柠条枝条覆盖对宁夏荒漠草原土壤水热及补播牧草生物量的影响

张茹，李建平，彭文栋，王芳，李志刚*

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川750021；2.盐池农牧科学研究所，宁夏 吴忠751500；3.宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川750021）

干旱少雨是造成干旱半干旱地区草地退化的主要自然因素，土壤水分的缺失导致草地普遍出现土壤干燥化现象，甚至形成土壤干层［1-3］，使草地趋于荒漠化。值得注意的是，宁夏荒漠草地还大面积种植柠条（Caragana intermedia），已引起草地灌丛化，草地土壤养分和水分出现失衡甚至亏缺［4］，灌丛化引起草地出现退化［5-6］。但是，由于开发技术不足和加工成本过高等原因，当地柠条产业化利用不足，长期生长的柠条仍在加速着草地的灌丛化进程。目前，国际上去灌丛化的手段主要是火烧［7］，未见将灌木以资源利用方式进行平茬或去除后覆盖保水、改良草地的研究。陈军锋等［8］研究显示，秸秆覆盖对0～40 cm土层水分、温度有明显影响，覆盖技术能够蓄积土壤水分和减少蒸发，显著改善耕层土壤水热状况［9］。此外，林木枝条覆盖也可以有效保持土壤水分、改善土壤养分、促进植物生长［10］，使生物量增加［11］。因此，本研究拟以宁夏东部风沙区荒漠草地大面积种植的柠条为材料，研究柠条枝条覆盖对荒漠草原土壤水分、温度条件的改善效果和补播牧草生长的促进作用，旨在为宁夏东部风沙区草地的补播改良及恢复提供新的技术支持，同时也为柠条的资源化利用提供新的途径，对草地生态环境保护和资源的有效利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选在宁夏东部草地沙化具有代表性且柠条种植面积大的盐池县，地理坐标为106°03′-107°47′E，37°04′-38°10′N。该区地理位置上属于典型过渡地带，即自南向北，地形上是从黄土丘陵向鄂尔多斯缓坡丘陵过渡，气候上是从半干旱向干旱过渡，植被类型则是从干草原向荒漠草原过渡，盐池县属典型中温带大陆性季风气候，干旱少雨，光能丰富，日照充足，年降水量250～350 mm，年平均蒸散量为1882.5 mm，柠条在该县面积为17.7万hm2，天然草地55.693万hm2，31.78%的草地面积种植柠条。

1.2 试验设计

1.2.1 样地布置 2018年7月，在研究区选择平坦的、未生长柠条的退化天然补播草地作为样地，在临近有柠条生长的草地平茬其枝条用于试验覆盖。草地补播牧草为蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、牛枝子（Lespedeza potanimii）和沙打旺（Astragalus adsurgens），补播日期为2018年6月。

试验地土壤类型为风沙土，0～20 cm土壤pH 8.51～8.86，土壤有机碳1.25～3.32 g·kg-1，全氮0.11～0.24 g·kg-1，全磷1.17～1.88 g·kg-1。所选试验样地常年处于过度放牧中，草地沙化严重，退化草地植被主要物种依次为中亚白草（Pennisetum centrasiaticum）、瘤果虫实（Corispermum hyssopifolium）、猪毛菜（Salsola collina）、猪毛蒿（Artemisia scoparia）、叉枝鸦葱（Scorzonera divaricata）、鹤虱（Carpesium abrotanoides）、赖草（Leymus secalinus）等。按照毛思慧等［12］对盐池县草地沙化程度的划分，试验地属于重度沙化草地。

试验设4个处理（4种柠条枝条覆盖厚度）：TSM0，覆盖0 cm；TSM1，覆盖1 cm；TSM2，覆盖2 cm；TSM3，覆盖3 cm。每个处理3次重复，每个试验小区4 m×20 m。以上柠条枝条利用林木枝条粉碎机粉碎至5～10 cm。

1.2.2 土壤含水量和土壤温度的测定 利用TDR土壤剖面水分传感器（AZS-100 Handheld Meter）测定，水分探测管埋于试验小区中心位置，每次利用探头测定深度为20、40 cm的土壤水分，每10 d测定一次，每年测定日期为4月1日-10月30日。土壤地表温度与土壤水分测定同步进行，利用地温计测定土壤表层0～10 cm温度，在测定土壤水分当天的8：00、14：00和18：00分别测定。

1.2.3 植物地上生物量的测定 分别在每年9月底调查。每个试验小区放置1个1 m×1 m的样方，样方放置位置避开小区中心测定土壤水分的探测管；同时为防止小区的边缘效应，样方设置还应在小区边缘10 cm以内。植被调查地上生物量指标，采用收获法进行，将样方内植物分物种齐地面刈割后带回室内，80℃烘至恒重后称重。

1.3 数据处理

采用Origin 2017作图和SPSS 20.0软件进行数据处理和分析，采用LSD法进行差异显著性检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 柠条枝条不同覆盖厚度对土壤水分的影响

柠条枝条覆盖对草地土壤水分具有显著的影响（图1），但0～20 cm与20～40 cm变化有所不同。就0～20 cm土壤水分而言，与TSM0相比，3种柠条枝条覆盖厚度均表现出具有提高土壤水分的作用，但3种柠条枝条覆盖处理间的土壤水分曲线在试验期内具有交叉或重合的现象，而且覆盖土壤水分平均值与对照相比差异不显著（P＞0.05，表1）。20～40 cm土壤水分不同于0～20 cm，即3种柠条枝条覆盖明显比对照提高了土壤水分含量，且表现出TSM3＞TSM2＞TSM1＞TSM0的趋势。说明柠条枝条覆盖越厚，对20～40 cm土壤水分保持能力越强。此外，处理间的20～40 cm土壤水分平均值也显示，TSM3（2018和2019年）和TSM2（2018年）土壤水分平均值显著高于TSM0（P＜0.05）。

图1 不同覆盖厚度下土壤20和40 cm深度含水量的动态Fig.1 Dynamics of soil 20 and 40 cm water content under different caragana twig mulch thicknesses

2018和2019年土壤水分动态变化的变异系数（表1）表明，处理TSM3和TSM2土壤水分变异系数大于TSM0和TSM1，表明这2种柠条枝条覆盖厚度下土壤水分的变化较其他处理剧烈。即这2个处理可以在降水后快速保持水分，提高土壤水分含量。

表1 柠条枝条不同覆盖厚度下的土壤水分平均值及变异系数Table1 Mean soil water and it’s coefficient of variation under different mulching thickness with caragana twigs（%）

2.2 柠条枝条不同覆盖厚度对土壤温度的影响

在牧草生长季（4-10月），柠条枝条覆盖具有降低草地0～10 cm温度的作用（图2），而且8：00、14：00和18：00的土壤温度总体均随着柠条枝条覆盖厚度的增加出现降低趋势，即处理间表现出TSM3＜TSM2＜TSM1＜TSM0的趋势。研究还显示，土壤温度的最高值出现在7月，TSM3、TSM2、TSM1和TSM0的平均温度分别为38.17、35.71、34.17和32.33℃，且覆盖处理均显著小于TSM0（P＜0.05）。然而，对整个试验期间的平均值统计结果显示，TSM3的土壤温度在2019年显著低于TSM0（P＜0.05，表2）。

此外，对土壤温度的变异系数分析发现（表2），总体上，土壤温度变异系数随着柠条枝条覆盖厚度的增加呈减小趋势，说明覆盖措施具有缓冲土壤温度变化的作用，利于牧草生长。

图2 不同覆盖厚度下土壤温度动态Fig.2 Dynamics of soil temperature under different caragana twig mulch thickness

表2 柠条不同覆盖厚度下0～10 cm土层土壤温度平均值与变异系数Table 2 Mean soil temperature between 0-10 cm and it’s coefficient of variation under different mulching thicknesses with caragana twigs

2.3 柠条枝条不同覆盖厚度对草地补播牧草地上生物量的影响

研究表明，与对照相比，不同覆盖厚度对牛枝子地上生物量都没有显著影响（P＞0.05，图3）。而沙打旺地上生物量TSM3显著高于其他处理（P＜0.05），且其他处理间差异不显著（P＞0.05）。然而，蒙古冰草地上生物量随着柠条枝条覆盖厚度的增加而呈增加趋势，且TSM2和TSM3处理下生物量均显著高于TSM0（P＜0.05）。此外，3种牧草的总生物量亦随着柠条枝条覆盖厚度的增加而呈增加趋势，且TSM3处理的地上生物量显著高于其他3个处理（P＜0.05）。

图3 柠条枝条不同覆盖厚度对补播牧草地上生物量的影响Fig.3 Effects of different caragana twig mulch thickness on biomass of reseeded forages不同小写字母代表在0.05水平差异显著。Different letters mean significant difference at 0.05 level.

2.4 草地补播牧草地上生物量与土壤0～20 cm和20～40 cm水分间的相关分析

相关分析结果表明（表3），蒙古冰草、沙打旺及3种补播牧草的总生物量均与草地20～40 cm土壤水分呈显著正相关（P＜0.05），而与0～20 cm土壤水分相关不显著（P＞0.05）。即0～40 cm土壤水分的提高能显著促进以上牧草的生长。然而，牛枝子地上生物量与0～20 cm和20～40 cm土壤水分均相关不显著（P＞0.05），即牛枝子的生长不受0～40 cm土壤水分的影响。

表3 不同土层土壤水分与补播牧草生物量间的相关分析Table 3 Correlations between soil water in different soil layers and biomass of reseeded forages

3 讨论

3.1 不同柠条枝条覆盖厚度对土壤水热的影响

国内大量的研究表明，秸秆覆盖在一定程度上改变了土壤的渗水性，减少了地表径流和蒸散发损失［13］，具有明显的抑蒸保水效应［14-16］，在作物生产中可以起到保墒、增产和提高水分利用效率的作用，与此同时，秸秆资源也得到了利用，减轻了焚烧秸秆对环境的影响，是发展有机可持续农业的一条有效途径［17］。前人研究各种有机物料的覆盖主要是通过降低土壤温度、抑制土壤蒸发来保持水分的［18-19］，防止土地荒漠化。目前对于作物秸秆覆盖的研究尚多，但用林木枝条覆盖的研究相对较少，李志刚等［20］曾用杨树（Populus）枝条碎屑和垂柳树（Salix babylonica）枝条进行覆盖，得出覆盖可以显著降低土壤温度，抑制土壤水分的蒸发，郭军成等［21］也用林木枝条覆盖提高土壤有机质的含量，并且有效地保持了土壤水分。本试验是将柠条枝条粉碎为5～10 cm，对荒漠草地进行覆盖，一方面利用柠条本身的抗旱性，在荒漠草原中有效的生存，更重要的是利用荒漠草原大量种植的柠条，材料易得。研究表明，柠条枝条覆盖有效地提高了土壤水分，使土壤含水量增加，且随着覆盖厚度（1、2、3 cm）的增加，土壤含水量越高，而且覆盖对于降低土壤温度和抑制土壤水分蒸发的效果与覆盖量的多少呈正比关系［22］，这与刘战东等［23］和刘继龙等［24］的研究结果类似。本研究还表明，覆盖对土壤水分的影响主要在20～40 cm具有显著差异（P＜0.05），TSM3和TSM2土壤水分显著高于TSM0，可能是因为在0～20 cm土层，虽然覆盖对土壤含水量具有一定固持作用，但由于表层的蒸发量依然存在，只是相对蒸发量减小，使得表层的土壤含水量在不同覆盖厚度中无显著差异（P＜0.05）。

土壤含水量与降水量也具有相关性，Chandra等［25］的研究结果表明在干旱的年份里采用秸秆覆盖措施，能够增加土壤含水率和产量，秸秆覆盖后显著提高了耕层土壤的含水量，因为秸秆覆盖后相当于构建了地表与大气之间的缓冲地带，防止太阳光直接到达地面，降低地表土壤温度，从而减少了表层土壤水分的蒸发［26］。秸秆覆盖后，阻隔了土壤中的水分与大气的交换，减少了水分的蒸发量，增加了水分向土层上部的迁移量。本试验对2年数据进行差异性分析，得出2018年8和9月的土壤含水量高于2019年，可能是因为2018年的降水量充足，使得土壤表层0～20 cm和20～40 cm的含水量都大于2019年，由此可知降水量对柠条覆盖后土壤含水量的影响不容忽视。变异系数的大小也反映出柠条枝条覆盖具有保持草地土壤水分的作用，而且覆盖度越高保持效果越明显，本研究表明随着覆盖厚度的增加，变异系数是增大的，并且在2018年TSM3处理下变异系数达到23.7%，说明降水后对水分能够快速起到保持作用，从而快速提高土壤含水量。

研究还表明，同一天不同测定时段，不同覆盖厚度的热效应表现出差异，大体随着覆盖厚度的增加土壤温度降低，2018年8-10月日变化不显著，2019年4-10月TSM0、TSM1、TSM2、TSM3有较大差异。土壤温度的季节变化与当地的气候也有很大关联，杨长刚等［27］和王昕等［28］的研究表明，秸秆覆盖在返青前具有普遍的增温效应，拔节后则表现为显著的降温效应，汪可欣等［29］和蔡太义等［30］的研究也表明，秸秆覆盖对土壤有明显的降温效果，且在低温时有“增温效应”，高温时有“降温效应”。通过大气温度与表层土壤温度差可以知道，秸秆免耕覆盖在低温季节有保持土壤热量的作用，在高温季节有相对降温的作用，这是减少气温变化对地上生物量生长发育过度影响的重要机制。本研究表明，2019年4-7月随着气温的上升，土壤温度逐渐增大，7月达到最高地温38.17℃，然后在8-10月土壤温度逐渐降低，并且变异系数也随着覆盖厚度的增加而减小，对环境具有很好的缓冲作用。表明覆盖相比于无覆盖降低了土壤温度且变幅较小，保持了土壤温度的稳定性［31］。本研究还表明土壤温度随着覆盖量的增加而降低，并在各覆盖厚度之间具有显著性差异，这与王兆伟等［22］的研究结果类似，且覆盖带覆盖秸秆量越大，与土壤紧密结合的同时降温效应也较为突出［32］。

本研究只分析了0～40 cm土层柠条枝条覆盖厚度对土壤水热的影响，柠条覆盖有效地提高了上层土壤的储水量，降低了土壤温度，因此，今后有必要对深层（＞40 cm）的土壤水分进行监测和分析，进而更准确得出该柠条覆盖对深层土壤水热的影响。通过不同的覆盖方式和柠条进行比较，分析对土壤水热的影响。降水量对试验数据也有很大的影响，应将丰水年和平水年的数据也进行测定来判定覆盖对荒漠草原的影响。

3.2 不同柠条枝条覆盖厚度对地上生物量的影响

水分和温度对作物的生产具有重要影响［33］，而土壤温度是改变植物所受温度变化的基础，是植物保持根系活力的重要因素，对农田生产力具有较大影响［34-35］，并且对改善土地荒漠化具有重要的意义。李荣等［36］研究表明，采用玉米（Zea mays）秸秆覆盖，具有较好的降温和保水保墒效果，土壤养分含量明显增加，显著促进了玉米前期的生长。本研究表明，柠条枝条覆盖抑制土壤的蒸发，降低土壤温度，达到保墒蓄水能力，在荒漠草原补播的蒙古冰草、牛枝子和沙打旺这3种牧草的地上生物量都随着柠条枝条覆盖厚度的增加逐渐增大，蒙古冰草和沙打旺在各处理间具有显著差异（P＜0.05），TSM3处理的地上生物量明显高于TSM0，且在20～40 cm土层，土壤水分和蒙古冰草、沙打旺具有显著的相关性（P＜0.05），在0～20 cm没有显著相关性。牛枝子在0～20 cm和20～40 cm都没有显著相关性，表明牧草的地上生物量不仅与土壤的水热条件密切关联，还与牧草本身的生物学特性有重要关系，牛枝子的根为轴根系，播种后当年根长可达50 cm以上，垂直下伸，第2年才开始生长，主根入土深度可达100 cm，其枝条的长度随着水分的多少而变比，由此可得牛枝子的根系较深，与0～40 cm水分可能无显著相关性。由此可得出，柠条枝条覆盖可以改善荒漠草原的墒情，提高补播牧草的丰富度，并且合理有效的治理土地荒漠化。这与李志刚等［37］用杨树枝条进行覆盖提高田间持水率，改善沙化土壤的性质如出一辙。

4 结论

柠条枝条覆盖在0～40 cm土层有效地增加了土壤含水量，且随着覆盖厚度的增加，土壤含水量逐渐增大，20～40 cm比0～20 cm变化更明显，且表现出TSM3＞TSM2＞TSM1＞TSM0的趋势。此外，处理间的20～40 cm土壤水分平均值TSM3（2018和2019年）和TSM2（2018年）土壤水分平均值显著高于TSM0（P＜0.05）。在牧草生长季（4-10月），柠条枝条覆盖具有降低草地0～10 cm温度的作用，而且8：00、14：00和18：00的土壤温度总体均随着柠条枝条覆盖厚度的增加呈降低趋势，其变异系数也随着柠条枝条覆盖厚度的增加而减小。

水热共同作用于牧草的生长发育，良好的土壤墒情可促进植被的生长，本研究通过测定蒙古冰草、牛枝子和沙打旺等补播牧草地上生物量，发现随着柠条枝条覆盖厚度的增加，地上生物量增多，蒙古冰草和沙打旺在柠条枝条不同覆盖厚度间具有显著差异（P＜0.05），TSM3处理的地上生物量显著高于其他3个处理，且蒙古冰草、沙打旺及3种牧草的总生物量均与草地20～40 cm土壤水分呈显著正相关（P＜0.05）。