生物措施顯著提高農牧交錯區(qū)鹽漬土的暗管排鹽效果

張 晶，楊樹青*，鄭 彥，王 波，馬守良，張萬鋒

（1 內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特 010018；2 內蒙古師范大學旅游學院，內蒙古呼和浩特 010018）

土壤鹽漬化在世界各地均有發(fā)生[1–2]，我國鹽漬土總面積約為3600×104hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[3]。河套灌區(qū)作為我國重要的糧食產區(qū)，耕地中約有68.65%的土壤存在不同程度的鹽漬化[4]。烏拉特前旗地處內蒙古河套灌區(qū)下游，為典型的農牧交錯區(qū)，屬北方干旱地區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)強烈，因此高礦化度地下水中的可溶性鹽分經包氣帶毛細水上升并積聚于土壤表層[5]，加之灌區(qū)田間排水系統(tǒng)配套率低導致排水不暢[6]，土壤鹽漬化問題愈發(fā)嚴重。土壤鹽漬化可導致土壤板結、肥力下降、作物出苗困難甚至死亡[7]，嚴重影響現代種植業(yè)高質量發(fā)展，如何高效利用這部分中低產田是急需解決的關鍵問題。

防治鹽堿災害要遵循“鹽隨水來，鹽隨水去”的原理，控制地下水位在臨界水位以下的同時應減少地下水通過毛細作用的蒸發(fā)[8]，因此鹽漬土治理應從這兩個點找到突破口。暗管排水技術是在地下適當位置埋設具有滲水功能的管道，大量研究證明暗管排水在控制地下水位、降低土壤含鹽量、改善鹽漬土理化性狀及防止土壤返鹽等方面有著明顯效果[9–13]，可為植物根層提供適宜的生長環(huán)境，同時暗管排水具有占地少、土地利用率高、便于機械化作業(yè)及維護的特點[14]，近年來已經成功應用于河套灌區(qū)排鹽治堿工程[15–16]。

耐鹽植物改良鹽堿地技術即通過植物的生命活動使土壤積累有機質、提高土壤肥力，根系的穿插作用可改善土壤通透性、減輕土壤板結、提高水分入滲率，加速土壤鹽分淋洗；植物的覆蓋作用可減少土壤中水分的蒸發(fā)，變蒸發(fā)為蒸騰，從而阻止地下水位上升[17–19]。生物改良措施既調節(jié)了土壤水鹽平衡又提高了土壤肥力，經過若干年改良可為后茬作物根區(qū)提供一個良好的水、鹽、肥生長環(huán)境[20–21]。近些年來，以耐鹽牧草為對象的鹽堿地生物改良技術研究逐步開始[22–23]，烏拉特前旗位于農牧交錯帶，耐鹽牧草的試驗種植不僅對于改善當地生態(tài)環(huán)境有重要意義，同時有利于減輕天然草場壓力、增加畜牧業(yè)和農業(yè)經濟收入，因此在該地區(qū)鹽堿地進行耐鹽牧草的選育和種植具有一定現實意義。

目前研究鹽漬土單一改良措施較多，兩種措施協(xié)同改良鹽堿地的研究較少。本研究以工程措施、生物改良措施兩方面為切入點，研究雙重改良措施下耐鹽牧草生長狀況及土壤理化性質變化規(guī)律，為合理利用鹽漬化耕地種植飼草，促進當地糧、經、草(飼)三元種植結構協(xié)調發(fā)展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

于2020和2021年，在河套灌區(qū)下游的烏拉特前旗紅衛(wèi)試驗站 (東經 108°45′～109°36′，北緯40°30′～40°40′)進行田間試驗，試驗田為中度鹽堿地，研究區(qū)土壤質地見表1，鹽分離子以SO42?、Na++K+、Cl?為主。試驗區(qū)0—40 cm土層土壤為粉壤土，0—100 cm土層平均容重為1.54 g/cm3，生育期內地下水埋深變幅為 1.45～1.9 m。

1.2 試驗設計

試驗地裝有暗管排水系統(tǒng)，生物措施處理設置甜高粱(Sorghum bicolor)、蘇丹草 (Sorghum sudanense)和苜蓿(Medicago sativa) 3種耐鹽植物，不種植植物為對照(CK)，每個處理重復3次，每個小區(qū)面積為 25 m2(5 m×5 m)，完全隨機排列，各小區(qū)間設50 cm的分隔行(土埂)，具體布設見圖1。供試甜高粱、蘇丹草和紫花苜蓿品種分別為‘BJ0603’、‘烏拉特1號’、‘阿爾岡金’。暗管埋深0.8 m，間距20 m，暗管外包有68 g/m2的透水性土工布。

播種前各處理均覆蓋60 cm寬黑色塑料薄膜，薄膜間裸露地面間距20 cm。采用人工點播方式播種，每行膜播種2行種子，穴距30 cm，行距20 cm。苜蓿、甜高粱、蘇丹草種子穴播粒數分別為15、3和4粒，播種后覆沙。施肥按照當地施肥方法和施肥量，氮肥與磷肥施用量分別為315和180 kg/hm2，農藝措施為人工除草。兩年春灌時間分別為5月16日、5月19日，灌水定額均為2250 m3/hm2，耐鹽植物在生長旺盛期灌水2次，灌水量為950 m3/hm2，均為黃河水灌溉。

1.3 測定指標及方法

分別于春灌前、播種前、每次灌水后及收獲后，用土鉆進行土壤取樣，樣品分為0—20、20—40、40—60 cm共計3層進行采集。土壤風干、粉碎后過1 mm篩備用，對樣品進行鹽分離子測定。SO42?采用EDTA間接滴定法測定；Cl?采用AgNO3滴定法測定；HCO3?采用雙指示劑中和法測定；Ca2+、Mg2+采用EDTA絡合滴定法測定；K++Na+采用陰陽離子平衡法測定[24]。土壤容重采用環(huán)刀法測定[25]。

甜高粱生物量在秋季收獲后測定，隨機選取1 m2樣地稱取地上鮮重，并同時取莖葉若干，以備植株體內鹽分離子測定，將其根系用水沖洗干凈后，用吸水紙吸干表面水分后進行稱重。苜蓿、蘇丹草生物量是隨機選取1 m2樣地測產，累加每次刈割稱得的鮮重得出每年苜蓿、蘇丹草的地上部分鮮重，其它步驟同甜高粱。測完植物鮮重將植物地上、地下部樣品在烘箱中110℃下殺青30 min后降溫至85℃烘干至恒重，稱量后計算平均每種植物的地上、地下部干重，根據單位面積干重測算單位面積生物量。植物SO42?、Cl?采用離子色譜法測定，K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定。

土壤中各鹽分離子含量、植物地上部和根系鹽分吸收量、植物脫鹽率和鹽分淋溶量按下列公式進行計算[26–27]：

式中，WS為單位面積內土壤鹽分離子含量，g/m2；SS為土壤中鹽離子濃度，g/kg；ρ為土壤容重，g/cm3；h為土壤深度，m；鹽分離子為K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl?、HCO3?、SO42?。

試驗區(qū)土壤含鹽量高、質地硬及通氣性差。表層(0—20 cm土層)容重最大，20—60 cm土層容重依次減小(圖2)。2020年耐鹽植物收獲后(10月)，苜蓿、甜高粱、蘇丹草、CK處理0—20 cm土層容重較年初(4月)分別下降了7.91%、8.44%、10.29%、3.37%，3個植物處理的土壤容重降幅顯著高于單獨暗管對照。3個植物處理的20—40 cm土層容重較年初降低了0.069～0.112 g/cm3，降幅均低于表層，但CK 升高了 0.058 g/cm3。苜蓿、蘇丹草對 40—60 cm土層容重仍有影響，分別降低了0.106、0.1 g/cm3，甜高粱和CK對該層次已無顯著影響。

圖2 不同植物播種前和收獲后0—60 cm土壤容重Fig. 2 Soil bulk density in 0?60 cm depth before sowing and after harvesting of plants

2021年4月，各耐鹽植物處理0—60 cm土層容重均較2020年收獲后有所增大，蘇丹草、甜高粱、苜蓿表層增幅分別為6.77%、6.54%、3.12%。10月收獲后暗管排水下苜蓿、甜高粱、蘇丹草各處理土層容重均較年初明顯降低，表層降幅分別為12.36%、11.4%、10.98%，20—40及40—60 cm土層降幅依次降低，單獨暗管排水CK處理0—20 cm土層及20—40 cm土層分別降低2.62%、1.66%，而40—60 cm土層升高1.25%。

在暗管排水下連續(xù)種植2年耐鹽植物后，土壤

式中，WP為植物地上部或根系鹽離子吸收量(各離子含量之和)，g/m2；SP為植物地上部或根系中鹽離子濃度，g/kg；DW為植物地上部或根系生物量干重，kg/m2；PP為植物離子吸收運移脫鹽率，%；W1為種植前土壤全鹽含量，g/m2；W2為收獲后土壤全鹽含量，g/m2；PS為土壤脫鹽率，%；PL為土壤淋溶脫鹽率，%。

1.4 數據統(tǒng)計與方法

應用Excel 2007對數據初步處理及整理，利用DPS v9.01進行差異顯著性分析，用Origin 2018完成繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤容重變化

容重較試驗前均有明顯下降，苜蓿、甜高粱、蘇丹草表層降幅分別為16.77%、13.57%、14.73%，單獨暗管排水CK處理降幅僅為2.13%；20—40 cm土層容重降幅低于表層，在7.65%～14.07%，而CK處理20—40 cm容重升高0.78%；40—60 cm土層降幅在6.45%～13.58%，CK處理升高0.83%。對比3種耐鹽植物0—60 cm土壤容重變化可知，表層到深層容重降幅依次減小，3個土壤層次的平均降幅是CK的6.37～7.88倍。3種植物各土層容重降幅均表現為苜蓿>蘇丹草>甜高粱，這是由于苜蓿根系較發(fā)達，根系的穿插作用使土壤結構變疏松，從而降低容重。

2.2 土壤鹽分變化

如圖3所示，0—60 cm土層全鹽含量均隨生育期呈先下降再升高的趨勢。2020年春灌淋洗后，各處理 0—20 cm 全鹽濃度降低 0.97～1.16 g/kg，春灌脫鹽率在19.11%～22.83%。第一次灌水后，蘇丹草脫鹽率最大，為18.23%。第二次灌水后，CK全鹽含量顯著高于3個耐鹽植物處理(P<0.05)，3個植物處理間沒有顯著差異。秋季收獲后，土壤全鹽含量較二水后有不同幅度的升高，以甜高粱升幅最大，為25.64%，顯著高于其它處理，但耐鹽植物處理的土壤全鹽含量仍均顯著低于CK，2020年表層脫鹽效果蘇丹草>苜蓿>甜高粱，脫鹽率分別為45.81%、42.52%、32.48%，CK脫鹽率為18.70%。2021年春灌前各處理表層全鹽量較2020年收獲后有不同程度提升。2021年春灌后各處理土壤全鹽量降至2.86～3.47 g/kg，處理間差異不顯著。經生育期內2次灌水，與春灌前相比各耐鹽植物處理表層脫鹽率為苜蓿>蘇丹草>甜高粱>CK，最高達52.10%。收獲后，各處理土壤全鹽量較二水后升高，其中苜蓿處理土壤鹽分漲幅最小，CK最大。2021年全生育期表層脫鹽效果由高到低為苜蓿>蘇丹草>甜高粱>CK，脫鹽率分別為45.1%、37.5%、29.72%、8.47%。2年合計表層全鹽量降幅最大為苜蓿處理，蘇丹草、甜高粱次之，脫鹽率分別為61.42%、56.69%、39.96%，分別較CK (脫鹽率23.43%)高37.99個百分點、33.2%個百分點、16.53個百分點。

圖3 不同處理0—60 cm土層土壤全鹽含量Fig. 3 Total salt content in 0?60 cm soil layer under different plant treatments

2020年播種前，各處理20—40 cm土層全鹽含量春灌脫鹽率在14.69%～16.65%，低于土壤表層脫鹽率。二水后苜蓿、蘇丹草處理土壤含鹽量顯著低于CK，春灌前到二水后土壤脫鹽率分別為44.96%、43.52%。2020年全生育期耐鹽植物處理20—40 cm土層含鹽量降低次序為苜蓿>蘇丹草>甜高粱>CK，脫鹽率分別為41.21%、38.04%、29.11%、14.41%。2021年春灌前，各處理20—40 cm土層全鹽含量均高于2020年末，苜蓿土壤全鹽量顯著低于其它3個處理。2021年收獲后苜蓿、甜高粱、蘇丹草、CK處理20—40 cm土層脫鹽率均低于2020年。暗管下種植耐鹽植物2年后，耐鹽植物20—40 cm土層全鹽含量顯著低于CK，其中種植苜蓿脫鹽效果最好，脫鹽率為51.59%。

2020年各處理40—60 cm土層全鹽含量在2次灌水后降低0.38～0.85 g/kg，但耐鹽植物處理與CK差異不顯著。2021年春灌前各處理較2020年收獲后均有返鹽現象，甜高粱和蘇丹草處理返鹽量最高，收獲后耐鹽植物處理土壤全鹽含量顯著低于CK，苜蓿在生育期內全鹽含量均顯著低于CK。2021年收獲后，40—60 cm土層苜蓿處理脫鹽率最高(40.52%)，蘇丹草處理次之(31.47%)，甜高粱最低(22.84%)。

綜上，暗管排水下，種植耐鹽植物能有效降低0—60 cm土層全鹽含量，降低順序為0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm。種植 2 年后，工程?生物雙重措施下各土層含鹽量顯著低于暗管排水單一措施。苜蓿處理各土層脫鹽率均最高，表層與蘇丹草處理差異不顯著，20—60 cm土層全鹽含量均顯著低于甜高粱及蘇丹草，這與其根系穿插深度及分布范圍有關。

2.3 土壤鹽離子運移特征

因土壤離子遷移能力及植物對其吸收、運移能力不同，各離子含量在0—60 cm不同土層中存在明顯差異(圖4)。

圖4 種植耐鹽植物2年后0—60 cm土層離子含量Fig. 4 The ion content in 0?60 cm soil layer after two years of salt-tolerant plant treatments

經過暗管、植物雙重作用，各處理收獲后表層鹽離子含量以SO42?、Na++K+、Cl?為主。相較 2020年4月，苜蓿、甜高粱、蘇丹草、CK處理土壤表層Na++K+含量分別降低66.74%、65.91%、40.62%、21.32%，各土層降幅為 0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm，耐鹽植物處理各層Na++K+含量均顯著低于CK，苜蓿及蘇丹草處理又顯著低于甜高粱。苜蓿處理的 0—20、20—40 cm 土層 Ca2+及 Mg2+降低幅度最大。HCO3?較其它離子降低幅度最小，表層降低幅度在9.81%～30.50%，但40—60 cm土層甜高粱及CK處理分別增加3.77%、16.55%。土壤表層及40—60 cm 土層Cl?降幅為苜蓿>蘇丹草>甜高粱>CK，各處理間Cl?含量差異顯著。除蘇丹草處理外，苜蓿、甜高粱及CK處理的SO42?較其它離子降低幅度最大，土壤表層苜蓿、甜高粱、蘇丹草及CK處理分別降低66.00%、47.69%、61.78%、28.82%。試驗初期至收獲后苜蓿、甜高粱、CK處理0—60 cm土層各鹽分陽離子平均脫鹽率為Na++K+>Mg2+>Ca2+，陰離子脫鹽率為SO42?>Cl?>HCO3?。蘇丹草陽離子平均脫鹽率與其它3個處理一致，陰離子脫鹽率為 Cl?>SO42?>HCO3?。暗管排水配合3個耐鹽植物處理的SO42?、Na++K+、Cl?脫鹽率分別在 41.91%～57.47%、33.4%～55.39%、31.05%～53.49%，高于單一暗管處理的22.36%、17.96%、17.01%。

2.4 耐鹽植物生物量測算及土壤脫鹽率分析

為精確分析土壤脫鹽率的變化，本研究測算了耐鹽植物離子分配及其生物量的變化(表2和圖5)。由表2可知，地上部分，苜蓿Na+、Ca2+、Mg2+、SO42?、Cl?含量顯著高于甜高粱和蘇丹草，甜高粱K+含量顯著高于苜蓿和蘇丹草。地下部分，蘇丹草Na+、SO42?、Cl?含量顯著高于其它2種植物，苜蓿K+含量最高，甜高粱Ca2+和Mg2+含量顯著高于苜蓿和蘇丹草。3種植物K+及Cl?運輸能力較強，地上部分兩種離子含量均高于地下部分，苜蓿地上部分各離子含量均高于地下部分。

表2 不同耐鹽植物地上部和地下部離子含量 (g/kg)Table 2 The ion content in above- and below-ground parts of salt-tolerant plants

圖5 2020和2021年耐鹽植物生物量(干重)Fig. 5 Dry biomass of salt-tolerant plants in 2020 and 2021

由于苜蓿是多年生植物，因此地下部分生物量不進行測量(圖5)。2年蘇丹草地上部分產量顯著高于甜高粱和苜蓿，苜蓿產量最低。2021年3種植物地上部生物量均高于2020年，苜蓿、甜高粱、蘇丹草分別增產51.81%、28.51%、24.35%。2年間蘇丹草的地下部生物量均顯著高于甜高粱。

在埋設暗管條件下，種植不同耐鹽植物的土壤脫鹽率變化如表3所示。對比2年前后0—60 cm土層土壤鹽含量，苜蓿、甜高粱、蘇丹草處理土壤鹽含量分別較試驗前降低1887.20、1303.97、1736.65 g/m2，土壤脫鹽率苜蓿>蘇丹草>甜高粱，分別較CK高41.64、36.06、22.16個百分點。根據植物生物量(干重)及不同部位吸收鹽離子量測算，苜蓿、甜高粱、蘇丹草分別通過2年刈割共可帶出土壤中鹽分30.00、66.92和68.05 g/m2，分別占總脫鹽量的1.59%、5.13%、3.32%。3種植物淋溶脫鹽率依次為苜蓿>蘇丹草>甜高粱，淋溶量分別占總脫鹽量的98.41%、96.68%、94.87%。

表3 暗管排水結合不同耐鹽植物的脫鹽率(0—60 cm)Table 3 Desalting rate of salt-tolerant plants in the field with subsurface pipe drainage

3 討論

3.1 工程?生物協(xié)調作用對鹽漬土改良的影響

鹽堿土壤中可溶性鹽分含量的降低是植株健康生長的關鍵因素[28]，逄煥成等[29]研究發(fā)現隨著土壤鹽脅迫的增加苜蓿生長受抑制程度增大。鹽漬土影響植物生長的另一個原因是土壤板結、緊實、通氣性差和透水性差[30]。因此通過有效措施降低土壤耕作層含鹽量、改善土壤滲透性對鹽漬化區(qū)域農業(yè)發(fā)展有重要意義。

暗管排水措施具有降低土壤鹽分的效果，周利穎等[15]在河套灌區(qū)研究表明10 m暗管間距的淋鹽效果優(yōu)于20 m、30 m間距，土壤脫鹽速度更快，其中土壤表層降鹽最明顯。劉玉國等[13]分析了暗管技術下輕度和中度鹽漬化土壤鹽分含量變化規(guī)律，結果表明中度鹽漬化土壤脫鹽率最高為90.89%，脫鹽效果較輕度鹽漬化土壤更為明顯，輕、中度鹽漬土壤鹽分剖面形態(tài)特征均由表聚型向脫鹽型轉化。本研究單純暗管排水處理2年后表層土壤脫鹽率為23.43%，植物與暗管排水協(xié)同作用2年后各處理表層脫鹽率較單純暗管排水高16.53～37.99個百分點，此結果表明耐鹽植物與暗管排水耦合作用可促進鹽漬土表層脫鹽，降低表層含鹽量。甜高粱和蘇丹草2020年0—40 cm脫鹽率均高于2021年，侯賀賀等[31]同樣得出不同植物的脫鹽效果隨年限增加而降低，苜蓿2021年表層脫鹽率高于2020年，這是由于苜蓿是多年生植物，隨生長年限的延長，苜蓿的根頸增粗、側根數量增加，土壤通氣狀況得到改善[32]，加速了鹽分淋洗。本研究區(qū)鹽離子組成以SO42?、Na++K+、Cl?為主，3種離子大量聚集在土壤耕層導致土壤孔隙減少、滲透性降低，進而影響植物生長發(fā)育、使植物代謝紊亂甚至發(fā)生中毒，同時會阻礙植物對Ca2+的吸收[16,33]。與前人研究結果[34]一致，利用工程?生物措施對SO42?、Na++K+、Cl?脫除效果較好，可為植物提供更適宜的生長環(huán)境，減少離子毒害。

胡發(fā)成[32]研究發(fā)現，苜?？山档屯寥廊葜?、提高土壤孔隙度、改善土壤滲透性和通氣狀況。侯賀賀等[31]在鹽堿地種植耐鹽植物發(fā)現，田菁、紫花苜蓿、菊苣、甜高粱、白花草木樨耕作層土壤容重有不同程度降低，降低率在10.31%～21.27%。景鵬成等[35]在南疆地區(qū)種植耐鹽牧草，也得出種植耐鹽牧草可顯著降低土壤容重的結果。本研究發(fā)現2年后單純暗管排水處理土壤表層容重下降幅度較小，20—60 cm土壤容重有所升高，在暗管排水下種植耐鹽牧草后可顯著降低0—60 cm土壤容重。因此可以推測生物?工程協(xié)同作用下土壤容重的降低主要是生物作用引起的，而不同耐鹽植物對土壤容重改善效果不同，可能與各土層植物根系分布深度、根系生長活動分泌物及根系穿插活動強烈程度有關[36]。

3.2 植物—土壤的鹽分轉移

王立艷等[37]通過測定耐鹽植物根際土壤鹽分差異得出，收獲期耐鹽植物表層土脫鹽效果順序為田菁>蘇丹草>苜蓿>堿蓬，各植物脫鹽效果差異歸因于耐鹽植物根際對土壤中不同離子的選擇性吸收作用。郭洋等[38]發(fā)現種植生物量大且對鹽分有強富集能力的鹽生植物，可有效改良鹽堿地。本研究暗管排水下種植耐鹽牧草的各土層脫鹽效果均顯著高于CK，促進土壤脫鹽，首先是因為耐鹽植物地面覆蓋度高，變蒸發(fā)為蒸騰，抑制了鹽分表聚[18]，其次是植物離子的選擇性吸收[26]，三是因為植物根際作用為鹽離子的淋洗開辟了通道[39]。本研究通過苜蓿刈割帶走的鹽分最低，這與苜蓿前兩年產量低有關，苜蓿產量最高出現在生長的第6年[40]，但苜蓿的淋溶脫鹽率最高，說明苜蓿地面覆蓋度較高及根系作用較強，通過根系作用改善了土壤結構，土壤孔隙度增大，加快了鹽分向耕層以下土層遷移。暗管排水淋洗與植物協(xié)同對鹽漬化土壤改良效果優(yōu)于單獨使用暗管淋洗，這與唐讓云等[27]研究結果相似。

4 結論

暗管排水結合種植耐鹽牧草可顯著提高暗管排水降低土壤鹽分的效果。改善程度苜蓿>蘇丹草>甜高粱，效果均優(yōu)于單獨暗管處理。種植耐鹽植物主要是顯著降低了0—60 cm土層的土壤容重及全鹽含量，尤其是提高了土壤中SO42?、Na++K+、Cl?淋溶脫鹽率，可為植物提供適宜的土壤環(huán)境，減輕對植物的毒害作用。蘇丹草產量顯著高于苜蓿和甜高粱，通過刈割帶出鹽分為68.05 g/m2，也高于苜蓿和甜高粱。耐鹽植物吸收脫鹽率在1.00%～2.26%，淋溶脫鹽率在41.48%～62.20%，植物帶走的鹽分含量遠低于淋洗出土壤的鹽分，說明處理間脫鹽率的差異與植物根系改善土壤結構的關系更為密切，土壤容重減小、孔隙變大，促進了鹽分隨水向下遷移出根層。苜蓿的淋溶脫鹽率明顯高于其它兩種植物，對土壤結構改善能力最強，因此河套灌區(qū)下游農牧交錯區(qū)鹽漬土在暗管排水工程下適宜種植苜蓿。