秦王川灌区种植披碱草和小麦对耕地盐碱的影响
2018-01-24李昂吴应珍葛承暄
李昂 吴应珍 葛承暄
摘要：实验以小麦（Triticum aestituum）和披碱草（Elymus dahuricus Turcz.）及其下部土壤为研究对象，通过测定植被的盖度、高度、地上生物量及其下部土壤的水、盐含量等指标，探究了秦王川灌区种植小麦和披碱草对耕地盐碱的影响差异。结果表明：当耕地种植小麦和披碱草后，其地表光照强度、温度和土壤表层（0～5 cm）盐含量均显著低于裸地，而地表湿度和土壤表层含水率正好相反，均显著高于裸地（p<0.05）。小麦收获前，种植小麦和披碱草耕地表层盐含量较裸地分别降低近57%和42%;秋末，种植披碱草耕地表层的盐分依然较裸地降低近44%，而原种植小麦地的土壤表层盐含量却较裸地升高了18%。综合以上，秦王川灌区种植春小麦因生育期较短易引发土壤盐碱危害，而种植披碱草可全年覆盖耕地地表，从而可降低耕地发生次生盐渍化的风险。
关键词：秦王川灌区;次生盐渍化;植被覆盖;农田生态保育
中图分类号：X53
文献标识码：A
文章编号：1674-9944（2018）4-0008-04
1 引言
甘肃省的秦王川灌区太阳辐射强烈、干旱少雨，对农作物的定期灌溉就成了该区农业可持续发展的重要保障[1]。然而，由于不合理的灌溉方式和农事活动，致使该灌区耕地盐渍化面积占到总面积的1/3以上，并还有进一步扩大趋势[2，3]。为降低盐碱危害，当地农民常采取灌水洗盐方式来降低土壤盐分。这不仅浪费水资源、流失土壤肥力[4]，而且还加重了下游农田盐碱危害。盐碱地的改良不仅要排除土壤盐分，更为重要的是培肥土壤。鉴于此，盐碱地的生物治理受到广泛关注。如蔺海明等研究發现[5]，种植毛苕子可降低耕地0～20 cm土层中88%的盐分。彭红春等研究发现[6]，建植混播人工草地不仅能提高盐碱地的植被盖度和地上生物量，而且还能显著降低土壤表层盐分。李昂等在西北干旱区的酒泉研究时发现[7]，种植多年生甘草不仅能提高耕地表层土壤水分含量，而且还能将土壤表层盐含量降低85%。
由于农业劳动强度大、收入低，秦王川灌区农民大多只利用耕地，很少进行农田保育，致使土壤盐碱加重、肥力降低问题日趋严重;再加上农村青壮年大都外出打工，从事农业的劳动力越来越少，越来越多的耕地被弃耕撂荒[8]。党的“十九大”报告明确提出要着力解决突出环境问题，扩大耕地轮作休耕、健全耕地草原等休养生息制度。披碱草（Elymus dahuricus Turcz.）作为一种优质高产牧草，具有耐旱、耐寒、耐盐碱和耐风沙等优点，广泛分布于中国东北、内蒙古、河北、陕西、甘肃、宁夏、青海等省区。鉴于秦王川农村的现实状况，为了提高秦王川灌区耕地可持续生产力，实现“藏粮于田”和党的“十九大”提出的加强生态环境保护的战略定位，本文实验通过测定地表微环境的相关指标和土壤水、盐含量，来分析种植春小麦和披碱草对土壤盐碱的影响差异，为秦王川灌区及西北干旱灌区采取草田轮作预防土壤盐渍化和提高土壤肥力提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 实验设计及测定
实验设在秦王川灌区北部的上川镇下古山村（103°33′E，36°45′N，海拔1950 m），这里土壤以灰钙土为主，气温年均5.8℃，降雨年均284.4 mm，蒸发量年均高达1888 mm，为典型干旱大陆性气候[9-11]。实验以小麦和披碱草为供试材料，设小麦、披碱草、裸地（CK）3个处理。每个处理均重复4次，随机区组排列，共计12小区。小区面积4m×6m，小区间隔为0.5 m。小麦播量为30 g/m2，披碱草播量为3 g/m2。2016年3月中旬平整土地播种，行播间距20 cm，播种深度为3 cm。根据小麦田间管理要求，于5月10日和6月10日对实验地灌水两次，7月25日收获小麦。根据披碱草长势于7月25日、9月15日刈割牧草，10月15日收获披碱草完成当年实验。
实验期间定期对小麦和披碱草的盖度、高度和生物量进行测定[12]，同时也测定了每个处理的地表光照强度、温度和湿度。地上部分测定完后，用土钻钻取不同处理土样，并带回室内按相关文献规定进行水分和盐分测定[13]。
2.2 数据处理
数据采用Excel和SPSS软件进行作图和处理，文中各指标进行单因素方差分析，并进行多重比较[14]。
3 结果与分析
3.1 植物生长比较
植物地上部分是其生态功能发挥的前提和基础。就植物盖度而言（图la），7月10日小麦收获前，小麦盖度为82.5%，披碱草盖度较小麦高21%;小麦收获后其地表盖度降为0，而此时正值西北多雨季节，披碱草在降雨的滋润下继续生长，尽管期间进行了两次刈割，至实验截止时（10月15日）盖度仍上升至82.5%。就植物高度而言（图lb），7月10日测定时小麦高度为84.3cm，披碱草为105 cm，较小麦高25%;实验截止时，小麦因收获高度降为0，披碱草尽管刈割两次，仍长至24cm高度。就地上生物量而言（图lc），小麦收获前地上生物量约2 kg/m2，而披碱草仅为1.2 kg/m2，小麦比披碱草生物量高约67%。综合以上，小麦收获前（7月10日），披碱草的盖度、高度均大于小麦，而地上生物量正好相反;实验截止（10月15日）时，因小麦已收获其特征指标均降为0，而披碱草植被的特征指标均比小麦高。
3.2 地表微环境相关指标比较
耕地地表微环境受地上植被影响。2016年3月26日实验初期（图2a），裸地、小麦地和披碱草地的地表光照强度约为59.5 klux，三者间差异不显著;随着植被生长，它们之间的差异变得非常显著，至7月10日测定时，裸地的地表光照强度最高、达76 klux，而小麦地和披碱草地分别为26.5klux和18.9 klux;至10月15日实验截止时，因小麦收获其地表裸露类似于裸地，故小麦地与裸地光照强度一致，而披碱草地因有披碱草植被覆盖，其地表光照强度仅为25.6klux，明显小于裸地和原小麦地。就地表温度而言（图2b），其变化趋势与光照强度类似，小麦收获前（7月10日），小麦和披碱草地的地表温度均小于裸地。至实验截止时，小麦地和裸地温度基本一致，且均显著大于披碱草地的地表温度。就地表湿度而言（图2c），其变化正好相反，小麦收获前，小麦地和披碱草地的湿度相近，且均显著大于裸地;至实验截止时，裸地和小麦地的地表湿度相近，而披碱草地的地表湿度显著大于原小麦地和裸地。
3.3 耕地0～5 cm土层水、盐含量比较
耕地种植小麦和披碱草后对土壤表层水、盐含量有显著影响。2016年3月实验初期（图3a），裸地、小麦地和披碱草地的土壤含水率约为16.6%，三者间差异不显著;小麦收获前，裸地地表的含水率为10%，小麦和披碱草地的土壤含水率分别为11.4%和11.6%，分别比裸地提高14%和16%;实验截止时，小麦地与裸地类似、土壤含水率相近约为8.2%，而披碱草地为9.5%，比裸地提高约18%。就土壤盐含量而言（图3b），实验初期，三者间盐含量相近，均在330 μs/cm左右;至7月10日时，裸地土壤表层的盐含量为282.2 μs/cm，小麦和披碱草地分别为122.7 μs/cm和164.2μs/cm，分别比裸地降低近57%和42%，方差分析差异显著;至实验截止时，小麦地因裸露类似于裸地，其0～5 cm土层可溶性盐分含量最高、达319.3 μs/cm，其次为裸地、为269.5μs/cm，披碱草地最低、仅为150.6 μs/cm，种植披碱草的地表盐含量较裸地降低近44%，而原种植小麦的土壤表层盐分较裸地高近18%，方差分析它们差异显著。
4 讨论和结论
作为作物生长物质基础的土壤，其质量的好坏将直接影响耕地农产品产量和质量[15]。甘肃省耗资巨大的“引大入秦”工程自建成通水以来，由于存在灌排设施不配套，灌水时又多采取大水漫灌方式，加之种植的春播作物生育期较短，致使该灌区近1/3农田受到土壤盐碱威胁[8]。土壤积盐规律是：盐随水来，水去盐留[16]。以往研究发现，农田种植作物后可降低耕地积盐速度;其缘由是农作物覆盖农田后，地上植被减弱了土壤水分的自然蒸发，相应减少了随水上移到土壤表层的盐分，从而降低了土壤表层的积盐速度[17，18]。
从本实验也可清楚地看出，对于种植小麦和披碱草耕地而言，小麦收获前，小麦和披碱草地的地表光照强度、温度均低于裸地，而地表湿度均高于裸地;对比披碱草和小麦覆盖的耕地，披碱草地的地表光照强度低于小麦地（图2）。这主要是耕地种植作物或牧草后，在植被的遮蔽作用下，太阳光穿过植物地上部分后光强减弱，从而使得植被覆盖区域地表的光照强度明显低于裸地;由于地表光照强度减弱，阳光传递到地表的热量相应减少，加之地表植被增大了空气流动的阻力，从而使得植被覆盖区的地表温度降低、湿度增加;对于小麦地和披碱草地而言，由于披碱草地上部分盖度显著大于小麦（图1），其遮蔽作用明显强于小麦，故披碱草地的地表日照强度低于小麦地。小麦收获后，由于小麦地类似于裸地，故其地表的光照强度、温度和湿度与裸地相近;而披碱草在秋季降雨的作用下继续生长，故其光照强度和温度均显著低于裸地和原小麦地，而地表湿度正好相反、显著高于裸地和原小麦地。
从土壤水、盐测定结果（7月10日，图3）也可看出，植被覆盖区的土壤含水率明显高于裸地，而土壤盐含量正好相反、明显低于裸地。这主要是由于当植被覆盖地表后，太阳照射到地表的光强减弱，地表温度降低、湿度提高，土壤水分自然蒸发减弱，从而使得植被覆盖区的地表含水率显著大于裸地。对于土壤表层盐分而言，其主要来自于：溶解于土壤水中的盐分通过毛细管作用随水上移到土壤表层，水分蒸发、盐分留存于土壤表层[16]。由于植被覆盖区的地表湿度和土壤含水率均较裸地高，说明植被覆盖区域的地表水分自然蒸发速度较裸地慢，故其表层积聚的盐分也较裸地少。本实验小麦收获前小麦和披碱草地表层盐含量分别比裸地降低近57%和42%也验证了以上结论的正确性。当小麦收获后，小麦地与裸地类似，加之此时西北正值高温季节，从而使得小麦地的表层盐含量也与裸地类似呈显著提高趋势;而在披碱草植被的覆盖作用下，披碱草地表层土壤的含水率较裸地高，说明披碱草地的土壤水分自然蒸发较裸地低，从而使得随水上移到土壤表层的盐分也显著低于裸地。据李发明等[15]和魏晓斌等[19]研究显示，当苜蓿种植年限增加时，其土壤中的水溶性盐含量呈总体下降趋势。尽管本实验只做了一年的实验，但从测得的结果中可以清楚地看出种植披碱草后可降低土壤表层盐分达44%。再结合魏晓斌等[19]的研究成果完全可以推断出：种植披碱草可降低土壤表层盐分的结论是正确的;而且，随着披碱草种植年份的增加，这种降低土壤表层盐分的趋势将变得更加显著。
另外，从10月15日盐含量测定结果中还可看出，尽管秋末小麦地与裸地类似，但小麦地的表层土壤盐含量明显高于裸地（原小麦地土壤表层盐含量较裸地高18%）。这主要是由于小麦在生长期需消耗大量的水分，小麦根部有选择地吸收了水分，而水中的盐分被截留于距地表20 cm左右的土壤中;当小麦收获后，此时正值高温季节，土壤裸露、水分蒸发速度加快，导致小麦地土体中的盐分快速上移到地表，从而使得小麦地表的盐分累积速度比裸地还高，这一结果也与李昂等‘17]的研究结论相一致。
综合以上，当秦王川灌区种植春小麦等春播作物后，由于作物生长期相对较短，易引发土壤发生次生盐渍化问题;而种植披碱草等生长期较长的牧草，由于地表植被覆盖了整个生长季节，故可降低耕地发生盐渍化的风险。为了降低秦王川灌区耕地盐碱危害和改善耕地质量，该区应大力提倡推广草（披碱草）田（作物）轮作的种植模式。
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