滨海盐碱地覆膜和灌溉对玉米盐分离子分布及生物量的影响

叶澜涛，周青云，李松敏，马 波，王 航，尹林萍

(1. 天津农学院水利工程学院，天津 300384；2. 中美生态农业与水环境保护国际联合研究中心, 天津 300384；3. 天津市农业水利工程技术工程中心，天津 300384)

土壤盐碱化已经成为当今世界最严重的危害之一[1]，我国盐碱地占全球盐渍土总面积的10.4%，我国盐渍土面积约占耕地面积的10.3%，大多分布在北方干旱半干旱地区及滨海平原地带。研究表明，盐碱胁迫是限制农作物生长发育及产量的主要环境因素之一[2]。

盐胁迫主要引起植物渗透胁迫、离子毒害和矿质营养缺乏，在受到盐胁迫时植物对K+、Ca2+等离子的吸收受到影响，细胞内的离子平衡被打破，代谢发生紊乱，严重影响植物的生长发育[3]。因此，许多学者在不同盐胁迫水平下，研究了粮食作物和耐盐作物盐离子的含量及分布特征，探究作物减轻盐碱胁迫的机理，寻找适合盐碱地生长的作物[3-6]，并研究了盐分胁迫下植物生长及生理代谢反应[2-5]。还有很多学者研究了不同栽培方式对盐碱地的治理作用，研究表明，覆膜农艺措施结合滴灌节水技术，依据盐渍土水盐运动“盐随水来，盐随水去”的特点，控制土壤水分蒸发可以减轻盐分表聚，达到盐碱地改良的目的，能为作物提供一个良好的生长环境，可以增加作物产量，同时提高水分利用效率，以期寻找更适合盐碱土的灌溉和栽培方式[7-12]。

天津作为滨海大城市，水资源极度短缺，同时盐碱土问题较为严重，盐碱土的治理及水资源的有效利用成为重点研究问题。玉米是我国最重要的粮食作物之一，天津滨海区玉米产量面临着土壤盐渍化的严重威胁。在不同的覆盖及灌溉等措施下，植物体内盐分离子质量分布及对作物生长的影响研究较少。本文研究覆膜滴灌条件下玉米盐分离子分布特征以及其对干物质累积和产量的影响，为盐碱地玉米丰产增收提供数据支撑，并对盐碱土的有效治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于天津市津南区葛沽镇，试验区面积为465 m2(50 m×9.3 m)，地处东经117°14′32″～117°33′10″，北纬38°50′02″～39°04′32″。该区土壤大体分为潮土和黑砂土，土壤表层约1 m深为黄色，其下为黑色砂土，还有一部分是蚌螺贝壳土，质属盐碱，pH值为8.4，土层平均盐分含量为4.5 g·kg-1，其土壤盐分主要来自海水，地下水埋深较浅，排水不畅，因此，该区土壤属于滨海重度盐渍化土。土壤盐分阳离子成分本底值及土壤质地见表1。

该区位于华北地区渤海沿岸，属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，春季干旱少雨多风，气温回升快，蒸发量大，常有春旱发生；夏季受大陆低压和太平洋热带高压影响，盛行东南风，高温高湿，炎热多雨，降水高度集中；秋季短促，气温下降快，降水少，昼夜温差较大；冬季漫长，受西伯利亚、蒙古高压控制，盛行西北风，气候干冷，雨雪稀少。年平均日照时数2 659 h，年平均相对湿度64%，年平均风速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，年平均气温11.9℃，极端年最高气温39.9℃，极端年最低气温-22.0℃，最热月(7月)平均气温为25.9℃，最冷月(1月)平均气温为-4.4℃，年平均无霜降206 d，平均积雪日数12.3 d，区内土地一般从11月20日前后开始冻结，翌年3月20日前后解冻，平均结冻期为120 d，最大冻土深度可达62 cm。

1.2 试验设计

田间试验供试作物为玉米(郑单958)，2017年4月22日播种，8月14日收获，全生育期115 d;2018年播种时间为5月14日，收获时间为8月22日，全生育期101 d。盐分离子分布特征研究引用2018年数据，干物质及产量研究引用2017、2018年2 a数据。株距均为25 cm，行距均为60 cm。农田灌水方式为滴灌，滴灌采用一行一管设置，滴灌带间距60 cm，管径1.6 cm，滴头间距30 cm，工作压力0.1 MPa，滴头流量1.38 L·h-1，农田灌溉水源为地下水。试验设置2种栽培方式(覆盖方式)，其中F表示覆膜处理，L表示露地处理；设置2种灌水量处理，分别以I10、I20表示，其中I10各生育期灌水定额为0～20 mm，I20各全育期灌水定额为20～40 mm，2017、2018年玉米全生育期内灌水时间与灌水定额见表2，试验布置见图1。2017、2018年玉米全生育期内降雨量及其分布见图2。

1.3 观测指标与测定方法

1.3.1 春玉米干物质及产量测定 采集玉米根、茎、叶样品的时间为苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期。取样时每个处理选取6株长势均匀的玉米植株，带回实验室将根、茎、叶分开，置烘箱105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，植物样品烘干后立即用电子秤称量。

春玉米成熟收获后，各试验小区随机选取2 m2的试验田，收获玉米果实并从4个处理中分别选取5株代表性的玉米植株进行考种，考种指标包括穗长、秃尖长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒重、穗轴重、百粒重。测产采取小区单打单收方法测定。

表1 阳离子成分本底值及土壤物理特性

图1 试验区布置Fig.1 Layout of the experimental site

表2 玉米各生育期灌水定额

1.3.2 玉米样品采集与盐分阳离子浓度测定 将植物样品称重后，用粉碎机粉碎后过50目筛，保存于密封袋内，注意将空气完全挤压出去。待测液采用硝酸-高氯酸消解的方法制备。准确称取样品粉末0.5 g，置250 ml锥形瓶中，加入8 ml硝酸-高氯酸混合液(3∶1)，摇匀，静置6 h，然后放置在电热板上加热消解，保持微沸，持续加热至消解液呈无色透明，冷却后加入去离子水配制的0.5%稀硝酸5 ml，转入25 ml量瓶中，用去离子水洗涤锥形瓶，洗液合并于量瓶中，定容至量瓶刻度，作为供试样品溶液。Na+、K+、Ca2+、Mg2+浓度采用火焰原子吸收分光光度法测定(AA-6300C)。

1.3.3 数据分析 试验数据采用Microsoft Excel 2010系统软件进行处理，采用SPSS 23.0软件进行统计分析，用LSD法进行多重比较。

1.3.4 模型验证 在模型校正与验证结果的评价中所用的误差统计指标有：平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)、模型效率(E)。其中R2和E用于评价模型的预测能力，MAE、RMSE用于显示模型预测中的误差。本研究中，利用式(1)～(3)指标来评价模型性能。当模型效率(E)和决定系数(R2)越接近1、MAE和RMSE越接近0时，表示模型性能越好。

(1)

(2)

(3)

2 结果与分析

2.1 盐分离子在植株叶、茎、根的分布特征

2.1.1 钠离子 从各器官钠离子分布情况来看(图3)，玉米根部Na+质量高于叶部、茎部。表明根系对于Na+的截留能力较强，从而减少了其对叶片代谢的干扰，即植株根系吸收盐分后，大部分贮藏在根部，不向或较少向叶部运输，以减少盐分对叶片的伤害。覆膜和灌溉对玉米根部的Na+质量积累影响显著，成熟期FI20处理比LI10小56%，各个处理差异具有统计学意义。

图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:不同字母表示处理间在P<0.05水平下具有显著差异，下同。Note: Different letters among different treatments indicate significant differences at the level of P<0.05. The same below.图3 不同处理玉米叶、茎、根钠离子的分布Fig.3 Distribution of Na+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

灌水定额相同情况下，抽穗期以前，覆膜和露地处理根部Na+差异较大，两个覆盖处理间差异具有统计学意义；成熟期，覆膜对玉米根部Na+吸收影响较大，覆膜使得土壤水分蒸发较少，植株体内盐分质量较小，明显减弱了玉米Na+吸收质量，有利于作物的生长，覆膜和露地处理差异显著。

覆盖条件相同情况下，成熟期灌水量大的处理，灌水对土壤进行了充分的淋洗，植株体盐分质量较小，根部的Na+的积累较少，不同灌水量处理差异显著。

2.1.2 钾离子 从各器官钾离子分布情况来看(图4)，玉米K+吸收积累的主要植株部位为茎部，叶部和根部相对较少。覆膜和灌溉对玉米K+吸收积累影响较大。覆膜与灌溉的交互作用使得茎部K+的积累质量增大，成熟期FI20处理比LI10大24%，不同处理差异显著。

在拔节期(播种后41 d)后茎部K+的吸收速度开始变大，在抽穗期(播种后69 d)茎部K+最大。灌浆期和成熟期，植株叶子不断老化掉落，4个处理K+质量均有所减小。

灌水定额为10 mm，抽穗期以前，覆膜和露地处理茎部K+质量差异较大，两个覆盖处理间差异具有统计学意义；成熟期露地处理水分蒸发较大，茎部K+质量增加并大于覆膜处理，露地处理通过提高K+浓度来提高植物的耐盐性，覆膜和露地处理差异不显著。灌水定额为20 mm，覆膜处理茎部K+质量显著大于露地处理。覆膜处理与露地处理差异性显著，覆膜增大了茎部的K+质量，有利于作物的生长。

覆膜条件下，灌水量大的处理茎部K+的积累质量较大，不同灌水量处理间差异显著；露地条件下，抽穗期后，灌水量小的处理茎部K+的积累质量较大，不同灌水量处理间差异不显著。

2.1.3 钙离子 从各器官Ca2+分布情况来看(图5)，玉米叶部Ca2+质量高于茎部、根部。灌溉和覆膜的交互作用极显著地影响叶部Ca2+质量，苗期FI20处理比LI10高96%。

灌水定额为10 mm，覆膜和露地处理叶部Ca2+质量差异显著。灌水定额为20 mm，覆膜处理叶部Ca2+质量大于露地处理，灌溉水量较大时，覆膜影响叶部的Ca2+质量，利于作物的生长。

覆膜条件下，抽穗期以前，灌水量大的处理叶部的Ca2+积累质量较大，成熟期，灌水量小的处理叶部的Ca2+积累质量较大，以改善玉米体内的离子平衡，减轻盐胁迫作用，不同灌水量处理差异显著。

图4 不同处理玉米叶、茎、根钾离子的分布Fig.4 Distribution of K+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

2.1.4 镁离子 从各器官Mg2+分布情况来看(图6)，苗期和拔节期，玉米叶部Mg2+质量显著高于茎部、根部。灌溉和覆膜的交互作用极显著增加叶部的Mg2+质量，拔节期FI20处理比LI10高136%。

灌水定额相同时，苗期和拔节期覆膜处理叶部Mg2+质量较大，两个处理差异显著。覆膜处理有助于增强植株叶片的光合作用，从而增强植株的耐盐性，利于作物的生长。

覆膜条件下，苗期和拔节期灌水量大的处理叶部的Mg2+积累质量较大，不同灌水量处理差异显著；成熟期，灌水量小的处理叶部的Mg2+积累质量较大，以改善玉米体内的离子平衡，减轻盐胁迫作用，不同灌水量处理差异显著。

图5 不同处理玉米叶、茎、根中钙离子分布Fig.5 Distribution of Ca+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

图6 不同处理玉米叶、茎、根中镁离子分布Fig.6 Distribution of Mg+ content in leaves, stems, and roots of maize under different treatments

2.2 不同处理对全生育期玉米干物质量的影响

2.2.1 玉米干物质量的变化规律 从苗期到成熟期，4种处理的生物量主要积累于地上部分，地下部分所占比例较小。

玉米地上部和根系干物质重均随着生育期的推进而增加，如图7，苗期各处理玉米地上部和根系干重相差不大，此时地上部和根系较小，生长缓慢。拔节期、抽穗期和灌浆期，覆膜和灌溉的交互作用改变了植物体内盐分离子质量，从而影响地上部和根系的生长。成熟期覆膜条件下，灌水量小的FI10处理生物量大于灌水量大的FI20处理，覆膜和灌水的交互作用有助于作物获得适当的生物量，覆膜且灌水量大的FI20处理植株的生物量比不覆膜灌水少的处理LI10高1%～46%。

2.2.2 不同处理对玉米植株根冠比的影响 由图8可知，覆膜和灌水对玉米植株根冠比(R/S)有显著影响。覆膜和灌溉改变了植物体内盐分离子质量，使生物量分配比例改变。灌水定额相同情况下，覆膜处理玉米不同生育时期的R/S小于露地处理，露地处理土壤水分蒸发量大于覆膜处理，土壤的含盐量较大，植株体内盐分钠离子质量增加，为适应植物体内外环境的改变，植株对生物量分配比例进行调节，同时通过根系的伸长生长来提高植物吸水能力，从而增大了植物的R/S。玉米生育期内，露地处理植株的R/S较大，R/S值为0.08～0.25，覆膜处理R/S较小，R/S值为0.07～0.21，成熟期根冠比(R/S)FI20处理比LI10小48%～52%。前人研究盐分胁迫较大时R/S值为0.14～0.46[13]，本研究土壤盐分胁迫较轻，R/S较小。

在覆膜条件下，玉米不同生育时期各处理的R/S随灌溉量的增加表现出增加的趋势，表明滴灌水淋洗土壤盐分之后，灌水量不同，植株体内盐分钠离子质量不同，影响了玉米地上部和根系生长，使生物量分配比例改变。

FI20、LI20和FI10 3个处理不同时期R/S均为单峰型曲线，R/S最大值均出现在拔节期前，而在抽穗期R/S较小，表明在该时期膜下滴灌玉米由营养生长转入到生殖生长，与前人研究结果一致[13]。受水量较少影响，处理LI10最大R/S出现在抽穗期，较其他3个处理延后转入生殖生长，成熟期R/S达到第二个高峰值。

图7 不同处理对玉米全生育期干物质量的影响Fig.7 Effects of different treatments on dry matter of maize in whole growth period

图8 不同处理对玉米植株根冠比的影响Fig.8 Effects of different treatments on root/shoot ratio of maize in whole growth period

2.2.3 玉米干物质量模拟研究

(1)玉米干物质量模型的建立。根据玉米对照处理的干物质量数据，采用广泛应用于作物生长模拟的Logistic曲线[14-16]建立了盐碱地玉米干物质累积模拟曲线。以生育天数为自变量(t)，以干物质量为因变量(y)，建立玉米干物质累积模拟模型，所采用Logistic曲线方程为：

(4)

式中，y为因变量；t为自变量；K为增长极限，用来表征系统变化的顶值；a为截距系数，用来表征基础状态参数；b为增长率系数，用来表征系统状态趋近顶级的速度。

模拟模型参数如下：K值为296，a值为0.865，b值为40.266，F检验为23.781，R2为0.888。

(2)玉米干物质量模型的修正。以上干物质量模拟模型中，并没有体现盐分对作物干物质累积的影响。由盐分钠离子质量分布特征的分析可知，作物体内的盐分钠离子对干物质累积影响较大，因此，使用2017年玉米盐分离子数据引入盐分离子修正系数。修正系数中，以盐分Na+质量作为自变量(x)，方程形式为二次抛物线形式，方程中各个参数见表3，方程如下：

(5)

γNa+=Ax2+Bx+C

(6)

式中,γ为因变量，为盐分Na+修正系数；x为自变量；A、B、C均为方程参数。

(3)玉米干物质量模型验证。利用2018年玉米试验数据对建立的玉米干物质量盐离子模型进行了验证，验证结果见表4和图9。模拟值与实测值之间采用预测误差统计法达到良好拟合。4个处理干物质模拟值和实测值较接近，其均方根误差(RMSE)在22.500～28.522之间，平均绝对误差(MAE)在18.289～22.924之间，模型效率(E)在0.954～0.982之间，决定系数(R2)在0.899～0.927之间，表明模拟值较接近实测值，呈现较好的拉长S形曲线，符合Logistic曲线的变化规律。建立的干物质累积模型以及盐分离子修正系数可以用来估算盐碱地玉米干物质的累积过程。

2.2.4 玉米产量构成因素分析 玉米产量构成因素包括有效穗数、穗粒数和百粒重。由表5可见，灌水定额为10 mm时，2017年地膜覆盖较露地种植产量显著增加了1.4倍，穗粒数增加了71%，百粒重增加了41%；2018年地膜覆盖较露地种植产量、穗粒数和百粒重增加较少。灌水定额为20 mm时，2017年地膜覆盖较露地种植产量增加了6.7%，穗粒数增加了2.6%，百粒重增加了4.0%，增加幅度较小；2018年地膜覆盖较露地种植产量增加了41%，穗粒数增加了40.9%，百粒重没有显著差异。

露地种植条件下，2017年灌水定额为20 mm比灌水定额为10 mm的产量显著增加了1.2倍，穗粒数增加了63%，百粒重增加了34%；2018年灌水定额为20 mm与灌水定额为10 mm产量、穗粒数和百粒重没有显著差异。地膜覆盖条件下，2017年灌水定额为20 mm比灌水定额为10 mm的产量增加3.4%，穗粒数增加了2.1%，百粒重增加了1.2%；2018年灌水定额为20 mm比灌水定额为10 mm的产量增加34.9%，穗粒数增加了28.1%，百粒重增加了5.4%。

图9 玉米干物质量模型模拟验证结果(2018年)Fig.9 Simulation results of maize dry matter model (2018)

表3 2017年玉米干物质模型修正参数

表4 2018年玉米干物质量模型修正预测误差统计量

表5 不同处理玉米产量及产量构成因素

结果表明，在覆膜条件下，灌水量适量有助于产量的增加。4个处理之间，覆膜FI20的玉米产量构成因素与其他3个处理间的差异具有统计学意义。

3 讨 论

Na+是盐渍土中主要的阳离子，Na+在植物体内过量积累，影响作物对 K+、Ca2+等营养物质的吸收，破坏作物体内的矿质营养平衡，使这些离子质量不足或使阳离子之间的平衡被破坏。作物体内过量地积累Na+是盐渍土地上作物受害、甚至无法生长的主要原因，因此降低作物体内的Na+质量，使之保持在一定范围是作物正常生长的重要前提。覆盖栽培措施，具有抑制返盐和杂草生长的农田生态效应[17]。通过覆膜和灌溉的交互作用极显著地降低了玉米根系中的Na+质量。

K+是一种重要的渗透调节离子，高浓度K+可以提高植物的耐盐性。K+和Na+是两个互为竞争性的元素，耐盐作物往往通过选择性吸收K+，提高K+/ Na+比来提高作物的抗盐性。K+主要存在于植物的茎部。灌溉和覆膜的交互作用极显著地增加了茎部的K+质量，K+质量增加有助于交换植物体内的Na+，减轻Na+对作物的离子伤害，有利于作物的生长。

Ca2+作为一种重要的信号传导物质，在维持细胞稳定性方面有重要的作用。Ca2+主要存在于植物的叶部，Ca2+是构成细胞壁的成分之一，适量的Ca2+能够促进作物幼根的生长和根毛的形成，对保持适当的细胞原生质胶体结构有很大的作用，过量的Ca2+，在植物体内积累会形成草酸钙(CaC2O4)结晶而产生毒害作用。灌溉和覆膜的交互作用极显著地影响了叶部的Ca2+质量，Ca2+在盐胁迫下可保护细胞的膜结构，且不影响植株体内 K+的质量，可缓解盐对于玉米的胁迫作用；甚至增加对K+的选择性吸收和运输，从而改善玉米体内的离子平衡。

Mg2+有利于增强植株叶片的光合作用，提高光能利用率，满足植物生长的光能需要，灌溉和覆膜的交互作用极显著地增加了叶部的Mg2+质量，从而增强植株的耐盐性。

覆膜与灌溉对玉米干物质的积累过程影响显著。玉米生育后期，露地和灌水量小的处理干物质累积速度较快，植物体内Na+质量较高，盐胁迫抑制了玉米生长发育，生殖生长与营养生长不协调，在生育后期营养生长仍很旺盛，造成抽穗期以后干物质量积累总量增加较快，但经济产量降低，与龚江等[18]的研究结果一致。盐胁迫下植物能够通过扩大生长量以平衡盐胁迫对根系吸收功能的损伤[19]。

根冠比(R/S)是在环境因素作用下，经过植物体内许多基本变化过程及自我适应、自我调节，最终表现出的综合指标，也是反映植物根系与地上部分生长协调的重要指标。盐碱地种植玉米，覆盖和灌溉措施可以减少植株体内Na+质量，植物处于轻度盐胁迫，生物量分配比例的改变有助于植物适应环境，提高抗盐性，覆盖和灌溉措施能促进作物生长发育和丰产早熟[20-21]。

覆膜与适量灌溉玉米的有效穗数、穗粒数和百粒重均较不覆膜和灌水少的处理有较大增加。覆膜栽培方式可提高作物产量29.4%～112.4%[22]。

通过以上分析，盐分胁迫影响作物生长，植物体盐分离子质量显著影响作物干物质量的积累过程，引入盐分因子，建立干物质累积曲线，可更加准确地体现盐分对植株生长的抑制作用。

本文仅用2 a的试验数据进行了玉米干物质模型的建立和验证，下一步还需加强试验数据的采集积累，完善模型的参数研究和模型的适用性研究。

4 结 论

1)覆膜和灌溉对玉米盐分离子质量的变化影响显著；显著减少了根部Na+吸收质量，成熟期FI20处理比LI10小56%，根系对于Na+的截留能力较强，从而减少了盐分对叶片的伤害；玉米K+吸收的主要植株部位为茎部，显著增大了K+的积累质量，成熟期FI20处理比LI10高24%，提高了植物的耐盐性；玉米叶部Ca2+质量最高，显著增加了Ca2+质量，苗期FI20处理比LI10高96%，促进了作物幼根的生长和根毛的形成，改善了玉米体内的离子平衡，减轻盐胁迫作用；玉米叶部Mg2+质量最高，显著增加了叶部Mg2+质量，拔节期FI20处理比LI10高136%，增强了植株叶片的光合作用，从而增强植株的耐盐性。

2)玉米地上部和根系干物质重均随着生育期的延长而增加，覆膜和灌溉改变了植物体内盐分离子质量，对玉米生物量的积累影响较大，覆膜且灌水量大的FI20处理植株的生物量最大，成熟期FI20处理比LI10大1%～46%；对玉米根冠比(R/S)有显著影响，使生物量分配比例显著改变，FI20处理植株的根冠比较小，成熟期根冠比(R/S)FI20处理比LI10小48%～52%。

3)采用Logistic曲线建立2017年干物质生长模拟方程，引入了盐分离子修正系数，拟合方程显著。利用2018年玉米试验数据对建立的玉米干物质盐离子修正模型进行了验证，各个处理的拟合曲线与其实测值都较接近，符合Logistic曲线的变化规律；建立的干物质生长模型能够较好的模拟盐碱地玉米干物质的累积过程。

4)对不同处理的玉米产量因素(玉米的有效穗数、穗粒数和百粒重)进行对比研究。覆膜且灌水量大的FI20处理植株的产量最大。

综上，覆膜和灌水定额为20 mm的FI20处理对植株的盐离子调节作用最显著，提高了玉米的耐盐性，改变了生物量的分配比例,获得了适当的干物质累积量，产量最高。