枸杞間作紅豆草對不同鹽漬化土壤水鹽運移及產量的影響

李曉敏， 齊廣平， 康燕霞， 王金恒， 蔡玲惠， 趙 敏

(1.甘肅農業(yè)大學 水利水電工程學院， 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站， 甘肅 景泰 730400)

甘肅引黃灌區(qū)是甘肅省重要的綜合商品農業(yè)生產基地[1]，主要通過電力提灌工程引用黃河水進行灌溉。然而，由于黃河水泥沙含量高且長期以來不合理的農田灌溉使得灌區(qū)土壤次生鹽漬化和水資源浪費現象日趨嚴峻[2]，嚴重制約著該地區(qū)農業(yè)生產力及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。研究表明，在鹽漬化土壤中種植牧草，既能改善土壤質量[3]，增加地表覆蓋，減少地面蒸騰，抑制土壤返鹽，也是一種農業(yè)與生物措施相結合治理鹽漬化的有效途徑。

枸杞(Lyciumbarbarum)為茄科枸杞屬，是一種多年生落葉灌木，具有很強的耐鹽性、耐旱性和較高的藥用價值[4]。枸杞對土壤環(huán)境和氣候狀況的適應性很強，可在旱地、沙地、鹽堿地等條件下生長，已成為干旱地區(qū)改良鹽堿地的造林先鋒樹種和甘肅省主要經濟作物之一[5-6]。紅豆草(Onobrychisviciaefolia)是一種耐旱耐寒，能夠結瘤固氮的多年生豆科牧草，被譽為“牧草皇后”[7-8]，具有營養(yǎng)豐富、品質優(yōu)良、產量高、家畜喜食[9]等特點，也是培肥地力、蓄水保土及改善生態(tài)環(huán)境的優(yōu)質牧草[8]。長期以來，枸杞單作的種植模式[10]，由于地表裸露面積大，造成棵間無效蒸發(fā)量強烈，地表積鹽加重和土地利用率低等問題[11]。研究發(fā)現，2種或2種以上作物間作[12]，一定程度上能夠減小土壤蒸發(fā)[13]，提高作物對光、熱、水、肥、土地等資源的利用率[14]，達到增產增效的目的。王升等[15]研究表明，棉田間作鹽生植物可增加土壤自然含水量，降低土壤含鹽量，并改善土壤物理性質，是一種有效的改良鹽堿地措施；張作為等[16]研究發(fā)現小麥/向日葵間作群體具有輕度的控鹽作用。

近年來，關于枸杞間作不同作物的研究逐漸開展。史曉巍等[11]研究發(fā)現，枸杞/苜蓿和枸杞/紅豆草是適宜引黃灌區(qū)水土資源高效利用的枸杞豆科牧草間作模式。蘇鵬海等[17]研究發(fā)現，枸杞和苜蓿間作具有明顯的間作優(yōu)勢。張玉龍等[18]研究表明，鹽堿地枸杞間作苜蓿、油菜、堿蓬均能有效增加土壤含水率，降低土壤鹽分，達到改良鹽堿地的效果。然而，以往研究主要集中于枸杞間作苜蓿，且針對同一鹽漬化土壤下作物的水、光、熱等方面進行研究。對不同鹽漬化土壤條件下枸杞間作紅豆草水鹽運移與枸杞產量方面的研究鮮有報道?；诖?，本研究以枸杞單作為對照，探究在不同鹽漬化土壤中枸杞間作紅豆草的水鹽運移規(guī)律及枸杞產量效應，以期為甘肅引黃灌區(qū)枸杞種植模式與鹽堿地改良提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6—9月在甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站(37°23′N，104°08′E，海拔2 028 m)進行。試驗區(qū)年均氣溫8.5℃，多年平均降水量185 mm，蒸發(fā)量3 028 mm，無霜期191 d，屬于溫帶干旱型大陸氣候。土壤類型為壤土，干容重1.61 g/cm3，田間最大持水量為24.1%。2018年試驗區(qū)降水分布和日平均氣溫見圖1。

1.2 試驗材料

供試枸杞為寧杞1號，豆科牧草為甘肅紅豆草。參考當地施肥經驗，各小區(qū)于試驗開始前一次性穴施等量基肥：尿素80 kg/hm2，農家有機肥4 500 kg/hm2，之后不再追肥。枸杞于2017年4月下旬移栽(2年生枸杞苗木)，南北行栽植，株距150 cm，行距300 cm；紅豆草于2018年6月22日在枸杞行間南北方向條播，距枸杞樹干30 cm，行距30 cm。

圖1 2018年試驗區(qū)降水量與平均氣溫

1.3 試驗設計

試驗設土壤鹽漬化程度和種植模式2個因素。土壤鹽漬化程度以各小區(qū)播種前0—60 cm土層初始含鹽量為依據，根據中國干旱及半干旱區(qū)土壤鹽漬化分級分類標準[19]，非鹽化、輕度鹽漬化和中度鹽漬化土壤的鹽分含量分別為<0.1%，0.1%～0.2%和0.2%～0.4%。經土樣分析測定發(fā)現，試驗開始前0—60 cm土層鹽分含量為0.03%～0.4%，采用人工添加鹽量(取自附近荒地的地表積鹽)和灌溉的方式調整0—60 cm土層的土壤鹽分含量[20]，使得各處理含鹽量非鹽化S1為0.04%～0.90%，輕度鹽漬化S2為0.12%～0.18%，中度鹽漬化S3為0.25%～0.34%；種植方式設置2種：枸杞單作(D)和枸杞間作紅豆草(J)，合計6個處理。小區(qū)間隨機區(qū)組排列，每個處理3次重復，共18個小區(qū)，小區(qū)面積為6 m×4.5 m(27 m2)。每個小區(qū)種植枸杞2行，每行3棵，共計6棵。為防止小區(qū)之間水分互滲，在相鄰小區(qū)間布設防水塑料棚膜，埋深120 cm，其它管理措施與當地枸杞種植保持一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤水分測定 于枸杞秋果采收期(紅豆草正值出苗期)開始，采用時域反射儀TDR(德國IMKO公司產PICO-BT)對各小區(qū)0—120 cm(每隔20 cm測定1次)土層土壤體積含水率進行監(jiān)測，監(jiān)測周期為5 d，并定時采用土鉆取土法對測定結果進行校正。

1.4.2 土壤鹽分測定 分別于紅豆草種植前(6月20日)和收獲后(9月10日)，各小區(qū)用“S”型取樣法選取5個點，取樣深度為0—60 cm(每隔10 cm為1個土樣)，去除植物殘體，風干后通過2 mm篩網測定土壤含鹽量。

稱取土樣20 g置于三角瓶中，加入100 ml蒸餾水，將三角瓶振蕩10 min，靜置15 min 后過濾，制成水土質量比為5∶1的浸提液，采用DDS-308A型便攜式電導率儀測定浸提液電導率。

1.4.3 枸杞、紅豆草產量測定 枸杞果實于2018年6月25日開始采摘，每個小區(qū)選擇3株枸杞樹，每隔8 d采摘一次，統(tǒng)計各處理枸杞鮮果百粒重、干果百粒重和產量。紅豆草于2018年9月10日測定單位面積生物量，每個小區(qū)選取長勢均勻的1 m2樣方(1 m×1 m)，對樣方內的草進行刈割，留茬高度為5 cm，稱鮮重，于105 ℃烘箱中殺青30 min后調至75 ℃烘干至恒重，計算干鮮比和地上生物量。

1.4.4 土壤脫鹽率、相對脫鹽率指標確定

生育期末脫鹽率計算方法為：

(1)

式中：D為脫鹽率(%)；T為土壤初始含鹽量(%)；E為生育期末土壤含鹽量(%)。

間作處理相對于無間作處理的相對脫鹽率為：

Rr=(Dck-Dtg)/Dck

(2)

式中：Rr為相對脫鹽率，Rr>0為相對脫鹽，Rr<0為相對積鹽，Rr越大，脫鹽效果越好。Dtg處理組為脫鹽率(%)；Dck為未間作組脫鹽率(%)[21]。

1.5 數據處理

采用 Microsoft Excel 2010 及 SPSS 19.0 進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下土壤水分動態(tài)變化

2.1.1 土壤含水率的空間變化 圖2表明枸杞單作條件下各處理0—60 cm土層含水率均隨深度增加而增加，且40 cm處土層含水率沒有顯著性差異；各處理60—120 cm土層含水率均隨深度增加而減小，大小依次為非鹽化枸杞單作(DS1)>中度鹽漬化枸杞單作(DS3)>輕度鹽漬化枸杞單作(DS2)。枸杞間作條件下各處理0—120 cm土層含水率均隨深度增加呈先減小后增加再減小的趨勢，且40,100,120 cm處土層含水率呈顯著性差異(p<0.05)，大小依次為：中度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS3)>輕度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS2)>非鹽化枸杞間作紅豆草(JS1)。在同一種植模式60 cm土層處，輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下土層含水率無顯著差異，但均與非鹽化(S1)條件下土層含水率差異顯著(p<0.05)。

在非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下，0—20 cm土層含水率枸杞間作紅豆草均大于枸杞單作，較單作分別提高了7.10%,2.47%,7.21%；20—40 cm土層含水率出現轉折點，由枸杞間作紅豆草大于枸杞單作逐漸變?yōu)殍坭介g作紅豆草小于枸杞單作；40—120 cm土層含水率枸杞間作紅豆草均小于枸杞單作。同一深度非鹽化枸杞間作紅豆草(JS1)和非鹽化枸杞單作(DS1)土層含水率差異顯著(p<0.05)。

注：JS1表示非鹽化枸杞間作紅豆草；JS2表示輕度鹽漬化枸杞間作紅豆草；JS3表示中度鹽漬化枸杞間作紅豆草；DS1表示非鹽化枸杞單作；DS2表示輕度鹽漬化枸杞單作；DS3表示中度鹽漬化枸杞單作。下同。

圖2 不同鹽漬化條件下紅豆草生育期內土壤剖面平均含水率

2.1.2 土壤含水率的時間變化 由圖3可知，各處理的土壤含水率均隨生育期變化呈波浪形。隨著鹽漬化程度的加深，枸杞間作紅豆草土壤含水率逐漸增大，枸杞單作土壤含水率無顯著差異。在非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下，土壤含水率枸杞間作紅豆草均低于枸杞單作。各處理中非鹽化枸杞間作紅豆草(JS1)與非鹽化枸杞單作(DS1)土壤含水率差異顯著(p<0.05)。

圖3 不同鹽漬化條件下各處理0-120土層平均含水率

2.2 不同處理下土壤鹽分動態(tài)變化

由圖4可以看出，隨著鹽漬化程度的加深，土壤含鹽量逐漸增大。非鹽化(S1)條件下各處理土壤含鹽量隨深度增加無顯著變化，0—10 cm土層含鹽量非鹽化枸杞間作紅豆草(JS1)較非鹽化枸杞單作(DS1)降低了44.47%；輕度鹽漬化(S2)條件下各處理在40 cm和60 cm處存在鹽分聚集現象且土壤含鹽量呈顯著性差異(p<0.05)。0—60 cm土層含鹽量輕度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS2)均低于輕度鹽漬化枸杞單作(DS2)。中度鹽漬化(S3)條件下各處理含鹽量隨深度增加變化幅度較大，在10 cm和50 cm處土壤含鹽量有顯著差異(p<0.05)。

圖4 不同鹽漬化條件下紅豆草生育期末土壤含鹽量剖面分布

2.3 0-60 cm土層脫鹽效果

由表1可知，非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下枸杞單作脫鹽率依次為-6.29%,-4.25%,-9.76%，即枸杞單作條件下各處理土壤鹽分均呈累積狀態(tài)。非鹽化枸杞單作(DS1)和輕度鹽漬化枸杞單作(DS2)脫鹽率無顯著差異，但均與中度鹽漬化枸杞單作(DS3)脫鹽率差異顯著(p<0.05)。非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下枸杞間作紅豆草脫鹽率依次為34.85%,8.82%,14.20%，即枸杞間作條件下各處理土壤鹽分均呈脫鹽狀態(tài)，且各處理脫鹽率差異顯著(p<0.05)。非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下相對脫鹽率均大于0，即枸杞間作紅豆草相對于枸杞單作均呈脫鹽狀態(tài)。隨著鹽漬化程度的加深，相對脫鹽率逐漸減小。

表1 不同處理0-60土層脫鹽率

注： ①表中JS1表示非鹽化枸杞間作紅豆草，JS2表示輕度鹽漬化枸杞間作紅豆草，JS3表示中度鹽漬化枸杞間作紅豆草，DS1表示非鹽化枸杞單作，DS2表示輕度鹽漬化枸杞單作，DS3表示中度鹽漬化枸杞單作； ②不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著(p<0.05)，下同。

圖5表明，土壤脫鹽率隨土層深度、種植方式和鹽漬化程度變化而不同。枸杞間作條件下0—40 cm各土層脫鹽率均大于0，且隨鹽漬化程度的加深逐漸降低；40—60 cm各土層脫鹽率表現為：中度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS3)>非鹽化枸杞間作紅豆草(JS1)>輕度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS2)。同一鹽漬化條件下0—10 cm和10—20 cm土層脫鹽率無顯著差異。枸杞單作條件下0—10，10—20，50—60 cm土層脫鹽率均小于0，30—40 cm土層脫鹽率大于0。S1條件下0—30 cm和50—60 cm各土層脫鹽率差異不顯著；S2條件下0—10，10—20，30—40，40—50 cm土層脫鹽率差異均顯著(p<0.05)；S3條件下0—10 cm土層與其余土層脫鹽率差異均顯著(p<0.05)。

圖5 不同土層深度各處理脫鹽率

同一土層深度，各處理間脫鹽率也存在差異。0—10 cm土層，輕度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS2)和中度鹽漬化枸杞間作紅豆草(JS3)脫鹽率差異不顯著，其余各處理間脫鹽率均顯著差異(p<0.05)；10—20 cm土層，非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下土壤脫鹽率均差異顯著(p<0.05)；20—30 cm土層，S3條件下土壤脫鹽率無顯著差異，其余各處理間差異均顯著(p<0.05)；30—40 cm土層，間作條件下各處理脫鹽率無顯著差異，S2條件下脫鹽率差異顯著(p<0.05)；40—50 cm和50—60 cm土層各處理間脫鹽率差異與10—20 cm土層類似。各處理中非鹽化枸杞間作紅豆草(JS1)處理0—10 cm土層脫鹽率最高，為54.07%；中度鹽漬化枸杞單作(DS3)處理0—10 cm土層脫鹽率最低，為-97.60%。

由圖6可知，0—10，10—20，20—30，40—50 cm土層的相對脫鹽率表現為：JS1>JS2>JS3，30—40，50—60 cm土層的相對脫鹽率表現為JS1>JS3>JS2。10—20 cm和20—30 cm土層各處理間相對脫鹽率差異均顯著(p<0.05)。S1和S2條件下相對脫鹽率在10—20 cm土層最高，S3條件下相對脫鹽率在50—60 cm土層最高。

圖6 不同土層深度枸杞間作紅豆草各處理相對脫鹽率

S1條件下0—60 cm各土層的相對脫鹽率依次為7.608，10.395，6.744，0.192，1.765，2.197，土壤均呈脫鹽狀態(tài)；S2條件下30—40 cm和50—60 cm 土層相對脫鹽率小于0，土壤均呈積鹽狀態(tài)，其余各土層土壤均呈脫鹽狀態(tài)；S3條件下0—10，10—20，50—60 cm土層土壤表現為脫鹽狀態(tài)，其余各土層土壤均呈積鹽狀態(tài)。枸杞間作紅豆草的相對脫鹽率在0—30 cm土層優(yōu)于30—60 cm土層。

2.4 不同處理下枸杞間作紅豆草對枸杞和紅豆草產量的影響

由表2可知，隨著鹽漬化程度的加深，枸杞鮮果百粒重、產量逐漸減小。從鮮果百粒重來看，非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)條件下枸杞間作紅豆草均高于枸杞單作，中度鹽漬化(S3)條件下枸杞間作紅豆草低于枸杞單作；從產量情況來看，枸杞間作紅豆草各處理間差異顯著(p<0.05)，枸杞單作在S1和S2處理間差異不顯著，但與S3處理差異均顯著(p<0.05)。S1和S2條件下枸杞間作紅豆草和枸杞單作差異均顯著(p<0.05)，S3條件下差異不顯著。

表2 不同處理下枸杞百粒重和產量

枸杞干果百粒重表現為S2最高，S3最小。S1和S2條件下干果百粒重枸杞間作紅豆草均低于枸杞單作，但均沒有顯著差異。隨著鹽漬化程度的加深，枸杞間作紅豆草和枸杞單作鮮干比值逐漸減小，同一鹽漬化條件下各處理差異均顯著(p<0.05)。

由表3可以看出，隨著鹽漬化程度的加深，紅豆草鮮草產量和干草產量均逐漸減小。S1條件下紅豆草鮮草產量和干草產量最高，且與S2,S3條件下紅豆草產量差異顯著(p<0.05)；S2和S3條件下紅豆草鮮草產量和干草產量差異不顯著。紅豆草鮮干比在S2條件下比值最大(4.90)。

表3 不同處理間紅豆草產量

3 討論與結論

3.1 討 論

水分是土壤、植物、大氣連續(xù)體的關鍵因子，其含量與分布直接影響植物的生長、養(yǎng)分傳輸等過程[22]。間作系統(tǒng)中由于不同作物間生長發(fā)育、需水耗水特征不同，主要作物和間作作物會存在水分的競爭。本文通過對不同鹽漬化土壤枸杞間作紅豆草的研究表明，與枸杞單作相比，枸杞間作紅豆草能明顯提高0—20 cm土層的土壤含水率，顯著降低了20—120 cm土層的土壤含水率。這可能是由于枸杞間作紅豆草一方面減少了水分蒸發(fā)，但另一方面間作系統(tǒng)中紅豆草的存在也加劇了土壤水分的消耗，且在S1條件下土壤含水率差異最顯著(p<0.05)。從較長時間來看，枸杞根系下扎后，枸杞間作紅豆草的土壤含水率仍維持在田間持水量的60%以上，基本滿足作物的需水量要求。這與何子建等[21]、王克林等[23]、白崗栓等[24]的研究結果一致。另外，土壤含水率也隨著鹽漬化程度的不同而不同。非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下枸杞間作紅豆草土壤含水率逐漸增大，枸杞單作土壤含水率無顯著差異，這可能與枸杞耐鹽性強有關。李冬冬等[25]研究也發(fā)現，中度和輕度鹽漬化土壤在棉花整個生育期內平均土壤含水率變化無顯著差異。

林草間作是一種集約高效、生物改鹽的種植方式[26-27]。在枸杞行距間種植紅豆草，相比于枸杞單作減小了陽光照射的面積，從而在一定程度上降低了地表水分的蒸發(fā)，所以對鹽分的累積有一定的抑制作用[28]。昝林森[29]研究表明紅豆草的覆蓋度已超過80%，枸杞間作紅豆草可增加地面的覆蓋度，對鹽堿地具有明顯的改良效果[30-31]。張玉龍等[18]研究表明鹽堿地枸杞不同間作模式對0—40 cm土層有明顯的脫鹽效果。本研究結果也表明，枸杞間作紅豆草能明顯降低0—60 cm土層的土壤含鹽量，且在S1條件下脫鹽效果最好；枸杞間作紅豆草相對于枸杞單作均呈脫鹽狀態(tài)。這與李丹等[27]、張艷超等[28]人的研究結果一致。

枸杞間作紅豆草在有效降低土壤含鹽量的同時，還可以提高枸杞鮮果百粒重和產量。與枸杞單作相比，S1和S2條件下枸杞間作紅豆草產量、百粒重均表現出增產優(yōu)勢。何子健等[21]研究表明不同地下水埋深條件下，間作鹽生植物的處理棉花產量均有不同程度提高；史曉巍等[11]通過枸杞間作豆科牧草發(fā)現枸杞間作紅豆草能夠提高共生期植被覆蓋度和水分利用效率，且增產效果較為明顯，這與本研究結果一致。

3.2 結 論

(1) 在非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下枸杞間作紅豆草能有效提高0—20 cm土層平均含水率；0—120 cm土層的平均含水率枸杞間作紅豆草均低于枸杞單作，且在S1條件下差異最顯著。

(2) 在非鹽化(S1)、輕度鹽漬化(S2)和中度鹽漬化(S3)條件下枸杞間作紅豆草均能有效降低0—60 cm土層土壤含鹽量，相對脫鹽率依次為6.539,3.078,2.455。隨著鹽漬化程度的加深，相對脫鹽率逐漸減小。

(3) 隨著鹽漬化程度的加深，枸杞鮮果百粒重和產量逐漸減小。在S1和S2條件下枸杞間作紅豆草的鮮果百粒重、產量均高于枸杞單作的，且差異顯著。