人工种植牧草对退化沙质草甸土养分性状的影响

郝良杰，包 翔 ，王明玖，王 燕

（内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古呼和浩特 010010）

草地是陆地生态系统的重要组成部分,在全球碳循环中发挥重要作用,不仅可以保持水土、防风固沙,还可以促进生态农业的建设,加快畜牧业及地区经济的快速发展,提高人民的生活水平[1-3]。草地退化是由于人为开垦、乱砍滥挖、家畜过度啃食与践踏或不利自然因素所导致的草地（包括植物及土壤）衰退；土壤肥力下降,土壤稳定性降低,生态环境遭到破坏,恢复功能减弱或失去恢复功能的过程[4]。土壤退化是影响草地退化的核心问题,包括土壤物理、化学和生物学性状的变化[5]。草地退化不仅影响着当地广大农牧民群众的生活水平和区域经济的发展,还会恶化生态环境,造成更为严重的荒漠化、沙化和水土流失[6]。

土壤为草地生态系统提供基础环境,而自然因素和人类生产活动都会对土壤退化和草地退化产生影响。由于过度放牧、气候变暖、严重鼠虫害等问题,使得植物群落发生了逆向演替,导致土壤严重退化[7]。土壤退化发生、发展的前提是土壤养分因子的变化。土壤主要养分指标有土壤有机质、氮、磷、钾等,有机质是土壤的重要组成部分,在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面有着极其重要的作用和意义,其变化状况可以指示土壤是否退化[8]。

科尔沁沙质草甸总面积约3 000 km2,其中退化面积占草甸总面积的80%以上,主要由过度放牧、开垦、乱砍滥挖等原因导致,表现为土壤沙化、土壤肥力下降、生产力低下、草品质低劣、鼠虫害时有发生,治理后产生“二次退化”的现象严重。草甸的退化,不仅对当地及区域生态产生了极大的负面影响,也使区域经济的可持续发展失去了根本依托,严重影响了农牧民的生计。在荒漠化研究过程中,人们总是注重于不同植被的恢复措施,而对地下土壤响应的关注度不高[9-11]。基于以上原因,笔者以退化沙质草甸土为研究对象,通过采取不同品种牧草的种植模式,探索土壤物理、化学及生物学性状的良性逆转,为该地区推广和种植牧草,发展人工草地提供科学依据,试图进一步揭示科尔沁沙质退化草甸土壤退化现状及恢复程度,旨在为该地区不同退化类型草甸植被的恢复与重建提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验区位于通辽市西北部的扎鲁特旗,《科尔沁沙质草甸草地退化治理技术与模式》课题的示范区内,地理位置为 121°11′37″E,44°21′48″N。海拔600～1 442 m,属中温带大陆性季风气候,年均日照时数2 882.7 h,年均气温5.8℃,年均降雨量387.6 mm,年均蒸发量1 800 mm以上[12]。地带性土壤以暗栗钙土为主,非地带性土壤类型有草甸土、盐土、碱土、沼泽土等。主要植被类型有茵陈蒿（Artemisia capillaries）、碱韭（Allium polyrhizum）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、羊草（Leymus chinensis）、达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）、碱地肤（Kochia scopariavar.sieversiana）、锋芒草（Tragus racemosus）。

1.2 试验设计与样品采集

土壤样品于2017年8月采自通辽市扎鲁特旗。选取具有原始理化性质的埋藏古土壤残余物作为原始对照（CK1）,以未进行牧草种植的封育样地作为现状对照（CK2）,设置了燕麦种植样地（Y）、一年苜蓿种植样地（M1）和两年苜蓿种植样地（M2）。选取半固定沙丘地进行多年生豆科植物苜蓿和一年生禾本科植物燕麦种植试验。2015年7月和2017年4月种植苜蓿（康赛+骑士T）,刈割3次/年,施复合肥,N-P-K为15-15-15,返青施肥150 kg/hm2,刈割施肥75 kg/hm2,共施肥4次/年,根据干旱情况,随喷灌圈实行水肥一体化。2015年7月种植燕麦（贝勒2号）,种植2茬/年,刈割2次/年,春种夏割,夏种秋割,种植初期施底肥磷酸二铵,225 kg/hm2,追肥用尿素,150 kg/hm2,根据干旱情况,随喷灌圈实行水肥一体化。通过“S”形布点,随机取样,每个样点3个重复,用土钻取土,取样深度为 0～20 cm、20～30 cm、30～50 cm,共3层,同层混合,采集土样带回实验室进行相关指标的测定。

1.3 测定项目及方法

数据处理采用Excel和SAS统计软件。

2 结果与分析

2.1 退化土壤养分的变化

2017年8月进行野外调查时发现该地区分布有埋藏古土壤残余物（图1）,根据其剖面形态特征的观察与理化性质的分析,发现其表层有机质含量高达22.11 g/kg,腐殖质层厚度可向下延伸至2 m左右,颜色仍保持较深的黑灰色。发现其不是现在成土作用的产物,而是在过去地质历史时期良好的水热条件和稳定的环境下发育的草甸土。埋藏古土壤残余物的发现有助于揭示该地区环境退化、沙化之前土壤的原始状态,它所蕴藏的原始属性对于阐明土壤退化程度具有很好的指示和背景值意义。因此,作为原始对照（CK1）。退化草甸土作为现状对照（CK2）。

图1 埋藏古土壤残余物

由图2可知,CK1与CK2比较,同层内有机质含量CK1均明显高于CK2。0～20 cm层有机质含量表现出显著差异（P＜0.05）。CK2的有机质含量在0～20 cm层降低了 40.03%,20～30 cm层降低了33.01%,30～50 cm层降低了18.88%。有机质含量呈现出减少的趋势。

图2 退化影响下土壤有机质含量变化

由图3可知,碱解氮含量同层内CK1均明显高于CK2。各层内碱解氮含量均表现出显著差异（P＜0.05）。CK2的碱解氮含量在0～20 cm层降低了64.93%,20～30 cm层降低了71.92%,30～50 cm层降低了74.72%。碱解氮含量呈现出减少的趋势。

图3 退化影响下土壤碱解氮含量变化

由图4可知,速效磷含量同层内CK1均明显高于CK2。各层内速效磷含量均表现出显著差异（P＜0.05）。CK2的速效磷含量在0～20 cm层降低了39.11%,20～30cm层降低了44.99%,30～50 cm层降低了58.43%。速效磷含量呈现出减少的趋势。

图4 退化影响下土壤速效磷含量变化

由图5可知,速效钾含量同层内CK1均明显高于CK2。0～20 cm和20～30 cm层内速效钾含量表现出显著差异（P＜0.05）。CK2的速效钾含量在0～20 cm层降低了28.77%,20～30 cm层降低了17.66%,30～50 cm层降低了21.05%。速效钾含量呈现出减少的趋势。

图5 退化影响下土壤速效钾含量变化

通过比较CK1与CK2土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾养分指标,得出目前科尔沁沙质草甸土壤的养分含量较原始的土壤明显降低,土壤中养分含量流失严重,呈现出严重的土壤退化。

3、表面平整，无明显的竖向挠度变形、裂缝。当采用现浇混凝土楼板时，主要受力和连接部位不得有露筋、蜂窝、空洞、夹渣、疏松等现象。

2.2 退化土壤盐碱特性的变化

由图6可知,同层内pH值CK1均明显低于CK2。20～30 cm、30～50 cm层内pH值表现出显著差异（P＜0.05）。CK2的pH值在0～20 cm层升高了1.23,20～30 cm层升高了1.26,30～50 cm层升高了1.19。土壤的酸碱度由碱性变为强碱性。

由图7可知,CK2的全盐量在0～20 cm层升高了70.56%,20～30 cm层升高了 72.02%,30～50 cm层升高了72.46%。各层内全盐量均升高,均表现出显著差异（P＜0.05）。土壤由轻度盐化变为中度盐化。

图7 退化影响下土壤全盐量变化

在各层内,CK2的八大离子含量全部呈现出升高的趋势（表1～表3）。0～20 cm 层内,Ca2+、Mg2+、（Na+、K+）、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-的含量分别升高了0.481 4,0.003 8,0.714 1,0.002 3,0.554 5,0.119 0,0.118 0 g/kg。其中 Ca2+、Mg2+、（Na+、K+）、HCO3-、SO42-的含量升高明显,表现出显著差异（P＜0.05）。20～30 cm层内,Ca2+、Mg2+、（Na+、K+）、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-的含量分别升高了0.467 4,0.002 5,0.699 4,0,0.554 7,0.116 4,0.098 1 g/kg。其中 Ca2+、（Na+、K+）、HCO3-的含量升高明显,表现出显著差异（P＜0.05）。30～50 cm层内,Ca2+、Mg2+、（Na+、K+）、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-的含量分别升高了0.474 0,0.002 5,0.670 5,0.006 8,0.547 3,0.139 8,0.094 8 g/kg。其中 Ca2+、Mg2+、（Na+、K+）、HCO3-、SO42-的含量升高明显,表现出显著差异（P＜0.05）。

通过比较CK1与CK2土壤pH值、全盐量盐碱指标（表1～表3）,得出目前科尔沁沙质草甸土壤的盐碱指标较原始的土壤明显升高,土壤盐碱化严重,呈现出严重的土壤退化。

表1 不同样地0～20 cm土层八大离子含量 g/kg

表2 不同样地20～30 cm土层八大离子含量 g/kg

表3 不同样地30～50 cm土层八大离子含量 g/kg

2.3 牧草种植对土壤养分的影响

由图8可知,通过种植牧草,同层内有机质含量均有Y、M1、M2高于CK2的趋势,土壤有机质含量均呈现明显增加。0～20 cm层内,Y土壤有机质含量高于其他处理（P＜0.05）。20～30 cm层内,M2土壤有机质表现出显著差异（P＜0.05）。30～50 cm层内,M2土壤有机质含量高于其他处理,与CK2、M1有显著性差异（P＜0.05）。0～20 cm 层 Y、M1、M2 有机质含量较CK2分别增长了23.60%,7.32%,0.53%。20～30 cm层分别增长了10.62%,9.35%,20.33%。30～50 cm层分别增长了11.25%,3.88%,21.73%。通过种植牧草,有机质含量呈现出增多的趋势。

图8 不同牧草种植对土壤有机质含量的影响

同层内碱解氮含量均有Y、M1、M2高于CK2的趋势,与CK2相比土壤碱解氮均有恢复的特征。由图 9 可知,0～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 层内 Y、M1、M2与CK2的土壤碱解氮均表现出显著差异（P＜0.05）。0～20 cm 层 Y、M1、M2碱解氮含量较 CK2分别增长了54.91%,82.71%,84.96%。20～30 cm层分别增长了46.96%,96.03%,98.46%。30～50 cm层分别增长了55.47%,33.99%,35.66%。通过种植牧草,碱解氮含量呈现出增多的趋势。

图9 不同牧草种植对土壤碱解氮含量的影响

同层内速效磷含量均有Y、M1、M2高于CK2的趋势,土壤速效磷以外均有恢复的特征。由图10可知,0～20 cm、20～30 cm（除 M2）、30～50 cm 层内 Y、M1、M2与CK2的土壤速效磷均表现出显著差异（P＜0.05）。0～20 cm 层 Y、M1、M2速效磷含量较 CK2分别增长了182.88%,178.85%,217.04%。20～30 cm层分别增长了135.50%,190.88%,63.36%。30～50 cm层分别增长了195.56%,287.90%,95.69%。通过种植牧草,速效磷含量得到了明显提高。

图10 不同牧草种植对土壤速效磷含量的影响

同层内速效钾含量均有Y、M1、M2高于CK2的趋势,土壤速效钾均有恢复的特征。由图11可知,0～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 层内 Y、M1、M2与CK2的土壤速效钾均表现出显著差异（P＜0.05）。0～20 cm层Y、M1、M2速效钾含量较CK2分别增长了13.15%,15.23%,26.94%。20～30 cm层分别增长了11.29%,11.17%,14.34%。30～50 cm层分别增长了24.49%,36.46%,37.80%。通过种植牧草,速效钾含量得到了明显的提高。

图11 不同牧草种植对土壤速效钾含量的影响

通过比较CK2与Y、M1、M2中土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾养分指标,得出通过人工种植燕麦、苜蓿,养分指标都有了提高,退化情况得到了有效改善,即通过种植牧草可以治理退化土壤。

2.4 牧草种植对土壤盐碱特性的影响

通过种植牧草,同层内pH值均有Y、M1、M2小于CK2的趋势,土壤pH值均有不同程度的降低。由图12可知,各土层内Y、M2与CK2相比,pH值均表现出显著差异（P＜0.05）。0～20 cm 层 Y、M1、M2的pH值较CK2分别减小了0.65,0.36,0.82。20～30 cm层分别减小了0.77,0.27,0.72。30～50 cm层分别减小了0.76,0.31,0.71。土壤pH值得到了明显的降低,土壤的酸碱度由强碱性变为碱性。

图12 不同牧草种植对土壤pH值的影响

通过种植牧草,同层内全盐含量均有Y、M1、M2小于CK2的趋势,土壤全盐含量均有不同程度的降低。由图 13可知,0～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 层内Y、M1、M2与CK2的土壤全盐含量均表现出显著差异（P＜0.05）。0～20 cm 层 Y、M1、M2 的全盐含量较CK2分别减小了57.6%,56.7%,56.6%。20～30 cm层分别减小了58.9%,58.1%,60.2%。30～50 cm层分别减小了61.5%,60.0%,60.4%。土壤全盐含量值得到了明显的降低。土壤由中度盐化变为轻度盐化。

图13 不同牧草种植对土壤全盐量的影响

在0～20 cm层内,Y,M1,M2八大离子的含量与CK2相比,全部呈现出降低的趋势（表4）。Y的八大离子含量分别降低了0.474 3,0.001 2,0.532 6,0.002 3,0.516 2,0.092 1,0.043 0 g/kg。M1的八大离子含量分别降低了0.475 2,0.001 6,0.516 7,0.002 3,0.492 8,0.061 4,0.067 7 g/kg。M2的八大离子含量分别降低了0.476 0,0.002 5,0.524 7,0.002 3,0.494 6,0.062 8,0.072 2 g/kg。Y、M1、M2 中 Ca2+、Mg2+、（Na+、K+）、HCO3-、SO42-、Cl-的含量均降低明显,除 Mg2+、SO42-外,其他均表现出显著差异（P＜0.05）。

在20～30 cm层内,Y、M1、M2八大离子的含量与CK2相比,全部呈现出降低的趋势（表5）。Y的八大离子含量分别降低了0.461 0,0.001 3,0.600 7,0,0.501 2,0.077 7,0.024 4 g/kg。M1的八大离子含量分别降低了0.463 7,0.000 7,0.613 5,0,0.505 0,0.031 9,0.038 4 g/kg。M2的八大离子含量分别降低了0.464 9,0.001 9,0.622 4,0,0.498 8,0.036 0,0.031 8 g/kg。Y、M1、M2 中 Ca2+、（Na+、K+）、HCO3-的含量均降低明显,均表现出显著差异（P＜0.05）。

在30～50 cm层内,Y、M1、M2八大离子的含量与CK2相比,全部呈现出降低的趋势（表6）。Y的八大离子含量分别降低了0.465 8,0.003 4,0.651 4,0.006 8,0.494 9,0.083 7,0.045 5 g/kg。M1的八大离子含量分别降低了0.471 9,0.000 1,0.656 7,0.006 8,0.500 7,0.051 4,0.038 4 g/kg。M2的八大离子含量分别降低了0.474 7,0.003 4,0.668 5,0.006 8,0.496 7,0.066 2,0.031 8 g/kg。Y、M1、M2 中 Ca2+、（Na+、K+）、HCO3-的含量均降低明显,均表现出显著差异（P＜0.05）。

通过比较CK2与Y、M1、M2土壤的pH值、全盐量盐分指标（表4～表6）,得出通过人工种植燕麦、苜蓿,盐碱指标都有了改善,退化情况得到了有效改善,即通过种植植被可以治理退化土壤。

表4 不同牧草种植样地0～20 cm土层八大离子含量 g/kg

表5 不同牧草种植样地20～30 cm土层八大离子含量 g/kg

表6 不同牧草种植样地30～50 cm土层八大离子含量 g/kg

3 讨论

冯瑞章等[7]的研究表明,草地退化导致土壤各种营养物质含量（除全钾）显著下降。蔡晓布等[5]的研究则表明,不同程度退化草地之间,土壤物理、化学和生物学肥力随草地退化程度的加剧而呈明显的下降趋势。周华坤等[14]的研究表明,随着草地退化程度的加大,有机质含量、碱解氮含量减少,与本研究的结果一致。由于牧民的草场固定,定居点一般不迁移,过度放牧现象严重,牲畜对草场过度啃食和践踏,抑制草本植物的正常生长发育,草群变得低矮稀疏,加之风蚀严重,导致土壤退化。退化导致土壤表层的有机质、碱解氮、速效磷、速效钾流失严重,表现出含量降低。

牧草的成功种植不但可以改善土壤物理状况,更有利于土壤养分含量的积累。人工草地的建植可以有效提高牧草产量,且随着建植年限的增加,植物群落结构发生显著变化,土壤环境得到有效改善[15-16]。张莉等[17]的研究表明,人工草地根层土壤理化性质明显发生变化,土壤有机质、碱解氮、速效磷的含量提高,土壤pH值降低。张晓琴等[18]的研究表明,种植紫花苜蓿（Medicago sativa）2～6年后,土壤盐分发生了显著变化。与本研究结果一致。本研究发现：燕麦、苜蓿对改善土壤有机质方面的作用存在显著差异。燕麦属于一年生禾本科植物,根系密集且分布于土壤表层,有机残体经过分解以后,大部分能够归还到土壤中,土壤有机质能够迅速得到增加。苜蓿属于多年生豆科植物,根系能够深入地下,每年所产生的有机残体量相对较少,故对土壤表层有机质含量所产生的影响不显著。

草地退化具有普遍性。因此,恢复退化草地是科尔沁沙质草甸乃至全国草原区亟待解决的问题。然而,草地退化成因不同,恢复目标不同,其相应的恢复措施理应存在差异,需要因地制宜,因目标而采用合理策略。

4 结论

在气候干旱化和人为因素共同影响下,科尔沁地区沙质草甸土发生了物理、化学及生物学的全面退化。随着有机质层的失去,表层土壤有机质含量下降了40.03%,土壤稳定性变差,保水保肥及供肥能力减弱。

通过牧草种植可以提高土壤养分含量,改善土壤质量。燕麦、苜蓿可以显著改善土壤有机质含量。燕麦（贝勒2号）和苜蓿（康赛+骑士T）具有良好的环境适应性,试验证明：贝勒2号和康赛+骑士T牧草品种在沙漠化和盐渍化环境中起到了防沙固沙、改善土壤养分性状的良好作用,为该地区推广和牧草种植,发展人工草地提供了科学依据。结合当地环境、经济特征,可以将科尔沁沙质退化草甸改造成人工牧草生态基地。