试验于2018年在宁夏银川国家农业科技园区科技开发区连栋温室种植区开展,试验区位于宁夏青铜峡灌区贺兰县北部(106°19'E,38°35'N),属中温带干旱大陆性气候,降雨稀少蒸发强烈,年均气温8.2℃,年均降雨量为138.8 mm^[23],全年≥10℃的有效积温为3 281.6℃,光热资源充足,适宜于发展温室栽培种植技术。根据土壤质地分类,0—60 cm表层土壤为粉质黏土,土壤容重为1.47 g/cm³,田间持水率(重量含水率)为21.14%,土壤pH为8.55,土壤碱解氮含量为57.4 g/kg,有效磷含量为37.55 mg/kg,速效钾含量为72.77 mg/kg。试验区平均地下水埋深为在1.2 m,平均矿化度为0.46 g/L,符合灌溉水质标准要求。

试验以番茄为供试作物,品种为“粉大1号”,试验设置T₁(地表覆膜且深埋秸秆)、T₂(地表不覆膜,但深埋秸秆)、T₃(地表覆膜不埋秸秆)、T₄(地表不覆膜且不埋秸秆)4个处理,每个处理设置3个重复,共12个小区,试验小区面积为27 m²(长600 cm×宽450 cm)且随机区组排列,各试验处理四周挖深1 m 后用双层塑料布阻隔,再用土回填,保证各处理的试验小区之间互不影响。试验于2018年8月25日埋设秸秆,为不影响到土壤耕作作业和作物根系生长,T₁,T₂处理均在距地表以下40 cm埋设秸秆层,将整个小区土壤0—20 cm和20—40 cm按层次分别取出,并分开放置,然后把已风化半年左右的稻秸秸秆经切割后均匀铺设在整个试验小区地表以下40 cm处,切割后的稻秸秸秆平均长度为10 cm,秸秆铺设厚度为5 cm,秸秆铺设重量约为1.2 kg/m,最后将土壤按原层次回填压实; 试验于2018年8月27日起垄,垄高10 cm,垄宽45 cm(图1),T₁,T₃处理在起垄后沿垄覆白色塑料薄膜,薄膜宽度为90 cm,厚度为0.03 mm,沿垄两侧用土压实。2018年9月3日单垄单行移栽,于2019年2月4日开始收获,至2019年3月4日收获完毕。作物行距75 cm,株距40 cm,定植番茄33 333株/hm²。

番茄移栽前在各试验处理滴灌带下20 cm深度处埋设真空表式负压计(图1),于2018年8月28日对各试验处理滴灌一次,灌溉定额为40 mm,自番茄移栽(2018年9月3日)后,每天观测3 次(08:00,13:00,18:00)负压计读数,当负压计度数达到-20 kPa(此时滴灌带以下20 cm深度处土壤含水率约为田间持水率的80%)时,立即灌溉一次,灌溉水取自当地浅层地下水(平均矿化度0.46 g/L),单次灌水定额为20 mm,自番茄果实红熟期开始,停止灌溉,防止番茄果实产生脐腐病。于起垄前各试验处理均匀施入生物有机肥2 250 kg/hm²,尿素(N,46%)150 kg/hm²,重过磷酸钙(P₂ O₅,50%)192 kg/hm²,硫酸钾(K₂ O,46%)180 kg/hm²。番茄植株开第一穗花时,随水追施尿素150 kg/hm²和硫酸钾45 kg/hm²; 番茄第二穗果实膨大期随水追施尿素150 kg/hm²和硫酸钾45 kg/hm²和重过磷酸钙24 kg/hm²; 第四穗果实膨大期随水追施尿素150 kg/hm²和硫酸钾45 kg/hm²; 第六穗花时随水追施尿素150 kg/hm²和硫酸钾24 kg/hm²。试验的其他农艺措施同当地日光温室番茄种植模式。

图1 番茄种植模式示意图

2018年8月27日起垄后,在滴灌带下方随机选取20个取样位置,自垄表面向下0—100 cm每间隔20 cm取一层土,利用环刀分层取原状土,室内测定土壤容重,并采用激光粒度分析仪(Master-sizer 3000,马尔文仪器有限公司)分析各层土壤质地,结果见表1; 自起垄后每间隔7 d分别在各试验处理滴灌带下方随机选取3个取样点,利用直径为40 mm的土钻取0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm和80—100 cm土层土壤,测定土壤水分、盐分、养分含量:采用重量法测定土壤质量含水率; 经风干、碾磨后过2 mm筛,制备土水比为1:5的溶液,经离心振荡(转速r=300 000/s)后,采用电导率仪(DDS-308A,上海精密科学仪器有限公司)测定EC_1:5,采用pH计(PHS-3C,上海精密科学仪器有限公司)测定土壤溶液pH; 采用凯氏定氮法测定土壤溶液全氮^[24],采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤溶液有机质含量、采用钼锑抗比色法测定土壤溶液有效磷含量、采用火焰光度计法测定土壤溶液速效钾含量、采用碱解扩散法测定土壤溶液碱解氮含量^[25]。

表1 试验田土壤物理性质

自2019年番茄果实红熟开始(2019年2月11日),每间隔7 d采收一次,在番茄采收期记录各试验处理完好的红熟果实数量,并在各处理中随机选取7个测定单果质量,计算单株产量和单位面积产量。

灌溉水分生产率(IWUE)是衡量农业灌溉科学性的综合指标之一,计算方程如下:

IWUE=Y/I(1)

式中:Y表示番茄单位面积产量(kg/hm²); I表示单位面积灌溉定额(m³/hm²)。

采用Excel 2016绘图并统计分析试验所得数据,利用SPASS 20.0对试验数据进行显著性方差分析。

试验测定的土壤含水率如图2所示,各试验处理的土壤含水率总体变化趋势为土壤含水率随着土层深度的加深而逐渐增大,表层(0—20 cm)土壤含水率在整个生育期都显著低于深层,且80—100 cm土壤含水率最大。自番茄移栽(2018年8月25日)后,全生育期内表层0—20 cm和20—40 cm土壤含水率T₁>T₂>T₃>T₄,且T₁处理的土壤含水率显著高于其他处理,T₂处理和T₃处理0—40 cm土壤含水率高于T₄处理,另外,T₂处理0—40 cm土壤含水率高于T₃处理。图2C表明T₁,T₂处理的40—60 cm土壤含水率显著高于T₃,T₄处理,这说明相对不埋秸秆措施,埋设秸秆有助于40—60 cm土层蓄水。随着番茄生长,T₁处理40—60 cm土壤含水率减小幅度小于T₂处理,这说明埋设秸秆并不能完全阻隔秸秆层以下土壤水分受表土蒸发影响,但能显著降低秸秆层以下土壤水分的蒸发能力。移栽前,各试验处理各土层的土壤含水率相差不大,移栽后(2018年9月3日),T₁,T₂处理60—80 cm土层土壤含水率小于T₃处理和T₄处理。T₁,T₂处理在番茄生育期60—80 cm土壤含水率变化较小,T₃,T₄处理土壤含水率随着番茄生育期推进而减小,这说明受表土蒸发影响,深层土壤水分向上运动,而秸秆可以阻碍水分向上运动。各试验处理80—100 cm土壤含水率曲线出现交叉、重叠,土壤含水率差异较小。

各处理土壤盐分动态变化见图3,保墒水灌溉前(2018年8月27日),各试验处理土壤含盐量相差较少,均随土层深度的增加逐渐减小,表层土壤0—20 cm土壤含盐量较高,平均为2.7 g/kg,20—100 cm土层土壤含盐量较低为0.85～1.94 g/kg。番茄移栽前(2018年9月3日),各试验处理0—40 cm土壤含盐量大幅度减小,40—60 cm土壤含盐量显著增大,这说明灌溉水将表层土壤盐分淋洗到40 cm土层以下,T₁,T₂处理60—100 cm土壤含盐量小于T₃,T₄处理,这说明灌溉水将T₃,T₄处理的表层土壤盐分淋洗到60 cm土层以下,由于埋设的秸秆层有阻水作用,T₁,T₂处理的保墒水对表层土壤盐分淋洗作用有限,盐分聚集在秸秆层以下40—60 cm处。随着番茄生育期的推进,覆膜和深埋秸秆对土壤盐分的影响逐渐明显,各处理耕作层土壤含盐量大小依次为T₄>T₂>T₃>T₁,40—60 cm土壤含盐量大小依次为T₁>T₂>T₄>T₃,各试验处理60—100 cm的土壤含盐量大小依次为T₁>T₃>T₂>T₄。番茄收获完毕后(2019年3月4日),T₁,T₃处理0—40 cm土壤含盐量显著低于T₂,T₄处理,T₁处理0—40 cm土层平均含盐量相比T₂,T₃,T₄处理分别降低了14.75%,8.24%和27.94%。

图2 各试验处理土壤含水率

图3 各试验处理土壤含盐量

自储水灌溉前(2018年8月27日)至收获完毕(2019年3月4日)各层土壤盐分变化量见图4。除T₄处理外,各试验处理0—40 cm土层均脱盐,这说明在设计灌溉制度下,覆膜或深埋秸秆措施均能促使表层土壤盐分得到有效淋洗。T₁处理相比T₂,T₃处理0—40 cm土壤积盐量分别降低67.39%和49.51%。番茄苗期根系主要分布在0—20 cm土层,后期番茄根系主要分布在0—40 cm土层,T₁处理0—40 cm土层脱盐量最多,为番茄根系生长提供良好的生长环境,盐分积累主要发生在40—100 cm土层,说明地膜覆盖与秸秆深埋结合措施对减轻番茄耕作层土壤盐分具有显著作用。各试验处理40—80 cm土壤积盐量相差不大。

图4 各试验处理土壤盐分变化量

秸秆埋设在距地表40 cm深度处,本研究主要考虑耕作层(0—40 cm)土壤养分情况,如表2所示,T₁,T₂处理土壤有机质、速效钾、碱解氮显著高于T₃,T₄处理,与播前土壤养分含量相比,T₁,T₂处理在番茄收获后土壤中的有机质、全氮、速效钾、碱解氮均有所增加,但土壤有效磷含量减小。相对于T₄处理,番茄收获后T₁,T₂和T₃处理的土壤有机质含量分别提高1.8 g/kg,2.4 g/kg,0.5 g/kg,土壤全氮含量分别提高0.09 g/kg,0.17 g/kg,0.02 g/kg,土壤有效磷含量分别提高24.5 g/kg,18.4 g/kg,17.6 g/kg,土壤速效钾含量分别提高47.22%,34.26%和8.33%,碱解氮含量分别提高13.25%,21.69%和1.20%。各试验处理的土壤PH相差不大,这说明地表覆膜和深埋秸秆对番茄耕作层的pH影响不显著。

表2 番茄收后各试验处理表层0-40 cm土壤养分

各试验处理对应的番茄产量见表3。各试验处理之间番茄单株果数没有明显差异,但T₁,T₂处理的平均单果质量显著高于T₃,T₄处理,T₁处理、T₄处理与T₂处理和T₃处理产量相差显著,且T₁处理产量最高,T₄处理产量最低,T₂,T₃处理产量居中。相对于T₄处理,T₁,T₂,T₃处理番茄果实产量分别提高13.65%,7.64%和2.94%。T₄处理灌溉定额最大为260 mm,T₁处理灌溉定额最小为220 mm,相对于T₄处理,T₁处理、T₂处理、和T₃处理分别节水23.08%,7.69%和15.38%。T₁处理IWUE最大为56.55 kg/hm²,T₄处理IWUE最小为38.28 kg/hm²。

表3 各试验处理番茄产量及IWUE