西北干旱灌溉區(qū)種植春小麥和牧草對(duì)耕地鹽漬化的影響

李 昂, 張 鳴, 張 建, 吳應(yīng)珍, 葛承暄

(1.蘭州城市學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 人文學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅省耕地質(zhì)量建設(shè)管理總站, 甘肅 蘭州 730000)

西北地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、降雨稀少，耕地的定期灌溉就成了該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。由于灌溉工程大多建設(shè)在盆地，水、鹽運(yùn)移不暢，易造成耕地鹽漬化問(wèn)題[2]。如甘肅省的秦王川灌區(qū)地處秦王川盆地，加之采取大水漫灌的澆水方式和不合理的種植模式，致使灌區(qū)土壤鹽漬化面積占到耕地總面積的1/3，并有進(jìn)一步擴(kuò)大趨勢(shì)[2-3]。利用水利工程措施治理土壤鹽堿化雖已取得了很大成效，但也存在工程量大，耗水多，費(fèi)用高，改良過(guò)程中除把鹽離子淋溶外，植物必需元素也同時(shí)被排走[4]。鑒于此，利用生物措施治理鹽堿地受到廣泛關(guān)注。如藺海明等[5]研究發(fā)現(xiàn)，種植牧草毛苕子可使耕地0—20 cm土層的鹽分降低77%～88%。彭紅春等[6]在治理柴達(dá)木盆地棄耕鹽堿地時(shí)發(fā)現(xiàn)，建植由紫花苜蓿、老芒麥、堿茅等多種牧草組成的人工草地后，不僅能提高植被的蓋度和地上生物量，而且還能顯著降低0—30 cm土層的鹽含量。李昂等[7]研究發(fā)現(xiàn)，秦王川灌區(qū)農(nóng)田種植春小麥(Triticumaestivum)收獲后，耕地裸露致使表層的鹽含量比裸地都高；而種植牧草紅豆草或小麥/毛苕子，不僅能使農(nóng)田0—20 cm土層鹽分處于較低水平，而且還能生產(chǎn)一定量的牧草和農(nóng)作物。魏曉斌等[8]在對(duì)不同生長(zhǎng)年限苜蓿對(duì)土壤鹽堿的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限的增加，耕地土壤中的pH值和水溶性鹽含量有降低趨勢(shì)。李昂等[1]在甘肅酒泉研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)，種植甘草可顯著提高農(nóng)田0—5 cm土層的水分含量和降低土壤的鹽分含量。

盡管前人在生物措施治理土壤鹽漬化方面已做了大量研究[5,9-10]，但多數(shù)研究?jī)H選取某一時(shí)間點(diǎn)來(lái)分析植被對(duì)土壤鹽分的效應(yīng)，很少涉及地表植被的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和其下方土壤的水、鹽變化規(guī)律，以及它們之間的定量關(guān)系。為此，本文擬通過(guò)測(cè)定小麥和牧草的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，以及地表微環(huán)境相關(guān)指標(biāo)和下方土壤的水、鹽含量變化，來(lái)分析它們之間的相互關(guān)系，并試圖探尋植被覆蓋影響土壤鹽漬化的內(nèi)在機(jī)制，為西北干旱灌區(qū)預(yù)防土壤鹽漬化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

秦王川灌區(qū)位于于甘肅省永登縣境內(nèi)，這里土壤類型以灰鈣土為主，氣溫年均5.8 ℃，降雨年均284.4 mm，且主要集中于7—9月(占全年降水量的78%)，而蒸發(fā)量年均高達(dá)1 888 mm，為典型干旱大陸性氣候[11-12]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定

為了探尋種植牧草對(duì)秦王川灌區(qū)耕地鹽漬化的效應(yīng)，試驗(yàn)于2016年在該灌區(qū)北部的上川鎮(zhèn)下古山村(103°33′E，36°45′N，海拔1 950 m)設(shè)立定位試驗(yàn)，以小麥和混播牧草披堿草/苜蓿(Elymusdahuricus/Medicagosativa)為研究對(duì)象，并設(shè)裸地(CK)、小麥、披堿草/苜蓿3個(gè)處理；每個(gè)處理重復(fù)4次，隨機(jī)區(qū)組排列，共計(jì)12小區(qū)。小區(qū)面積4 m×6 m，小區(qū)間隔0.5 m。小麥選用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民播種品種，播量為30 g/m2，披堿草和苜蓿種子從甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院下屬種子公司購(gòu)得，苜蓿和披堿草播量為1.5，3.2 g/m2。播種采取條播方式，行距20 cm，小麥播種深度為3 cm，牧草為2 cm。播種后耙平、鎮(zhèn)壓，以保證種子與土壤充分接觸。4月16日左右，小麥和牧草開(kāi)始陸續(xù)出苗，根據(jù)出苗情況，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)播。根據(jù)小麥田間管理要求，于當(dāng)年5月10日和6月10日灌水2次，田間雜草采取人工方法清除。根據(jù)作物及牧草長(zhǎng)勢(shì)，于7月20日收獲小麥，9月15日刈割牧草，10月15日收獲牧草完成當(dāng)年試驗(yàn)。

試驗(yàn)期內(nèi)，定期對(duì)作物和牧草植被的蓋度、高度和地上生物量進(jìn)行野外測(cè)定[13]，同時(shí)對(duì)植被地表微環(huán)境的光照強(qiáng)度、地表濕度和0—5 cm土層溫度進(jìn)行測(cè)定。另外，用土鉆鉆取不同處理0—5 cm土層土樣，帶回室內(nèi)進(jìn)行土壤含水率和鹽含量測(cè)定。土壤含水率采用烘干法測(cè)定，由于溶液的含鹽量與其電導(dǎo)率間呈正相關(guān)關(guān)系，為此，本試驗(yàn)土壤鹽含量采用電導(dǎo)法測(cè)定，即用土壤浸出液電導(dǎo)率數(shù)值大小來(lái)表示土壤鹽含量的高低[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS軟件進(jìn)行制圖和處理。文中指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行多重比較；多因素相關(guān)分析采用Pearson法，并檢測(cè)其顯著性；回歸分析采用線性回歸法，并對(duì)系數(shù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

植物地上部分是其生態(tài)功能發(fā)揮的前提和基礎(chǔ)。就植被蓋度而言(圖1a)，試驗(yàn)初期(6月16日之前)，小麥蓋度明顯大于混播牧草蓋度，試驗(yàn)中期(6月16日至7月10日)牧草蓋度大于小麥蓋度；之后至9月15日小麥?zhǔn)斋@蓋度降為0，而牧草蓋度繼續(xù)增大；9月15日牧草刈割，蓋度降為40%，之后至試驗(yàn)截止(10月15日)蓋度再次上升至78.8%。就植被高度而言(圖1b)，其變化趨勢(shì)與蓋度類似。就地上生物量而言(圖1c)，從試驗(yàn)初期至小麥?zhǔn)斋@前，小麥地上生物量始終大于牧草生物量，之后牧草地上生物量繼續(xù)增加。綜合以上，從試驗(yàn)初期，小麥的蓋度、高度、地上生物量均大于牧草；試驗(yàn)中期，牧草的蓋度和高度顯著高于小麥；小麥?zhǔn)斋@后至試驗(yàn)截止(10月15日)，小麥植被的特征指標(biāo)均為0，而牧草繼續(xù)生長(zhǎng)覆蓋耕地地表。

圖1 2016年西北干旱灌溉區(qū)植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

2.2 地表微環(huán)境及表層土壤(0-5 cm)相關(guān)指標(biāo)變化動(dòng)態(tài)

耕地地表微環(huán)境受植被生長(zhǎng)影響。試驗(yàn)初期(圖2a)，裸地、小麥地和牧草地的地表光照強(qiáng)度差異不明顯；隨著植被生長(zhǎng)，它們之間的差異變得非常明顯，至7月10日測(cè)定時(shí)，裸地的光照強(qiáng)度最高，達(dá)7.60×104lx，而小麥地和牧草地分別為2.65×104和1.98×104lx；小麥?zhǔn)斋@后至試驗(yàn)截止，小麥地裸露與裸地(CK)類似，二者光照強(qiáng)度一致，而牧草地的光照強(qiáng)度明顯小于它們。就表層土壤(0—5 cm)溫度而言(圖2b)，其變化趨勢(shì)與光照強(qiáng)度類似，小麥?zhǔn)斋@前(7月10日)，小麥和牧草地的溫度均小于裸地；小麥?zhǔn)斋@后，小麥地和裸地溫度基本一致，且均顯著大于牧草地溫度。就地表濕度而言(圖2c)，其變化正好相反，隨著小麥和牧草長(zhǎng)高，它們的地表濕度差異變大，其大小順序?yàn)椋盒←湹?牧草地>裸地；小麥?zhǔn)斋@后至試驗(yàn)截止，裸地和小麥地濕度相近，而牧草地的地表濕度顯著大于原小麥地和裸地。

圖2 西北干旱灌溉區(qū)2016年地表微環(huán)境相關(guān)指標(biāo)動(dòng)態(tài)

2.3 耕地表層土壤水、鹽含量的變化動(dòng)態(tài)

地表植被顯著影響耕地表層土壤水、鹽含量。試驗(yàn)初期(圖3a)，裸地、小麥地和牧草地的土壤含水率差異不顯著；隨著植物長(zhǎng)高、長(zhǎng)密，它們之間的土壤含水率發(fā)生顯著差異；小麥?zhǔn)斋@后至試驗(yàn)截止，由于小麥地與裸地類似，故它們間的土壤含水率相近，且均小于牧草地的土壤含水量。就土壤含鹽量而言(圖3b)，試驗(yàn)初期，由于地表植被量較小，它們間的鹽含量差異不顯著；隨著地表植被量增加，遮蔽作用增強(qiáng)(7月10日)，土壤表層的鹽含量差異變得非常顯著，其大小順序?yàn)椋郝愕?牧草地>小麥地；小麥?zhǔn)斋@后，小麥地與裸地類似，土壤表層鹽含量快速升高；至試驗(yàn)截止時(shí)，小麥地的電導(dǎo)率最高，達(dá)319.3 μS/cm，其次為裸地(269.5 μS/cm)，牧草地最低僅為118.9 μS/cm。

圖3 西北干旱灌溉區(qū)2016年土壤水、鹽含量動(dòng)態(tài)

2.4 相關(guān)及回歸分析

為了探尋植被特征指標(biāo)與土壤水、鹽含量間的定量關(guān)系，以10月15日數(shù)據(jù)為例進(jìn)行相關(guān)和回歸分析。結(jié)果顯示(表1)，牧草的蓋度、高度、生物量間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，其中蓋度與地上生物量間相關(guān)性最強(qiáng)，達(dá)0.998。對(duì)于土壤含水率而言，它與牧草植被特征指標(biāo)間也存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明隨著植被覆蓋量的增加，土壤含水率有增加趨勢(shì)。其中土壤含水率與地上生物量間相關(guān)性最大、達(dá)0.734。而土壤電導(dǎo)率正好相反，它與牧草植被特征指標(biāo)間均表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明隨著植被覆蓋量的增加，土壤表層鹽含量有降低趨勢(shì)。相關(guān)性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋荷w度>地上生物量>高度，其中土壤鹽含量與牧草蓋度間的相關(guān)性最強(qiáng)，達(dá)-0.955。而土壤鹽含量與土壤含水率間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為-0.701，說(shuō)明隨著土壤表層含水率增加(即隨著土壤表層水分蒸發(fā)量的減小)，土壤鹽含量有降低趨勢(shì)。進(jìn)一步回歸分析顯示(表2)，對(duì)于土壤含水率而言，當(dāng)牧草植被的地上生物量每提高1 kg/m2，土壤表層的含水率可提高6%，由該回歸方程的決定系數(shù)R2為0.539可知，利用該線性回歸方程得到的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度可達(dá)53.9%；對(duì)于土壤鹽含量而言，當(dāng)牧草植被的蓋度每提高1%，表層土壤的電導(dǎo)率可降低2.2 μS/cm，利用該線性回歸方程預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度可達(dá)91.2%。

表1 西北干旱灌溉區(qū)不同因素間的相關(guān)分析

表2 西北干旱灌溉區(qū)植被特征指標(biāo)與土壤水、鹽含量間的數(shù)量關(guān)系

3 討論和結(jié)論

作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)基礎(chǔ)的土壤，承載著作物的生長(zhǎng)[8]。土壤積鹽的規(guī)律為：鹽隨水來(lái)，水去鹽留[16]。耗資巨大的“引大入秦”工程由于存在灌排設(shè)施不配套，加之該區(qū)種植的春播作物生育期又較短(生長(zhǎng)期為4—7月)，灌水又多采取漫灌方式，致使該灌區(qū)耕地近1/3面積受到土壤次生鹽漬化的威脅[2]。以往研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田種植作物后將使土壤積鹽速度降低，這主要是農(nóng)作物覆蓋農(nóng)田后，茂密的植被降低了土壤水分的自然蒸發(fā)，從而減少了隨水移動(dòng)到土壤表層的鹽分[17]。由于農(nóng)作物在生育期內(nèi)地上部分始終處于動(dòng)態(tài)變化中，其下土壤中的水、鹽受其影響，其含量也應(yīng)處于動(dòng)態(tài)變化中，而以往研究大多選取某一時(shí)間點(diǎn)(如作物收獲前)來(lái)研究植被對(duì)土壤鹽分的效應(yīng)，很少有將二者動(dòng)態(tài)關(guān)系聯(lián)系起來(lái)的報(bào)道。

對(duì)于在同一年種植的小麥和混播牧草披堿草/苜蓿而言，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，它們的蓋度、高度、地上生物量均呈顯著提高趨勢(shì)；盡管披堿草和苜蓿均為多年生牧草，但從種植當(dāng)年的生長(zhǎng)初、中期分析(7月10日前)，小麥生長(zhǎng)速度明顯快于牧草，這主要是因?yàn)樾←?千粒重為39 g)比苜蓿(千粒重為1.9 g)和披堿草(千粒重4.5 g)種子大，幼苗從種子中得到的養(yǎng)分差異明顯，從而使它們的生長(zhǎng)速度產(chǎn)生明顯差異。從試驗(yàn)結(jié)果還可看到，由于秦王川灌區(qū)降雨主要集中于7—9月，小麥?zhǔn)斋@后(8—10月)麥地裸露、類似與裸地，而混播牧草在降雨的澆灌下繼續(xù)生長(zhǎng)、并保持覆蓋耕地地表狀態(tài)。

從地表微環(huán)境相關(guān)測(cè)定結(jié)果可以看出，小麥?zhǔn)斋@前，種植小麥和牧草耕地的地表光照強(qiáng)度、溫度均低于裸地，而地表濕度均高于裸地；對(duì)比混播牧草和小麥覆蓋耕地，小麥地的地表光照強(qiáng)度和溫度均低于牧草地，而地表濕度正好相反。其原因是耕地種植作物和牧草后，陽(yáng)光穿過(guò)植物地上部分后光強(qiáng)減弱，從而使得植被覆蓋耕地地表的日照強(qiáng)度低于裸地；由于植被覆蓋耕地日照強(qiáng)度減弱，通過(guò)陽(yáng)光傳遞給地表的熱量減少，加之地表植被增大了空氣流動(dòng)的阻力，從而使得植被覆蓋區(qū)耕地的地表溫度降低，而濕度明顯增加；對(duì)比小麥地和混播牧草地，由于種植當(dāng)年小麥地上部分的量顯著大于牧草，小麥的遮蔽作用明顯強(qiáng)于牧草，從而使得小麥地的日照強(qiáng)度和土壤溫度均低于牧草地，而濕度正好相反。小麥?zhǔn)斋@后，小麥地裸露類似于裸地，因而其地表日照強(qiáng)度、溫度和濕度與裸地相近；而混播牧草地在牧草地上部分的覆蓋作用下，其日照強(qiáng)度和溫度均顯著低于裸地和原小麥地，而地表濕度正好相反。

地表植被的變化影響耕地土壤水、鹽含量。試驗(yàn)初期，由于小麥和牧草的地上部分量相對(duì)較小，對(duì)地表微環(huán)境的影響有限，故種植小麥和牧草地的土壤水、鹽含量與裸地差異不顯著；隨著小麥和牧草的生長(zhǎng)，植被地上部分增加，它對(duì)地表微環(huán)境(如日照強(qiáng)度、地表濕度、土壤溫度)產(chǎn)生較大影響，從而使得土壤水、鹽含量的差異變得愈加明顯。如從7月10日測(cè)定結(jié)果可以看出，裸地土壤含水率明顯低于植被覆蓋耕地，而土壤鹽含量正好相反。這主要是由于當(dāng)植被覆蓋地表后，地表受到的光照強(qiáng)度減弱，從而使得地表濕度提高、土壤溫度降低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)減弱，故植被覆蓋耕地地表的含水率明顯高于裸地。由于表層土壤中的鹽分主要來(lái)自于土體中的水分，水分蒸發(fā)、鹽分留存于表層。在相同的灌水和降雨條件下，由于裸地地表的濕度和土壤含水率均低于植被覆蓋耕地，說(shuō)明裸地地表水分的自然蒸發(fā)速度比植被覆蓋耕地快，從而使得裸地表層積聚的鹽分較植被覆蓋區(qū)耕地高。當(dāng)小麥?zhǔn)斋@后，小麥地裸露類似于裸地，加之此時(shí)正值西北高溫季節(jié)，從而使得小麥地土壤中的水分快速蒸發(fā)，隨水上移到土壤表層的鹽分顯著提高；而在牧草覆蓋作用下，地表含水率較裸地高，說(shuō)明牧草地土壤水分的自然蒸發(fā)比裸地弱，從而使得隨水上移到土壤表層的鹽分顯著低于裸地。從10月15日鹽含量測(cè)定結(jié)果中還可看出，小麥地的鹽含量顯著高于裸地，這主要是由于小麥生長(zhǎng)期根部吸收大量水分，而水中的鹽分留存于地表以下20—40 cm土壤中，當(dāng)小麥?zhǔn)斋@后，土壤裸露、水分蒸發(fā)，導(dǎo)致土體中的鹽分快速上移到地表，從而使得小麥地表層鹽分的累積速度比裸地還快，這一結(jié)果也與李昂等[7]結(jié)論相一致。另外，試驗(yàn)所選披堿草和苜蓿均為多年生牧草，本文僅就種植春小麥和牧草當(dāng)年對(duì)地表微環(huán)境及土壤相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)種植混播牧草可使耕地表層鹽分處于較低水平。據(jù)魏曉斌等[8]研究顯示，隨著苜蓿種植年限的增加，土壤水溶性鹽分含量呈總體下降趨勢(shì)。據(jù)此可以推斷，隨著披堿草/苜?；觳ツ敛萆L(zhǎng)年限的增加，耕地表層鹽分含量也將會(huì)呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，其防治耕地次生鹽漬化的效果將會(huì)更加顯著。

就植被特征指標(biāo)對(duì)土壤水、鹽含量的影響程度分析，從表1可以看出，植被地上生物量與土壤含水率和植被蓋度與土壤鹽含量間相關(guān)性最強(qiáng)(r=0.734，r=-0.955)；進(jìn)一步分析植被與水、鹽間的數(shù)量關(guān)系可以看出，植被地上生物量每提高1 kg/m2，將使植被覆蓋區(qū)表層土壤的含水率上升6%，植被的蓋度每提高1%，將使植被覆蓋區(qū)表層土壤的電導(dǎo)率降低2.2 μS/cm；當(dāng)利用以上線性回歸關(guān)系預(yù)測(cè)植被覆蓋區(qū)耕地的土壤水、鹽含量時(shí)，其準(zhǔn)確度可達(dá)53.9%和91.2%以上。

綜上所述，由于秦王川灌區(qū)種植的春小麥生育期較短，易引發(fā)土壤的次生鹽漬化問(wèn)題；而披堿草/苜?；觳ツ敛莞采w耕地時(shí)間較長(zhǎng)可預(yù)防耕地發(fā)生土壤次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低土壤鹽漬化的危害，秦王川灌區(qū)應(yīng)盡快調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，實(shí)行草田輪作制度，大力推廣種植生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的牧草(如披堿草/苜?；觳?。