檸條枝條覆蓋對寧夏荒漠草原土壤水熱及補播牧草生物量的影響

張茹，李建平，彭文棟，王芳，李志剛*

（1.寧夏大學農學院，寧夏銀川750021；2.鹽池農牧科學研究所，寧夏 吳忠751500；3.寧夏大學資源環境學院，寧夏 銀川750021）

干旱少雨是造成干旱半干旱地區草地退化的主要自然因素，土壤水分的缺失導致草地普遍出現土壤干燥化現象，甚至形成土壤干層［1-3］，使草地趨于荒漠化。值得注意的是，寧夏荒漠草地還大面積種植檸條（Caragana intermedia），已引起草地灌叢化，草地土壤養分和水分出現失衡甚至虧缺［4］，灌叢化引起草地出現退化［5-6］。但是，由于開發技術不足和加工成本過高等原因，當地檸條產業化利用不足，長期生長的檸條仍在加速著草地的灌叢化進程。目前，國際上去灌叢化的手段主要是火燒［7］，未見將灌木以資源利用方式進行平茬或去除后覆蓋保水、改良草地的研究。陳軍鋒等［8］研究顯示，秸稈覆蓋對0～40 cm土層水分、溫度有明顯影響，覆蓋技術能夠蓄積土壤水分和減少蒸發，顯著改善耕層土壤水熱狀況［9］。此外，林木枝條覆蓋也可以有效保持土壤水分、改善土壤養分、促進植物生長［10］，使生物量增加［11］。因此，本研究擬以寧夏東部風沙區荒漠草地大面積種植的檸條為材料，研究檸條枝條覆蓋對荒漠草原土壤水分、溫度條件的改善效果和補播牧草生長的促進作用，旨在為寧夏東部風沙區草地的補播改良及恢復提供新的技術支持，同時也為檸條的資源化利用提供新的途徑，對草地生態環境保護和資源的有效利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區選在寧夏東部草地沙化具有代表性且檸條種植面積大的鹽池縣，地理坐標為106°03′-107°47′E，37°04′-38°10′N。該區地理位置上屬于典型過渡地帶，即自南向北，地形上是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵過渡，氣候上是從半干旱向干旱過渡，植被類型則是從干草原向荒漠草原過渡，鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風氣候，干旱少雨，光能豐富，日照充足，年降水量250～350 mm，年平均蒸散量為1882.5 mm，檸條在該縣面積為17.7萬hm2，天然草地55.693萬hm2，31.78%的草地面積種植檸條。

1.2 試驗設計

1.2.1 樣地布置 2018年7月，在研究區選擇平坦的、未生長檸條的退化天然補播草地作為樣地，在臨近有檸條生長的草地平茬其枝條用于試驗覆蓋。草地補播牧草為蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、牛枝子（Lespedeza potanimii）和沙打旺（Astragalus adsurgens），補播日期為2018年6月。

試驗地土壤類型為風沙土，0～20 cm土壤pH 8.51～8.86，土壤有機碳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。所選試驗樣地常年處于過度放牧中，草地沙化嚴重，退化草地植被主要物種依次為中亞白草（Pennisetum centrasiaticum）、瘤果蟲實（Corispermum hyssopifolium）、豬毛菜（Salsola collina）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、叉枝鴉蔥（Scorzonera divaricata）、鶴虱（Carpesium abrotanoides）、賴草（Leymus secalinus）等。按照毛思慧等［12］對鹽池縣草地沙化程度的劃分，試驗地屬于重度沙化草地。

試驗設4個處理（4種檸條枝條覆蓋厚度）：TSM0，覆蓋0 cm；TSM1，覆蓋1 cm；TSM2，覆蓋2 cm；TSM3，覆蓋3 cm。每個處理3次重復，每個試驗小區4 m×20 m。以上檸條枝條利用林木枝條粉碎機粉碎至5～10 cm。

1.2.2 土壤含水量和土壤溫度的測定 利用TDR土壤剖面水分傳感器（AZS-100 Handheld Meter）測定，水分探測管埋于試驗小區中心位置，每次利用探頭測定深度為20、40 cm的土壤水分，每10 d測定一次，每年測定日期為4月1日-10月30日。土壤地表溫度與土壤水分測定同步進行，利用地溫計測定土壤表層0～10 cm溫度，在測定土壤水分當天的8：00、14：00和18：00分別測定。

1.2.3 植物地上生物量的測定 分別在每年9月底調查。每個試驗小區放置1個1 m×1 m的樣方，樣方放置位置避開小區中心測定土壤水分的探測管；同時為防止小區的邊緣效應，樣方設置還應在小區邊緣10 cm以內。植被調查地上生物量指標，采用收獲法進行，將樣方內植物分物種齊地面刈割后帶回室內，80℃烘至恒重后稱重。

1.3 數據處理

采用Origin 2017作圖和SPSS 20.0軟件進行數據處理和分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 檸條枝條不同覆蓋厚度對土壤水分的影響

檸條枝條覆蓋對草地土壤水分具有顯著的影響（圖1），但0～20 cm與20～40 cm變化有所不同。就0～20 cm土壤水分而言，與TSM0相比，3種檸條枝條覆蓋厚度均表現出具有提高土壤水分的作用，但3種檸條枝條覆蓋處理間的土壤水分曲線在試驗期內具有交叉或重合的現象，而且覆蓋土壤水分平均值與對照相比差異不顯著（P＞0.05，表1）。20～40 cm土壤水分不同于0～20 cm，即3種檸條枝條覆蓋明顯比對照提高了土壤水分含量，且表現出TSM3＞TSM2＞TSM1＞TSM0的趨勢。說明檸條枝條覆蓋越厚，對20～40 cm土壤水分保持能力越強。此外，處理間的20～40 cm土壤水分平均值也顯示，TSM3（2018和2019年）和TSM2（2018年）土壤水分平均值顯著高于TSM0（P＜0.05）。

圖1 不同覆蓋厚度下土壤20和40 cm深度含水量的動態Fig.1 Dynamics of soil 20 and 40 cm water content under different caragana twig mulch thicknesses

2018和2019年土壤水分動態變化的變異系數（表1）表明，處理TSM3和TSM2土壤水分變異系數大于TSM0和TSM1，表明這2種檸條枝條覆蓋厚度下土壤水分的變化較其他處理劇烈。即這2個處理可以在降水后快速保持水分，提高土壤水分含量。

表1 檸條枝條不同覆蓋厚度下的土壤水分平均值及變異系數Table1 Mean soil water and it’s coefficient of variation under different mulching thickness with caragana twigs（%）

2.2 檸條枝條不同覆蓋厚度對土壤溫度的影響

在牧草生長季（4-10月），檸條枝條覆蓋具有降低草地0～10 cm溫度的作用（圖2），而且8：00、14：00和18：00的土壤溫度總體均隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加出現降低趨勢，即處理間表現出TSM3＜TSM2＜TSM1＜TSM0的趨勢。研究還顯示，土壤溫度的最高值出現在7月，TSM3、TSM2、TSM1和TSM0的平均溫度分別為38.17、35.71、34.17和32.33℃，且覆蓋處理均顯著小于TSM0（P＜0.05）。然而，對整個試驗期間的平均值統計結果顯示，TSM3的土壤溫度在2019年顯著低于TSM0（P＜0.05，表2）。

此外，對土壤溫度的變異系數分析發現（表2），總體上，土壤溫度變異系數隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加呈減小趨勢，說明覆蓋措施具有緩沖土壤溫度變化的作用，利于牧草生長。

圖2 不同覆蓋厚度下土壤溫度動態Fig.2 Dynamics of soil temperature under different caragana twig mulch thickness

表2 檸條不同覆蓋厚度下0～10 cm土層土壤溫度平均值與變異系數Table 2 Mean soil temperature between 0-10 cm and it’s coefficient of variation under different mulching thicknesses with caragana twigs

2.3 檸條枝條不同覆蓋厚度對草地補播牧草地上生物量的影響

研究表明，與對照相比，不同覆蓋厚度對牛枝子地上生物量都沒有顯著影響（P＞0.05，圖3）。而沙打旺地上生物量TSM3顯著高于其他處理（P＜0.05），且其他處理間差異不顯著（P＞0.05）。然而，蒙古冰草地上生物量隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加而呈增加趨勢，且TSM2和TSM3處理下生物量均顯著高于TSM0（P＜0.05）。此外，3種牧草的總生物量亦隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加而呈增加趨勢，且TSM3處理的地上生物量顯著高于其他3個處理（P＜0.05）。

圖3 檸條枝條不同覆蓋厚度對補播牧草地上生物量的影響Fig.3 Effects of different caragana twig mulch thickness on biomass of reseeded forages不同小寫字母代表在0.05水平差異顯著。Different letters mean significant difference at 0.05 level.

2.4 草地補播牧草地上生物量與土壤0～20 cm和20～40 cm水分間的相關分析

相關分析結果表明（表3），蒙古冰草、沙打旺及3種補播牧草的總生物量均與草地20～40 cm土壤水分呈顯著正相關（P＜0.05），而與0～20 cm土壤水分相關不顯著（P＞0.05）。即0～40 cm土壤水分的提高能顯著促進以上牧草的生長。然而，牛枝子地上生物量與0～20 cm和20～40 cm土壤水分均相關不顯著（P＞0.05），即牛枝子的生長不受0～40 cm土壤水分的影響。

表3 不同土層土壤水分與補播牧草生物量間的相關分析Table 3 Correlations between soil water in different soil layers and biomass of reseeded forages

3 討論

3.1 不同檸條枝條覆蓋厚度對土壤水熱的影響

國內大量的研究表明，秸稈覆蓋在一定程度上改變了土壤的滲水性，減少了地表徑流和蒸散發損失［13］，具有明顯的抑蒸保水效應［14-16］，在作物生產中可以起到保墑、增產和提高水分利用效率的作用，與此同時，秸稈資源也得到了利用，減輕了焚燒秸稈對環境的影響，是發展有機可持續農業的一條有效途徑［17］。前人研究各種有機物料的覆蓋主要是通過降低土壤溫度、抑制土壤蒸發來保持水分的［18-19］，防止土地荒漠化。目前對于作物秸稈覆蓋的研究尚多，但用林木枝條覆蓋的研究相對較少，李志剛等［20］曾用楊樹（Populus）枝條碎屑和垂柳樹（Salix babylonica）枝條進行覆蓋，得出覆蓋可以顯著降低土壤溫度，抑制土壤水分的蒸發，郭軍成等［21］也用林木枝條覆蓋提高土壤有機質的含量，并且有效地保持了土壤水分。本試驗是將檸條枝條粉碎為5～10 cm，對荒漠草地進行覆蓋，一方面利用檸條本身的抗旱性，在荒漠草原中有效的生存，更重要的是利用荒漠草原大量種植的檸條，材料易得。研究表明，檸條枝條覆蓋有效地提高了土壤水分，使土壤含水量增加，且隨著覆蓋厚度（1、2、3 cm）的增加，土壤含水量越高，而且覆蓋對于降低土壤溫度和抑制土壤水分蒸發的效果與覆蓋量的多少呈正比關系［22］，這與劉戰東等［23］和劉繼龍等［24］的研究結果類似。本研究還表明，覆蓋對土壤水分的影響主要在20～40 cm具有顯著差異（P＜0.05），TSM3和TSM2土壤水分顯著高于TSM0，可能是因為在0～20 cm土層，雖然覆蓋對土壤含水量具有一定固持作用，但由于表層的蒸發量依然存在，只是相對蒸發量減小，使得表層的土壤含水量在不同覆蓋厚度中無顯著差異（P＜0.05）。

土壤含水量與降水量也具有相關性，Chandra等［25］的研究結果表明在干旱的年份里采用秸稈覆蓋措施，能夠增加土壤含水率和產量，秸稈覆蓋后顯著提高了耕層土壤的含水量，因為秸稈覆蓋后相當于構建了地表與大氣之間的緩沖地帶，防止太陽光直接到達地面，降低地表土壤溫度，從而減少了表層土壤水分的蒸發［26］。秸稈覆蓋后，阻隔了土壤中的水分與大氣的交換，減少了水分的蒸發量，增加了水分向土層上部的遷移量。本試驗對2年數據進行差異性分析，得出2018年8和9月的土壤含水量高于2019年，可能是因為2018年的降水量充足，使得土壤表層0～20 cm和20～40 cm的含水量都大于2019年，由此可知降水量對檸條覆蓋后土壤含水量的影響不容忽視。變異系數的大小也反映出檸條枝條覆蓋具有保持草地土壤水分的作用，而且覆蓋度越高保持效果越明顯，本研究表明隨著覆蓋厚度的增加，變異系數是增大的，并且在2018年TSM3處理下變異系數達到23.7%，說明降水后對水分能夠快速起到保持作用，從而快速提高土壤含水量。

研究還表明，同一天不同測定時段，不同覆蓋厚度的熱效應表現出差異，大體隨著覆蓋厚度的增加土壤溫度降低，2018年8-10月日變化不顯著，2019年4-10月TSM0、TSM1、TSM2、TSM3有較大差異。土壤溫度的季節變化與當地的氣候也有很大關聯，楊長剛等［27］和王昕等［28］的研究表明，秸稈覆蓋在返青前具有普遍的增溫效應，拔節后則表現為顯著的降溫效應，汪可欣等［29］和蔡太義等［30］的研究也表明，秸稈覆蓋對土壤有明顯的降溫效果，且在低溫時有“增溫效應”，高溫時有“降溫效應”。通過大氣溫度與表層土壤溫度差可以知道，秸稈免耕覆蓋在低溫季節有保持土壤熱量的作用，在高溫季節有相對降溫的作用，這是減少氣溫變化對地上生物量生長發育過度影響的重要機制。本研究表明，2019年4-7月隨著氣溫的上升，土壤溫度逐漸增大，7月達到最高地溫38.17℃，然后在8-10月土壤溫度逐漸降低，并且變異系數也隨著覆蓋厚度的增加而減小，對環境具有很好的緩沖作用。表明覆蓋相比于無覆蓋降低了土壤溫度且變幅較小，保持了土壤溫度的穩定性［31］。本研究還表明土壤溫度隨著覆蓋量的增加而降低，并在各覆蓋厚度之間具有顯著性差異，這與王兆偉等［22］的研究結果類似，且覆蓋帶覆蓋秸稈量越大，與土壤緊密結合的同時降溫效應也較為突出［32］。

本研究只分析了0～40 cm土層檸條枝條覆蓋厚度對土壤水熱的影響，檸條覆蓋有效地提高了上層土壤的儲水量，降低了土壤溫度，因此，今后有必要對深層（＞40 cm）的土壤水分進行監測和分析，進而更準確得出該檸條覆蓋對深層土壤水熱的影響。通過不同的覆蓋方式和檸條進行比較，分析對土壤水熱的影響。降水量對試驗數據也有很大的影響，應將豐水年和平水年的數據也進行測定來判定覆蓋對荒漠草原的影響。

3.2 不同檸條枝條覆蓋厚度對地上生物量的影響

水分和溫度對作物的生產具有重要影響［33］，而土壤溫度是改變植物所受溫度變化的基礎，是植物保持根系活力的重要因素，對農田生產力具有較大影響［34-35］，并且對改善土地荒漠化具有重要的意義。李榮等［36］研究表明，采用玉米（Zea mays）秸稈覆蓋，具有較好的降溫和保水保墑效果，土壤養分含量明顯增加，顯著促進了玉米前期的生長。本研究表明，檸條枝條覆蓋抑制土壤的蒸發，降低土壤溫度，達到保墑蓄水能力，在荒漠草原補播的蒙古冰草、牛枝子和沙打旺這3種牧草的地上生物量都隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加逐漸增大，蒙古冰草和沙打旺在各處理間具有顯著差異（P＜0.05），TSM3處理的地上生物量明顯高于TSM0，且在20～40 cm土層，土壤水分和蒙古冰草、沙打旺具有顯著的相關性（P＜0.05），在0～20 cm沒有顯著相關性。牛枝子在0～20 cm和20～40 cm都沒有顯著相關性，表明牧草的地上生物量不僅與土壤的水熱條件密切關聯，還與牧草本身的生物學特性有重要關系，牛枝子的根為軸根系，播種后當年根長可達50 cm以上，垂直下伸，第2年才開始生長，主根入土深度可達100 cm，其枝條的長度隨著水分的多少而變比，由此可得牛枝子的根系較深，與0～40 cm水分可能無顯著相關性。由此可得出，檸條枝條覆蓋可以改善荒漠草原的墑情，提高補播牧草的豐富度，并且合理有效的治理土地荒漠化。這與李志剛等［37］用楊樹枝條進行覆蓋提高田間持水率，改善沙化土壤的性質如出一轍。

4 結論

檸條枝條覆蓋在0～40 cm土層有效地增加了土壤含水量，且隨著覆蓋厚度的增加，土壤含水量逐漸增大，20～40 cm比0～20 cm變化更明顯，且表現出TSM3＞TSM2＞TSM1＞TSM0的趨勢。此外，處理間的20～40 cm土壤水分平均值TSM3（2018和2019年）和TSM2（2018年）土壤水分平均值顯著高于TSM0（P＜0.05）。在牧草生長季（4-10月），檸條枝條覆蓋具有降低草地0～10 cm溫度的作用，而且8：00、14：00和18：00的土壤溫度總體均隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加呈降低趨勢，其變異系數也隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加而減小。

水熱共同作用于牧草的生長發育，良好的土壤墑情可促進植被的生長，本研究通過測定蒙古冰草、牛枝子和沙打旺等補播牧草地上生物量，發現隨著檸條枝條覆蓋厚度的增加，地上生物量增多，蒙古冰草和沙打旺在檸條枝條不同覆蓋厚度間具有顯著差異（P＜0.05），TSM3處理的地上生物量顯著高于其他3個處理，且蒙古冰草、沙打旺及3種牧草的總生物量均與草地20～40 cm土壤水分呈顯著正相關（P＜0.05）。