覆沙对松嫩平原盐碱裸地的改良和利用效果研究

胡 娟，周道玮，关胜超，张 丹

（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/吉林省草地畜牧重点实验室，长春130102；2通化师范学院生命科学学院，吉林通化134000；3长春大学园林学院，长春130102）

0 引言

受地理位置、土壤母质、土壤冻融、土壤水分、风沙运移等自然因素以及不合理放牧、不恰当的农业、经济政策等人类因素影响[1]，松嫩平原南部的草甸发生盐碱化，形成荒芜废弃的盐碱化土地[2]。导致农田产量下降，草地生产力降低，严重制约当地农牧业可持续发展[3-4]。

土壤水分蒸发引起的土壤盐分表聚是土壤次生盐碱化形成的重要原因之一。许多研究报道沙土可以增加土壤透水性，减少水分蒸发，促进深层排水并增加脱盐区域[5-6]。沙地土壤具有含盐量低，结构疏松的性状[7]，在立地盐碱土上覆盖风沙土限制下层盐碱土的盐分向上移动，可以起到“沙压碱”的作用。有研究表明，在盐碱地上覆沙，沙土和盐碱土可能在一定程度上发生混合，混合后的土壤盐分含量低于混合前的盐碱土，也可以用来发展耕作[2]。在荒废的盐碱土地上实行覆沙造旱田，提高农作物和饲草生产力，对抑制土壤盐碱化，改善区域生态环境，维护区域经济及畜牧业可持续发展具有重要意义[8-10]。松嫩平原属半干旱气候，土地盐碱化和沙漠化现象非常严重。松嫩平原南部的盐碱地和沙地交错分布[11]，这为“覆沙改良盐碱地”和“覆沙造旱田”提供了有利条件[2]。

有关覆沙的研究大多集中于保持土壤水分方面[12-13]，覆沙改良及利用盐碱地的研究较少，而不同覆沙厚度以及覆沙后种植作物对盐碱地改良和利用缺少科学研究。本研究在荒废的盐碱化土地上进行不同厚度覆沙并种植农作物和饲草，探究不同覆沙厚度对盐碱地改良及覆沙造旱田的利用效果，以期为覆沙改良及利用松嫩平原盐碱地提供理论基础和事实依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于中国科学院长岭草地农牧生态研究站(44°33′N，123°31′E)，地处松嫩平原南部农牧交错区，区内地势平坦，以低平原为主，有带状沙丘分布，平均海拔145 m。该地区属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，年降水量为427 mm，且70%集中在6—9月。年蒸发量为1600 mm。年均气温为5.9℃，无霜期140天，＞10℃有效积温为2900～3000℃。土壤类型为草甸盐碱土，pH 7.5～10.5。

1.2 试验设计

于2010年布置试验，采用随机区组-裂区设计方法。在研究区域内选择不能生长植被的重度盐碱化土地进行覆沙试验，分别设置10、20、30、40 cm不同覆沙厚度处理，分别记为T10、T20、T30、T40，每处理5次重复。小区面积10×35 m2，小区间隔10 m。每处理进行裂区设计随机种植玉米、向日葵、紫花苜蓿、黄花草木樨，并以自然生长为对照，共20个处理，100个小区，小区面积10×7 m2。沙土和盐碱土酸碱度分别为pH 8.95和pH 10.39，电导率分别为78.3 μS/cm和621.3 μS/cm，有机质分别为7.3 g/kg和6.6 g/kg。实验地盐碱土0～60 cm土层土壤pH和电导率见表1。

表1 实验地0～60 cm土层土壤pH和电导率

2012年和2013年5月初种植玉米，行距和株距45cm；5月下旬种植向日葵，行距100 cm，株距65 cm；2012年4月种植紫花苜蓿，行距43 cm，2013年5月初补苗；2011年8月中旬种植黄花草木樨，行距43 m。播种方式均采用平播，播种前在穴或沟内浇足水。每年基施磷酸二胺25 g/m2，追施尿素25 g/m2。采用人工方法控制杂草和害虫。秋季收获后将枯落物和秸秆等植物残体保留在田内。

1.3 样品采集及指标测定

每年5月至9月在自然生长小区采集土壤样品。每 15 天一次，取样深度 0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm。采用烘干法测定土壤含水量。每年9月末在所有小区采集土壤样品，取样深度如上。采用pHS-3C型pH计和DDS-307型电导仪测定pH和电导率，水土比为5:1。

每年9月下旬在玉米和向日葵小区随机选取15株，测量株高，收集地上部茎叶和籽粒，并采用挖掘法完整取出根系。用籽粒重量折算产量。每年7月末紫花苜蓿第1次收割，每小区随机选取0.43 m×1 m区域，收割地上部，并做好取样点标记；每年10月第2次收割，同时采用挖掘法取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。每年9月中旬每小区随机选取0.43 m×1 m样方齐地面收割黄花草木樨，并挖取0～30 cm土层根系。地上部、根系及籽粒于65℃烘干至恒重并称重。

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LSD多重比较；采用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 覆沙对土壤含水量的影响

由图1可以看出，生长季内土壤含水量(SWCs)随降水而发生变化。降水发生时各覆沙处理SWCs增加，处理间差异减小；降水后SWCs下降，处理间差异增大。2012年SWCs从6月11日至8月13日持续增加，并在9月13日有较高的SWCs。2013年SWCs在7月15日和8月30日有2个明显的峰值。

图1 2012—2013年不同覆沙厚度土壤含水量在生长季内的动态变化

由表2可以看出，覆沙处理SWCs随沙土深度的增加而增加，随盐碱土深度的增加有降低趋势。2012年和2013年T10处理10～20 cm土层SWCs较0～10 cm土层高33.1%和36.5%，说明在盐碱土表层有较高的含水量。2012年覆沙20 cm以上盐碱土表层SWCs与沙土最底层没有明显差异，而2013年高于沙土最底层，T20处理高22.6%，最为明显。不同覆沙厚度盐碱土表层SWCs表现为T10＞T20＞T30＞T40，并且同一土层SWCs也随覆沙厚度的增加而降低。2012年和2013年T10处理盐碱土表层SWCs较T20处理高25.56%和26.12%；T20处理较T30处理高34.19%和12.62%；T30处理较T40处理高10.70%和15.54%。

表2 2012—2013年不同覆沙厚度SWCs在0～60 cm土层的变化 %

2.2 覆沙对土壤pH与电导率的影响

由图2可以看出，覆沙处理土壤pH随沙土深度的增加而增加，随盐碱土深度的增加变化不明显，且沙土层pH显著低于盐碱土层。2013年T10处理0～10 cm土层pH较10～20 cm低3.91%；T20和T30处理最底层沙土pH较盐碱土表层分别低4.19%和2.35%；而T40处理仅低0.78%。0～20 cm沙土层pH随覆沙厚度的增加而降低，2013年0～10 cm土层T20处理土壤pH较T10处理低3.55%；10～20 cm土层T30处理较T20处理低3.91%。2013年20～30 cm土层T40处理与T30处理土壤pH没有明显差异。

图2 2012—2013年不同覆沙厚度土壤pH和电导率在0～60 cm土层的变化

覆沙处理明显降低了表层盐碱土的电导率，2012年和2013年分别由初始的621 μS/cm降低至389～466 μS/cm和413～594 μS/cm。覆沙处理土壤电导率随沙土深度的增加而增加，沙土层电导率显著低于盐碱土层，且表层盐碱土电导率显著低于下层盐碱土。2013年T10处理0～10 cm土层电导率较10～20 cm低57.79%；T20、T30和T40处理最底层沙土电导率较盐碱土表层分别低42.54%、43.74%和21.06%，且显著高于其他沙土层。同一土层电导率随覆沙厚度的增加有降低的变化趋势，在0～30 cm土层变化更明显。2013年0～10 cm土层，T20处理电导率较T10处理低34.85%；10～20 cm 土层，T30处理较 T20处理低90.84%；20～30 cm 土层，T40处理较 T30处理低32.82%。

2.3 覆沙后种植农作物和饲草对沙土层土壤pH与电导率的影响

由图3可以看出，不同覆沙厚度种植农作物和饲草沙土层pH和电导率有明显差异。覆沙20 cm以上种植紫花苜蓿以及覆沙30 cm以上种植黄花草木樨明显降低沙土层pH和电导率。2012年和2013年T30处理沙土层电导率分别降低23.1%和43.5%。覆沙20 cm以上种植玉米和向日葵沙土层pH和电导率略有增加，但差异不显著。

图3 2012—2013年不同覆沙厚度种植农作物和饲草沙土层土壤pH与电导率的变化

2.4 覆沙对农作物和饲草生长的影响

2.4.1 覆沙对玉米生长的影响 由图4可以看出，2012年和2013年覆沙20 cm以上玉米的株高、地上部干重、根干重及产量显著高于覆沙10 cm。产量随覆沙厚度的增加而增加。2012年T20、T30和T40处理产量较T10处理分别高204.8%、298.5%和372.3%，但处理间差异不显著；2013年分别高196.0%、291.6%和329.5%，T40处理较T30处理高9.7%，未达显著差异，但均显著高于T20处理。与2012年相比，2013年覆沙处理各项生长指标及产量均有所提高。

图4 2012—2013年不同覆沙厚度对玉米生长的影响

2.4.2 覆沙对向日葵生长的影响 由图5可以看出，2012年T40处理地上部干重和根干重显著高于其他覆沙处理，T40处理产量较T30处理高51.2%，未达显著差异，但均显著高于T10和T20处理。2013年T40处理株高、地上部干重及产量较T30处理分别高4.7%、23.5%和5.5%，未达显著水平，但均显著高于T10和T20处理。与2012年相比，2013年覆沙处理明显提高了地上部干重和根干重，但株高和产量增加不明显，甚至2013年T40处理产量有所下降。

图5 2012—2013年不同覆沙厚度对向日葵生长的影响

2.4.3 覆沙对紫花苜蓿生长的影响 由图6可以看出，2012年和2013年T20、T30和T40处理产量显著高于T10处理。2012年T30处理产量较T20和T40处理分别高30.8%和10.2%，但均未达显著差异。2013年各覆沙处理产量较2012年有明显提高。

图6 2012—2013年不同覆沙厚度对紫花苜蓿生长的影响

0～60 cm土层紫花苜蓿总根生物量表现为T30＞T20＞T40＞T10，2012年和2013年T30处理总根生物量较T20处理分别显著高10.7%和55.9%。随土层深度的增加根生物量有降低的趋势，但不同覆沙厚度处理根系在不同土层中的分布有明显差异。T10处理根系主要分布在0～10 cm，2013年占总根生物量的78.5%，是10～20 cm根生物量的6.4倍。T20和T30处理根系主要分布在0～20 cm，2013分别占总根生物量的75.1%和81.5%。T40处理根系主要分布在0～30 cm，2013年占总根生物量的90.5%。

2.4.4 覆沙对黄花草木樨生长的影响 图7表明，2012年产量和根生物量随覆沙厚度的增加没有明显变化。2013年覆沙20 cm以上产量和根生物量显著高于覆沙10 cm，但T20、T30和T40处理间差异不显著。与2012年相比，2013年产量明显增加，但根生物量有所下降。

图7 2012—2013年不同覆沙厚度对黄花草木樨生长的影响

2.5 覆沙处理和年份的双因素方差分析

由表3可以看出，覆沙厚度、实验年份及其交互作用是影响SWCs、pH、电导率以及农作物和饲草产量的主要因素。覆沙厚度显著影响SWCs(P＜0.01)、玉米产量(P＜0.01)、向日葵产量(P＜0.01)和紫花苜蓿产量(P＜0.05)。年份显著影响土壤含水量(P＜0.01)、pH(P＜0.01)、电导率(P＜0.05)及玉米、紫花苜蓿、黄花草木樨产量(P＜0.01)。覆沙厚度与年份的交互作用显著影响pH(P＜0.01)、EC(P＜0.01)和向日葵产量(P＜0.05)。

表3 覆沙厚度、年份及其交互作用对SWCs、pH、EC以及农作物和饲草产量的方差分析

3 结论

不同覆沙厚度不同程度降低表层盐碱土电导率，对盐碱地具有一定的改良作用。不同覆沙厚度0～60 cm土层土壤含水量、pH和电导率存在明显差异，均表现为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。在不同覆沙厚度上连续2年种植玉米和紫花苜蓿增产效果显著，均推荐覆沙30 cm，且覆沙30 cm种植紫花苜蓿能明显降低沙土层电导率。

4 讨论

合理改造并利用盐碱地是保证松嫩平原农作物和饲草生产可持续发展的关键。覆沙是改造和利用盐碱地的重要途径之一。研究发现，覆沙后土壤含水量在生长季内的变化受降水和蒸发的影响。降水发生时各覆沙处理土壤含水量增加，且处理间差异减小；之后各覆沙处理土壤含水量降低，且处理间差异逐渐增大，表现为覆沙10 cm和20 cm明显高于覆沙30 cm和40 cm。这是因为覆沙厚的处理，沙土层所占的比例较大，沙土具有疏松的结构及较大的孔隙，保水性差，水分易下渗。在垂直方向上，覆沙处理土壤含水量随沙土深度的增加而增加，随盐碱土深度的增加有降低趋势，并且在沙土最底层或盐碱土表层有较高的含水量。这是由于盐碱土的透水性较沙土弱，当水分从沙土下渗至盐碱土表层时，下渗受到阻碍而导致水分积累。同一土层土壤含水量随覆沙厚度的增加而降低，如10～20 cm土层是覆沙10 cm的盐碱土表层，具有较高的土壤含水量，是覆沙20、30、40 cm的沙土层，土壤含水量较低，且处理间无显著差异。基于以上分析，土壤含水量在沙土层较低，而在沙土最底层或盐碱土表层较高，因此，为了保证作物有充足的水分，又能减缓盐分对其生长的限制，应当有适宜的覆沙厚度。覆沙过薄，植物根系主要分布在盐碱土中，易受盐分危害；覆沙过厚，植物根系主要分布在沙土中，可能受水分胁迫限制其生长。

土壤酸碱性是土壤化学性质的综合反映[14]。电导率是反映植物受干旱胁迫下细胞膜透性的一个敏感指标[15]。覆沙处理土壤pH和电导率随沙土深度的增加而增加，且沙土层显著低于盐碱土层。一方面沙土本身pH和电导率显著低于盐碱土；另一方面，沙土覆盖在盐碱土上，沙土较大的孔隙度减弱了土壤毛管的连通性，因而减缓盐碱土中盐分的上移，使沙土层维持低盐的耕作层[2]。覆沙后土壤水分垂直变化表明，沙土层土壤含水量较低，在沙土表层至某一深层之间可能形成干土层。干土层土壤水分主要以气态形式存在，无法携带盐分运移[16]，这可能是覆沙阻碍返盐的机理之一。研究还发现，覆沙20 cm以上最底层沙土的pH和电导率高于其他沙土层，表明覆沙后沙土最底部出现了盐碱化现象。一方面是由于沙土层最底层与盐碱土表面接触，盐分易随水上升至此层；另一方面有可能是沙土底层与盐碱土表层发生了某种程度的混合所致[2]。同一土层pH和电导率随覆沙厚度的增加有降低的变化趋势，这与土壤含水量的变化一致。

不同覆沙厚度种植农作物和饲草沙土层土壤pH和电导率有明显差异。研究表明，与对照相比，覆沙20 cm以上种植紫花苜蓿和黄花草木樨明显降低沙土层土壤pH和电导率，而覆沙20 cm以上种植玉米和向日葵沙土层土壤pH和电导率略有增加。本实验对照处理即为不种植任何植物，自然生长的植物主要为狗尾草、细叶藜等一年生植物。紫花苜蓿和黄花草木樨覆盖度最高，其次为对照，玉米和向日葵最低。种植玉米和向日葵，由于植株之间存在一定距离，地面有裸露，蒸发强烈，盐分易上升，因而电导率也较高[17-19]。另外，紫花苜蓿和黄花草木樨属于豆科牧草，其根系较深，能够穿透并疏松土壤，并具有固氮功能，能促进微生物生长，进而改良土壤，降低土壤电导率。

在本实验地区，土壤pH和电导率较高，大多数作物不能正常出苗，即使出苗成活率也非常低，而覆沙解决了这一问题。尽管沙土的pH也较高，但沙土的电导率和各种盐离子含量却显著低于盐碱土[2]。Bakker等报道了在盐碱裸地上覆沙可以成功种植大麦[16]。2012年和2013年连续2年种植结果表明，覆沙后种植玉米、向日葵、紫花苜蓿及黄花草木樨均能较好生长。覆沙20 cm以上显著提高玉米株高、地上部干重、根干重及产量。2012年和2013年覆沙40 cm玉米产量高于覆沙30 cm，未达显著水平，但均显著高于覆沙20 cm，故覆沙30 cm种植玉米有较好的效果。向日葵的株高、地上部干重、根干重及产量也随覆沙厚度的增加而增加，但向日葵对覆沙厚度的响应较弱，只有当覆沙厚度较高时，各项生长指标及产量才表现出显著的增加。这可能是因为向日葵属于耐盐碱作物[20]，有较强的耐盐碱能力，对土壤含盐量变化的响应可能较慢。向日葵对干旱比较敏感[21]，覆沙厚度增加引起的水分降低可能影响向日葵生长，而这种影响可能抵消覆沙增加引起盐分降低对生长的促进作用。与2012年相比，2013年覆沙处理玉米产量有所增加，而向日葵产量增加不明显，甚至在覆沙40 cm产量降低。这是由于本实验在作物收获后将秸秆残体和枯落物保留在地表，一方面保护沙土免受风蚀以增加沙土使用年限，另一方面作为外源有机物料可为沙土输入养分以提高土壤肥力，因而随年限增长有增产的效果。但向日葵对土壤钾的消耗量较大，连作会造成钾元素缺乏，进而导致苗弱且易发生病害，造成产量下降[20]。另外，覆沙厚度对玉米的增产效果好于向日葵，因此推进种植玉米。

覆沙厚度对紫花苜蓿和黄花草木樨这两种豆科牧草的生长也有显著影响。覆沙30 cm紫花苜蓿产量最高，但与覆沙20、40 cm差异不显著。苜蓿对水分的需求量很大，土壤水分的匮缺可能会抑制苜蓿的生长，降低苜蓿产量。紫花苜蓿0～60 cm土层总根生物量表现为T30＞T20＞T40＞T10，说明覆沙30 cm有利于紫花苜蓿根系生长，具有较好的水、盐环境，种植效果最好。黄花草木樨的产量也随覆沙厚度的增加而增加，但覆沙厚度对其产量的影响不显著。这可能是由于黄花草木樨的耐盐性较强[22]，对土壤盐分变化反应不强烈。与2012年相比，2013年黄花草木樨产量明显增加，而根生物量降低，这可能是因为黄花草木樨是二年生草本植物，第1年为营养生长，第2年为生殖生长，在第2年更多的将根生物量转化为地上部产量。覆沙厚度对紫花苜蓿产量的提升效果好于黄花草木樨，苜蓿是多年生植物，具有更深更发达的根系，对于盐碱土的改良效果优于黄花草木樨，推荐种植紫花苜蓿。