覆沙對松嫩平原鹽堿裸地的改良和利用效果研究

胡 娟，周道瑋，關勝超，張 丹

（1中國科學院東北地理與農業生態研究所/黑土區農業生態重點實驗室/吉林省草地畜牧重點實驗室，長春130102；2通化師范學院生命科學學院，吉林通化134000；3長春大學園林學院，長春130102）

0 引言

受地理位置、土壤母質、土壤凍融、土壤水分、風沙運移等自然因素以及不合理放牧、不恰當的農業、經濟政策等人類因素影響[1]，松嫩平原南部的草甸發生鹽堿化，形成荒蕪廢棄的鹽堿化土地[2]。導致農田產量下降，草地生產力降低，嚴重制約當地農牧業可持續發展[3-4]。

土壤水分蒸發引起的土壤鹽分表聚是土壤次生鹽堿化形成的重要原因之一。許多研究報道沙土可以增加土壤透水性，減少水分蒸發，促進深層排水并增加脫鹽區域[5-6]。沙地土壤具有含鹽量低，結構疏松的性狀[7]，在立地鹽堿土上覆蓋風沙土限制下層鹽堿土的鹽分向上移動，可以起到“沙壓堿”的作用。有研究表明，在鹽堿地上覆沙，沙土和鹽堿土可能在一定程度上發生混合，混合后的土壤鹽分含量低于混合前的鹽堿土，也可以用來發展耕作[2]。在荒廢的鹽堿土地上實行覆沙造旱田，提高農作物和飼草生產力，對抑制土壤鹽堿化，改善區域生態環境，維護區域經濟及畜牧業可持續發展具有重要意義[8-10]。松嫩平原屬半干旱氣候，土地鹽堿化和沙漠化現象非常嚴重。松嫩平原南部的鹽堿地和沙地交錯分布[11]，這為“覆沙改良鹽堿地”和“覆沙造旱田”提供了有利條件[2]。

有關覆沙的研究大多集中于保持土壤水分方面[12-13]，覆沙改良及利用鹽堿地的研究較少，而不同覆沙厚度以及覆沙后種植作物對鹽堿地改良和利用缺少科學研究。本研究在荒廢的鹽堿化土地上進行不同厚度覆沙并種植農作物和飼草，探究不同覆沙厚度對鹽堿地改良及覆沙造旱田的利用效果，以期為覆沙改良及利用松嫩平原鹽堿地提供理論基礎和事實依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地位于中國科學院長嶺草地農牧生態研究站(44°33′N，123°31′E)，地處松嫩平原南部農牧交錯區，區內地勢平坦，以低平原為主，有帶狀沙丘分布，平均海拔145 m。該地區屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，年降水量為427 mm，且70%集中在6—9月。年蒸發量為1600 mm。年均氣溫為5.9℃，無霜期140天，＞10℃有效積溫為2900～3000℃。土壤類型為草甸鹽堿土，pH 7.5～10.5。

1.2 試驗設計

于2010年布置試驗，采用隨機區組-裂區設計方法。在研究區域內選擇不能生長植被的重度鹽堿化土地進行覆沙試驗，分別設置10、20、30、40 cm不同覆沙厚度處理，分別記為T10、T20、T30、T40，每處理5次重復。小區面積10×35 m2，小區間隔10 m。每處理進行裂區設計隨機種植玉米、向日葵、紫花苜蓿、黃花草木樨，并以自然生長為對照，共20個處理，100個小區，小區面積10×7 m2。沙土和鹽堿土酸堿度分別為pH 8.95和pH 10.39，電導率分別為78.3 μS/cm和621.3 μS/cm，有機質分別為7.3 g/kg和6.6 g/kg。實驗地鹽堿土0～60 cm土層土壤pH和電導率見表1。

表1 實驗地0～60 cm土層土壤pH和電導率

2012年和2013年5月初種植玉米，行距和株距45cm；5月下旬種植向日葵，行距100 cm，株距65 cm；2012年4月種植紫花苜蓿，行距43 cm，2013年5月初補苗；2011年8月中旬種植黃花草木樨，行距43 m。播種方式均采用平播，播種前在穴或溝內澆足水。每年基施磷酸二胺25 g/m2，追施尿素25 g/m2。采用人工方法控制雜草和害蟲。秋季收獲后將枯落物和秸稈等植物殘體保留在田內。

1.3 樣品采集及指標測定

每年5月至9月在自然生長小區采集土壤樣品。每 15 天一次，取樣深度 0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm。采用烘干法測定土壤含水量。每年9月末在所有小區采集土壤樣品，取樣深度如上。采用pHS-3C型pH計和DDS-307型電導儀測定pH和電導率，水土比為5:1。

每年9月下旬在玉米和向日葵小區隨機選取15株，測量株高，收集地上部莖葉和籽粒，并采用挖掘法完整取出根系。用籽粒重量折算產量。每年7月末紫花苜蓿第1次收割，每小區隨機選取0.43 m×1 m區域，收割地上部，并做好取樣點標記；每年10月第2次收割，同時采用挖掘法取0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm土層土壤樣品。將每層土壤樣品帶回室內用水沖洗，挑出各層所有根系。每年9月中旬每小區隨機選取0.43 m×1 m樣方齊地面收割黃花草木樨，并挖取0～30 cm土層根系。地上部、根系及籽粒于65℃烘干至恒重并稱重。

1.4 數據分析

采用Excel 2017統計所有數據；采用SPSS 16.0軟件進行LSD多重比較；采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 覆沙對土壤含水量的影響

由圖1可以看出，生長季內土壤含水量(SWCs)隨降水而發生變化。降水發生時各覆沙處理SWCs增加，處理間差異減小；降水后SWCs下降，處理間差異增大。2012年SWCs從6月11日至8月13日持續增加，并在9月13日有較高的SWCs。2013年SWCs在7月15日和8月30日有2個明顯的峰值。

圖1 2012—2013年不同覆沙厚度土壤含水量在生長季內的動態變化

由表2可以看出，覆沙處理SWCs隨沙土深度的增加而增加，隨鹽堿土深度的增加有降低趨勢。2012年和2013年T10處理10～20 cm土層SWCs較0～10 cm土層高33.1%和36.5%，說明在鹽堿土表層有較高的含水量。2012年覆沙20 cm以上鹽堿土表層SWCs與沙土最底層沒有明顯差異，而2013年高于沙土最底層，T20處理高22.6%，最為明顯。不同覆沙厚度鹽堿土表層SWCs表現為T10＞T20＞T30＞T40，并且同一土層SWCs也隨覆沙厚度的增加而降低。2012年和2013年T10處理鹽堿土表層SWCs較T20處理高25.56%和26.12%；T20處理較T30處理高34.19%和12.62%；T30處理較T40處理高10.70%和15.54%。

表2 2012—2013年不同覆沙厚度SWCs在0～60 cm土層的變化 %

2.2 覆沙對土壤pH與電導率的影響

由圖2可以看出，覆沙處理土壤pH隨沙土深度的增加而增加，隨鹽堿土深度的增加變化不明顯，且沙土層pH顯著低于鹽堿土層。2013年T10處理0～10 cm土層pH較10～20 cm低3.91%；T20和T30處理最底層沙土pH較鹽堿土表層分別低4.19%和2.35%；而T40處理僅低0.78%。0～20 cm沙土層pH隨覆沙厚度的增加而降低，2013年0～10 cm土層T20處理土壤pH較T10處理低3.55%；10～20 cm土層T30處理較T20處理低3.91%。2013年20～30 cm土層T40處理與T30處理土壤pH沒有明顯差異。

圖2 2012—2013年不同覆沙厚度土壤pH和電導率在0～60 cm土層的變化

覆沙處理明顯降低了表層鹽堿土的電導率，2012年和2013年分別由初始的621 μS/cm降低至389～466 μS/cm和413～594 μS/cm。覆沙處理土壤電導率隨沙土深度的增加而增加，沙土層電導率顯著低于鹽堿土層，且表層鹽堿土電導率顯著低于下層鹽堿土。2013年T10處理0～10 cm土層電導率較10～20 cm低57.79%；T20、T30和T40處理最底層沙土電導率較鹽堿土表層分別低42.54%、43.74%和21.06%，且顯著高于其他沙土層。同一土層電導率隨覆沙厚度的增加有降低的變化趨勢，在0～30 cm土層變化更明顯。2013年0～10 cm土層，T20處理電導率較T10處理低34.85%；10～20 cm 土層，T30處理較 T20處理低90.84%；20～30 cm 土層，T40處理較 T30處理低32.82%。

2.3 覆沙后種植農作物和飼草對沙土層土壤pH與電導率的影響

由圖3可以看出，不同覆沙厚度種植農作物和飼草沙土層pH和電導率有明顯差異。覆沙20 cm以上種植紫花苜蓿以及覆沙30 cm以上種植黃花草木樨明顯降低沙土層pH和電導率。2012年和2013年T30處理沙土層電導率分別降低23.1%和43.5%。覆沙20 cm以上種植玉米和向日葵沙土層pH和電導率略有增加，但差異不顯著。

圖3 2012—2013年不同覆沙厚度種植農作物和飼草沙土層土壤pH與電導率的變化

2.4 覆沙對農作物和飼草生長的影響

2.4.1 覆沙對玉米生長的影響 由圖4可以看出，2012年和2013年覆沙20 cm以上玉米的株高、地上部干重、根干重及產量顯著高于覆沙10 cm。產量隨覆沙厚度的增加而增加。2012年T20、T30和T40處理產量較T10處理分別高204.8%、298.5%和372.3%，但處理間差異不顯著；2013年分別高196.0%、291.6%和329.5%，T40處理較T30處理高9.7%，未達顯著差異，但均顯著高于T20處理。與2012年相比，2013年覆沙處理各項生長指標及產量均有所提高。

圖4 2012—2013年不同覆沙厚度對玉米生長的影響

2.4.2 覆沙對向日葵生長的影響 由圖5可以看出，2012年T40處理地上部干重和根干重顯著高于其他覆沙處理，T40處理產量較T30處理高51.2%，未達顯著差異，但均顯著高于T10和T20處理。2013年T40處理株高、地上部干重及產量較T30處理分別高4.7%、23.5%和5.5%，未達顯著水平，但均顯著高于T10和T20處理。與2012年相比，2013年覆沙處理明顯提高了地上部干重和根干重，但株高和產量增加不明顯，甚至2013年T40處理產量有所下降。

圖5 2012—2013年不同覆沙厚度對向日葵生長的影響

2.4.3 覆沙對紫花苜蓿生長的影響 由圖6可以看出，2012年和2013年T20、T30和T40處理產量顯著高于T10處理。2012年T30處理產量較T20和T40處理分別高30.8%和10.2%，但均未達顯著差異。2013年各覆沙處理產量較2012年有明顯提高。

圖6 2012—2013年不同覆沙厚度對紫花苜蓿生長的影響

0～60 cm土層紫花苜蓿總根生物量表現為T30＞T20＞T40＞T10，2012年和2013年T30處理總根生物量較T20處理分別顯著高10.7%和55.9%。隨土層深度的增加根生物量有降低的趨勢，但不同覆沙厚度處理根系在不同土層中的分布有明顯差異。T10處理根系主要分布在0～10 cm，2013年占總根生物量的78.5%，是10～20 cm根生物量的6.4倍。T20和T30處理根系主要分布在0～20 cm，2013分別占總根生物量的75.1%和81.5%。T40處理根系主要分布在0～30 cm，2013年占總根生物量的90.5%。

2.4.4 覆沙對黃花草木樨生長的影響 圖7表明，2012年產量和根生物量隨覆沙厚度的增加沒有明顯變化。2013年覆沙20 cm以上產量和根生物量顯著高于覆沙10 cm，但T20、T30和T40處理間差異不顯著。與2012年相比，2013年產量明顯增加，但根生物量有所下降。

圖7 2012—2013年不同覆沙厚度對黃花草木樨生長的影響

2.5 覆沙處理和年份的雙因素方差分析

由表3可以看出，覆沙厚度、實驗年份及其交互作用是影響SWCs、pH、電導率以及農作物和飼草產量的主要因素。覆沙厚度顯著影響SWCs(P＜0.01)、玉米產量(P＜0.01)、向日葵產量(P＜0.01)和紫花苜蓿產量(P＜0.05)。年份顯著影響土壤含水量(P＜0.01)、pH(P＜0.01)、電導率(P＜0.05)及玉米、紫花苜蓿、黃花草木樨產量(P＜0.01)。覆沙厚度與年份的交互作用顯著影響pH(P＜0.01)、EC(P＜0.01)和向日葵產量(P＜0.05)。

表3 覆沙厚度、年份及其交互作用對SWCs、pH、EC以及農作物和飼草產量的方差分析

3 結論

不同覆沙厚度不同程度降低表層鹽堿土電導率，對鹽堿地具有一定的改良作用。不同覆沙厚度0～60 cm土層土壤含水量、pH和電導率存在明顯差異，均表現為在沙土層明顯低于鹽堿土層，且隨沙土深度的增加而增加，同一沙土層隨覆沙厚度的增加而降低。在不同覆沙厚度上連續2年種植玉米和紫花苜蓿增產效果顯著，均推薦覆沙30 cm，且覆沙30 cm種植紫花苜蓿能明顯降低沙土層電導率。

4 討論

合理改造并利用鹽堿地是保證松嫩平原農作物和飼草生產可持續發展的關鍵。覆沙是改造和利用鹽堿地的重要途徑之一。研究發現，覆沙后土壤含水量在生長季內的變化受降水和蒸發的影響。降水發生時各覆沙處理土壤含水量增加，且處理間差異減小；之后各覆沙處理土壤含水量降低，且處理間差異逐漸增大，表現為覆沙10 cm和20 cm明顯高于覆沙30 cm和40 cm。這是因為覆沙厚的處理，沙土層所占的比例較大，沙土具有疏松的結構及較大的孔隙，保水性差，水分易下滲。在垂直方向上，覆沙處理土壤含水量隨沙土深度的增加而增加，隨鹽堿土深度的增加有降低趨勢，并且在沙土最底層或鹽堿土表層有較高的含水量。這是由于鹽堿土的透水性較沙土弱，當水分從沙土下滲至鹽堿土表層時，下滲受到阻礙而導致水分積累。同一土層土壤含水量隨覆沙厚度的增加而降低，如10～20 cm土層是覆沙10 cm的鹽堿土表層，具有較高的土壤含水量，是覆沙20、30、40 cm的沙土層，土壤含水量較低，且處理間無顯著差異。基于以上分析，土壤含水量在沙土層較低，而在沙土最底層或鹽堿土表層較高，因此，為了保證作物有充足的水分，又能減緩鹽分對其生長的限制，應當有適宜的覆沙厚度。覆沙過薄，植物根系主要分布在鹽堿土中，易受鹽分危害；覆沙過厚，植物根系主要分布在沙土中，可能受水分脅迫限制其生長。

土壤酸堿性是土壤化學性質的綜合反映[14]。電導率是反映植物受干旱脅迫下細胞膜透性的一個敏感指標[15]。覆沙處理土壤pH和電導率隨沙土深度的增加而增加，且沙土層顯著低于鹽堿土層。一方面沙土本身pH和電導率顯著低于鹽堿土；另一方面，沙土覆蓋在鹽堿土上，沙土較大的孔隙度減弱了土壤毛管的連通性，因而減緩鹽堿土中鹽分的上移，使沙土層維持低鹽的耕作層[2]。覆沙后土壤水分垂直變化表明，沙土層土壤含水量較低，在沙土表層至某一深層之間可能形成干土層。干土層土壤水分主要以氣態形式存在，無法攜帶鹽分運移[16]，這可能是覆沙阻礙返鹽的機理之一。研究還發現，覆沙20 cm以上最底層沙土的pH和電導率高于其他沙土層，表明覆沙后沙土最底部出現了鹽堿化現象。一方面是由于沙土層最底層與鹽堿土表面接觸，鹽分易隨水上升至此層；另一方面有可能是沙土底層與鹽堿土表層發生了某種程度的混合所致[2]。同一土層pH和電導率隨覆沙厚度的增加有降低的變化趨勢，這與土壤含水量的變化一致。

不同覆沙厚度種植農作物和飼草沙土層土壤pH和電導率有明顯差異。研究表明，與對照相比，覆沙20 cm以上種植紫花苜蓿和黃花草木樨明顯降低沙土層土壤pH和電導率，而覆沙20 cm以上種植玉米和向日葵沙土層土壤pH和電導率略有增加。本實驗對照處理即為不種植任何植物，自然生長的植物主要為狗尾草、細葉藜等一年生植物。紫花苜蓿和黃花草木樨覆蓋度最高，其次為對照，玉米和向日葵最低。種植玉米和向日葵，由于植株之間存在一定距離，地面有裸露，蒸發強烈，鹽分易上升，因而電導率也較高[17-19]。另外，紫花苜蓿和黃花草木樨屬于豆科牧草，其根系較深，能夠穿透并疏松土壤，并具有固氮功能，能促進微生物生長，進而改良土壤，降低土壤電導率。

在本實驗地區，土壤pH和電導率較高，大多數作物不能正常出苗，即使出苗成活率也非常低，而覆沙解決了這一問題。盡管沙土的pH也較高，但沙土的電導率和各種鹽離子含量卻顯著低于鹽堿土[2]。Bakker等報道了在鹽堿裸地上覆沙可以成功種植大麥[16]。2012年和2013年連續2年種植結果表明，覆沙后種植玉米、向日葵、紫花苜蓿及黃花草木樨均能較好生長。覆沙20 cm以上顯著提高玉米株高、地上部干重、根干重及產量。2012年和2013年覆沙40 cm玉米產量高于覆沙30 cm，未達顯著水平，但均顯著高于覆沙20 cm，故覆沙30 cm種植玉米有較好的效果。向日葵的株高、地上部干重、根干重及產量也隨覆沙厚度的增加而增加，但向日葵對覆沙厚度的響應較弱，只有當覆沙厚度較高時，各項生長指標及產量才表現出顯著的增加。這可能是因為向日葵屬于耐鹽堿作物[20]，有較強的耐鹽堿能力，對土壤含鹽量變化的響應可能較慢。向日葵對干旱比較敏感[21]，覆沙厚度增加引起的水分降低可能影響向日葵生長，而這種影響可能抵消覆沙增加引起鹽分降低對生長的促進作用。與2012年相比，2013年覆沙處理玉米產量有所增加，而向日葵產量增加不明顯，甚至在覆沙40 cm產量降低。這是由于本實驗在作物收獲后將秸稈殘體和枯落物保留在地表，一方面保護沙土免受風蝕以增加沙土使用年限，另一方面作為外源有機物料可為沙土輸入養分以提高土壤肥力，因而隨年限增長有增產的效果。但向日葵對土壤鉀的消耗量較大，連作會造成鉀元素缺乏，進而導致苗弱且易發生病害，造成產量下降[20]。另外，覆沙厚度對玉米的增產效果好于向日葵，因此推進種植玉米。

覆沙厚度對紫花苜蓿和黃花草木樨這兩種豆科牧草的生長也有顯著影響。覆沙30 cm紫花苜蓿產量最高，但與覆沙20、40 cm差異不顯著。苜蓿對水分的需求量很大，土壤水分的匱缺可能會抑制苜蓿的生長，降低苜蓿產量。紫花苜蓿0～60 cm土層總根生物量表現為T30＞T20＞T40＞T10，說明覆沙30 cm有利于紫花苜蓿根系生長，具有較好的水、鹽環境，種植效果最好。黃花草木樨的產量也隨覆沙厚度的增加而增加，但覆沙厚度對其產量的影響不顯著。這可能是由于黃花草木樨的耐鹽性較強[22]，對土壤鹽分變化反應不強烈。與2012年相比，2013年黃花草木樨產量明顯增加，而根生物量降低，這可能是因為黃花草木樨是二年生草本植物，第1年為營養生長，第2年為生殖生長，在第2年更多的將根生物量轉化為地上部產量。覆沙厚度對紫花苜蓿產量的提升效果好于黃花草木樨，苜蓿是多年生植物，具有更深更發達的根系，對于鹽堿土的改良效果優于黃花草木樨，推薦種植紫花苜蓿。