秸秆深翻还田对盐碱化土壤玉米根系形态特征及产量的影响

张 皓，高聚林，于晓芳，马达灵，胡树平

（1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.内蒙古自治区作物栽培与遗传改良重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010019；3.内蒙古农业大学 职业技术学院，内蒙古 包头 014109）

内蒙古黄河灌区是玉米生产的优势产区，随着黄河来水量的逐年减小，当地传统的“大水漫灌洗盐排盐”方法愈发受到限制。因此，选择一种简单高效、方便快捷和经济持效的方法来改良盐碱化土壤成为黄河灌区农业发展的迫切需求。国内外研究结果表明，秸秆还田不仅具有改善土壤肥力、减少土壤水分蒸发、保水抑盐的作用，还可减少焚烧秸秆对环境造成的危害，是改良土壤的有效措施[1-2]。秸秆还田还具有成本较低、持效性好的优势，推广潜力大，应用前景广阔。内蒙古自治区玉米种植面积和产量位居全国前列，在保障国家粮食安全中起到了不可替代的作用。在耕地面积刚性减小，但是玉米需求量持续增加的背景下，采取秸秆原位深翻还田改良土壤盐碱化程度，能够扩大玉米种植面积、增强玉米耐盐能力、提高盐碱地玉米产量。

耕作在调节土壤水、肥、气、热等环境要素，改善土壤理化性状、促进作物生长发育、提高作物产量等方面起着重要的作用[3]。已有研究表明，秸秆通过不同耕作方式还田决定了秸秆在耕层土壤中的分布状态，从而影响玉米根系的生长[4-6]。事实上，秸秆深翻还田调控作物根系发育是影响玉米地上部生长和产量形成不容忽视的重要环节。MU等[7]和YOU等[8]研究结果表明，秸秆深翻还田可以显著改善作物根系的生长特征。

根系是作物吸收养分和水分的重要器官，其发育状况可以显著影响地上部器官的形态建成和产量[9]。根系是土壤的直接接触者，玉米根系在土壤中的生长状况及分布，不仅决定作物对土壤中水分、矿物质和微量元素的吸收运输能力，而且决定作物对逆境环境的抵抗能力[10-11]。在盐碱地中，植株直接受到抑制的部位是根系，通过制约植物的根系生长状况和生理生态功能，进而影响植株地上部分的生长发育[12]。谷娇娇[13]研究表明，在盐胁迫下根长、根表面积、根体积均显著下降，且随盐浓度增加下降幅度不断增大。因此，通过研究盐碱地中玉米根系的生长状况可以直观反映秸秆深翻还田对盐碱地的改良效果。

本试验在不同程度盐碱化耕地上研究秸秆深翻还田条件下玉米根系的生长发育状况，以期为秸秆还田培肥改良盐碱化土壤、提高玉米产量提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2021—2022年在内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县永联村（41°46′9.84″N，108°0′33.11″E）、包头市土默特右旗瓦窑村（40°35′16.56″N，110°47′50.88″E）、包头市土默特右旗二十四顷地村（40°24′39.11″N，110°39′0.40″E）进行，根据我国土壤盐化分级指标（表1）[14-15]，3处试验地点分别属于轻度盐碱地（S1）、中度盐碱地（S2）和重度盐碱地（S3）。试验区年活动积温分别为3 047.3、2 950.5、2 940.0℃，年降水量分别为111.70、230.10、226.15 mm，一年一熟，主要种植作物为春玉米。0～20 cm土层基础地力见表2。

表1 土壤盐碱化程度划分Table 1 Division of soil salinity-alkaline degree

表2 试验地基础地力Table 2 Basic conditions of the experimental site

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，不同程度盐碱化土壤作为主区，分别为轻度（S1）、中度（S2）、重度（S3），副区设置秸秆深翻还田（DPR）和农户浅旋不还田（CK）2种耕作方式。试验小区面积均为666.7 m2，重复3次。2021—2022年均为上季玉米收获后进行耕作与秸秆还田处理，将秸秆粉碎后全量还田，DPR处理的深度为35 cm，CK处理的深度为15 cm。供试玉米品种为迪卡 159（DK159）和九圣禾 257（JSH257），种植密度为75 000株/hm2。统一施肥量为复合肥（28-12-10）600 kg/hm2作为基肥随覆膜一次性施入，其他病、虫、草害管理按照当地常规方式进行。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤理化性质的测定

于玉米播种前、吐丝期，每处理选取3点采集试验田0～40 cm土层土壤样品，用环刀法测定土壤容重、孔隙度和含水量。于玉米播种前、吐丝期，每处理选取3点采集试验田0～40 cm土壤样品带回室内，土样在室内风干后研磨过筛，测定土壤化学性质。土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定[16]。于玉米播种前、吐丝期进行取样，取样土层为0～30 cm，每次在各小区内按S形采样法随机选取5点，将同一土层的土样混合，自然风干后每个土样过2 mm筛，测定全盐量和pH值。土壤全盐量由电导率计（DDS-11A型）测定，土壤与蒸馏水之比为1∶5；土壤pH值由pH计测定，土壤与蒸馏水之比为1.0∶2.5[16]。

1.3.2 根系取样及样品测定

于玉米吐丝期选取长势均匀的3株植株，以玉米植株为中心，取水平方向1/2株距×1/2行距范围内、垂直方向每10 cm为一层至50 cm土层内根系。将根系分层分块装入纱网袋带回，冲洗干净后装入塑封袋保存在低温下，使用透射扫描仪（Epson V700）扫描并保存为JPG文件，用Win-Rhizo软件分析根长、根表面积、根平均直径、根体积等。

1.3.3 测产及考种

在收获期进行全小区测产，收获前对各处理玉米产量进行测定，即去除边行效应，每处理验收5 m双行并重复3次，计算实际面积，调查该面积内总株数、穗数、双穗数、空秆数、倒伏数、实际收获株数、收获总穗数，并以实际收获计产。随后每小区随机取10个果穗自然风干，留作室内考种。测定项目包括单穗重、穗粒重、粒重、千粒重、行粒数、穗行数、果穗长、穗粗、秃尖长和含水量，最后计算产量（含水量折算为14%）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理，SPSS 25.0统计学软件进行t检验，利用SAS 9.4统计学软件进行方差分析及通径分析，利用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤物理性质的影响

由多因素方差分析结果可知（表3），土壤含水量、容重和孔隙度2年在耕作方式间均有显著或极显著差异（P<0.05或P<0.01）。2021年，土壤含水量、容重和孔隙度在盐碱程度间也有极显著差异（P<0.01）；2022年，仅土壤容重和孔隙度在盐碱程度间表现出极显著差异（P<0.01），且土壤含水量、容重和孔隙度在盐碱程度×耕作方式间也有显著或极显著差异（P<0.05或P<0.01）。

表3 土壤物理性质方差分析（均方值）Table 3 Variance analysis of soil physical properties（mean square value）

由图1可知，与CK相比，DPR可有效改善土壤物理性质，土壤容重降低0.19%～11.80%，孔隙度增加 0.28%～20.55%。2021年，S1、S2、S3中 DPR 处理下的土壤容重分别较CK降低 1.68%、3.63%和3.75%，土壤孔隙度分别较CK增加2.64%、8.89%和6.87%，土壤含水量分别较CK升高20.09%、19.35%和15.40%；2022年，土壤容重分别较CK降低7.86%、1.23%和7.20%，土壤孔隙度分别较CK增加10.26%、1.71%和18.48%，土壤含水量分别较CK降低44.82%、20.75%和12.40%，其中2022年均达到显著水平（P<0.05）。2年间0～20 cm土层含水量均较20～40 cm土层变幅大。

图1 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤物理性质的影响Figure 1 Effects of deep ploughing straw returning on physical properties of different degrees of saline-alkali soil

2.2 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤化学性质的影响

由多因素方差分析结果可知（表4），土壤碱解氮、全氮、速效磷、速效钾和有机质在不同程度盐碱间2年均有极显著差异（P<0.01）。2021年，碱解氮、全氮、速效磷和有机质在耕作方式间有极显著差异（P<0.01），且碱解氮、全氮和速效磷在盐碱程度×耕作方式间也有显著差异（P<0.05）；2022年，土壤碱解氮、全氮、速效磷、速效钾和有机质在耕作方式间有极显著差异（P<0.01），且速效磷、速效钾和有机质在盐碱程度×耕作方式间也有显著或极显著差异（P<0.05或P<0.01）。

表4 土壤化学性质的方差分析（均方值）Table 4 Variance analysis of soil chemical properties（mean square value）

由图2可知，与CK相比，DPR可有效改善土壤化学性质，土壤碱解氮、全氮、速效磷、速效钾和有机质含量分别增加0.99%～26.19%、2.47%～37.89%、0.31%～26.80%、0.25%～38.07%和 0.53%～38.81%。2021年，DPR处理下的土壤碱解氮、全氮、速效磷、速效钾和有机质含量在S1中分别较CK增加7.09%、7.15%、5.75%、2.22%和8.16%，其中，0～20 cm土层下土壤碱解氮含量增幅达显著水平（P<0.05），0～40 cm土层下土壤全氮及速效磷含量增幅达显著水平（P<0.05）；S2中分别较 CK增加 12.84%、22.60%、9.81%、2.58%和23.43%，其中，0～40 cm土层下土壤碱解氮、全氮、速效磷含量增幅达显著水平（P<0.05），0～20 cm土层下土壤有机质含量增幅达显著水平（P<0.05）；S3中分别较CK增加4.83%、12.66%、7.90%、7.13%和8.00%，其中，0～40 cm土层下土壤全氮含量增幅达显著水平（P<0.05），0～20 cm土层下土壤速效磷、速效钾和有机质含量增幅达显著水平（P<0.05）。2022年与2021年规律一致，S1、S2和S3中DPR处理下的土壤碱解氮、全氮、速效磷、速效钾和有机质含量分别较CK增加15.39%、5.83%、13.55%、21.71%和 1.40%，21.71%、9.25%、7.24%、20.11%和 2.98%，23.74%、6.49%、6.09%、6.08%和4.65%。其中，土壤碱解氮和速效钾在S1、S2、S3中均表现出显著差异（P<0.05）。综上所述，DPR处理中土壤化学性质较CK的增幅在不同程度盐碱化土壤中总体表现为S2>S1>S3，其中，土壤速效磷和速效钾含量在S1中增幅最大，土壤碱解氮、全氮和有机质在S2中增幅最大。

图2 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤化学性质的影响Figure 2 Effects of deep ploughing straw returning on chemical properties of different saline-alkali soils

2.3 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤pH值、全盐量的影响

由表5可知，土壤全盐量和pH值在盐碱程度、耕作方式及盐碱程度×耕作方式间2年均存在极显著差异（P<0.01）。与CK相比，DPR可有效改善土壤pH值、全盐量（图3），土壤pH值降低1.25%～13.71%，土壤全盐量降低5.49%～48.98%。2年间S1中DPR处理下的土壤pH值及全盐量分别较CK降低3.19%和28.36%，其中，土壤pH值在2022年达到显著水平，土壤全盐量在2年间均达到显著水平；S2中DPR处理下的土壤pH值及全盐量分别较CK降低10.23%和33.00%，2年均有显著变化；S3中DPR处理下的土壤pH值及全盐量分别较CK降低3.23%和29.01%，同样2年均有显著变化（P<0.05）。综上所述，DPR处理中土壤全盐量、pH值较CK的降幅在不同程度盐碱化土壤中表现为S2>S3>S1。

图3 不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对土壤全盐量及pH值的影响Figure 3 Effects of deep ploughing straw returning on soil total salt content and pH value of different saline-alkali soils

表5 土壤全盐量、pH值的方差分析（均方值）Table 5 Variance analysis of soil total salt content and pH value（mean square value）

2.4 玉米根系特征的方差分析

由多因素方差分析结果可知（表6），2021年，玉米根长、根表面积、根平均直径和根体积在盐碱程度和耕作方式间均有显著或极显著差异（P<0.05或P<0.01）；2022年，根长、根表面积、根平均直径和根体积在盐碱程度、耕作方式和盐碱程度×耕作方式间也有极显著差异（P<0.01）。

表6 玉米根系特征的方差分析（均方值）Table 6 Variance analysis of maize root characteristics（mean square value）

2.5 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤玉米根长的影响

不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对玉米根长的影响见表7。2021年，3处试验点DPR处理下0～50 cm土层的总根长分别较CK显著提高54.61%、60.23%和88.15%，各处理中0～10 cm土层根长最大，且随土层深度的增加逐渐降低，S1中DPR 处理下 0～10、10～20、30～40、40～50 cm 土层根长较 CK显著增加28.93%、128.35%、103.37%和211.14%；S2中DPR处理下0～10、40～50 cm土层根长分别较CK显著提高 74.87%和65.02%；S3中DPR处理下0～10 cm土层根长较CK显著提高135.86%。2022年，不同盐碱化程度土壤DPR处理下0～50 cm土层的总根长分别较CK显著提高9.84%、20.07%和12.55%，且各土层中DPR处理的根长均较CK显著提高，S1、S2、S3分别为7.26%～15.25%、14.95%～27.63%和10.33%～13.66%。由此可见，秸秆深翻还田1年后显著增加了表层根长，且轻度盐碱地中30～50 cm土层根长显著增加，秸秆深翻还田2年后0～50 cm土层根长均显著增加，同时DPR较CK总根长的增幅2年间均表现为S1>S2>S3。

表7 不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对玉米根长的影响Table 7 Effects of deep ploughing straw returning on maize root length in different saline-alkali soils

2.6 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤玉米根表面积的影响

由图4可知，不同程度盐碱化土壤2022年0～20 cm土层中玉米根表面积较2021年无明显变化，在30～50 cm土层中根表面积较2021年S1、S2和S3分别增加89.14%～133.55%、238.28%～244.20%和15.31%～36.17%。2021年，S1中DPR处理下各土层的根表面积较CK增加113.03%，其中，10～20 cm和30～50 cm土层达到显著水平（P<0.05）；S2中DPR处理下0～50 cm土层根表面积较CK增加38.40%，其中0～10 cm土层达到显著水平（P<0.05）；S3中DPR处理下0～50 cm土层根表面积较CK提高49.15%，未达到显著水平（P>0.05）。2022年不同盐碱化程度土壤的表现趋势与2021年一致，DPR处理下0～50 cm土层的根表面积分别较CK显著提高12.95%、17.50%和11.06%。综合来看，秸秆深翻还田显著增加了不同程度盐碱化土壤中0～50 cm土层玉米的根表面积，表现为S1>S3>S2。

图4 不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对玉米根表面积的影响Figure 4 Effects of deep ploughing straw returning on maize root surface area in different saline-alkali soils

2.7 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤中玉米根平均直径的影响

由图5可知，2021—2022年，不同程度盐碱化土壤DPR处理下0～50 cm土层玉米根平均直径分别较CK提高 15.63%～37.78%、11.37%～29.26%和11.69%～47.86%，其中，S1中40～50 cm土层及S2、S3中10～20 cm土层的根平均直径增幅分别为最大。2021年，S1、S2中DPR处理下各土层的根平均直径分别较CK增加38.53%和24.01%，其中20～30 cm土层均达到显著水平（P<0.05）；S3中DPR处理下0～50 cm土层的根平均直径较CK提高37.34%，未达到显著水平（P>0.05）。2022年，不同程度盐碱化土壤中的表现趋势与2021年一致，DPR处理下0～50 cm土层的根平均直径分别较CK显著提高14.47%、18.04%和11.96%。综合来看，秸秆深翻还田可显著增加0～50 cm土层玉米的根平均直径，表现为S1>S3>S2，且对S2、S3中10～20 cm及S1中40～50 cm土层的根平均直径影响最大。

图5 不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对玉米根平均直径的影响Figure 5 Effect of deep ploughing straw returning on maize root average diameter in different saline-alkali soils

2.8 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤中玉米根体积的影响

由图6可知，2021—2022年，不同程度盐碱化土壤中DPR处理下0～50 cm土层玉米的根体积分别较CK提高13.36%～150.17%、26.38%～81.97%和10.75%～103.43%，其中，S1中40～50 cm土层及S2、S3中10～20 cm土层的根体积增幅分别最大。2021年，S1、S2、S3中DPR处理下各土层的根体积分别较CK增加116.06%、57.45%和51.37%，其中，S1和S3中10～20 cm土层达到显著水平（P<0.05）；2022年的表现趋势与2021年一致，不同程度盐碱化土壤中DPR处理下0～50 cm土层的根体积分别较CK提高23.29%、26.95%和17.36%，差异显著（P<0.05），且10～20 cm土层的根体积分别较CK增加40.09%、45.69%和33.38%，与其他土层相比增幅最大。综上所述，秸秆深翻还田可显著增加0～50 cm土层玉米的根体积，表现为S1>S2>S3，同时对10～20 cm土层的根体积影响最大。

图6 不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对玉米根体积的影响Figure 6 Effect of deep ploughing straw returning on maize root volume in different saline-alkali soils

2.9 秸秆深翻还田对不同程度盐碱化土壤中玉米产量的影响

由图7可知，DPR处理增加了不同程度盐碱化土壤中的玉米产量，但不同程度盐碱化土壤中的玉米产量对DPR响应程度不同。与CK相比，2021年S1、S2和 S3中 DPR处理玉米产量分别增加20.18%、28.01%和13.69%，且S1和S2均达到显著水平（P<0.05）；2022年S1、S2和S3中DPR处理玉米产量分别增加7.98%、39.21%和36.33%，S2达到显著水平（P<0.05）。S1、S2、S3中，DPR 处理玉米产量较CK的增幅表现为S2>S3>S1。

图7 不同程度盐碱化土壤中秸秆深翻还田对玉米产量的影响Figure 7 Effect of deep ploughing straw returning on maize yield in different saline-alkali soils

2.10 土壤全盐量及玉米根系形态特征与产量的通径分析

为进一步明确土壤全盐量及玉米根系特征对玉米产量作用的直接和相关关系，对土壤全盐量，玉米根长、根表面积、根平均直径、根体积与产量进行通径分析。由表8可知，土壤全盐量与产量呈极显著负相关（P<0.01），根长、根表面积和根体积与产量均呈极显著正相关（P<0.01），且相关系数大小依次为根表面积>根体积>根长。其中，土壤全盐量直接通径系数为-0.343，间接通径系数为 0.803、-0.848、-0.005、-0.364，可见全盐量主要通过玉米根长、根表面积和根体积间接作用于产量。同时，根表面积与产量有正的直接相关关系，直接通径系数为1.087，而根长、根平均直径和根体积均主要通过根表面积的间接作用对产量产生影响，间接通径系数分别为1.034、0.273和0.999。综合分析表明，在秸秆深翻还田后，土壤全盐量的降低在增加玉米根平均直径的同时，提高根长和根体积，从而增加根表面积，最终达到提高产量的目的。

表8 玉米根系形态特征与产量的通径分析Table 8 Path analysis of maize root morphological characteristics and yield

3 讨论与结论

根系是植物从土壤中吸收养分和水分的主要器官。根系的生长状况会直接影响植物地上部的生长发育以及产量[17]。只有健壮的根系才能保证植物更大范围地从土壤中吸收水分和营养，从而达到高产[18-19]。在盐胁迫条件下，植物根系首先接触高盐胁迫，从而使根系组织伸长分裂及侧根发育受到负面影响[20]。有研究表明，良好的土壤理化条件有利于作物水肥吸收和延缓根系衰老，从而促进根系在土壤中的生长发育[21-22]。因此，土壤理化性质的改善对根系的生长至关重要。TAN等[23]研究表明，秸秆还田可以有效降低土壤pH值，调节土壤酸碱度，这与本试验秸秆深翻还田处理中土壤pH值和全盐量降低的结论一致。LI等[24]研究表明，玉米秸秆还田改良盐碱地，可以有效增加土壤有机质含量，降低土壤容重，改善土壤理化性状，提高土壤肥力。本试验发现，在秸秆深翻还田处理中土壤养分含量较农户浅旋不还田显著提高，其中土壤速效磷和速效钾含量在轻度盐碱地中增幅最大，土壤碱解氮、全氮和有机质含量在中度盐碱地中增幅最大。这可能是由于秸秆深翻还田显著降低土壤pH值会增加土壤氮、磷、钾等营养物质的溶解性[25]。同时本试验发现，由于不同地点盐碱化程度不同，秸秆深翻还田对土壤养分改良效果有所不同，中度盐碱化土地改良效果最好，其次为轻度盐碱化土地，重度盐碱化土地改良效果最差。

大量研究表明，在非盐碱化土壤中，秸秆深翻还田可以通过改善土壤理化性质从而显著增加玉米根长，促进根系发育，特别对拔节期后的玉米根长、根表面积和根体积促进作用显著[26-29]。本试验结果表明，秸秆深翻还田措施可以显著改善盐碱地0～20 cm土层中的玉米根系特征，轻度盐碱地中，秸秆深翻还田对10～20 cm土层玉米根表面积具有显著效果；重度盐碱地中，秸秆深翻还田对0～10 cm土层玉米根长及10～20 cm土层玉米根平均直径和根体积具有显著效果，且根长、根表面积、根平均直径和根体积均在轻度盐碱地中有最大的提升。同时本试验发现，秸秆深翻还田对中度盐碱地的土壤理化性状影响最大，对轻度盐碱地中玉米根系形态特征影响最大，结果不一致的原因可能是尽管秸秆深翻还田有效改善了中度盐碱地的土壤理化性状，但其较轻度盐碱地仍有较大差距，因此，轻度盐碱地的玉米根系形态特征有最大的提升。同时还有研究指出，秸秆深翻还田模式更有利于土壤中下层玉米根系生长[30]。CAI等[31]研究发现，与传统耕作相比，深耕50 cm处理春玉米根长、根表面积显著增加，这一特性有利于玉米在极端条件下实现高产稳产。本试验表明，秸秆深翻还田对40～50 cm土层玉米根系生长仍然具有明显的促进作用。这主要是由于深耕能有效缓解土壤的板结问题，打破犁底层，降低土壤容重，利于土壤深层玉米根系的生长发育。同时这可能与秸秆还田方式有关，秸秆深翻还田能够使秸秆与各土层土壤充分接触，从而使深层土层的玉米根长、根表面积以及根体积等大幅提升[32]。此外，本试验连续2年秸秆深翻还田后，玉米根长、根表面积均在10～50 cm土层中有所增加，但0～10 cm土层未有明显变化，且根平均直径及根体积有所减少。这可能是由于秸秆深翻还田后土壤物理化学性状的改善使玉米根系下扎，导致根长增加，而土壤养分增幅较小，导致玉米根平均直径及根体积有所降低，具体原因需进一步研究。

本试验结果表明，盐碱地中秸秆深翻还田后可以显著改善土壤理化性状，降低土壤全盐量、pH值，促进玉米根系生长，进而增加玉米产量，且在不同程度盐碱化土壤中有不同程度的作用效果。在轻度盐碱地中，秸秆深翻还田使玉米根长、根表面积、根平均直径和根体积均有最大增幅，较农户浅旋不还田分别增加 62.13%、62.99%、26.46%、69.67%，在10～20 cm及40～50 cm土层中效果最为显著。随着土壤全盐量的降低，玉米根长、根体积显著增加，从而增加根表面积，提高玉米植株利用土壤养分的能力，最终使产量增加。