土壤盐碱化对紫花苜蓿(Medicago sativa L.)生物学特征的影响

杨洪涛，安丰华，赵丹丹，2，张 璐，2，朱文东，2，杨 帆，王志春

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102； 2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

松嫩平原是我国最大的平原之一，总面积约为2.7×105km2。自20世纪下半叶以来，在松嫩平原农业与畜牧业飞速发展的同时，人口集聚增长，加之资源过度开发与利用以及气候日趋干旱化等因素的影响，导致土壤盐碱化面积迅速增加，生态环境亦受到严重破坏[1-2]。研究表明，松嫩平原苏打盐渍土面积每年增加约1.04%[1,3]，并且伴随着次生盐渍化现象[3]。此外，我国平均气温近几十年间上升了约0.6 ℃[4]，松嫩平原近50年的平均气温也升高了0.6 ℃，年均降水量却减少了约18%[5]。降水量减少与平均温度的上升进一步加速了松嫩平原土壤次生盐渍化面积的扩大，草地面积逐渐减少的同时，草地也发生了退化与盐渍化。目前，松嫩平原盐碱地最主要的利用方式有种植水稻和耐盐碱旱田作物以及盐碱化沼泽养殖业。然而，种植水稻、旱田作物均需要添加脱硫石膏、砂土与农家肥等改良物质对盐碱土进行改良[6]，同时需要消耗大量水资源以及相应的配套灌排设施，这需要较高的前期投入且改良后1～3年的盐碱土经济效益低[7]。相比于其他盐碱地的利用方式，人工草地具有前期投入少，中期管理难度低，使用年限高，兼具经济与生态效益等优点。因此，盐碱化草地恢复以及人工草地建设已成为该地区科研和生产的重要任务之一。

松嫩草地曾经是我国著名的天然草场，是我国重点牧区之一[8]，同时也是我国东北西部绿色生态屏障，具有较高的经济与生态价值[9]。目前，松嫩平原70%以上的草地存在不同程度的盐碱化，并出现大面积的盐碱斑，其中30%～50%已形成次生碱斑，失去了利用价值，生态环境也日趋恶化[10]。松嫩草地的退化面积已占草地总面积的77.6%，重度退化面积占可利用面积的2.6%，中度退化面积占27%，盐碱化现象日趋严重和普遍。草地的严重退化，弱化了土壤涵养水源、防风固沙、防止水土流失及气候调节等功能，导致自然灾害频发[11]。统计结果表明旱涝灾占67.8%，其中旱灾占25.3%，洪涝灾害占42.5%，特别是进入20世纪80年代后随着降雨量的增加，低平地的草地水淹现象严重，加剧了草地的退化，促使生态环境进一步恶化，形成了恶性循环[12]。随着草地的退化和面积的不断减少以及放牧强度的增加，草地的退化与盐碱化更为严重，产草量下降，饲草供应不足，成为松嫩平原畜牧业可持续发展与经济增长的限制因素。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是世界上分布最广泛的豆科牧草，也是我国种植面积最多的饲料作物[13-14]。因其蛋白质含量高，中等耐盐碱能力[15]等优良特性在发展畜牧业生产、改良土壤和保护生态环境等方面发挥着重要的经济、生态和社会效益[13]。目前，关于紫花苜蓿的研究，多关注的是紫花苜蓿水肥调控制度，就苏打盐碱地而言，缺乏土壤盐碱化对紫花苜蓿生长特征影响的研究。因此，本研究在不同盐碱化的苏打盐渍土上进行加砂土改良的田间调查，对土壤盐碱化条件下紫花苜蓿生物学特征进行了研究，研究结果对于确定紫花苜蓿在松嫩平原潜在的可种植区域以及人工草地的开发具有一定的实际意义。

1 材料与方法

1.1 紫花苜蓿人工草地概况

紫花苜蓿人工草场位于吉林省白城市亚亨农牧业科技有限公司(图1，45°34′33″～45°33′36″N，123°01′25″～123°02′24″E)，该草场采用覆盖砂土20 cm后种植紫花苜蓿。该草场年平均降水量在350～410 mm，其中作为生长季(5-9月)降水量约占全年降水量的88%；蒸发量1 400～2 000 mm，雨热同期，年平均气温5.2 ℃，≥10 ℃活动积温平均为2 996.2 ℃，无霜期平均为144 d；光照资源充足，年平均日照时数约为3 000 h[16-17]。

2009年春机械撒播种植“公农一号”紫花苜蓿，行距50 cm，株距为50 cm，种子撒播后灌水，但无施肥处理，每年于初花期机械刈割2茬，留茬不高于5 cm，草场采用铁丝围栏进行保护。

1.2 研究方法

采用EM38测定紫花苜蓿人工草场土壤表观电导率值(ECa，D=0.60 m)，重复3次，选择轻(ECa=5～50 μS·cm-1)、中(ECa=51～100 μS·cm-1)、重(ECa=101～150 μS·cm-1)3种盐碱梯度进行长期定位调查研究，并采集土壤样品进行土壤背景值测定，采样深度为0～100 cm(6层，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm)。本研究中，紫花苜蓿人工草场自2010年开始至2017年，无灌水和施肥处理，可分为轻、中及重3种盐碱化(图1)。

每年自分枝期开始，3种盐碱化条件下的紫花苜蓿每10 d进行调查，主要调查指标为：土壤容积含水量、单位面积紫花苜蓿干鲜重、紫花苜蓿生长速率和叶绿素(SPAD)、叶茎比、茎和叶片Na+和K+含量。

土壤背景值：土壤采样时间为2015年7月19日，测定时间为2015年12月10日，采样深度分别为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。土壤样品经过风干、粉碎后过0.1 mm筛子，取过筛子的土样30 g，以土∶水比1∶5(即30 g土加150 ml蒸馏水浸泡)，浸泡搅拌后静置2 h，测悬浊液pH和EC(μS·cm-1)。主要测定0～100 cm的土壤pH和EC，仅在本研究开始前进行一次，重复3次。

注：A代表轻度盐碱化区域；B代表中度与重度盐碱化区域。Note:A indicates mild salinization-alkalization area;B indicates moderate and severe salinization-alkalization area.图1 不同程度盐碱化人工草地研究区域Fig.1 The experiment region of mild,moderate and severe degree of salinization-alkalization of artificial grassland

单位面积紫花苜蓿干鲜重：测定时刈割1 m × 1 m样方内的紫花苜蓿，留茬不高于5 cm，并立即用电子天平测定即为单位面积紫花苜蓿的鲜重，鲜重测定后将刈割的紫花苜蓿进行晾晒，恒重后为单位面积紫花苜蓿的干重，重复3次，自分枝期开始每10 d取样测定一次。

生长速率和叶绿素值(SPAD)：生长速率采用株高的变化率表征，紫花苜蓿株高采用直尺进行测定，自分枝期开始，每10 d测定一次，重复3次，紫花苜蓿每年刈割两茬，第一茬于2016年8月10日刈割，第二茬于2016年10月19日刈割，第一茬和第二茬各测定4次株高，计算得到3次的生长速率。叶绿素值(SPAD)采用SPAD505与株高同时同株测定，重复3次。为了避免露水、高温与强光照对叶绿素测定的影响，株高与叶绿素值每次测定时选择时间段为8∶00～11∶00或15∶00。

紫花苜蓿叶茎比：每次刈割时(初花期)，取1 m2紫花苜蓿植株，将叶片剪下称重，其余部分称重，重复3次。

植株叶片Na+和K+含量：每次刈割时，取紫花苜蓿植株进行烘干，测定植株Na+和K+含量的测定，重复15次。

1.3 数据分析与处理

数据采用Excel 2016进行初步整理，采用SPSS 20.0进行方差分析(α=0.05)，Origin 8.5用于制图。

2 研究结果

2.1 土壤背景值

试验区域土壤0～100 cm的pH和EC值如图2所示。由图2可知，不同土壤盐碱化人工草地土壤的pH在0～100 cm由8.90增加到10.3。0～100 cm土壤的pH从高到低依次为：重度>中度>轻度。重度盐碱化0～100 cm的土壤pH变化范围为9.06～10.3，均值为9.95，变异系数(CV)为5.06%；其中20～100 cm的土壤pH显著高于中度与轻度盐碱化人工草地20～100 cm的土壤pH(P<0.05)，而0～20 cm的土壤则无显著性差异。轻度盐碱化人工草地土壤pH变化范围为8.56～8.90，均值8.69，变异系数(CV)为1.60%；轻度盐碱化人工草地0～40 cm的土壤pH与中度盐碱化人工草地0～40 cm的土壤pH无显著性差异，而40～100 cm的土壤pH显著低于中度盐碱化人工草地40～100 cm的土壤pH(P<0.05)。中度盐碱化人工草地土壤pH变化范围为8.77～9.65，均值为9.11，变异系数(CV)为5.15%。

不同盐碱化人工草地0～100 cm的土壤EC在90.0～668 μS·cm-1(图2)。其中，轻度盐碱化人工草地土壤EC在0～100 cm为90.0～124 μS·cm-1，均值为105 μS·cm-1，变异系数仅为12.4%；中度和重度盐碱化人工草地土壤EC在0～100 cm均值分别为247 μS·cm-1和511 μS·cm-1，无显著性差异但显著高于轻度盐碱化土壤EC值(P<0.05)，变异系数分别为39.4%和41.5%。轻度、中度与重度盐碱化人工草地0～20 cm的土壤EC无显著性差异，而20～100 cm土层人工草地土壤EC则为重度盐碱化的显著高于轻度与中度盐碱化的(P<0.05)。

注：不同小写字母代表处理间差异在0.05水平上显著.下同。Note:Different small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.图2 试验区土壤化学背景值Fig.2 The soil chemical background of study field

2.2 土壤盐碱化对紫花苜蓿生长速率和叶绿素值的影响

牧草的生长速度与产量呈极显著相关关系[18]，因此本研究以株高的变化速率表征紫花苜蓿的生长速率(图3)。如图3所示，土壤盐碱化显著影响紫花苜蓿生长速率(P<0.05)。轻度盐碱化条件下紫花苜蓿第一茬与第二茬的生长速率1.70 cm·d-1和1.40 cm·d-1，显著高于中度盐碱化紫花苜蓿的生长速率(1.24 cm·d-1和0.91 cm·d-1)(P<0.05)，而中度盐碱化条件下紫花苜蓿两茬的生长速率显著高于(P<0.05)重度盐碱化紫花苜蓿两茬的生长速率(0.40 cm·d-1和0.45 cm·d-1)。此外，轻度与中度盐碱化条件下紫花苜蓿第二茬的生长速率均小于第一茬，然而重度盐碱化条件下紫花苜蓿第一茬生长速率则小于第二茬，均未达到显著水平。

叶绿素含量与SPAD值之间具有较高的相关性，包括棉花、玉米及小麦等在内的大田作物，都利用SPAD值来估测叶绿素含量[19]。不同盐碱化紫花苜蓿SPAD结果如图4所示。土壤盐碱化对紫花苜蓿返青期、分枝期与初花期的SPAD值具有重要影响。返青期、分枝期与初花期紫花苜蓿的SPAD值均随着土壤盐碱化程度的增加而减小。如轻度盐碱化条件下紫花苜蓿返青期、分枝期与初花期的SPAD均值为62.3，显著高于中度(58.1)与重度(53.2)盐碱化条件下紫花苜蓿3个生长阶段SPAD的均值(P<0.05)。其中，重度盐碱化条件下紫花苜蓿3个生长阶段的SPAD均显著低于轻度盐碱化条件下紫花苜蓿3个生长阶段的SPAD值；轻度与中度盐碱化条件下的紫花苜蓿在3个花期的SPAD无显著性差异；而中度与重度盐碱化条件下紫花苜蓿返青期与初花期的SPAD无显著性差异，分枝期则差异显著(P<0.05)。

图3 土壤盐碱化对紫花苜蓿生长速率的影响Fig.3 The effect of soil salinity-alkalinity on growth rate of alfalfa

图4 土壤盐碱化对紫花苜蓿SPAD的影响Fig.4 The effect of soil salinity-alkalinity on SPAD of alfalfa

2.3 土壤盐碱化对紫花苜蓿植株Na/K的影响

元素间的平衡在植物抗逆性中具有很重要的作用，如Na与K之间的比例在植物抗逆反应中起到一定的作用[20]。不同盐碱化程度对紫花苜蓿植株Na/K具有重要影响(图5)。紫花苜蓿植株Na/K随着土壤盐碱程度的增加而从1.49逐渐降低到0.78。其中，轻度与中度盐碱化土壤条件下的紫花苜蓿植株的Na/K分别为1.49和1.32，两者无显著性差异，但均显著高于重度盐碱化土壤条件下紫花苜蓿植株的Na/K(0.78)(P<0.05)。

2.4 土壤盐碱化对紫花苜蓿生物量、茎叶比与干鲜比的影响

不同盐碱化紫花苜蓿生物量从高到低依次为：轻度>中度>重度，其中轻度和中度盐碱化紫花苜蓿生物量显著高于重度盐碱化紫花苜蓿生物量(P<0.05，表1)。轻度盐碱化紫花苜蓿单位面积的干重最高，达到1.88 t·hm-2，较中度盐碱化紫花苜蓿单位面积的生物量(1.70 t·hm-2)高10.6%，是重度盐碱化紫花苜蓿生物量的9.4倍；重度盐碱化紫花苜蓿单位面积的干重最低，只有0.2 t·hm-2。轻度和中度盐碱化紫花苜蓿鲜干比分别为2.59和2.50，虽显著高于重度盐碱化紫花苜蓿鲜干比，但两者无显著性差异。

图5 不同土壤盐碱化条件下紫花苜蓿Na/KFig.5 The Na/K of alfalfa under different soil salinity-alkalinity

干重Dry weight /(t·hm-2)茎叶比Ratio of stem to leaves鲜干比Ratio of fresh to dry weight轻度 Mild1.88 a1.72 a2.59 a中度 Moderate1.70 a2.20 a2.50 a重度 Severe0.20 b2.64 a1.80 b

注：不同小写字母代表处理间差异在0.05水平上显著。

Note:Different small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.

不同盐碱化条件下紫花苜蓿的茎叶比的结果表明，重度盐碱化紫花苜蓿的茎叶比最高，达到了2.64，而轻度盐碱化紫花苜蓿的茎叶比值最低，只有1.72，但是土壤盐碱化程度对紫花苜蓿茎叶比无显著性影响(表1)。

3 讨论与结论

草地是陆地生态系统中重要的组成部分之一，同时也是重要的自然资源[21]。世界上草地面积约为3.42×109hm2，占全球陆地面积的25%[22]。在全球气候变化的大背景下，加之人为因素的驱动，我国可利用天然草地的90%发生了不同程度的退化[23]。草地面积的减少与草地质量的下降导致草地生物量与牧草品质的降低[24]。在天然草地不断退化的背景下，建设人工草地对畜牧业的可持续发展具有重要意义[25]。

紫花苜蓿由于其具有耐旱、耐盐碱、蛋白质含量高以及高产等特性[13,26-27]，在我国北方成为盐碱地改良重要的选择之一。本研究中，盐碱化紫花苜蓿人工草地土壤具有高pH和高EC值的特点(图2)。一般认为，土壤盐碱化通过影响植物离子平衡、水分与矿质营养、气孔的活动状态以及光合作用的有效性等生理活动，进而影响植物的生长与产量[28]。通常，植物耐盐碱能力与Na/K呈显著相关关系[29]，即植物Na/K通常可作为指示植物耐盐碱能力强弱的标志之一。通常，植物可通过选择性的吸收Na+和K+进行调节植物根细胞的渗透压，因此适宜的Na/K对于植物维持正常的细胞功能具有重要作用[30]。光合作用是植物最基本的生理活动之一，而叶绿素则是光合作用中最重要的色素之一，叶绿素含量的高低直接影响植物光合作用的强弱。研究表明，土壤盐碱化可降低植物叶绿素含量[31-32]，本研究也获得了类似的结果，即紫花苜蓿不同生长时期的SPAD含量随土壤盐碱化程度的升高而降低(图4)。植物茎叶比是影响光合作用的主要参数之一，同时也是影响牧草品质与适口性的重要影响因素。研究指出，牧草产量与牧草的生长速度呈极显著正相关关系[33]。牧草生长速度能够反映牧草生长的强弱，对牧草产量具有重要影响。生长速度可反映牧草生长能力的强弱，决定了牧草的生物量和利用方式。本研究中取得了相似的结果，即盐碱胁迫可降低紫花苜蓿第一茬与第二茬生长速度，但土壤盐碱程度过高则导致紫花苜蓿的生长速度显著下降(图3)。此外，紫花苜蓿产量结果表明土壤盐碱化可造成紫花苜蓿减产，当土壤盐碱程度达到某一阈值后产量显著下降。茎叶比是衡量紫花苜蓿经济性状与营养价值的基本参数[34]，本研究中，土壤盐碱化可提高紫花苜蓿叶片的比例(表1)，这进一步说明土壤盐碱化可降低紫花苜蓿营养物质含量即品质下降，这与韩清芳等[35]的研究结果相同。

目前，对于植物来说碱胁迫比盐胁迫的危害更大[36-37]。松嫩平原土壤可溶性盐中含有大量的Na2CO3和NaHCO3[38-39]，使植物受到不同程度的盐胁迫与碱胁迫[40]，这成为限制植物生长与生产力的重要环境因素[41]。本研究结果表明，白城市的苏打盐渍土加砂土改良后适宜紫花苜蓿的种植，改良后轻度与中度盐碱化条件下的紫花苜蓿生物量、生长速率、茎叶比、鲜干比、Na/K以及SPAD均无显著性差异，但均显著高于重度盐碱化条件下紫花苜蓿的相应值。因此，中度盐碱化土壤可以不经改良直接种植紫花苜蓿，而重度盐碱化土壤则须改良后才能种植紫花苜蓿。吉林省西部苏打盐渍土具有较高的空间变异性，在改良时，应进行精准改良，避免使用改良物质过多以节省成本。此外，本研究中的紫花苜蓿人工草地仅靠雨养、灌溉与施肥等对盐碱化人工草地牧草生物学特征的影响尚待进一步研究。

本文对加砂土改良苏打盐渍土后建植的紫花苜蓿人工草地上进行了研究，主要取得了以下结论：(1)土壤盐碱化降低了紫花苜蓿的生长速率、Na/K、SPAD以及生物量；盐碱程度过高则显著降低紫花苜蓿生物量、鲜干比、生长速率、Na/K以及SPAD；(2)土壤盐碱化可降低紫花苜蓿人工草地产量同时使牧草品质下降。