不同覆沙厚度下松嫩平原盐碱裸地上的种植效果

胡 娟，周道玮，王晓禹，张 丹，关胜超

（1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 / 中国科学院黑土区农业生态重点实验室 / 吉林省草地畜牧重点实验室，吉林 长春 130102；2. 吉林省洮南市草原工作站，吉林 洮南 137100；3. 长春大学园林学院，吉林 长春 130102；4. 通化师范学院生命科学学院，吉林 通化 134000）

世界陆地表面积13.2 × 109hm2，其中，7 × 109hm2可潜在利用，1.5 × 109hm2为耕地[1]。目前，中国人口13 亿，人均耕地面积仅0.094 hm2，预计2030 年人口将增至16 亿，人均耕地面积将减少到0.067 hm2左右[2]。在人均耕地面积减少的严峻形势下，保障粮食安全的任务越来越艰巨。松嫩平原属农牧交错区，是世界三大苏打盐碱土之一。近年来，受人口压力的影响，松嫩平原土地盐碱化日趋严重，耕地面积的减少和土地生产力的降低导致农作物和饲草产量明显下降[3-6]。因此，扩展农田土地空间是缓解人口压力的重要途径[7-9]。

松嫩平原荒废的盐碱土地上作物很难生长，即使出苗也很难成活，在盐碱土地上覆沙是解决这一问题的有效途径[10]。沙地土壤含盐量低，结构疏松[11]，将风沙土覆盖在中度和重度盐碱土上有沙压碱和沙压盐的作用，也就是人们常说的“沙压碱，赛金板”。沙地土壤有较大的毛管空隙，能抑制盐碱土盐分的上移，使盐分停留在某一深层，从而覆沙层可用于耕作[7,12]。另外，有研究表明，风沙土与盐碱土在一定程度上混合能改善土壤黏沙比例、容重以及疏松度等物理性质，并降低盐分含量，从而提供适合作物生长的环境[12]。盐碱土混入一定比例风沙土后大豆(Glycine max)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、玉米(Zea mays)等旱地作物能正常生长[7]。耐盐作物如黑麦草(Lolium perenne)能成功在覆沙的盐碱地上种植，并改变土壤理化性质[13-14]。因此，在覆沙层可以种植各种不同的农作物或饲草以发展和维护农业及畜牧业经济。

各类农作物或饲草由于习性的差异，在盐碱覆沙地上的种植效果可能不同，且对覆沙厚度的响应可能也存在明显差异。覆沙过薄或过厚，作物根系主要集中在盐碱土层或沙土层，均不利于作物生长，另外，覆沙厚度还决定了投入成本。适宜的覆沙厚度是覆沙造旱田高效种植利用的关键。为此，在松嫩平原盐碱裸地上进行不同厚度覆沙试验，研究农作物或饲草在不同覆沙厚度上的种植效果，以期为覆沙造旱田的高效种植利用提供科学依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于松嫩平原南部，中国科学院长岭草地农牧生态研究站 (44°33′ N，123°31′ E，海拔145 m)。该区属温带大陆性季风气候，春季干旱多风，地表蒸发强烈。年平均气温4.9 ℃，≥ 10 ℃有效积温2 920 ℃·d，无霜期140～160 d，年日照时数2 800 h。年降水量300～500 mm，70%集中在6 月 − 9 月，年蒸发量1 600 mm。该地区地势平坦，以低地平原为主，有带状固定沙丘分布。

1.2 试验设计

于2010 年采用随机区组-裂区设计方法布置试验。在研究区域内选择重度盐碱化土地进行覆沙，分别设10、20、30、40 cm 不同覆沙厚度处理，记为T10、T20、T30、T40，每处理5 次重复。小区面积10 m ×35 m，小区间隔10 m。每处理进行裂区设计随机种植玉米、向日葵(Helianthus annuus)、大麦(Hordeum vulgare)、苜蓿，共16 个处理，80 个小区，小区面积10 m × 7 m。试验用沙土的pH 为8.95，电导率为78.3 μs·cm−1，有机质含量为7.3 g·kg−1；试验地盐碱土的pH 为10.39，电导率为621.3 μs·cm−1，有机质含量为6.6 g·kg−1。

于2010 年覆沙后，2010 年和2011 年在不同覆沙厚度上连续2 年种植玉米、向日葵和大麦；2010 年种植苜蓿，2011 年对苜蓿进行补播。5 月初种植玉米，行距和株距45 cm，种植密度为49 500 株·hm−2；5 月下旬种植向日葵，行距100 cm，株距65 cm，种植密度为915 株·hm−2；4 月初种植或补播苜蓿，行距43 cm，播种量或补播种量67.5 kg·hm−2；4 月初种植大麦，行距43 cm，播种量160 kg·hm−2。玉米和向日葵采用穴播，大麦和苜蓿采用条播，播种前在穴或沟内浇足水。每年基施磷酸二胺25 g·m−2，追施尿素25 g·m−2。于2010 年作物收获后将秸秆残体及枯落物保留在地表。

1.3 样品采集

由于不同作物的播种时间和生育时期不同，于2010 年和2011 年玉米(9 月下旬)、向日葵(9 月下旬)和大麦的成熟期(7 月末)以及苜蓿结实期(10 月初)采集植物样品。玉米和向日葵每小区随机选取15 株，测量株高和茎粗；大麦和苜蓿每小区随机选取0.43 m × 1 m 区域收割地上部分。由于苜蓿的根系分布较深，其生长受深层土壤盐碱的影响较大，因此采用挖掘法取不同土层根系。挖取0 − 10、10 − 20、20 − 30、30 − 40、40 − 60 cm 土层土壤样品，将每层土壤样品带回室内用水冲洗，挑出各层所有根系。玉米、向日葵和大麦的茎叶和籽粒以及苜蓿的地上部分和根系于65 ℃烘干并称重。于2011 年对玉米和向日葵进行考种和测产，并计算向日葵的籽粒饱满度[15]。

1.4 数据分析

采用Excel 2017 统计所有数据；采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析和LSD 多重比较；采用Origin 2017 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 覆沙厚度对玉米生长的影响

覆沙后第1 年不同覆沙厚度玉米均能生长，覆沙20、30、40 cm 处理玉米茎叶干重和籽粒干重明显高 于 覆 沙10 cm 处 理(P ＞ 0.05) (表1)。覆 沙 后 第2 年玉米长势明显好转，除秃尖长外，其他指标均随覆沙厚度的增加而逐渐增加。覆沙20、30、40 cm 处理玉米的茎粗、株高、行粒数和千粒重均显著高于覆沙10 cm 处理(P ＜ 0.05)，覆沙40 cm 处理最高，分别比覆沙10 cm 高29.6%、15.1%、73.3%和66.7%，但其 与 覆 沙20 和30 cm 处 理 差 异 不 显 著(P ＞ 0.05)。秃尖长则相反，覆沙10 cm 处理秃尖长可达2.12 cm，显著高于其他处理(P ＜ 0.05)。覆沙30 和40 cm 处理玉米的穗长和穗轴重均显著高于覆沙10 cm 处理。覆沙40 cm 处理玉米籽粒干重是覆沙10 cm 处理的3.27 倍，覆沙40 cm 处理与覆沙20 和30 cm 处理差异不显著(P ＞ 0.05)。说明增加覆沙厚度可以促进玉米茎粗和株高的增长，促进行粒数和籽粒干重的增加，并减少秃尖长度。

表1 覆沙厚度对玉米生长的影响Table 1 Effects of different sand-cover thicknesses on the growth of Zea mays

第2 年覆沙后，覆沙20 cm 以上显著提高了玉米产量(图1)。覆沙20、30、40 cm 处理玉米产量分别是覆沙10 cm 处理的3.27、2.54、2.50 倍。覆沙40 cm处理玉米产量较覆沙20 和30 cm 处理分别高30.8%和28.7%，但差异不显著(P ＞ 0.05)。这说明覆沙20 cm以上能有效促进玉米增产。

2.2 覆沙厚度对向日葵生长的影响

覆沙后第1 年向日葵的长势较弱(表2)，不同覆沙厚度处理间向日葵茎叶干重没有显著差异(P ＞0.05)，覆沙40 cm 处理向日葵籽粒干重显著高于其他处理(P ＜ 0.05)。第2 年向日葵的长势明显好转。除籽粒饱满度和千粒重外，其他各项生长指标均随覆沙厚度的增加而逐渐增加。覆沙20、30、40 cm 处理千粒重显著高于覆沙10 cm 处理；覆沙30 和40 cm处理花盘直径分别较覆沙10 cm 处理显著增加17.7%和28.1%；覆沙40 cm 处理茎粗分别较覆沙10 和20 cm处理显著提高19.3%和17.4%。说明覆沙厚度的增加可以促进向日葵茎粗与株高的生长，花盘的增大，为种子提供充足的营养。

图1 不同覆沙厚度对玉米产量的影响Figure 1 Effects of different sand-cover thicknesses on the yields of Zea mays

表2 不同覆沙厚度对向日葵生长的影响Table 2 Effects of different sand-cover thicknesses on the growth of Helianthus annuus

第2 年覆沙后向日葵的产量结果表明，覆沙40 cm处理向日葵产量最高，较覆沙10 cm 处理高49.9%(P ＜ 0.05)，较覆沙20 和30 cm 处理分别高14.3%和12.4%，但差异不显著(P ＞ 0.05) (图2)。覆沙20 和30 cm 处理产量分别较覆沙10 cm 处理高31.2%和33.4%，但未达显著水平，且覆沙20 和30 cm 处理间没有明显差异。说明覆沙40 cm 处理才能显著提高向日葵产量。

图2 不同覆沙厚度对向日葵产量的影响Figure 2 Effects of different sand-cover thicknesses on the yields of Helianthus annuus

2.3 覆沙厚度对大麦生长的影响

覆沙后第1 年不同覆沙厚度大麦的单株茎叶干重和单株籽粒干重均较低(图3)，覆沙20 cm 处理大麦生长状况好于其他处理，但差异不显著(P ＞ 0.05)。第2 年大麦长势明显好转，覆沙40 cm 处理大麦的茎叶干重和籽粒产量均最高，分别是覆沙10 cm 处理的2.65 倍和3.69 倍。覆沙40 cm 处理大麦茎叶干重较覆沙20 和30 cm 处理分别高51.1%和39.5%，大麦籽粒产量分别高54.8%和42.5%，但均未达显著水平，且覆沙20 和30 cm 处理间没有明显差异。说明覆沙40 cm 处理才能显著提高大麦茎叶干重和籽粒产量(P ＜ 0.05)。

2.4 覆沙厚度对苜蓿生长的影响

覆沙后第1 年苜蓿长势较弱，最高单株地上部干重仅约5.1 g (图4)，但覆沙20 和30 cm 处理地上部干重显著高于覆沙10 和40 cm 处理(P ＜ 0.05)，以覆 沙30 cm 处 理 最 高。20 和30 cm 处 理 之 间 以 及10 和40 cm 处理之间差异不显著(P ＞ 0.05)。

覆沙30 cm 处理苜蓿分枝数最多，但与其他覆沙处理间差异不显著(P ＞ 0.05)。覆沙20 、30、40 cm处理苜蓿的株高显著高于覆沙10 cm 处理(P ＜0.05)，覆沙30 cm 处理略高于覆沙20 和40 cm 处理(图5)，但三者之间差异不显著(P ＞ 0.05)。说明覆沙20 cm 及以上对苜蓿株高的增长有显著促进作用，而对分枝数的影响不显著。覆沙30 cm 处理苜蓿的干草产量最高，为8 597 kg·hm−2，是覆沙10 cm 处理的3.30 倍，两者间差异显著。这说明覆沙30 cm 最有利于苜蓿生长。

图3 不同覆沙厚度对大麦茎叶干重和籽粒产量的影响Figure 3 Effects of different sand-cover thicknesses on the stem and leaf dry weight and grain yield of Hordeum vulgare

图4 不同覆沙厚度对覆沙后第1 年苜蓿地上部干重的影响Figure 4 Effects of different sand-cover thicknesses on the aboveground dry weights of Medicago sativa in first year

覆沙20、30、40 cm 处理0 − 60 cm 土层苜蓿总根生物量分别较覆沙10 cm 处理高20.5%、28.8%、21.3%，覆沙30 cm 处理显著高于覆沙10 cm 处理(P ＜0.05），并高于覆沙20 和40 cm 处理，但差异不显著( P ＞ 0.05）(图6)。不同覆沙厚度处理根生物量均主要分布在0 − 10 cm 土层，且随土层深度的增加有降低的趋势。覆沙10、20、30、40 cm 处理0 − 10 cm 土层根生物量占0 − 60 cm 土层总根生物量的65.9%、53.5%、44.6%和56.4%。覆沙30 cm 处理在10 − 20 cm土层也有较多的分布，占总根生物量的33.7%。

3 讨论

图5 不同覆沙厚度对苜蓿生长指标及干草产量的影响Figure 5 Effects of different sand-cover thicknesses on the growth index and hay yields of Medicago sativa

图6 不同覆沙厚度对苜蓿根干重的影响Figure 6 Effects of different sand-cover thicknesses on the root dry weight of Medicago sativa

在松嫩平原荒芜废弃的盐碱土地上，植物生长困难，大多数植物的出苗受到抑制，且成活率很低，而覆沙是解决此问题的有效途径。Bakker 等[16]在盐碱裸地上覆沙成功种植了大麦。本研究结果也表明，将沙土覆盖在盐碱裸地上能成功种植玉米、向日葵、大麦及苜蓿。然而覆沙第1 年4 种作物长势较弱，苜蓿的单株地上部干重以及大麦的单株茎叶干重、单株籽粒干重最高仅约5.0 g，而玉米的单株籽粒干重几乎为零，且不同覆沙厚度处理间没有显著差异。这是因为覆沙后土壤的pH 和含盐量显著降低，土壤的理化性质也能得以改善，4 种作物均能正常出苗和生长。但覆沙当年作物长势较弱，一方面可能由于覆沙当年土壤性质改善的效果还未充分体现，另一方面，沙土的土壤空隙较大，易漏水漏肥，作物生长可能受到水、肥的限制。覆沙后第2 年4 种作物的长势明显好转，并且生长稳定。这是由于覆沙后随年限的增加，沙土和盐碱土可能在一定程度上发生混合，改善土壤理化性质及物理结构，并降低土壤含盐量，为作物生长提供较好的环境[12]。另外，本研究在第1 年作物收获后将秸秆残体和枯落物保留在地表，作为外源有机物料为沙土输入养分以提高土壤肥力[17-20]。

不同覆沙量对陕北盐碱地的改良和利用效果表明，覆沙15 cm 能显著提高黑麦草的生长和产量[13]。本研究表明，不同作物对覆沙厚度的响应存在差异。覆沙20 cm 以上玉米的籽粒产量显著高于覆沙10 cm；覆沙30 cm 苜蓿干草产量和根干重高于其他覆沙厚度；覆沙40 cm 向日葵和大麦的籽粒产量显著高于覆沙10 cm。这一方面与作物的生长习性有关，另一方面与不同覆沙厚度为作物生长提供的不同耕层环境有关。关胜超[10]对不同覆沙厚度土壤水分及盐碱的变化做了相关研究，发现覆沙后土壤含水量、pH 和电导率均在沙土层明显低于盐碱土层，且随沙土深度的增加而增加，同一沙土层随覆沙厚度的增加而降低。当覆沙厚度达到40 cm 时，向日葵和大麦的各项生长指标才表现出显著的增加，这说明向日葵和大麦的生长对覆沙厚度的响应较慢，可能与其较强的耐盐碱能力有关[21-22]。覆沙20 cm 以上玉米的茎粗、株高、行粒数、千粒重及产量均显著增加，说明覆沙20 cm 以上能显著促进玉米生长及产量形成。覆沙10 cm，玉米根系主要分布在盐碱土中，易受盐分危害。覆沙40 cm 玉米产量高于覆沙20 cm 和覆沙30 cm，但未达显著差异。这可能是由于玉米根系可深入到土壤140 cm 以下，但80%集中分布在0 − 20 cm 土层。土壤养分或水分缺乏是导致玉米秃尖的原因之一。结果表明，覆沙20 cm 以上玉米秃尖长显著低于覆沙10 cm，说明尽管覆沙20 cm 以上，玉米根系避免了盐碱危害，但也受到水、肥的限制。覆沙10 cm 每公顷需花费约6 000 元，种植玉米每公顷投入成本约3 500 元。按玉 米 市 场 价(约2 CNY·kg−1)计 算，覆 沙10、 20、30 和40 cm 玉米产值分别为3 434、8 596、8 739 和11 243 CNY·hm−2。覆沙20、30、40 cm 玉米的产量和产值没有显著差异，但3 年左右即能收回成本，因此，覆沙20 − 40 cm 均可。对于苜蓿来说，覆沙30 cm苜蓿的干草产量和总根干重高于其他覆沙处理，并且根系除了主要分布在0 − 10 cm 土层之外，在10 −20 cm 土层也有较多的分布。说明覆沙30 cm 能保证苜蓿有充足的水分，又能减缓盐分对其生长的限制，这可能与苜蓿的固氮作用及根系对土壤的疏松作用有关[23-26]。

松嫩平原西部广阔的沙地和盐碱地为覆沙造旱田提供了物质条件。本研究结果为覆沙种植利用盐碱地提供了理论依据，今后还需进行更为深入的探究，包括在更长的时间尺度上监测土壤理化性质，种植更多种类的作物和牧草，选择最适宜覆沙地种植的品种，以获取最高的收益。

4 结论

松嫩平原盐碱裸地覆沙能成功种植玉米、向日葵、大麦和苜蓿，覆沙当年作物的长势较弱，对不同覆沙厚度响应不明显；覆沙第2 年作物长势较好，不同覆沙厚度种植效果存在显著差异。从作物的生长指标及产量可知，种植玉米和苜蓿推荐覆沙20 cm以上；种植向日葵和大麦推荐覆沙40 cm。综合考虑覆沙成本以及不同覆沙厚度种植作物的投入产出比，推荐覆沙20 cm 以上种植玉米，在3 年左右能收回覆沙成本，并能产生高效益。这不仅对盐碱土有改良作用，同时还能有效利用盐碱土，对松嫩平原农牧业的可持续发展具有重要意义。