不同覆沙厚度下松嫩平原鹽堿裸地上的種植效果

胡 娟，周道瑋，王曉禹，張 丹，關(guān)勝超

（1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 / 中國(guó)科學(xué)院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 吉林省草地畜牧重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102；2. 吉林省洮南市草原工作站，吉林 洮南 137100；3. 長(zhǎng)春大學(xué)園林學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130102；4. 通化師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，吉林 通化 134000）

世界陸地表面積13.2 × 109hm2，其中，7 × 109hm2可潛在利用，1.5 × 109hm2為耕地[1]。目前，中國(guó)人口13 億，人均耕地面積僅0.094 hm2，預(yù)計(jì)2030 年人口將增至16 億，人均耕地面積將減少到0.067 hm2左右[2]。在人均耕地面積減少的嚴(yán)峻形勢(shì)下，保障糧食安全的任務(wù)越來(lái)越艱巨。松嫩平原屬農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，是世界三大蘇打鹽堿土之一。近年來(lái)，受人口壓力的影響，松嫩平原土地鹽堿化日趨嚴(yán)重，耕地面積的減少和土地生產(chǎn)力的降低導(dǎo)致農(nóng)作物和飼草產(chǎn)量明顯下降[3-6]。因此，擴(kuò)展農(nóng)田土地空間是緩解人口壓力的重要途徑[7-9]。

松嫩平原荒廢的鹽堿土地上作物很難生長(zhǎng)，即使出苗也很難成活，在鹽堿土地上覆沙是解決這一問(wèn)題的有效途徑[10]。沙地土壤含鹽量低，結(jié)構(gòu)疏松[11]，將風(fēng)沙土覆蓋在中度和重度鹽堿土上有沙壓堿和沙壓鹽的作用，也就是人們常說(shuō)的“沙壓堿，賽金板”。沙地土壤有較大的毛管空隙，能抑制鹽堿土鹽分的上移，使鹽分停留在某一深層，從而覆沙層可用于耕作[7,12]。另外，有研究表明，風(fēng)沙土與鹽堿土在一定程度上混合能改善土壤黏沙比例、容重以及疏松度等物理性質(zhì)，并降低鹽分含量，從而提供適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境[12]。鹽堿土混入一定比例風(fēng)沙土后大豆(Glycine max)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、玉米(Zea mays)等旱地作物能正常生長(zhǎng)[7]。耐鹽作物如黑麥草(Lolium perenne)能成功在覆沙的鹽堿地上種植，并改變土壤理化性質(zhì)[13-14]。因此，在覆沙層可以種植各種不同的農(nóng)作物或飼草以發(fā)展和維護(hù)農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)。

各類(lèi)農(nóng)作物或飼草由于習(xí)性的差異，在鹽堿覆沙地上的種植效果可能不同，且對(duì)覆沙厚度的響應(yīng)可能也存在明顯差異。覆沙過(guò)薄或過(guò)厚，作物根系主要集中在鹽堿土層或沙土層，均不利于作物生長(zhǎng)，另外，覆沙厚度還決定了投入成本。適宜的覆沙厚度是覆沙造旱田高效種植利用的關(guān)鍵。為此，在松嫩平原鹽堿裸地上進(jìn)行不同厚度覆沙試驗(yàn)，研究農(nóng)作物或飼草在不同覆沙厚度上的種植效果，以期為覆沙造旱田的高效種植利用提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原南部，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站 (44°33′ N，123°31′ E，海拔145 m)。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈。年平均氣溫4.9 ℃，≥ 10 ℃有效積溫2 920 ℃·d，無(wú)霜期140～160 d，年日照時(shí)數(shù)2 800 h。年降水量300～500 mm，70%集中在6 月 ? 9 月，年蒸發(fā)量1 600 mm。該地區(qū)地勢(shì)平坦，以低地平原為主，有帶狀固定沙丘分布。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2010 年采用隨機(jī)區(qū)組-裂區(qū)設(shè)計(jì)方法布置試驗(yàn)。在研究區(qū)域內(nèi)選擇重度鹽堿化土地進(jìn)行覆沙，分別設(shè)10、20、30、40 cm 不同覆沙厚度處理，記為T(mén)10、T20、T30、T40，每處理5 次重復(fù)。小區(qū)面積10 m ×35 m，小區(qū)間隔10 m。每處理進(jìn)行裂區(qū)設(shè)計(jì)隨機(jī)種植玉米、向日葵(Helianthus annuus)、大麥(Hordeum vulgare)、苜蓿，共16 個(gè)處理，80 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積10 m × 7 m。試驗(yàn)用沙土的pH 為8.95，電導(dǎo)率為78.3 μs·cm?1，有機(jī)質(zhì)含量為7.3 g·kg?1；試驗(yàn)地鹽堿土的pH 為10.39，電導(dǎo)率為621.3 μs·cm?1，有機(jī)質(zhì)含量為6.6 g·kg?1。

于2010 年覆沙后，2010 年和2011 年在不同覆沙厚度上連續(xù)2 年種植玉米、向日葵和大麥；2010 年種植苜蓿，2011 年對(duì)苜蓿進(jìn)行補(bǔ)播。5 月初種植玉米，行距和株距45 cm，種植密度為49 500 株·hm?2；5 月下旬種植向日葵，行距100 cm，株距65 cm，種植密度為915 株·hm?2；4 月初種植或補(bǔ)播苜蓿，行距43 cm，播種量或補(bǔ)播種量67.5 kg·hm?2；4 月初種植大麥，行距43 cm，播種量160 kg·hm?2。玉米和向日葵采用穴播，大麥和苜蓿采用條播，播種前在穴或溝內(nèi)澆足水。每年基施磷酸二胺25 g·m?2，追施尿素25 g·m?2。于2010 年作物收獲后將秸稈殘?bào)w及枯落物保留在地表。

1.3 樣品采集

由于不同作物的播種時(shí)間和生育時(shí)期不同，于2010 年和2011 年玉米(9 月下旬)、向日葵(9 月下旬)和大麥的成熟期(7 月末)以及苜蓿結(jié)實(shí)期(10 月初)采集植物樣品。玉米和向日葵每小區(qū)隨機(jī)選取15 株，測(cè)量株高和莖粗；大麥和苜蓿每小區(qū)隨機(jī)選取0.43 m × 1 m 區(qū)域收割地上部分。由于苜蓿的根系分布較深，其生長(zhǎng)受深層土壤鹽堿的影響較大，因此采用挖掘法取不同土層根系。挖取0 ? 10、10 ? 20、20 ? 30、30 ? 40、40 ? 60 cm 土層土壤樣品，將每層土壤樣品帶回室內(nèi)用水沖洗，挑出各層所有根系。玉米、向日葵和大麥的莖葉和籽粒以及苜蓿的地上部分和根系于65 ℃烘干并稱(chēng)重。于2011 年對(duì)玉米和向日葵進(jìn)行考種和測(cè)產(chǎn)，并計(jì)算向日葵的籽粒飽滿(mǎn)度[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017 統(tǒng)計(jì)所有數(shù)據(jù)；采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和LSD 多重比較；采用Origin 2017 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆沙厚度對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

覆沙后第1 年不同覆沙厚度玉米均能生長(zhǎng)，覆沙20、30、40 cm 處理玉米莖葉干重和籽粒干重明顯高 于 覆 沙10 cm 處 理(P ＞ 0.05) (表1)。覆 沙 后 第2 年玉米長(zhǎng)勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，除禿尖長(zhǎng)外，其他指標(biāo)均隨覆沙厚度的增加而逐漸增加。覆沙20、30、40 cm 處理玉米的莖粗、株高、行粒數(shù)和千粒重均顯著高于覆沙10 cm 處理(P ＜ 0.05)，覆沙40 cm 處理最高，分別比覆沙10 cm 高29.6%、15.1%、73.3%和66.7%，但其 與 覆 沙20 和30 cm 處 理 差 異 不 顯 著(P ＞ 0.05)。禿尖長(zhǎng)則相反，覆沙10 cm 處理禿尖長(zhǎng)可達(dá)2.12 cm，顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)。覆沙30 和40 cm 處理玉米的穗長(zhǎng)和穗軸重均顯著高于覆沙10 cm 處理。覆沙40 cm 處理玉米籽粒干重是覆沙10 cm 處理的3.27 倍，覆沙40 cm 處理與覆沙20 和30 cm 處理差異不顯著(P ＞ 0.05)。說(shuō)明增加覆沙厚度可以促進(jìn)玉米莖粗和株高的增長(zhǎng)，促進(jìn)行粒數(shù)和籽粒干重的增加，并減少禿尖長(zhǎng)度。

表1 覆沙厚度對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of different sand-cover thicknesses on the growth of Zea mays

第2 年覆沙后，覆沙20 cm 以上顯著提高了玉米產(chǎn)量(圖1)。覆沙20、30、40 cm 處理玉米產(chǎn)量分別是覆沙10 cm 處理的3.27、2.54、2.50 倍。覆沙40 cm處理玉米產(chǎn)量較覆沙20 和30 cm 處理分別高30.8%和28.7%，但差異不顯著(P ＞ 0.05)。這說(shuō)明覆沙20 cm以上能有效促進(jìn)玉米增產(chǎn)。

2.2 覆沙厚度對(duì)向日葵生長(zhǎng)的影響

覆沙后第1 年向日葵的長(zhǎng)勢(shì)較弱(表2)，不同覆沙厚度處理間向日葵莖葉干重沒(méi)有顯著差異(P ＞0.05)，覆沙40 cm 處理向日葵籽粒干重顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)。第2 年向日葵的長(zhǎng)勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)。除籽粒飽滿(mǎn)度和千粒重外，其他各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均隨覆沙厚度的增加而逐漸增加。覆沙20、30、40 cm 處理千粒重顯著高于覆沙10 cm 處理；覆沙30 和40 cm處理花盤(pán)直徑分別較覆沙10 cm 處理顯著增加17.7%和28.1%；覆沙40 cm 處理莖粗分別較覆沙10 和20 cm處理顯著提高19.3%和17.4%。說(shuō)明覆沙厚度的增加可以促進(jìn)向日葵莖粗與株高的生長(zhǎng)，花盤(pán)的增大，為種子提供充足的營(yíng)養(yǎng)。

圖1 不同覆沙厚度對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Figure 1 Effects of different sand-cover thicknesses on the yields of Zea mays

表2 不同覆沙厚度對(duì)向日葵生長(zhǎng)的影響Table 2 Effects of different sand-cover thicknesses on the growth of Helianthus annuus

第2 年覆沙后向日葵的產(chǎn)量結(jié)果表明，覆沙40 cm處理向日葵產(chǎn)量最高，較覆沙10 cm 處理高49.9%(P ＜ 0.05)，較覆沙20 和30 cm 處理分別高14.3%和12.4%，但差異不顯著(P ＞ 0.05) (圖2)。覆沙20 和30 cm 處理產(chǎn)量分別較覆沙10 cm 處理高31.2%和33.4%，但未達(dá)顯著水平，且覆沙20 和30 cm 處理間沒(méi)有明顯差異。說(shuō)明覆沙40 cm 處理才能顯著提高向日葵產(chǎn)量。

圖2 不同覆沙厚度對(duì)向日葵產(chǎn)量的影響Figure 2 Effects of different sand-cover thicknesses on the yields of Helianthus annuus

2.3 覆沙厚度對(duì)大麥生長(zhǎng)的影響

覆沙后第1 年不同覆沙厚度大麥的單株莖葉干重和單株籽粒干重均較低(圖3)，覆沙20 cm 處理大麥生長(zhǎng)狀況好于其他處理，但差異不顯著(P ＞ 0.05)。第2 年大麥長(zhǎng)勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，覆沙40 cm 處理大麥的莖葉干重和籽粒產(chǎn)量均最高，分別是覆沙10 cm 處理的2.65 倍和3.69 倍。覆沙40 cm 處理大麥莖葉干重較覆沙20 和30 cm 處理分別高51.1%和39.5%，大麥籽粒產(chǎn)量分別高54.8%和42.5%，但均未達(dá)顯著水平，且覆沙20 和30 cm 處理間沒(méi)有明顯差異。說(shuō)明覆沙40 cm 處理才能顯著提高大麥莖葉干重和籽粒產(chǎn)量(P ＜ 0.05)。

2.4 覆沙厚度對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的影響

覆沙后第1 年苜蓿長(zhǎng)勢(shì)較弱，最高單株地上部干重僅約5.1 g (圖4)，但覆沙20 和30 cm 處理地上部干重顯著高于覆沙10 和40 cm 處理(P ＜ 0.05)，以覆 沙30 cm 處 理 最 高。20 和30 cm 處 理 之 間 以 及10 和40 cm 處理之間差異不顯著(P ＞ 0.05)。

覆沙30 cm 處理苜蓿分枝數(shù)最多，但與其他覆沙處理間差異不顯著(P ＞ 0.05)。覆沙20 、30、40 cm處理苜蓿的株高顯著高于覆沙10 cm 處理(P ＜0.05)，覆沙30 cm 處理略高于覆沙20 和40 cm 處理(圖5)，但三者之間差異不顯著(P ＞ 0.05)。說(shuō)明覆沙20 cm 及以上對(duì)苜蓿株高的增長(zhǎng)有顯著促進(jìn)作用，而對(duì)分枝數(shù)的影響不顯著。覆沙30 cm 處理苜蓿的干草產(chǎn)量最高，為8 597 kg·hm?2，是覆沙10 cm 處理的3.30 倍，兩者間差異顯著。這說(shuō)明覆沙30 cm 最有利于苜蓿生長(zhǎng)。

圖3 不同覆沙厚度對(duì)大麥莖葉干重和籽粒產(chǎn)量的影響Figure 3 Effects of different sand-cover thicknesses on the stem and leaf dry weight and grain yield of Hordeum vulgare

圖4 不同覆沙厚度對(duì)覆沙后第1 年苜蓿地上部干重的影響Figure 4 Effects of different sand-cover thicknesses on the aboveground dry weights of Medicago sativa in first year

覆沙20、30、40 cm 處理0 ? 60 cm 土層苜?？偢锪糠謩e較覆沙10 cm 處理高20.5%、28.8%、21.3%，覆沙30 cm 處理顯著高于覆沙10 cm 處理(P ＜0.05），并高于覆沙20 和40 cm 處理，但差異不顯著( P ＞ 0.05）(圖6)。不同覆沙厚度處理根生物量均主要分布在0 ? 10 cm 土層，且隨土層深度的增加有降低的趨勢(shì)。覆沙10、20、30、40 cm 處理0 ? 10 cm 土層根生物量占0 ? 60 cm 土層總根生物量的65.9%、53.5%、44.6%和56.4%。覆沙30 cm 處理在10 ? 20 cm土層也有較多的分布，占總根生物量的33.7%。

3 討論

圖5 不同覆沙厚度對(duì)苜蓿生長(zhǎng)指標(biāo)及干草產(chǎn)量的影響Figure 5 Effects of different sand-cover thicknesses on the growth index and hay yields of Medicago sativa

圖6 不同覆沙厚度對(duì)苜蓿根干重的影響Figure 6 Effects of different sand-cover thicknesses on the root dry weight of Medicago sativa

在松嫩平原荒蕪廢棄的鹽堿土地上，植物生長(zhǎng)困難，大多數(shù)植物的出苗受到抑制，且成活率很低，而覆沙是解決此問(wèn)題的有效途徑。Bakker 等[16]在鹽堿裸地上覆沙成功種植了大麥。本研究結(jié)果也表明，將沙土覆蓋在鹽堿裸地上能成功種植玉米、向日葵、大麥及苜蓿。然而覆沙第1 年4 種作物長(zhǎng)勢(shì)較弱，苜蓿的單株地上部干重以及大麥的單株莖葉干重、單株籽粒干重最高僅約5.0 g，而玉米的單株籽粒干重幾乎為零，且不同覆沙厚度處理間沒(méi)有顯著差異。這是因?yàn)楦采澈笸寥赖膒H 和含鹽量顯著降低，土壤的理化性質(zhì)也能得以改善，4 種作物均能正常出苗和生長(zhǎng)。但覆沙當(dāng)年作物長(zhǎng)勢(shì)較弱，一方面可能由于覆沙當(dāng)年土壤性質(zhì)改善的效果還未充分體現(xiàn)，另一方面，沙土的土壤空隙較大，易漏水漏肥，作物生長(zhǎng)可能受到水、肥的限制。覆沙后第2 年4 種作物的長(zhǎng)勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，并且生長(zhǎng)穩(wěn)定。這是由于覆沙后隨年限的增加，沙土和鹽堿土可能在一定程度上發(fā)生混合，改善土壤理化性質(zhì)及物理結(jié)構(gòu)，并降低土壤含鹽量，為作物生長(zhǎng)提供較好的環(huán)境[12]。另外，本研究在第1 年作物收獲后將秸稈殘?bào)w和枯落物保留在地表，作為外源有機(jī)物料為沙土輸入養(yǎng)分以提高土壤肥力[17-20]。

不同覆沙量對(duì)陜北鹽堿地的改良和利用效果表明，覆沙15 cm 能顯著提高黑麥草的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[13]。本研究表明，不同作物對(duì)覆沙厚度的響應(yīng)存在差異。覆沙20 cm 以上玉米的籽粒產(chǎn)量顯著高于覆沙10 cm；覆沙30 cm 苜蓿干草產(chǎn)量和根干重高于其他覆沙厚度；覆沙40 cm 向日葵和大麥的籽粒產(chǎn)量顯著高于覆沙10 cm。這一方面與作物的生長(zhǎng)習(xí)性有關(guān)，另一方面與不同覆沙厚度為作物生長(zhǎng)提供的不同耕層環(huán)境有關(guān)。關(guān)勝超[10]對(duì)不同覆沙厚度土壤水分及鹽堿的變化做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)覆沙后土壤含水量、pH 和電導(dǎo)率均在沙土層明顯低于鹽堿土層，且隨沙土深度的增加而增加，同一沙土層隨覆沙厚度的增加而降低。當(dāng)覆沙厚度達(dá)到40 cm 時(shí)，向日葵和大麥的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)才表現(xiàn)出顯著的增加，這說(shuō)明向日葵和大麥的生長(zhǎng)對(duì)覆沙厚度的響應(yīng)較慢，可能與其較強(qiáng)的耐鹽堿能力有關(guān)[21-22]。覆沙20 cm 以上玉米的莖粗、株高、行粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量均顯著增加，說(shuō)明覆沙20 cm 以上能顯著促進(jìn)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成。覆沙10 cm，玉米根系主要分布在鹽堿土中，易受鹽分危害。覆沙40 cm 玉米產(chǎn)量高于覆沙20 cm 和覆沙30 cm，但未達(dá)顯著差異。這可能是由于玉米根系可深入到土壤140 cm 以下，但80%集中分布在0 ? 20 cm 土層。土壤養(yǎng)分或水分缺乏是導(dǎo)致玉米禿尖的原因之一。結(jié)果表明，覆沙20 cm 以上玉米禿尖長(zhǎng)顯著低于覆沙10 cm，說(shuō)明盡管覆沙20 cm 以上，玉米根系避免了鹽堿危害，但也受到水、肥的限制。覆沙10 cm 每公頃需花費(fèi)約6 000 元，種植玉米每公頃投入成本約3 500 元。按玉 米 市 場(chǎng) 價(jià)(約2 CNY·kg?1)計(jì) 算，覆 沙10、 20、30 和40 cm 玉米產(chǎn)值分別為3 434、8 596、8 739 和11 243 CNY·hm?2。覆沙20、30、40 cm 玉米的產(chǎn)量和產(chǎn)值沒(méi)有顯著差異，但3 年左右即能收回成本，因此，覆沙20 ? 40 cm 均可。對(duì)于苜蓿來(lái)說(shuō)，覆沙30 cm苜蓿的干草產(chǎn)量和總根干重高于其他覆沙處理，并且根系除了主要分布在0 ? 10 cm 土層之外，在10 ?20 cm 土層也有較多的分布。說(shuō)明覆沙30 cm 能保證苜蓿有充足的水分，又能減緩鹽分對(duì)其生長(zhǎng)的限制，這可能與苜蓿的固氮作用及根系對(duì)土壤的疏松作用有關(guān)[23-26]。

松嫩平原西部廣闊的沙地和鹽堿地為覆沙造旱田提供了物質(zhì)條件。本研究結(jié)果為覆沙種植利用鹽堿地提供了理論依據(jù)，今后還需進(jìn)行更為深入的探究，包括在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上監(jiān)測(cè)土壤理化性質(zhì)，種植更多種類(lèi)的作物和牧草，選擇最適宜覆沙地種植的品種，以獲取最高的收益。

4 結(jié)論

松嫩平原鹽堿裸地覆沙能成功種植玉米、向日葵、大麥和苜蓿，覆沙當(dāng)年作物的長(zhǎng)勢(shì)較弱，對(duì)不同覆沙厚度響應(yīng)不明顯；覆沙第2 年作物長(zhǎng)勢(shì)較好，不同覆沙厚度種植效果存在顯著差異。從作物的生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量可知，種植玉米和苜蓿推薦覆沙20 cm以上；種植向日葵和大麥推薦覆沙40 cm。綜合考慮覆沙成本以及不同覆沙厚度種植作物的投入產(chǎn)出比，推薦覆沙20 cm 以上種植玉米，在3 年左右能收回覆沙成本，并能產(chǎn)生高效益。這不僅對(duì)鹽堿土有改良作用，同時(shí)還能有效利用鹽堿土，對(duì)松嫩平原農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。