甘肅省沿黃灌區(qū)春小麥與披堿草/苜?；觳?duì)土壤鹽漬化的影響

李 昂, 曹素珍, 李 雪, 李昌明, 韓凡香, 吳應(yīng)珍, 葛承暄

(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)干旱少雨，植被稀疏，冬、春季多風(fēng)，致使耕地表土粗化、肥力下降，“資源—人口—環(huán)境問題”日益嚴(yán)重[1-4]。為改善生產(chǎn)條件，甘肅省陸續(xù)在黃河及支流建成多處提灌工程，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[5-6]。由于地理位置和資金限制，這些灌溉工程運(yùn)行數(shù)年后相繼出現(xiàn)土壤鹽堿問題[6-8]；另外，由于大量施用化肥和很少進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)保育，耕地質(zhì)量日愈下降，加之投入產(chǎn)出效益低，近年來撂荒耕地現(xiàn)象愈來愈嚴(yán)重[9]。這不僅影響該區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，而且也嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)安全[10]。甘肅灌區(qū)農(nóng)業(yè)屬一年一熟制度，耕地每年有近7個(gè)月休閑裸露，農(nóng)業(yè)種植模式和耕作措施選擇不當(dāng)極易造成農(nóng)田風(fēng)蝕和鹽堿危害[6,10]。盡管水利工程措施治理土壤鹽堿已取得顯著成效，但在西北地區(qū)采取灌水洗鹽不僅耗水多、費(fèi)用高，而且淋洗時(shí)將會(huì)使土壤中鹽離子和植物生長(zhǎng)必需元素同時(shí)排走，加重下游地區(qū)鹽堿危害[11]。改良鹽堿地不僅要降低土壤鹽含量，更要提高土壤肥力。以往研究顯示，種植牧草不僅能預(yù)防土壤風(fēng)蝕[12-13]，而且還能防治土壤鹽堿和提高土壤肥力[8,14]。盡管前人利用牧草防治土壤鹽堿已做了大量研究，但多數(shù)研究選取牧草為1 a生或采取單播模式[14-16]，很少采用多年生牧草混播模式，對(duì)植被和土壤鹽分變化動(dòng)態(tài)及其定量關(guān)系也鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。生態(tài)學(xué)理論認(rèn)為物種豐富群落可充分利用環(huán)境資源，進(jìn)而提高群落生產(chǎn)力[17]。彭紅春等[18]研究發(fā)現(xiàn)，混播牧草可提高植被的蓋度和產(chǎn)量，降低土壤水分蒸發(fā)和鹽含量。李海英等[19]研究發(fā)現(xiàn)，燕麥/苜?；觳ゲ粌H能增加植被蓋度，降低表土積鹽，而且深淺根系混播有利于鹽分向更深土層移動(dòng)。 Bhardwaj等[20]研究5種土地利用方式發(fā)現(xiàn)，土壤鹽漬度和堿化度隨植被蓋度的提高而降低。Xia等[21]研究發(fā)現(xiàn)，樹—灌—草混播不僅能防治土壤鹽堿，而且還能提高土壤養(yǎng)分和微生物量。為此，本文以甘肅秦王川灌區(qū)種植春播作物和多年生豆禾混播牧草地為研究對(duì)象，通過測(cè)定和分析植被和土壤鹽分變化動(dòng)態(tài)及定量關(guān)系，探尋種植牧草防治土壤鹽漬化內(nèi)在機(jī)理，為甘肅沿黃灌區(qū)利用“糧草輪作”方式防治耕地次生鹽漬化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦王川灌區(qū)位于甘肅省永登縣秦王川盆地(地理坐標(biāo)為36°26′—36°47′N，103°30′—103°45′E)，海拔1 700～2 300 m，地勢(shì)呈北高南低，全年日照時(shí)數(shù)2 669 h，平均無霜期150 d，年均溫度6.2 ℃，≥0 ℃活動(dòng)積溫2 893 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫2 227 ℃，年均降雨287 mm，主要集中于7月末至9月初，而蒸發(fā)量高達(dá)1 888 mm，春季平均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速達(dá)20 m/s，為典型半干旱大陸性氣候，地帶性植被景觀為叢生禾草干旱荒漠草原[22-23]。該區(qū)土壤類型以灰鈣土為主，局部有鹽土和黃綿土，土壤質(zhì)地為粉砂壤土，<0.1 mm細(xì)顆粒約占總量88%，土壤容重1.29～1.47 g/cm3[10,22]。自20世紀(jì)90年代“引大入秦”灌溉工程運(yùn)行以來，由于種植作物生育期較短，澆水采取漫灌，加之日照強(qiáng)烈、水分蒸發(fā)量大，運(yùn)行數(shù)年后灌區(qū)北部表土電導(dǎo)率為460 μS/cm，中部為864 μS/cm，南部達(dá)3 410 μS/cm，近30%面積耕地受到鹽堿威脅[6]。另外，因土壤質(zhì)量差、產(chǎn)出效益低，近年來撂荒耕地現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[9]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、田間管理和測(cè)定

為探究種植春播作物和牧草對(duì)農(nóng)田土壤鹽分影響及避免地下水影響，試驗(yàn)選址灌區(qū)北部上川鎮(zhèn)下古山村(海拔1 950 m，103 °33′E，36 °45′N)。設(shè)裸地(CK)、單播小麥(Triticumaestivum)、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個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積6 m×4 m，間距0.5 m。試驗(yàn)地前茬作物為油菜。為減少外部因素影響，各處理試驗(yàn)期間均不施肥。2016年春季在設(shè)定小區(qū)內(nèi)條播小麥和牧草(行距均為20 cm)，小麥播量30 g/m2，披堿草3.2 g/m2，苜蓿1.5 g/m2。裸地噴灑除草劑。試驗(yàn)期間人工清除雜草，并分別于5月、6月對(duì)所有小區(qū)各灌水1次；7月末收獲小麥(留茬高度與當(dāng)?shù)貦C(jī)收(10 cm)一致)，根據(jù)牧草長(zhǎng)勢(shì)(≥80 cm)適時(shí)刈割，秋末留茬10 cm收獲牧草。翌年春季再次播種小麥；因牧草為多年生，故不再播種。試驗(yàn)期內(nèi)定期測(cè)定植被的蓋度、高度和生物量[8,13]，并于11—13時(shí)在播種行間用照度計(jì)(VICTOR 1010A)和溫度計(jì)(Delta Trak 11063)測(cè)定地表光照強(qiáng)度和土壤溫度(地下5 cm深處)，最后用土鉆分層(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—40 cm)取土樣。土壤含水率用烘干法測(cè)定，土壤含鹽量用電導(dǎo)法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件匯總數(shù)據(jù)，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中單因素方差法分析處理間差異，Duncan法進(jìn)行多重比較，Pearson法分析指標(biāo)間相關(guān)性，并用雙尾檢驗(yàn)其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表植被動(dòng)態(tài)變化

種植當(dāng)年(圖1)，盡管牧草和小麥同時(shí)播種，小麥幼苗生長(zhǎng)較牧草快，5月小麥的蓋度、高度和生物量均較披堿草/苜?；觳ツ敛莞撸?月小麥?zhǔn)斋@前，小麥僅地表生物量高于牧草，而蓋度和高度均較牧草低；小麥?zhǔn)斋@后至秋末(10月)，該區(qū)秋季降雨較多，牧草在雨水澆灌下繼續(xù)生長(zhǎng)，而小麥地僅有少量根茬和幼苗，故牧草植被的蓋度、高度和生物量均較小麥高。翌年(圖1)，因牧草為多年生，春季萌發(fā)早，3—7月牧草的植被特征指標(biāo)均較小麥高(夏末牧草的高度和生物量較小麥低為刈割所致)；小麥?zhǔn)斋@后至秋末，牧草和小麥的植被變化趨勢(shì)與第1年類似。裸地因噴灑除草劑和人工除草，地表植被很少可忽略不計(jì)。

注：不同小寫字母表示同一時(shí)間不同處理差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 地表微環(huán)境因子與土壤含水率變化

以往研究顯示，植被覆蓋影響地表微環(huán)境[8,24]。種植當(dāng)年3—5月(圖2)，由于植被量少、對(duì)地表影響有限，不同處理的地表光照強(qiáng)度、土壤溫度和0—5 cm土層含水率差異均不顯著；7月，小麥和牧草植被對(duì)地表產(chǎn)生顯著影響，其地表光照強(qiáng)度和土壤溫度均顯著低于裸地，土壤含水率高于裸地；小麥?zhǔn)斋@后至秋末，牧草植被量大于小麥根茬量，其地表光照強(qiáng)度和土壤溫度顯著低于小麥地，土壤含水率大于小麥地；小麥地因根茬少、對(duì)地表影響有限，故與裸地間差異不顯著。翌年(圖2)，3—7月牧草植被量大于小麥，故其地表光照強(qiáng)度和土壤溫度較小麥地低，土壤含水率正好相反；對(duì)于小麥地，3月與裸地類似，隨著小麥生長(zhǎng)，其地表光照強(qiáng)度、土壤溫度和含水率與裸地間差異變大；夏末小麥?zhǔn)斋@后至秋末，牧草植被最大，故其地表光照強(qiáng)度和土壤溫度較小麥地和裸地低，土壤含水率正好相反；小麥地因根茬有限，與裸地間差異不顯著。

圖2 研究區(qū)地表微環(huán)境因子與土壤含水率變化

2.3 表土(0-5 cm)含鹽量變化

相關(guān)研究顯示，土壤鹽含量受降雨、灌水、日照和植被覆蓋影響，其中表土影響最明顯[6,15,25]。就本試驗(yàn)而言，因樣地位于同一地塊，每年5，6月又同時(shí)澆水灌溉，故不同處理同一時(shí)間測(cè)得土壤鹽分差異僅為植被覆蓋影響結(jié)果。就裸地而言(圖3)，試驗(yàn)開始(3月)時(shí)表土含鹽量較高、為3.14 g/kg，隨時(shí)間推移，在降雨、灌水淋溶脫鹽和日照蒸發(fā)積鹽共同作用下，5月降為2.18 g/kg；夏季日照增強(qiáng)、水分蒸發(fā)加劇，鹽離子隨水移至表層，7月升至2.64 g/kg；秋季降雨增多、土壤淋溶脫鹽，9月降為1.21 g/kg；秋末降雨減少，強(qiáng)日照使土壤水分大量蒸發(fā)，10月表土鹽含量升至2.53 g/kg；秋末至翌年3月，該區(qū)雨雪稀少，日照強(qiáng)烈，使表土鹽含量繼續(xù)升至3.88 g/kg，隨后變化趨勢(shì)與第一年類似。由上可知，裸地表土鹽含量全年呈W形變化趨勢(shì)。就種植春小麥地而言(圖3)，3月表土鹽含量為3.11 g/kg，5月降為2.28 g/kg；之后隨小麥植被增加對(duì)地表遮蔽作用增強(qiáng)，7月降為1.15 g/kg；小麥?zhǔn)斋@后在秋雨作用下，9月降為1.15 g/kg；秋末降雨減少、小麥根茬遮蔽有限，水分蒸發(fā)使表土鹽含量升至2.99 g/kg；秋末至翌年3月，小麥地類似裸地，表土鹽含量升至3.57 g/kg，隨后變化類似于第一年。由上可知，種植春小麥將使表土鹽含量呈U形變化。就種植混播牧草地而言(圖3)，種植初期與小麥地類似，之后在灌水、降雨及牧草植被覆蓋作用下，表土鹽含量始終保持較低水平(7月為1.40 g/kg，10月為1.11 g/kg)；秋末牧草收獲后地表遮蔽作用減弱，翌年3月升至2.21 g/kg，隨后變化趨勢(shì)與第一年類似。綜上，種植牧草地僅春季表土鹽含量較高。

分析2 a表土鹽含量(圖3)，種植初期(3月)不同處理間差異不顯著；秋末(10月)，小麥地較裸地高18.4%，牧草地較裸地低55.9%；翌年3月，小麥和牧草地較裸地低8.1%和43.1%；翌年10月，小麥地較裸地高6.9%，牧草地較裸地低22.3%。對(duì)比2 a3月的情況，裸地和小麥地分別升高23.7%和14.8%，而牧草地卻降低28.2%。綜上可知，春小麥因生育期短、收獲后地表根茬覆蓋作用有限，表土積鹽程度與裸地類似，而混播牧草因生育期長(zhǎng)，地表植被覆蓋作用明顯，可顯著降低表土鹽含量。

圖3 研究區(qū)0-5 cm土壤鹽含量變化動(dòng)態(tài)

2.4 相關(guān)及回歸分析

以表土鹽含量最高3月數(shù)據(jù)為例，進(jìn)一步定量分析植被對(duì)土壤鹽含量影響效果。相關(guān)分析顯示(表1)，植被的蓋度、高度和生物量間呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，其中高度與生物量間相關(guān)性最強(qiáng)、達(dá)0.926，其次為蓋度與生物量(r=0.878)；植被特征指標(biāo)與地表光照強(qiáng)度和土壤溫度均間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與表土鹽含量間呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r大小順序?yàn)椋荷w度(-0.916)>生物量(-0.834)>高度(-0.687)，而與土壤含水率間相關(guān)性較弱；表土鹽含量與地表光照強(qiáng)度和土壤溫度間呈極顯著正相關(guān)，與土壤含水率間呈負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步回歸分析顯示(表2)，當(dāng)植被的蓋度提高1%，將使表土鹽含量降低0.031 g/kg，高度提高1 cm，鹽含量降低0.139 g/kg，生物量減少1 g/m2，鹽含量升高0.014 g/kg。

表1 不同因素間相關(guān)關(guān)系

表2 土壤鹽含量與植被特征指標(biāo)間數(shù)量關(guān)系

3 討 論

土壤作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，承載作物生長(zhǎng)、決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力高低。土壤質(zhì)量下降不僅降低了農(nóng)田生產(chǎn)能力，而且還影響周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境[26-27]。秦王川灌區(qū)自運(yùn)行以來，由于種植春播作物生育期較短(3月底至8月初)，澆水采取大水漫灌，加之日照強(qiáng)烈，耕地近7個(gè)月裸露休閑，大量水分蒸發(fā)致使近1/3面積農(nóng)田受到鹽堿威脅[6,10]。另外，過量施用化肥及很少使用有機(jī)肥造成耕地質(zhì)量下降，愈來愈多耕地被棄耕撂荒[9]。為了減少耕地撂荒、降低土壤鹽含量和提高耕地質(zhì)量(如肥力)，迫切需要盡快采取生物措施(如種植牧草)進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)保育。

秦王川灌區(qū)耕地撂荒、種植春小麥和豆禾混播牧草后，表土鹽含量變化存在明顯差異。根據(jù)2 a試驗(yàn)結(jié)果，該區(qū)春播時(shí)表土鹽分較高，而后在降雨和灌溉作用下逐漸降低[28-29]；夏季，隨著小麥植被增加、遮蔽作用增強(qiáng)，地表光照強(qiáng)度和土壤溫度降低，水分蒸發(fā)減緩使隨水升至表層鹽分減少，從而使得表土鹽分保持較低水平[20,25,30]；小麥?zhǔn)斋@后秋雨淋溶使表土鹽分仍保持較低水平；秋末降雨停止，強(qiáng)日照造成大量水分蒸發(fā)，表土鹽分快速升高，全年表土鹽含量呈U形動(dòng)態(tài)變化。就裸地而言，不僅初春和秋末存在兩個(gè)高峰，夏末強(qiáng)日照期間也存在一高峰期，全年呈W形動(dòng)態(tài)變化。就混播牧草地而言，播種后在降雨、灌溉和植被覆蓋作用影響下表土鹽分始終處于較低水平[14-15]；秋末，牧草收獲后，強(qiáng)日照加之雨雪稀少和耕地休閑，土壤水分蒸發(fā)使得下層土壤鹽分上移，至春季，表土鹽分再次處于較高水平，全年僅初春鹽含量較高。

種植春小麥易造成表土積鹽，而種植混播牧草可顯著降低表土鹽含量。從圖3可見，播種前(3月)各處理表土鹽含量相近，秋末(10月)，小麥地較裸地高18.4%，牧草地較裸地低55.9%，翌年3月，小麥和牧草地分別比裸地低8.1%和43.1%，10月小麥地較裸地高6.9%，牧草地較裸地低22.3%。對(duì)比2 a 3月情況發(fā)現(xiàn)，裸地和小麥地提高了23.7%和14.8%，而牧草地卻降低了28.2%。由上可知，耕地撂荒和種植生育期較短春小麥將造成表土積鹽及逐年增加趨勢(shì)，而種植多年生豆禾混播牧草可降低表土鹽分及逐年減少趨勢(shì)。相關(guān)研究顯示，秦王川灌區(qū)運(yùn)行數(shù)年后近1/3面積耕地受到鹽堿威脅，也間接印證了上述結(jié)論[6,22]。另外，從秋季至翌年春季，不同處理表土鹽分均呈快速增加趨勢(shì)(圖3)，全年最高鹽分均出現(xiàn)在春季。其原因可能是秋末至翌年春季，該區(qū)土壤裸露時(shí)間長(zhǎng)、降雨雪稀少，加之日照強(qiáng)烈，土壤水分大量蒸發(fā)所致。據(jù)此，秦王川灌區(qū)在防治土壤鹽堿時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注秋末至翌年春季階段地表覆蓋狀況，而以往相關(guān)研究卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道這段時(shí)間耕地鹽分變化。

種植牧草降低表土鹽含量機(jī)理是隨著牧草植被增加，通過遮蔽對(duì)地表微環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[8,11,18,24-25]，即植被覆蓋通過降低地表光照強(qiáng)度和土壤溫度，減弱土壤水分蒸發(fā)(即提高表土含水率)，減少隨水上移至表層鹽離子，從而使表土鹽含量保持較低水平。相關(guān)分析顯示植被特征指標(biāo)與地表光照強(qiáng)度、土壤溫度和土壤鹽含量間呈負(fù)相關(guān)，與土壤含水率呈正相關(guān)，也證明了上述牧草植被覆蓋降低表土鹽含量的解釋是合理的[8,31]。回歸分析顯示植被的蓋度、高度和生物量每提高1%，1 cm和1 g/m2，將使表層土壤鹽含量分別降低0.031,0.139和0.014 g/kg，也進(jìn)一步明確了植被增加量與土壤鹽分降低間的定量關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1) 秦王川灌區(qū)耕地撂荒、種植春小麥和披堿草/苜?；觳ツ敛莺螅硗聋}含量變化存在明顯差異。耕地撂荒將使表土鹽含量全年呈W形變化動(dòng)態(tài)，初春、夏末和秋末出現(xiàn)3個(gè)高峰期；種植春小麥地呈U形變化趨勢(shì)，高峰出現(xiàn)在初春和秋末；種植披堿草/苜蓿混播牧草地僅初春表土鹽含量較高。

(2) 種植春小麥將造成表土積鹽，而種植混播牧草可顯著降低耕地表土鹽含量。秋末小麥地的表土鹽含量較裸地高6.9%～18.4%，而牧草地較裸地低22.3%～55.9%；對(duì)比連續(xù)2 a春季表土鹽分，裸地和小麥地分別提高23.7%和14.8%，而牧草地卻降低28.2%。

(3) 植被特征指標(biāo)與表土鹽含量間呈極顯著負(fù)相關(guān)，植被的蓋度、高度和生物量每提高1%，1 cm和1 g/m2，將使表土鹽含量降低0.031,0.139,0.014 g/kg。

(4) 甘肅沿黃灌區(qū)耕地撂荒和種植生育期較短春播作物易造成表土積鹽和引發(fā)土壤鹽漬化危害，而種植多年生披堿草/苜?；觳ツ敛菘山档透乇硗聋}含量和預(yù)防土壤發(fā)生次生鹽漬化。