NyPa牧草對濱海鹽堿地土壤改良效應(yīng)研究

喬艷輝，王月海

（山東省林業(yè)科學研究院，濟南250014）

0 引言

黃河三角洲地區(qū)土地資源十分豐富，是東部沿海后備土地資源最富集、開發(fā)潛力最大的地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)有未利用的鹽漬化土地面積約44.29萬hm2，其中重度鹽漬化和鹽堿光板地約23.63萬hm2[1-2]，以濱海鹽土為主，土壤含鹽量高、結(jié)構(gòu)性能差、肥力低等問題突出，嚴重制約著區(qū)域農(nóng)林業(yè)的發(fā)展。因此，如何開發(fā)利用大面積的鹽堿地資源，實現(xiàn)該地區(qū)土地的永續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，是目前《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》建設(shè)實施中的一項重要工作[3]。

目前，鹽堿地治理成功的途徑主要有兩種。一是通過水利、物理、化學等方法進行的土壤改良，不僅成本高而且易出現(xiàn)反復[4]；二是以栽植耐鹽植物來降低土壤鹽堿含量的生物改良，這種方法不僅費用低而且改良鹽堿地效果穩(wěn)定、持久，是鹽堿地治理中最根本、最穩(wěn)定、最有效措施[5-8]。然而，黃河三角洲鹽堿地區(qū)鄉(xiāng)土植物資源較為貧乏，而且受本地原生耐鹽植物改良鹽堿地效果較差、可利用經(jīng)濟價值低等條件的制約，本土耐鹽植物難以在生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用。因此，大量引進國內(nèi)外具有高效生態(tài)、經(jīng)濟效益的耐鹽植物實施生物改良，是目前黃河三角洲地區(qū)鹽堿地治理中的重要舉措[9]。

筆者將美國引進的耐鹽植物NyPa牧草栽植于黃河三角洲重度鹽堿地，探究其在鹽堿地的土壤改良效應(yīng)及不同栽植年限的改良效果，旨在篩選適宜濱海鹽堿地的高效生態(tài)植物并確立其合理栽植年限，為黃河三角洲鹽堿地生物治理提供優(yōu)良植物材料，加快黃河三角洲鹽堿地生態(tài)治理步伐。

1 試驗地概況

試驗地點位于黃河三角洲地區(qū)北部的山東省東營市河口區(qū)東營黃河三角洲軍馬場投資集團有限公司基地的科技示范園(118°48'49.8"E，37°47'8.1"N)。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨。2000年以來的平均氣溫12.3℃，極端最高氣溫41.9℃，極端最低溫度-23.3℃，年均降水量620 mm（多集中在夏季，7—8月降水量占全年降水量的50%以上），年均蒸發(fā)量年為1890 mm（春季是蒸發(fā)期較為強烈的時期，其蒸發(fā)量占全年的比例為51.7%），易形成旱澇災(zāi)害。試驗區(qū)土壤為濱海鹽化潮土，為沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉淀而成，機械組成以粉沙為主，沙粘相間，層次變化復雜；含鹽量在3.2‰～16.5‰，pH 8.2～8.9。參與試驗的荒草地植物為天然鄉(xiāng)土植物，以檉柳(Tamarix chinensis)、鹽地堿蓬(Suaeda glauca)、白 茅 (Imperata cylindrica)、獐 毛(Aeluropus littoralis)、蘆葦(Phragmites australis)、菌陳蒿(Artemisia capillaris)和蘿藦(Metaplexis japonica)等耐鹽植物為主，植被覆蓋度60%～80%，可見斑塊狀光板地分布。

2 材料與方法

2.1 試驗材料栽植

試驗材料為分蘗5～7株繁殖的輕基質(zhì)無紡布NyPa牧草容器苗。試驗采用簡單對比法，栽植牧草的小區(qū)和對照荒草地（天然鄉(xiāng)土植物）小區(qū)面積均為120m2，5次重復。2011年3月中旬，在栽植牧草的地塊上用旋耕機進行耕翻，深度約為30 cm，然后耙平土地。栽植前，為防止牧草蒸發(fā)散失水分，保留莖（葉）5～7 cm，其余莖（葉）全部剪掉。栽植時，挖深10 cm、直徑10 cm的小穴，以能放入無紡布容器牧草苗為宜，株行距30 cm×40 cm，栽后踏實栽植穴，3～5 cm水深漫灌，水滲透后用白色地膜覆蓋。

2.2 樣品采集和處理

2011年3月對試驗地進行土壤理化性質(zhì)的基底測定，栽植后的2013年10月、2016年10月和2019年10月又進行了3次土壤改良狀況的測定。土樣采樣方法按照多點混合采樣法，每個樣地按S形均勻布設(shè)5個樣點，每個樣點采集0～20 cm層次的土壤樣品用于實驗室測定土壤理化指標，同時以荒草地土壤作為對照。

2.3 土壤理化性質(zhì)測定方法

土壤物理性質(zhì)的測定，參照中國林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1215—1999[10]，采用烘干法測定土壤含水量，環(huán)刀浸水法測定土壤密度、孔隙度，pH測定采用pH計（水土比5:1），可溶性鹽含量采用重量法測定（水土比5:1）。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[11]，速效氮測定采用SmartChem全自動間斷化學分析儀，有效磷用Olsen法（恒溫水浴震蕩浸提）測定，速效鉀用中性NH4OAc浸提火焰光度法。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)先用Excel軟件進行統(tǒng)計處理，然后用SPSS 22.0軟件將整理好的數(shù)據(jù)進行分析處理。土壤理化指標采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗，不同植被模式改良土壤效應(yīng)的綜合評價采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法，如果指標與改良土壤效應(yīng)呈正相關(guān)計算如式(1)，如果指標與改良土壤效應(yīng)呈負相關(guān)計算如式(2)。

式中，X(u)為隸屬函數(shù)值，Xi為各植被模式某測試指標的平均值；Xmin、Xmax分別為不同植被模式中某測試指標的最小值和最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤密度和孔隙度

土壤密度和孔隙度能夠準確反映土壤透水性、持水性、結(jié)構(gòu)性及疏松性等方面的狀況，是評價土壤物理特性的基本指標[12]。一般情況下，密度越小，土壤越疏松，通氣度越大，能夠減緩徑流沖刷和攔蓄水分的能力越強；密度越大，土壤通氣度越小，土壤疏松性越差。

由表1可以看出，隨著栽植時間的推移，NyPa牧草地的表層(0～20 cm)土壤密度呈現(xiàn)明顯持續(xù)下降的趨勢，在栽植3、6、9年后分別比栽植前降低8.1%、12.8%和14.1%，其中栽植第6年時的降幅達到最大；方差分析結(jié)果表明，在栽植3、6、9年的3個時間段皆與栽植前差異顯著(P＜0.05)，栽植3年與栽植6年和9年之間亦達到顯著差異，但6年與9年之間差異不明顯?；牟莸乇韺?0～20 cm)土壤密度與NyPa牧草地的變化一致，也逐步呈下降趨勢，但降低幅度較緩慢，3、6、9年后僅比開始試驗時分別降低2.0%、4.1%和5.4%，4個時段的差異不顯著(P＞0.05)。NyPa牧草地的土壤密度在栽植3、6、9年時與同期的荒草地相比，分別降低5.5%、8.5%和8.6%，且差異皆顯著(P＜0.05)，以栽植第6年時的降幅最大。

土壤總孔隙度的變化與土壤密度基本一致（表1），說明土壤密度降低后土壤總孔隙度相應(yīng)增加。

表1 NyPa牧草地與荒草地的土壤容重和孔隙度

3.2 土壤鹽堿度

土壤pH和含鹽量是衡量鹽堿地土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標[12]。生長在鹽堿地上的草本，可對裸露地面形成有效覆蓋，以植物蒸騰代替土壤蒸發(fā)，降低土壤的積鹽速度，減少鹽分在表層的累積[13-15]。此外，草本植物能夠吸收并積聚土壤中的鹽分，通過刈割可將鹽分帶走。

由表2可以看出，隨著栽植時間的增加，NyPa牧草地的土壤表層含鹽量與土壤密度和孔隙度類似，也是在NyPa牧草栽植3、6、9年后呈持續(xù)明顯下降趨勢，分別比栽植前降低36.9%、55.4%和56.9%。試驗地為氯化物鹽土，依據(jù)LY/T 2992—2018的界定（土壤含鹽量等級0.1%～0.2%為輕度鹽堿地，0.2%～0.4%為中度，0.4%～0.6%為重度，0.6%以上為極重度）[16]可以看出，至栽植第3年時，由極重度鹽堿地變?yōu)橹囟塞}堿地，栽植第6年后又由重度鹽堿地變?yōu)橹卸塞}堿地，降幅達到最大，但到第9年時，NyPa牧草地的含鹽量比第6年時略有降低；方差分析結(jié)果表明，在栽植3、6、9年的3個時間段均與栽植前差異顯著(P＜0.05)，栽植3年與栽植6、9年之間亦達到顯著差異，但6年與9年之間差異不明顯(P＞0.05)。荒草地的土壤表層含鹽量與NyPa牧草地的變化趨勢一致，也呈下降狀態(tài)，但降低幅度較緩慢，3、6、9年后僅比試驗前分別降低3.2%、9.7%和14.5%，至試驗的第6年后才成為中度鹽堿地，但到試驗9年后依然是中度鹽堿地，試驗的9年期間降低幅度較少，4個時段的差異不顯著(P＞0.05)。NyPa牧草地的土壤鹽分含量在栽植3、6、9年時與同期的荒草地相比，分別降低31.7%、48.2%和47.2%，且差異皆顯著(P＜0.05)，以栽植第6年時的降幅最大。

表2 NyPa牧草地與荒草地的土壤鹽堿度

土壤pH的變化與鹽分含量變化規(guī)律基本一致（表2）。由于黃河三角洲地區(qū)鹽堿地的土壤本身堿化程度比較嚴重（堿化本底值高）[17]，土壤仍然偏堿性，但NyPa牧草地與荒草地均不同程度地降低了土壤的酸堿度，以NyPa牧草地壓堿效果最為明顯，至栽植第6年時，土壤已降為pH 8以下，而荒草地至試驗第9年時仍然在pH 8.4以上，壓堿效果不明顯。

3.3 土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量

草本植物栽植后，通過根頸繁殖擴大生長并形成龐大的根系網(wǎng)，根系主要分布在5～20 cm的土層并水平擴展，細根的壽命一般2年，之后腐爛，留下根系形成的網(wǎng)絡(luò)通道和腐爛的有機物質(zhì)及養(yǎng)分，能有效地改善土壤養(yǎng)分狀況，增加土壤中有機質(zhì)含量，提高土壤肥力[15]。

由表3可以看出，隨著栽植年限的增加，NyPa牧草地的土壤有機質(zhì)和速效氮、有效磷含量呈明顯上升趨勢，至第9年時，分別比栽植前增加212.5%、254.0%和238.0%，并且在這4個測定時段之間差異顯著(P＜0.05)；土壤鉀含量在栽植9年的時間里變化不大?；牟莸氐耐寥烙袡C質(zhì)和速效氮、有效磷含量亦得到增加，但增加幅度較小，9年后僅比9年前分別增加51.6%、60.4%和56.2%，土壤有機質(zhì)和速效氮在第3年時與3年前差異不顯著，到第6年時與第3年和6年前達到顯著差異，但第6年與第9年又表現(xiàn)為差異不顯著；有效磷的情況相類似，不同之處是到6年時與試驗前差異顯著，但與3年時無顯著差異；土壤鉀的含量與NyPa牧草地類似，在9年時間里的變化不大。NyPa牧草地與荒草地相比，在不同測定時間（3、6、9年）的土壤有機質(zhì)和速效氮、有效磷含量均大幅提高，達到顯著性差異水平(P＜0.05)，但速效鉀含量變幅較小。

表3 NyPa牧草地與荒草地的土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量

3.4 NyPa牧草改良土壤效應(yīng)綜合評價

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的對象做出一個總體的評價。平均隸屬函數(shù)值越大，表明模式的綜合性能越好。選擇上述分析的土壤容重、孔隙度、pH、全鹽含量、有機質(zhì)、速效氮、有效磷和速效鉀這8個土壤理化指標來評價NyPa牧草不同栽植時間的改良土壤效應(yīng)，得出主要因子的隸屬函數(shù)值（表4）。NyPa牧草栽植3、6、9年后的土壤改良效應(yīng)均明顯大于荒草（天然鄉(xiāng)土植物）地。

表4 不同測定時間NyPa牧草與鄉(xiāng)土植物模式下主要土壤因子的隸屬函數(shù)值

4 結(jié)論與討論

在黃河三角洲濱海鹽堿地上種植耐鹽植物，能使得土壤的各項理化指標得到明顯改善，土壤環(huán)境良性發(fā)展[5,12]。本研究中建植3、6、9年的NyPa牧草地與同期的荒草地相比，土壤的理化性能得到極大提高，具體表現(xiàn)為土壤密度、含鹽量和pH明顯降低，土壤總孔隙度、有機質(zhì)含量、速效氮含量和有效磷含量顯著增加，這7個土壤因子與同期的荒草地有顯著性差異(P＜0.05)；而速效鉀含量相反，不同測定時期的NyPa牧草地始終低于同期的荒草地，未能提高土壤K+的含量，這與王立艷等[7]、王苗等[14]、鄭普山等[18]的研究結(jié)果一致。有研究表明，在植物中高K+/Na+選擇能力被認為是一個耐鹽性重要標準[19]，本研究的NyPa牧草是一個高耐鹽草本，能耐2%以上的含鹽量[20]，因而，這可能與耐鹽植物生長發(fā)育期間對速效鉀的選擇性吸收有關(guān)[21]。

NyPa牧草地隨著栽植年限的增加，對土壤理化指標（土壤密度、含鹽量、pH、總孔隙度、有機質(zhì)含量、速效氮含量和有效磷含量）呈現(xiàn)持續(xù)改善趨勢，以栽植第6年時的改善作用為最大；方差分析結(jié)果表明，在栽植3、6、9年的3個時間段均與栽植前差異顯著(P＜0.05)，栽植3年與栽植6、9年之間亦達到顯著差異，但6年與9年之間差異不明顯，這也與筆者對NyPa牧草“定植后前5年為旺盛生長期，以后生長逐步衰退”的觀測試驗結(jié)果吻合，因而出現(xiàn)栽植9年時對土壤理化性能的提高幅度不如第3年和6年時明顯，以栽植第6年效果最好，尤其是對土壤的降鹽效果，至第6年時，已從栽植前的極重度鹽堿地(0.65%)成為中度鹽堿地(0.29%)，可以考慮栽植白蠟、白榆等耐鹽樹種，進一步降低土壤深層的含鹽量。作為以鹽生植物為主的荒草地，除速效鉀含量與NyPa牧草地情況相類似，也是變幅較小外，在土壤密度、含鹽量、pH、總孔隙度、有機質(zhì)含量、速效氮含量和有效磷含量這7個指標上從試驗開始到第9年都有不同程度的持續(xù)改善，其中的土壤有機質(zhì)含量、速效氮含量和有效磷含量這3個指標在第6年和第9年時與試驗前有顯著差異(P＜0.05)，而土壤密度、含鹽量、pH和總孔隙度4個指標在4個測定時間差異均不顯著(P＞0.05)，至試驗第9年時，從最能反映土壤改良程度的鹽分含量指標上看，雖然由試驗前的極重度鹽堿地(0.62%)成為重度鹽堿地(0.53%)，但下降幅度較小，僅下降14.5%。由此可見，不同耐鹽植物改良鹽堿地效果和速度不同[12]，僅依靠鄉(xiāng)土植物自然地改善鹽堿地的環(huán)境條件不僅進程緩慢而且效果不明顯。因此，要實現(xiàn)鹽堿地生態(tài)改良效果的快速、穩(wěn)定和持久，必須加大耐鹽植物的引種力度，并篩選高效、生態(tài)、經(jīng)濟的耐鹽植物，輔助切實可行的人工措施[6,12,21-23]。

林草復合系統(tǒng)作為一種重要的退化生態(tài)系統(tǒng)的修復重建技術(shù)，在植被生態(tài)恢復和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮的生態(tài)效益潛力巨大[24-26]。有研究發(fā)現(xiàn)，林草模式在提高土地生產(chǎn)力、改善生態(tài)環(huán)境和高效利用自然資源等方面具有明顯優(yōu)勢，可較好促進林業(yè)-草業(yè)系統(tǒng)的相互融合及對退化生境的綜合治理[24]。孫佳[27]的研究表明，在黃河三角洲鹽堿地上，以竹柳純林為對照，應(yīng)用竹柳+NyPa草和旱柳+NyPa草2種種植模式4年后，可顯著改善濱海鹽堿地(0～40 cm)的土壤理化性能。本試驗是以荒草地為對照，探究的是NyPa牧草在黃河三角洲濱海鹽堿地的土壤改良效應(yīng)及合理栽植年限，因是單一種植模式，在一定程度上存在制約鹽堿地肥力進一步提升和地力自我維持、改良持續(xù)等問題。受條件的限制，本研究的試驗數(shù)值亦只是反映了土壤的表層(0～20 cm)指標，土壤深層的改良效果有待于進一步研究。下一步擬將試驗進一步拓展，以NyPa牧草與喬木、灌木配置形成林草混交模式進行試驗研究，深入探究林草模式改良鹽堿地的效應(yīng)，進一步為鹽堿地的治理提供技術(shù)支撐、優(yōu)化配植模式。