草谷子的防风固沙潜力试验研究

2022-08-16高天明郭建英白寅祯

中国水利 2022年14期

高天明，郭建英，白寅祯，刘虎

（1.中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，100038，北京；2．内蒙古蒙草土壤科技有限责任公司，010020，呼和浩特）

谷子(Setaria italica)为禾本科狗尾草属一年生草本植物，是起源于中国北方最古老的作物之一，草谷子是饲用栽培品种。草谷子质地柔软，营养丰富，适口性好，是我国历史上重要的军草。国内外许多学者对草谷子开展了大量研究工作，主要集中在品种选育、栽培技术、生产性能、饲用价值、病虫害防治等方面，其留茬也能起到抑制农田土壤风蚀的作用。但是，将草谷子作为一种防风固沙植物应用在水土保持建设工程中的研究还较少。植被恢复是水土保持建设成败的关键因素和衡量指标，水土保持建设工程往往地处偏远，灌溉设施不足，加之土壤保水性差，如何保障播种的植物在地表土壤变干以前能够出苗，对于植被建设至关重要，这就需要植物具备较快的出苗速度，并且出苗后生长迅速，尽快提高植被盖度。

阴山北麓草原是我国北方重要的天然生态屏障和草地畜牧业生产基地，由于近年来自然和人为干扰，草地退化严重，对于国家生态安全造成严重威胁；鄂尔多斯地区是我国水土流失最为严重的地区之一，近年来煤炭开采发展迅速，加剧了土壤侵蚀和生态破坏，亟待开展水土保持生态修复工程以恢复地区生态功能。本文从出苗与生长速度、抗逆性能、防风固沙、留茬保护播种等方面研究草谷子作为防风固沙植物的潜力。

一、研究区概况与研究方法

1.试验地概况

试验地有两块，1#试验地位于包头市达茂旗希拉穆仁镇境内的内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站内，中温带半干旱大陆性季风气候，年均降水量279.4 mm，年均气温2.5 ℃，年均风速4.5 m/s，地带性土壤为栗钙土，土层厚度一般30cm。地带性植被建群种植物为克氏针茅（Stipa krylovii），伴生冷蒿（Aritimisia frigida）、羊草（Leymus chinensis）、冰草（Agropyron cristatum）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、银灰旋花（Convolvulus ammannii）、狭叶锦鸡儿（Caragana stenophylla）等多年生旱生草本和小灌木。

2#试验地位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗补连乡境内的神东集团武家塔露天煤矿排土场上，半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量358 mm，年平均气温7.3℃，年均风速3.6 m/s。排土场为煤矸石排弃，堆高40 m，铺垫的土层主要是风沙土及少量红土,有时还混有少量煤矸石和碎石等物质，平均厚度50 cm 左右，铺垫的土壤结构不良，养分含量很低，经测定，未经复垦的排土场土壤平均有机质含量为1.14 g/kg、全N 0.12 g/kg，碱解N 4.11 ppm，速P 5.89 ppm，速K46.84 ppm，土壤养分属第六级——极度缺乏水平。

1#试验地开展小区试验，土壤为中强石质沙壤土，较为粗糙，有机质含量13g/kg，碱解氮16ppm，速P4ppm，速K105 ppm，pH 值8.3；小区面积为8 m×17 m，灌溉方式为滴灌，水源为地下水。

2#试验地开展大田试验和小区试验，其中大田试验面积为1 hm2，无灌溉；小区试验面积为10 m×10 m，灌溉方式为滴灌，水源为矿区疏干水，含盐量2.5‰，pH 值7.8。

2.试验设计与研究方法

（1）出苗与生长速度观测

在1#试验地分别于2019年5月5日、5月25日、6月25日、7月25日、8月25日种植草谷子（品种为九根齐），每次种植3 块试验小区，采用便携式手推播种机进行条播，行距40 cm，播深2 cm，播种量约0.3 kg，播后及时灌溉。田间管理主要为及时灌溉和除草。出苗后每隔5～7 d 测量植株高度并记录出苗期、抽穗期、开花期、成熟期等物候期的出现日期。

在2#试验地分别于2019年4月20日、5月8日、5月23日、6月23日、7月23日、8月23日、9月2日种植草谷子，每次种植3 块试验小区，种植品种、方法、田间管理和测量指标同上。

（2）光合作用观测

在2#试验地开展草谷子光合作物日进程观测试验以分析其抗旱性。于2019年6月26日在2#试验地大田试验区采用便携式手推播种机进行条播草谷子（品种同上），行距40 cm，播深2 cm，播种量约25 kg，6月28日试验区降雨15 mm，不进行田间管理。出苗后与2#试验地小区试验区6月23日播种小区于7月14日和7月28日（晴朗无风），从6:00 至18:00 每隔2 h 采用英国ADC 公司生产的LC pro+光合作用测量仪进行光合作用对比观测，观测指标包括净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs。观测时选择向阳中部正常生长的成熟叶片，叶位一致，每株测3 片叶，每叶测3 次。

（3）防风固沙观测

于2019年7月27日、9月4日、11月8日，在2#试验地大田试验区和其上风向50 m 以外选择新排土区裸地样点各1个，采用手持式风速计同步观测近地表30 cm 高度风速10 min。

于2019年7月1日，在2#试验地大田试验区和其上风向50 m 以外选择新排土区裸地样点各3个，安装BSNE 型固定式集沙仪，进沙口朝向主风向——西北方向，进沙口面积2 cm×5 cm，以11°角度渐渐向外扩展，使得充满沙尘的空气一旦进入采沙盒，空气速度马上降下来，然后靠重力作用沉积在集沙盒里。 BSNE 集沙仪由镀锌金属板、18 目和60 目不锈钢筛网构成，其中60 目的筛网用于进行空气交换，18 目筛网用于降低沉积下来的土壤颗粒的运动。按进沙口距地表10cm 和25cm 高度安装2个。每2个月将集沙仪中的风蚀物清空倒入纸袋内，带回实验室，于60 ℃下烘干称重，用于计算输沙率（输沙率=风蚀物重量/进沙口面积×单位时间）。

（4）留茬保护播种观测

于2020年4月25日，在2#试验地大田试验区选择40 m 长、15 m 宽样地1 块，草谷子留茬高度10 cm，在留茬下风向5 cm 处利用便携式手推播种机播种草木樨，播深2 cm，播种量约2 kg，播后立即铺设滴灌管，然后灌溉，水源为矿区疏干水。在2#试验地大田试验区上风向50 m 以外选择新排土区面积相等的无留茬的试验田也采用同样方法播种草木樨作为对比。

记录出苗时间，查看出苗整齐度，记录每行单位长度（滴灌管滴头之间距离30 cm）内幼苗株数；出苗后每隔7 d 左右测量幼苗高度，每块样地选取3 行，每行选3个样点，重复测量3 次；出苗后及每隔7 d 左右利用便携式土壤水分速测仪测量幼苗根区土壤含水量，每块样地选取3行，每行选3个样点，重复测量3 次。

3.数据分析

对数据应用Excel 软件进行原始数据处理并作图，采用spss17.0 软件进行统计分析。

二、结果与分析

1.草谷子出苗与生长速度

图1为两块试验地草谷子从播种至枯萎期间的株高变化。综合看来，草谷子出苗较快，4月下旬至5月上旬播种，10 d 左右出苗，5月中旬至8月播种，5～8 d 出苗，9月播种，仍可出苗，出苗期12 d，即草谷子整个生长季种植均可出苗。抽穗期是草谷子株高快速生长阶段，1#试验地在7月以前播种而2#试验地在8月以前播种可以保证草谷子进入抽穗期，两块试验地6月下旬播种，抽穗最快，为38 d，5月下旬和7月下旬播种，抽穗期45～48 d。

图1 草谷子生长季高度变化

2.草谷子光合生理日进程

图2中，2#试验地在2019年7月14日，小区试验区土壤含水量为12%，相当于田间持水量的67%，而大田试验区土壤含水量为4.9%，相当于田间持水量的27%。 2019年7月28日小区试验区土壤含水量为13%，相当于田间持水量72%，而大田试验区土壤含水量为6.3%，相当于田间持水量35%。光合指标日变化可以反映植物对环境的适应性。草谷子在水分供应充足情况下，其日进程均为单峰曲线，而大田试验区则出现了光合午休现象，日进程均为双峰曲线。但是大田试验区草谷子水分利用效率显著高于试验小区（ɑ=0.95）。说明草谷子即使在干旱条件下也能进行光合作用，并且会提高水分利用效率，具有一定抗旱性。

图2 草谷子光合指标日进程

3.草谷子防风固沙作用

2#试验地大田试验区2019年7月27日、9月4日、11月8日的平均株高为35 cm、71 cm、73 cm。新排土区裸地旷野与草谷子大田试验区近地表30 cm 风速如表1。试验表明，草谷子能够削弱近地表风速54.9%～76.6%，平均69.4%，防风作用非常明显。

表1 新排土区裸地旷野与草谷子大田试验区近地表30 cm 风速

图3中，利用集沙仪分别观测新排土区和大田试验区的风蚀情况。新排土区于2018年秋季完成排土。由于新排土区2019年夏季以前几乎无植被而导致风蚀剧烈，试验表明，草谷子大田试验区5 cm 和25 cm 输沙率明显小于同高度输沙率10 倍以上；进入夏季降雨增多，新排土区一年生植物沙米（Agriophyllum squarrosum）、猪毛菜（Salsols collina）、狗尾草（Setaria viridis）等逐渐增多，加之风力较小，输沙率迅速下降，但仍高于草谷子大田试验区5 倍以上；冬季由于土壤封冻，加之偶尔降雪覆盖，两块试验区输沙率均较低，但新排土区输沙率高于草谷子大田试验区5 倍以上；翌年春季，新排土区一年生植物立枯大量被风吹倒或吹走，随即出现斑秃地块，而草谷子大田试验区为高8 cm 留茬，新排土区输沙率依然高于草谷子大田试验区3～5 倍。由此可见，草谷子植株和留茬均可起到明显抑制风蚀的作用。

图3 新排土区和大田试验区输沙率动态变化

4.留茬保护播种

2020年4月25日分别在新排土区和大田试验区留茬地播种草木樨（Melilotus officinalis），两块样地出苗日期均在5月6日，出苗整齐，幼苗株数均为30～35 株/30 cm，说明两块样地在出苗方面相差无几，留茬保护播种对于草木樨的出苗并无明显影响。 2020年5月6日，对两块样地表层土壤含水量进行了测量，如图4 所示。三次测量结果表明，留茬保护播种样幼苗根区土壤含水量均高于对照样地，平均高15.5%，说明草谷子留茬在防止土壤水分蒸发方面具有一定的作用。2020年5月14日、5月20日和5月30日，分别测量两块样地幼苗高度，留茬保护播种样地幼苗平均高度分别为2.5 cm、6 cm、10.5 cm，对照样地分别为2 cm、5.5 cm、9.5 cm。留茬保护播种样地幼苗平均高度均不同程度高于对照样地，平均高14.9%，说明草谷子留茬保护播种在促进草木樨幼苗生长方面具有一定积极作用。

图4 留茬保护播种样地和对照样地土壤5 cm 和10 cm 土壤含水量

三、讨论

目前，在北方干旱半干旱地区许多水土保持工程建设中，重建设、轻管护的现象依然普遍存在，特别是一些偏远地区，配套设施不足，施工单位往往是播种后采用洒水车灌溉，受运输距离和人员操作的影响，灌溉均匀性和保证率低，出苗不齐导致植被经常出现斑秃地块。特别是采用一些出苗速度慢的豆科灌草植物，更容易出现此现象。因此，一方面需加大工程投入、改善基础设施，另一方面需要种植出苗和生长速度较快的植物。有学者指出谷子喜光喜高温且喜欢生长于通风条件良好的环境中，当土地耕层10 cm 深处的温度稳定维持在8℃左右时可以播种。本研究中，草谷子在春夏气候干凉的阴山北麓地区，5—6月播种，出苗期10～12 d，6—7月播种，出苗期6～8 d，8月播种，出苗期9 d；春夏气候干热的鄂尔多斯地区，4 下旬播种，出苗期10 d，5月播种，出苗期7～8 d，6—8月播种，出苗期5～6 d，9月播种，出苗期12 d。由此可见，草谷子出苗速度与温度密切相关。本研究于2020年4月25日播种草木樨，出苗期12 d，5月30日播种草木樨，出苗期10 d，显然不及同期草谷子的出苗速度。有研究分别在乌鲁木齐和甘肃东南部秋播苜蓿，出苗速度分别为6 d 和10 d，而在关中地区与呼和浩特春播苜蓿，出苗速度为5～6 d。因此，草谷子出苗速度快于草木樨而基本与苜蓿相当。另外，虽然草谷子全生长季均可播种出苗，但是，株高是植物发挥水土保持作用的关键性因素，因此，选择合适播种期尤为重要，要想使其植株足够高以发挥令人满意的水土保持作用，在阴山北麓地区适宜7月以前播种，在鄂尔多斯地区适宜8月以前播种，可以保证草谷子进入抽穗期，株高达到40 cm 以上。

谷子耐旱性较强，素有“旱谷子”之称，在年降水量400～600 mm 的地方都能旱作。本研究也证实了这一点，即使土壤含水量低至4.9%，相当于田间持水量的27%时，草谷子通过提高水分利用效率仍能进行光合作用。值得注意的是，2#试验地灌溉水源为矿区疏干水，含盐量2.5‰，pH 值7.8，属微咸水，而草谷子生长发育完全不受影响，说明草谷子具有一定的耐盐碱能力。相关研究显示，草谷子在环渤海盐碱旱地土壤含盐量0.3%，pH 值8.3 种植具有可行性。因此，草谷子具有较强的抗旱性和耐盐碱性。

本研究中，草谷子留茬保护播种对于作物出苗无明显影响，但由于其增加了地表粗糙度，降低了地表风速，因而可以起到一定程度的防止土壤水分蒸发的作用，进而可以促进作物幼苗的生长。由于草谷子削弱了近地表风速率近70%，抑制风蚀10 倍以上，留茬减少土壤水分蒸发15%以上，因此改善了其他作物苗期生长环境，可提高幼苗生长速率10%以上，直接防风固沙作用非常明显。