不同厚度秸稈隔層對河套灌區鹽堿土壤溫度、水分和食葵產量的影響

王國麗，常芳弟，張宏媛，盧闖，宋佳珅，王婧，逄煥成，李玉義

不同厚度秸稈隔層對河套灌區鹽堿土壤溫度、水分和食葵產量的影響

王國麗，常芳弟，張宏媛，盧闖，宋佳珅，王婧，逄煥成，李玉義

中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081

【】研究不同厚度秸稈隔層對鹽堿地食葵農田土壤溫度、水分動態變化及產量的影響，為河套灌區篩選適宜鹽堿地食葵生長的合理厚度秸稈隔層措施提供依據。2015—2017年在內蒙古河套地區典型鹽堿農田設置了4個不同厚度的秸稈隔層，分別為CK（無秸稈隔層）、S3（厚度3 cm秸稈隔層）、S5（厚度5 cm秸稈隔層）和S7（厚度7 cm秸稈隔層），研究不同厚度秸稈隔層對食葵生育期土壤溫度、水分動態變化特征和食葵產量的影響。秸稈隔層處理（S3、S5和S7）顯著提高了食葵全生育期0—40 cm土層溫度，其中2015—2017年在食葵苗期分別較CK處理顯著增加了0.7、0.6、0.5℃（＜0.05），但其增溫幅度隨秸稈埋設時長的增加逐漸減小，花期秸稈隔層處理間差異顯著，其中S5、S7處理3年平均分別較CK處理提高了0.4、0.6℃（＜0.05）；40—50 cm土層的秸稈隔層處理在食葵苗期、蕾期表現出增溫趨勢，在生長后期表現出降溫趨勢。不同處理下向日葵全生育期土壤溫度整體上均隨土層加深而降低，且土壤溫度和大氣溫度間均具有極顯著的正相關關系，3年內2值的分布范圍為0.628—0.735，秸稈隔層處理增強了土壤溫度對大氣溫度的敏感程度，且土壤溫度對大氣溫度的響應隨秸稈埋設時長的增加而減弱。不同秸稈隔層處理與不同灌水時期間交互作用對土壤含水量有顯著影響（＜0.05），秸稈隔層處理能夠降低灌溉前、收獲后0—40 cm土層平均土壤含水量，其中S7處理降幅最大，3年平均分別較CK處理降低了7.9%、5.4%（＜0.05）；但在灌溉后S3、S5和S7處理平均土壤含水量3年分別較CK處理提高了2.3%、3.4%、3.6%（＜0.05）。秸稈隔層處理能夠促進食葵生長，增加食葵產量，提高灌溉水生產率和水分利用效率，其中以5、7 cm厚度秸稈隔層處理增幅最大，但兩處理間無顯著差異（＞0.05）。不同厚度秸稈隔層均能夠提高食葵生育期0—40 cm土層溫度，溫度增幅隨秸稈埋設時長的增加而減小，在花期各處理間差異較顯著，并且秸稈隔層處理能夠提高灌后0—40 cm土層平均土壤含水量，為食葵提供適宜的生長環境，綜合考慮3年土壤溫度、作物水分利用效率等，5 cm厚度秸稈隔層處理最適宜在內蒙古河套灌區推廣應用。

河套灌區；鹽堿地；食葵；秸稈隔層；土壤溫度；土壤含水量

0 引言

【研究意義】內蒙古河套灌區處于干旱和半干旱地區，降雨量少、蒸發量大，再加上不合理的灌排，造成大量鹽分表聚[1]，從而限制了作物生長，嚴重制約了當地農業的可持續發展。為解決這一問題，作者所在課題組前期提出了地膜覆蓋結合秸稈隔層（簡稱“上膜下秸”）的水鹽調控新技術，該技術能夠明顯優化土壤耕層鹽分分布，改善根區土壤環境條件[1-3]。溫度作為土壤環境主要影響因素之一[4]，能夠綜合表征土壤熱狀況，受太陽輻射、氣溫、土壤水分含量等多種因素調控，從而影響作物光合作用、水分代謝、根系生長發育以及土壤微生物活動等[5]。秸稈深埋形成的不同厚度秸稈隔層可改變土壤水分時空分布，進而影響土壤溫度變化；因此通過研究不同厚度秸稈隔層對鹽堿地土壤溫度的影響，可為河套灌區鹽堿地利用秸稈隔層創造作物生長良好的土壤環境提供科學依據。【前人研究進展】在黑龍江旱作土壤條件下，秸稈深埋（地下20 cm）具有明顯的增溫效果，且秸稈對土壤的保溫調控作用隨秸稈深埋量的增加逐漸增強[6]。在溫室膜下滴灌條件下，秸稈深埋能有效提高春夏茬番茄地土壤溫度和土壤含水量，降低秋冬茬番茄地土壤溫度，提高秋冬茬土壤含水量[7]。在北方干旱缺水地區，將適量的秸稈（6 000 kg·hm-2）翻埋至10—20 cm土層，能夠提高玉米全生育期0—80 cm土層土壤含水量，并且在氣溫較低時有明顯的增溫效應，在氣溫較高時可降低土壤溫度，減少水分蒸騰散失[8]。此外，當大量秸稈深施至20—30 cm時，由于秸稈的吸水過程，使得土壤在相對干旱的季節仍保持較高的水分[9]，若在秸稈深施初期配施氮肥，也能提高地溫，但提高的幅度與氣溫和降水有關[10]。【本研究切入點】目前秸稈深還技術在調蓄土壤含水量、提高土壤肥力、減弱土壤鹽分表聚等方面有較多研究[1,11-16]，但涉及鹽堿土壤不同厚度秸稈隔層下土壤溫度、水分多年變化及其產量響應研究較為缺乏。【擬解決的關鍵問題】本文以內蒙古河套灌區五原縣永聯基地田間微區試驗的觀測資料為基礎，通過3年田間微區試驗，研究不同厚度秸稈隔層對食葵生育期土壤溫度、水分變化和食葵產量的影響，分析不同土層深度、不同生育期的土壤溫度、土壤水分變化情況，以期在土壤水熱變化規律和食葵產量分析的基礎上，為西北干旱區利用鹽堿地秸稈隔層隔抑鹽技術開展農業生產實踐提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年7月至2017年9月在內蒙古河套灌區五原縣義長灌域管理局試驗站進行，該試驗地處于北緯41°04′，東經108°00′，海拔1 022 m，屬于中溫帶半干旱季風氣候，全年平均日照時數3 263 h，年均溫6.1℃，≥10℃的積溫3 362.5℃，無霜期117—136 d。年平均降水量173.5 mm，多集中在夏秋兩季，年平均蒸發量約為2 068 mm，約是降水量的11倍[14]。試驗地土壤質地為粉砂壤土，按鹽土分類為氯化物—硫酸鹽，平均容重為1.45—1.50 g·cm-3。試驗區0—40 cm土壤含鹽量為3.02 g·kg-1，pH 8.06，有機質8.35 g·kg-1，全氮0.51 g·kg-1，速效磷3.09 mg·kg-1，速效鉀118.93 mg·kg-1。2015—2017年試驗期間當地氣溫與降雨情況見圖1。

1.2 試驗設計

試驗在面積為3.24 m2（1.8 m×1.8 m）的田間微區進行。于2015年6月埋設秸稈，先用鐵鍬按 0—20 cm 和 20—40 cm 層次將土壤取出，然后把約 5 cm 長的玉米秸稈（葉稈混合）均勻鋪設在地表下40 cm 處，最后將土壤按原層次回填。秸稈隔層處理一次性鋪設完成，此后不再進行操作。

試驗設置4個處理：無秸稈隔層（CK），3 cm厚度秸稈隔層（S3，秸稈用量為6 000 kg·hm-2），5 cm厚度秸稈隔層（S5，秸稈用量為12 000 kg·hm-2），7 cm厚度秸稈隔層（S7，秸稈用量為18 000 kg·hm-2），每個處理設3次重復，隨機區組排列，每個微區為一個重復。所有處理化肥按統一用量在播前作底肥一次性條施，尿素（含N 46%）260 kg·hm-2、磷酸二銨（含N 18%，P2O546%）290 kg·hm-2、硫酸鉀（含K2O 50%）150 kg·hm-2，施肥深度為10 cm，隨后覆土，然后用70 cm寬的農用塑料薄膜覆蓋，每個小區有兩條膜帶，膜間距20 cm，膜間地表裸露。微區修建、秸稈隔層鋪設以及0—20 cm土層人工調鹽的操作方法參考盧闖[16]、趙永敢等[2]方法。

供試作物為食葵（L），2015年品種為LD1335，2016、2017年品種均為JK601。2015—2017年春灌時間分別為2015年6月29日、2016年5月13日、2017年5月24日，每個微區灌水量為0.6 m3（合1 850 m3·hm-2）。食葵生育期內不再進行灌水和施肥，其他管理措施與當地農戶一致。試驗分別于2015年7月5日、2016年5月18日、2017年5月31日播種，人工點播，播種深度為7 cm，播種后穴口用細砂覆蓋，行距60 cm，株距20 cm，種植密度為49 000株/hm2。食葵分別于2015年9月23日、2016年9月19日、2017年9月24日收獲。

MP代表降雨量，AT代表氣溫 MP represents rainfall, and AT represents temperature

1.3 土壤溫度測定

土壤溫度采用5TE-土壤水分、電導率、溫度傳感器（溫度范圍：-40—60℃、測量精度：±1℃、溫度分辨率：0.1℃、傳感器類型：熱敏電阻）測定，探頭分別埋在距離地表下20、30、40和50 cm土層處，自動記錄相應土層溫度，記錄時間間隔為1 h。土壤日平均溫度為每日24次測定的平均值。

1.4 土壤水分測定

在灌溉前（2015年6月28日、2016年5月12日、2017年5月23日）、灌溉后（2015年7月4日、2016年5月17日、2017年5月29日）、收獲后（2015年9月22日、2016年9月18日、2017年9月22日）用土鉆在各微區兩行食葵之間分別距地表5、10、20、30、40、60、80、100 cm處取土樣，將取得的土壤樣品帶回實驗室進行土壤水分含量測定。土壤水分含量用烘干法測定，為質量含水量。

1.5 灌溉水生產率計算

在食葵收獲時，將每個微區中所有食葵收割晾干后測產以及調查百粒重。同時計算灌溉水生產率，計算公式為：

式中，為灌溉水生產率（kg·m-3）；為作物產量（kg·hm-2）；為單位面積灌水量（m3·hm-2）。

1.6 水分利用效率計算

土壤貯水量的計算公式為[17]：

式中，為土壤貯水量（mm）；γ為第層土壤容重（g·cm-3）；d為第層土層厚度（cm）；θ為第層土壤質量含水量（%）。

采用水量平衡法計算作物生育期耗水量，其計算公式為[17]：

=++1-2

式中，為作物生育期實際耗水量（mm）；為生育期降水量（mm）；1和2分別為播種前和收獲時0—100 cm土層貯水量（mm）；為生育期內灌水量（mm）。

水分利用效率（）計算公式[17-18]：

=/

式中，為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；為作物產量（kg·hm-2）；為作物生育期實際耗水量（mm）。

1.7 數據處理

試驗數據均采用Microsoft Excel 2016處理并作圖，SPSS 22.0軟件進行統計分析，單因素、雙因素方差分析均采用Duncan法，顯著性水平為0.05，并使用雙尾檢驗對土壤溫度和大氣溫度進行相關分析（Person系數）。

2 結果

2.1 食葵全生育期各處理0—30 cm土層溫度變化特征

2015—2017年食葵全生育期各處理0—30 cm土層平均溫度變化及不同處理間土壤溫度顯著差異性特征見圖2。隨生育時期推進各處理平均土壤溫度均表現為先升高后下降的趨勢。連續3年食葵全生育期秸稈隔層處理（S3、S5和S7）土壤溫度均高于CK處理，2015—2017年分別提高了0.3—0.6、0.3—0.7和0.2—0.6℃。在秸稈隔層條件下，整個觀測時段內，2015年0—30 cm土層溫度變化分為3個階段：第一階段（播后40 d內），這一階段正處于食葵苗期和蕾期，與CK處理相比，秸稈隔層處理表現出土壤增溫趨勢，其中S5、S7處理分別在播后7—22 d期間顯著增加了2.45%—4.14%、1.93%—4.10%（＜0.05）；第二階段（播后40—60 d），秸稈隔層處理間土壤溫度存在顯著差異，其中S7處理增溫效果顯著，在播后42—47 d較S3、S5分別顯著提高了2.0%—3.3%、1.3%—2.6%（＜0.05）；第三階段（播后60—80 d），各處理間沒有顯著差異。2016年在整個觀測時段內秸稈隔層處理下0—30 cm土層溫度與2015年趨勢相同，在播后70—96 d，與CK處理相比，S5和S7處理表現出土壤增溫趨勢，分別顯著增加了2.0%—5.7%、2.1%—5.8%（＜0.05）。2017年在整個觀測時段內，0—30 cm土層溫度變化分為兩個階段：第一階段（播后40 d內）土壤溫度變化趨勢與2015年同一階段相一致；第二階段（播后40—110 d），S7處理增溫效果顯著，在播后66—80 d分別較CK、S3、S5處理顯著提高了2.1%—3.2%、2.0%—2.9%、1.8%—3.0%（＜0.05）。

2.2 食葵全生育期各處理30—40 cm土層溫度變化特征

圖3反映2015—2017年食葵全生育期不同厚度秸稈隔層處理下30—40 cm土層溫度變化及不同處理間顯著差異性特征。隨生育時期的推進各處理平均溫度變化趨勢與0—30 cm一致。在秸稈隔層條件下，2015年與CK處理相比，S3、S5和S7處理表現出土壤增溫趨勢，在播后40 d內不同厚度秸稈隔層處理間土壤溫度排序為：S7＞S5＞S3，其中在播后9—21 d期間，S3、S5、S7處理間差異顯著（＜0.05）；播后40 d之后S5、S7處理增溫效果顯著，其中在播后40—60 d期間分別顯著增加了2.0%—3.6%、2.7%—3.7%（＜0.05）。2016年食葵全生育期與CK處理相比，S3、S5和S7處理均呈現出土壤增溫趨勢，其中在播后35—55 d期間S5、S7處理分別顯著增加了1.7%—4.6%、3.7%—6.6%，并且S5和S7處理間差異顯著（＜0.05）。2017年食葵全生育期秸稈隔層處理（S3、S5和S7）土壤溫度變化趨勢與2015年相一致，在播后66—80 d期間S7、S5處理較CK處理分別顯著增加了1.8%—3.3%、2.0%—3.9%（＜0.05）。

CK：無秸稈隔層；S3：厚度3 cm秸稈隔層；S5：厚度5 cm秸稈隔層；S7：厚度7 cm秸稈隔層。圖中數值為探頭溫度加權平均值。下同

圖2-a表示的是食葵全生育期0—30 cm土層溫度，圖2-b表示的是各處理下0—30 cm土層溫度有差異的部分。下同

CK: With no straw interlayer; S3: Straw interlayer with a thickness of 3 cm; S5: Sraw interlayer with a thickness of 5 cm; S7: Straw interlayer with a thickness of 7 cm. The value in the figure is the weighted average temperature of the probe. The same as below

Figure 2-a shows the temperature of 0-30 cm soil layer during the whole growth period of sunflower, and Figure 2-b shows the part of temperature difference in 0-30 cm soil layer under different treatments. The same as below

圖2 2015—2017年食葵全生育期0—30 cm土層土壤溫度變化及顯著差異性特征

Fig. 2 Variation of soil temperature and significant difference in 0-30 cm soil layer during the whole growth period of sunflower from 2015 to 2017

圖3 2015—2017年食葵全生育期30—40 cm土層土壤溫度變化及顯著差異性特征

2.3 食葵全生育期各處理40—50 cm土層溫度變化特征

2015—2017食葵全生育期4種處理下40—50 cm土層土壤溫度變化特征及各處理間顯著差異性特征見圖4，由圖可以分為兩個階段：在第一階段不同秸稈隔層處理表現出增溫趨勢，與CK處理相比，2015年在播后22—27 d期間S3、S5和S7處理土壤溫度分別顯著增加了1.9%—2.4%、1.9%—3.1%、2.0%—3.8%（＜0.05），2016年在播后50—70 d期間，S7處理顯著提高了2.2%—4.6%（＜0.05），2017年播后40—50 d期間，S7處理顯著提高了2.4%—3.6%（＜0.05）；第二階段不同秸稈隔層處理表現出降溫趨勢，與CK處理相比，2015年在播后72—80 d期間S3處理土壤溫度顯著降低了2.2%—2.8%（＜0.05）；2016年在播后112—115 d期間S5、S7處理土壤溫度顯著降低了2.1%、3.0%—3.2%（＜0.05）；2017年各處理間無顯著差異。

2.4 食葵各生育時期各處理0—40 cm土層平均溫度變化特征

表1為2015—2017年4種處理下食葵各生育時期0—40 cm土層土壤平均溫度變化情況，從食葵各生育時期來看，秸稈隔層處理土壤溫度始終高于無秸稈隔層處理，不同年份增溫幅度不同。將不同秸稈隔層處理、不同生育時期對土壤溫度的影響進行雙因素方差分析發現，不同生育時期和不同秸稈隔層處理均對土壤溫度有影響（＜0.05），但生育時期和秸稈隔層處理間無交互作用。從不同生育時期來看，2015年苗期S3、S5、S7處理土壤溫度較CK處理顯著增加了0.47—0.77℃（＜0.05）；蕾期S7處理土壤溫度最高，為27.2℃；花期S5、S7處理土壤溫度分別較CK處理顯著增加了0.41、0.74℃（＜0.05），S7處理土壤溫度較S3處理顯著增加了0.72℃（＜0.05）。2016年苗期、蕾期、成熟期土壤溫度均隨秸稈隔層厚度的增加逐漸增加，且S7處理與CK處理間達顯著性水平（＜0.05）；花期S5、S7處理土壤溫度分別較CK處理顯著增加了0.52、0.61℃（＜0.05），S5、S7處理土壤溫度分別較S3處理顯著增加了0.46、0.55℃（＜0.05）；各生育時期均值表現為花期＞蕾期＞成熟期＞苗期。2017年苗期、蕾期、成熟期土壤溫度變化趨勢與2016年相一致，花期S7處理土壤溫度分別較CK、S3處理顯著增加了0.46、0.44℃（＜0.05）。

圖4 2015—2017年食葵全生育期40—50 cm土層土壤溫度變化及顯著差異性特征

從3年不同時期平均土壤溫度來看，苗期S3、S5、S7處理土壤溫度較CK處理顯著增加了0.42—0.70℃（＜0.05）；花期S5、S7處理土壤溫度分別較CK處理顯著增加了0.41、0.60℃（＜0.05），S5、S7處理土壤溫度分別較S3處理顯著增加了0.38、0.57℃（＜0.05）。

表1 2015—2017年食葵各生育時期0—40 cm土層溫度

CK：無秸稈隔層；S3：厚度3 cm秸稈隔層；S5：厚度5 cm秸稈隔層；S7：厚度7 cm秸稈隔層。表中不同字母表示不同處理間差異顯著（＜0.05）。下同

CK: With no straw interlayer; S3: Straw interlayer with a thickness of 3 cm; S5: Straw interlayer with a thickness of 5 cm; S7: Straw interlayer with a thickness of 7 cm. Different letters meant significant differences at 0.05 level between different treatments. The same as below

2.5 不同處理下土壤溫度對大氣溫度的響應

本試驗土壤溫度（）與大氣溫度（）的回歸分析進一步表明（表2），不同厚度秸稈隔層處理下土壤和大氣溫度間具有極顯著正相關關系（＜0.01），各處理2值2015年分布范圍為0.710—0.728，2016年分布范圍為0.718—0.735，2017年分布范圍為0.637—0.654。土壤溫度與大氣溫度回歸方程的斜率是大氣溫度每升高1℃土壤溫度的增加值，反映了土壤溫度對大氣溫度的敏感程度[5]。S3、S5、S7處理的土壤溫度與大氣溫度斜率均隨年份的增加逐漸減小，且連續3年5 cm厚度秸稈隔層處理下回歸方程斜率和2均高于CK處理。

2.6 食葵關鍵時期各處理0—40 cm土層平均土壤含水量變化特征

表3為2015—2017年4種處理下食葵關鍵時期0—40 cm土層平均土壤含水量變化情況。從不同秸稈隔層處理來看，灌水后0—40 cm土層3年平均土壤含水量表現為S7＞S5＞S3＞CK處理，且不同灌溉時期、不同秸稈隔層處理及其交互作用均對土壤含水量有顯著影響（＜0.05）；從食葵關鍵時期來看，2015年灌溉前、收獲后S7處理土壤含水量分別較CK處理顯著降低了8.0%、6.9%（＜0.05）；灌溉后S3、S5、S7處理土壤含水量均隨秸稈隔層厚度的增加逐漸增加，分別較CK處理顯著提高了3.8%、6.2%、6.7%（＜0.05）。2016年灌溉前、收獲后S7處理土壤含水量分別較CK處理顯著降低了10.5%、4.5%（＜0.05）；灌溉后S7處理土壤含水量較CK處理顯著增加了2.7%（＜0.05），各灌溉時期均值表現為灌溉后＞灌水前＞收獲后。2017年3個關鍵時期土壤含水量變化趨勢與2016年相一致，收獲后S3、S5、S7處理土壤含水量分別較CK處理顯著降低了1.5%、2.7%、4.5%（＜0.05），且S5與S7處理差異顯著。

表2 土壤溫度（y）與大氣溫度（x）的回歸關系

**表示在＜0.01水平上顯著相關。氣溫數據采用試驗基地自動氣象站觀測值

** Indicates a significant correlation at＜0.01. The air temperature data were obtained from weather station of the experimental base

從3年不同時期平均土壤含水量來看，灌溉前S3、S5、S7處理土壤含水量較CK處理分別顯著降低了3.8%、5.4%、7.9%（＜0.05），土壤含水量隨秸稈隔層厚度增加逐漸降低，各處理間差異顯著；灌溉后S7處理較CK處理顯著增加了3.6%（＜0.05）；收獲后S3、S5、S7處理土壤含水量較CK處理分別顯著降低了1.0%、3.1%、5.4%（＜0.05），S5、S7處理間差異顯著。

2.7 不同處理食葵生長特性以及產量的變化

2015年因種植時間較晚，未獲得作物產量。2016—2017年不同處理食葵產量、水分利用效率和灌溉水分生產率見表4。2016年S3、S5、S7處理下食葵產量分別較CK處理顯著增加了14.1%、28.4%、21.1%，水分利用效率分別較CK處理顯著提高了25.9%、38.1%、37.1%（＜0.05），灌溉水分生產率趨勢與產量一致；2017年S5、S7處理下食葵產量分別較CK處理顯著增加了13.4%、12.3%，水分利用效率分別較CK處理顯著提高了11.1%、10.0%（＜0.05），S5、S7處理各指標連續兩年均無顯著差異。

表3 2015—2017年食葵關鍵時期0—40 cm土層平均土壤含水量

表4 不同處理食葵的產量和水分利用效率

3 討論

土壤溫度是改變植物所受溫度變化的基礎[5]，影響植物根系生長[19-20]、土壤呼吸[21]、氮循環、土壤微生物活動和有機物的利用效率[22-24]，其受地表附近熱平衡狀況、太陽輻射、大氣溫度、覆蓋狀況、土壤持水狀況、土壤自身屬性以及微生物活動等諸多因素影響[5, 25-26]。有研究表明秸稈深埋能有效提高耕層土壤溫度[7,10]。本研究通過連續3年對不同厚度秸稈隔層條件下食葵全生育期0—30、30—40和40—50 cm土層范圍內土壤溫度的監測，發現不同處理下各土層平均溫度均隨生育期的延長呈現先升高（增溫范圍分別為6.8—7.1、5.6—6.3和5.2—5.8℃）后下降（降溫范圍在11.9—12.8、9.7—10.4和9.1—9.3℃）的趨勢，0—30、30—40 cm土層連續3年食葵全生育期不同厚度秸稈隔層處理（S3、S5和S7）土壤溫度均高于CK處理，尤其在播后40—60 d這一階段各處理間土壤溫度差異較明顯（2015年30—40 cm土層除外），并且30—40 cm土層較0—30 cm土層各處理間土壤溫度波動較大。產生此現象可能是因為土壤固、液、氣三相組成中，固體部分相對于水和空氣較穩定，而水的熱容量遠大于空氣熱容量，因此土壤溫度的變化主要取決于土壤中水分含量的多少[27]，在作物生長后期降水較少蒸發強烈，水分以上行為主，秸稈隔層處理抑制了深層土壤水分上移[15]，尤其在收獲后表現更為明顯，S5、S7處理3年0—40 cm土層平均土壤含水量較CK處理顯著降低了3.1%—5.4%，使S5、S7土壤溫度較S3、CK處理高。40—50 cm土層在食葵生育前期，S3、S5、S7處理土壤溫度均高于CK處理，在食葵生育后期表現出與前期相反的趨勢，這一方面可能是因為生育前期秸稈隔層阻礙了水分向下入滲，與無秸稈隔層處理相比，秸稈隔層處理降低了40—50 cm土層土壤含水量，導致土壤熱容量減小，從而提升土壤溫度；在生育后期，氣溫逐漸升高（圖1），食葵蒸騰作用加強，加大耗水量，秸稈隔層抑制地下水上行，造成大量水分聚集在隔層下部，增大土壤熱容量，降低土壤溫度[25]；另一方面可能是與食葵生育期作物覆蓋度有關，食葵生育前期植株冠層小、作物覆蓋度低，地面接收太陽輻射較多，太陽輻射對地溫的影響大于秸稈隔層處理，而食葵生育后期植株冠層增大、作物覆蓋度高，地面接收太陽輻射較少，此時秸稈隔層對土壤溫度的影響相對較大[5,28]，這同時也解釋了30—40、40—50 cm土層各處理間土壤溫度差異較0—30 cm土層大的原因。

從食葵各生育時期來看，與無秸稈隔層處理相比，秸稈隔層處理土壤溫度均呈現增溫趨勢，不同時期各秸稈隔層處理增溫幅度不同（表1），3個食葵生長季均表現為苗期增溫幅度最大，蕾期、花期次之，成熟期最小，秸稈隔層處理在花期差異顯著。推測原因可能與食葵生長前期當地晝夜溫差較大以及秸稈隔層有關，生育前期受灌水和秸稈隔層的影響，S3、S5、S7處理秸稈隔層上部（0—40 cm）3年平均土壤含水量分別較CK顯著增加了2.3%、3.4%、3.6%，使秸稈隔層處理土壤熱容量增大，白天吸收較多熱量，晚上降溫緩慢，有利于提升土壤溫度；花期主要集中在7月下旬及8月上旬，此時為全年氣溫最高的兩個月（圖1），蒸降比大，作物耗水量多，秸稈隔層阻止水分上行，造成秸稈隔層上部土壤含水量低，土壤熱容量減小，土壤溫度升高，不同厚度秸稈隔層阻水程度不同[15]，因此各處理間差異較大。另外，從本試驗結果來看，連續3年秸稈隔層處理土壤溫度始終高于無秸稈隔層處理，在花期不同處理間差異較大，表現為CK≤S3＜S5＜S7，并且S5、S7處理土壤溫度均在前兩年顯著高于CK處理，第3年僅S7處理增溫顯著。這可能是由于秸稈隔層的存在改變了土壤均勻的構型，增加了土壤大孔隙數量，降低了土壤熱容量，使土壤更易升溫[29-31]，但隨著秸稈埋設時長的增加，秸稈腐解程度加劇[32]，逐漸被壓實，大孔隙數量減少，其自身各項特性接近土壤本身，從而出現隨著秸稈埋設時長的增加，僅7 cm厚的秸稈隔層處理與無秸稈隔層處理的土壤溫度存在顯著差異的現象。

土壤溫度變化與土層深度變化有一定的對應關系。本試驗結果也表明連續3年不同處理土壤溫度整體上均隨土層加深而降低，這與李萌等[33]研究結果相一致。這是由于土壤溫度的變化是通過土壤隨著太陽輻射和大氣溫度的變化吸收或釋放能量的過程來反映的，隨著土層的加深，土壤溫度受太陽輻射和大氣溫度的影響逐漸減小[34]，加劇了地溫變化的滯后效應，食葵生育期主要集中在夏季氣溫上升期，土壤熱量由表層傳向深層[34-35]，因而土壤表層溫度高于深層。此外本研究還發現連續3年在30—40 cm土層以S7處理增溫效果最顯著，這可能是秸稈隔層對熱傳導影響的結果，由于秸稈的加入打破了原有土壤自然結構，增加了土壤大孔隙數量，降低了土壤導熱性，同時提高了土壤有機質及養分含量，而有機質的熱容量較大，溫度不易升高[29-31]，而S7處理相較于S3、S5處理，秸稈用量較多，隔層較厚，因此在30—40 cm土層S7處理溫度最高。

本研究中不同厚度秸稈隔層處理下土壤和大氣溫度間具有極顯著正相關關系（＜0.01），這與陳繼康等[34]、龐明亮等[35]研究相一致。此外，本研究中連續3年5 cm厚度秸稈隔層處理下回歸方程斜率和2均高于CK處理，說明秸稈隔層處理增強了土壤溫度對大氣溫度變化響應的敏感性，使其與大氣溫度變化聯系更為緊密，且S5、S7處理的土壤溫度與大氣溫度斜率均隨年份的增加逐漸減小，這是因為土壤由固、液、氣三相組成，且固體部分相對于水和空氣較穩定[27]，秸稈隔層處理降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度，增強通氣性[31,36-37]，在降水時能增加上層土壤含水量，干旱時抑制土壤水分上升，增加下層土壤含水量[27]，因此相較于無秸稈隔層處理，秸稈隔層處理降低了土壤比熱容，從而增強了土壤溫度對大氣溫度變化響應的敏感性，并且隨著秸稈埋設時長的增加，秸稈逐漸腐解，土壤孔隙度減少，通氣性、阻水抑水效應逐漸減弱[27,32]，因而土壤溫度對大氣溫度的響應隨秸稈埋設時長的增加而減弱。

本試驗中，從食葵關鍵時期0—40 cm土層3年平均土壤含水量來看，與無秸稈隔層處理相比，秸稈隔層處理降低了灌溉前和收獲后土壤含水量，但提高了灌溉后土壤含水量（表3），這與ZHAI等[38]、ZHANG等[14]發現地表下深埋秸稈在水分入滲過程中能夠增加上層土壤水分含量，而在蒸發過程中降低了深層土壤水分蒸發，有效阻隔水分上行，增加深層土壤含水量的結果相一致，并且本研究發現不同灌溉時期、不同秸稈隔層處理間交互作用也對土壤含水量有顯著影響。推測原因一方面可能是由于秸稈隔層的存在切斷了蒸發層土壤與深層的毛管聯系，使土壤通透性和導水能力發生改變，降低了土壤入滲能力和蒸發能力[1,14,28,39]，灌水前和收獲后土壤以蒸發上行為主，隔層上部土壤由于蒸發作用水分散失較多，并且秸稈隔層內部大孔隙中填充的空氣形成的阻隔層，抑制深層水分向上運移；另一方面可能是秸稈深埋增加了土壤大孔隙數量，降低了土壤容重，使土壤疏松，在水分上行時期蒸發嚴重[1,31]，從而降低隔層以上土壤含水量。而在灌水后，水分以入滲為主，秸稈隔層內部水分運移阻隔層延長了入滲水分在隔層上部停留時間[14]，從而提高隔層上部土壤含水量，并且秸稈隔層厚度不同，隔層內部大孔隙數量不同[14]，故而對土壤水分入滲和蒸發的抑制作用存在差異，出現土壤含水量提高或降低幅度均隨秸稈厚度的增加逐漸降低的現象。從3年土壤水分動態變化來看，隨著秸稈逐漸腐解，土壤孔隙度減少，秸稈隔層阻水效應逐漸減弱，導致秸稈埋設兩年后灌后S3、S5、S7處理間土壤含水量無顯著差異，在第3年表現更為明顯。

從各處理下食葵產量來看，兩年的產量均以5、7 cm厚度秸稈隔層處理增幅較大，但兩處理間沒有顯著差異。這是因為土壤鹽漬化是內蒙古河套灌區限制作物生長的主要因素之一，鹽漬危害導致作物出苗、保苗困難，減產嚴重[3,14]，但秸稈隔層可提高灌溉脫鹽效率，秸稈隔層越厚，根系分布層（0—40 cm）土壤保水淋鹽效果越強，形成“苗期根域淡化層”，為作物出苗創造了“高水低鹽”的土壤環境，提高作物出苗率[3,15]，為后期食葵生長奠定基礎。另外秸稈隔層在食葵生育前期具有蓄水、保溫作用，為植物根系抵御土壤溫度的急劇變化提供了保護，同時增強了食葵根系吸收養分、水分的能力，提高了食葵對水分的利用效率，促進植物生長和增產，隨著時間的推移，秸稈逐漸腐解，土壤狀態逐漸接近未施用秸稈時的狀態，尤其是3 cm厚度秸稈隔層處理表現較為明顯，與CK處理間無顯著差異。

4 結論

秸稈隔層處理在整個生育期0—40 cm土層均表現出增溫趨勢，在苗期增溫最顯著，在花期秸稈隔層處理間差異顯著。40—50 cm土層秸稈隔層處理在食葵苗期、蕾期表現出增溫趨勢，在生長后期表現出降溫趨勢。土壤溫度和大氣溫度間具有極顯著的正相關關系，并且秸稈隔層處理使土壤溫度對大氣溫度變化的響應更敏感。秸稈隔層處理能夠降低灌溉前、收獲后0—40 cm土層平均土壤含水量，同時提高灌溉后平均土壤含水量。S5與S7秸稈隔層處理能夠促進食葵生長、提高食葵對水分的利用效率，并增加食葵產量，但兩處理間無顯著差異。綜合考慮土壤溫度、作物水分利用效率等，5 cm厚度秸稈隔層處理最適宜在內蒙古河套灌區推廣應用。

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Effects of Straw Interlayer with Different Thickness on Saline-Alkali Soil Temperature, Water Content, and Sunflower Yield in Hetao Irrigation Area

WANG GuoLi, CHANG FangDi, ZHANG HongYuan, LU Chuang, SONG JiaShen, WANG Jing, PANG HuanCheng, LI YuYi

Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【】The effects of different thickness of straw interlayer on soil temperature, water content dynamic change and crop yield of sunflower field in saline-alkali land were studied to provide a basis for selecting reasonable thickness straw interlayer measures suitable for the growth of sunflower in Hetao irrigation area. 【】 From 2015 to 2017, 4 straw interlayers of different thicknesses were set up in the typical saline-alkali farmland in the Hetao area of Inner Mongolia, namely CK (no straw interlayers), S3 (straw interlayers with a thickness of 3 cm), S5 (straw interlayers with a thickness of 5 cm), and S7 (straw interlayer with a thickness of 7 cm), to study the effects of different thickness of straw interlayer on the dynamic changes of soil temperature, water content, and sunflower yield during the growth period of sunflower under. 【】The straw interlayer treatment (S3, S5 and S7) significantly increased the soil temperature of 0-40 cm soil layer during the whole growth period of sunflower. Among them, compared with CK treatment, the soil temperature in sunflower seedling stage significantly increased by 0.7℃, 0.6℃, and 0.5℃, respectively, from 2015 to 2017 (＜0.05), and the increase in temperature gradually decreased with the increase of straw burying time. There was a significant difference between straw interlayer treatments during flowering period, among which S5 and S7 treatments increased by 0.4℃and 0.6℃, respectively, compared with CK treatment in average for 3 years (＜0.05); 40-50 cm soil layer straw interlayer treatment showed a trend of increasing temperature in seedling and bud stage of sunflower, and showed a cooling trend in the later growth period. Under different treatments, the soil temperature during the whole growth period of sunflower decreased as the soil layer deepens, and there was a very significant positive correlation between soil temperature and atmospheric temperature. The distribution range of2value in three years was 0.628-0.735. Straw interlayer treatments enhanced the sensitivity of soil temperature to atmospheric temperature, and the response of soil temperature to atmospheric temperature decreases with the increase of straw burying time. The interaction between different straw interlayer treatments and different irrigation periods also had significant effects on soil water content (＜0.05). Straw interlayer treatment could reduce the average soil water content of the 0-40 cm soil layer before irrigation and after harvest. Among them, the S7 treatment had the largest reduction, and the three-year average decreased by 7.9% and 5.4% (＜0.05), compared with the CK treatment; after irrigation, the average soil water content of S3, S5 and S7 treatments increased by 2.3%, 3.4%, and 3.6%, respectively, compared with CK treatment for 3 years (＜0.05). The straw interlayer treatment could promote the growth of sunflower and increase the yield of sunflower, and improve irrigation water productivity and water use efficiency, among which 5 and 7 cm thick straw interlayer treatments increased the most and had the largest increase, but there was no significant difference between the two treatments (＞0.05). 【】Straw interlayers of different thicknesses could increase the soil temperature in the 0-40 cm soil layer during the growth period of sunflower, and the increase of temperature decreased with the increase of the straw burying time. The difference between different treatments was significant during the flowering stage. In addition, the straw interlayer treatment could improve the average soil water content of 0-40 cm soil after irrigation, and provide a suitable growth environment for sunflower. Considering soil temperature and crop water use efficiency, straw separation with thickness of 5 cm is the most suitable for promotion and application in Hetao irrigation area of Inner Mongolia.

Hetao irrigation area; saline-alkali land; sunflower; straw interlayer; soil temperature; soil water content

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.19.011

2020-11-09；

2021-12-28

國家自然科學基金項目（31871584）、國家重點研發計劃項目（2016YFC0501302）、中央級公益性科研院所基本科研業務費專項（1610132020011）

王國麗，E-mail：1941712789@qq.com。通信作者李玉義，E-mail：liyuyi@caas.cn

（責任編輯 李云霞）