2. 达拉特旗水利事业发展中心, 内蒙古鄂尔多斯 017000;
3. 江苏大学流体机械工程技术研究中心, 江苏镇江 212013;
4. 鄂托克旗水利局, 内蒙古鄂尔多斯 017000
我国盐碱土总面积约为3. 6×107 hm2,分布范围较广,占全国可利用土地面积的4.88%[1]。受半干旱季风气候、地下水状况以及元素迁移的地球化学过程等因素的影响,内蒙古通辽科尔沁左翼中旗境内形成了大面积的盐碱土,盐碱化土壤类型以苏打盐化土为主,耕地盐碱化情况严重,其中盐碱化耕地面积1.29×105 hm2,轻度盐碱耕地6.60×104 hm2,占51.1%;中度盐碱耕地4.79×104 hm2,占37.1%;重度盐碱耕地1.53×104 hm2,占11.8%[2]。苏打盐碱土的主要特性是含有较多的水溶性盐或碱性物质,使土壤腐殖质易遭淋失,土壤结构易受破坏,表现为湿时黏、干时硬,土表常有白色盐分沉淀,透水透气性变差,严重的会造成作物萎蔫、中毒和烂根死亡[3]。因此,要对大面积的苏打盐碱地进行合理开发利用,必须进行土壤改良。
目前国内外对于苏打盐碱地的改良已进行了一系列研究[4-8]。农业措施包括耕作、灌水和培肥等,化学改良措施包括生物质炭、石膏、腐殖酸和硫酸铝添加等,但农业措施、化学改良措施都存在成本高、改良效果不持久、局限性大等短板,且化学改良剂的添加作为外来物质会不会影响当地土壤生态健康也没有长期试验进行研究验证[9]。近年来,随着科尔沁左翼中旗农区畜牧业的持续发展,原有以玉米秸秆黄贮为主的饲料供给已不能完全满足畜牧业发展的需求,草畜矛盾突出。在区域草畜矛盾、土壤盐渍化加重的背景下,苏打盐碱地耐盐碱饲料作物种植因其环境友好性在土壤改良技术中备受重视[10]。饲料作物种植不仅能改善土壤理化性状、抑制土壤返盐,并可通过收获地上部而获得经济效益[11]。目前,部分农户尝试盐碱地适宜饲料作物的种植,但缺乏完整成熟的与科尔沁左翼中旗条件相适应的盐碱地适宜饲料作物类型筛选机制,且不同盐碱等级土壤的适宜作物尚不清楚,难以保障改土肥田的绿色农业可持续发展。
为此,本文选取具备一定盐碱地适应能力的5种饲料作物,在不同土壤盐碱等级条件下研究饲草种植对盐碱土壤盐化碱化参数、盐离子含量、土壤养分指标的影响,并利用模糊物元-熵权模型进行土壤改良效应评价,以期为苏打盐碱地的改良提供技术与理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地点位于内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼中旗(121°08'E ~ 123°32'E,43°32'N ~ 44°32'N),地处通辽市东北端,西北接大兴安岭,南临西辽河,东与吉林省长岭县毗邻,是内蒙古高原与松辽平原的过渡带。科尔沁左翼中旗为温带大陆性季风气候,春季回暖快、风沙多,夏季雨热同期、暖热多雨,秋季短促、降温迅速,冬季寒冷干燥,气温年变化大。全年无霜期约140 d,多年平均气温5.53 ℃,多年平均蒸发量为1 897.4 mm,多年平均降水量346.3 mm,降水多集中在6—8月。全旗经济以农为主,农牧结合,具有粮多、秸秆多、牲畜头数多的资源优势,发展农区畜牧业有较大潜力。试验前耕层土壤(0 ~ 20 cm)基本理化性质如下:总可溶性盐1.21 g/kg,碱化度11.44%,pH 8.83,有机质22.61 g/kg,全氮1.31 g/kg,碱解氮74.17 mg/kg,有效磷35.22 mg/kg,速效钾290.76 mg/kg。
1.2 试验设计试验始于2020年,选取具备一定盐碱地适应能力的8种饲料作物类型包括青贮玉米、高丹草、湖南稷子、甜高粱、苏丹草、黑麦草、蛋白桑、稗草进行田间对比试验。除蛋白桑移栽大田后出现死苗情况外,其余饲料作物均能正常出苗。结合碱化度、牧草长势及产量将研究区苏打盐碱土分为优、良、中3个等级。2021年优选5种饲料作物进行研究,分别是青贮玉米、高丹草、湖南稷子、甜高粱、稗草。采用土壤盐碱等级和饲料作物种类2因素全面试验,试验共计15个处理,每个处理3次重复,共计45个试验小区,随机区组排列。试验小区面积为48 m2(4 m × 12 m),小区间设置2 m宽隔离带,消除小区间相互干扰。土地整理技术采用深松30 cm,联合整地,采用40 cm和80 cm大小行种植模式,播种、铺管、施肥一次性机械作业完成。浅埋滴灌每隔15 d左右灌溉一次,每次灌水量300 m3/hm2,根据降水及土壤墒情适当调整。病虫害防控则遵循勤观察、早发现、早防治的原则,对症施药。
1.3 测定项目与方法于2021年饲草作物播种前(4月)和收获后(10月)在每个小区用土钻按照五点取样法采集耕层(0 ~ 20 cm)土壤样品,土壤样品混合均匀后带回实验室,剔除根茬碎石,自然阴干后粉磨过80目筛。土壤pH和电导率(EC)采用pH计(LA-pH10,美国HACH)和电导率仪(DDS-11A,上海精密仪器公司)在水土质量比为5∶1时测定;阳离子交换量采用乙酸钠-火焰光度计法测定;K+、Ca2+、Na+、Mg2+通过离子色谱仪测定(ICS-90A,戴安中国有限公司);HCO3-、CO32-采用双指示剂中和滴定法测定;Cl-采用硝酸银滴定法测定;SO42-采用EDTA容量法测定;有机质采用重铬酸钾氧化-容量法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾采用醋酸浸提-火焰光度计法测定。土壤总可溶性盐为K+、Ca2+、Na+、Mg2+、HCO3-、CO32-、Cl-之和;土壤碱化度为土壤中交换性钠含量与阳离子交换量的比值。
1.4 模糊物元–熵权模型采用模糊物元–熵权模型[12-14]对不同土壤等级下饲料作物对土壤盐碱改良效果进行了综合评价,具体步骤如下。
1) 构建复合模糊物元。对于某一事物如果可用名称、特征、量值(M,C,v)来描述其基本元,则R=(M,C,v)可视为物元,其中v具有模糊性的话,R可称为模糊物元。当M包括n个特征和量值,则R构成了n维模糊物元,当有m个事物和n个模糊物元则可构成复合模糊物元Rmn,即:
$ {{R}}_{{m}{n}}=\left|\begin{array}{ccccc}& {{M}}_{1}& {{M}}_{2}& \cdots & {{M}}_{{m}}\\ {{C}}_{1}& {{x}}_{11}& {{x}}_{21}& \cdots & {{x}}_{{m}1}\\ {{C}}_{2}& {{x}}_{12}& {{x}}_{22}& \cdots & {{x}}_{{m}2}\\ ⋮& ⋮& ⋮& & ⋮\\ {{C}}_{{n}}& {{x}}_{1{n}}& {{x}}_{2{n}}& \cdots & {{x}}_{{m}{n}}\end{array}\right| $ | (1) |
式中:Mi为不同的i个事物(i=1, 2, …, m);Cj为不同的j个特征(j=1, 2, …, n);xij为第i个事物下特征j对应的量值。
2) 从优隶属度模糊物元构建。根据从优隶属的原则计算模糊物元量值隶属度,不同土壤改良指标效用不同,为更好表达指标相对性,分为越大越优型和越小越优型两种指标,具体计算公式如下:
$ 越大越优型指标:u\left( {{x_{ij}}} \right) = {x_{ij}}/q{\text{max}} $ | (2) |
$ 越小越优型指标:u\left( {{x_{ij}}} \right) = q{\text{min}}/{x_{ij}} $ | (3) |
式中:u(xij) 为xij的从优隶属度;qmax、qmin分别为xij对应指标的最大值和最小值。
从优隶属度模糊物元矩阵
$ {R'_{mn}} = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} {}&{{M_1}}&{{M_2}}& \cdots &{{M_m}} \\ {{C_1}}&{u({x_{11}})}&{u({x_{21}})}& \cdots &{u({x_{m1}})} \\ {{C_2}}&{u({x_{12}})}&{u({x_{22}})}& \cdots &{u({x_{m2}})} \\ \vdots & \vdots & \vdots &{}& \vdots \\ {{C_n}}&{u({x_{1n}})}&{u({x_{2n}})}& \cdots &{u({x_{mn}})} \end{array}} \right| $ | (4) |
3) 熵权法确定权重。对从优隶属度模糊物元矩阵
$ 越大越优型指标:{b_{ij}} = \frac{{u\left( {{x_{ij}}} \right) - {x_{{\text{min}}}}}}{{{x_{{\text{max}}}} - {x_{{\text{min}}}}}} $ | (5) |
$ 越小越优型指标:{b_{ij}} = \frac{{{x_{{\text{max}}}} - u\left( {{x_{ij}}} \right)}}{{{x_{{\text{max}}}} - {x_{{\text{min}}}}}} $ | (6) |
式中:bij为u(xij) 对应的归一化值;xmax、xmin分别为u(xij)对应指标的最大值和最小值。
计算评价指标熵值,具体计算步骤如下:
$ {H_i} = - \frac{1}{{\ln m}}\left[ {\mathop \sum \limits_{j = 1}^m {f_{ij}}\ln {f_{ij}}} \right] $ | (7) |
$ {f_{ij}} = \frac{{{b_{ij}}}}{{\mathop \sum \nolimits_{j = 1}^m {b_{ij}}}} $ | (8) |
式中:Hi为第i个事物对应的熵值;fij为事物i在特征j中归一化值所占比例。
基于实际情况考虑,当fij=0、fij=1时,明显与熵所反映的信息无序化程度相悖,对fij 进行修正,修正后公式如下:
$ {f_{ij}} = \frac{{1 + {b_{ij}}}}{{\mathop \sum \nolimits_{j = 1}^m \left( {1 + {b_{ij}}} \right)}} $ | (9) |
计算评价指标权重W:
$ W = {\left( {{\omega _i}} \right)_{1 \times n}} $ | (10) |
式中:
4) 综合评价值Qj。计算公式如下:
$ {Q_j} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^m {w_j}{f_{ij}}(i=1\text{,}2\text{,}…\text{,}n; j=1\text{,}2\text{,}…\text{,}m) $ | (11) |
采用Excel 2019和Origin 2022处理数据及作图,利用SPSS 27.0进行统计分析。采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)中Duncan法进行处理间多重比较。
2 结果与分析 2.1 不同饲料作物对土壤盐化和碱化参数的影响不同饲料作物对土壤盐化和碱化参数的影响如图 1所示。试验结果表明,土壤pH相对较为稳定,种植前后pH分别介于8.51 ~ 8.93、8.34 ~ 8.63,种植饲料作物后土壤平均pH较种植前降低1.64%,种植前后土壤pH差异不显著(P > 0.05)。土壤EC在相同饲料作物不同处理间差异显著(P < 0.05),高丹草、稗草、青贮玉米、湖南稷子、甜高粱收获后土壤平均EC比播种前分别降低17.18%、13.22%、18.68%、15.55%、13.19%;中、良、优土壤等级下,饲料作物收获后土壤平均EC比播种前分别降低11.30%、6.81%、27.09%。土壤总可溶性盐在土壤等级为良时,种植前后土壤总可溶性盐差异均不显著(青贮玉米除外),高丹草、稗草、青贮玉米、湖南稷子、甜高粱收获后土壤平均总可溶性盐比播种前分别降低10.56%、12.36%、14.96%、10.64%、13.87%;中、良、优土壤等级下,饲料作物收获后土壤平均总可溶性盐比播种前分别降低16.04%、3.86%、17.52%。土壤碱化度随土壤等级提升而降低,相同饲料作物不同处理间差异显著(P < 0.05),高丹草、稗草、青贮玉米、湖南稷子、甜高粱收获后土壤平均碱化度比播种前分别降低18.33%、16.25%、12.63%、18.43%、19.23%;中、良、优土壤等级下,饲料作物收获后土壤平均碱化度比播种前分别降低16.74%、16.56%、17.63%。综合来看,不同饲料作物种植在抑制盐渍化方面均有一定效果,当土壤等级为优时种植前后土壤盐化和碱化降幅最大。
不同饲料作物对土壤盐离子的影响如图 2所示。总体上,不同饲料作物种植降低土壤Ca2+、Mg2+、HCO3-+CO32-含量,提高土壤K++Na+、Cl-含量,对土壤SO42-含量影响存在差异。饲料作物收获后土壤Ca2+、Mg2+、HCO3-+CO32-平均含量分别比播种前显著降低29.33%、60.41%、43.36%(P < 0.05),其中青贮玉米土壤Mg2+、HCO3-+CO32-平均含量降幅最大,分别为87.79% 和62.56%;湖南稷子土壤Ca2+平均含量降幅最大,为55.94%。土壤质量为优时,Mg2+、HCO3-+CO32-含量降幅最大,分别为72.96%、53.50%;土壤等级为中时,Ca2+平均含量降幅最大,为56.66%。饲料作物收获后土壤K++Na+、Cl-平均含量分别比播种前显著提升24.92%、68.33% (P < 0.05),其中青贮玉米土壤K++Na+、Cl-平均含量增幅最大,分别为39.93%和119.19%。土壤质量为优时,K++Na+平均含量增幅最大,为29.37%;土壤质量为良时,Cl-平均含量增幅最大,为122.76%。饲料作物收获后土壤SO42-平均含量比播种前降低0.76%,稗草和甜高粱收获后土壤平均SO42-含量较播种前降低1.17%、5.06%,高丹草、青贮玉米、湖南稷子收获后土壤平均SO42-较播种前提高6.75%、1.17%、1.32%。土壤等级为中、优时,收获后土壤平均SO42-含量较播种前提高18.67%、13.86%;土壤等级为良时,收获后土壤平均SO42-含量较播种前降低24.79%。
不同饲料作物对土壤养分的影响如图 3所示。总体上,不同饲料作物种植后显著降低土壤碱解氮和速效钾含量(P < 0.05),饲料作物收获后土壤碱解氮和速效钾含量比播种前分别降低15.15%、24.06%。高丹草收获后土壤有机质平均含量较播种前提升31.80%,稗草、青贮玉米、湖南稷子、甜高粱收获后土壤有机质平均含量较播种前降低6.42%、2.40%、7.20%、8.96%。土壤质量为中、良时,收获后土壤有机质平均含量较播种前分别提高25.52%、1.77%;土壤质量为优时,土壤有机质平均含量较播种前降低20.14%。高丹草、稗草、青贮玉米、湖南稷子收获后土壤碱解氮平均含量较播种前分别降低0.38%、24.58%、14.67%、39.92%,甜高粱收获后土壤碱解氮平均含量较播种前提高8.54%。土壤质量为中、良时,收获后土壤碱解氮平均含量较播种前分别降低8.46%、34.91%;土壤质量为优时,土壤碱解氮平均含量较播种前提高0.10%。高丹草、青贮玉米、湖南稷子、甜高粱收获后土壤有效磷平均含量较播种前分别提高0.43%、24.78%、7.15%、31.03%,稗草收获后土壤有效磷平均含量较播种前降低34.62%。土壤质量为中时,收获后土壤有效磷平均含量较播种前降低22.79%;土壤质量为良、优时,土壤有效磷平均含量较播种前分别提高20.29%、12.06%。高丹草、稗草、湖南稷子、甜高粱收获后土壤速效钾平均含量较播种前分别降低21.48%、37.10%、39.44%、30.45%,青贮玉米收获后土壤速效钾平均含量较播种前提高12.97%。土壤质量为中时,收获后土壤速效钾平均含量较播种前提高7.92%;土壤质量为良、优时,土壤速效钾平均含量较播种前分别降低20.31%、51.46%。
试验供试饲料作物为高丹草、稗草、青贮玉米、湖南稷子、甜高粱,共有15种不同的饲草、土壤等级处理,以2021年各项指标数据为例,评价指标包括总可溶性盐、碱化度、pH、有效磷、速效钾、有机质、碱解氮、HCO3-+CO32-、EC,各指标数据见表 1。基于模糊物元-熵权模型的综合评价可知,不同饲草、土壤等级处理评价结果与总可溶性盐、碱化度、pH、有效磷、速效钾、有机质、碱解氮、HCO3-+CO32-、EC关联性大小介于0.109 2 ~ 0.111 5。由图 4可知,不同饲草、土壤等级处理通过模糊物元-熵权模型得到的综合评价值从大到小排序依次为:青贮玉米中、甜高粱良、高丹草良、甜高粱优、高丹草中、高丹草优、湖南稷子中、稗草良、甜高粱中、青贮玉米优、稗草中、湖南稷子优、湖南稷子良、稗草优、青贮玉米良。排名前六的处理中,包括青贮玉米1个处理,甜高粱2个处理,高丹草3个处理,说明青贮玉米对土壤盐渍化程度较高的土壤改良效果更佳,而甜高粱与高丹草更适合盐渍化较轻土壤的改良。通过模糊物元-熵权模型对不同饲草、土壤等级处理进行评价,与实际情况较为接近,说明该方法在内蒙古东部土壤盐渍化地区的应用是合理的,且计算简便易于推广,具有实用价值。
不同饲料作物种植土壤养分与盐碱指标相关性分析如图 5所示。土壤总可溶性盐与碱化度、HCO3-+CO32-、Ca2+、Mg2+、EC间呈极显著正相关(P < 0.01),与pH、速效钾呈显著正相关(P < 0.05);碱化度与EC间呈极显著正相关(P < 0.01),与pH、速效钾、HCO3-+CO32-呈显著正相关(P < 0.05);pH与HCO3-+CO32-呈极显著正相关(P < 0.01),与Cl-呈显著负相关(P < 0.05),与Mg2+呈显著正相关(P < 0.05),说明土壤盐化碱化参数受盐离子浓度的影响高于土壤养分指标。速效钾与有机质、EC间呈显著正相关(P < 0.05)。HCO3-+CO32-与Cl-呈极显著负相关(P < 0.01),与Mg2+、EC间呈极显著正相关(P < 0.01),与Ca2+呈显著正相关(P < 0.05),与K++Na+呈显著负相关(P < 0.05);Cl-与Mg2+呈极显著负相关(P < 0.01),与K++Na+呈极显著正相关(P < 0.01);Ca2+、Mg2+与K++Na+呈极显著负相关(P < 0.01),与EC呈极显著正相关(P < 0.01)。
作物与土壤间的交互效应十分复杂,对于盐渍化土壤改良的关键是压盐抑碱[15]。在盐渍化土壤上种植耐盐碱作物,能够改变土壤理化性质,有利于土壤盐渍化改良,相比种植盐生植物也更具农业经济效益,但不同饲料作物类型对盐渍化土壤的影响存在较大差异[16]。本研究表明,不同饲料作物种植后土壤平均pH较种植前降低1.64%,种植前后土壤pH差异不显著(P > 0.05)。这是由于有机酸代谢和饲料作物抗盐碱关系密切,作物根系在盐渍等逆境胁迫的影响下,体内会合成大量脯氨酸并释放到根际,根系分泌物中如草酸、水杨酸、吲哚乙酸和脱落酸的分泌量也普遍增加[17]。杨茜等[18]关于低分子量有机酸对土壤性质的影响研究表明,土壤pH变化受低分子量有机酸的酸解作用和络合作用影响,且土壤pH随有机酸浓度升高而降低;李平和王兴祥[19]研究得出有机酸种类、浓度和pH均对土壤pH影响显著,柠檬酸对土壤pH的影响大于草酸和苹果酸,有机酸浓度和土壤pH成反比,有机酸pH与土壤pH成正比;此外麻莹等[20]研究发现,盐碱胁迫下抗碱牧草体内累积有机酸是维持细胞内离子平衡和调节pH的重要方式,极大地提高了机体容纳Na+等阳离子以及抗脱水能力。一方面,盐碱胁迫下植物根系分泌有机酸;另一方面,在盐碱胁迫下,抗盐碱植物体内合成更多有机酸来降低细胞渗透势,维持细胞膨压,当植物凋落物和残体降解时可为土壤提供大量有机酸,使得土壤pH降低[21]。本文中,牧草种植前后土壤pH变化不显著,而窦晓慧等[22]研究认为,种植牧草可显著降低土壤pH,且随土壤深度增加pH降幅逐渐变小,这可能与不同地区土壤盐碱程度、水文气象条件以及种植年限等因素有关。种植饲草作物具有降盐抑碱效果,主要是由于作物对土层中盐离子的吸收作用,且根系生长增强土壤通气性、导水性,促进盐分淋洗,同时饲草作物增加土壤盖度,植株蒸腾代替部分棵间蒸发,从而抑制土壤盐分表聚[23]。本文中,饲料作物种植显著降低EC、总可溶性盐、碱化度(P < 0.05),当土壤盐渍化程度较低时盐化和碱化参数降幅最大,这与迟春明和王志春[24]关于松嫩平原不同类型草原植被对盐渍化表层土壤具有明显脱盐效果相类似。
土壤盐离子浓度不平衡是影响土壤盐渍化的直接因素,由于本文研究区域广泛分布富含Na、K的近代火山岩,Na与K主要以铝硅酸盐形式存在,在风化过程中,形成了含Na、K、Ca、Mg的重碳酸盐类,随水溶解汇集到低地,Ca、Mg的重碳酸盐经蒸发转化为碳酸盐而沉淀,含Na、K的重碳酸盐及含Cl、S的化合物则呈易溶性盐被淋洗迁移于低地,为形成苏打盐渍土提供了补给源[25]。本研究表明,不同饲料作物种植降低土壤Ca2+、Mg2+、HCO3-+CO32-含量,可以对研究区苏打盐碱土起到一定脱盐降碱作用。这可能是由于作物庞大致密的根系对土壤的穿插和挤压作用,改善了土壤的结构,使其朝良性方向发展,促进了盐分向下淋溶作用,同时增加表土腐殖质含量,促进了大团聚体的形成,渗透性增强促进了各盐分离子的运移,一定程度上抑制了土壤盐渍化。但不同饲料作物种植条件下,作物耐盐机理尚不十分明确,如何能达到土壤盐离子含量比例变化最优还有待进一步深入研究。
有研究表明耐盐作物可显著提升土壤养分含量[26],但关于种植作物对土壤速效钾含量变化的研究结果存在差异。本文研究表明,不同饲料作物收获后土壤碱解氮和速效钾含量比播种前分别降低15.15%、24.06%。而潘洁等[27]关于滨海盐碱地4种耐盐草本植物对土壤养分影响的研究表明,耐盐植物种植后,土壤速效钾含量呈上升趋势;乔艳辉和王月海[28]关于NyPa牧草对滨海盐碱地土壤改良的研究发现,速效钾含量变化不大,始终低于同期荒草地。相关分析表明,土壤盐化碱化参数受盐离子浓度的影响高于土壤养分指标,速效钾与总可溶性盐、碱化度、EC间呈显著正相关(P < 0.05),说明土壤盐碱指标含量增加在一定程度上促进土壤速效钾的积累和转化,但其内在机理不清,是今后重点研究的方向之一。
4 结论1) 不同饲料作物种植前后土壤pH差异不显著(P > 0.05),EC、总可溶性盐、碱化度显著降低(P < 0.05),在抑制土壤盐渍化方面均有一定效果,当土壤盐渍化程度较低时盐化和碱化参数降幅最大。
2) 总体上,不同饲料作物种植降低土壤Ca2+、Mg2+、HCO3-+CO32-含量,提高土壤K++Na+、Cl-含量,对土壤SO42-含量影响存在差异,收获后土壤碱解氮和速效钾含量比播种前分别降低15.15%、24.06%。
3) 基于模糊物元-熵权模型的综合评价,青贮玉米对土壤盐渍化程度较高的土壤改良效果更佳,而甜高粱与高丹草更适合盐渍化较轻土壤的改良。
4) 土壤盐化碱化参数受盐离子浓度的影响高于土壤养分指标。
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