王 樂, 何平如, 張紅玲, 張 娜, 杜 斌

(1.寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院, 銀川 750021; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室/西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100)

寧夏引黃灌區(qū)是寧夏回族自治區(qū)重要的商品糧油生產(chǎn)基地，灌溉面積42萬hm2，占全區(qū)有效灌溉面積的73%。由于部分區(qū)域地形低洼，地下水埋深淺，農(nóng)田建設(shè)不配套等因素，局部區(qū)域土壤出現(xiàn)鹽漬化。據(jù)2012年土壤鹽堿化調(diào)查結(jié)果，寧夏全區(qū)約30.5%的耕地面積存在不同程度的鹽堿化情況。鹽堿地改良與綜合治理，已成為提高耕地質(zhì)量、增加農(nóng)民收入的關(guān)鍵。

作為寧夏回族自治區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)之一，設(shè)施蔬菜近年來得到迅猛發(fā)展[1-2]。但設(shè)施蔬菜栽培中土壤次生鹽漬化問題在寧夏普遍存在，而且已經(jīng)成為制約寧夏設(shè)施蔬菜發(fā)展的“瓶頸”，嚴(yán)重影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益。番茄(Lycopersiconesculentum)作為我國主要的茄果類蔬菜之一，在寧夏得到廣泛種植，植株耐鹽性較弱[3-4]，85%左右的根系分布在0—40 cm深度土層中[5]，當(dāng)根區(qū)土壤飽和提取液的電導(dǎo)率超過2.5 dS/m時，番茄產(chǎn)量開始降低[6]，因此在寧夏溫室番茄栽培過程中，往往受到土壤鹽分等因素的影響造成減產(chǎn)，影響番茄種植的經(jīng)濟效益和農(nóng)田土壤可持續(xù)開發(fā)利用。

秸稈深埋是鹽堿地改良的有效措施之一，研究結(jié)果表明，秸稈深埋能夠通過調(diào)控土壤水分蒸發(fā)，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機碳氮含量，抑制地表返鹽，達到改良鹽堿地和促進作物生長發(fā)育的目的[7-9]。通過在地表以下一定深度范圍內(nèi)鋪設(shè)秸稈隔層，在水平方向上形成層狀，破壞土體中毛細(xì)管的連續(xù)性，阻礙因表土蒸發(fā)作用導(dǎo)致的水分自下而上運移，減少深層土壤鹽分隨水分向表層遷移[10]，減輕作物受到的鹽分脅迫，不僅能夠有效抑制地下水淺埋區(qū)非飽和土壤中水肥的“下行趨勢”，達到“節(jié)水節(jié)肥”的目標(biāo)，還能夠有效阻斷地下水淺埋區(qū)土壤鹽分的“上行趨勢”，達到“阻鹽”的目標(biāo)，有利于作物高產(chǎn)[11]。作物秸稈是一種碳含量豐富的能源物質(zhì)，秸稈還田腐爛后能提高土壤的有機質(zhì)含量和氮素含量，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，有助于提高土壤肥力，增加耕地的碳匯能力[12-17]。另外，大量學(xué)者研究表明，秸稈和地膜覆蓋對土壤特性也具有顯著影響。由于秸稈和地膜覆蓋可以有效降低地表溫度、阻隔土壤水汽輸送，減緩水分子從土壤向大氣擴散，限制覆蓋層下部潛水蒸發(fā)，顯著提高了表層土壤的儲水量，有效抑制了表層土壤返鹽[18-22]。

目前，綜合覆膜和秸稈深埋措施的研究相對較少，為了進一步比較覆膜和秸稈深埋措施對土壤特性及番茄產(chǎn)量的影響，探究覆膜和秸稈深埋結(jié)合措施的適宜性，本文通過開展田間試驗，對比分析覆膜和秸稈深埋措施對番茄溫室栽培中土壤水分、鹽分、養(yǎng)分及番茄產(chǎn)量的影響，旨在探究一種適合溫室番茄栽培的農(nóng)藝措施，以期為寧夏引黃灌區(qū)溫室設(shè)施番茄栽培的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年在寧夏銀川國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)科技開發(fā)區(qū)連棟溫室種植區(qū)開展，試驗區(qū)位于寧夏青銅峽灌區(qū)賀蘭縣北部(106°19′E，38°35′N)，屬中溫帶干旱大陸性氣候，降雨稀少蒸發(fā)強烈，年均氣溫8.2℃，年均降雨量為138.8 mm[23],全年≥10℃的有效積溫為3 281.6℃，光熱資源充足，適宜于發(fā)展溫室栽培種植技術(shù)。根據(jù)土壤質(zhì)地分類，0—60 cm表層土壤為粉質(zhì)黏土，土壤容重為1.47 g/cm3，田間持水率(重量含水率)為21.14%，土壤pH為8.55，土壤堿解氮含量為57.4 g/kg，有效磷含量為37.55 mg/kg，速效鉀含量為72.77 mg/kg。試驗區(qū)平均地下水埋深為在1.2 m，平均礦化度為0.46 g/L，符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以番茄為供試作物，品種為“粉大1號”，試驗設(shè)置T1(地表覆膜且深埋秸稈)、T2(地表不覆膜，但深埋秸稈)、T3(地表覆膜不埋秸稈)、T4(地表不覆膜且不埋秸稈)4個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共12個小區(qū)，試驗小區(qū)面積為27 m2(長600 cm×寬450 cm)且隨機區(qū)組排列，各試驗處理四周挖深1 m 后用雙層塑料布阻隔，再用土回填，保證各處理的試驗小區(qū)之間互不影響。試驗于2018年8月25日埋設(shè)秸稈，為不影響到土壤耕作作業(yè)和作物根系生長，T1，T2處理均在距地表以下40 cm埋設(shè)秸稈層，將整個小區(qū)土壤0—20 cm和20—40 cm按層次分別取出，并分開放置，然后把已風(fēng)化半年左右的稻秸秸稈經(jīng)切割后均勻鋪設(shè)在整個試驗小區(qū)地表以下40 cm處，切割后的稻秸秸稈平均長度為10 cm，秸稈鋪設(shè)厚度為5 cm，秸稈鋪設(shè)重量約為1.2 kg/m，最后將土壤按原層次回填壓實；試驗于2018年8月27日起壟，壟高10 cm，壟寬45 cm(圖1)，T1，T3處理在起壟后沿壟覆白色塑料薄膜，薄膜寬度為90 cm，厚度為0.03 mm，沿壟兩側(cè)用土壓實。2018年9月3日單壟單行移栽，于2019年2月4日開始收獲，至2019年3月4日收獲完畢。作物行距75 cm，株距40 cm，定植番茄33 333株/hm2。

番茄移栽前在各試驗處理滴灌帶下20 cm深度處埋設(shè)真空表式負(fù)壓計(圖1)，于2018年8月28日對各試驗處理滴灌一次，灌溉定額為40 mm，自番茄移栽(2018年9月3日)后，每天觀測3 次(08：00，13：00，18：00)負(fù)壓計讀數(shù)，當(dāng)負(fù)壓計度數(shù)達到-20 kPa(此時滴灌帶以下20 cm深度處土壤含水率約為田間持水率的80%)時，立即灌溉一次，灌溉水取自當(dāng)?shù)販\層地下水(平均礦化度0.46 g/L)，單次灌水定額為20 mm，自番茄果實紅熟期開始，停止灌溉，防止番茄果實產(chǎn)生臍腐病。于起壟前各試驗處理均勻施入生物有機肥2 250 kg/hm2，尿素(N，46%)150 kg/hm2，重過磷酸鈣(P2O5，50%)192 kg/hm2，硫酸鉀(K2O，46%)180 kg/hm2。番茄植株開第一穗花時，隨水追施尿素150 kg/hm2和硫酸鉀45 kg/hm2；番茄第二穗果實膨大期隨水追施尿素150 kg/hm2和硫酸鉀45 kg/hm2和重過磷酸鈣24 kg/hm2；第四穗果實膨大期隨水追施尿素150 kg/hm2和硫酸鉀45 kg/hm2；第六穗花時隨水追施尿素150 kg/hm2和硫酸鉀24 kg/hm2。試驗的其他農(nóng)藝措施同當(dāng)?shù)厝展鉁厥曳逊N植模式。

圖1 番茄種植模式示意圖

1.3 測定項目及方法

2018年8月27日起壟后，在滴灌帶下方隨機選取20個取樣位置，自壟表面向下0—100 cm每間隔20 cm取一層土，利用環(huán)刀分層取原狀土，室內(nèi)測定土壤容重，并采用激光粒度分析儀(Master-sizer 3000，馬爾文儀器有限公司)分析各層土壤質(zhì)地，結(jié)果見表1；自起壟后每間隔7 d分別在各試驗處理滴灌帶下方隨機選取3個取樣點，利用直徑為40 mm的土鉆取0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm和80—100 cm土層土壤，測定土壤水分、鹽分、養(yǎng)分含量：采用重量法測定土壤質(zhì)量含水率；經(jīng)風(fēng)干、碾磨后過2 mm篩，制備土水比為1∶5的溶液，經(jīng)離心振蕩(轉(zhuǎn)速r=300 000/s)后，采用電導(dǎo)率儀(DDS-308A，上海精密科學(xué)儀器有限公司)測定EC1∶5，采用pH計(PHS-3C，上海精密科學(xué)儀器有限公司)測定土壤溶液pH；采用凱氏定氮法測定土壤溶液全氮[24]，采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤溶液有機質(zhì)含量、采用鉬銻抗比色法測定土壤溶液有效磷含量、采用火焰光度計法測定土壤溶液速效鉀含量、采用堿解擴散法測定土壤溶液堿解氮含量[25]。

表1 試驗田土壤物理性質(zhì)

自2019年番茄果實紅熟開始(2019年2月11日)，每間隔7 d采收一次，在番茄采收期記錄各試驗處理完好的紅熟果實數(shù)量，并在各處理中隨機選取7個測定單果質(zhì)量，計算單株產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)量。

灌溉水分生產(chǎn)率(IWUE)是衡量農(nóng)業(yè)灌溉科學(xué)性的綜合指標(biāo)之一，計算方程如下：

IWUE=Y/I

(1)

式中：Y表示番茄單位面積產(chǎn)量(kg/hm2)；I表示單位面積灌溉定額(m3/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2016繪圖并統(tǒng)計分析試驗所得數(shù)據(jù)，利用SPASS 20.0對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分動態(tài)變化

試驗測定的土壤含水率如圖2所示，各試驗處理的土壤含水率總體變化趨勢為土壤含水率隨著土層深度的加深而逐漸增大，表層(0—20 cm)土壤含水率在整個生育期都顯著低于深層，且80—100 cm土壤含水率最大。自番茄移栽(2018年8月25日)后，全生育期內(nèi)表層0—20 cm和20—40 cm土壤含水率T1>T2>T3>T4，且T1處理的土壤含水率顯著高于其他處理，T2處理和T3處理0—40 cm土壤含水率高于T4處理，另外，T2處理0—40 cm土壤含水率高于T3處理。圖2C表明T1，T2處理的40—60 cm土壤含水率顯著高于T3，T4處理，這說明相對不埋秸稈措施，埋設(shè)秸稈有助于40—60 cm土層蓄水。隨著番茄生長，T1處理40—60 cm土壤含水率減小幅度小于T2處理，這說明埋設(shè)秸稈并不能完全阻隔秸稈層以下土壤水分受表土蒸發(fā)影響，但能顯著降低秸稈層以下土壤水分的蒸發(fā)能力。移栽前，各試驗處理各土層的土壤含水率相差不大，移栽后(2018年9月3日)，T1，T2處理60—80 cm土層土壤含水率小于T3處理和T4處理。T1，T2處理在番茄生育期60—80 cm土壤含水率變化較小，T3，T4處理土壤含水率隨著番茄生育期推進而減小，這說明受表土蒸發(fā)影響，深層土壤水分向上運動，而秸稈可以阻礙水分向上運動。各試驗處理80—100 cm土壤含水率曲線出現(xiàn)交叉、重疊，土壤含水率差異較小。

2.2 土壤鹽分動態(tài)變化

各處理土壤鹽分動態(tài)變化見圖3，保墑水灌溉前(2018年8月27日)，各試驗處理土壤含鹽量相差較少，均隨土層深度的增加逐漸減小，表層土壤0—20 cm土壤含鹽量較高，平均為2.7 g/kg，20—100 cm土層土壤含鹽量較低為0.85～1.94 g/kg。番茄移栽前(2018年9月3日)，各試驗處理0—40 cm土壤含鹽量大幅度減小，40—60 cm土壤含鹽量顯著增大，這說明灌溉水將表層土壤鹽分淋洗到40 cm土層以下，T1，T2處理60—100 cm土壤含鹽量小于T3，T4處理，這說明灌溉水將T3，T4處理的表層土壤鹽分淋洗到60 cm土層以下，由于埋設(shè)的秸稈層有阻水作用，T1，T2處理的保墑水對表層土壤鹽分淋洗作用有限，鹽分聚集在秸稈層以下40—60 cm處。隨著番茄生育期的推進，覆膜和深埋秸稈對土壤鹽分的影響逐漸明顯，各處理耕作層土壤含鹽量大小依次為T4>T2>T3>T1，40—60 cm土壤含鹽量大小依次為T1>T2>T4>T3，各試驗處理60—100 cm的土壤含鹽量大小依次為T1>T3>T2>T4。番茄收獲完畢后(2019年3月4日)，T1，T3處理0—40 cm土壤含鹽量顯著低于T2，T4處理，T1處理0—40 cm土層平均含鹽量相比T2，T3，T4處理分別降低了14.75%，8.24%和27.94%。

圖2 各試驗處理土壤含水率

圖3 各試驗處理土壤含鹽量

2.3 番茄全生育期內(nèi)土壤鹽分變化

自儲水灌溉前(2018年8月27日)至收獲完畢(2019年3月4日)各層土壤鹽分變化量見圖4。除T4處理外，各試驗處理0—40 cm土層均脫鹽，這說明在設(shè)計灌溉制度下，覆膜或深埋秸稈措施均能促使表層土壤鹽分得到有效淋洗。T1處理相比T2，T3處理0—40 cm土壤積鹽量分別降低67.39%和49.51%。番茄苗期根系主要分布在0—20 cm土層，后期番茄根系主要分布在0—40 cm土層，T1處理0—40 cm土層脫鹽量最多，為番茄根系生長提供良好的生長環(huán)境，鹽分積累主要發(fā)生在40—100 cm土層，說明地膜覆蓋與秸稈深埋結(jié)合措施對減輕番茄耕作層土壤鹽分具有顯著作用。各試驗處理40—80 cm土壤積鹽量相差不大。

圖4 各試驗處理土壤鹽分變化量

2.4 耕作層土壤養(yǎng)分

秸稈埋設(shè)在距地表40 cm深度處，本研究主要考慮耕作層(0—40 cm)土壤養(yǎng)分情況，如表2所示，T1，T2處理土壤有機質(zhì)、速效鉀、堿解氮顯著高于T3，T4處理，與播前土壤養(yǎng)分含量相比，T1，T2處理在番茄收獲后土壤中的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、堿解氮均有所增加，但土壤有效磷含量減小。相對于T4處理，番茄收獲后T1，T2和T3處理的土壤有機質(zhì)含量分別提高1.8 g/kg，2.4 g/kg，0.5 g/kg，土壤全氮含量分別提高0.09 g/kg，0.17 g/kg，0.02 g/kg，土壤有效磷含量分別提高24.5 g/kg，18.4 g/kg，17.6 g/kg，土壤速效鉀含量分別提高47.22%，34.26%和8.33%，堿解氮含量分別提高13.25%，21.69%和1.20%。各試驗處理的土壤PH相差不大，這說明地表覆膜和深埋秸稈對番茄耕作層的pH影響不顯著。

表2 番茄收后各試驗處理表層0-40 cm土壤養(yǎng)分

2.5 番茄產(chǎn)量及IWUE

各試驗處理對應(yīng)的番茄產(chǎn)量見表3。各試驗處理之間番茄單株果數(shù)沒有明顯差異，但T1，T2處理的平均單果質(zhì)量顯著高于T3，T4處理，T1處理、T4處理與T2處理和T3處理產(chǎn)量相差顯著，且T1處理產(chǎn)量最高，T4處理產(chǎn)量最低，T2，T3處理產(chǎn)量居中。相對于T4處理，T1，T2，T3處理番茄果實產(chǎn)量分別提高13.65%，7.64%和2.94%。T4處理灌溉定額最大為260 mm，T1處理灌溉定額最小為220 mm，相對于T4處理，T1處理、T2處理、和T3處理分別節(jié)水23.08%，7.69%和15.38%。T1處理IWUE最大為56.55 kg/hm2，T4處理IWUE最小為38.28 kg/hm2。

表3 各試驗處理番茄產(chǎn)量及IWUE

3 討 論

番茄生育期內(nèi)，土壤含水率隨著土層深度的增加而增大，各試驗處理表層40 cm土壤含水率呈現(xiàn)T1>T2>T3>T4，這說明覆膜和深埋秸稈都有助于耕作層(0—40 cm)儲水保墑，且深埋秸稈措施對耕作層的儲水保墑作用大于覆膜措施。T1，T2處理40—60 cm土壤含水率大于T3，T4處理，這說明深埋秸稈有助于40—60 cm土層蓄水，降低秸稈層以下土壤水分蒸發(fā)能力。灌溉保墑水后，T1，T2處理40—60 cm土壤含水率大于T3，T4處理，但60—80 cm土壤含水率小于T3處理和T4處理，這說明T1，T2處理在地表以下40 cm處埋設(shè)的秸稈阻礙了灌溉水的進一步下滲。各試驗處理80—100 cm土壤含水率差異較小，這說明覆膜和深埋秸稈措施對深層土壤的水分影響較弱。灌溉保墑水前土壤鹽分主要集中在表層20 cm，灌溉保墑水后，表層40 cm土壤鹽分顯著減少，這說明40 mm滴灌定額可以有效淋洗表層40 cm土壤鹽分，另外T1，T2處理60—100 cm土壤含鹽量小于T3，T4處理，這說明在40 mm滴灌定額下，埋設(shè)秸稈在一定程度上阻礙了灌溉淋鹽作用。番茄生育期內(nèi)，T1處理表層40 cm土壤含鹽量最低，這說明覆膜和秸稈深埋措施相結(jié)合使得番茄耕作層(0—40 cm)土壤在整個生育階段保持相對較低的鹽分水平，減輕了番茄植株受到的鹽分脅迫。T2處理在番茄生育期內(nèi)由于有秸稈隔層，保墑水灌溉后上層土壤鹽分不能充分淋洗至深層(60 cm以下)，由于T2，T4處理沒有地表覆膜，受表土蒸發(fā)影響明顯，鹽分在0—40 cm土層聚集，但由于T2處理在地表以下40 cm埋設(shè)有秸稈，阻礙深層鹽分隨水分向地表遷移，T2處理表層40 cm土壤鹽分小于T4處理。另外由于T3，T4處理灌溉水淋洗表層土壤鹽分效果較好，T3處理因地表覆膜相比T4處理受表土蒸發(fā)影響較小，耕作層鹽分積累量減小。與本文研究結(jié)果類似，趙永敢等[26-27]在河套灌區(qū)研究“上膜下秸”措施對土壤水鹽運移的調(diào)控作用，研究結(jié)果表明，“上膜下秸”措施可以提高隔層上部的土壤含水率，抑制土壤蒸發(fā)，阻隔鹽分上行，減輕鹽分表聚，為向日葵根系生長創(chuàng)造了“高水低鹽”的土壤環(huán)境。

田間試驗結(jié)果表明，T1，T2處理番茄收獲后土壤有機質(zhì)含量和土壤全氮含量顯著高于T3，T4處理，這說明深埋秸稈可以顯著提高土壤有機質(zhì)及全氮含量，這與叢艷靜等[28-29]研究結(jié)果類似，叢艷靜等研究秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，常規(guī)施肥下秸稈還田顯著提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量均有不同程度增加。秸桿深埋作為一種生態(tài)農(nóng)藝措施，既能阻控土壤氮素的流失，提高氮素的利用效率，又能促進秸桿腐爛產(chǎn)生的有機質(zhì)及營養(yǎng)元素的充分利用，為作物生長提供一個良好的土壤養(yǎng)分環(huán)境，從而促進作物生長、提高產(chǎn)量。本研究中，T1處理番茄單位面積產(chǎn)量最高，其次是T2處理，T4處理產(chǎn)量最低，另外，T1處理IWUE最高，T3處理IWUE次之，T4處理IWUE最低。這說明，深埋秸稈和覆膜措施均能顯著提高番茄產(chǎn)量，深埋秸稈措施對番茄產(chǎn)量的影響相對覆膜更明顯，覆膜結(jié)合深埋秸稈措施進一步提高番茄產(chǎn)量。這可能是由于深埋秸稈措施提高了番茄耕作層土壤養(yǎng)分含量，促進了番茄果實生長，提高了單果質(zhì)量。覆膜雖然對番茄單果質(zhì)量影響不顯著，但能增加表層土壤水分含量，減少膜內(nèi)表土蒸發(fā)，降低耕作層內(nèi)土壤鹽分含量，促進番茄生殖生長，提高產(chǎn)量，另外覆膜可以減少番茄果實與灌溉水分的接觸，降低臍腐病等發(fā)病率，減少果實腐壞數(shù)量。覆膜和深埋秸稈均能節(jié)約灌溉用水，提高水分利用效率，且相對于深埋秸稈，覆膜的節(jié)水效果更明顯，覆膜和深埋秸稈相結(jié)合是提高水分生產(chǎn)效率的有效措施。

本研究僅開展一年，缺乏對土壤水鹽的長期監(jiān)測，另外，深埋秸稈可能對番茄耕作層土壤溫度產(chǎn)生影響，在進一步研究中，應(yīng)該綜合考慮深埋秸稈對土壤(水、肥、氣、熱、鹽)及作物(生長指標(biāo)、產(chǎn)量構(gòu)成及果實品質(zhì))的影響，并進行長期監(jiān)測。

4 結(jié) 論

(1) 覆膜和深埋秸稈都有助于耕作層(0—40 cm)儲水保墑，但對深層(80 cm以下)土壤水影響較小。在設(shè)計灌溉制度下，深埋秸稈措施對耕作層的儲水保墑作用大于覆膜措施。

(2) 番茄移栽前，40 mm滴灌定額可以有效淋洗表層40 cm土壤鹽分；覆膜和秸稈深埋措施均能降低番茄耕作層(0—40 cm)土壤在整個生育期內(nèi)的鹽分水平，減輕番茄植株受到的鹽分脅迫，覆膜和深埋措施相結(jié)合是調(diào)控耕作層土壤鹽分的最佳措施，相比覆膜或秸稈深埋單一措施脫鹽49.51%～67.39%。

(3) 深埋秸稈可以顯著提高土壤養(yǎng)分含量，提供高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，但覆膜措施對土壤養(yǎng)分的影響并不明顯。

(4) 深埋秸稈和覆膜措施均能顯著提高番茄產(chǎn)量，減少灌溉水量，提高灌溉水分利用效率，且深埋秸稈措施相對覆膜措施對番茄產(chǎn)量影響更明顯，但覆膜措施在提高灌溉水分利用效率方面作用更大。