牧草品种与生物质炭对植草土壤水分的调控效应

刘元生， 陈祖拥， 刘 方， 蒲通达

(贵州大学 环境与资源研究所，贵州 贵阳 550025)

喀斯特地区是典型的生态环境脆弱区，由于人口的增长及土地过度的开垦，部分地区出现明显的石漠化，近年喀斯特石漠化的治理成为生态文明建设的主要内容之一[1]。退耕还草及牧草种植是喀斯特石漠化区生态恢复的主要途径[2-4]，牧草种植一方面增大了植被的覆盖度，另一方面由于牧草的的生长也加大了对土壤水分及养分的消耗，在石漠化山区可以根据不同品种牧草的生理特性，通过构建合理的林灌草空间结构，减少土面水分蒸发，提高水分利用率[5]。目前多年生的雀稗、黑麦草、皇竹草、拉巴豆、三叶草等牧草植物在喀斯特石漠化生态工程治理和生态畜牧业发展中起到重要的作用[2]。

土壤水分是土壤—植物—大气连续体的一个关键因子，是土壤系统养分循环和流动的载体，它不但直接影响土壤的特性和植物的生长，且间接影响植物的分布[6-10]，在喀斯特石漠化治理过程中如何提高土壤的保水能力成为生态恢复的关键技术[8]。在西南喀斯特山区，季节性降雨及干旱气候条件是影响旱坡地牧草产量及质量的主要因子[2,4]，开展不同牧草品种对土壤水分的影响及其调控效应方面的研究，对喀斯特石漠化治理及土壤资源有效利用具有重要意义。生物质炭作为土壤改良剂，可以改善土壤理化性质，提高土壤孔隙度和比表面积，降低土壤容重，调节土壤通透性，提高草地土壤保水能力以及植物养分的有效性，能明显的促进牧草生长[11-15]。近年来生物质炭应用在牧草土壤改良方面已经开展了一些研究工作[11-14]，但对种植不同品种牧草后土壤持水性能的变化还缺乏深入的研究。因此，本研究以禾本科及豆科牧草为研究对象，探讨牧草品种与生物质炭施用对土壤水分的影响及其调控效应，为喀斯特石漠化区生态恢复及土壤改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽试验土壤采自贵阳市花溪区黔陶乡区域内由石灰岩发育的石灰土，野外采集0—20 cm的表层混合土壤，自然风干后过5 mm的筛孔用于盆栽试验。该土壤pH值为8.02，有机质含量为52.7 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别是175.2，2.6，118.5 mg/kg，土壤质地为重壤土。生物质炭为玉米秸秆及少量猪粪混合烧制的炭化物(400 ℃)，生物质炭颗粒研磨过40目筛后备用。种植牧草品种为雀稗、黑麦草、拉巴豆。

1.2 试验方案

盆栽试验于2017年3月初将供试土壤装入塑料盆钵(30 cm×20 cm×50 cm)中，每盆装土10 kg。盆栽试验种植3种牧草品种(雀稗、黑麦草、拉巴豆)，每种牧草设置2个处理(施5%玉米秸秆炭、未施用炭的为对照)，每个处理设3次重复。对每个施炭处理分别将500 g秸秆炭与10 kg土壤一次性混合混匀装入塑料盆钵中。雀稗、黑麦草每盆播种量5 g，拉巴豆每盆播种5粒；牧草种子先用蒸馏水浸泡12 h后均匀地播在每盆土壤上，其上再覆盖薄层土。出苗后，每2～3 d浇一次水，保持盆栽土壤适宜的含水率，20 d后在室外天然降雨条件下观察牧草正常生长情况，盆栽试验从3月下旬至8月下旬进行，每月测定一次土壤含水率。土壤水分测定分降雨时段和干旱时段，天然降雨停止后2～3 d内测定的含水率为降雨时段土壤含水率，降雨后连续一周以上未出现降雨时测定的含水率为干旱时段土壤含水率，具体测定时间见表1。

注：表中数据为采用TDR300快速水分测定仪监测每个处理3个重复土壤表层(10 cm处)含水率的平均值。统计值为12次土壤水测定值的平均值±标准差，字母为多重比较(LSD)结果，同一列中字母不同的处理之间达到p为0.05的显著性水平。下同。

1.3 测定指标及分析方法

在雀稗、黑麦草、拉巴豆生长期间，根据天然降雨及干旱情况定期采用TDR300快速水分测定仪(美国Spectrum TDR 300土壤水分测定仪，美国spectrum公司，伊利斯诺州)监测3种牧草生长土壤的含水量，每盆重复测定3次，取其平均值作为土壤含水量的值，测定时间为上午10:00—12:00点。待牧草生长6个月测定每盆牧草地上生物量，并测定土壤容重及采集相应的根系密集的土壤表层(0—30 cm)混合样品。土壤pH值采用酸度计法(土水比1∶5)，有机质采用重铬酸钾容量法，土壤颗粒组成(粉粒、砂粒、黏粒)采用比重计法，土壤容重及孔隙度采样环刀法测定。

1.4 土壤饱和导水率计算模型

土壤饱和导水率(Ks)是土壤全部孔隙都充满水的情况下，在单位梯度作用下通过垂直于水流方向的单位面积土壤的水流通量或渗流速度，土壤饱和导水率反映了水分的入渗和渗漏特性，是研究水分、溶质在土壤中运动规律的重要水力参数，易受土壤容重、质地、土壤结构、有机质含量、土地耕作利用方式等因素影响。本研究采用Wosten土壤传递函数模型[16-18]，它是一种基于统计回归方法的模型，模型需要的参数包括相应的理化指标(土壤质地、土层、容重以及有机质含量)，该模型依据土壤质地分砂土、壤土及黏土类3种表达方程式，本研究考虑盆栽土壤质地偏黏及喀斯特区域土壤质地多为重壤土至轻黏土，选择了Wosten模型中黏土类的方程式来预测土壤饱和导水率，其传递函数(PTFs)的具体形式为：

lnKs=7.755+0.035 2×S+0.93×T-

0.967×D2-0.000 484×C2-

0.000 322×S2+0.001×S-1-

0.074 8×OM-1-0.643×Ln(S)-

0.013 98×D×C-0.167 3×D×OM+

0.029 86×T×C-0.033 05×T×S

式中：Ks——饱和导水率(cm/d)；C——黏粒含量(<2 μm)(%)；S——粉粒含量(2～50μm)(%)； OM——有机质百分含量(%)；D——土壤容重(g/cm3)；T——表层土值为1，亚表层土值0，本研究中采样点位于表层，故T=1；Ln——自然对数。

1.5 数据处理

试验数据采用DPS软件进行数理统计分析，计算每处理3个重复测定值的平均值及标准差，采用LSD法进行多重比较及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 牧草品种与生物质炭施用对植草土壤含水率的影响

露天盆栽条件下牧草生长期间(3—8月)不同处理土壤含水率的测定结果见表1。从未施用生物质炭的对照处理来看，3种牧草在不同生长阶段土壤含水率出现较大的差别，其大小顺序为雀稗>黑麦草>拉巴豆；其中，种植雀稗的土壤含水量显著高于种植拉巴豆的土壤，其平均土壤含水率高出拉巴豆处理36.07%，黑麦草处理土壤含水率比拉巴豆处理高17.05%。可见，禾本科牧草在土壤保水效果方面优于豆科牧草。

从表1中施用生物质炭处理看出，在春夏季降雨时段(土壤含水率一般达30%～40%)，土壤施用5%的生物质炭后，种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤含水率分别增加了4.38%～7.60%,1.46%～5.68%和1.50%～9.84%；而在春夏季干旱时段(土壤含水率一般在10%～25%)，种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤含水率分别提高了1.95%～10.12%,2.36%～16.67%和2.04%～15.03%。可见，生物质炭施用能提高牧草种植土壤的含水率，特别是在干旱时段能明显地提高土壤的持水能力。从多重比较结果也看出(n=12)，施用生物质炭后种植雀稗的土壤含水率显著高于拉巴豆处理，其大小顺序也为：雀稗>黑麦草>拉巴豆。

2.2 牧草品种与生物质炭施用对植草土壤田间持水量的影响

从表2中未施炭处理看出，种植雀稗、黑麦草、拉巴豆后土壤容重及孔隙度均出现显著性差异，雀稗、黑麦草处理的土壤容重分别比拉巴豆处理平均降低10.00%,6.15%，而雀稗、黑麦草处理的土壤毛管孔隙度分别比拉巴豆处理平均提高4.89%，1.28%，土壤通气孔隙度则分别平均增加42.42%,30.30%。同时，3种牧草品种的土壤田间持水量存在显著性的差别，其大小顺序为：雀稗>黑麦草>拉巴豆，雀稗、黑麦草处理的土壤田间持水量分别比拉巴豆处理平均提高了32.19%,17.81%。

表2 生物质炭施用下种植牧草土壤田间持水量的变化

注：表中数据为每个处理3个重复的平均值±标准差。

从表2也看出，施用生物质炭后雀稗、黑麦草、拉巴豆处理的土壤容重及孔隙度均出现显著性差异，雀稗、黑麦草、拉巴豆处理的土壤容重分别平均下降13.67%,15.57%和14.62%，而土壤毛管孔隙度分别平均增加了12.98%,16.18%和11.28%，土壤通气孔隙度则分别平均增加了27.66%,30.23%和54.55%。同时，3种牧草施用生物质炭后土壤田间持水量出现显著性地增加，施炭后雀稗、黑麦草、拉巴豆处理的土壤田间持水量分别平均提高了39.48%,44.03%和46.87%，疏松多孔的生物质炭能够明显提高土壤毛管孔隙度及田间持水量。

2.3 牧草品种与生物质炭施用对植草土壤饱和导水率的影响

从表3中未施炭处理看出，种植雀稗、黑麦草、拉巴豆后土壤有机质的含量均出现显著性提高，其大小顺序为雀稗>黑麦草>拉巴豆，雀稗、黑麦草处理的土壤有机质含量分别比拉巴豆处理平均高出7.62%,4.25%。此外，种植雀稗、黑麦草、拉巴豆处理的土壤黏粒、粉粒的含量均出现显著性增加，雀稗处理的土壤黏粒、粉粒的含量分别比拉巴豆处理平均增加46.45%，8.27%，而黑麦草处理的土壤黏粒、粉粒的含量分别比拉巴豆处理平均增加20.47%,7.33%。同时，3种牧草品种的土壤饱和导水率也出现显著性的差别，其大小顺序为：雀稗>黑麦草>拉巴豆，雀稗、黑麦草处理的土壤饱和导水率分别比拉巴豆处理平均提高38.14%，19.96%。

表3 生物质炭施用下种植牧草土壤饱和导水率的变化

注：表中数据为每个处理3个重复的平均值±标准差。

从表3中看出，施用生物质炭后种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤有机质的含量均出现显著性提高，其平均含量分别比未施炭处理增加30.93%,32.35%和35.48%。施用生物质炭后雀稗、黑麦草、拉巴豆处理的土壤黏粒、粉粒的含量均出现显著性增加，其中土壤黏粒含量分别比未施炭处理平均提高了16.67%,26.14%和35.43%。而粉粒含量则分别比未施炭处理平均增加了9.83%,6.17%和11.11%。同时，施用生物质炭后种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤饱和导水率均明显地高于未施炭处理，土壤饱和导水率的平均增幅分别为72.56%,88.36%和90.69%。而且，3种牧草施炭后土壤饱和导水率也出现显著性的差别，其大小顺序也为雀稗>黑麦草>拉巴豆。可见，生物质炭施用增加了土壤有机碳的来源，提高了土壤黏粒、粉粒的含量，土壤饱和导水率出现明显的提高。

3 讨 论

不同品种牧草对下土壤持水性能的影响存在明显的差别，从本试验结果看，种植雀稗、黑麦草后土壤田间持水量、土壤饱和导水率均显著地高于拉巴豆，禾本科牧草种植有利于提高石灰土的持水能力。由于禾本科牧草根系多、数量大，种植雀稗、黑麦草后土壤容重明显低于种植拉巴豆的土壤，而大量根系残留物及根系分泌物能明显增加土壤有机质的来源，使种植雀稗、黑麦草的土壤有机质含量显著高于拉巴豆，而土壤黏粒、粉粒的含量均出现显著性增加，从而提高了土壤田间持水量和土壤饱和导水率。据苏德喜等[15]研究不同牧草品种、施肥量及秸秆还田量对弃耕地土壤理化性质的影响，结果表明牧草品种对土壤含水量、全盐及pH值影响达极显著水平，禾本科牧草改善土壤含水量和容重的效果强于豆科，禾本科牧草的土壤含水量均显著高于豆科，其中以圆柱披碱草最高，扁穗冰草次之。可见，禾本科牧草对土壤的保水蓄水效果优于豆科牧草，禾本科牧草更适合种植在水分较缺乏的石漠化山区。然而，禾本科牧草在改善土壤持水性能的作用大于豆科牧草，但豆科牧草通过根瘤固氮作用，可以减少对土壤氮的吸收。在喀斯特石漠化山区土壤养分也比较缺乏，禾本科牧草与豆科牧草合理混播种植是石漠化山区牧草种植的有效途径，这方面有待进一步研究。

生物质炭施用能明显的提高土壤持水能力，春夏季降雨及干旱时段种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤含水率均出现不同程度的增加，3种牧草施生物质炭后土壤田间持水量、土壤饱和导水率均出现显著性提高。施用生物质炭后种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤的有机质含量、粘粒及粉粒含量、毛管孔隙度均出现显著性增加，明显地提高了土壤田间持水量、土壤饱和导水率，牧草可吸收利用的土壤水分增多。侯琼等[19]]对降水量、土壤水分和耗水量与不同时期牧草产量的关系统计分析，结果表明各水分因子与产量的相关性依次为：土壤水分>耗水量>降水量，土壤含水量是牧草的直接利用水源，能明显影响牧草的产量。因而，在喀斯特石漠化山区种植牧草不仅要考虑牧草品种的适生性，还需考虑土壤水分及养分是否能保障牧草生长的需求。本试验结果表明，施用生物质炭有利于提高牧草的地上生物量，但施炭后3种牧草品种的生物量均未出现显著性的增加，仅施用生物质炭对提高牧草产量未能起到明显的促进作用。黄超等[11]研究结果表明，红壤施用生物质炭不仅大大提高了土壤碳库，还可降低土壤酸度，增加土壤pH值和盐基饱和度，提高土壤水稳定性团聚体数量，增加土壤速效磷、速效钾和有效氮，增强土壤保肥能力，改善植物生长环境，促进黑麦草的生长。据研究旱地施用蚯蚓粪、酒糟堆肥、牛粪堆肥、猪粪堆肥均能显著提高黑麦草地上生物量、地下根重和叶片中氮素含量[20]。多年生牧草的生长需要吸收大量的土壤养分，需要通过施肥才能满足牧草快速生长的需求。因而，在施用生物质炭改良土壤的同时，需要补充适量的肥料养分，才能更好地提高牧草的产量，这方面值得深入研究。

4 结 论

(1) 不同牧草品种对土壤持水性能的影响出现较大的差别，种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤田间持水量及土壤饱和导水率均出现显著性差异，其大小顺序均为：雀稗>黑麦草>拉巴豆。种植雀稗、黑麦草后土壤的有机质含量、黏粒及粉粒含量、毛管孔隙度均比种植拉巴豆的土壤出现明显的增加，禾本科牧草种植对提高土壤持水性能的作用优于豆科牧草。

(2) 施用5%的生物质炭后，雀稗、黑麦草、拉巴豆种植土壤的含水率在春夏季降雨及干旱时段均出现不同程度的增加。施炭后种植雀稗、黑麦草、拉巴豆的土壤有机质含量、黏粒及粉粒含量均出现显著性增加，而土壤田间持水量和饱和导水率也出现显著地提高，其大小顺序也为：雀稗>黑麦草>拉巴豆。

(3) 土壤施用5%的生物质炭有利于牧草生长，牧草种植6个月后雀稗、黑麦草、拉巴豆的地上生物量平均增加了28.42%，22.97%和22.59%，但施炭后3种牧草品种的生物量均未出现显著性增加，利用生物质炭改良牧草土壤还需要配合肥料养分的施用，才能实现优质高产牧草的生产。