王国丽^,, 常芳弟, 张宏媛, 卢闯, 宋佳珅, 王婧, 逄焕成, 李玉义^,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081

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

通讯作者: 李玉义,E-mail： liyuyi@caas.cn。

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-11-9接受日期:2021-12-28

基金资助:

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(1610132020011)

Received:2020-11-9Accepted:2021-12-28
作者简介 About authors
王国丽,E-mail： 1941712789@qq.com。










摘要
【目的】研究不同厚度秸秆隔层对盐碱地食葵农田土壤温度、水分动态变化及产量的影响,为河套灌区筛选适宜盐碱地食葵生长的合理厚度秸秆隔层措施提供依据。【方法】2015—2017年在内蒙古河套地区典型盐碱农田设置了4个不同厚度的秸秆隔层,分别为CK（无秸秆隔层）、S3（厚度3 cm秸秆隔层）、S5（厚度5 cm秸秆隔层）和S7（厚度7 cm秸秆隔层）,研究不同厚度秸秆隔层对食葵生育期土壤温度、水分动态变化特征和食葵产量的影响。【结果】秸秆隔层处理（S3、S5和S7）显著提高了食葵全生育期0—40 cm土层温度,其中2015—2017年在食葵苗期分别较CK处理显著增加了0.7、0.6、0.5℃（P<0.05）,但其增温幅度随秸秆埋设时长的增加逐渐减小,花期秸秆隔层处理间差异显著,其中S5、S7处理3年平均分别较CK处理提高了0.4、0.6℃（P<0.05）;40—50 cm土层的秸秆隔层处理在食葵苗期、蕾期表现出增温趋势,在生长后期表现出降温趋势。不同处理下向日葵全生育期土壤温度整体上均随土层加深而降低,且土壤温度和大气温度间均具有极显著的正相关关系,3年内R²值的分布范围为0.628—0.735,秸秆隔层处理增强了土壤温度对大气温度的敏感程度,且土壤温度对大气温度的响应随秸秆埋设时长的增加而减弱。不同秸秆隔层处理与不同灌水时期间交互作用对土壤含水量有显著影响（P<0.05）,秸秆隔层处理能够降低灌溉前、收获后0—40 cm土层平均土壤含水量,其中S7处理降幅最大,3年平均分别较CK处理降低了7.9%、5.4%（P<0.05）;但在灌溉后S3、S5和S7处理平均土壤含水量3年分别较CK处理提高了2.3%、3.4%、3.6%（P<0.05）。秸秆隔层处理能够促进食葵生长,增加食葵产量,提高灌溉水生产率和水分利用效率,其中以5、7 cm厚度秸秆隔层处理增幅最大,但两处理间无显著差异（P>0.05）。【结论】不同厚度秸秆隔层均能够提高食葵生育期0—40 cm土层温度,温度增幅随秸秆埋设时长的增加而减小,在花期各处理间差异较显著,并且秸秆隔层处理能够提高灌后0—40 cm土层平均土壤含水量,为食葵提供适宜的生长环境,综合考虑3年土壤温度、作物水分利用效率等,5 cm厚度秸秆隔层处理最适宜在内蒙古河套灌区推广应用。
关键词： 河套灌区;盐碱地;食葵;秸秆隔层;土壤温度;土壤含水量

Abstract
【Objective】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. 【Method】 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. 【Result】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 (P<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 (P<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 of R² value 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 (P<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% (P<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 (P<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 (P>0.05). 【Conclusion】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.
Keywords：Hetao irrigation area;saline-alkali land;sunflower;straw interlayer;soil temperature;soil water content


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本文引用格式
王国丽, 常芳弟, 张宏媛, 卢闯, 宋佳珅, 王婧, 逄焕成, 李玉义. 不同厚度秸秆隔层对河套灌区盐碱土壤温度、水分和食葵产量的影响. 中国农业科学, 2021, 54(19): 4155-4168 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.19.011
WANG GuoLi, CHANG FangDi, ZHANG HongYuan, LU Chuang, SONG JiaShen, WANG Jing, PANG HuanCheng, LI YuYi. Effects of Straw Interlayer with Different Thickness on Saline-Alkali Soil Temperature, Water Content, and Sunflower Yield in Hetao Irrigation Area. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(19): 4155-4168 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.19.011


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0 引言

【研究意义】内蒙古河套灌区处于干旱和半干旱地区,降雨量少、蒸发量大,再加上不合理的灌排,造成大量盐分表聚^[1],从而限制了作物生长,严重制约了当地农业的可持续发展。为解决这一问题,作者所在课题组前期提出了地膜覆盖结合秸秆隔层（简称“上膜下秸”）的水盐调控新技术,该技术能够明显优化土壤耕层盐分分布,改善根区土壤环境条件^[1,2,3]。温度作为土壤环境主要影响因素之一^[4],能够综合表征土壤热状况,受太阳辐射、气温、土壤水分含量等多种因素调控,从而影响作物光合作用、水分代谢、根系生长发育以及土壤微生物活动等^[5]。秸秆深埋形成的不同厚度秸秆隔层可改变土壤水分时空分布,进而影响土壤温度变化;因此通过研究不同厚度秸秆隔层对盐碱地土壤温度的影响,可为河套灌区盐碱地利用秸秆隔层创造作物生长良好的土壤环境提供科学依据。【前人研究进展】在黑龙江旱作土壤条件下,秸秆深埋（地下20 cm）具有明显的增温效果,且秸秆对土壤的保温调控作用随秸秆深埋量的增加逐渐增强^[6]。在温室膜下滴灌条件下,秸秆深埋能有效提高春夏茬番茄地土壤温度和土壤含水量,降低秋冬茬番茄地土壤温度,提高秋冬茬土壤含水量^[7]。在北方干旱缺水地区,将适量的秸秆（6 000 kg·hm^-2）翻埋至10—20 cm土层,能够提高玉米全生育期0—80 cm土层土壤含水量,并且在气温较低时有明显的增温效应,在气温较高时可降低土壤温度,减少水分蒸腾散失^[8]。此外,当大量秸秆深施至20—30 cm时,由于秸秆的吸水过程,使得土壤在相对干旱的季节仍保持较高的水分^[9],若在秸秆深施初期配施氮肥,也能提高地温,但提高的幅度与气温和降水有关^[10]。【本研究切入点】目前秸秆深还技术在调蓄土壤含水量、提高土壤肥力、减弱土壤盐分表聚等方面有较多研究^[1,11-16],但涉及盐碱土壤不同厚度秸秆隔层下土壤温度、水分多年变化及其产量响应研究较为缺乏。【拟解决的关键问题】本文以内蒙古河套灌区五原县永联基地田间微区试验的观测资料为基础,通过3年田间微区试验,研究不同厚度秸秆隔层对食葵生育期土壤温度、水分变化和食葵产量的影响,分析不同土层深度、不同生育期的土壤温度、土壤水分变化情况,以期在土壤水热变化规律和食葵产量分析的基础上,为西北干旱区利用盐碱地秸秆隔层隔抑盐技术开展农业生产实践提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年7月至2017年9月在内蒙古河套灌区五原县义长灌域管理局试验站进行,该试验地处于北纬41°04′,东经108°00′,海拔1 022 m,属于中温带半干旱季风气候,全年平均日照时数3 263 h,年均温6.1℃,≥10℃的积温3 362.5℃,无霜期117—136 d。年平均降水量173.5 mm,多集中在夏秋两季,年平均蒸发量约为2 068 mm,约是降水量的11倍^[14]。试验地土壤质地为粉砂壤土,按盐土分类为氯化物—硫酸盐,平均容重为1.45—1.50 g·cm^-3。试验区0—40 cm土壤含盐量为3.02 g·kg^-1,pH 8.06,有机质8.35 g·kg^-1,全氮0.51 g·kg^-1,速效磷3.09 mg·kg^-1,速效钾118.93 mg·kg^-1。2015—2017年试验期间当地气温与降雨情况见图1。

图1

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图12015—2017年试验区气温与降雨量分布

MP代表降雨量,AT代表气温
Fig. 1Distribution of temperature and rainfall in the experimental area from 2015 to 2017

MP represents rainfall, and AT represents temperature

1.2 试验设计

试验在面积为3.24 m²（1.8 m×1.8 m）的田间微区进行。于2015年6月埋设秸秆,先用铁锹按 0—20 cm 和 20—40 cm 层次将土壤取出,然后把约 5 cm 长的玉米秸秆（叶秆混合）均匀铺设在地表下40 cm 处,最后将土壤按原层次回填。秸秆隔层处理一次性铺设完成,此后不再进行操作。

试验设置4个处理：无秸秆隔层（CK）,3 cm厚度秸秆隔层（S3,秸秆用量为6 000 kg·hm^-2）,5 cm厚度秸秆隔层（S5,秸秆用量为12 000 kg·hm^-2）,7 cm厚度秸秆隔层（S7,秸秆用量为18 000 kg·hm^-2）,每个处理设3次重复,随机区组排列,每个微区为一个重复。所有处理化肥按统一用量在播前作底肥一次性条施,尿素（含N 46%）260 kg·hm^-2、磷酸二铵（含N 18%,P₂O₅ 46%）290 kg·hm^-2、硫酸钾（含K₂O 50%）150 kg·hm^-2,施肥深度为10 cm,随后覆土,然后用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。微区修建、秸秆隔层铺设以及0—20 cm土层人工调盐的操作方法参考卢闯^[16]、赵永敢等^[2]方法。

供试作物为食葵（Helianthus annuus L.）,2015年品种为LD1335,2016、2017年品种均为JK601。2015—2017年春灌时间分别为2015年6月29日、2016年5月13日、2017年5月24日,每个微区灌水量为0.6 m³（合1 850 m³·hm^-2）。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2015年7月5日、2016年5月18日、2017年5月31日播种,人工点播,播种深度为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49 000株/hm²。食葵分别于2015年9月23日、2016年9月19日、2017年9月24日收获。

1.3 土壤温度测定

土壤温度采用5TE-土壤水分、电导率、温度传感器（温度范围：-40—60℃、测量精度：±1℃、温度分辨率：0.1℃、传感器类型：热敏电阻）测定,探头分别埋在距离地表下20、30、40和50 cm土层处,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日24次测定的平均值。

1.4 土壤水分测定

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）、收获后（2015年9月22日、2016年9月18日、2017年9月22日）用土钻在各微区两行食葵之间分别距地表5、10、20、30、40、60、80、100 cm处取土样,将取得的土壤样品带回实验室进行土壤水分含量测定。土壤水分含量用烘干法测定,为质量含水量。

1.5 灌溉水生产率计算

在食葵收获时,将每个微区中所有食葵收割晾干后测产以及调查百粒重。同时计算灌溉水生产率,计算公式为：$WPi=\frac{Y}{Wi}$

式中,WPi为灌溉水生产率（kg·m^-3）;Y为作物产量（kg·hm^-2）;Wi为单位面积灌水量（m³·hm^-2）。

1.6 水分利用效率计算

土壤贮水量的计算公式为^[17]：

W=$\sum\nolimits_{i-1}^{n}{{{\gamma }_{i}}{{d}_{i}}{{\theta }_{i}}/10}$

式中,W为土壤贮水量（mm）;γ_i为第i层土壤容重（g·cm^-3）;d_i 为第i层土层厚度（cm）;θ_i为第i层土壤质量含水量（%）。

采用水量平衡法计算作物生育期耗水量,其计算公式为^[17]：

ET= P+ I+ W₁-W₂

式中,ET为作物生育期实际耗水量（mm）;P为生育期降水量（mm）;W₁和W₂分别为播种前和收获时0—100 cm土层贮水量（mm）;I为生育期内灌水量（mm）。

水分利用效率（WUE）计算公式^[17,18]：

WUE= Y/ET

式中,WUE为水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）;Y为作物产量（kg·hm^-2）;ET为作物生育期实际耗水量（mm）。

1.7 数据处理

试验数据均采用Microsoft Excel 2016处理并作图,SPSS 22.0软件进行统计分析,单因素、双因素方差分析均采用Duncan法,显著性水平为0.05,并使用双尾检验对土壤温度和大气温度进行相关分析（Person系数）。

2 结果

2.1 食葵全生育期各处理0—30 cm土层温度变化特征

2015—2017年食葵全生育期各处理0—30 cm土层平均温度变化及不同处理间土壤温度显著差异性特征见图2。随生育时期推进各处理平均土壤温度均表现为先升高后下降的趋势。连续3年食葵全生育期秸秆隔层处理（S3、S5和S7）土壤温度均高于CK处理,2015—2017年分别提高了0.3—0.6、0.3—0.7和0.2—0.6℃。在秸秆隔层条件下,整个观测时段内,2015年0—30 cm土层温度变化分为3个阶段：第一阶段（播后40 d内）,这一阶段正处于食葵苗期和蕾期,与CK处理相比,秸秆隔层处理表现出土壤增温趋势,其中S5、S7处理分别在播后7—22 d期间显著增加了2.45%—4.14%、1.93%—4.10%（P<0.05）;第二阶段（播后40—60 d）,秸秆隔层处理间土壤温度存在显著差异,其中S7处理增温效果显著,在播后42—47 d较S3、S5分别显著提高了2.0%—3.3%、1.3%—2.6%（P<0.05）;第三阶段（播后60—80 d）,各处理间没有显著差异。2016年在整个观测时段内秸秆隔层处理下0—30 cm土层温度与2015年趋势相同,在播后70—96 d,与CK处理相比,S5和S7处理表现出土壤增温趋势,分别显著增加了2.0%—5.7%、2.1%—5.8%（P<0.05）。2017年在整个观测时段内,0—30 cm土层温度变化分为两个阶段：第一阶段（播后40 d内）土壤温度变化趋势与2015年同一阶段相一致;第二阶段（播后40—110 d）,S7处理增温效果显著,在播后66—80 d分别较CK、S3、S5处理显著提高了2.1%—3.2%、2.0%—2.9%、1.8%—3.0%（P<0.05）。

图2

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图22015—2017年食葵全生育期0—30 cm土层土壤温度变化及显著差异性特征

CK：无秸秆隔层;S3：厚度3 cm秸秆隔层;S5：厚度5 cm秸秆隔层;S7：厚度7 cm秸秆隔层。图中数值为探头温度加权平均值。下同
图2-a表示的是食葵全生育期0—30 cm土层温度,图2-b表示的是各处理下0—30 cm土层温度有差异的部分。下同
Fig. 2Variation of soil temperature and significant difference in 0-30 cm soil layer during the whole growth period of sunflower from 2015 to 2017

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

2.2 食葵全生育期各处理30—40 cm土层温度变化特征

图3反映2015—2017年食葵全生育期不同厚度秸秆隔层处理下30—40 cm土层温度变化及不同处理间显著差异性特征。随生育时期的推进各处理平均温度变化趋势与0—30 cm一致。在秸秆隔层条件下,2015年与CK处理相比,S3、S5和S7处理表现出土壤增温趋势,在播后40 d内不同厚度秸秆隔层处理间土壤温度排序为：S7>S5>S3,其中在播后9—21 d期间,S3、S5、S7处理间差异显著（P<0.05）;播后40 d之后S5、S7处理增温效果显著,其中在播后40—60 d期间分别显著增加了2.0%—3.6%、2.7%—3.7%（P<0.05）。2016年食葵全生育期与CK处理相比,S3、S5和S7处理均呈现出土壤增温趋势,其中在播后35—55 d期间S5、S7处理分别显著增加了1.7%—4.6%、3.7%—6.6%,并且S5和S7处理间差异显著（P<0.05）。2017年食葵全生育期秸秆隔层处理（S3、S5和S7）土壤温度变化趋势与2015年相一致,在播后66—80 d期间S7、S5处理较CK处理分别显著增加了1.8%—3.3%、2.0%—3.9%（P<0.05）。

图3

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图32015—2017年食葵全生育期30—40 cm土层土壤温度变化及显著差异性特征

Fig. 3Variation of soil temperature and significant difference in 30-40 cm soil layer during the whole growth period of sunflower from 2015 to 2017

2.3 食葵全生育期各处理40—50 cm土层温度变化特征

2015—2017食葵全生育期4种处理下40—50 cm土层土壤温度变化特征及各处理间显著差异性特征见图4,由图可以分为两个阶段：在第一阶段不同秸秆隔层处理表现出增温趋势,与CK处理相比,2015年在播后22—27 d期间S3、S5和S7处理土壤温度分别显著增加了1.9%—2.4%、1.9%—3.1%、2.0%—3.8%（P<0.05）,2016年在播后50—70 d期间,S7处理显著提高了2.2%—4.6%（P<0.05）,2017年播后40—50 d期间,S7处理显著提高了2.4%—3.6%（P<0.05）;第二阶段不同秸秆隔层处理表现出降温趋势,与CK处理相比,2015年在播后72—80 d期间S3处理土壤温度显著降低了2.2%—2.8%（P<0.05）;2016年在播后112—115 d期间S5、S7处理土壤温度显著降低了2.1%、3.0%—3.2%（P<0.05）;2017年各处理间无显著差异。

图4

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图42015—2017年食葵全生育期40—50 cm土层土壤温度变化及显著差异性特征

Fig. 4Variation of soil temperature and significant difference in 40-50 cm soil layer during the whole growth period of sunflower from 2015 to 2017

2.4 食葵各生育时期各处理0—40 cm土层平均温度变化特征

表1为2015—2017年4种处理下食葵各生育时期0—40 cm土层土壤平均温度变化情况,从食葵各生育时期来看,秸秆隔层处理土壤温度始终高于无秸秆隔层处理,不同年份增温幅度不同。将不同秸秆隔层处理、不同生育时期对土壤温度的影响进行双因素方差分析发现,不同生育时期和不同秸秆隔层处理均对土壤温度有影响（P<0.05）,但生育时期和秸秆隔层处理间无交互作用。从不同生育时期来看,2015年苗期S3、S5、S7处理土壤温度较CK处理显著增加了0.47—0.77℃（P<0.05）;蕾期S7处理土壤温度最高,为27.2℃;花期S5、S7处理土壤温度分别较CK处理显著增加了0.41、0.74℃（P<0.05）,S7处理土壤温度较S3处理显著增加了0.72℃（P<0.05）。2016年苗期、蕾期、成熟期土壤温度均随秸秆隔层厚度的增加逐渐增加,且S7处理与CK处理间达显著性水平（P<0.05）;花期S5、S7处理土壤温度分别较CK处理显著增加了0.52、0.61℃（P<0.05）,S5、S7处理土壤温度分别较S3处理显著增加了0.46、0.55℃（P<0.05）;各生育时期均值表现为花期>蕾期>成熟期>苗期。2017年苗期、蕾期、成熟期土壤温度变化趋势与2016年相一致,花期S7处理土壤温度分别较CK、S3处理显著增加了0.46、0.44℃（P<0.05）。

Table 1
表1
表12015—2017年食葵各生育时期0—40 cm土层温度
Table 1Soil temperature of 0-40 cm soil layer in each growth period of sunflower from 2015 to 2017

年份 Year	处理 Treatment	苗期土壤温度 Soil temperature in seedling stage (℃)	蕾期土壤温度 Soil temperature in bud stage (℃)	花期土壤温度 Soil temperature in flowering stage (℃)	成熟期土壤温度 Soil temperature in maturity stage (℃)
2015	CK	25.1±0.35b	26.4±0.23b	23.4±0.18c	20.5±0.19a
	S3	25.6±0.27a	26.8±0.39ab	23.5±0.12b	20.7±0.29a
	S5	25.8±0.20a	27.0±0.33ab	23.8±0.13b	20.5±0.29a
	S7	25.9±0.26a	27.2±0.21a	24.2±0.19a	20.8±0.23a
2016	CK	17.3±0.31b	22.6±0.28b	22.7±0.25b	20.5±0.19b
	S3	17.7±0.27ab	22.9±0.24ab	22.7±0.19b	20.7±0.29ab
	S5	17.9±0.19a	23.1±0.31a	23.2±0.25a	20.9±0.34ab
	S7	18.0±0.30a	23.3±0.35a	23.3±0.21a	21.1±0.31a
2017	CK	23.0±0.25b	25.3±0.31b	23.8±0.18b	20.4±0.32a
	S3	23.4±0.19ab	25.4±0.24b	23.8±0.25b	20.5±0.27a
	S5	23.5±0.22a	25.8±0.28ab	24.1±0.24ab	20.5±0.30a
	S7	23.6±0.31a	26.0±0.20a	24.3±0.22a	20.9±0.25a

CK：无秸秆隔层;S3：厚度3 cm秸秆隔层;S5：厚度5 cm秸秆隔层;S7：厚度7 cm秸秆隔层。表中不同字母表示不同处理间差异显著（P<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

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从3年不同时期平均土壤温度来看,苗期S3、S5、S7处理土壤温度较CK处理显著增加了0.42—0.70℃（P<0.05）;花期S5、S7处理土壤温度分别较CK处理显著增加了0.41、0.60℃（P<0.05）,S5、S7处理土壤温度分别较S3处理显著增加了0.38、0.57℃（P<0.05）。

2.5 不同处理下土壤温度对大气温度的响应

本试验土壤温度（y）与大气温度（x）的回归分析进一步表明（表2）,不同厚度秸秆隔层处理下土壤和大气温度间具有极显著正相关关系（P<0.01）,各处理R²值2015年分布范围为0.710—0.728,2016年分布范围为0.718—0.735,2017年分布范围为0.637—0.654。土壤温度与大气温度回归方程的斜率是大气温度每升高1℃土壤温度的增加值,反映了土壤温度对大气温度的敏感程度^[5]。S3、S5、S7处理的土壤温度与大气温度斜率均随年份的增加逐渐减小,且连续3年5 cm厚度秸秆隔层处理下回归方程斜率和R²均高于CK处理。

Table 2
表2
表2土壤温度（y）与大气温度（x）的回归关系
Table 2Regression relationship between soil temperature (y) and atmospheric temperature (x)

年份 Year	处理 Treatment	回归方程 Regression equation	R2
2015	CK	y= 0.817x+7.095	0.711**
	S3	y=0.846x+6.801	0.728**
	S5	y=0.875x+6.386	0.727**
	S7	y=0.856x+7.004	0.710**
2016	CK	y=0.646x+7.181	0.718**
	S3	y=0.632x+7.730	0.721**
	S5	y=0.666x+7.276	0.733**
	S7	y=0.678x+7.171	0.735**
2017	CK	y=0.580x+10.234	0.637**
	S3	y=0.579x+10.402	0.628**
	S5	y=0.616x+9.776	0.642**
	S7	y= 0.600x+10.388	0.654**

**表示在P<0.01水平上显著相关。气温数据采用试验基地自动气象站观测值
** Indicates a significant correlation at P<0.01. The air temperature data were obtained from weather station of the experimental base

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2.6 食葵关键时期各处理0—40 cm土层平均土壤含水量变化特征

表3为2015—2017年4种处理下食葵关键时期0—40 cm土层平均土壤含水量变化情况。从不同秸秆隔层处理来看,灌水后0—40 cm土层3年平均土壤含水量表现为S7>S5>S3>CK处理,且不同灌溉时期、不同秸秆隔层处理及其交互作用均对土壤含水量有显著影响（P<0.05）;从食葵关键时期来看,2015年灌溉前、收获后S7处理土壤含水量分别较CK处理显著降低了8.0%、6.9%（P<0.05）;灌溉后S3、S5、S7处理土壤含水量均随秸秆隔层厚度的增加逐渐增加,分别较CK处理显著提高了3.8%、6.2%、6.7%（P<0.05）。2016年灌溉前、收获后S7处理土壤含水量分别较CK处理显著降低了10.5%、4.5%（P<0.05）;灌溉后S7处理土壤含水量较CK处理显著增加了2.7%（P<0.05）,各灌溉时期均值表现为灌溉后>灌水前>收获后。2017年3个关键时期土壤含水量变化趋势与2016年相一致,收获后S3、S5、S7处理土壤含水量分别较CK处理显著降低了1.5%、2.7%、4.5%（P<0.05）,且S5与S7处理差异显著。

Table 3
表3
表32015—2017年食葵关键时期0—40 cm土层平均土壤含水量
Table 3The average soil water content of 0—40 cm soil layer during the key period of sunflower from 2015 to 2017

年份 Year	处理 Treatment	灌溉前土壤含水量 Soil water content before irrigation (%)	灌溉后土壤含水量 Soil water content after irrigation (%)	收获后土壤含水量 Soil water content after harvest (%)
2015	CK	11.01±0.17a	19.64±0.14c	21.42±0.22a
	S3	10.21±0.21bc	20.38±0.02b	21.12±0.23ab
	S5	10.73±0.19ab	20.86±0.04a	20.99±0.07ab
	S7	10.13±0.12c	20.95±0.05a	20.64±0.12b
2016	CK	25.37±0.13a	27.05±0.09b	20.04±0.09a
	S3	24.32±0.01b	27.67±0.02a	19.73±0.24ab
	S5	23.12±0.04c	27.73±0.06a	19.46±0.03bc
	S7	22.71±0.24c	27.77±0.12a	19.09±0.21c
2017	CK	21.53±0.13a	25.75±0.05b	21.24±0.12a
	S3	21.16±0.16b	26.07±0.22ab	20.88±0.09b
	S5	20.92±0.06b	26.31±0.1a	20.49±0.09c
	S7	20.51±0.07c	26.33±0.1a	19.76±0.08d

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从3年不同时期平均土壤含水量来看,灌溉前S3、S5、S7处理土壤含水量较CK处理分别显著降低了3.8%、5.4%、7.9%（P<0.05）,土壤含水量随秸秆隔层厚度增加逐渐降低,各处理间差异显著;灌溉后S7处理较CK处理显著增加了3.6%（P<0.05）;收获后S3、S5、S7处理土壤含水量较CK处理分别显著降低了1.0%、3.1%、5.4%（P<0.05）,S5、S7处理间差异显著。

2.7 不同处理食葵生长特性以及产量的变化

2015年因种植时间较晚,未获得作物产量。2016—2017年不同处理食葵产量、水分利用效率和灌溉水分生产率见表4。2016年S3、S5、S7处理下食葵产量分别较CK处理显著增加了14.1%、28.4%、21.1%,水分利用效率分别较CK处理显著提高了25.9%、38.1%、37.1%（P<0.05）,灌溉水分生产率趋势与产量一致;2017年S5、S7处理下食葵产量分别较CK处理显著增加了13.4%、12.3%,水分利用效率分别较CK处理显著提高了11.1%、10.0%（P<0.05）,S5、S7处理各指标连续两年均无显著差异。

Table 4
表4
表4不同处理食葵的产量和水分利用效率
Table 4Yield and water use efficiency of sunflower under different treatments

处理 Treatment	2016			2017
	产量 Yield (kg·hm-2)	水分利用效率 Water use efficiency （kg·hm-2·mm-1）	灌溉水分生产率 Irrigation water productivity (kg·m-3)	产量 Yield (kg·hm-2)	水分利用效率 Water use efficiency （kg·hm-2·mm-1）	灌溉水分生产率 Irrigation water productivity (kg·m-3)
CK	3923.63±87.37c	0.33±0.00c	2.12±0.05c	4463.99±84.99b	0.68±0.02b	2.41±0.05b
S3	4476.20±30.46b	0.41±0.01b	2.42±0.02b	4651.54±64.67b	0.68±0.01b	2.51±0.03b
S5	5037.02±136.11a	0.45±0.01a	2.72±0.07a	5060.83±68.48a	0.75±0.01a	2.74±0.04a
S7	4751.61±96.73ab	0.45±0.01a	2.57±0.0.05ab	5015.27±79.42a	0.75±0.01a	2.71±0.04a

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3 讨论

土壤温度是改变植物所受温度变化的基础^[5],影响植物根系生长^[19,20]、土壤呼吸^[21]、氮循环、土壤微生物活动和有机物的利用效率^[22,23,24],其受地表附近热平衡状况、太阳辐射、大气温度、覆盖状况、土壤持水状况、土壤自身属性以及微生物活动等诸多因素影响^{[5, 25-26]}。有研究表明秸秆深埋能有效提高耕层土壤温度^[7,10]。本研究通过连续3年对不同厚度秸秆隔层条件下食葵全生育期0—30、30—40和40—50 cm土层范围内土壤温度的监测,发现不同处理下各土层平均温度均随生育期的延长呈现先升高（增温范围分别为6.8—7.1、5.6—6.3和5.2—5.8℃）后下降（降温范围在11.9—12.8、9.7—10.4和9.1—9.3℃）的趋势,0—30、30—40 cm土层连续3年食葵全生育期不同厚度秸秆隔层处理（S3、S5和S7）土壤温度均高于CK处理,尤其在播后40—60 d这一阶段各处理间土壤温度差异较明显（2015年30—40 cm土层除外）,并且30—40 cm土层较0—30 cm土层各处理间土壤温度波动较大。产生此现象可能是因为土壤固、液、气三相组成中,固体部分相对于水和空气较稳定,而水的热容量远大于空气热容量,因此土壤温度的变化主要取决于土壤中水分含量的多少^[27],在作物生长后期降水较少蒸发强烈,水分以上行为主,秸秆隔层处理抑制了深层土壤水分上移^[15],尤其在收获后表现更为明显,S5、S7处理3年0—40 cm土层平均土壤含水量较CK处理显著降低了3.1%—5.4%,使S5、S7土壤温度较S3、CK处理高。40—50 cm土层在食葵生育前期,S3、S5、S7处理土壤温度均高于CK处理,在食葵生育后期表现出与前期相反的趋势,这一方面可能是因为生育前期秸秆隔层阻碍了水分向下入渗,与无秸秆隔层处理相比,秸秆隔层处理降低了40—50 cm土层土壤含水量,导致土壤热容量减小,从而提升土壤温度;在生育后期,气温逐渐升高（图1）,食葵蒸腾作用加强,加大耗水量,秸秆隔层抑制地下水上行,造成大量水分聚集在隔层下部,增大土壤热容量,降低土壤温度^[25];另一方面可能是与食葵生育期作物覆盖度有关,食葵生育前期植株冠层小、作物覆盖度低,地面接收太阳辐射较多,太阳辐射对地温的影响大于秸秆隔层处理,而食葵生育后期植株冠层增大、作物覆盖度高,地面接收太阳辐射较少,此时秸秆隔层对土壤温度的影响相对较大^[5,28],这同时也解释了30—40、40—50 cm土层各处理间土壤温度差异较0—30 cm土层大的原因。

从食葵各生育时期来看,与无秸秆隔层处理相比,秸秆隔层处理土壤温度均呈现增温趋势,不同时期各秸秆隔层处理增温幅度不同（表1）,3个食葵生长季均表现为苗期增温幅度最大,蕾期、花期次之,成熟期最小,秸秆隔层处理在花期差异显著。推测原因可能与食葵生长前期当地昼夜温差较大以及秸秆隔层有关,生育前期受灌水和秸秆隔层的影响,S3、S5、S7处理秸秆隔层上部（0—40 cm）3年平均土壤含水量分别较CK显著增加了2.3%、3.4%、3.6%,使秸秆隔层处理土壤热容量增大,白天吸收较多热量,晚上降温缓慢,有利于提升土壤温度;花期主要集中在7月下旬及8月上旬,此时为全年气温最高的两个月（图1）,蒸降比大,作物耗水量多,秸秆隔层阻止水分上行,造成秸秆隔层上部土壤含水量低,土壤热容量减小,土壤温度升高,不同厚度秸秆隔层阻水程度不同^[15],因此各处理间差异较大。另外,从本试验结果来看,连续3年秸秆隔层处理土壤温度始终高于无秸秆隔层处理,在花期不同处理间差异较大,表现为CK≤S3<S5<S7,并且S5、S7处理土壤温度均在前两年显著高于CK处理,第3年仅S7处理增温显著。这可能是由于秸秆隔层的存在改变了土壤均匀的构型,增加了土壤大孔隙数量,降低了土壤热容量,使土壤更易升温^[29,30,31],但随着秸秆埋设时长的增加,秸秆腐解程度加剧^[32],逐渐被压实,大孔隙数量减少,其自身各项特性接近土壤本身,从而出现随着秸秆埋设时长的增加,仅7 cm厚的秸秆隔层处理与无秸秆隔层处理的土壤温度存在显著差异的现象。

土壤温度变化与土层深度变化有一定的对应关系。本试验结果也表明连续3年不同处理土壤温度整体上均随土层加深而降低,这与李萌等^[33]研究结果相一致。这是由于土壤温度的变化是通过土壤随着太阳辐射和大气温度的变化吸收或释放能量的过程来反映的,随着土层的加深,土壤温度受太阳辐射和大气温度的影响逐渐减小^[34],加剧了地温变化的滞后效应,食葵生育期主要集中在夏季气温上升期,土壤热量由表层传向深层^[34,35],因而土壤表层温度高于深层。此外本研究还发现连续3年在30—40 cm土层以S7处理增温效果最显著,这可能是秸秆隔层对热传导影响的结果,由于秸秆的加入打破了原有土壤自然结构,增加了土壤大孔隙数量,降低了土壤导热性,同时提高了土壤有机质及养分含量,而有机质的热容量较大,温度不易升高^[29,30,31],而S7处理相较于S3、S5处理,秸秆用量较多,隔层较厚,因此在30—40 cm土层S7处理温度最高。

本研究中不同厚度秸秆隔层处理下土壤和大气温度间具有极显著正相关关系（P<0.01）,这与陈继康等^[34]、庞明亮等^[35]研究相一致。此外,本研究中连续3年5 cm厚度秸秆隔层处理下回归方程斜率和R²均高于CK处理,说明秸秆隔层处理增强了土壤温度对大气温度变化响应的敏感性,使其与大气温度变化联系更为紧密,且S5、S7处理的土壤温度与大气温度斜率均随年份的增加逐渐减小,这是因为土壤由固、液、气三相组成,且固体部分相对于水和空气较稳定^[27],秸秆隔层处理降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度,增强通气性^[31,36-37],在降水时能增加上层土壤含水量,干旱时抑制土壤水分上升,增加下层土壤含水量^[27],因此相较于无秸秆隔层处理,秸秆隔层处理降低了土壤比热容,从而增强了土壤温度对大气温度变化响应的敏感性,并且随着秸秆埋设时长的增加,秸秆逐渐腐解,土壤孔隙度减少,通气性、阻水抑水效应逐渐减弱^[27,32],因而土壤温度对大气温度的响应随秸秆埋设时长的增加而减弱。

本试验中,从食葵关键时期0—40 cm土层3年平均土壤含水量来看,与无秸秆隔层处理相比,秸秆隔层处理降低了灌溉前和收获后土壤含水量,但提高了灌溉后土壤含水量（表3）,这与ZHAI等^[38]、ZHANG等^[14]发现地表下深埋秸秆在水分入渗过程中能够增加上层土壤水分含量,而在蒸发过程中降低了深层土壤水分蒸发,有效阻隔水分上行,增加深层土壤含水量的结果相一致,并且本研究发现不同灌溉时期、不同秸秆隔层处理间交互作用也对土壤含水量有显著影响。推测原因一方面可能是由于秸秆隔层的存在切断了蒸发层土壤与深层的毛管联系,使土壤通透性和导水能力发生改变,降低了土壤入渗能力和蒸发能力^[1,14,28,39],灌水前和收获后土壤以蒸发上行为主,隔层上部土壤由于蒸发作用水分散失较多,并且秸秆隔层内部大孔隙中填充的空气形成的阻隔层,抑制深层水分向上运移;另一方面可能是秸秆深埋增加了土壤大孔隙数量,降低了土壤容重,使土壤疏松,在水分上行时期蒸发严重^[1,31],从而降低隔层以上土壤含水量。而在灌水后,水分以入渗为主,秸秆隔层内部水分运移阻隔层延长了入渗水分在隔层上部停留时间^[14],从而提高隔层上部土壤含水量,并且秸秆隔层厚度不同,隔层内部大孔隙数量不同^[14],故而对土壤水分入渗和蒸发的抑制作用存在差异,出现土壤含水量提高或降低幅度均随秸秆厚度的增加逐渐降低的现象。从3年土壤水分动态变化来看,随着秸秆逐渐腐解,土壤孔隙度减少,秸秆隔层阻水效应逐渐减弱,导致秸秆埋设两年后灌后S3、S5、S7处理间土壤含水量无显著差异,在第3年表现更为明显。

从各处理下食葵产量来看,两年的产量均以5、7 cm厚度秸秆隔层处理增幅较大,但两处理间没有显著差异。这是因为土壤盐渍化是内蒙古河套灌区限制作物生长的主要因素之一,盐渍危害导致作物出苗、保苗困难,减产严重^[3,14],但秸秆隔层可提高灌溉脱盐效率,秸秆隔层越厚,根系分布层（0—40 cm）土壤保水淋盐效果越强,形成“苗期根域淡化层”,为作物出苗创造了“高水低盐”的土壤环境,提高作物出苗率^[3,15],为后期食葵生长奠定基础。另外秸秆隔层在食葵生育前期具有蓄水、保温作用,为植物根系抵御土壤温度的急剧变化提供了保护,同时增强了食葵根系吸收养分、水分的能力,提高了食葵对水分的利用效率,促进植物生长和增产,随着时间的推移,秸秆逐渐腐解,土壤状态逐渐接近未施用秸秆时的状态,尤其是3 cm厚度秸秆隔层处理表现较为明显,与CK处理间无显著差异。

4 结论

秸秆隔层处理在整个生育期0—40 cm土层均表现出增温趋势,在苗期增温最显著,在花期秸秆隔层处理间差异显著。40—50 cm土层秸秆隔层处理在食葵苗期、蕾期表现出增温趋势,在生长后期表现出降温趋势。土壤温度和大气温度间具有极显著的正相关关系,并且秸秆隔层处理使土壤温度对大气温度变化的响应更敏感。秸秆隔层处理能够降低灌溉前、收获后0—40 cm土层平均土壤含水量,同时提高灌溉后平均土壤含水量。S5与S7秸秆隔层处理能够促进食葵生长、提高食葵对水分的利用效率,并增加食葵产量,但两处理间无显著差异。综合考虑土壤温度、作物水分利用效率等,5 cm厚度秸秆隔层处理最适宜在内蒙古河套灌区推广应用。

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