甘肅沿黃灌區(qū)種植豆禾混播牧草對(duì)土壤鹽分和養(yǎng)分的影響

李 昂, 吳應(yīng)珍， 臺(tái)喜生， 李 軍， 李昌明， 葛承暄， 曹素珍*

(1. 蘭州城市學(xué)院地理與環(huán)境工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省礦區(qū)污染治理與生態(tài)修復(fù)工程研究中心， 甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 4. 甘肅省耕地質(zhì)量建設(shè)保護(hù)總站， 甘肅 蘭州 730000)

我國(guó)西北地區(qū)日照強(qiáng)烈、干旱少雨、水資源匱乏，極大地阻礙了農(nóng)業(yè)發(fā)展[1]。為改善生產(chǎn)條件，甘肅省陸續(xù)在黃河及其支流建成多處提灌工程，取得了明顯經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2-3]。由于這些灌溉工程多建于封閉盆地和平原，存在水鹽運(yùn)移不暢現(xiàn)象，加之不合理種植模式和大水漫灌，以及過(guò)量施用化肥和缺少農(nóng)田生態(tài)保育措施，造成耕地出現(xiàn)鹽堿、風(fēng)蝕沙化和肥力下降，進(jìn)而導(dǎo)致棄耕撂荒問(wèn)題日益嚴(yán)重[4-8]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，甘肅沿黃灌區(qū)近30%面積耕地出現(xiàn)土壤鹽漬化現(xiàn)象，其中重度和棄耕鹽堿地約占10%、近1.0×104hm2[3]；有些灌區(qū)砂田改為水澆地后，作物根際層鹽含量提高，春播作物收獲后風(fēng)蝕還造成表土流失106 t·a-1·hm-2，有機(jī)質(zhì)和全氮損失2 t·a-1·hm-2和0.1 t·a-1·hm-2，并對(duì)下風(fēng)向蘭州地區(qū)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[8]；因耕地鹽堿等因素影響，甘肅“引大”灌區(qū)棄耕撂荒面積近22%、達(dá)1.33×104hm2[9]。以往研究表明，種植毛苕子(Viciavillosa)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、苜蓿(Medicagosativa)及小麥(Triticumaestivum)套種毛苕子等都可降低土壤鹽含量[5,7,10]；燕麥(Avenasativa)和苜蓿深淺根系牧草混播不僅能抑制表土積鹽，還有利于鹽離子向深土層移動(dòng)[11]；秋末牧草留茬還可顯著降低耕地風(fēng)蝕危害[12-13]；隨著牧草種植年限延長(zhǎng)，將顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和水解氮等養(yǎng)分含量[10,14]。盡管前人利用牧草改良鹽堿地已做了大量研究，但多選擇1年生牧草或單播種植模式，很少選取多年生牧草混播[5,7,10,14]。生態(tài)學(xué)理論及許多研究表明，豆禾牧草混播體系生態(tài)位分布廣泛，能夠在空間和時(shí)間上充分利用環(huán)境資源，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)資源合理配置并獲得高產(chǎn)[15-17]。另外，甘肅引黃灌區(qū)種植春播作物和多年生牧草對(duì)耕地鹽含量和養(yǎng)分影響有何差異也未有文獻(xiàn)報(bào)道。土壤作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)基礎(chǔ)，承載作物生長(zhǎng)、決定農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)和產(chǎn)量。土壤鹽漬化導(dǎo)致土壤質(zhì)量變差不僅降低了農(nóng)田生產(chǎn)能力，而且還影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境[3,8,12]。秦王川灌區(qū)自運(yùn)行以來(lái)，由于自然和人為因素影響，造成近1/3面積農(nóng)田受到鹽堿威脅[3]，加之過(guò)量施用化肥和風(fēng)蝕，土壤質(zhì)量降低，棄耕撂荒問(wèn)題日益嚴(yán)重[9]。改良鹽堿地不僅要降低土壤鹽含量，更要提高土壤肥力[18]。為此，本文以秦王川灌區(qū)種植小麥和豆禾混播牧草為研究對(duì)象，通過(guò)連續(xù)4年測(cè)定地表植被、土壤鹽分和養(yǎng)分變化，探尋種植牧草改善耕地質(zhì)量?jī)?nèi)在機(jī)理，以期為甘肅沿黃灌區(qū)采取生物措施防治土壤鹽堿和提高土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省永登縣秦王川灌區(qū)(103°30′～103°45′ E，36°26′～36°47′ N,海拔1 700～2 300 m)，年均日照時(shí)長(zhǎng)2 669 h，年均溫度6.2℃，年均降水287 mm，年均蒸發(fā)量1 888 mm，為典型半干旱大陸性氣候，土壤主要為灰鈣土、局部分布鹽土，地帶性生態(tài)景觀(guān)是叢生禾草干旱荒漠草原[1,5,7,12]。試驗(yàn)選址灌區(qū)北部下古山村，試驗(yàn)地前茬作物為油菜(BrassicanapusL.)，收獲后耕地翻耕并灌水。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)裸地(CK)，小麥和混播披堿草/苜蓿(Elymusnutans/Medicagosativa)3個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)4次，共12小區(qū)。小區(qū)大小4 m×6 m，間距0.5 m。為減少外部因素影響，試驗(yàn)期間均不施肥。

2016年春季適時(shí)平整耕地播種(播種深度2～4 cm、行距20 cm)，小麥、苜蓿和披堿草播量分別為30 g·m-2，1.5 g·m-2和3.2 g·m-2[12,15]，裸地噴灑除草劑。根據(jù)小麥生長(zhǎng)需求，每年5，6月初對(duì)所有樣地灌水，田間雜草采取人工清除。牧草根據(jù)長(zhǎng)勢(shì)(≥80 cm)適時(shí)刈割，試驗(yàn)當(dāng)年7，9月上旬刈割，其余3年分別于6月上旬、7月下旬和9月上旬刈割。小麥7月末留茬10 cm收獲，10月霜凍來(lái)臨前留茬10 cm收獲牧草。每年春季免耕播種小麥，因所選牧草為多年生故再不播種。

試驗(yàn)期間定期測(cè)定小麥和牧草的蓋度、高度和生物量(秋末為牧草收獲前干重)，然后用土鉆多點(diǎn)分層(0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm)鉆取土樣。土壤含水量用烘干法測(cè)定，土壤可溶性鹽量用電導(dǎo)法測(cè)定[10]，土壤養(yǎng)分委托甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel和SPSS軟件匯總和分析，處理間差異分析用one-way ANOVA法，處理間多重比較用Duncan法；因素間相關(guān)性分析用Pearson法，并用雙尾檢驗(yàn)其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被特征指標(biāo)差異

植被蓋度分析結(jié)果表明(圖1a)，試驗(yàn)第2～4年春季，小麥根茬在5%～10%間變化，混播披堿草/苜蓿在50%～75%間變化；試驗(yàn)4年秋末，小麥根茬在5%～14%間變動(dòng)，牧草在78.8%～98.8%間變化；秋末和翌年春季，小麥根茬高度在7～11 cm和7～8 cm間變化，牧草植被高度在16.5～39.8 cm和8.5～14.8 cm間變動(dòng)(圖1b)；小麥植被生物量在11.3～212.5 g·m-2和8～62.6 g·m-2間波動(dòng)，牧草植被生物量在135～441.4 g·m-2和77.3～170 g·m-2間變化(圖1c)，方差分析二者間均差異顯著(P<0.01)。裸地因地表噴灑除草劑和人工除草，地表植被量很少可忽略不計(jì)。綜上，春、秋季節(jié)，植被的蓋度、高度和地表生物量大小順序均為：披堿草/苜蓿>小麥>裸地。

圖1 地表植被變化

2.2 土壤含水量差異

圖2結(jié)果表明，地表植被影響土壤含水量。播種當(dāng)年和翌年春季，不同處理表土含水量差異不顯著，其余春、秋季節(jié)牧草地大于麥地和裸地(P<0.05)，如試驗(yàn)第4年春季，牧草地表土含水量比裸地和麥地高68.7%和69.8%，第4年秋季分別高167.2%和116.9%(圖2a)。從土壤深度分析，種植當(dāng)年春季(圖2b)，裸地、麥地和牧草地各土層含水量差異均不顯著，第4年春季(圖2c)，牧草地各土層含水量均大于麥地和裸地，麥地與裸地間差異不顯著，牧草地0～40 cm土層含水量較裸地和麥地高27.5%和31.6%。

圖2 土壤含水量變化

2.3 土壤鹽含量差異

地表植被影響土壤鹽含量(圖3a)，播種當(dāng)年春季，裸地、麥地和牧草地表土鹽含量差異不顯著，其余春、秋季節(jié)，牧草地表土鹽含量小于裸地和麥地(P<0.05)，麥地與裸地除試驗(yàn)當(dāng)年秋季和第3年春季存在差異外(P<0.05)，其余均差異不顯著，如第4年春季，牧草地表土鹽含量比麥地和裸地低52.8%和55.2%，第4年秋末分別低32.7%和38.6%。從土壤深度分析，播種當(dāng)年春季(圖3b)，裸地、麥地和牧草地鹽含量均隨土層加深呈顯著降低趨勢(shì)，同土層間差異不顯著；第4年春季(圖3c)，麥地和裸地仍保持相似變化趨勢(shì)，而牧草地各土層鹽含量?jī)H在1.2～1.4 g·kg-1間小幅波動(dòng)。

圖3 土壤鹽含量變化

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)含量差異

耕地利用方式影響土壤養(yǎng)分，圖4a表土有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果表明，播種當(dāng)年春季裸地、麥地和牧草地間差異不顯著，隨著種植年限增加，處理間差異逐漸增大，至第4年秋末，牧草地較麥地和裸地高19.9%和34.7%，麥地較裸地高12.4%；對(duì)比每年春、秋季節(jié)，表土有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢(shì)，其中牧草地增幅大于麥地和裸地，如第4年裸地、麥地和牧草地分別增加12.5%，13.3%和26.4%，對(duì)比第4年秋末與第1年春季，表土有機(jī)質(zhì)含量分別提高21.9%，33.1%和63.6%。從土壤深度分析，播種當(dāng)年春季(圖4b)，裸地、麥地和牧草地各土層有機(jī)質(zhì)含量小幅波動(dòng)，同土層間差異不顯著；至第4年春季(圖4c)，隨著表土有機(jī)質(zhì)含量增加產(chǎn)生顯著差異，牧草地和麥地隨土層加深呈減小趨勢(shì)較裸地顯著，處理間僅0～5 cm土層差異顯著(P<0.05)。

圖4 土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

2.5 土壤全氮和水解氮含量差異

土壤全氮含量分析結(jié)果表明(圖5a)，播種當(dāng)年春季，裸地、麥地和牧草地差異不顯著，隨著種植年限延長(zhǎng)，處理間差異逐漸增大，至第4年秋末，牧草地比麥地和裸地高21.4%和37.5%，麥地比裸地高13.3%；同年秋、春季相比，表土全氮含量種植當(dāng)年減小，隨后3年呈增加趨勢(shì)，增幅大小順序?yàn)椋耗敛莸?麥地>裸地，如播種當(dāng)年，裸地、麥地和牧草地分別減小3.5%，3.1%和1.3%，第4年分別增加5%，19.3%和29%，第4年秋末與第1年春季相比，表土全氮含量分別提高6.6%，23.6%和44.8%。從土壤深度分析，播種當(dāng)年春季(圖5b)，裸地、麥地和牧草地各土層全氮含量隨土層加深小幅減小，同土層間差異不顯著；第4年春季(圖5c)，隨著表土全氮含量差異加劇，牧草地隨土層加深呈減小趨勢(shì)較裸地和麥地顯著，處理間僅0～5 cm土層差異顯著(P<0.05)；牧草地0～40 cm土層全氮含量比麥地和裸地高5.4%和7.2%，麥地僅比裸地高1.8%。

圖5 土壤全氮含量變化

與全氮含量變化類(lèi)似，水解氮含量分析結(jié)果表明(圖6a)，播種當(dāng)年春季，裸地、麥地和牧草地間差異不顯著，隨著種植年限增加，處理間差異增大，至第4年秋末，牧草地比麥地和裸地高41.6%和74%，麥地比裸地高22.9%；同年秋、春季相比，種植前2年表土水解氮含量減小，隨后2年增加，如播種當(dāng)年，裸地、麥地和牧草地分別減小44.4%,36.3%和45.7%，第4年分別增加5.4%,11.2%和28.6%。從土壤深度分析，種植當(dāng)年春季(圖6b)，裸地、麥地和牧草地各土層水解氮含量隨土層加深呈顯著下降趨勢(shì)，同土層間差異不顯著；至第4年春季(圖6c)，不同處理表土水解氮含量較播種時(shí)降低且處理間差異增加，隨土層加深水解氮含量下降趨勢(shì)減緩，處理間僅0～5 cm土層差異顯著(P<0.05)。

圖6 土壤水解氮含量變化

3 討論

耕地利用方式影響土壤鹽含量。干旱、半干旱區(qū)降雨稀少、日照強(qiáng)烈、蒸發(fā)量大，土壤中可溶性鹽離子隨水升至表土，水分蒸發(fā)而鹽分留存，易造成表土積鹽[18]。以往研究表明植被覆蓋可減弱土壤水分蒸發(fā)、從而降低土壤鹽含量[7,14]。秦王川灌區(qū)地處半干旱區(qū)，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，春、秋季節(jié)春播小麥地和裸地均出現(xiàn)明顯鹽分積聚表土現(xiàn)象，而混播披堿草/苜蓿地表土鹽含量相對(duì)較低，如第4年春季，牧草地較麥地和裸地低52.8%和55.2%，秋季低32.7%和38.6%，這表明該區(qū)耕地種植春播作物小麥易造成表土積鹽，而混播豆禾牧草可顯著降低表土鹽含量。原因是該區(qū)春播作物小麥?zhǔn)斋@較早(7月末)，從收獲后至翌年春季地表僅有少量根茬覆蓋(蓋度<15%)，土壤水分大量蒸發(fā)，而溶解于水中鹽離子滯留地表，從而造成麥地表土積鹽并與裸地相近，而牧草地從春季至秋末及牧草留茬收獲后地表始終處于植被覆蓋狀態(tài)(蓋度>50%)，水分蒸發(fā)量少，相應(yīng)表土鹽含量較低[7,19]。另外，試驗(yàn)結(jié)果顯示麥地各土層含水量與裸地相近，而牧草地各土層均大于麥地和裸地，也說(shuō)明牧草地水分蒸發(fā)明顯小于麥地和裸地。再者，混播牧草生育期內(nèi)土壤水分主要由根系送至地表植被蒸騰，大量鹽離子被截留在根區(qū)，隨著根系長(zhǎng)長(zhǎng)、變粗，土壤非毛細(xì)管增加，在灌溉和雨水淋溶下，土壤鹽分更易向深土層移動(dòng)，使得牧草地0～40 cm土層鹽含量較麥地和裸地低。由上可知，該區(qū)種植生育期較短春播作物易造成耕地表土積鹽，而種植生育期較長(zhǎng)牧草可使表土鹽含量始終處于較低水平。

相比單播牧草，豆禾牧草混播可提高草產(chǎn)量7.3%～15.5%，相應(yīng)增大地表植被覆蓋度，減弱地表光照強(qiáng)度、風(fēng)速和溫度[15,20-21]。在豆禾混播體系中，豆科植物生物固氮作用和物種間相互競(jìng)爭(zhēng)，可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)和分布范圍擴(kuò)大，增加土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，增強(qiáng)土壤通透性，加快地表徑流滲入速度，減少土壤水分蒸發(fā)，提高牧草地蓄水保水能力，促使土壤鹽分向更深土層移動(dòng)[22-23]。另外，禾本科牧草為須根系植物，根系主要分布在土壤表層，豆科牧草為直根系，根系分布較深，豆禾牧草混播可增加深土層根量，從而提高單位面積耕地水分利用率和草產(chǎn)量，相應(yīng)減少水分無(wú)效蒸發(fā)[22,24]。本試驗(yàn)結(jié)果也顯示，牧草地不僅秋、春季節(jié)表土含水量高于麥地和裸地，而且0～40 cm土層含水量也顯著高于麥地和裸地，也間接表明混播牧草地鹽含量較小麥地低。

耕地不同利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量也有明顯影響。許多研究表明，土壤養(yǎng)分含量隨著土壤中枯枝落葉和根量增多而提高[10,15,17]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，裸地、麥地和牧草地秋末表土有機(jī)質(zhì)較春季高，表明種植牧草可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤全氮和水解氮變化與有機(jī)質(zhì)略有不同，呈先下降、后升高趨勢(shì)。試驗(yàn)前期土壤氮素降低可能是種植前茬作物過(guò)量施用化肥所致，隨著種植年限增加，牧草地中枯枝落葉和根量顯著增加，從而使土壤養(yǎng)分含量顯著提高。與單播牧草相比，豆禾牧草混播提高了植被的蓋度和生物量，增加了進(jìn)入土壤的枯枝落葉和死亡根系，豐富了土壤營(yíng)養(yǎng)[25]。海棠等[22]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿和雀麥(Bromusinermis)混播后苜蓿根體積及根長(zhǎng)較單播苜蓿顯著增加，包興國(guó)等[26]研究表明，豆禾牧草混播比單播土壤有機(jī)質(zhì)增加0.148～0.43 g·kg-1，全氮提高-0.04～0.11 g·kg-1，堿解氮增大2.1 mg·kg-1。隨著種植年限增加，豆禾混播牧草中豆科牧草生物固氮作用增強(qiáng)和物種間競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)根系生長(zhǎng)、分布范圍擴(kuò)大，可緩解養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)壓力[17]；根系生物量增加和多樣可提高土壤酶活性和功能，促進(jìn)腐殖質(zhì)合成、分解和微生物增殖，從而提高土壤養(yǎng)分含量[27-29]。另外，試驗(yàn)結(jié)果還顯示，秋末到翌年春季，表土有機(jī)質(zhì)和全氮均呈降低趨勢(shì)，這主要是該區(qū)秋末至春季風(fēng)蝕嚴(yán)重，造成大量表土細(xì)顆粒物流失和養(yǎng)分損失。如李昂等[13]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)蝕季節(jié)秦王川灌區(qū)裸地表土流失達(dá)1.7 kg·m-2(即1.3 mm厚表土)，有機(jī)質(zhì)損失236.2 kg·hm-2，而種植多年生豆禾牧草可減少表土流失和有機(jī)質(zhì)損失達(dá)52.3%和50.7%。因此，秦王川灌區(qū)在改善耕地土壤肥力時(shí)應(yīng)從增加養(yǎng)分輸入和減少表土流失兩方面綜合考慮。

4 結(jié)論

秦王川灌區(qū)農(nóng)田棄耕撂荒和種植生長(zhǎng)期較短春播作物易造成耕地表土積鹽，而種植多年生豆禾混播牧草可有效抑制表土積鹽，提高表土有機(jī)質(zhì)、全氮和水解氮含量，甘肅沿黃灌區(qū)利用生物措施防治土壤鹽堿和改善土壤肥力時(shí)推薦混播披堿草/苜蓿種植模式。