檸條枝條覆蓋對寧夏荒漠草原土壤水熱及補播牧草生物量的影響

張茹，李建平，彭文棟，王芳，李志剛*

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021；2.鹽池農(nóng)牧科學(xué)研究所，寧夏 吳忠751500；3.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川750021）

干旱少雨是造成干旱半干旱地區(qū)草地退化的主要自然因素，土壤水分的缺失導(dǎo)致草地普遍出現(xiàn)土壤干燥化現(xiàn)象，甚至形成土壤干層［1-3］，使草地趨于荒漠化。值得注意的是，寧夏荒漠草地還大面積種植檸條（Caragana intermedia），已引起草地灌叢化，草地土壤養(yǎng)分和水分出現(xiàn)失衡甚至虧缺［4］，灌叢化引起草地出現(xiàn)退化［5-6］。但是，由于開發(fā)技術(shù)不足和加工成本過高等原因，當(dāng)?shù)貦帡l產(chǎn)業(yè)化利用不足，長期生長的檸條仍在加速著草地的灌叢化進程。目前，國際上去灌叢化的手段主要是火燒［7］，未見將灌木以資源利用方式進行平茬或去除后覆蓋保水、改良草地的研究。陳軍鋒等［8］研究顯示，秸稈覆蓋對0～40 cm土層水分、溫度有明顯影響，覆蓋技術(shù)能夠蓄積土壤水分和減少蒸發(fā)，顯著改善耕層土壤水熱狀況［9］。此外，林木枝條覆蓋也可以有效保持土壤水分、改善土壤養(yǎng)分、促進植物生長［10］，使生物量增加［11］。因此，本研究擬以寧夏東部風(fēng)沙區(qū)荒漠草地大面積種植的檸條為材料，研究檸條枝條覆蓋對荒漠草原土壤水分、溫度條件的改善效果和補播牧草生長的促進作用，旨在為寧夏東部風(fēng)沙區(qū)草地的補播改良及恢復(fù)提供新的技術(shù)支持，同時也為檸條的資源化利用提供新的途徑，對草地生態(tài)環(huán)境保護和資源的有效利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在寧夏東部草地沙化具有代表性且檸條種植面積大的鹽池縣，地理坐標(biāo)為106°03′-107°47′E，37°04′-38°10′N。該區(qū)地理位置上屬于典型過渡地帶，即自南向北，地形上是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵過渡，氣候上是從半干旱向干旱過渡，植被類型則是從干草原向荒漠草原過渡，鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，干旱少雨，光能豐富，日照充足，年降水量250～350 mm，年平均蒸散量為1882.5 mm，檸條在該縣面積為17.7萬hm2，天然草地55.693萬hm2，31.78%的草地面積種植檸條。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣地布置 2018年7月，在研究區(qū)選擇平坦的、未生長檸條的退化天然補播草地作為樣地，在臨近有檸條生長的草地平茬其枝條用于試驗覆蓋。草地補播牧草為蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、牛枝子（Lespedeza potanimii）和沙打旺（Astragalus adsurgens），補播日期為2018年6月。

試驗地土壤類型為風(fēng)沙土，0～20 cm土壤pH 8.51～8.86，土壤有機碳1.25～3.32 g·kg-1，全氮0.11～0.24 g·kg-1，全磷1.17～1.88 g·kg-1。所選試驗樣地常年處于過度放牧中，草地沙化嚴重，退化草地植被主要物種依次為中亞白草（Pennisetum centrasiaticum）、瘤果蟲實（Corispermum hyssopifolium）、豬毛菜（Salsola collina）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、叉枝鴉蔥（Scorzonera divaricata）、鶴虱（Carpesium abrotanoides）、賴草（Leymus secalinus）等。按照毛思慧等［12］對鹽池縣草地沙化程度的劃分，試驗地屬于重度沙化草地。

試驗設(shè)4個處理（4種檸條枝條覆蓋厚度）：TSM0，覆蓋0 cm；TSM1，覆蓋1 cm；TSM2，覆蓋2 cm；TSM3，覆蓋3 cm。每個處理3次重復(fù)，每個試驗小區(qū)4 m×20 m。以上檸條枝條利用林木枝條粉碎機粉碎至5～10 cm。

1.2.2 土壤含水量和土壤溫度的測定 利用TDR土壤剖面水分傳感器（AZS-100 Handheld Meter）測定，水分探測管埋于試驗小區(qū)中心位置，每次利用探頭測定深度為20、40 cm的土壤水分，每10 d測定一次，每年測定日期為4月1日-10月30日。土壤地表溫度與土壤水分測定同步進行，利用地溫計測定土壤表層0～10 cm溫度，在測定土壤水分當(dāng)天的8：00、14：00和18：00分別測定。

1.2.3 植物地上生物量的測定 分別在每年9月底調(diào)查。每個試驗小區(qū)放置1個1 m×1 m的樣方，樣方放置位置避開小區(qū)中心測定土壤水分的探測管；同時為防止小區(qū)的邊緣效應(yīng)，樣方設(shè)置還應(yīng)在小區(qū)邊緣10 cm以內(nèi)。植被調(diào)查地上生物量指標(biāo)，采用收獲法進行，將樣方內(nèi)植物分物種齊地面刈割后帶回室內(nèi)，80℃烘至恒重后稱重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2017作圖和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條枝條不同覆蓋厚度對土壤水分的影響

檸條枝條覆蓋對草地土壤水分具有顯著的影響（圖1），但0～20 cm與20～40 cm變化有所不同。就0～20 cm土壤水分而言，與TSM0相比，3種檸條枝條覆蓋厚度均表現(xiàn)出具有提高土壤水分的作用，但3種檸條枝條覆蓋處理間的土壤水分曲線在試驗期內(nèi)具有交叉或重合的現(xiàn)象，而且覆蓋土壤水分平均值與對照相比差異不顯著（P＞0.05，表1）。20～40 cm土壤水分不同于0～20 cm，即3種檸條枝條覆蓋明顯比對照提高了土壤水分含量，且表現(xiàn)出TSM3＞TSM2＞TSM1＞TSM0的趨勢。說明檸條枝條覆蓋越厚，對20～40 cm土壤水分保持能力越強。此外，處理間的20～40 cm土壤水分平均值也顯示，TSM3（2018和2019年）和TSM2（2018年）土壤水分平均值顯著高于TSM0（P＜0.05）。

圖1 不同覆蓋厚度下土壤20和40 cm深度含水量的動態(tài)Fig.1 Dynamics of soil 20 and 40 cm water content under different caragana twig mulch thicknesses

2018和2019年土壤水分動態(tài)變化的變異系數(shù)（表1）表明，處理TSM3和TSM2土壤水分變異系數(shù)大于TSM0和TSM1，表明這2種檸條枝條覆蓋厚度下土壤水分的變化較其他處理劇烈。即這2個處理可以在降水后快速保持水分，提高土壤水分含量。

表1 檸條枝條不同覆蓋厚度下的土壤水分平均值及變異系數(shù)Table1 Mean soil water and it’s coefficient of variation under different mulching thickness with caragana twigs（%）

2.2 檸條枝條不同覆蓋厚度對土壤溫度的影響

在牧草生長季（4-10月），檸條枝條覆蓋具有降低草地0～10 cm溫度的作用（圖2），而且8：00、14：00和18：00的土壤溫度總體均隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加出現(xiàn)降低趨勢，即處理間表現(xiàn)出TSM3＜TSM2＜TSM1＜TSM0的趨勢。研究還顯示，土壤溫度的最高值出現(xiàn)在7月，TSM3、TSM2、TSM1和TSM0的平均溫度分別為38.17、35.71、34.17和32.33℃，且覆蓋處理均顯著小于TSM0（P＜0.05）。然而，對整個試驗期間的平均值統(tǒng)計結(jié)果顯示，TSM3的土壤溫度在2019年顯著低于TSM0（P＜0.05，表2）。

此外，對土壤溫度的變異系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)（表2），總體上，土壤溫度變異系數(shù)隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加呈減小趨勢，說明覆蓋措施具有緩沖土壤溫度變化的作用，利于牧草生長。

圖2 不同覆蓋厚度下土壤溫度動態(tài)Fig.2 Dynamics of soil temperature under different caragana twig mulch thickness

表2 檸條不同覆蓋厚度下0～10 cm土層土壤溫度平均值與變異系數(shù)Table 2 Mean soil temperature between 0-10 cm and it’s coefficient of variation under different mulching thicknesses with caragana twigs

2.3 檸條枝條不同覆蓋厚度對草地補播牧草地上生物量的影響

研究表明，與對照相比，不同覆蓋厚度對牛枝子地上生物量都沒有顯著影響（P＞0.05，圖3）。而沙打旺地上生物量TSM3顯著高于其他處理（P＜0.05），且其他處理間差異不顯著（P＞0.05）。然而，蒙古冰草地上生物量隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加而呈增加趨勢，且TSM2和TSM3處理下生物量均顯著高于TSM0（P＜0.05）。此外，3種牧草的總生物量亦隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加而呈增加趨勢，且TSM3處理的地上生物量顯著高于其他3個處理（P＜0.05）。

圖3 檸條枝條不同覆蓋厚度對補播牧草地上生物量的影響Fig.3 Effects of different caragana twig mulch thickness on biomass of reseeded forages不同小寫字母代表在0.05水平差異顯著。Different letters mean significant difference at 0.05 level.

2.4 草地補播牧草地上生物量與土壤0～20 cm和20～40 cm水分間的相關(guān)分析

相關(guān)分析結(jié)果表明（表3），蒙古冰草、沙打旺及3種補播牧草的總生物量均與草地20～40 cm土壤水分呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與0～20 cm土壤水分相關(guān)不顯著（P＞0.05）。即0～40 cm土壤水分的提高能顯著促進以上牧草的生長。然而，牛枝子地上生物量與0～20 cm和20～40 cm土壤水分均相關(guān)不顯著（P＞0.05），即牛枝子的生長不受0～40 cm土壤水分的影響。

表3 不同土層土壤水分與補播牧草生物量間的相關(guān)分析Table 3 Correlations between soil water in different soil layers and biomass of reseeded forages

3 討論

3.1 不同檸條枝條覆蓋厚度對土壤水熱的影響

國內(nèi)大量的研究表明，秸稈覆蓋在一定程度上改變了土壤的滲水性，減少了地表徑流和蒸散發(fā)損失［13］，具有明顯的抑蒸保水效應(yīng)［14-16］，在作物生產(chǎn)中可以起到保墑、增產(chǎn)和提高水分利用效率的作用，與此同時，秸稈資源也得到了利用，減輕了焚燒秸稈對環(huán)境的影響，是發(fā)展有機可持續(xù)農(nóng)業(yè)的一條有效途徑［17］。前人研究各種有機物料的覆蓋主要是通過降低土壤溫度、抑制土壤蒸發(fā)來保持水分的［18-19］，防止土地荒漠化。目前對于作物秸稈覆蓋的研究尚多，但用林木枝條覆蓋的研究相對較少，李志剛等［20］曾用楊樹（Populus）枝條碎屑和垂柳樹（Salix babylonica）枝條進行覆蓋，得出覆蓋可以顯著降低土壤溫度，抑制土壤水分的蒸發(fā)，郭軍成等［21］也用林木枝條覆蓋提高土壤有機質(zhì)的含量，并且有效地保持了土壤水分。本試驗是將檸條枝條粉碎為5～10 cm，對荒漠草地進行覆蓋，一方面利用檸條本身的抗旱性，在荒漠草原中有效的生存，更重要的是利用荒漠草原大量種植的檸條，材料易得。研究表明，檸條枝條覆蓋有效地提高了土壤水分，使土壤含水量增加，且隨著覆蓋厚度（1、2、3 cm）的增加，土壤含水量越高，而且覆蓋對于降低土壤溫度和抑制土壤水分蒸發(fā)的效果與覆蓋量的多少呈正比關(guān)系［22］，這與劉戰(zhàn)東等［23］和劉繼龍等［24］的研究結(jié)果類似。本研究還表明，覆蓋對土壤水分的影響主要在20～40 cm具有顯著差異（P＜0.05），TSM3和TSM2土壤水分顯著高于TSM0，可能是因為在0～20 cm土層，雖然覆蓋對土壤含水量具有一定固持作用，但由于表層的蒸發(fā)量依然存在，只是相對蒸發(fā)量減小，使得表層的土壤含水量在不同覆蓋厚度中無顯著差異（P＜0.05）。

土壤含水量與降水量也具有相關(guān)性，Chandra等［25］的研究結(jié)果表明在干旱的年份里采用秸稈覆蓋措施，能夠增加土壤含水率和產(chǎn)量，秸稈覆蓋后顯著提高了耕層土壤的含水量，因為秸稈覆蓋后相當(dāng)于構(gòu)建了地表與大氣之間的緩沖地帶，防止太陽光直接到達地面，降低地表土壤溫度，從而減少了表層土壤水分的蒸發(fā)［26］。秸稈覆蓋后，阻隔了土壤中的水分與大氣的交換，減少了水分的蒸發(fā)量，增加了水分向土層上部的遷移量。本試驗對2年數(shù)據(jù)進行差異性分析，得出2018年8和9月的土壤含水量高于2019年，可能是因為2018年的降水量充足，使得土壤表層0～20 cm和20～40 cm的含水量都大于2019年，由此可知降水量對檸條覆蓋后土壤含水量的影響不容忽視。變異系數(shù)的大小也反映出檸條枝條覆蓋具有保持草地土壤水分的作用，而且覆蓋度越高保持效果越明顯，本研究表明隨著覆蓋厚度的增加，變異系數(shù)是增大的，并且在2018年TSM3處理下變異系數(shù)達到23.7%，說明降水后對水分能夠快速起到保持作用，從而快速提高土壤含水量。

研究還表明，同一天不同測定時段，不同覆蓋厚度的熱效應(yīng)表現(xiàn)出差異，大體隨著覆蓋厚度的增加土壤溫度降低，2018年8-10月日變化不顯著，2019年4-10月TSM0、TSM1、TSM2、TSM3有較大差異。土壤溫度的季節(jié)變化與當(dāng)?shù)氐臍夂蛞灿泻艽箨P(guān)聯(lián)，楊長剛等［27］和王昕等［28］的研究表明，秸稈覆蓋在返青前具有普遍的增溫效應(yīng)，拔節(jié)后則表現(xiàn)為顯著的降溫效應(yīng)，汪可欣等［29］和蔡太義等［30］的研究也表明，秸稈覆蓋對土壤有明顯的降溫效果，且在低溫時有“增溫效應(yīng)”，高溫時有“降溫效應(yīng)”。通過大氣溫度與表層土壤溫度差可以知道，秸稈免耕覆蓋在低溫季節(jié)有保持土壤熱量的作用，在高溫季節(jié)有相對降溫的作用，這是減少氣溫變化對地上生物量生長發(fā)育過度影響的重要機制。本研究表明，2019年4-7月隨著氣溫的上升，土壤溫度逐漸增大，7月達到最高地溫38.17℃，然后在8-10月土壤溫度逐漸降低，并且變異系數(shù)也隨著覆蓋厚度的增加而減小，對環(huán)境具有很好的緩沖作用。表明覆蓋相比于無覆蓋降低了土壤溫度且變幅較小，保持了土壤溫度的穩(wěn)定性［31］。本研究還表明土壤溫度隨著覆蓋量的增加而降低，并在各覆蓋厚度之間具有顯著性差異，這與王兆偉等［22］的研究結(jié)果類似，且覆蓋帶覆蓋秸稈量越大，與土壤緊密結(jié)合的同時降溫效應(yīng)也較為突出［32］。

本研究只分析了0～40 cm土層檸條枝條覆蓋厚度對土壤水熱的影響，檸條覆蓋有效地提高了上層土壤的儲水量，降低了土壤溫度，因此，今后有必要對深層（＞40 cm）的土壤水分進行監(jiān)測和分析，進而更準(zhǔn)確得出該檸條覆蓋對深層土壤水熱的影響。通過不同的覆蓋方式和檸條進行比較，分析對土壤水熱的影響。降水量對試驗數(shù)據(jù)也有很大的影響，應(yīng)將豐水年和平水年的數(shù)據(jù)也進行測定來判定覆蓋對荒漠草原的影響。

3.2 不同檸條枝條覆蓋厚度對地上生物量的影響

水分和溫度對作物的生產(chǎn)具有重要影響［33］，而土壤溫度是改變植物所受溫度變化的基礎(chǔ)，是植物保持根系活力的重要因素，對農(nóng)田生產(chǎn)力具有較大影響［34-35］，并且對改善土地荒漠化具有重要的意義。李榮等［36］研究表明，采用玉米（Zea mays）秸稈覆蓋，具有較好的降溫和保水保墑效果，土壤養(yǎng)分含量明顯增加，顯著促進了玉米前期的生長。本研究表明，檸條枝條覆蓋抑制土壤的蒸發(fā)，降低土壤溫度，達到保墑蓄水能力，在荒漠草原補播的蒙古冰草、牛枝子和沙打旺這3種牧草的地上生物量都隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加逐漸增大，蒙古冰草和沙打旺在各處理間具有顯著差異（P＜0.05），TSM3處理的地上生物量明顯高于TSM0，且在20～40 cm土層，土壤水分和蒙古冰草、沙打旺具有顯著的相關(guān)性（P＜0.05），在0～20 cm沒有顯著相關(guān)性。牛枝子在0～20 cm和20～40 cm都沒有顯著相關(guān)性，表明牧草的地上生物量不僅與土壤的水熱條件密切關(guān)聯(lián)，還與牧草本身的生物學(xué)特性有重要關(guān)系，牛枝子的根為軸根系，播種后當(dāng)年根長可達50 cm以上，垂直下伸，第2年才開始生長，主根入土深度可達100 cm，其枝條的長度隨著水分的多少而變比，由此可得牛枝子的根系較深，與0～40 cm水分可能無顯著相關(guān)性。由此可得出，檸條枝條覆蓋可以改善荒漠草原的墑情，提高補播牧草的豐富度，并且合理有效的治理土地荒漠化。這與李志剛等［37］用楊樹枝條進行覆蓋提高田間持水率，改善沙化土壤的性質(zhì)如出一轍。

4 結(jié)論

檸條枝條覆蓋在0～40 cm土層有效地增加了土壤含水量，且隨著覆蓋厚度的增加，土壤含水量逐漸增大，20～40 cm比0～20 cm變化更明顯，且表現(xiàn)出TSM3＞TSM2＞TSM1＞TSM0的趨勢。此外，處理間的20～40 cm土壤水分平均值TSM3（2018和2019年）和TSM2（2018年）土壤水分平均值顯著高于TSM0（P＜0.05）。在牧草生長季（4-10月），檸條枝條覆蓋具有降低草地0～10 cm溫度的作用，而且8：00、14：00和18：00的土壤溫度總體均隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加呈降低趨勢，其變異系數(shù)也隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加而減小。

水熱共同作用于牧草的生長發(fā)育，良好的土壤墑情可促進植被的生長，本研究通過測定蒙古冰草、牛枝子和沙打旺等補播牧草地上生物量，發(fā)現(xiàn)隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加，地上生物量增多，蒙古冰草和沙打旺在檸條枝條不同覆蓋厚度間具有顯著差異（P＜0.05），TSM3處理的地上生物量顯著高于其他3個處理，且蒙古冰草、沙打旺及3種牧草的總生物量均與草地20～40 cm土壤水分呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。