甘肅省沿黃灌區春小麥與披堿草/苜蓿混播對土壤鹽漬化的影響

李 昂, 曹素珍, 李 雪, 李昌明, 韓凡香, 吳應珍, 葛承暄

(1.蘭州城市學院 地理與環境工程學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省礦區污染治理與生態修復工程研究中心,甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅農業大學 馬克思主義學院, 甘肅 蘭州 730070; 4.甘肅省耕地質量建設保護總站, 甘肅 蘭州 730000)

我國西北地區干旱少雨，植被稀疏，冬、春季多風，致使耕地表土粗化、肥力下降，“資源—人口—環境問題”日益嚴重[1-4]。為改善生產條件，甘肅省陸續在黃河及支流建成多處提灌工程，取得了顯著的經濟和社會效益[5-6]。由于地理位置和資金限制，這些灌溉工程運行數年后相繼出現土壤鹽堿問題[6-8]；另外，由于大量施用化肥和很少進行農田生態保育，耕地質量日愈下降，加之投入產出效益低，近年來撂荒耕地現象愈來愈嚴重[9]。這不僅影響該區農業綜合生產能力，而且也嚴重威脅區域生態安全[10]。甘肅灌區農業屬一年一熟制度，耕地每年有近7個月休閑裸露，農業種植模式和耕作措施選擇不當極易造成農田風蝕和鹽堿危害[6,10]。盡管水利工程措施治理土壤鹽堿已取得顯著成效，但在西北地區采取灌水洗鹽不僅耗水多、費用高，而且淋洗時將會使土壤中鹽離子和植物生長必需元素同時排走，加重下游地區鹽堿危害[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，種植牧草不僅能預防土壤風蝕[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，對植被和土壤鹽分變化動態及其定量關系也鮮有文獻報道。生態學理論認為物種豐富群落可充分利用環境資源，進而提高群落生產力[17]。彭紅春等[18]研究發現，混播牧草可提高植被的蓋度和產量，降低土壤水分蒸發和鹽含量。李海英等[19]研究發現，燕麥/苜蓿混播不僅能增加植被蓋度，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。 Bhardwaj等[20]研究5種土地利用方式發現，土壤鹽漬度和堿化度隨植被蓋度的提高而降低。Xia等[21]研究發現，樹—灌—草混播不僅能防治土壤鹽堿，而且還能提高土壤養分和微生物量。為此，本文以甘肅秦王川灌區種植春播作物和多年生豆禾混播牧草地為研究對象，通過測定和分析植被和土壤鹽分變化動態及定量關系，探尋種植牧草防治土壤鹽漬化內在機理，為甘肅沿黃灌區利用“糧草輪作”方式防治耕地次生鹽漬化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

秦王川灌區位于甘肅省永登縣秦王川盆地(地理坐標為36°26′—36°47′N，103°30′—103°45′E)，海拔1 700～2 300 m，地勢呈北高南低，全年日照時數2 669 h，平均無霜期150 d，年均溫度6.2 ℃，≥0 ℃活動積溫2 893 ℃，≥10 ℃活動積溫2 227 ℃，年均降雨287 mm，主要集中于7月末至9月初，而蒸發量高達1 888 mm，春季平均風速2.5 m/s，最大風速達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]。該區土壤類型以灰鈣土為主，局部有鹽土和黃綿土，土壤質地為粉砂壤土，<0.1 mm細顆粒約占總量88%，土壤容重1.29～1.47 g/cm3[10,22]。自20世紀90年代“引大入秦”灌溉工程運行以來，由于種植作物生育期較短，澆水采取漫灌，加之日照強烈、水分蒸發量大，運行數年后灌區北部表土電導率為460 μS/cm，中部為864 μS/cm，南部達3 410 μS/cm，近30%面積耕地受到鹽堿威脅[6]。另外，因土壤質量差、產出效益低，近年來撂荒耕地現象日趨嚴重[9]。

1.2 試驗設計、田間管理和測定

為探究種植春播作物和牧草對農田土壤鹽分影響及避免地下水影響，試驗選址灌區北部上川鎮下古山村(海拔1 950 m，103 °33′E，36 °45′N)。設裸地(CK)、單播小麥(Triticumaestivum)、混播披堿草/苜蓿(Elymusnutans×Medicagosativa)3個處理，隨機區組排列，重復4次，共12個小區。小區面積6 m×4 m，間距0.5 m。試驗地前茬作物為油菜。為減少外部因素影響，各處理試驗期間均不施肥。2016年春季在設定小區內條播小麥和牧草(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。試驗期間人工清除雜草，并分別于5月、6月對所有小區各灌水1次；7月末收獲小麥(留茬高度與當地機收(10 cm)一致)，根據牧草長勢(≥80 cm)適時刈割，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。試驗期內定期測定植被的蓋度、高度和生物量[8,13]，并于11—13時在播種行間用照度計(VICTOR 1010A)和溫度計(Delta Trak 11063)測定地表光照強度和土壤溫度(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定，土壤含鹽量用電導法測定。

1.3 數據處理

用Excel軟件匯總數據，用SPSS統計軟件中單因素方差法分析處理間差異，Duncan法進行多重比較，Pearson法分析指標間相關性，并用雙尾檢驗其顯著性。

2 結果與分析

2.1 地表植被動態變化

種植當年(圖1)，盡管牧草和小麥同時播種，小麥幼苗生長較牧草快，5月小麥的蓋度、高度和生物量均較披堿草/苜蓿混播牧草高；7月小麥收獲前，小麥僅地表生物量高于牧草，而蓋度和高度均較牧草低；小麥收獲后至秋末(10月)，該區秋季降雨較多，牧草在雨水澆灌下繼續生長，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，春季萌發早，3—7月牧草的植被特征指標均較小麥高(夏末牧草的高度和生物量較小麥低為刈割所致)；小麥收獲后至秋末，牧草和小麥的植被變化趨勢與第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。

注：不同小寫字母表示同一時間不同處理差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 地表微環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境[8,24]。種植當年3—5月(圖2)，由于植被量少、對地表影響有限，不同處理的地表光照強度、土壤溫度和0—5 cm土層含水率差異均不顯著；7月，小麥和牧草植被對地表產生顯著影響，其地表光照強度和土壤溫度均顯著低于裸地，土壤含水率高于裸地；小麥收獲后至秋末，牧草植被量大于小麥根茬量，其地表光照強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，故其地表光照強度和土壤溫度較小麥地低，土壤含水率正好相反；對于小麥地，3月與裸地類似，隨著小麥生長，其地表光照強度、土壤溫度和含水率與裸地間差異變大；夏末小麥收獲后至秋末，牧草植被最大，故其地表光照強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 研究區地表微環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]。就本試驗而言，因樣地位于同一地塊，每年5，6月又同時澆水灌溉，故不同處理同一時間測得土壤鹽分差異僅為植被覆蓋影響結果。就裸地而言(圖3)，試驗開始(3月)時表土含鹽量較高、為3.14 g/kg，隨時間推移，在降雨、灌水淋溶脫鹽和日照蒸發積鹽共同作用下，5月降為2.18 g/kg；夏季日照增強、水分蒸發加劇，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，強日照使土壤水分大量蒸發，10月表土鹽含量升至2.53 g/kg；秋末至翌年3月，該區雨雪稀少，日照強烈，使表土鹽含量繼續升至3.88 g/kg，隨后變化趨勢與第一年類似。由上可知，裸地表土鹽含量全年呈W形變化趨勢。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地表遮蔽作用增強，7月降為1.15 g/kg；小麥收獲后在秋雨作用下，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，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0-5 cm土壤鹽含量變化動態

2.4 相關及回歸分析

以表土鹽含量最高3月數據為例，進一步定量分析植被對土壤鹽含量影響效果。相關分析顯示(表1)，植被的蓋度、高度和生物量間呈極顯著正相關(p<0.01)，其中高度與生物量間相關性最強、達0.926，其次為蓋度與生物量(r=0.878)；植被特征指標與地表光照強度和土壤溫度均間呈極顯著負相關，與表土鹽含量間呈極顯著負相關，相關系數r大小順序為：蓋度(-0.916)>生物量(-0.834)>高度(-0.687)，而與土壤含水率間相關性較弱；表土鹽含量與地表光照強度和土壤溫度間呈極顯著正相關，與土壤含水率間呈負相關。進一步回歸分析顯示(表2)，當植被的蓋度提高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 不同因素間相關關系

表2 土壤鹽含量與植被特征指標間數量關系

3 討 論

土壤作為農業生態系統的物質基礎，承載作物生長、決定農業生產力高低。土壤質量下降不僅降低了農田生產能力，而且還影響周邊區域生態環境[26-27]。秦王川灌區自運行以來，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，加之日照強烈，耕地近7個月裸露休閑，大量水分蒸發致使近1/3面積農田受到鹽堿威脅[6,10]。另外，過量施用化肥及很少使用有機肥造成耕地質量下降，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量(如肥力)，迫切需要盡快采取生物措施(如種植牧草)進行農田生態保育。

秦王川灌區耕地撂荒、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2 a試驗結果，該區春播時表土鹽分較高，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，地表光照強度和土壤溫度降低，水分蒸發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]；小麥收獲后秋雨淋溶使表土鹽分仍保持較低水平；秋末降雨停止，強日照造成大量水分蒸發，表土鹽分快速升高，全年表土鹽含量呈U形動態變化。就裸地而言，不僅初春和秋末存在兩個高峰，夏末強日照期間也存在一高峰期，全年呈W形動態變化。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，強日照加之雨雪稀少和耕地休閑，土壤水分蒸發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%。對比2 a 3月情況發現，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，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。相關研究顯示，秦王川灌區運行數年后近1/3面積耕地受到鹽堿威脅，也間接印證了上述結論[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(圖3)，全年最高鹽分均出現在春季。其原因可能是秋末至翌年春季，該區土壤裸露時間長、降雨雪稀少，加之日照強烈，土壤水分大量蒸發所致。據此，秦王川灌區在防治土壤鹽堿時，應重點關注秋末至翌年春季階段地表覆蓋狀況，而以往相關研究卻鮮有文獻報道這段時間耕地鹽分變化。

種植牧草降低表土鹽含量機理是隨著牧草植被增加，通過遮蔽對地表微環境產生顯著影響[8,11,18,24-25]，即植被覆蓋通過降低地表光照強度和土壤溫度，減弱土壤水分蒸發(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。相關分析顯示植被特征指標與地表光照強度、土壤溫度和土壤鹽含量間呈負相關，與土壤含水率呈正相關，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，也進一步明確了植被增加量與土壤鹽分降低間的定量關系。

4 結 論

(1) 秦王川灌區耕地撂荒、種植春小麥和披堿草/苜蓿混播牧草后，表土鹽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形變化動態，初春、夏末和秋末出現3個高峰期；種植春小麥地呈U形變化趨勢，高峰出現在初春和秋末；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%；對比連續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) 植被特征指標與表土鹽含量間呈極顯著負相關，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土壤鹽漬化危害，而種植多年生披堿草/苜蓿混播牧草可降低耕地表土鹽含量和預防土壤發生次生鹽漬化。