柳枝稷種植年限對土壤鹽分離子的影響

劉吉利，劉曉俠，周世虎，劉曉剛，吳 娜，楊亞亞，程彥弟，俞超凡

（1.寧夏大學環(huán)境工程研究院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學農學院，寧夏 銀川750021）

柳枝稷種植年限對土壤鹽分離子的影響

劉吉利1，劉曉俠2，周世虎2，劉曉剛2，吳 娜2，楊亞亞2，程彥弟2，俞超凡2

（1.寧夏大學環(huán)境工程研究院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學農學院，寧夏 銀川750021）

為探明能源植物柳枝稷對鹽堿土的改良效果，于2014—2015年，在寧夏大學西大灘鹽堿地改良試驗站田間條件下，設置1、3、5 a3個不同種植年限柳枝稷處理（T1、T3、T5），以附近未種植柳枝稷的鹽堿荒地作為對照（CK），研究了不同種植年限柳枝稷對鹽堿土鹽分離子的影響。結果表明，隨著種植年限增加，柳枝稷對土壤鹽分離子的作用效果增強，土壤中的Na＋、SO42－、Cl－含量隨種植年限增加而降低，在柳枝稷生育末期T5處理與CK相比，Na＋、SO42－、Cl－含量分別下降了 52.64%、40.37%和 63.68%；土壤中的 Ca2＋、Mg2＋含量與柳枝稷種植年限呈正相關關系，在柳枝稷生育末期T5處理Ca2＋、Mg2＋含量分別比CK增加了2.22%、48.08%。本試驗條件下，柳枝稷種植5年后對土壤Na＋、SO42－和Cl－等鹽分離子的降低作用最為明顯。

鹽堿地；柳枝稷；種植年限；土壤鹽分離子

世界干旱半干旱地區(qū)有超過10億hm2的鹽漬化土地，并且由于不合理灌溉和管理，世界上超過40%的灌區(qū)土壤含鹽水平在增加［1－3］，嚴重影響著干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境建設和可持續(xù)發(fā)展［4］。寧夏銀北平原位于干旱、半干旱地區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)強烈，土地鹽漬化問題嚴重，鹽漬化土壤面積占耕地面積的39.5%～54.7%［5］。目前，治理和改造鹽漬化土壤的方法主要包括水利工程改良、農業(yè)改良、生物改良和化學改良等［6－8］。多年的研究證實，生物改良措施是集改良、開發(fā)和利用最經濟有效的鹽堿地改良途徑之一［9－10］。在鹽堿地種植耐鹽植物，利用植株集聚鹽分的特性，收獲植株并加以利用，可達到拔鹽抽堿和改良土壤的效果［11－12］。孫國榮［13］等研究表明，種植星星草對鹽堿地土壤有一定的改良作用，在種植星星草3年以后，土壤中可溶性Na＋含量比未栽種星星草的堿斑土壤降低80%左右，Ca2＋則呈現(xiàn)上升趨勢。羅廷彬［14］等在新疆鹽堿地生物改良的研究表明，土壤鹽分較高時，通過直接種植耐鹽堿的禾本科牧草，0～40 cm土壤的脫鹽率可達67.3%以上。

柳 枝 稷 （Pɑnicum virgɑtum），屬 于 禾 本 科（Grɑmineɑe）黍屬（Pɑnicum），起源于北美洛基山脈以東55°N以南的大草原［15］，是一種多年生暖季型草本C4植物，生長迅速，植株高大，根系發(fā)達［16］。柳枝稷具有適應性廣、生物質產量高、品質優(yōu)良、抗逆性強等優(yōu)點［17］，被美國能源部確定為最有前景的生物質能源模式植物，在世界范圍內受到廣泛關注［18］。柳枝稷具有一定的耐鹽堿性，可在鹽漬化土壤上種植［19］，其根系發(fā)達，能固定土壤碳、增加土壤有機質含量、保持水土、提高土地生產力，是提高鹽堿地生產力和區(qū)域經濟水平的重要途徑［20－21］。研究表明，草本植物根系對土壤有穿插擠壓效果，能明顯改變鹽漬化土壤的物理性質，使土壤結構朝著良好的方向發(fā)展［22－23］。但是，能源植物柳枝稷作為鹽堿地生物改良的一種可利用植物，其對鹽堿地的改良效果與改良機制尚不清楚，關于柳枝稷種植年限對土壤鹽分離子的影響更是鮮見報道。因此，本試驗以能源植物柳枝稷為材料，在寧夏銀北西大灘開展柳枝稷種植年限對鹽堿土改良效應的田間試驗研究，旨在探明柳枝稷種植年限對土壤鹽分離子的含量和運移規(guī)律的影響，為我國西北干旱鹽漬化地區(qū)的土壤生物改良提供理論參考，對于改善生態(tài)環(huán)境，帶動區(qū)域經濟發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗在寧夏大學西大灘鹽堿地試驗站進行，研究區(qū)域位于寧夏銀北平原（38°50′N，106°24′E），屬干旱暖溫帶季風氣候，年均降水量為205 mm，年蒸發(fā)量1 875mm，地勢相對較為平坦，海拔約1 100 m。此地區(qū)常年日照充足，干旱少雨，晝夜溫差較大，區(qū)域蒸發(fā)量與降水量嚴重失衡，蒸發(fā)量約是降水量的10倍，降水不足和蒸發(fā)量大等是造成該地區(qū)鹽堿化土壤形成的重要氣候因素［24］。本試驗地塊為中度鹽堿地，其土壤理化性狀見表1。

表1 供試土壤的理化性狀（0～30 cm）Table 1 Main soil properties of the study site in the top 0～30 cm

1.2 試驗材料

試驗材料為柳枝稷（Pɑnicum virgɑtum），品種為Cave－in－Rock。目前試驗站柳枝稷種植年限最長的為5年，最短的1年，種植前土壤為新開墾中度鹽堿荒地。柳枝稷采用育苗移栽方式種植，行距50 cm，株距20 cm，種植當年施純 N 60 kg·hm－2、P2O550 kg·hm－2和 K2O 50 kg·hm－2，第二年開始在每年返青后施用純N 120 kg·hm－2，不施用磷鉀肥。試驗期間按當?shù)睾档刈魑镞M行灌溉管理，柳枝稷生物質于每年10月底一次性收獲。

1.3 試驗設計

試驗設置柳枝稷1年、3年、5年3個不同種植年限處理，以附近未種植柳枝稷的鹽堿荒地作為對照。分別在不同種植年限的柳枝稷地塊（1年、3年和5年）內設置試驗小區(qū)，分別標記為 T1、T3、T5處理，每個處理三次重復。小區(qū)面積5 m×4 m＝20 m2，分別在不同種植年限柳枝稷的分蘗期、拔節(jié)期、開花期和成熟期測定鹽堿土壤中鹽分離子 Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－和 SO42－含量變化。

1.4 測定指標和方法

土壤鹽分離子的測定：Ca2＋、Mg2＋采用EDTA滴定法；Na＋、K＋采用火焰光度法；SO42－采用 EDTA間接絡合滴定法；Cl－采用硝酸銀滴定法［23］。

1.5 數(shù)據統(tǒng)計分析

利用Excel 2007、SPSS 19.0進行試驗數(shù)據統(tǒng)計分析和顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 柳枝稷種植年限對鹽堿土壤鈉離子含量的影響

由圖1～圖4可知，隨柳枝稷種植年限增加，除分蘗期外，0～40 cm土層鈉離子含量均顯著降低。在柳枝稷分蘗期40～100 cm土層鈉離子含量亦隨著柳枝稷種植年限的增加而降低，尤其是T5處理鈉離子降低幅度最大。在柳枝稷拔節(jié)期，T1處理40～100 cm土層土壤鈉離子含量高于CK，這可能是由于1年生柳枝稷拔節(jié)期生長量較小，地表蒸發(fā)量較大，造成鈉離子含量隨著蒸發(fā)而上移。在柳枝稷拔節(jié)期和開花期，隨著土層深度增加土壤鈉離子逐漸下降，這可能是柳枝稷處于生長的旺盛時期，對根際土壤鈉離子活化和吸附作用較強，土壤深層鈉離子向上運移的結果。柳枝稷成熟期，隨柳枝稷種植年限增加，各土層鈉離子含量均顯著降低，土壤鈉離子含量表現(xiàn)為CK＞T1＞T3＞T5。此外，柳枝稷不同種植年限處理土壤鈉離子含量自分蘗期到開花期逐漸降到最低值，開花期到成熟期土壤鈉離子含量有所回升并且高于分蘗期柳枝稷土壤鈉離子含量，其中T5處理鈉離子含量回升幅度最小。由此可見，柳枝稷種植3年后能夠顯著降低土壤鈉離子含量，柳枝稷生長對地表的覆蓋作用能夠抑制土壤返鹽。

圖1 柳枝稷分蘗期土壤鈉離子含量的變化Fig.1 Concentration of Na＋in the different soil depth during tillering stage

圖2 柳枝稷拔節(jié)期土壤鈉離子含量的變化Fig.2 Concentration of Na＋in the different soil depth during jointing stage

圖3 柳枝稷開花期土壤鈉離子含量的變化Fig.3 Concentration of Na＋in the different soil depth during flowering stage

2.2 柳枝稷種植年限對鹽堿土壤鉀離子含量的影響

總體上，土壤水溶性鉀離子含量與柳枝稷種植年限呈現(xiàn)負相關關系，同時表層土壤（0～20 cm）鉀離子含量明顯高于深層土壤。方差分析表明，T5處理各生育時期土壤鉀離子含量均顯著低于CK。隨著柳枝稷生育時期推進，土壤鉀離子含量基本呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，開花期土壤鉀離子含量最低，成熟期又有所回升（圖5～圖8）。這可能是由于開花期柳枝稷莖、穗的大量生長對土壤鉀元素吸收較多，而生育后期柳枝稷對土壤中鉀離子可能具有一定的釋放作用，因此成熟期土壤中鉀離子含量有所升高。

2.3 柳枝稷種植年限對鹽堿土壤鈣離子含量的影響

圖4 柳枝稷成熟期土壤鈉離子含量的變化Fig.4 Concentration of Na＋in the different soil depth duringmature stage

由圖9～圖12可知，鹽堿地條件下，土壤鈣離子含量隨著柳枝稷種植年限的增加而逐年增加，即土壤的鈣離子含量和柳枝稷的種植年限呈正相關關系。隨著生育時期的推進，0～20 cm土層鈣離子含量呈升高趨勢，且種植柳枝稷處理的土壤鈣離子含量明顯高于未種植柳枝稷處理。不同種植年限處理柳枝稷各生育期表層土壤（0～20 cm）鈣離子含量均明顯高于深層土壤鈣離子含量。方差分析結果表明，T3和T5處理0～20 cm土壤鈣離子含量均顯著高于CK。在柳枝稷的成熟期，T5處理20～40 cm、60～80 cm土壤鈣離子含量顯著高于CK和T1、T3處理，但在40～60 cm、80～100 cm土壤鈣離子含量在各處理間無顯著性差異?？梢?，鹽堿地種植柳枝稷后土壤表層的鈣離子含量得到了顯著的提高。

圖5 柳枝稷分蘗期土壤鉀離子含量的變化Fig.5 Concentration of K＋ in the different soil depth during tillering stage

圖6 柳枝稷拔節(jié)期土壤鉀離子含量的變化Fig.6 Concentration of K＋ in the different soil depth during jointing stage

圖7 柳枝稷開花期土壤鉀離子含量的變化Fig.7 Concentration of K＋ in the different soil depth during flowering stage

圖8 柳枝稷成熟期土壤鉀離子含量的變化Fig.8 Concentration of K＋ in the different soil depth duringmature stage

圖9 柳枝稷分蘗期土壤鈣離子含量的變化Fig.9 Concentration of Ca2＋ in the different soil depth during tillering

圖10 柳枝稷拔節(jié)期土壤鈣離子含量的變化Fig.10 Concentration of Ca2＋ in the different soil depth during jointing

圖11 柳枝稷開花期土壤鈣離子含量的變化Fig.11 Concentration of Ca2＋in the different soil depth during flowering stage

圖12 柳枝稷成熟期土壤鈣離子含量的變化Fig.12 Concentration of Ca2＋ in the different soil depth duringmature stage

2.4 柳枝稷種植年限對鹽堿土壤鎂離子含量的影響

與鹽堿地荒地相比（CK），鹽堿地種植柳枝稷后能顯著提高0～20 cm土層鎂離子含量。柳枝稷分蘗期0～20 cm土層土壤鎂離子含量表現(xiàn)為T3＞T5＞T1＞CK。在柳枝稷拔節(jié)期和成熟期0～20 cm土層土壤鎂離子含量隨著柳枝稷種植年限的增加而升高。種植柳枝稷處理20～100 cm土層鎂離子含量除個別時期外總體上高于CK，但是增幅低于0～20 cm土層（圖13～圖16）。由此可見，種植柳枝稷后對土壤深層鎂離子含量的影響要低于對土壤表層鎂離子含量的影響，多年生柳枝稷對土壤鎂離子含量的影響大于1年生柳枝稷。0～20 cm、40～60 cm的土層鎂離子含量隨柳枝稷生育期推進呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在成熟期達到最大值；20～40 cm土層鎂離子含量隨著柳枝稷生育期的推進而逐漸增加，并且在成熟期達到最大值。

圖13 柳枝稷分蘗期土壤鎂離子含量的變化Fig.13 Concentration of Mg2＋ in the different soil depth during tillering

圖14 柳枝稷拔節(jié)期土壤鎂離子含量的變化Fig.14 Concentration of Mg2＋ in the different soil depth during jointing

圖15 柳枝稷開花期土壤鎂離子含量的變化Fig.15 Concentration ofMg2＋ in the different soil depth during flowering stage

2.5 柳枝稷種植年限對鹽堿土壤氯離子含量的影響

由圖17～圖20可知，在鹽堿地條件下，隨著柳枝稷種植年限增加，各時期各土層土壤氯離子含量總體上呈下降趨勢，尤其以5年生柳枝稷處理土壤氯離子含量最低。方差分析表明，T1、T3、T5處理0～20 cm土層氯離子含量均顯著低于對照，T3與T5處理間無顯著性差異。這說明柳枝稷種植后能夠顯著降低鹽堿土壤中的氯離子含量，且多年生柳枝稷對土壤氯離子含量的降低效果優(yōu)于1年生柳枝稷，但3年生柳枝稷和5年生柳枝稷對表層土壤氯離子的降低作用差異性不顯著。柳枝稷不同種植年限處理土壤氯離子含量隨生育期推進基本呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在柳枝稷的拔節(jié)期氯離子含量降到最低值，在柳枝稷的生育末期土壤中氯離子含量達到最大值，這可能由于隨著柳枝稷在生育末期對鹽分離子的吸收能力下降，同時養(yǎng)分開始向地下回流，造成土壤中氯離子含量的上升。

圖16 柳枝稷成熟期土壤鎂離子含量的變化Fig.16 Concentration ofMg2＋ in the different soil depth duringmature stage

2.6 柳枝稷種植年限對鹽堿土壤硫酸根離子含量的影響

由圖21～圖24可知，柳枝稷種植處理（T1、T3、T5）0～20 cm土壤硫酸根離子含量顯著低于鹽堿荒地（CK），且柳枝稷種植年限越長，對于表層土壤硫酸根離子含量的降低作用越明顯。在柳枝稷不同生育時期各土層深度土壤的硫酸根離子含量均表現(xiàn)為T1＞T3＞T5，隨著種植年限的增加硫酸根離子含量呈降低趨勢。方差分析表明，除個別土層外，柳枝稷各生育期土壤硫酸根離子含量在不同種植年限處理之間均有顯著性差異，T5處理和CK之間差異最為顯著，可見多年生柳枝稷對土壤硫酸根離子的降低作用最為明顯。在柳枝稷各生育時期，表層土壤硫酸根離子含量均低于深層土壤，表現(xiàn)為SO42－底聚，這可能是由于柳枝稷對土壤深層硫酸根離子的吸收作用要低于表層土壤，或者是土壤硫酸根離子向下運移的結果。

圖17 柳枝稷分蘗期土壤氯離子含量的變化Fig.17 Concentration of Cl－ in the different soil depth during tillering

圖18 柳枝稷拔節(jié)期土壤氯離子含量的變化Fig.18 Concentration of Cl－ in the different soil depth during jointing

圖19 柳枝稷開花期土壤氯離子含量的變化Fig.19 Concentration of Cl－ in the different soil depth during flowering

圖20 柳枝稷成熟期土壤氯離子含量的變化Fig.20 Concentration of Cl－ in the different soil depth duringmature stage

圖21 柳枝稷分蘗期土壤硫酸根離子含量的變化Fig.21 Concentration of SO42－in the different soil depth during tillering

圖22 柳枝稷拔節(jié)期土壤硫酸根離子含量的變化Fig.22 Concentration of SO42－ in the different soil depth during jointing

圖23 柳枝稷開花期土壤硫酸根離子含量的變化Fig.23 Concentration of SO42－in the different soil depth during flowering stage

圖24 柳枝稷成熟期土壤硫酸根離子含量的變化Fig.24 Concentration of SO42－ in the different soil depth duringmature stage

3 討 論

鹽漬土中的可溶性鹽類，在溶液中常以離子形式存在，K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋、SO42－、Cl－是土壤中的鹽分主要組成部分。研究表明，在鹽堿地種植耐鹽植物能夠促進土壤表層淋洗、脫鹽，土壤脫鹽過程中各離子的相對含量也隨之發(fā)生變化［7，25］。孫國榮［13］等對星星草的研究發(fā)現(xiàn)，星星草隨著種植年限的增加土壤Na＋含量逐年減少。郭全恩［22］等研究發(fā)現(xiàn)在鹽漬化土壤種植柳枝稷能明顯減少土壤剖面的Na＋含量。本研究亦得出類似結論，柳枝稷種植3年后能夠顯著降低土壤Na＋含量，尤其以5年生柳枝稷對土壤Na＋的降低效果最為明顯，原因是柳枝稷根系活動可以激活土壤中CaCO3，釋放Ca2＋以替代Na＋，從而改善了土壤結構，促進了Na＋向下淋洗，同時柳枝稷生長對地表的覆蓋作用抑制了土壤返鹽［26］。本試驗條件下，土壤水溶性鉀離子含量與柳枝稷種植年限呈負相關關系，種植年限越長土壤K＋含量越低。這一方面是由于多年沒有施用鉀肥，柳枝稷生長消耗了土壤中的部分速效鉀，另一方面，部分K＋被活化后隨灌水被淋洗出了0～100 cm土體［25］。

本研究中，在柳枝稷不同生育期及不同土層中鈣離子含量變化不同，但Ca2＋含量均隨種植年限增加呈現(xiàn)上升趨勢，范亞文［27］等研究也表明，隨著星星草種植年限的增加表層土壤Ca2＋含量升高，與本研究結果一致。郭全恩［22］等的結果表明，種植柳枝稷處理土壤剖面0～100 cm土層Mg2＋的含量降低，但本研究得出了相反的結果，即鹽堿地種植柳枝稷后能顯著提高表層土壤鎂離子含量，出現(xiàn)這種差異可能是試驗地點的鹽堿土類型和鹽堿程度不同所致。氯離子和硫酸根離子是土壤的主要陰離子，其遷移主要受土壤水分運動的影響，本研究表明柳枝稷種植后能夠顯著降低鹽堿土壤中的氯離子和硫酸根離子含量，且種植年限越長對氯離子和硫酸根離子的降低效果越好，這主要是由于柳枝稷種植改善了鹽堿土壤結構和水分環(huán)境，促進了Cl－和SO42－隨灌水被淋洗。

肖克飚［7］等通過種植耐鹽植物檉柳、葦狀羊茅、油葵等發(fā)現(xiàn)，不同類型耐鹽植物對土壤鹽分的影響程度有差異，種植檉柳使土壤中各鹽分離子明顯下降，表層土尤其明顯。本研究結果亦表明，柳枝稷對0～40 cm土層土壤可溶性鹽分離子影響較大，而對深層鹽分離子的影響相對較小。從土壤不同深度鹽分離子含量來看，K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋、SO42－、Cl－都呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而上升的趨勢。原因可能是一方面柳枝稷根系對淺層土壤鹽分離子的活化和吸收作用較強，另一方面柳枝稷種植使土壤結構向著良性發(fā)展，促進了鹽分的向下淋溶。

4 結 論

本研究表明鹽堿地種植柳枝稷后土壤中的Na＋、SO42－、Cl－含量均呈現(xiàn)下降趨勢，Ca2＋、Mg2＋含量呈升高趨勢。土壤中的Ca2＋、Mg2＋含量與柳枝稷種植年限呈正相關關系，Ca2＋、Mg2＋含量的增加可以置換出土壤中有害Na＋，降低鹽堿地中鈉離子的含量來達到脫鹽目的，從而降低土壤的鹽堿程度。綜合來看能源作物柳枝稷能夠對寧夏鹽堿荒地起到改良作用，且柳枝稷種植年限越長，對土壤中有害鹽分離子的降低作用越明顯。本試驗條件下5年生柳枝稷能顯著降低有害鹽分離子的含量，對鹽堿土的改良效果最好。由于本試驗柳枝稷最長的種植年限為5年，其對土壤鹽分離子的長期效應還有待于進一步研究。

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Effect of different sw itchgrass（Panicum virgatum L.）planting years on soil salt ions

LIU Ji-li1，LIU Xiao-xia2，ZHOU Shi-hu2，LIU Xiao-gang2，WU Na2，YANG Ya-ya2，CHENG Yan-di2，YU Chao-fan2
（1.Institute of Environmentɑl Engineering，NingxiɑUniversity，Yinchuɑn，Ningxiɑ750021，Chinɑ；2.College of Agronomy，NingxiɑUniversity，Yinchuɑn，Ningxiɑ750021，Chinɑ）

The field trialswere conducted to explore the ameliorative effect of switchgrass（Pɑnicum virgɑtum L.）on saline alkali soil in Ningxia Xidatan.This paper studied the effects of 1，3 and 5 years（T1，T3，T5）of planting switchgrass on the salt ions，taking the uncropped saline waste land adjacent to the experimental site as the control（CK）.The results showed that the effects of switchgrass on soil salt ionswere enhanced，and the concentration of Na＋，SO42－and Cl－in soil decreased gradually with the increase of planting years.Compared with CK，the concentration of Na＋，SO42－and Cl－of T5 decreased by 52.64%，40.37%and 52.64%in the lastgrowth period of switchgrass.The concentration of Ca2＋，Mg2＋was positively correlated with planting years of switchgrass，the concentration of Ca2＋，Mg2＋of T5 increased 2.22%and 48.08%than thatof CK in the lastgrowth period of switchgrass.Under conditions of the present study，the effects of switchgrass on soil salt ionswere themost significantat the 5th year after establishment.

saline alkali land；switchgrass；planting years；soil salt ions

S156.4

A

1000-7601（2017）05-0035-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.06

2016-09-02

2016-10-09

國家自然科學基金（31560361）；寧夏自治區(qū)級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（20150130）

劉吉利（1982—），男，副研究員，博士，主要從事作物栽培與耕作方面研究。E-mail：tim11082003＠163.com。

吳 娜（1980—），女，副教授，主要從事作物栽培與耕作方面研究。E-mail：nawu2000＠163.com。