李 斌,王家平*,李魯華*,鄭 旭,楊 濤,王內(nèi)利
(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 石河子 832003)
鹽堿地是指因土壤鹽分含量過高而導(dǎo)致植物無法正常生長(zhǎng)發(fā)育的土地,遍布的地區(qū)多為干旱、半干旱地區(qū)以及濱海地區(qū)[1]。鹽堿化土壤不僅直接危害到農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育,而且會(huì)對(duì)土地進(jìn)行破壞,降低土壤生產(chǎn)力。我國鹽堿地主要分布在東北、華北、華東和西北四大區(qū)域[2]。新疆是我國鹽堿化面積最大、分布最廣、類型最多和積鹽最重的地區(qū)。新疆鹽堿地面積為2 181 hm2,占全國鹽堿地面積的21%[3-5]。經(jīng)過多年的鹽堿土壤改良,得到了很大程度的改善,目前鹽堿土壤治理仍是大家關(guān)注的熱點(diǎn)[6-7]。
鹽堿地的改良措施包括物理改良、 生物改良和化學(xué)改良三大改良措施。物理改良主要是通過建立完善的排灌系統(tǒng),借助井、溝、渠等配套措施,鉆灌水井、修筑臺(tái)田、埋設(shè)暗管等,達(dá)到灌水適當(dāng)、排水及時(shí)的效果。劉慧濤[8]等研究暗管對(duì)地下水鹽的變化中發(fā)現(xiàn),暗管能增強(qiáng)降水洗淋的鹽分,同時(shí)又能降低地下水位,具有明顯的改良效果。王曉光[9]通過對(duì)暗管排鹽技術(shù)與膜下滴灌技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)節(jié)水15%以上,節(jié)水效果顯著。胡明芳[10]指出,合理的搭配各種改良措施,利用現(xiàn)代生物技術(shù)培育耐鹽品種,建立水鹽監(jiān)測(cè)體系,形成完整的鹽堿土改良技術(shù)。生物改良措施包括兩方面,一是通過生物排水,有效降低地下水位;二是鹽生植物的種植,主要是一些苜蓿、牧草等植物,增強(qiáng)土壤肥力,改善土壤結(jié)構(gòu)。趙振勇[11]對(duì)重鹽堿土上種植耐鹽植物的研究得出,鹽角草較鹽地堿蓬對(duì)Na+和Cl-有很強(qiáng)的聚集特征,在重鹽漬化地區(qū)改良效果明顯。董曉霞[12]等對(duì)耐鹽植物中耐鹽基因進(jìn)行研究,提出對(duì)耐鹽基因轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物的重要性。化學(xué)改良措施的主要原理是通過酸堿中和的方法改良鹽堿土的理化性質(zhì)[13-14]。安東[15]等采用大田試驗(yàn)與玉米室內(nèi)模擬盆栽結(jié)合的研究思路,對(duì)比鹽堿土在施用硫磺、石膏、有機(jī)肥、PAM 等不同改良劑后土壤水分及相關(guān)性質(zhì)的變化,綜合而言,PAM 表現(xiàn)出了最佳效果。楊全剛[16]對(duì)褐煤、硫磺、石膏和糠醛渣4 種改良劑進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),各改良劑都能較好地改良土壤物理性質(zhì),組合配施能得到更好的改良效果。各改良劑單獨(dú)使用對(duì)于不同植物都有不同的改良效果。
農(nóng)作物秸稈還田可起到抑鹽、降鹽、改善土壤水分狀況和土壤物理結(jié)構(gòu)的作用[17-20],是一種適用性較廣的鹽堿地改良措施。李新舉[21]在覆蓋秸稈于鹽堿土的研究中發(fā)現(xiàn),覆蓋秸稈可顯著降低土壤水分蒸發(fā)速度,控制土壤表層鹽分的聚集,隨著覆蓋量的增加,土壤鹽分表聚作用逐漸減弱。吳泠[22]等利用玉米秸稈改良鹽堿土,結(jié)果表明,秸稈處理明顯降低了土壤表層的可溶性離子含量和pH 值,增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物數(shù)量和酶活性。國立財(cái)[23]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田各處理均能提高土壤含水量和田間持水量,并不同程度地提高了土壤脲酶和過氧化氫酶的活性。周連仁[24]等通過秸稈還田改良鹽堿土壤的研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田處理有機(jī)質(zhì)含量增加,1~0.25 mm 和0.25~0.05 mm 的團(tuán)聚體含量有所增加,施用有機(jī)肥后,效果更為明顯。田平[25]通過對(duì)玉米秸稈還田的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田顯著提高了耕層土壤有機(jī)碳和全氮含量。趙亞麗[26]研究發(fā)現(xiàn),深耕和秸稈還田可顯著提高植物的土壤呼吸速率和干物質(zhì)積累量。王雙磊[27]通過棉花秸稈還田改良濱海鹽堿土壤的研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)兩年秸稈還田顯著降低了土壤容重、總含鹽量、水溶性鈉離子含量、pH 值和真菌數(shù)量,使土壤中的細(xì)菌、放線菌數(shù)量、脲酶、過氧化氫酶和棉花產(chǎn)量都有著顯著提高。徐旭[28]通過研究秸稈還田處理伴隨低氮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),適量的秸稈還田與低氮處理,更有助于耕層土壤中根系的生長(zhǎng),增加作物產(chǎn)量,是一種更加環(huán)保和可持續(xù)的農(nóng)業(yè)技術(shù)。目前,干旱區(qū)重度鹽堿地治理主要依靠化學(xué)方法進(jìn)行改良,鹽堿作物產(chǎn)量較低,通過秸稈還田改良鹽堿地比較困難。
油菜不僅是重要的油料作物,也是當(dāng)前旅游的一種主要資源,同時(shí)油菜秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,是一種高品質(zhì)的青貯飼料。華油雜62號(hào)不僅有著生長(zhǎng)周期短、生物量高,還具有耐鹽堿等優(yōu)點(diǎn),研究表明,在pH 為11.2 的鹽堿土壤中種植華油雜62號(hào),青貯飼料產(chǎn)量可達(dá)4.5 t/667 m2以上[29],為重度鹽堿地進(jìn)行鹽堿地改良提供了一種可行途徑。本試驗(yàn)利用不同處理油菜秸稈還田田間原位試驗(yàn),通過不同秸稈還田量模擬最佳重度鹽堿地還田年限,探究秸稈還田量對(duì)于油菜根系生長(zhǎng)發(fā)育的影響。
原位培養(yǎng)試驗(yàn)位于石河子一四六團(tuán) (44°36′1.75″N,85°57′35.72″E),石河子屬于典型的溫帶大陸性氣候,冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒,夏季短而炎熱,年平均降水量100~190 mm,年平均蒸發(fā)量在1 200 mm 左右。無霜期為170 d 左右。≥0 ℃的活動(dòng)積溫為4 100 ℃左右,≥10 ℃的活動(dòng)積溫為3 600 ℃左右。石河子地區(qū)日照充沛,年日照時(shí)數(shù)為2 800 h 左右,北部地區(qū)日照時(shí)數(shù)多于南部地區(qū)。農(nóng)田為重度鹽堿地試驗(yàn)田(試驗(yàn)田pH 為11.2)。
本試驗(yàn)供試作物為飼料油菜(品種為華油雜62號(hào))。設(shè)置對(duì)照不進(jìn)行秸稈還田處理(CK)、單倍秸稈還田處理(Single Straw)、兩倍秸稈還田處理(Double Straw)和三倍秸稈還田處理(Triple Straw)4 個(gè)原位處理,模擬一年、兩年和三年秸稈還田影響,每個(gè)處理3 次重復(fù)。單倍秸稈還田按照飼料油菜在鹽堿地收獲生物量設(shè)置,為4 500 kg/667 m2,兩倍秸稈還田和三倍秸稈還田分別為9 000 kg/667 m2和13 500 kg/667 m2。試驗(yàn)采用機(jī)械土鉆(QTZ - 3D)將深度60 cm、直徑45 cm 的原狀鹽堿土壤取出,把PVC 培養(yǎng)管(深度60 cm、直徑45 cm)放置在土坑里,然后將外緣土恢復(fù)原狀。將取出的鹽堿土充分混勻,在每個(gè)管里放入混勻鹽堿土至培養(yǎng)管30 cm 處。最后將收獲的油菜秸稈剪至2 cm 長(zhǎng)度,按照培養(yǎng)量與鹽堿土混勻,分別放入相應(yīng)的培養(yǎng)管。試驗(yàn)使用底部密封的透明樹脂玻璃根管(與CI-600 配套)監(jiān)測(cè)油菜根系,根管內(nèi)徑64 mm,根管長(zhǎng)度為50 cm,根管埋設(shè)與地面呈45°的夾角,根管俯視投影與油菜中間行平行 (圖1)。根管露出地面的外管壁纏上黑色塑料膠帶,阻止光線透過微根管,以防止影響油菜根系生長(zhǎng)。埋設(shè)完畢后,黑色塑料蓋密封管口,阻隔外界水氣在內(nèi)管壁凝結(jié),預(yù)防在監(jiān)測(cè)時(shí)水珠進(jìn)入損壞儀器。油菜在2018年4月中旬種植,油菜全生育期灌水5~7 次,4 個(gè)處理保持灌水時(shí)間和施肥量一致。

表1 不同深度秸稈還田處理油菜平均根直徑變化特征

圖1 根管布置示意圖
油菜苗期后,每隔10 d 用根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)根系進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用拉桿送下掃描頭,在與掃描頭連接的拉桿上,每隔20 cm 安裝拉桿,使用這些拉桿,把掃描頭送到需要測(cè)量的位置,根據(jù)埋設(shè)角度計(jì)算,得到(0~14 cm、14~28 cm)不同深度根系的分布圖。每次獲取的圖片面積為21.60 cm×15.60 cm,像素密度為1 200 dpi,以TIFF 格式保存在電腦上,在實(shí)驗(yàn)室利用系統(tǒng)配備的WINRHIZOTRON2015a 進(jìn)行分析。
運(yùn)用WINRHIZOTRON2015a(上海澤泉科技有限公司,United States of America)對(duì)試驗(yàn)圖片進(jìn)行處理,然后用SPSS 19.0 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素統(tǒng)計(jì)分析(p =0.05),圖形繪制利用Sigma Plot 12.5 軟件,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
不同秸稈還田處理油菜根長(zhǎng)總體趨勢(shì)都呈現(xiàn)隨生育時(shí)期的推進(jìn)根長(zhǎng)不斷增加。0~14 cm 土壤層中根長(zhǎng)在5月19日生長(zhǎng)速率達(dá)到頂峰,而后緩慢增長(zhǎng);14~28 cm 土壤層中根長(zhǎng)在5月29日達(dá)到頂峰,隨后緩慢增長(zhǎng)。不同秸稈還田處理在0~14 cm土壤層中均與對(duì)照存在著顯著性差異,二倍秸稈還田、三倍秸稈還田處理根長(zhǎng)在5月29日分別為81.2 cm 和83.7 cm,兩處理無顯著性差異。在該時(shí)期之后二倍秸稈還田處理與三倍秸稈還田處理無顯著性差異,表明秸稈還田中三倍秸稈還田對(duì)于油菜根系促進(jìn)作用與二倍秸稈還田無顯著效果。同時(shí)二倍秸稈還田與單倍秸稈還田處理存在顯著性差異,說明對(duì)于油茶根長(zhǎng)的促進(jìn),二倍秸稈還田作用效果更加明顯。在14~28 cm 土壤層中單倍秸稈還田處理與對(duì)照無顯著性差異,與二倍秸稈還田處理、三倍秸稈還田處理存在著顯著性差異,表明在14~28 cm土壤層中需至少2 倍秸稈還田才能較為顯著的促進(jìn)油菜根系生長(zhǎng)。
從表1 可知,在不同土壤深度中,平均根直徑隨著生育時(shí)期的推進(jìn)呈現(xiàn)出逐漸增加而后保持緩慢增加的現(xiàn)象。在同一土壤深度,平均根直徑表現(xiàn)出隨著秸稈還田量的增加根直徑增加。0~14 cm 土壤層中對(duì)照處理與單倍秸稈還田處理無顯著差異,三倍秸稈還田處理在6月9日根直徑為0.59 mm,二倍秸稈還田處理為0.54 mm,兩種不同處理在6月9日后均存在顯著差異。14~28 cm 土壤層中,三倍秸稈還田處理與對(duì)照處理存在顯著差異,在7月29日根直徑分別為0.53 mm、0.53 mm、0.55 mm 和0.56 mm,對(duì)照處理與單倍秸稈還田處理無顯著差異,表明單倍秸稈還田對(duì)于油菜根直徑的作用效果不顯著。
油菜根體積在不同深度土壤層中保持隨著時(shí)間的增加根體積不斷增加的變化趨勢(shì)。0~14 cm 土壤層中油菜根體積增長(zhǎng)最快時(shí)期到5月29日,而后緩慢增長(zhǎng)。14~28 cm 土壤層中則為6月9日,不同土壤層中根體積均表現(xiàn)為三倍秸稈還田處理>二倍秸稈還田處理>單倍秸稈還田處理>對(duì)照處理。油菜根體積在0~14 cm 土壤層中總體表現(xiàn)為單倍秸稈還田處理與對(duì)照處理無顯著差異,二倍秸稈還田處理與三倍秸稈還田無顯著差異,三倍秸稈還田處理與對(duì)照存在顯著差異。不同秸稈還田處理在7月29日的根體積分別為0.12 cm3、0.19 cm3、0.21 cm3和0.23 cm3,各秸稈還田處理間無顯著差異。油菜秸稈在14~28 cm 土壤層中,根體積總體表現(xiàn)為三倍秸稈還田處理與單倍秸稈還田處理和對(duì)照處理存在顯著性差異,與二倍秸稈還田處理無顯著性差異。7月29日單倍秸稈還田處理與二倍秸稈還田存在顯著性差異,根體積在這一時(shí)期分別為0.06 cm3、0.08 cm3、0.12 cm3和0.14 cm3,三倍秸稈還田處理與二倍無顯著性差異,表明兩種處理對(duì)于改良鹽堿地的程度并無明顯差異,能夠滿足油菜根系生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)物質(zhì)。
油菜根尖數(shù)在整個(gè)生育時(shí)期表現(xiàn)逐漸增加的現(xiàn)象,不同土壤深度表現(xiàn)出隨著秸稈還田量的增加,根尖數(shù)逐漸增加。0~14 cm 土壤層中的根尖數(shù)均高于14~28 cm 土壤層中的根尖數(shù)。0~14 cm 土壤層中根尖數(shù)增長(zhǎng)速率最快時(shí)期到5月29日,14~28 cm根尖數(shù)增長(zhǎng)速率最快出現(xiàn)在同一時(shí)期,而后都呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)。在0~14 cm 土壤層中,油菜苗期后總體表現(xiàn)為單倍秸稈還田處理與對(duì)照處理無顯著差異,二倍秸稈還田處理與三倍秸稈還田處理無顯著差異,但都與單倍秸稈還田處理存在顯著差異。油菜秸稈還田對(duì)于根尖數(shù)增加起著較為顯著的作用,但是存在峰值作用效果。在14~28 cm 土壤層中,三倍秸稈還田處理與單倍秸稈還田處理、 對(duì)照處理存在著顯著性差異,二倍秸稈還田處理與單倍秸稈還田處理、三倍秸稈還田處理無顯著性差異。不同秸稈還田處理總體表現(xiàn)為:三倍秸稈還田處理>二倍秸稈還田處理>單倍秸稈還田處理>對(duì)照處理。
由圖2 可知,不同油菜秸稈還田處理油菜根系體積變化范圍在0.14~0.42 cm3之間,油菜根干重集中在3.8~6.9 g 之間。油菜監(jiān)測(cè)根體積與油菜干重呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.54,p <0.01),散點(diǎn)圍繞在回歸線兩側(cè),線性回歸關(guān)系較好。由回歸方程可知,線性斜率為0.057,說明利用CI-600 根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)0~28 cm 土層根系占全株油菜根系的5.7%,雖然CI-600 根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有連續(xù)監(jiān)測(cè)、無破壞原狀土壤監(jiān)測(cè)等特性,但是存在監(jiān)測(cè)范圍較少,無法較為全面的反映植物根系生長(zhǎng)狀況,監(jiān)測(cè)存在一定的局限性。

圖2 油菜根體積與根生物量之間的線性關(guān)系
從表2~3 可知,根長(zhǎng)、根直徑、根體積和根尖數(shù)在不同土壤深度不同秸稈還田處理均表現(xiàn)為7月最大,6月居中,5月最小。在同一土壤深度,根長(zhǎng)、根直徑、 根體積和根尖數(shù)表現(xiàn)出隨著秸稈還田量的增加而不斷增加。0~14 cm 土壤深度油菜根長(zhǎng)、根體積和根尖數(shù)在5月、6月和7月間三倍和兩倍秸稈還田處理與對(duì)照處理達(dá)到顯著性差異,而根直徑僅在6月和7月具有顯著性差異。二倍秸稈還田處理根長(zhǎng)、根體積和根尖數(shù)與三倍秸稈還田處理在5、6、7月份沒有顯著性差異。在14~28 cm 土壤層,油菜根長(zhǎng)、根直徑、根體積和根尖數(shù)均隨著秸稈還田量的增加而增加,各項(xiàng)指標(biāo)在7月最大,6月居中,5月最小。三倍秸稈還田處理根長(zhǎng)和根體積在生育期內(nèi)均與二倍秸稈還田處理差異不顯著,與對(duì)照和單倍秸稈還田處理具有顯著性差異。

表2 不同秸稈還田處理對(duì)5月油菜根系生長(zhǎng)的影響

表3 不同秸稈還田處理對(duì)6~7月油菜根系生長(zhǎng)的影響
不同深度土壤油菜根長(zhǎng)、根直徑、根體積和根尖數(shù)都隨著生育期延長(zhǎng)而不斷增加,但0~14 cm 土壤層根系各指標(biāo)均大于14~28 cm 土壤層。與高嵩涓[30]利用根管法研究油菜苗期根系形態(tài)研究結(jié)果相一致,均表現(xiàn)為表層土壤根系指標(biāo)數(shù)值最大。高嵩涓研究表明,油菜苗期生長(zhǎng)16 d 根體積為0.15 cm3,本試驗(yàn)對(duì)照處理油菜根體積為0.18 cm3,顯著小于高嵩涓的研究結(jié)果,究其原因主要與本試驗(yàn)所處地區(qū)為半干旱的內(nèi)陸地區(qū),蒸發(fā)量大于降水量,且試驗(yàn)地pH 為11.2的重度鹽堿地等綜合因素有關(guān)。在油菜生育時(shí)期,根長(zhǎng)、根直徑、根體積和根尖數(shù)均表現(xiàn)出7月>6月>5月,與前人研究結(jié)果相一致[31-33]。
本研究表明,不同秸稈還田處理隨著秸稈還田量的增加,油菜根長(zhǎng)、根體積和根尖數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),順序依次為:三倍秸稈還田處理>兩倍秸稈還田處理>單倍秸稈還田處理>對(duì)照處理。與對(duì)照相比,秸稈還田處理根長(zhǎng)分別增加了50.1%、74.1%和83.1%。對(duì)照、單倍秸稈還田處理、兩倍秸稈還田處理、三倍秸稈還田處理油菜根體積大小分別為0.18 cm3、0.27 cm3、0.33 cm3和0.36 cm3,均呈增加的趨勢(shì)。秸稈還田顯著增加了土壤孔隙,導(dǎo)致土壤容重下降,通氣性增強(qiáng),隨著秸稈還田量的增加,作用效果更為明顯,從而表現(xiàn)出對(duì)油菜根系生長(zhǎng)的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)[34-35],研究表明油菜秸稈還田不僅提高作物結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量,而且還顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[36]。張玉文[37]等通過研究4 種不同秸稈還田梯度,研究發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田施用量的增加,對(duì)土壤起到了顯著的改善作用,起到了對(duì)棉花增產(chǎn)的效果。
趙海成[38]通過連年秸稈還田改良鹽堿土的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著秸稈還田年數(shù)的增加,對(duì)于水稻產(chǎn)量有很好的促進(jìn)作用,顯著的提高了土壤中有機(jī)質(zhì)含量和土壤堿解氮含量,對(duì)植物生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用。張慧[39]通過不同梯度高粱秸稈還田處理研究表明,油菜的產(chǎn)量也隨著秸稈還田量的增加而增加。本試驗(yàn)結(jié)果表明,三倍秸稈還田處理在油菜根長(zhǎng)、根體積和根尖數(shù)等特征與二倍秸稈還田處理無顯著差異,與單倍秸稈還田處理差異顯著(表2)。由此推斷出秸稈還田不同施用量對(duì)于鹽堿地的改良存在峰值,通過兩年秸稈還田后,鹽堿土壤作物生產(chǎn)達(dá)到最優(yōu)。通過研究不同秸稈還田處理對(duì)油菜根系生長(zhǎng)影響,初步揭示改良重度鹽堿地中秸稈還田對(duì)于油菜根系的作用效果。以往研究表明,不同氮磷處理對(duì)油菜根系生長(zhǎng)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),不同施氮量對(duì)于油菜根系特征有著顯著影響,表現(xiàn)出隨著施氮量增加而增加,施磷量表現(xiàn)對(duì)于油菜根系起到峰值作用效果,少量磷肥起到促進(jìn),隨著含量增加而起到抑制作用[40]。本研究結(jié)果表明,兩倍秸稈還田可顯著的促進(jìn)油菜根系的生長(zhǎng)發(fā)育,能夠較好地改善油菜根系在鹽堿土壤的生長(zhǎng)情況。秸稈還田不同處理對(duì)于油菜根系形態(tài)指標(biāo)存在梯度增加趨勢(shì),秸稈腐熟產(chǎn)物對(duì)改良鹽堿土壤機(jī)理研究尚不清楚,有待進(jìn)一步研究。
通過CI-600 監(jiān)測(cè)油菜整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)根系分布,油菜根長(zhǎng)、根直徑、根體積和根尖數(shù)在7月份最大,5月份最小。與對(duì)照處理相比,兩倍秸稈還田處理和三倍秸稈還田處理對(duì)于油菜根系作用效果顯著,三倍秸稈還田處理對(duì)油菜根系發(fā)育作用效果最佳,對(duì)油菜根系生長(zhǎng)發(fā)育效果顯著,由此可知,重度鹽堿地通過兩倍以上的秸稈還田能較好地改善油菜根系的生長(zhǎng)狀況,為油菜在重度鹽堿地生長(zhǎng)提供了一定的可行性。