张 晶，杨树青*，郑 彦，王 波，马守良，张万锋

（1 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；
2 内蒙古师范大学旅游学院，内蒙古呼和浩特 010018）

土壤盐渍化在世界各地均有发生[1–2]，我国盐渍土总面积约为3600×104hm2，占全国可利用土地面积的4.88%[3]。河套灌区作为我国重要的粮食产区，耕地中约有68.65%的土壤存在不同程度的盐渍化[4]。乌拉特前旗地处内蒙古河套灌区下游，为典型的农牧交错区，属北方干旱地区，降水稀少、蒸发强烈，因此高矿化度地下水中的可溶性盐分经包气带毛细水上升并积聚于土壤表层[5]，加之灌区田间排水系统配套率低导致排水不畅[6]，土壤盐渍化问题愈发严重。土壤盐渍化可导致土壤板结、肥力下降、作物出苗困难甚至死亡[7]，严重影响现代种植业高质量发展，如何高效利用这部分中低产田是急需解决的关键问题。

防治盐碱灾害要遵循“盐随水来，盐随水去”的原理，控制地下水位在临界水位以下的同时应减少地下水通过毛细作用的蒸发[8]，因此盐渍土治理应从这两个点找到突破口。暗管排水技术是在地下适当位置埋设具有渗水功能的管道，大量研究证明暗管排水在控制地下水位、降低土壤含盐量、改善盐渍土理化性状及防止土壤返盐等方面有着明显效果[9–13]，可为植物根层提供适宜的生长环境，同时暗管排水具有占地少、土地利用率高、便于机械化作业及维护的特点[14]，近年来已经成功应用于河套灌区排盐治碱工程[15–16]。

耐盐植物改良盐碱地技术即通过植物的生命活动使土壤积累有机质、提高土壤肥力，根系的穿插作用可改善土壤通透性、减轻土壤板结、提高水分入渗率，加速土壤盐分淋洗；
植物的覆盖作用可减少土壤中水分的蒸发，变蒸发为蒸腾，从而阻止地下水位上升[17–19]。生物改良措施既调节了土壤水盐平衡又提高了土壤肥力，经过若干年改良可为后茬作物根区提供一个良好的水、盐、肥生长环境[20–21]。近些年来，以耐盐牧草为对象的盐碱地生物改良技术研究逐步开始[22–23]，乌拉特前旗位于农牧交错带，耐盐牧草的试验种植不仅对于改善当地生态环境有重要意义，同时有利于减轻天然草场压力、增加畜牧业和农业经济收入，因此在该地区盐碱地进行耐盐牧草的选育和种植具有一定现实意义。

目前研究盐渍土单一改良措施较多，两种措施协同改良盐碱地的研究较少。本研究以工程措施、生物改良措施两方面为切入点，研究双重改良措施下耐盐牧草生长状况及土壤理化性质变化规律，为合理利用盐渍化耕地种植饲草，促进当地粮、经、草(饲)三元种植结构协调发展提供理论基础。

1.1 研究区概况

于2020和2021年，在河套灌区下游的乌拉特前旗红卫试验站 (东经 108°45′～109°36′，北纬40°30′～40°40′)进行田间试验，试验田为中度盐碱地，研究区土壤质地见表1，盐分离子以SO42−、Na++K+、Cl−为主。试验区0—40 cm土层土壤为粉壤土，0—100 cm土层平均容重为1.54 g/cm3，生育期内地下水埋深变幅为 1.45～1.9 m。

1.2 试验设计

试验地装有暗管排水系统，生物措施处理设置甜高粱(Sorghum bicolor)、苏丹草 (Sorghum sudanense)和苜蓿(Medicago sativa) 3种耐盐植物，不种植植物为对照(CK)，每个处理重复3次，每个小区面积为 25 m2(5 m×5 m)，完全随机排列，各小区间设50 cm的分隔行(土埂)，具体布设见图1。供试甜高粱、苏丹草和紫花苜蓿品种分别为‘BJ0603’、‘乌拉特1号’、‘阿尔冈金’。暗管埋深0.8 m，间距20 m，暗管外包有68 g/m2的透水性土工布。

播种前各处理均覆盖60 cm宽黑色塑料薄膜，薄膜间裸露地面间距20 cm。采用人工点播方式播种，每行膜播种2行种子，穴距30 cm，行距20 cm。苜蓿、甜高粱、苏丹草种子穴播粒数分别为15、3和4粒，播种后覆沙。施肥按照当地施肥方法和施肥量，氮肥与磷肥施用量分别为315和180 kg/hm2，农艺措施为人工除草。两年春灌时间分别为5月16日、5月19日，灌水定额均为2250 m3/hm2，耐盐植物在生长旺盛期灌水2次，灌水量为950 m3/hm2，均为黄河水灌溉。

1.3 测定指标及方法

分别于春灌前、播种前、每次灌水后及收获后，用土钻进行土壤取样，样品分为0—20、20—40、40—60 cm共计3层进行采集。土壤风干、粉碎后过1 mm筛备用，对样品进行盐分离子测定。SO42−采用EDTA间接滴定法测定；
Cl−采用AgNO3滴定法测定；
HCO3−采用双指示剂中和法测定；
Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定法测定；
K++Na+采用阴阳离子平衡法测定[24]。土壤容重采用环刀法测定[25]。

甜高粱生物量在秋季收获后测定，随机选取1 m2样地称取地上鲜重，并同时取茎叶若干，以备植株体内盐分离子测定，将其根系用水冲洗干净后，用吸水纸吸干表面水分后进行称重。苜蓿、苏丹草生物量是随机选取1 m2样地测产，累加每次刈割称得的鲜重得出每年苜蓿、苏丹草的地上部分鲜重，其它步骤同甜高粱。测完植物鲜重将植物地上、地下部样品在烘箱中110℃下杀青30 min后降温至85℃烘干至恒重，称量后计算平均每种植物的地上、地下部干重，根据单位面积干重测算单位面积生物量。植物SO42−、Cl−采用离子色谱法测定，K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用电感耦合等离子体发射光谱法测定。

土壤中各盐分离子含量、植物地上部和根系盐分吸收量、植物脱盐率和盐分淋溶量按下列公式进行计算[26–27]：

式中，WS为单位面积内土壤盐分离子含量，g/m2；
SS为土壤中盐离子浓度，g/kg；
ρ为土壤容重，g/cm3；
h为土壤深度，m；
盐分离子为K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl−、HCO3−、SO42−。

试验区土壤含盐量高、质地硬及通气性差。表层(0—20 cm土层)容重最大，20—60 cm土层容重依次减小(图2)。2020年耐盐植物收获后(10月)，苜蓿、甜高粱、苏丹草、CK处理0—20 cm土层容重较年初(4月)分别下降了7.91%、8.44%、10.29%、3.37%，3个植物处理的土壤容重降幅显著高于单独暗管对照。3个植物处理的20—40 cm土层容重较年初降低了0.069～0.112 g/cm3，降幅均低于表层，但CK 升高了 0.058 g/cm3。苜蓿、苏丹草对 40—60 cm土层容重仍有影响，分别降低了0.106、0.1 g/cm3，甜高粱和CK对该层次已无显著影响。

图2 不同植物播种前和收获后0—60 cm土壤容重Fig. 2 Soil bulk density in 0−60 cm depth before sowing and after harvesting of plants

2021年4月，各耐盐植物处理0—60 cm土层容重均较2020年收获后有所增大，苏丹草、甜高粱、苜蓿表层增幅分别为6.77%、6.54%、3.12%。10月收获后暗管排水下苜蓿、甜高粱、苏丹草各处理土层容重均较年初明显降低，表层降幅分别为12.36%、11.4%、10.98%，20—40及40—60 cm土层降幅依次降低，单独暗管排水CK处理0—20 cm土层及20—40 cm土层分别降低2.62%、1.66%，而40—60 cm土层升高1.25%。

在暗管排水下连续种植2年耐盐植物后，土壤

式中，WP为植物地上部或根系盐离子吸收量(各离子含量之和)，g/m2；
SP为植物地上部或根系中盐离子浓度，g/kg；
DW为植物地上部或根系生物量干重，kg/m2；
PP为植物离子吸收运移脱盐率，%；
W1为种植前土壤全盐含量，g/m2；
W2为收获后土壤全盐含量，g/m2；
PS为土壤脱盐率，%；
PL为土壤淋溶脱盐率，%。

1.4 数据统计与方法

应用Excel 2007对数据初步处理及整理，利用DPS v9.01进行差异显著性分析，用Origin 2018完成绘图。

2.1 土壤容重变化

容重较试验前均有明显下降，苜蓿、甜高粱、苏丹草表层降幅分别为16.77%、13.57%、14.73%，单独暗管排水CK处理降幅仅为2.13%；
20—40 cm土层容重降幅低于表层，在7.65%～14.07%，而CK处理20—40 cm容重升高0.78%；
40—60 cm土层降幅在6.45%～13.58%，CK处理升高0.83%。对比3种耐盐植物0—60 cm土壤容重变化可知，表层到深层容重降幅依次减小，3个土壤层次的平均降幅是CK的6.37～7.88倍。3种植物各土层容重降幅均表现为苜蓿>苏丹草>甜高粱，这是由于苜蓿根系较发达，根系的穿插作用使土壤结构变疏松，从而降低容重。

2.2 土壤盐分变化

如图3所示，0—60 cm土层全盐含量均随生育期呈先下降再升高的趋势。2020年春灌淋洗后，各处理 0—20 cm 全盐浓度降低 0.97～1.16 g/kg，春灌脱盐率在19.11%～22.83%。第一次灌水后，苏丹草脱盐率最大，为18.23%。第二次灌水后，CK全盐含量显著高于3个耐盐植物处理(P<0.05)，3个植物处理间没有显著差异。秋季收获后，土壤全盐含量较二水后有不同幅度的升高，以甜高粱升幅最大，为25.64%，显著高于其它处理，但耐盐植物处理的土壤全盐含量仍均显著低于CK，2020年表层脱盐效果苏丹草>苜蓿>甜高粱，脱盐率分别为45.81%、42.52%、32.48%，CK脱盐率为18.70%。2021年春灌前各处理表层全盐量较2020年收获后有不同程度提升。2021年春灌后各处理土壤全盐量降至2.86～3.47 g/kg，处理间差异不显著。经生育期内2次灌水，与春灌前相比各耐盐植物处理表层脱盐率为苜蓿>苏丹草>甜高粱>CK，最高达52.10%。收获后，各处理土壤全盐量较二水后升高，其中苜蓿处理土壤盐分涨幅最小，CK最大。2021年全生育期表层脱盐效果由高到低为苜蓿>苏丹草>甜高粱>CK，脱盐率分别为45.1%、37.5%、29.72%、8.47%。2年合计表层全盐量降幅最大为苜蓿处理，苏丹草、甜高粱次之，脱盐率分别为61.42%、56.69%、39.96%，分别较CK (脱盐率23.43%)高37.99个百分点、33.2%个百分点、16.53个百分点。

图3 不同处理0—60 cm土层土壤全盐含量Fig. 3 Total salt content in 0−60 cm soil layer under different plant treatments

2020年播种前，各处理20—40 cm土层全盐含量春灌脱盐率在14.69%～16.65%，低于土壤表层脱盐率。二水后苜蓿、苏丹草处理土壤含盐量显著低于CK，春灌前到二水后土壤脱盐率分别为44.96%、43.52%。2020年全生育期耐盐植物处理20—40 cm土层含盐量降低次序为苜蓿>苏丹草>甜高粱>CK，脱盐率分别为41.21%、38.04%、29.11%、14.41%。2021年春灌前，各处理20—40 cm土层全盐含量均高于2020年末，苜蓿土壤全盐量显著低于其它3个处理。2021年收获后苜蓿、甜高粱、苏丹草、CK处理20—40 cm土层脱盐率均低于2020年。暗管下种植耐盐植物2年后，耐盐植物20—40 cm土层全盐含量显著低于CK，其中种植苜蓿脱盐效果最好，脱盐率为51.59%。

2020年各处理40—60 cm土层全盐含量在2次灌水后降低0.38～0.85 g/kg，但耐盐植物处理与CK差异不显著。2021年春灌前各处理较2020年收获后均有返盐现象，甜高粱和苏丹草处理返盐量最高，收获后耐盐植物处理土壤全盐含量显著低于CK，苜蓿在生育期内全盐含量均显著低于CK。2021年收获后，40—60 cm土层苜蓿处理脱盐率最高(40.52%)，苏丹草处理次之(31.47%)，甜高粱最低(22.84%)。

综上，暗管排水下，种植耐盐植物能有效降低0—60 cm土层全盐含量，降低顺序为0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm。种植 2 年后，工程−生物双重措施下各土层含盐量显著低于暗管排水单一措施。苜蓿处理各土层脱盐率均最高，表层与苏丹草处理差异不显著，20—60 cm土层全盐含量均显著低于甜高粱及苏丹草，这与其根系穿插深度及分布范围有关。

2.3 土壤盐离子运移特征

因土壤离子迁移能力及植物对其吸收、运移能力不同，各离子含量在0—60 cm不同土层中存在明显差异(图4)。

图4 种植耐盐植物2年后0—60 cm土层离子含量Fig. 4 The ion content in 0−60 cm soil layer after two years of salt-tolerant plant treatments

经过暗管、植物双重作用，各处理收获后表层盐离子含量以SO42−、Na++K+、Cl−为主。相较 2020年4月，苜蓿、甜高粱、苏丹草、CK处理土壤表层Na++K+含量分别降低66.74%、65.91%、40.62%、21.32%，各土层降幅为 0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm，耐盐植物处理各层Na++K+含量均显著低于CK，苜蓿及苏丹草处理又显著低于甜高粱。苜蓿处理的 0—20、20—40 cm 土层 Ca2+及 Mg2+降低幅度最大。HCO3−较其它离子降低幅度最小，表层降低幅度在9.81%～30.50%，但40—60 cm土层甜高粱及CK处理分别增加3.77%、16.55%。土壤表层及40—60 cm 土层Cl−降幅为苜蓿>苏丹草>甜高粱>CK，各处理间Cl−含量差异显著。除苏丹草处理外，苜蓿、甜高粱及CK处理的SO42−较其它离子降低幅度最大，土壤表层苜蓿、甜高粱、苏丹草及CK处理分别降低66.00%、47.69%、61.78%、28.82%。试验初期至收获后苜蓿、甜高粱、CK处理0—60 cm土层各盐分阳离子平均脱盐率为Na++K+>Mg2+>Ca2+，阴离子脱盐率为SO42−>Cl−>HCO3−。苏丹草阳离子平均脱盐率与其它3个处理一致，阴离子脱盐率为 Cl−>SO42−>HCO3−。暗管排水配合3个耐盐植物处理的SO42−、Na++K+、Cl−脱盐率分别在 41.91%～57.47%、33.4%～55.39%、31.05%～53.49%，高于单一暗管处理的22.36%、17.96%、17.01%。

2.4 耐盐植物生物量测算及土壤脱盐率分析

为精确分析土壤脱盐率的变化，本研究测算了耐盐植物离子分配及其生物量的变化(表2和图5)。由表2可知，地上部分，苜蓿Na+、Ca2+、Mg2+、SO42−、Cl−含量显著高于甜高粱和苏丹草，甜高粱K+含量显著高于苜蓿和苏丹草。地下部分，苏丹草Na+、SO42−、Cl−含量显著高于其它2种植物，苜蓿K+含量最高，甜高粱Ca2+和Mg2+含量显著高于苜蓿和苏丹草。3种植物K+及Cl−运输能力较强，地上部分两种离子含量均高于地下部分，苜蓿地上部分各离子含量均高于地下部分。

表2 不同耐盐植物地上部和地下部离子含量 (g/kg)Table 2 The ion content in above- and below-ground parts of salt-tolerant plants

图5 2020和2021年耐盐植物生物量(干重)Fig. 5 Dry biomass of salt-tolerant plants in 2020 and 2021

由于苜蓿是多年生植物，因此地下部分生物量不进行测量(图5)。2年苏丹草地上部分产量显著高于甜高粱和苜蓿，苜蓿产量最低。2021年3种植物地上部生物量均高于2020年，苜蓿、甜高粱、苏丹草分别增产51.81%、28.51%、24.35%。2年间苏丹草的地下部生物量均显著高于甜高粱。

在埋设暗管条件下，种植不同耐盐植物的土壤脱盐率变化如表3所示。对比2年前后0—60 cm土层土壤盐含量，苜蓿、甜高粱、苏丹草处理土壤盐含量分别较试验前降低1887.20、1303.97、1736.65 g/m2，土壤脱盐率苜蓿>苏丹草>甜高粱，分别较CK高41.64、36.06、22.16个百分点。根据植物生物量(干重)及不同部位吸收盐离子量测算，苜蓿、甜高粱、苏丹草分别通过2年刈割共可带出土壤中盐分30.00、66.92和68.05 g/m2，分别占总脱盐量的1.59%、5.13%、3.32%。3种植物淋溶脱盐率依次为苜蓿>苏丹草>甜高粱，淋溶量分别占总脱盐量的98.41%、96.68%、94.87%。

表3 暗管排水结合不同耐盐植物的脱盐率(0—60 cm)Table 3 Desalting rate of salt-tolerant plants in the field with subsurface pipe drainage

3.1 工程−生物协调作用对盐渍土改良的影响

盐碱土壤中可溶性盐分含量的降低是植株健康生长的关键因素[28]，逄焕成等[29]研究发现随着土壤盐胁迫的增加苜蓿生长受抑制程度增大。盐渍土影响植物生长的另一个原因是土壤板结、紧实、通气性差和透水性差[30]。因此通过有效措施降低土壤耕作层含盐量、改善土壤渗透性对盐渍化区域农业发展有重要意义。

暗管排水措施具有降低土壤盐分的效果，周利颖等[15]在河套灌区研究表明10 m暗管间距的淋盐效果优于20 m、30 m间距，土壤脱盐速度更快，其中土壤表层降盐最明显。刘玉国等[13]分析了暗管技术下轻度和中度盐渍化土壤盐分含量变化规律，结果表明中度盐渍化土壤脱盐率最高为90.89%，脱盐效果较轻度盐渍化土壤更为明显，轻、中度盐渍土壤盐分剖面形态特征均由表聚型向脱盐型转化。本研究单纯暗管排水处理2年后表层土壤脱盐率为23.43%，植物与暗管排水协同作用2年后各处理表层脱盐率较单纯暗管排水高16.53～37.99个百分点，此结果表明耐盐植物与暗管排水耦合作用可促进盐渍土表层脱盐，降低表层含盐量。甜高粱和苏丹草2020年0—40 cm脱盐率均高于2021年，侯贺贺等[31]同样得出不同植物的脱盐效果随年限增加而降低，苜蓿2021年表层脱盐率高于2020年，这是由于苜蓿是多年生植物，随生长年限的延长，苜蓿的根颈增粗、侧根数量增加，土壤通气状况得到改善[32]，加速了盐分淋洗。本研究区盐离子组成以SO42−、Na++K+、Cl−为主，3种离子大量聚集在土壤耕层导致土壤孔隙减少、渗透性降低，进而影响植物生长发育、使植物代谢紊乱甚至发生中毒，同时会阻碍植物对Ca2+的吸收[16,33]。与前人研究结果[34]一致，利用工程−生物措施对SO42−、Na++K+、Cl−脱除效果较好，可为植物提供更适宜的生长环境，减少离子毒害。

胡发成[32]研究发现，苜蓿可降低土壤容重、提高土壤孔隙度、改善土壤渗透性和通气状况。侯贺贺等[31]在盐碱地种植耐盐植物发现，田菁、紫花苜蓿、菊苣、甜高粱、白花草木樨耕作层土壤容重有不同程度降低，降低率在10.31%～21.27%。景鹏成等[35]在南疆地区种植耐盐牧草，也得出种植耐盐牧草可显著降低土壤容重的结果。本研究发现2年后单纯暗管排水处理土壤表层容重下降幅度较小，20—60 cm土壤容重有所升高，在暗管排水下种植耐盐牧草后可显著降低0—60 cm土壤容重。因此可以推测生物−工程协同作用下土壤容重的降低主要是生物作用引起的，而不同耐盐植物对土壤容重改善效果不同，可能与各土层植物根系分布深度、根系生长活动分泌物及根系穿插活动强烈程度有关[36]。

3.2 植物—土壤的盐分转移

王立艳等[37]通过测定耐盐植物根际土壤盐分差异得出，收获期耐盐植物表层土脱盐效果顺序为田菁>苏丹草>苜蓿>碱蓬，各植物脱盐效果差异归因于耐盐植物根际对土壤中不同离子的选择性吸收作用。郭洋等[38]发现种植生物量大且对盐分有强富集能力的盐生植物，可有效改良盐碱地。本研究暗管排水下种植耐盐牧草的各土层脱盐效果均显著高于CK，促进土壤脱盐，首先是因为耐盐植物地面覆盖度高，变蒸发为蒸腾，抑制了盐分表聚[18]，其次是植物离子的选择性吸收[26]，三是因为植物根际作用为盐离子的淋洗开辟了通道[39]。本研究通过苜蓿刈割带走的盐分最低，这与苜蓿前两年产量低有关，苜蓿产量最高出现在生长的第6年[40]，但苜蓿的淋溶脱盐率最高，说明苜蓿地面覆盖度较高及根系作用较强，通过根系作用改善了土壤结构，土壤孔隙度增大，加快了盐分向耕层以下土层迁移。暗管排水淋洗与植物协同对盐渍化土壤改良效果优于单独使用暗管淋洗，这与唐让云等[27]研究结果相似。

暗管排水结合种植耐盐牧草可显著提高暗管排水降低土壤盐分的效果。改善程度苜蓿>苏丹草>甜高粱，效果均优于单独暗管处理。种植耐盐植物主要是显著降低了0—60 cm土层的土壤容重及全盐含量，尤其是提高了土壤中SO42−、Na++K+、Cl−淋溶脱盐率，可为植物提供适宜的土壤环境，减轻对植物的毒害作用。苏丹草产量显著高于苜蓿和甜高粱，通过刈割带出盐分为68.05 g/m2，也高于苜蓿和甜高粱。耐盐植物吸收脱盐率在1.00%～2.26%，淋溶脱盐率在41.48%～62.20%，植物带走的盐分含量远低于淋洗出土壤的盐分，说明处理间脱盐率的差异与植物根系改善土壤结构的关系更为密切，土壤容重减小、孔隙变大，促进了盐分随水向下迁移出根层。苜蓿的淋溶脱盐率明显高于其它两种植物，对土壤结构改善能力最强，因此河套灌区下游农牧交错区盐渍土在暗管排水工程下适宜种植苜蓿。

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