濱海鹽堿地覆膜和灌溉對玉米鹽分離子分布及生物量的影響

葉瀾濤，周青云，李松敏，馬 波，王 航，尹林萍

(1. 天津農學院水利工程學院，天津 300384；2. 中美生態農業與水環境保護國際聯合研究中心, 天津 300384；3. 天津市農業水利工程技術工程中心，天津 300384)

土壤鹽堿化已經成為當今世界最嚴重的危害之一[1]，我國鹽堿地占全球鹽漬土總面積的10.4%，我國鹽漬土面積約占耕地面積的10.3%，大多分布在北方干旱半干旱地區及濱海平原地帶。研究表明，鹽堿脅迫是限制農作物生長發育及產量的主要環境因素之一[2]。

鹽脅迫主要引起植物滲透脅迫、離子毒害和礦質營養缺乏，在受到鹽脅迫時植物對K+、Ca2+等離子的吸收受到影響，細胞內的離子平衡被打破，代謝發生紊亂，嚴重影響植物的生長發育[3]。因此，許多學者在不同鹽脅迫水平下，研究了糧食作物和耐鹽作物鹽離子的含量及分布特征，探究作物減輕鹽堿脅迫的機理，尋找適合鹽堿地生長的作物[3-6]，并研究了鹽分脅迫下植物生長及生理代謝反應[2-5]。還有很多學者研究了不同栽培方式對鹽堿地的治理作用，研究表明，覆膜農藝措施結合滴灌節水技術，依據鹽漬土水鹽運動“鹽隨水來，鹽隨水去”的特點，控制土壤水分蒸發可以減輕鹽分表聚，達到鹽堿地改良的目的，能為作物提供一個良好的生長環境，可以增加作物產量，同時提高水分利用效率，以期尋找更適合鹽堿土的灌溉和栽培方式[7-12]。

天津作為濱海大城市，水資源極度短缺，同時鹽堿土問題較為嚴重，鹽堿土的治理及水資源的有效利用成為重點研究問題。玉米是我國最重要的糧食作物之一，天津濱海區玉米產量面臨著土壤鹽漬化的嚴重威脅。在不同的覆蓋及灌溉等措施下，植物體內鹽分離子質量分布及對作物生長的影響研究較少。本文研究覆膜滴灌條件下玉米鹽分離子分布特征以及其對干物質累積和產量的影響，為鹽堿地玉米豐產增收提供數據支撐，并對鹽堿土的有效治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于天津市津南區葛沽鎮，試驗區面積為465 m2(50 m×9.3 m)，地處東經117°14′32″～117°33′10″，北緯38°50′02″～39°04′32″。該區土壤大體分為潮土和黑砂土，土壤表層約1 m深為黃色，其下為黑色砂土，還有一部分是蚌螺貝殼土，質屬鹽堿，pH值為8.4，土層平均鹽分含量為4.5 g·kg-1，其土壤鹽分主要來自海水，地下水埋深較淺，排水不暢，因此，該區土壤屬于濱海重度鹽漬化土。土壤鹽分陽離子成分本底值及土壤質地見表1。

該區位于華北地區渤海沿岸，屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，春季干旱少雨多風，氣溫回升快，蒸發量大，常有春旱發生；夏季受大陸低壓和太平洋熱帶高壓影響，盛行東南風，高溫高濕，炎熱多雨，降水高度集中；秋季短促，氣溫下降快，降水少，晝夜溫差較大；冬季漫長，受西伯利亞、蒙古高壓控制，盛行西北風，氣候干冷，雨雪稀少。年平均日照時數2 659 h，年平均相對濕度64%，年平均風速3.0 m·s-1，年平均降水量556.4 mm，年平均降水日67.7 d，多集中在6—7月，年平均氣溫11.9℃，極端年最高氣溫39.9℃，極端年最低氣溫-22.0℃，最熱月(7月)平均氣溫為25.9℃，最冷月(1月)平均氣溫為-4.4℃，年平均無霜降206 d，平均積雪日數12.3 d，區內土地一般從11月20日前后開始凍結，翌年3月20日前后解凍，平均結凍期為120 d，最大凍土深度可達62 cm。

1.2 試驗設計

田間試驗供試作物為玉米(鄭單958)，2017年4月22日播種，8月14日收獲，全生育期115 d;2018年播種時間為5月14日，收獲時間為8月22日，全生育期101 d。鹽分離子分布特征研究引用2018年數據，干物質及產量研究引用2017、2018年2 a數據。株距均為25 cm，行距均為60 cm。農田灌水方式為滴灌，滴灌采用一行一管設置，滴灌帶間距60 cm，管徑1.6 cm，滴頭間距30 cm，工作壓力0.1 MPa，滴頭流量1.38 L·h-1，農田灌溉水源為地下水。試驗設置2種栽培方式(覆蓋方式)，其中F表示覆膜處理，L表示露地處理；設置2種灌水量處理，分別以I10、I20表示，其中I10各生育期灌水定額為0～20 mm，I20各全育期灌水定額為20～40 mm，2017、2018年玉米全生育期內灌水時間與灌水定額見表2，試驗布置見圖1。2017、2018年玉米全生育期內降雨量及其分布見圖2。

1.3 觀測指標與測定方法

1.3.1 春玉米干物質及產量測定 采集玉米根、莖、葉樣品的時間為苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期。取樣時每個處理選取6株長勢均勻的玉米植株，帶回實驗室將根、莖、葉分開，置烘箱105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，植物樣品烘干后立即用電子秤稱量。

春玉米成熟收獲后，各試驗小區隨機選取2 m2的試驗田，收獲玉米果實并從4個處理中分別選取5株代表性的玉米植株進行考種，考種指標包括穗長、禿尖長、穗粗、穗行數、行粒數、穗粒重、穗軸重、百粒重。測產采取小區單打單收方法測定。

表1 陽離子成分本底值及土壤物理特性

圖1 試驗區布置Fig.1 Layout of the experimental site

表2 玉米各生育期灌水定額

1.3.2 玉米樣品采集與鹽分陽離子濃度測定 將植物樣品稱重后，用粉碎機粉碎后過50目篩，保存于密封袋內，注意將空氣完全擠壓出去。待測液采用硝酸-高氯酸消解的方法制備。準確稱取樣品粉末0.5 g，置250 ml錐形瓶中，加入8 ml硝酸-高氯酸混合液(3∶1)，搖勻，靜置6 h，然后放置在電熱板上加熱消解，保持微沸，持續加熱至消解液呈無色透明，冷卻后加入去離子水配制的0.5%稀硝酸5 ml，轉入25 ml量瓶中，用去離子水洗滌錐形瓶，洗液合并于量瓶中，定容至量瓶刻度，作為供試樣品溶液。Na+、K+、Ca2+、Mg2+濃度采用火焰原子吸收分光光度法測定(AA-6300C)。

1.3.3 數據分析 試驗數據采用Microsoft Excel 2010系統軟件進行處理，采用SPSS 23.0軟件進行統計分析，用LSD法進行多重比較。

1.3.4 模型驗證 在模型校正與驗證結果的評價中所用的誤差統計指標有：平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和決定系數(R2)、模型效率(E)。其中R2和E用于評價模型的預測能力，MAE、RMSE用于顯示模型預測中的誤差。本研究中，利用式(1)～(3)指標來評價模型性能。當模型效率(E)和決定系數(R2)越接近1、MAE和RMSE越接近0時，表示模型性能越好。

(1)

(2)

(3)

2 結果與分析

2.1 鹽分離子在植株葉、莖、根的分布特征

2.1.1 鈉離子 從各器官鈉離子分布情況來看(圖3)，玉米根部Na+質量高于葉部、莖部。表明根系對于Na+的截留能力較強，從而減少了其對葉片代謝的干擾，即植株根系吸收鹽分后，大部分貯藏在根部，不向或較少向葉部運輸，以減少鹽分對葉片的傷害。覆膜和灌溉對玉米根部的Na+質量積累影響顯著，成熟期FI20處理比LI10小56%，各個處理差異具有統計學意義。

圖2 玉米全生育期降雨量及其分布Fig.2 Rainfall and distribution during the whole growth period of maize

注:不同字母表示處理間在P<0.05水平下具有顯著差異，下同。Note: Different letters among different treatments indicate significant differences at the level of P<0.05. The same below.圖3 不同處理玉米葉、莖、根鈉離子的分布Fig.3 Distribution of Na+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

灌水定額相同情況下，抽穗期以前，覆膜和露地處理根部Na+差異較大，兩個覆蓋處理間差異具有統計學意義；成熟期，覆膜對玉米根部Na+吸收影響較大，覆膜使得土壤水分蒸發較少，植株體內鹽分質量較小，明顯減弱了玉米Na+吸收質量，有利于作物的生長，覆膜和露地處理差異顯著。

覆蓋條件相同情況下，成熟期灌水量大的處理，灌水對土壤進行了充分的淋洗，植株體鹽分質量較小，根部的Na+的積累較少，不同灌水量處理差異顯著。

2.1.2 鉀離子 從各器官鉀離子分布情況來看(圖4)，玉米K+吸收積累的主要植株部位為莖部，葉部和根部相對較少。覆膜和灌溉對玉米K+吸收積累影響較大。覆膜與灌溉的交互作用使得莖部K+的積累質量增大，成熟期FI20處理比LI10大24%，不同處理差異顯著。

在拔節期(播種后41 d)后莖部K+的吸收速度開始變大，在抽穗期(播種后69 d)莖部K+最大。灌漿期和成熟期，植株葉子不斷老化掉落，4個處理K+質量均有所減小。

灌水定額為10 mm，抽穗期以前，覆膜和露地處理莖部K+質量差異較大，兩個覆蓋處理間差異具有統計學意義；成熟期露地處理水分蒸發較大，莖部K+質量增加并大于覆膜處理，露地處理通過提高K+濃度來提高植物的耐鹽性，覆膜和露地處理差異不顯著。灌水定額為20 mm，覆膜處理莖部K+質量顯著大于露地處理。覆膜處理與露地處理差異性顯著，覆膜增大了莖部的K+質量，有利于作物的生長。

覆膜條件下，灌水量大的處理莖部K+的積累質量較大，不同灌水量處理間差異顯著；露地條件下，抽穗期后，灌水量小的處理莖部K+的積累質量較大，不同灌水量處理間差異不顯著。

2.1.3 鈣離子 從各器官Ca2+分布情況來看(圖5)，玉米葉部Ca2+質量高于莖部、根部。灌溉和覆膜的交互作用極顯著地影響葉部Ca2+質量，苗期FI20處理比LI10高96%。

灌水定額為10 mm，覆膜和露地處理葉部Ca2+質量差異顯著。灌水定額為20 mm，覆膜處理葉部Ca2+質量大于露地處理，灌溉水量較大時，覆膜影響葉部的Ca2+質量，利于作物的生長。

覆膜條件下，抽穗期以前，灌水量大的處理葉部的Ca2+積累質量較大，成熟期，灌水量小的處理葉部的Ca2+積累質量較大，以改善玉米體內的離子平衡，減輕鹽脅迫作用，不同灌水量處理差異顯著。

圖4 不同處理玉米葉、莖、根鉀離子的分布Fig.4 Distribution of K+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

2.1.4 鎂離子 從各器官Mg2+分布情況來看(圖6)，苗期和拔節期，玉米葉部Mg2+質量顯著高于莖部、根部。灌溉和覆膜的交互作用極顯著增加葉部的Mg2+質量，拔節期FI20處理比LI10高136%。

灌水定額相同時，苗期和拔節期覆膜處理葉部Mg2+質量較大，兩個處理差異顯著。覆膜處理有助于增強植株葉片的光合作用，從而增強植株的耐鹽性，利于作物的生長。

覆膜條件下，苗期和拔節期灌水量大的處理葉部的Mg2+積累質量較大，不同灌水量處理差異顯著；成熟期，灌水量小的處理葉部的Mg2+積累質量較大，以改善玉米體內的離子平衡，減輕鹽脅迫作用，不同灌水量處理差異顯著。

圖5 不同處理玉米葉、莖、根中鈣離子分布Fig.5 Distribution of Ca+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

圖6 不同處理玉米葉、莖、根中鎂離子分布Fig.6 Distribution of Mg+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

2.2 不同處理對全生育期玉米干物質量的影響

2.2.1 玉米干物質量的變化規律 從苗期到成熟期，4種處理的生物量主要積累于地上部分，地下部分所占比例較小。

玉米地上部和根系干物質重均隨著生育期的推進而增加，如圖7，苗期各處理玉米地上部和根系干重相差不大，此時地上部和根系較小，生長緩慢。拔節期、抽穗期和灌漿期，覆膜和灌溉的交互作用改變了植物體內鹽分離子質量，從而影響地上部和根系的生長。成熟期覆膜條件下，灌水量小的FI10處理生物量大于灌水量大的FI20處理，覆膜和灌水的交互作用有助于作物獲得適當的生物量，覆膜且灌水量大的FI20處理植株的生物量比不覆膜灌水少的處理LI10高1%～46%。

2.2.2 不同處理對玉米植株根冠比的影響 由圖8可知，覆膜和灌水對玉米植株根冠比(R/S)有顯著影響。覆膜和灌溉改變了植物體內鹽分離子質量，使生物量分配比例改變。灌水定額相同情況下，覆膜處理玉米不同生育時期的R/S小于露地處理，露地處理土壤水分蒸發量大于覆膜處理，土壤的含鹽量較大，植株體內鹽分鈉離子質量增加，為適應植物體內外環境的改變，植株對生物量分配比例進行調節，同時通過根系的伸長生長來提高植物吸水能力，從而增大了植物的R/S。玉米生育期內，露地處理植株的R/S較大，R/S值為0.08～0.25，覆膜處理R/S較小，R/S值為0.07～0.21，成熟期根冠比(R/S)FI20處理比LI10小48%～52%。前人研究鹽分脅迫較大時R/S值為0.14～0.46[13]，本研究土壤鹽分脅迫較輕，R/S較小。

在覆膜條件下，玉米不同生育時期各處理的R/S隨灌溉量的增加表現出增加的趨勢，表明滴灌水淋洗土壤鹽分之后，灌水量不同，植株體內鹽分鈉離子質量不同，影響了玉米地上部和根系生長，使生物量分配比例改變。

FI20、LI20和FI10 3個處理不同時期R/S均為單峰型曲線，R/S最大值均出現在拔節期前，而在抽穗期R/S較小，表明在該時期膜下滴灌玉米由營養生長轉入到生殖生長，與前人研究結果一致[13]。受水量較少影響，處理LI10最大R/S出現在抽穗期，較其他3個處理延后轉入生殖生長，成熟期R/S達到第二個高峰值。

圖7 不同處理對玉米全生育期干物質量的影響Fig.7 Effects of different treatments on dry matter of maize in whole growth period

圖8 不同處理對玉米植株根冠比的影響Fig.8 Effects of different treatments on root/shoot ratio of maize in whole growth period

2.2.3 玉米干物質量模擬研究

(1)玉米干物質量模型的建立。根據玉米對照處理的干物質量數據，采用廣泛應用于作物生長模擬的Logistic曲線[14-16]建立了鹽堿地玉米干物質累積模擬曲線。以生育天數為自變量(t)，以干物質量為因變量(y)，建立玉米干物質累積模擬模型，所采用Logistic曲線方程為：

(4)

式中，y為因變量；t為自變量；K為增長極限，用來表征系統變化的頂值；a為截距系數，用來表征基礎狀態參數；b為增長率系數，用來表征系統狀態趨近頂級的速度。

模擬模型參數如下：K值為296，a值為0.865，b值為40.266，F檢驗為23.781，R2為0.888。

(2)玉米干物質量模型的修正。以上干物質量模擬模型中，并沒有體現鹽分對作物干物質累積的影響。由鹽分鈉離子質量分布特征的分析可知，作物體內的鹽分鈉離子對干物質累積影響較大，因此，使用2017年玉米鹽分離子數據引入鹽分離子修正系數。修正系數中，以鹽分Na+質量作為自變量(x)，方程形式為二次拋物線形式，方程中各個參數見表3，方程如下：

(5)

γNa+=Ax2+Bx+C

(6)

式中,γ為因變量，為鹽分Na+修正系數；x為自變量；A、B、C均為方程參數。

(3)玉米干物質量模型驗證。利用2018年玉米試驗數據對建立的玉米干物質量鹽離子模型進行了驗證，驗證結果見表4和圖9。模擬值與實測值之間采用預測誤差統計法達到良好擬合。4個處理干物質模擬值和實測值較接近，其均方根誤差(RMSE)在22.500～28.522之間，平均絕對誤差(MAE)在18.289～22.924之間，模型效率(E)在0.954～0.982之間，決定系數(R2)在0.899～0.927之間，表明模擬值較接近實測值，呈現較好的拉長S形曲線，符合Logistic曲線的變化規律。建立的干物質累積模型以及鹽分離子修正系數可以用來估算鹽堿地玉米干物質的累積過程。

2.2.4 玉米產量構成因素分析 玉米產量構成因素包括有效穗數、穗粒數和百粒重。由表5可見，灌水定額為10 mm時，2017年地膜覆蓋較露地種植產量顯著增加了1.4倍，穗粒數增加了71%，百粒重增加了41%；2018年地膜覆蓋較露地種植產量、穗粒數和百粒重增加較少。灌水定額為20 mm時，2017年地膜覆蓋較露地種植產量增加了6.7%，穗粒數增加了2.6%，百粒重增加了4.0%，增加幅度較小；2018年地膜覆蓋較露地種植產量增加了41%，穗粒數增加了40.9%，百粒重沒有顯著差異。

露地種植條件下，2017年灌水定額為20 mm比灌水定額為10 mm的產量顯著增加了1.2倍，穗粒數增加了63%，百粒重增加了34%；2018年灌水定額為20 mm與灌水定額為10 mm產量、穗粒數和百粒重沒有顯著差異。地膜覆蓋條件下，2017年灌水定額為20 mm比灌水定額為10 mm的產量增加3.4%，穗粒數增加了2.1%，百粒重增加了1.2%；2018年灌水定額為20 mm比灌水定額為10 mm的產量增加34.9%，穗粒數增加了28.1%，百粒重增加了5.4%。

圖9 玉米干物質量模型模擬驗證結果(2018年)Fig.9 Simulation results of maize dry matter model (2018)

表3 2017年玉米干物質模型修正參數

表4 2018年玉米干物質量模型修正預測誤差統計量

表5 不同處理玉米產量及產量構成因素

結果表明，在覆膜條件下，灌水量適量有助于產量的增加。4個處理之間，覆膜FI20的玉米產量構成因素與其他3個處理間的差異具有統計學意義。

3 討 論

Na+是鹽漬土中主要的陽離子，Na+在植物體內過量積累，影響作物對 K+、Ca2+等營養物質的吸收，破壞作物體內的礦質營養平衡，使這些離子質量不足或使陽離子之間的平衡被破壞。作物體內過量地積累Na+是鹽漬土地上作物受害、甚至無法生長的主要原因，因此降低作物體內的Na+質量，使之保持在一定范圍是作物正常生長的重要前提。覆蓋栽培措施，具有抑制返鹽和雜草生長的農田生態效應[17]。通過覆膜和灌溉的交互作用極顯著地降低了玉米根系中的Na+質量。

K+是一種重要的滲透調節離子，高濃度K+可以提高植物的耐鹽性。K+和Na+是兩個互為競爭性的元素，耐鹽作物往往通過選擇性吸收K+，提高K+/ Na+比來提高作物的抗鹽性。K+主要存在于植物的莖部。灌溉和覆膜的交互作用極顯著地增加了莖部的K+質量，K+質量增加有助于交換植物體內的Na+，減輕Na+對作物的離子傷害，有利于作物的生長。

Ca2+作為一種重要的信號傳導物質，在維持細胞穩定性方面有重要的作用。Ca2+主要存在于植物的葉部，Ca2+是構成細胞壁的成分之一，適量的Ca2+能夠促進作物幼根的生長和根毛的形成，對保持適當的細胞原生質膠體結構有很大的作用，過量的Ca2+，在植物體內積累會形成草酸鈣(CaC2O4)結晶而產生毒害作用。灌溉和覆膜的交互作用極顯著地影響了葉部的Ca2+質量，Ca2+在鹽脅迫下可保護細胞的膜結構，且不影響植株體內 K+的質量，可緩解鹽對于玉米的脅迫作用；甚至增加對K+的選擇性吸收和運輸，從而改善玉米體內的離子平衡。

Mg2+有利于增強植株葉片的光合作用，提高光能利用率，滿足植物生長的光能需要，灌溉和覆膜的交互作用極顯著地增加了葉部的Mg2+質量，從而增強植株的耐鹽性。

覆膜與灌溉對玉米干物質的積累過程影響顯著。玉米生育后期，露地和灌水量小的處理干物質累積速度較快，植物體內Na+質量較高，鹽脅迫抑制了玉米生長發育，生殖生長與營養生長不協調，在生育后期營養生長仍很旺盛，造成抽穗期以后干物質量積累總量增加較快，但經濟產量降低，與龔江等[18]的研究結果一致。鹽脅迫下植物能夠通過擴大生長量以平衡鹽脅迫對根系吸收功能的損傷[19]。

根冠比(R/S)是在環境因素作用下，經過植物體內許多基本變化過程及自我適應、自我調節，最終表現出的綜合指標，也是反映植物根系與地上部分生長協調的重要指標。鹽堿地種植玉米，覆蓋和灌溉措施可以減少植株體內Na+質量，植物處于輕度鹽脅迫，生物量分配比例的改變有助于植物適應環境，提高抗鹽性，覆蓋和灌溉措施能促進作物生長發育和豐產早熟[20-21]。

覆膜與適量灌溉玉米的有效穗數、穗粒數和百粒重均較不覆膜和灌水少的處理有較大增加。覆膜栽培方式可提高作物產量29.4%～112.4%[22]。

通過以上分析，鹽分脅迫影響作物生長，植物體鹽分離子質量顯著影響作物干物質量的積累過程，引入鹽分因子，建立干物質累積曲線，可更加準確地體現鹽分對植株生長的抑制作用。

本文僅用2 a的試驗數據進行了玉米干物質模型的建立和驗證，下一步還需加強試驗數據的采集積累，完善模型的參數研究和模型的適用性研究。

4 結 論

1)覆膜和灌溉對玉米鹽分離子質量的變化影響顯著；顯著減少了根部Na+吸收質量，成熟期FI20處理比LI10小56%，根系對于Na+的截留能力較強，從而減少了鹽分對葉片的傷害；玉米K+吸收的主要植株部位為莖部，顯著增大了K+的積累質量，成熟期FI20處理比LI10高24%，提高了植物的耐鹽性；玉米葉部Ca2+質量最高，顯著增加了Ca2+質量，苗期FI20處理比LI10高96%，促進了作物幼根的生長和根毛的形成，改善了玉米體內的離子平衡，減輕鹽脅迫作用；玉米葉部Mg2+質量最高，顯著增加了葉部Mg2+質量，拔節期FI20處理比LI10高136%，增強了植株葉片的光合作用，從而增強植株的耐鹽性。

2)玉米地上部和根系干物質重均隨著生育期的延長而增加，覆膜和灌溉改變了植物體內鹽分離子質量，對玉米生物量的積累影響較大，覆膜且灌水量大的FI20處理植株的生物量最大，成熟期FI20處理比LI10大1%～46%；對玉米根冠比(R/S)有顯著影響，使生物量分配比例顯著改變，FI20處理植株的根冠比較小，成熟期根冠比(R/S)FI20處理比LI10小48%～52%。

3)采用Logistic曲線建立2017年干物質生長模擬方程，引入了鹽分離子修正系數，擬合方程顯著。利用2018年玉米試驗數據對建立的玉米干物質鹽離子修正模型進行了驗證，各個處理的擬合曲線與其實測值都較接近，符合Logistic曲線的變化規律；建立的干物質生長模型能夠較好的模擬鹽堿地玉米干物質的累積過程。

4)對不同處理的玉米產量因素(玉米的有效穗數、穗粒數和百粒重)進行對比研究。覆膜且灌水量大的FI20處理植株的產量最大。

綜上，覆膜和灌水定額為20 mm的FI20處理對植株的鹽離子調節作用最顯著，提高了玉米的耐鹽性，改變了生物量的分配比例,獲得了適當的干物質累積量，產量最高。