5种植物改良河套灌区盐渍化土壤的效果研究

景宇鹏，林春野，赵沛义，李秀萍，赵 强，刘宇杰，刘 梅，妥德宝，王丽君，杨 晓

(1.内蒙古自治区农牧业科学院 资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特010031；2.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特010018; 3.北京师范大学 环境学院，北京 100875；4.杭锦后旗农牧业技术推广中心，内蒙古 陕坝 015400)

0 引 言

土壤的盐碱化问题是一个世界性的环境问题，也是引起土地荒漠化和土壤退化最主要的原因之一，成为制约区域生态环境可持续发展和农业高效利用的障碍因素[1]。全世界约有955×106hm2盐渍化土壤，占世界土地面积的10%～25%[2]，且每年以(1～1.5)×106hm2的速度增加[3-4]。我国盐渍土面积约27×106hm2，约占全球盐渍化土地总面积的10%，是世界上土壤盐渍化最为严重的国家，主要分布在西北、华北、东北及沿海等地，其中西部约为17×106hm2，占全国面积的69.0%[5]，且这些盐碱化土地中只有20%可以加以利用，80%尚未得到合理的开发与利用[6-7]。

纵观国内外对盐碱化程度严重地区土壤的研究主要集中在盐碱化的发生演化、改良利用以及对环境危害等方面[8-9]，同时在盐碱化土壤改良方面先后提出了“种稻改碱”农业措施[10-14]、“水盐调控”水利工程措施[15-17]，以及利用含钙物质、酸性物质及有机类物质等化学改良措施[18-21]。虽然这些措施在河套灌区均取得了显著效果，但都是以大水漫灌为前提，不仅需要消耗大量的水资源、抬升了地下水位，还易造成土壤养分流失、返盐频繁及次生盐碱化的问题，改良效果不稳定。而生物改良盐碱土主要是通过种植耐盐碱植物(盐生植物或泌盐盐生植物)，利用盐生植物自身特性带走大量盐分，同时利用耐盐植物根系的发育与扩展对土壤理化性质的影响，增加土壤脱盐效率，减轻盐碱成分对植物的危害，同时能够提高土壤肥力，使不良的土壤理化性质逐步向良性发展，达到治理盐碱土的目的，因其具有投入成本低、操作管理比较简单可行、也不会造成水资源的浪费等优点越来越受到人们的重视[22]。

目前，国内外针对不同区域盐碱土的生物改良措施已做了大量的研究工作，主要集中在耐盐碱植物的引种及驯化，耐盐植物的耐盐性能以及耐盐植物的脱盐效果等方面，如研究发现猪毛菜及四翅滨藜等盐生植物对印度盐碱地有恢复作用[23]；陈彬等研究了黑麦草、湖南稷子、高丹草、高羊茅和扁穗冰草5种禾本科牧草幼苗在盐碱胁迫下生理生化的变化特征[24]；李晓宇等研究了盐碱胁迫对羊草苗期生长特性的影响[25]；陆嘉惠等研究了3种药用甘草种子对盐渍环境的萌发响应及其适宜生态种植区[26]；肖克飚等研究了柽柳、苇状羊茅及油葵等盐生植物对宁夏银北地区盐碱土生物改良影响[27]；彭斌等研究了不同生境种源盐地碱蓬幼苗生长发育对盐分胁迫的响应和适应[28]；景鹏成等研究了耐盐牧草对南疆地区盐渍土适应性和改良效果[29]；朱小梅等研究了通过种植绿肥作物对滨海盐渍化土壤的改良效果[30]；卞建民等研究了草木樨对东北盐碱土的改良效果[31]；潘洁等研究了耐盐草本植物田菁、苜蓿、苏丹草和碱蓬对滨海盐碱地的生物改良效果[32]；黄丽萍等研究了田菁、苏丹草、苜蓿和碱蓬4种耐盐植物根际和非根际土壤盐碱特征变化的影响[33]。而针对内蒙古河套灌区生物治理盐碱土方面的研究较少，因此，本研究选择5种不同类型植物，从生态学的角度将盐碱土改良与利用结合起来，系统研究种植不同类型植物对盐渍化土壤物理、化学性状的影响及其对盐渍化土壤的改良培肥作用，分析这些植物对河套灌区盐碱地生物治理的可行性，为该地区生物改良过程中选择合理的植物种类以及探索区域生态环境的综合治理提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地处河套平原地区杭锦后旗改盐增粮科技示范园区(三道桥镇澄泥村：106°34～107°24′E，40°26′～41°13′N)，该园区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市西部，海拔高度991 m，属中温带大陆性气候，降雨稀少，蒸发强，年均降水量135.9 mm，年均蒸发量1 984.3 mm，蒸降比10～15，年日照时数平均4 449.6 h，年均气温8.7 ℃，无霜期126 d。地下水埋深在0.5～1.5 m左右，地下水矿化度在10～20 g·L-1之间，土壤中的盐分表现出明显的春秋季积盐、夏季脱盐、冬季相对稳定的特征，土壤为盐化灌淤土，土壤类型以硫酸盐为主，并有多量氯化物和碳酸盐和重碳酸盐类，试验区土壤以氯化物硫酸盐盐化土为主。2016年供试验土壤(0～20 cm)基本理化性状为有机质2.98 g·kg-1，碱解氮22.29 mg·kg-1，有效磷4.85 mg·kg-1，速效钾97.17 mg·kg-1，土壤盐碱化指标及盐分离子见表1。

表1 试验区土壤全盐、pH与盐分离子组成

1.2 试验设计

试验采用大区对比试验设计，共设置5个处理，分别为湖南稷子、田菁、高丹草、草木樨以及盐碱荒地自然生长的杂草(碱蓬)为对照(CK)对照。每一大区面积40 m×20 m=800 m2，试验于2016年6月15号种植，2016年9月22收获，2017年6月10日种植，2017年9月20日收获。采取条播种植，播种量分别为：湖南稷子75 kg·hm-2、田菁：75 kg·hm-2、高丹草：60 kg·hm-2、草木樨：30 kg·hm-2、燕麦：375 kg·hm-2。试验于2016年6月15日播种前和2017年9月20日收获后分别采集0～20 cm土层土壤样品，在室内进行土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH、交换性钠、阳离子交换量、全盐量及土壤水分物理特性的测定，同时测量地上植株株高，并在收获期时测定地上生物量。植物的整个生育期不施任何肥料，完全自然状态生长，仅进行田间人工除草。

1.3 测定项目和方法

土壤pH采用电位法测定(土水比=1∶5)；土壤全盐量通过测定1∶5的土水浸提液中可溶性盐分离子加和法；阳离子交换量采用乙酸钠浸提火焰光度计法；交换性钠采用乙酸铵浸提火焰光度计法；土壤有机质采用重铬酸钾外加热容量法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度法测定[34]。土壤容重采用环刀法测定；株高测定时每种植物随机选择10株进行测定，同时测定鲜重，在105 ℃烘箱杀青30 min后80 ℃烘干至恒重后测定干重，共3次重复。

1.4 数据分析

试验数据采用 Microsoft Excel 2007整理后，采用SPSS 16.0统计分析软件进行多重方差检验、相关性分析与主成分分析。同时对主成分分析中得分系数较高的指标，采用隶属函数法进行耐盐碱性综合评价，其计算方法如下：

隶属函数值计算公式:

R(Xi) =(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隶属函数值计算公式:

R(Xi) = 1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：Xi为各指标测定值；Xmin、Xmax为各测定指标的最小值和最大值。当某一指标与植物的耐盐性成正相关时，用公式(1)；当某一指标与耐盐性成负相关时，则用公式(2)。

式中：Ra、Rb分别代表土壤容重、土壤比重，土壤比重采常规值2.65 g·cm-3；

式中：A、B分别代表钠离子交换量、阳离子交换量。

式中：SA、SB分别代表播种前土壤全盐含量(g·kg-1)、收获后土壤全盐含量(g·kg-1)。

土壤毛管孔隙度(%)=土壤毛管持水量(%)×土壤容重

土壤非毛管孔隙度(%)=总孔隙度-毛管孔隙度

2 结果与分析

2.1 5种耐不同类型植物农艺性状及产量变化

从表1可以看出，除燕麦外，湖南稷子、田菁、高丹草和草木樨的株高均显著高于对照(P<0.05)，分别较对照提高3.0、5.7、4.0和1.2倍；单株鲜重较对照提高3.3、4.0、4.3和1.2倍；单株干重较对照提高2.9、3.3、4.4、1.1倍，且株高、单株鲜重、单株干重与对照差异达显著水平(P<0.05)，种植不同类型植物株高大小依次为：田菁>高丹草>湖南稷子>草木樨>对照>燕麦；单株鲜重、单株干重大小表现为：高丹草>田菁>湖南稷子>草木樨>对照>燕麦。

种植5种植物鲜草产量、干草产量较对照均有显著的提高，且不同种类植物较对照提高的程度各不相同(表1)。其中高丹草草产量提高的最多，鲜草、干草产量分别是对照的4.6和4.4倍，且差异达显著水平(P<0.05)；其次是田菁鲜草产量和干草产量较对照分别提高了3.9和3.7倍；湖南稷子仅次于田菁，其鲜草产量和干草产量分别是对照的3.5和3.2倍，也表现为显著的差异性(P<0.05)。种植不同类型植物地上物生物量大小表现为：高丹草>田菁>湖南稷子>燕麦>草木樨>对照。

表1 不同植物农艺性状及产草量变化

注：同列不同小写字母表示差异在0.05水平上显著(P<0.05)。下同。

Note：The different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level.The same is as below.

2.2 种植不同类型植物对土壤物理性质的影响

种植5种植物对耕层土壤容重的影响程度各不相同，均能不同程度地降低耕层土壤容重(表2)。与对照相比，种植田菁、高丹草和湖南稷子耕层土壤容重分别下降了4.1%、4.1%和3.4%，且种植不同类型植物土壤容重降低的幅度与对照差异达显著水平(P<0.05)；种植燕麦、草木樨耕层土壤容重与对照相比均下降了2.1%，且种植燕麦耕层土壤容重下降的幅度与对照差异达显著水平(P<0.05)，而种植草木樨耕层土壤容重与对照差异不显著(P>0.05)，这可能是由于不同植物其根系分布、根系生物量以及根系活动强度不同造成的。

种植5种耐盐碱植物后土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均有不同程度的提高(表3)。与对照相比，种植田菁、湖南稷子和高丹草耕层土壤总孔隙度和毛管孔隙度增加的幅度较为显著，其土壤总孔隙度较对照分别增加了4.9%、4.0%和3.8%，毛管孔隙度较对照分别增加了7.1%、5.9%和4.2%，非毛管孔隙度较对照分别增加3.6%、3.1%和3.7%，但差异不显著(P>0.05)；而种植草木樨和燕麦耕层土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度也略有增加，但差异不显著(P>0.05)。

表2 种植不同植物对土壤容重的影响

表3 种植不同植物对土壤孔隙度的影响

2.3 种植不同类型植物对土壤养分的影响

从表4可以看出，通过种植耐盐碱植物，土壤有机质、全氮和速效养分整体呈上升趋势，不同耐盐碱植物之间增加的程度各不相同。种植田菁土壤有机质、全氮和速效养分增加的幅度最为明显，有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾分别提高了65.4%、68.4%、43.9%、43.6%和36.4%。种植高丹草和湖南稷子土壤有机质、全氮和速效养分增加幅度仅次于田菁，种植燕麦土壤有机质、全氮和速效养分上升幅度最小；且种植5种耐盐碱植物土壤有机质、全氮和速效养分均与对照相比差异达显著水平(P<0.05)。

表4 种植不同植物对土壤养分的影响

2.4 种植不同类型植物对土壤盐碱特征的影响

由表5可知，种植5种植物后，土壤pH、全盐和碱化度均有不同程度的降低。与对照相比，种植田菁、高丹草和湖南稷子耕层土壤全盐和碱化度下降幅度最为显著，土壤全盐分别显著降低了15.8%、18.8%和15.0%，土壤碱化度分别显著降低了28.6%、28.6%和26.1%(P<0.05)；种植草木樨和燕麦耕层土壤pH虽有所降低，但差异不显著(P>0.05)。

表5 种植不同植物对土壤盐碱特征的影响

2.5 种植不同类型植物对土壤改良效果综合评价

由表6可知，种植不同植物后土壤pH与土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾呈显著或极显著负相关关系，与容重呈显著正相关关系；土壤有机质除与全盐、pH差异不显著外，与其他指标均达显著或极显著水平；土壤全氮与土壤总孔隙度、毛管孔隙度、碱解氮、速效钾及碱化度差异达显著水平；土壤速效养分(碱解氮、速效磷、速效钾)除与全盐差异不显著外，与其他指标均达到显著或极显著水平。土壤容重与总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、速效磷、碱化度呈极显著相关性，与速效氮、速效磷、速效钾、pH呈显著相关；土壤孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)除与pH、全盐差异不显著，与其他指标均达显著或极显著水平。这说明种植植物后土壤的12项指标之间存在一定的相关性，仅凭某一单项指标不能准确评价种植不同类型植物对盐渍化土壤的改良效果，需要多个指标综合评价。

对种植不同类型植物后土壤的12个指标(土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH、全盐、碱化度)进行主成分分析(表7)，确定几个具有代表性的因子来综合评价其对土壤的改良效果，按照特征值大于1、累计贡献率大于80%来确定主成分个数，其结果表明(表6)，前两个主成分特征值大于1，累计贡献率90.7%，可解释原12个指标的绝大多数信息，损失量仅为9.34%。第一主成分特征值9.510，方差贡献率79.2%，其中土壤容重、总孔隙度、有机质、速效磷、速效钾、碱化度等指标在第一主成分中得分系数较大，分别为-0.102、0.101、0.102、0.101、0.100、-0.102，除容重和碱化度得分系数为负值外，其余4个指标得分系数为正值，故第一主成分替代了12个原始因子中的土壤容重、总孔隙度、有机质、速效磷、速效钾、碱化度6个因子的作用。第二主成分特征值1.369，方差贡献率11.4%，其中全盐在第二主成分因子变量中具有较其他变量更高的载荷，得分系数也较高为0.703，故第二主成分替代了11个原始因子中的全盐1个因子的作用。因此可将土壤容重、总孔隙度、有机质、速效磷、速效钾、碱化度、全盐作为评价种植植物对土壤改良效果的特征因子。

表6 土壤各指标间的相关系数

注：X1(容重)；X2(总孔隙度)；X3(毛管孔隙度)；X4(非毛管孔隙度)；X5(有机质)；X6(全氮)；X7(碱解氮)；X8(速效磷)；X9(速效钾)；X10(pH)；X11(全盐)；X12(碱化度)；*和**分别表示在P< 0.05和P< 0.01上差异显著性。

Note：X1(Soil bulk density)；X2(Total porosity)；X3(Capillary porosity)；X4(Non-capillary porosity)；X5(Organic matter)；X6(Total nitrogen)；X7(Alkeline-N)；X8(Olsen-P)；X9(Available -K)；X10(pH)；X11(Total salt)；X12(ESP)；*和**indicate significant correlations at theP< 0.05 andP< 0.01 probability levels,respectively.

表7 主成分因子的载荷矩阵和得分系数矩阵

根据主成分分析对原12项指标筛选出贡献率较大的7个指标(容重、总孔隙度、有机质、速效磷、速效钾、全盐、碱化度)进行隶属函数分析，求其平均值对不同类型植物改良盐渍化土壤进行综合评价，其结果(表8)表明，不同类型类型植物对盐渍化土壤的综合改良效果大小顺序为：田菁>高丹草>湖南稷子>草木樨>燕麦。

表8 不同类型植物隶属函数值

3 讨 论

土壤容重是土壤重要的物理性质，与作物根系穿透阻力、土壤含水量及土壤通气性密切相关[35-39]。连续种植2年不同类型植物均能不同程度降低土壤容重，降幅顺序为：田菁>高丹草>湖南稷子>燕麦>草木樨>对照(CK)，这是由于种植的5种植物均具有发达的根系，地下部根系生物量较大，其大小顺序为高丹草(1 492 kg·hm-2)>田菁(1 133 kg·hm-2)>湖南稷子(925 kg·hm-2)>燕麦(660 kg·hm-2)>草木樨(517 kg·hm-2)>对照(479 kg·hm-2)，大量根系的输入，增加了土壤总孔隙度和毛管孔隙度，从而降低土壤容重。

土壤有机质、氮、磷及钾等养分含量是评价土壤肥力质量的重要指标。土壤中的有机质主要由动植物、土壤微生物残体分解所提供，能够改善土壤的理化性质，增加土壤微生物活性，从而提高了土壤有机质的含量。在河套灌区中重度盐渍化土壤上种植不同类型植物，地上植物的落叶以及残留在土壤中的根系腐烂分解后增加了土壤中的有机物质的输入，促进土壤微生物活动，增加了土壤有机质的含量，这与以往学者的研究结果相一致[27,29,30,32,40-46]。

本研究中种植田菁土壤有机质含量在5个植物处理中处于最高水平，显著高于其他4个处理，这表明不同植物对土壤有机质的改良效果存在着差异。而有关利用生物措施对土壤速效养分的影响的结论并不一致。一般认为，植物本身在生长过程中从土壤中吸收各种养分，种植后必然导致土壤中某些速效养分含量降低，如朱小梅等研究表明在滨海盐碱土上种植一季绿肥后增加了土壤有效氮含量，降低了速效磷和速效钾含量[30]；潘洁等研究表明在滨海盐碱地连续种植2年不同耐盐草本植物增加土壤有效氮、速效钾含量，降低速效磷含量[32]；李月芬等研究表明种植黄花草木樨后，除了土壤全钾和速效磷含量下降以外，土壤有机质、水解性氮、全氮、全磷、速效钾养分含量均明显增加[40]；魏忠平等研究认为在北方泥质海岸盐碱荒地上种植田菁、苜蓿两种牧草增加了土壤速效氮含量，降低了速效磷含量[42]；也有人认为植物的落叶和根系等有机物质的输入，能够增加土壤中的有机物质和无机养分，促进微生物的分解作用，最终提高土壤有效养分含量，这些研究结果的不同，可能是由于种植植物的种类、植物所处的生长发育阶段、或研究区域盐渍化土壤基本理化性状不同的引起的。本研究以5种不同植物为材料，并连续种植2年，其结果表明种植5种植物土壤速效养分含量均有显著的提高，土壤速效氮、速效磷、速效钾含量分别增加了27.6%～43.9%、32.7%～43.6%、25.0%～35.2%，其中种植田菁土壤速效养分含量增加的幅度最为显著，碱解氮、速效磷、速效钾分别提高了43.9%、43.6%和36.4%。

土壤pH、全盐量、碱化度是盐碱土的重要属性，也是限制植物生长的主要障碍因素[47]。与以往很多研究结果相类似[48-49]，本研究表明在河套灌区盐渍土上连续种植2年植物可以有效地促进土壤脱盐、降低土壤盐碱化程度。土壤pH由种植前的8.98～9.11降低到种植后的8.73～8.92、土壤全盐由种植前的5.88～6.78 g·kg-1降低到种植后的4.32～4.91g·kg-1、土壤碱化度由种植前的28.6%～33.2%降低到种植后的20.0%～21.1%，其中不同植物对土壤脱盐效率影响较为显著，特别种植田菁和高丹草土壤脱盐率达33.9%，这与前人研究结果相一致，认为种植田菁盐渍化土壤脱盐率达6.1%～46.0%[33]。

因此，在河套灌区盐渍化土壤上，通过种植不同类型植物，均能不同程度的改善土壤物理性状，提高土壤养分含量，耕层土壤逐渐脱盐，使土壤环境向着良性发展，实现盐渍化土壤的生物改良与河套灌区盐碱地的可持续利用，这对于干旱半干旱灌区盐渍化土壤的改良和治理有积极作用。

4 结 论

在本研究试验条件下，不同种类植物均对盐渍化土壤有一定改良作用，可改善土壤结构，增加土壤孔隙度，降低土壤容重和盐碱化程度，提高土壤肥力；但因不同植物的生物生态学特性不同，其改土培肥能力也有所不同。不同类型植物对盐渍化土壤物理性状的影响程度各不相同，其改善程度依次为：高丹草>田菁>湖南稷子>燕麦>草木樨>对照；种植不同类型植物后土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量均有不同程度提高，其改良效果存在着差异，其中田菁处理增加土壤有机质、全氮和速效氮磷钾含量效果最显著。经不同类型植物改造作用，土壤盐渍化程度降低，土壤pH下降了0.18～0.38个单位，土壤全盐含量下降了1.51～2.30 g·kg-1，土壤碱化度下降了7.6～13.2百分点，其中种植高丹草和田菁对促进土壤脱盐效果最显著。以主成分分析法和隶属函数分析法对不同植物对盐渍化土壤改良效果进行综合评价，其改良效果依次为：田菁>高丹草>湖南稷子>草木樨>燕麦。