柳枝稷种植年限对盐碱土壤理化性质的影响

何海锋，吴娜，刘吉利，陈娟，刘晓侠，常雯雯

1. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021；3. 宁夏旱区资源评价与环境调控重点实验室，宁夏 银川 750021

土地盐碱化属于土地荒漠化的一种，是土地退化中的最大难题，致使土壤肥力下降，植物根系吸水困难，影响作物产量，甚至植株难以存活，导致弃耕，严重影响了可持续农业和生态农业的发展。据不完全统计，土壤盐渍化和次生盐碱在世界范围内广泛存在。目前，中国盐渍化土地面积约1.0×108hm2，约占全球盐碱地面积的10%（Qadir et al.，2008；董利苹等，2011），占可利用土地面积的4.88%（孔涛等，2014）。同时，约有80%的盐碱地尚未得到开发利用（曾玉霞等，2019）。宁夏盐碱土主要集中在银北地区，大约 1.14×105hm2，该地区气候干燥、土壤蒸发量大、盐渍化程度高、降水稀少，是中国西北地区最具代表性的盐碱土之一。随着全球生态环境的不断恶化，研究改良和利用盐碱土对中国农业发展和生态环境建设尤为重要（刘吉利等，2018；边荣荣等，2018）。改良盐碱土的方法很多，不同的措施对盐碱土的影响不同。其中生物改良盐碱土是最为有效的（曾玉霞等，2019），但是在盐渍化土壤上一般的植物很难存活。

柳枝稷（Panicum virgatum）属于禾本科黍属C4植物，是在北美洲广泛种植的优良牧草。具有多年生、植株高大、适应性强、抗逆性强、水肥利用效率高、环境友好等特点（刘吉利等，2018；刘晓侠，2016），株高为110—190 cm，叶长30—80 cm，叶宽0.8—1.3 cm，根系发达，叶片表皮呈灰绿色，被绒毛，分蘖能力强，喜丛生，耐寒、耐旱、耐涝，是沙漠绿化、草原植被覆盖的理想植物，也是理想的能源作物之一（赵春桥等，2016；胡松梅等，2008）。柳枝稷具有一定的耐盐碱性，能在盐渍化土壤上种植，其根系十分发达，能形成菌根，改善土壤养分状况，提高土地生产力（Liu et al.，2014），可以作为盐碱土生物改良的理想材料。生物改良盐碱土因其成本低、工程量小、持久性强及对环境基本无污染而被广泛应用。肖克飚等（2012）种植柽柳（Tamarix chinensis）、苇状羊茅（Festuca arundinacea）和油葵（Helianthus annuus）3种耐盐作物时发现，3种耐盐植物均有效降低了0—20 cm土层土壤容重和全盐含量，改善土壤肥力水平。余仕琼（2013）在新疆农十师盐碱土种植紫花苜蓿（Medicago sativa）、油葵和打瓜（Citrullus lanatus）时研究发现，种植这3种作物均能显著降低土壤全盐含量和pH，同时提高土壤养分含量，并且对0—20 cm土层土壤的影响最为明显。研究表明，能源作物根系能明显改变盐渍化土壤的理化性质，从而提高土壤肥力水平（郭全恩等，2015；范海等，1996），而目前关于能源作物柳枝稷种植年限对土壤物理性质及土壤养分的影响鲜有报道。因此，本试验以能源作物柳枝稷为材料，通过大田试验，研究柳枝稷种植年限对盐碱土的物理性质及速效养分的影响，旨在探明柳枝稷对盐碱土的改良效应，为中国西北旱区盐渍化土壤生物改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏大学西大滩盐碱土改良综合试验站进行，其位于宁夏回族自治区北部引黄灌区（38°50′N，106°24′E），该区地势平坦，海拔约 1150 m，年平均气温为9.5 ℃，属干旱的暖温带季风气候，年降水量和年蒸发量分别为205 mm和1875 mm。此地区常年日照充足，干旱少雨，昼夜温差较大，区域蒸发量与降水量严重失衡，蒸发量大约是降水量的10倍，降水不足和蒸发量大是造成该地区碱化土壤形成的重要气候因子（刘晓侠，2016）。本试验地块0—20 cm土层土壤的有机质及全盐含量分别为 8.47 g·kg-1和 6.78 g·kg-1，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为 20.5、5.8、64.3 mg·kg-1，土壤碱化度为28.5%，pH值为9.43。

1.2 试验设计

该试验站于5年前开始种植柳枝稷，因此本试验以柳枝稷种植1年、3年和5年为处理，分别记作T1、T3和T5，同时以当年未种植柳枝稷的盐碱荒地作为对照，记为 CK。试验所用的柳枝稷品种为Cave-in-Rock。每个处理设3次重复，小区面积为30 m2（5 m×6 m）。柳枝稷采用育苗移栽方式种植，行距为50 cm，株距为20 cm。移栽前进行翻耕整地和施肥，施纯 N 60 kg·hm-2、P2O550 kg·hm-2和K2O 50 kg·hm-2作为底肥。从第2年开始，在每年柳枝稷返青期追施纯N 120 kg·hm-2，不再施用磷肥和钾肥。试验期间按照当地旱作物种植方式进行灌溉及田间管理。

1.3 测定指标及方法

待柳枝稷建植成活后，在其生长1年、3年和5年的10月底，以20 cm为间隔，分别采集0—20、20—40、40—60 cm土层土壤样品。用环刀法测定土壤容重，并通过土壤容重与土壤比重计算孔隙度，土壤全盐采用5:1水土比，通过电导率计算求得，pH值采用5:1水土比，在振荡箱振荡30 min后直接用pH计测量，有机质通过重铬酸钾容量法-外加热法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷和速效钾分别采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提法和NH4OAc浸提，火焰光度法测定。各项指标的具体测定方法参考《土壤农化分析》（第3版）（鲍士旦，1999）。

本研究采用灰色关联度分析法对土壤肥力水平进行综合评价。由于土壤理化性质各指标对土壤肥力的贡献值存在差异，如果将所有指标赋予等权，其结果可能会产生偏差。因此，将各评价指标赋予不同权重，其结果更具有实践意义和参考价值根据（常雯雯等，2019）。根据本试验无量纲区间化处理结果，可计算得到参考数据列与比较数据列的绝对差值Δi(k)、最小二级差、最大二级差，即：min min|X0(x)-Xi(k)|=0，max max|X0(x)-Xi(k)|=0.768，把数据代入下列式（1）中，即可得到参考数据列X0(x)与比较数据列Xi(k)的关联系数。本研究通过变异系数法对土壤理化性质指标进行赋值，由此计算土壤各肥力指标所占权重。将权重数据与各柳枝稷年限关联系数代入式（2）中，即可得到不同柳枝稷种植年限下开土壤肥力指标的等权关联度（γi）和加权关联度（γi′），然后将其按关联度大小进行排序。

1.4 灰色关联度分析综合评价土壤肥力

1.4.1 评价对象与指标体系

以4种不同柳枝稷种植年限作为评价对象，评价指标选取成熟期的土壤容重、孔隙度、全盐含量、pH值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾8个指标构成数据列。

1.4.2 模型建立

第1步：建立参考数据列和比较数据列。由各指标实测的最优值组成“理想改良效果”，从而构成参考数据列：X0(x)={X0(1),X0(2),X0(3), …,X0(m)}，其中x=1, 2, 3, …m，m为测定指标数；同一种植年限下各土壤肥力指标的实测值构成比较数据列：Xi(k)={Xi(1),Xi(2),Xi(3)…Xi(n)}，k=1, 2，3, …,n，n为不同的柳枝稷种植年限。本研究选取柳枝稷成熟期0—60 cm土层土壤容重、孔隙度、全盐含量、pH值、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾各指标的最优值为理想改良效果相应的特征值，即X0(x)={1.429, 38.442, 1.272, 8.571, 10.267, 36.843,13.505, 91.699}，同一种植年限相对应的实测指标构成比较数据列。

第2步：无量纲区间化。为了消除各指标量纲带来的影响，要进行无量纲区间化，即把各指标的实测值转化为评价值，用Kn(a)=Xi(k)/X0(x)表示，所有数值均在[0, 1]之间（常雯雯等，2019）。

第3步：建立关联系数，

式中，Δi(k)=|X0(x)-Xi(k)|，表示X0和Xi在第k点的绝对差值；min minΔi(k)为二级最小差；max maxΔi(k)为最大二级差；ρ为分辨系数，ρ值越小，则关联系数间的差异越大，区分能力越强，取值范围为[0, 1]，ρ一般取0.5（邓聚伦，1990）。

第4步：根据以上公式建立灰色关联度

式中，γi为等权关联度，将εi(k)求平均值，得到各品种柳枝稷的等权关联度γi；γi′为加权关联度；ωi(k)为权重系数。

1.5 数据整理

运用Excel软件进行数据整理，通过SPSS软件进行Pearson相关分析，同时利用最小显著差异法进行显著性检验，显著水平为0.05。

2 结果分析

2.1 柳枝稷种植年限对不同深度土层物理性状的影响

由图 1a可知，与盐碱荒地相比，各柳枝稷种植年限处理的土壤容重总体呈下降的趋势，且随着种植年限增加，土壤容重降幅增加。柳枝稷种植1年处理0—20 cm和20—40 cm土层土壤容重较对照分别降低了0.19%和8.88%，而40—60 cm土壤容重略有上升，可能原因是柳枝稷根系穿插作用改变了土壤的物理性质所致；柳枝稷种植 5年处理0—20、20—40、40—60 cm土层土壤容重较对照分别下降了8.96%、17.75%和3.91%，可见柳枝稷种植 5年对 20—40 cm土层土壤容重的作用效果最好，其次是0—20 cm。

由图1b可知，随柳枝稷种植年限的增加，土壤孔隙度显著增加，且柳枝稷种植对0—40 cm土层土壤孔隙度的作用效果优于40—60 cm土层处。柳枝稷种植5年处理0—20、20—40、40—60 cm土层土壤孔隙度分别比对照上升了82.37%、119.52%和 34.74%，其中20—40 cm土层土壤孔隙度的增幅超过了1倍。

2.2 柳枝稷种植年限对土壤全盐含量和pH的影响

如图 2a所示，柳枝稷种植可以显著降低土壤盐分，且种植年限越长土壤全盐含量越低。盐碱荒地（CK）0—20 cm土层土壤全盐含量最高为6.78 g·kg-1，柳枝稷种植5年处理20—40 cm土层全盐含量最低为1.23 g·kg-1。柳枝稷种植1年处理0—40 cm土层土壤全盐含量显著低于对照，而40—60 cm土层土壤全盐含量则略有上升，可能是由于柳枝稷根系穿插作用改变了土壤的物理性质导致土壤盐分向下淋洗的结果。与盐碱荒地相比，柳枝稷种植3年和5年处理各土层土壤全盐含量均显著降低，降幅为25.24%—80.67%。可见，柳枝稷种植对0—60 cm土层土壤全盐含量的去除效果明显。

图1 柳枝稷种植年限对盐碱土土壤容重（D）、孔隙度（P）的影响Fig. 1 Effect of Panicum virgatum-planting years on soil bulk density (D), porosity (P) of saline-alkali soil

图2 柳枝稷种植年限对土壤全盐含量和pH的影响Fig. 2 Effect of Panicum virgatum planting years on soil total salt content and pH

除柳枝稷种植1年处理40—60 cm土层外，柳枝稷不同种植年限处理各土层土壤 pH均低于对照（图2b）。柳枝稷种植1年处理40—60 cm土层土壤pH值略有上升，可能是由于土壤盐碱离子下移的结果。随着种植年限的延长，土壤 pH值下降幅度越大，柳枝稷种植5年处理0—60 cm土层土壤pH值较对照分别下降了20.70%、25.10%和12.94%。

2.3 柳枝稷种植年限对盐碱土有机质及速效养分的影响

由表1可知，除种植1年处理40—60 cm土层外，柳枝稷不同种植年限处理各土层土壤有机质均比对照显著提高，且种植年限越长土壤有机质越高（图2b）。与盐碱荒地相比，不同柳枝稷种植年限处理 0—20 cm土层土壤有机质提高了 13.11%—131.41%，20—40 cm土层土壤有机质提高了38.24%—147.90%，40—60 cm 土层土壤有机质提高了0.84%—48.88%。可见，柳枝稷种植对0—40 cm土层土壤有机质提升效果显著，尤其是柳枝稷种植3年和5年处理，0—40 cm土层土壤有机质含量比盐碱荒地增加了1倍以上，这可能是由于随着柳枝稷种植年限延长其根系生物量增大，越有利于土壤有机质积累。

表1 柳枝稷种植年限对土壤养分的影响Table 1 Effect of Panicum virgatum planting years on soil nutrient contents

柳枝稷种植对盐碱土壤速效养分含量影响较大，除个别土层外，不同种植年限处理0—60 cm土层土壤的碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著高于盐碱荒地，总体上种植年限越长，土壤碱解氮和速效磷含量越高，速效钾含量以种植3年处理最高。柳枝稷种植5年处理0—60 cm土层土壤碱解氮的含量分别比对照增加 149.27%、167.73%和183.65%，速效磷含量分别比对照增加 275.69%、37.52%和 20.18%，速效钾含量分别比对照提高41.10%、29.71%和6.67%。柳枝稷种植对0—60 cm土层碱解氮的作用效果均较大，而对0—20 cm土层速效磷和速效钾的作用效果最大，明显优于20—60 cm土层。

2.4 土壤理化性质各指标相关性分析

由表2可知，大部分土壤理化性质指标之间的相关系数绝对值都大于0.75，存在极显著的相关关系。土壤容重与全盐含量、土壤pH之间相关系数大于0.89，呈显著正相关关系；而土壤容重与土壤孔隙度、有机质、碱解氮和速效钾之间存在极显著的负相关关系。土壤孔隙度与有机质显著正相关，相关系数为 0.914，碱解氮和速效钾之间存在极显著的正相关关系，相关系数为 0.793；土壤全盐含量与pH之间呈现极显著正相关关系，相关系数为0.884。土壤有机质与碱解氮、速效钾之间相关系数分别为0.941和0.921。结合柳枝稷种植年限对土壤理化性质的影响分析，表明种植柳枝稷能够改善土壤结构，降低土壤容重，增加土壤通透性，从而降低土壤盐碱，提高土壤养分，达到提高盐碱土壤肥力的效果。

2.5 柳枝稷种植年限对盐碱土改良效果综合评价

如表3所示，根据灰色关联度分析原则，关联度越大，说明分析指标与理想指标的相似程度也越大，综合改良效果越佳，反之亦然。在本试验中，柳枝稷种植年限为5年时的加权关联度（γi）和加权关联度（γi′）分别为0.993和0.978，在所有种植年限中位列第 1，与理想指标的关联度最大，对土壤的综合改良效果最好。综上，柳枝稷种植年限对盐碱土的综合改良效果从大到小依次为T5＞T3＞T1＞CK。

表2 土壤理化性质指标相关系数矩阵Table 2 Matrix of correlation coefficient between soil physical and chemical properties

表3 不同种植年限下土壤肥力灰色关联度分析指标值及参比序列Table 3 The index value and reference sequence of grey relational analysis of soil fertility under different planting years

3 讨论

3.1 柳枝稷种植年限对盐碱土壤结构和盐碱程度的影响

土壤容重和孔隙度是土壤物理特性的重要衡量指标，其值能较好地反映土壤质地与土壤的通透性。通常来讲，植物在盐碱程度较高的土壤上无法生长。从土壤的物理特性来看这是由于高盐碱土壤质地紧密，孔隙度小，通气不良（Ma et al.，2011）。本试验结果表明，柳枝稷不同种植年限处理均能显著降低0—20 cm土层土壤容重和全盐含量，增加土壤孔隙度，有效改善了土壤的物理结构，增加了土壤通透性。但是随着土层深度的增加，各土层土壤的物理性质变化幅度变小，影响逐渐变弱。柳枝稷种植 1年处理 40—60 cm土层土壤容重没有降低，甚至略高于对照，这可能是由于柳枝稷生长第一年根系生物量较小，根系主要分布在表层土壤，对深层土壤结构的影响较小。王林娜等（2017）在新疆阿克苏地区研究不同种植年限紫花苜蓿和苜蓿/棉花轮作对土壤理化性质的影响时发现，种植苜蓿可以有效降低0—20 cm土层土壤容重，增加了0—20 cm土层土壤的孔隙度，并且苜蓿/棉花轮作下各土层土壤容重比第1年种植苜蓿降低13.5%左右，随苜蓿种植年限的增加影响越来越好，这与本实验研究的结果基本一致。

土壤pH值和全盐量是反映土壤盐碱化性质的重要指标，pH值和全盐量越高，土壤的盐碱化程度越强，作物越难以生长（李玉波等，2014；罗成科等，2019）。本试验条件下，柳枝稷种植能在一定程度上降低土壤pH，但其对土壤pH的影响幅度相对较小。托尔坤·买买提等（2010）在新疆地区种植紫花苜蓿时发现，随着种植年限的延长，土壤 pH值整体呈现出逐年下降的趋势，同时种植多年苜蓿的土壤pH值随土层深度的增加而增加。这与本研究结果不一致。一方面可能是土壤碱性成分的垂直分布不同，另一方面可能是由于栽培管理措施不同而造成改土效应不同。郑普山等（2012）在山西省农科院盐碱土改良试验示范基地探究紫花苜蓿对盐碱土改良的效果，结果表明建植5年紫花苜蓿草地对盐碱土0—40 cm土层土壤的全盐含量影响较大，脱盐和影响最好，而对底层土壤盐分含量影响较小，影响不明显甚至有盐分积累。这与本试验研究发现柳枝稷在种植 3—5年处理主要降低了 0—40 cm土层土壤的全盐含量的结果一致。

3.2 柳枝稷种植年限对盐碱土壤有机质及养分含量的影响

土壤有机质是反映土壤肥力质量的一个综合指标，是土壤各种营养元素特别是N、P的重要来源（王训等，2010；罗成科等，2019）。同时，有机质是盐渍化土壤养分的主要来源，能够维持土壤良好理化性质，促进微生物进行活动；有机质含量越丰富，土壤的速效养分含量相对较高（Schwartz et al.，2010；南丽丽等，2015）。不同作物连续种植年限对土壤基本理化性质的影响不同。本试验研究结果表明，盐碱土种植柳枝稷可增加0—60 cm土层土壤有机质，尤其是能显著提高0—20 cm土层土壤有机质含量。

随着柳枝稷种植年限的延长，各土层土壤速效养分均有不同程度的提高。柳枝稷种植5年处理各土层土壤速效养分较盐碱荒地均显著增加，其增幅均高于种植1年处理。南丽丽等（2015）研究发现，荒漠灌区不同种植年限下苜蓿地土壤有机质及速效养分随着土层深度增加而显著低于表层土壤。本研究也得出类似结果，柳枝稷对表层土壤养分的影响优于深层土壤，这可能是由于柳枝稷根系主要分布在表层土壤，改善了表层土壤的通气性，微生物活动频繁，从而有利于土壤养分的活化和积累；而随着土层深度增加有机物输入量减少，土壤通气性下降，微生物较少，养分循环较慢，有效性较低（杨玉海等，2005；余仕琼，2013；邰继承等，2008）。同时，通过隶属函数综合分析，柳枝稷种植1年、3年和5年处理，各个土层土壤结构和土壤盐分养分状况均有明显改善，且种植年限越长对盐碱土壤的影响越好，但随着土层深度的增加影响逐渐变弱。柳枝稷以种植3年和种植5年处理的综合影响较好，与柳枝稷根系分布以及与其共生的丛枝菌根真菌（AMF）有关（严李伟，2016），这与前人研究结果基本一致。

4 结论

种植柳枝稷能够有效地降低土壤容重，提高隙土壤孔度，改善土壤结构，增加土壤通透性，从而降低土壤pH和全盐含量，增加土壤有机质和速效养分；与盐碱荒地相比，柳枝稷种植 5年处理的表层土壤盐分降低了80.53%，土壤有机质和速效磷含量分别提高了131.41%和275.69%。因此，本试验条件下柳枝稷种植年限越长对盐碱土壤肥力的综合影响越好，且对表层土壤的影响优于深层土壤。