨共同淋洗作用下，各處理表層0～20 cm土壤呈脫鹽狀態(tài)，20～80 cm土壤呈積鹽狀態(tài)，但由于灌水定額較小，淋洗效果不佳，鹽分始終儲(chǔ)存在根系層。隨著灌溉期結(jié)束，受土壤蒸發(fā)及作物蒸騰耗水影響，土壤鹽分向表層聚集，此時(shí)土壤經(jīng)過反復(fù)的干濕交替使得垂直方向土壤水分運(yùn)動(dòng)較前期減弱， DM、P0.3、P0.6、P0.9、P1.2、CK處理表層0～20 cm土壤含鹽量較初始增幅較小，僅有10.70%～26.61%，深層20～80 cm土壤在根系吸水及地下水補(bǔ)給作用下，土壤呈積鹽狀態(tài)，較初始分別增加19.05%、10.15%、21.33%、40.39%、44.67%、104.17%。

2.3 產(chǎn)量及水分利用效率分析

由于溝壟不同秸稈覆蓋量下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律存在較大差距，使得不同處理玉米產(chǎn)量及其水分利用效率也各不相同，如表1所示。由表可知，覆膜和秸稈覆蓋后能提高玉米出苗率，其中P0.9處理出苗率最大，P1.2處理由于秸稈覆蓋量過大，造成播種期土壤升溫較慢，一定程度上抑制了種子的發(fā)芽，使得玉米出苗率略有下降。對(duì)比分析各處理產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)可知，除P0.3處理外，覆膜和秸稈覆蓋處理玉米軸長(zhǎng)、籽粒質(zhì)量、行粒數(shù)及百粒質(zhì)量指標(biāo)均高于CK處理，其中P0.6和P0.3處理產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)較CK變化不顯著。分析各處理玉米產(chǎn)量及水分利用效率可知，DM、P1.2、P0.9、P0.6處理玉米產(chǎn)量和水分利用效率均高于CK處理，較CK分別提高11.32%、9.03%、20.01%、5.48%和15.29%、12.33%、25.46%、8.21%，這是由于覆膜和秸稈覆蓋減小了地表土壤與空氣接觸面積，減少蒸發(fā)、增加土壤墑情，從而有效抑制土壤鹽分的聚集，減輕水分和鹽分脅迫對(duì)作物的影響，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率， P0.3處理由于秸稈覆蓋量較少，保墑抑鹽效果較差，使得產(chǎn)量和水分利用效率較CK處理差異不顯著(P>0.05)。比較覆膜和秸稈覆蓋各處理產(chǎn)量和水分利用效率可知，盡管P0.6處理產(chǎn)量和水分利用效率較CK明顯提高，但由于其保溫保墑抑鹽效果低于DM處理，使得產(chǎn)量和水分利用效率較DM分別降低5.24%和6.14%，P0.9處理由于保墑抑鹽效果最好，玉米產(chǎn)量和水分利用效率均高于DM處理；當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到1.2 kg/m2時(shí)，過量秸稈覆蓋會(huì)造成播期土壤溫度偏低，降低玉米出苗，使得P1.2處理玉米產(chǎn)量和水分利用效率較DM處理略有減少，但差異不顯著(P>0.05)。

表1 不同處理玉米產(chǎn)量及其水分利用效率Tab.1 Changes in maize yield and water use efficiency under different treatments

2.4 溝灌秸稈覆蓋對(duì)農(nóng)田水土環(huán)境及產(chǎn)量等因素的綜合影響

為了全面、系統(tǒng)分析溝灌秸稈覆蓋對(duì)土壤保墑抑鹽效果、玉米出苗、產(chǎn)量以及水分利用效率等因素影響，以各個(gè)處理作物生育期儲(chǔ)水量W、生育期前后鹽分累積量ΔS(鹽分抑制作物生長(zhǎng)，故ΔS均為負(fù)值)、出苗率E、葉面積指數(shù)LAI、產(chǎn)量Ya、水分利用效率WUE共6種指標(biāo)作為變量，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行主成分分析，按照特征值大于1提取3個(gè)主成分，其中主成分1、2、3特征值分別為3.453、1.310和1.176，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到98.99%，說明這3個(gè)主成分可以代表各個(gè)處理6個(gè)指標(biāo)98.99%的信息，具有較好的代表性，各個(gè)主成分因子荷載矩陣如表2所示。

表2 主成分因子荷載矩陣Tab.2 Principal component factor load matrix

從表2可以看出，E、Ya以及WUE對(duì)主成分1的貢獻(xiàn)率較大，儲(chǔ)水量W對(duì)主成分2的貢獻(xiàn)率較大，LAI對(duì)主成分3的貢獻(xiàn)率較大，為消除原始數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級(jí)的影響，采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用因子荷載矩陣數(shù)據(jù)計(jì)算得到3個(gè)主成分中各個(gè)指標(biāo)的系數(shù)，即3個(gè)特征向量，將特征向量與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)相乘即得到這3個(gè)主成分的函數(shù)表達(dá)式F1、F2和F3，計(jì)算式為

F1=-0.029 1W+3.928ΔS+5.333E+0.181 9LAI+
0.504 2Ya+0.512 3WUE

(5)

F2=0.866 7W+0.414 1ΔS-0.005 2E-
0.251 6LAI-0.083 6Ya-0.077 8WUE

(6)

F3=-0.025 8W+0.427 9ΔS-0.081 1E+
0.801 3LAI-0.308 0Ya-0.269 3WUE

(7)

每個(gè)處理的綜合評(píng)價(jià)模型F計(jì)算式為

(8)

簡(jiǎn)化為

F=0.581 4F1+0.220 6F2+0.198 0F3

(9)

各處理主成分分析綜合得分及排名見表3，從表中可以看出，對(duì)照處理CK綜合評(píng)價(jià)最差，P0.9和P1.2處理綜合評(píng)價(jià)較好，這說明溝灌0.9～1.2 kg/m2的秸稈覆蓋量在改善農(nóng)田水土環(huán)境、保墑抑鹽的同時(shí)能有效提高玉米產(chǎn)量及水分利用效率，故建議采用0.9～1.2 kg/m2的壟背秸稈覆蓋量代替常規(guī)覆膜，以減少地膜殘留帶來(lái)的環(huán)境影響。

表3 各處理主成分分析綜合得分及排名Tab.3 Comprehensive score and ranking of principal components analysis of each process

3 討論

文獻(xiàn)[24,30]就河套灌區(qū)典型鹽漬化土壤條件下的畦灌秸稈覆蓋進(jìn)行研究，初步得出0.6～0.9 kg/m2的覆蓋量對(duì)于抑制土壤水鹽聚集、保證作物增產(chǎn)增收具有重要意義，這與本研究得出的適宜秸稈覆蓋量(0.9～1.2 kg/m2)存在一定差異，這可能是由于本文采用開溝起壟的灌溉種植方式，起壟后土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，壟背表層土壤鹽分產(chǎn)生聚集，易產(chǎn)生鹽分脅迫，并且本試驗(yàn)灌水定額偏小，鹽分淋洗效果不佳，對(duì)此需適當(dāng)調(diào)高秸稈覆蓋量，減少土壤蒸發(fā)，提高土壤保墑抑鹽能力，避免因鹽分脅迫減產(chǎn)。為進(jìn)一步完善分析結(jié)果，下一步需設(shè)計(jì)更大秸稈覆蓋量，例如增加P1.5處理(秸稈覆蓋量為1.5 kg/m2)，考慮過量秸稈覆蓋條件下土壤水鹽熱運(yùn)移及作物產(chǎn)量變化情況，增加結(jié)果的準(zhǔn)確性。

分析秸稈及地膜覆蓋對(duì)土壤水分分布影響發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能抑制土壤蒸發(fā)，降低玉米拔節(jié)前耗水量，保障拔節(jié)后作物對(duì)水分的需求，進(jìn)而促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量和水分利用效率。抽雄灌漿期由于覆膜增溫效應(yīng)使得作物植株高大、耗水強(qiáng)烈，此時(shí)DM處理土壤儲(chǔ)水量最小，這與李輝等[31]研究成果一致，因此建議在溝灌玉米生長(zhǎng)中后期適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，避免因水分脅迫造成作物減產(chǎn)。

溝灌可以提高灌溉水利用效率與作物產(chǎn)量，但非充分灌溉會(huì)造成表層0～10 cm土壤鹽分的聚集[32]。倪東寧等[1]就常規(guī)畦灌與溝灌對(duì)比發(fā)現(xiàn)，玉米生育末期溝灌條件下土壤呈脫鹽狀態(tài)，王增麗等[33]指出，當(dāng)灌水定額在400～500 m3/hm2時(shí)，壟頂、溝底土壤表層均易發(fā)生積鹽現(xiàn)象, 中層發(fā)生脫鹽現(xiàn)象，這與本文研究結(jié)果略有不同，原因是由于本試驗(yàn)灌水定額較小，不僅沒有起到淋洗作用還通過溝內(nèi)側(cè)滲使得一部分鹽分向壟上聚集，土壤鹽分始終沒有排出根系層，同時(shí)由于示范區(qū)地下水位較高，受土壤蒸發(fā)及作物根系吸水影響使得深層土壤水分向表層運(yùn)移，鹽隨水走，造成農(nóng)田鹽分聚集，且以土壤表層0～20 cm積鹽效應(yīng)最為劇烈，這與文獻(xiàn)[34-36]研究結(jié)果類似，建議應(yīng)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行秋澆洗鹽，為翌年作物生長(zhǎng)提供良好土壤環(huán)境。生育末期覆膜處理和秸稈覆蓋處理的壟背土壤含鹽量均低于CK處理，且CK處理生育末期根系層土壤鹽分較初始增幅最大，P0.9和P1.2處理土壤鹽分較初始增幅最少，這表明秸稈覆蓋能有效抑制壟背地表蒸發(fā)，起到蓄水保墑的目的，從而減少鹽分向表層聚集，避免因鹽分脅迫造成減產(chǎn)，這與李芙榮等[37]研究結(jié)果一致。

需要注意的是，干旱區(qū)農(nóng)田秸稈覆蓋受水分、養(yǎng)分、溫度等多種因素影響，特殊情況下甚至?xí)档妥魑锂a(chǎn)量[38]，陳素英等[39]發(fā)現(xiàn)在黃土高原涼冷地區(qū)過量的秸稈覆蓋在保墑的同時(shí)會(huì)降低土壤溫度，抑制種子及幼苗發(fā)育，進(jìn)而影響產(chǎn)量。梁建財(cái)?shù)萚40]在河套灌區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋會(huì)增加玉米出苗率，增產(chǎn)效果顯著，但秸稈覆蓋會(huì)阻斷土壤對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收，較未覆蓋降低了土壤溫度，因此建議秸稈覆蓋下春玉米播種期適當(dāng)延后，這與本文研究結(jié)果一致。本文僅就溝灌土壤水鹽進(jìn)行了研究，溝壟秸稈覆蓋下土壤溫度與土壤水鹽之間的關(guān)系尚不明確，需在后續(xù)補(bǔ)充研究。

常規(guī)開溝起壟覆膜會(huì)造成農(nóng)田白色污染加劇，并且長(zhǎng)期地膜覆蓋會(huì)過度消耗土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分，造成作物減產(chǎn)[41]。本文對(duì)比分析不同秸稈覆蓋量對(duì)產(chǎn)量影響發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋后能明顯提高籽粒產(chǎn)量，秸稈覆蓋量較小時(shí)由于其保墑抑鹽效果較差，易產(chǎn)生水分和鹽分脅迫，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量較覆膜處理略有減少，這與楊長(zhǎng)剛等[42]研究結(jié)果一致。盡管覆膜處理具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但成本較高、回收困難及地膜殘膜等生態(tài)問題突出，使其經(jīng)濟(jì)效益降低，而秸稈覆蓋改善了農(nóng)田水土環(huán)境，增加土壤肥力，同時(shí)規(guī)避了秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境問題，其生態(tài)效益遠(yuǎn)高于地膜覆蓋。綜合考慮秸稈覆蓋對(duì)土壤保墑抑鹽效果、玉米出苗、產(chǎn)量以及水分利用效率等因素影響，建議溝灌適宜秸稈覆蓋量為0.9～1.2 kg/m2，此時(shí)土壤保墑抑鹽效果最好，不僅能滿足玉米優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)目的，也能在一定程度上減少地膜殘留帶來(lái)的白色污染，對(duì)于改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本文僅在輕中度鹽漬化土壤上進(jìn)行了1年試驗(yàn)研究，對(duì)于河套灌區(qū)典型中重度土壤溝壟秸稈覆蓋量對(duì)其土壤水鹽熱變化及產(chǎn)量形成仍需進(jìn)一步補(bǔ)充。

4 結(jié)論

(1)玉米苗期，覆膜和秸稈覆蓋處理均能減少土壤蒸發(fā)、降低土壤無(wú)效耗水，進(jìn)而保證玉米拔節(jié)后對(duì)水分的需求，避免因產(chǎn)生水分脅迫而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。抽雄灌漿期，覆膜增溫效應(yīng)促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)發(fā)育，增加了玉米的蒸騰耗水，DM處理土壤儲(chǔ)水量最少。玉米成熟期，各處理0～80 cm土壤儲(chǔ)水量均有一定程度下降，此時(shí)玉米需水強(qiáng)度較小，植株遮陰作用降低了土壤蒸發(fā)，并且經(jīng)過生育期灌溉及蒸發(fā)反復(fù)的干濕交替使土壤容重發(fā)生變化，垂直方向土壤水分運(yùn)動(dòng)較前期減弱。整體來(lái)看，覆膜和秸稈覆蓋均能提高土壤墑情，且P1.2、P0.9處理蓄水保墑效果較好(P<0.05)。

(2)覆膜和秸稈覆蓋處理能有效抑制壟背地表蒸發(fā)、減少鹽分向表層土壤運(yùn)移。由于灌水定額較小，淋洗效果不明顯，鹽分始終未排出根系層，并且受土壤蒸發(fā)及地下水補(bǔ)給作用，各土層土壤呈積鹽狀態(tài)；CK處理生育末期根系層土壤含鹽量較初始含鹽量增加139.25%，增幅最大，覆膜和秸稈覆蓋處理均能有效抑制鹽分聚集，各處理0～80 cm土壤含鹽量均低于CK處理，且P1.2和P0.9處理土壤含鹽量較初始含鹽量增幅最小，僅有14.10%和24.74%，在一定程度上促進(jìn)了玉米產(chǎn)量的形成。

(3)DM、P1.2、P0.9、P0.6處理玉米產(chǎn)量和水分利用效率均高于CK處理，且以P0.9和DM處理產(chǎn)量和水分利用效率增幅最大，較CK分別提高20.01%、25.46%和11.32%、15.29%，而P0.3與CK處理之間差異不顯著(P>0.05)。過量秸稈覆蓋造成播期土壤溫度偏低，會(huì)影響玉米出苗，P1.2處理玉米產(chǎn)量和水分利用效率較DM處理略有降低，但差異不顯著(P>0.05)。

(4)采用主成分分析法對(duì)溝灌秸稈覆蓋下土壤保墑抑鹽效果、玉米出苗、產(chǎn)量以及水分利用效率等因素進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，建議采用0.9～1.2 kg/m2的壟背秸稈覆蓋量代替常規(guī)覆膜，以減小地膜殘留帶來(lái)的環(huán)境污染。