兩種土壤改良劑對3 種牧草生長及土壤含水量的影響

肖興艷，張雷一，劉 方，姚 斌，龍 健

(1．貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽550025;2．中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京100091;3．貴州師范大學(xué)，貴州省山地環(huán)境重點實驗室，貴州 貴陽550001)

土壤水分是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反應(yīng)，其對植物正常生長發(fā)育有很重要的影響，土壤的水文特性在很大程度上也反映了植被對土壤結(jié)構(gòu)改良的性能［1］。土壤水分是土壤－植物－大氣連續(xù)體的一個關(guān)鍵因子，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體，它不但直接影響土壤的特性和植物的生長，且間接影響植物的分布［2］。牧草種植一方面增加植被的覆蓋度和土地生物產(chǎn)量，另一方面也增大土壤水分的消耗［3］。喀斯特地區(qū)是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，巨大的人口和環(huán)境壓力使該區(qū)生態(tài)環(huán)境受到嚴重的破壞，土壤侵蝕退化嚴重，出現(xiàn)明顯的石漠化，植被自然恢復(fù)困難［2］。當(dāng)前研究者已對喀斯特土壤水分動態(tài)、變異特征及其影響因子進行了較多研究，但研究主要集中在林地［4-7］，對草地土壤水分的研究相對較少。因而，研究喀斯特山區(qū)牧草土壤水分的變化，對合理利用土地資源及林草間作具有重要意義。雀稗(Paspalum thunbergii)、黑麥草(Lolium perenne)、拉巴豆(Dolichos lablab)均屬多年生草本植物，除具有產(chǎn)量高、適口性好、營養(yǎng)豐富的特點外，對喀斯特山區(qū)的水土保持和畜牧業(yè)具有重要作用。為此，本研究選取這3 種牧草作為研究對象，較為系統(tǒng)地分析牧草生長過程中土壤含水量的動態(tài)，以便為喀斯特山區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 供試材料

試驗土壤采于貴州省花溪區(qū)貴州大學(xué)校園周邊坡地，土壤類型為碳酸鹽巖發(fā)育的石灰土［8-9］。野外采集0 －20 cm 的表層土壤，土壤樣品混勻后用于盆栽試驗。土壤改良劑采用玉米秸稈粉碎物、玉米秸稈炭化物，牧草為雀稗、黑麥草、拉巴豆。

1．2 試驗方案

試驗于2014 年3 月中旬采用室外盆栽方式進行，將供試土壤均勻攤開，去除樹葉和石頭等雜質(zhì)，自然風(fēng)干后過5 mm 篩后裝入塑料盆缽中，每盆(30 cm×30 cm)裝土10 kg，盆缽內(nèi)裝土距盆緣約2 cm。雀稗、黑麥草、拉巴豆種子用蒸餾水浸泡12 h 后均勻地播于盆中，其上用薄土層覆蓋。每種牧草設(shè)置3 個處理，分別為對照(CK)、秸稈炭(5%)、秸稈(5%)。秸稈粉碎物、秸稈炭與土壤充分混勻后施入土壤中，每處理4 次重復(fù)。出苗后，每間隔2 d 澆水一次，保持盆栽土壤適宜的含水量。待幼苗長至2 ～3 葉期，停止?jié)菜瑴y定牧草地上生物量;并依據(jù)天然降雨情況，開始進行土壤含水量測定。

1．3 地上生物量的測定

每個盆缽里隨機抽取10 株植株，將植株表面泥土沖洗干凈、吸水干燥后測其鮮重，將稱重后的鮮樣于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干24 h，待質(zhì)量恒定后測其干重。

1．4 土壤含水量的測定

2014 年8 －10 月期間，每月在連續(xù)不降雨時段進行土壤含水量的測定，分別為2015 年8 月21日－26 日(共計6 d)，2015 年9 月21 日－30 日(共計10 d)，2015 年10 月5 日－16 日(共計12 d)，于每月監(jiān)測時段的每天09:00 用時域反射(Time-domain Reflectometer，簡稱TDR，U．S．A)測定表層(測定深度為土層10 cm 處)土壤含水量［7，9-10］，每盆重復(fù)測定3 次，取平均值作為每盆土壤含水量。

1．5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

收集整理記錄數(shù)據(jù)后(土壤含水量每兩天取一次數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計)，利用SPSS 17．0 統(tǒng)計軟件對各指標(biāo)進行方差分析和差異顯著性分析，采用最小顯著極差法(LSD)進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤改良劑對牧草生長的影響

一般情況下，植株越高，其生長勢越強。添加秸稈炭后3 種牧草株高及生物量均高于對照(表1)。雀稗、黑麥草、拉巴豆的株高分別比對照高10．5%、9．5%和7．4%，地上部分生物量分別高10．6%、13．6%和6．5%。黑麥草的株高在不同改良劑處理下差異顯著(P ＜0．05);與添加秸稈相比，秸稈炭處理的株高21．2%。導(dǎo)致此結(jié)果的可能其原因是由于生物質(zhì)炭具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，具有較好的保水保肥效果，對植株的生長有促進作用，有助于植株生長。3 種牧草間的株高由于生理特性不同存在差異，尤其是秸稈處理下拉巴豆的株高分別是雀稗和黑麥草2． 0、3． 5 倍，生物量分別是雀稗和黑麥草6．4、36．7 倍，主要是由于拉巴豆為豆科植物，植株個體較大。

表1 不同土壤改良劑處理植株的生長情況Table 1 Plant growth under different soil improver treatments

2．2 土壤改良劑對土壤含水量的影響

隨著連續(xù)不降水時間的增加，土壤含水量呈逐漸降低趨勢，由于監(jiān)測時長不同，土壤含水量的變化幅度有差異，因此選取8 －10 月監(jiān)測時段的降雨初期(2015 年8 月21 －22 日、2015 年9 月21 －22 日、2015 年10 月5 －6 日)，連續(xù)5 d 不降雨(2015 年8月25 －26 日、2015 年9 月25 －26 日、2015 年10 月9 －10 日)，連續(xù)10 d 不降水(2015 年9 月29 －30日、2015 年10 月14 －15 日)的土壤含水量分別求其平均值，分析兩種改良劑處理下的3 個處理階段平均土壤含水量的變化情況(圖1)?？傮w而言，不同改良劑處理下平均土壤含水量的大小順序表現(xiàn)為秸稈炭＞對照＞秸稈，其總體變化沒有明顯差異。但隨著監(jiān)測天數(shù)(連續(xù)不降雨天數(shù))增加，土壤含水量差異明顯:監(jiān)測時間越長，土壤含水量越低。

降水初期，秸稈炭處理的雀稗平均土壤含水量比對照組高3． 3%，而秸稈處理則比對照組低1．5%;連續(xù)5 d 不降水，秸稈炭處理的平均土壤含水量比對照組高8． 3%，而秸稈處理比對照低1．3%;在連續(xù)10 d 不降雨條件下，秸稈炭處理的平均土壤含水量比對照組高17．9%，同期秸稈處理的比對照組低2．0%(圖1)。

秸稈炭處理的黑麥草平均土壤含水量在降水初期、連續(xù)5 d 不降水和連續(xù)10 d 不降水的條件下分別比對照組高2．4%、6．6%和17．4%，而在秸稈處理下土壤含水量分別比對照低1．2%、1．6%和3．7%(圖1)。

隨著連續(xù)不降水時間的增加，拉巴豆的土壤含水量變化明顯，降水初期、連續(xù)5 d 不降水和連續(xù)10 d 不降水的平均土壤含水量分別比對照組高6．6%、15．1% 和19． 8%，秸稈處理的分別比對照組低1．6%、5．3%和3．7%(圖1)。

分析結(jié)果表明，與對照相比，秸稈炭處理土壤含水量較高，而秸稈處理土壤含水量則有所降低，其對土壤的保水效果差。經(jīng)多重比較分析，連續(xù)10 d 不降水的情況下，雀稗不同改良劑處理土壤含水量的差異顯著(P ＜0．05)，秸稈炭能顯著提高土壤含水量。該研究結(jié)果表明，改良劑對土壤含水量有一定的調(diào)節(jié)作用。

2．3 3 種牧草對土壤含水量的影響

圖1 兩種改良劑處理下雀稗、黑麥草和拉巴豆的土壤含水量Fig．1 The soil moisture of paspalum，ryegrass，and Dolichos lablab under different treatments

3 種牧草都有一定的保水能力，但不同的牧草保水能力存差異。雀稗的平均土壤含水量較高，黑麥草次之，拉巴豆最低;雀稗的最高平均土壤含水量分別比黑麥草和拉巴豆高15．4%和31．1%。牧草平均土壤含水量的最大值介于37．4% ～42．6%，最小值介于8．1% ～24．0%，差距較大。標(biāo)準(zhǔn)差表示同一牧草在連續(xù)不降水條件下土壤含水量的離散程度，雀稗的離散程度最低，說明雀稗保水性能較強。經(jīng)多重比較分析，雀稗和拉巴豆的土壤水分差異顯著，可能的原因是拉巴豆植株個體相對較大，且為豆科植物，其吸水能力和蒸騰能力都較強，造成土壤持水能力相對較低。初步試驗結(jié)果表明，種植雀稗有利于提高土壤的保水能力，可以作為喀斯特山區(qū)生態(tài)恢復(fù)優(yōu)先考慮種植的草種。

不同牧草的生長特性有差異，導(dǎo)致其土壤持水能力也有所不同。本研究通過盆栽試驗對3 種牧草的土壤含水量進行動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果顯示，3 種牧草的平均土壤含水量隨著連續(xù)不降水時間的增加而逐漸降低，并且雀稗的平均土壤含水量較高，黑麥草次之，拉巴豆最低。然而，不同草種的平均土壤含水量差異顯著(P ＜0．05)，綜合分析，降水初期，3 種牧草的平均土壤含水量的差異較小，其變化幅度小于10%(秸稈處理下種植雀稗的平均土壤含水量僅比拉巴豆高7．9%);但隨著連續(xù)不降水時間的增加，種植3 種牧草的平均土壤含水量變化差異越大，連續(xù)5 d 不降水時，種植雀稗和黑麥草的平均土壤含水量分別比拉巴豆的高45．8%、36．1%，且雀稗與拉巴豆差異顯著(P ＜0．05);連續(xù)10 d 不降水時，種植雀稗的平均土壤含水量比黑麥草和拉巴豆分別高達45．9%、59．8%，雀稗與黑麥草、拉巴豆之間差異顯著(P ＜0．05)。

通過對3 種牧草平均土壤含水量的分析可知，土壤含水量在每個階段的變化趨勢一致;不同階段土壤含水量變化有差異，隨著監(jiān)測天數(shù)的增加，牧草土壤含水量變化差異顯著(P ＜0．05)，連續(xù)10 d 不降水時，雀稗、黑麥草和拉巴豆的土壤含水量差異最顯著(P ＜0．05)。各階段牧草土壤含水量大小排序為雀稗＞黑麥草＞拉巴豆，且由分析結(jié)果知雀稗含水量顯著高于黑麥草和拉巴豆。初步的試驗結(jié)果說明種植雀稗土壤的保水效果最好。

3 討論與結(jié)論

全球氣候變化破壞了原有的生態(tài)多樣性，導(dǎo)致生物資源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失則是生態(tài)環(huán)境惡化的形式之一。在喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)防止水土流失，提高水土保持效果并非一項簡單的工作，本研究分析了不同品種牧草及土壤改良劑對土壤含水量的影響。

在150 d 的盆栽試驗過程中，不同改良劑處理條件下3 種牧草的株高和地上部生物量皆隨牧草生長時間的增加而增加，不同改良劑處理牧草的長勢存在差異，土壤中施用秸稈炭的效果較好，這可能是由于前期施加的秸稈炭中含碳量高，其在培養(yǎng)過程中部分降解，使土壤養(yǎng)分和微生物活動增加，促進了牧草生長［11-13］。但各項指標(biāo)變化差異不顯著且植株葉尖發(fā)黃，這可能是由于添加的改良劑在牧草生長初期提供了充足的養(yǎng)分和水分，植株長勢較好，而隨著養(yǎng)分和水分的逐漸消耗，牧草后期的生長受到制約［14-15］，出現(xiàn)葉尖發(fā)黃現(xiàn)象。但是總體而言，改良劑是影響牧草生長的重要影響因子，施用生物質(zhì)炭對牧草生長具有一定的促進作用。

土壤水分是影響植物生長發(fā)育的主要環(huán)境因素之一，水分虧缺對植物的影響非常重要，在干旱情況下對植物的影響更是至關(guān)重要［16-17］，故而研究土壤含水量變化具有重要意義。本研究以秸稈炭和秸稈作為改良劑，分析其對土壤含水量的影響。結(jié)果表明，不同改良劑對土壤含水量的影響不一樣，施加秸稈炭有利于提高土壤的保水性能，而秸稈對土壤的保水效果差。這可能是由于秸稈炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)、巨大的表面積和極強的吸附能力，能夠吸附和保持水分，改善土壤理化性質(zhì)，增強土壤保水能力［12，18］，從而延長植物的存活時間，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，可以促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

種植牧草能有效改良土壤，并增強土壤的水土保持效應(yīng)，但是不同牧草品種的保水效果存在差異。本研究中種植雀稗和拉巴豆的土壤其含水量差異顯著，結(jié)果表明，禾本科牧草的保水蓄水效果好于豆科，原因可能是禾本科地上生物量較小，植被蒸騰耗水較少，這與蘇德喜和賈倩民［19］的研究結(jié)果相似;而對禾本科牧草而言，雀稗比黑麥草對土壤具有更明顯的保墑作用。初步研究結(jié)果表明，喀斯特山區(qū)種植雀稗有利于提高土壤含水量，秸稈炭添加后其提高效果更加明顯，在后續(xù)的研究中可以考慮對其具體的保水機制進行深入分析。

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