秦王川灌区耕地撂荒、种植春小麦和牧草对地表微环境和土壤含水率的影响差异

2020-10-13李馨雨葛承暄吴应珍

绿色科技 2020年16期

李昂, 李馨雨，葛承暄，吴应珍

(1. 兰州城市学院地理与环境工程学院，甘肃兰州 730070；2. 中国地质大学公共管理学院，湖北武汉 430070；3.甘肃省耕地质量建设管理总站，甘肃兰州 730000；4.甘肃农业大学马克思主义学院，甘肃兰州 730070)

1 引言

甘肃自1994年建成“引大入秦”灌溉工程以来，由于种植作物生育期较短，浇水时采取大水漫灌，致使地下水位持续升高，近30%面积耕地受到盐碱威胁[1,2]。以往研究显示，土壤盐碱产生规律为“盐随水来，盐随水去”[3]。改良盐碱地不仅要降低土壤盐碱，更要提高土壤养分，鉴于此，生物措施防治土壤盐碱受到普遍关注[4]。如李昂等研究发现[2]，种植牧草可降低土壤盐含量；李发明等研究发现[4]，种植苜蓿不仅能降低土壤盐含量，而且还能提高土壤养分。尽管前人已在利用生物措施防治土壤盐渍化方面做了大量研究，但很少涉及地表植被、地表微环境因素及土壤水分变化动态。为此本文以秦王川灌区撂荒地、种植春播作物和牧草地为研究对象，通过测定和分析地表植被特征指标和地表微环境相关指标及土壤水分含量，探寻种植牧草和春小麦对地表微环境及土壤水分的影响差异，据此为该区防治耕地盐渍化提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况及试验设计

试验区位于甘肃省永登县秦王川灌区北部的上川镇下古山村(海拔2000 m，东经103°33′，北纬36°45′)。这里年均降雨量仅288 mm，而蒸发量高达1888 mm，为典型半干旱大陆性气候[2,5]。试验设裸地(CK)、小麦(Triticumaestivum)和苜蓿/披碱草(Medicagosativa/Elymusnutans)牧草地3个处理，重复4次，随机区组排列。3月末统一播种，4月中旬陆续出苗。7月末收获小麦，10月霜冻来临之前收获牧草。

2.2 试验指标测定

试验期内对地表植被特征量(盖度、高度和生物量)进行测定，同时利用相关仪器对地表光照强度、温度、湿度和土温(地下5 cm深处)进行测定；最后用土钻分层(0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm)取土样，带回室内进行土壤含水率测定。

3 结果与分析

3.1 地表植被特征指标间差异

就植被盖度而言(图1a)，小麦收获前(7月份)，苜蓿/披碱草的盖度显著大于小麦(p<0.05)；10月份，因小麦收获后地表仅有少量根茬覆盖，故牧草的盖度仍比小麦大。就植被高度而言(图1b)，苜蓿/披碱草和春小麦间差异与其盖度间差异类似。就植被生物量而言(图1c)，7月份，小麦生物量显著大于混播牧草；10月份，尽管牧草前期也进行了刈割，但在秋雨的浇灌下，混播牧草生物量大于小麦地表根茬量。

3.2 地表微环境因素间差异

就地表光照强度而言(图2a)，试验开始时(3月份)，因小麦和牧草刚播种、地表裸露，故不同处理间差异不显著(p>0.05)；7月份，因地表被植被覆盖，使得牧草和小麦地的光照强度显著小于裸地；10月份，裸地和小麦地显著大于牧草地。就地表温度和土壤温度而言(图2b、c)，不同处理间差异与其地表光照强度类似。就地表湿度而言(图2d)，其变化趋势正好相反，7月份因地表植被覆盖，使得牧草和小麦地的地表湿度显著大于裸地；10月份，牧草地显著大于裸地和小麦地。

图1 不同处理植被特征指标间差异

图2 不同处理地表微环境因素间差异

3.3 土壤含水率间差异

由图3a可见，试验开始时(3月份)，裸地、种植小麦和牧草地不同土层的土壤含水率大小顺序均表现为：20～40 cm > 10～20 cm > 5～10 cm >0～5 cm；方差分析显示，不同处理间差异不显著。7月份(图3b)，0～5 cm土层土壤含水率的大小顺序为：牧草地>小麦地>裸地，而其余5～40 cm土层正好相反，大小顺序为：裸地>小麦地>混播牧草地。10月份(图3c)，不同土层土壤含水率变化趋势与7月份类似。

4 讨论及结论

土壤作为农业生态系统的物质基础，承载作物生长、决定农业生产力高低。秦王川灌区自运行以来，因种植作物生育期较短，浇水采取大水漫灌，致使近1/3面积耕地受到盐碱威胁，有些低洼地区甚至绝收[1,6]；加之大量施用化肥，土壤退化导致农作物产量下降，越来越多耕地被弃耕撂荒[6]。土壤质量下降不仅降低农业生产能力，而且还影响周边区域生态环境[7,8]。为了减少耕地撂荒、提高耕地质量，秦王川灌区迫切需要采取种植牧草进行农田生态保育。

就地表植被特指指标而言，播种当年7月份，苜蓿/披碱草混播牧草的盖度和高度明显大于小麦；10月份，混播牧草的盖度、高度和生物量均比小麦高。以往研究显示，地表植被覆盖影响地表微环境[2,3,8]。就地表微环境因素而言，实验开始时，由于作物和牧草刚播种、地表裸露，播种作物和牧草地与裸地的地表光照强度、温度、湿度和土壤温度基本相同；随着植物生长、地表被植被覆盖，7月份，小麦和牧草地与裸地间产生明显差异，其中地表光照强度、温度和土壤温度均明显低于裸地，而地表湿度却显著高于裸地；10月份，由于小麦收获后地表裸露、类似于裸地，故小麦地与裸地的地表光照强度、温度、湿度和土壤温度相近，而与牧草地产生明显差异。

植被覆盖影响地表微环境因素，进而影响其下土壤的含水率。从7月份和10月份试验结果可以看出，耕地0～5 cm土层土壤含水率大小顺序为：混播牧草地>小麦地>裸地，而5～40 cm土层土壤含水率正好相反，大小顺序为：裸地>小麦地>混播牧草地。其原因可能是：由于牧草和小麦植被覆盖地表，使其地表光照强度、温度和土壤温度显著低于裸地，从而造成土壤水分蒸发小于裸地，故0～5cm土层的土壤含水率大小顺序为：混播牧草地>小麦地>裸地；由于水为牧草和小麦生长所必需要素，植物根系从土壤中吸收大量土壤水，从而造成其余土层土壤含水率大小顺序为：裸地>小麦地>混播牧草地。另外，秦王川灌区秋季降雨较多，加之该区日照强烈，此时春播作物都已收割，大量降雨白白蒸发损失造成土壤表层积盐[2,3]；若耕地种植牧草，一方面，可以有效抑制土壤水分蒸发和减弱地表积盐；另一方面，还可充分利用该区有限降雨提高牧草产量。