喬雪濤,何欣燕,何 俊,范秀華,*

1 北京林業(yè)大學(xué)森林資源與生態(tài)系統(tǒng)過程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 2 北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院,北京 100083 3 寧夏大學(xué)新技術(shù)應(yīng)用研究開發(fā)中心,銀川 750021

土壤鹽堿化對(duì)全球農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響,目前全世界約有鹽堿化土地9.5×108hm2,并且隨著時(shí)間的推移,其面積持續(xù)擴(kuò)大,鹽堿化的水平持續(xù)加劇[1]。我國鹽堿地分布廣泛,面積較大,約3.6×107hm2,同時(shí)還存在大面積潛在的鹽堿土地[2]。因此,采取行之有效的措施改良鹽堿荒地,使其能被有效利用是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

鹽堿荒地改良利用的核心是改善植物生長的土壤環(huán)境[3]。土壤鹽分運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜,鹽分以水分為載體,隨著水分的運(yùn)動(dòng)而遷移[4]。地表返鹽和聚鹽的主因就是土壤水分無效蒸發(fā)與潛水上升,而通過切斷潛水上升通道,減少水分蒸發(fā),促進(jìn)下行重力水的淋洗作用,能夠有效抑制返鹽和聚鹽作用,降低鹽分對(duì)植物的脅迫作用[5]。大量研究與實(shí)踐表明,填埋秸稈作為隔離墊層,能夠有效破壞土壤毛細(xì)管的連續(xù)性,降低潛水蒸發(fā),阻隔鹽分隨潛水上升,防止根層鹽化和鹽分表聚,最終達(dá)到保墑抑鹽的效果[5-9]。但目前關(guān)于利用秸稈作隔離墊層對(duì)鹽堿土壤水鹽分布影響的研究,對(duì)于秸稈填埋量的研究較少,并且大多都是在室內(nèi)設(shè)計(jì)的一維土柱試驗(yàn),而室內(nèi)試驗(yàn)無法模擬出野外受多種自然因素影響的土壤水鹽分布的實(shí)際情況[10-13]。另外,在當(dāng)前鹽堿土壤改良的研究中,各種改良措施的評(píng)價(jià)只注重對(duì)地下土壤鹽分離子以及土壤理化性質(zhì)的影響,這種評(píng)價(jià)較為片面,沒有同時(shí)考慮對(duì)地上植被的生長及生理狀況的影響,如一些改良措施在降低土壤鹽分含量的同時(shí)會(huì)造成土壤含水量驟降,養(yǎng)分元素流失,重金屬積累污染,最終導(dǎo)致對(duì)地上植被的生長產(chǎn)生不利影響[14-17]。因此,將地下土壤水鹽變化與地上植物生長及生理狀況相結(jié)合的研究能更全面的反映出鹽堿土壤改良措施的效果。

近年來,基于植物反射光譜特征的光譜分析技術(shù)的快速發(fā)展,其在植物生理生態(tài)研究中得到廣泛的應(yīng)用。植物在不同的環(huán)境條件以及不同生長發(fā)育階段,會(huì)引發(fā)體內(nèi)色素含量、營養(yǎng)狀態(tài)以及生理生化狀況發(fā)生相應(yīng)的變化,從而導(dǎo)致植物反射光譜特性發(fā)生變化[18-22]。通過光譜分析技術(shù)不僅能夠快速、無損、準(zhǔn)確的檢測(cè)植物體內(nèi)光合色素含量、水分含量、營養(yǎng)情況等,還能夠從葉片、冠層和生態(tài)系統(tǒng)等多種水平探究植物在不同環(huán)境條件下的生理生態(tài)變化[22],從而評(píng)估植物生長狀況、光合作用、受脅迫等情況[23]。因此,本研究以寧夏西北鹽化生態(tài)脆弱區(qū)的典型鹽堿地為例,研究了不同秸稈填埋量對(duì)地下0—100 cm土壤的水鹽運(yùn)移及垂柳葉片反射光譜影響,探究不同填埋量的秸稈隔離墊層的控鹽改土效果,以及對(duì)地上植物色素含量、光合速率、營養(yǎng)狀況以及受脅迫等情況的影響。以期為西北鹽化生態(tài)脆弱區(qū)的土地改良與植被恢復(fù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)樣地選在寧夏回族自治區(qū)吳忠市樹新林場(chǎng)(38°01′N,105°57′E),屬西北鹽堿地生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范基地。位于寧夏引黃灌區(qū),屬于典型大陸氣候。年均氣溫8.3—8.6℃,晝夜溫差較大。氣候干燥,降水稀少,年均降水量僅193—203 mm,并多集中于7—9月,約占年總降水量的70%。風(fēng)大沙多,蒸發(fā)量大,年均蒸發(fā)量1763 mm,強(qiáng)烈蒸發(fā)期主要出現(xiàn)在春、秋兩季。日照充足,全年日照數(shù)2988—3040 h,無霜期176 d左右。試驗(yàn)地土壤屬重度鹽化土,土地表層鹽分表聚現(xiàn)象嚴(yán)重,土壤堿化度高達(dá)25%以上,礦化度為0.6—15 g/L,全鹽量平均4.6 g/kg以上,地表有鹽霜或結(jié)皮。地下水埋深較淺1.3—2.0 m。本試驗(yàn)地的土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了保證試驗(yàn)條件一致,選取地下土壤水分和鹽分較為均勻的樣地作為試驗(yàn)地。本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列設(shè)計(jì),將試驗(yàn)地劃分成5個(gè)區(qū)組,每個(gè)區(qū)組規(guī)格為33 m×9 m,每個(gè)區(qū)組劃分為3個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)規(guī)格為9 m×9 m,兩個(gè)相鄰區(qū)組間隔6 m,兩個(gè)相鄰小區(qū)間隔3 m。選用切碎為10 cm左右的干燥玉米秸稈作為填埋材料。試驗(yàn)設(shè)不做任何處理為對(duì)照(CK)、地表下填埋秸稈2000(T1)、7000(T2)、12000 kg/hm2(T3)及17000 kg/hm2(T4)等5種處理。5種處理除秸稈填埋量不同,其余因素均相同。將5種處理隨機(jī)分配到5個(gè)區(qū)組中,每個(gè)小區(qū)為1種處理,每種處理重復(fù)3次。秸稈填埋深度過淺,垂柳根部秸稈過多,會(huì)導(dǎo)致垂柳栽植不牢易倒伏;秸稈填埋深度過深,試驗(yàn)地地下水較淺,秸稈隔層無法發(fā)揮淋洗作用[8- 10]。綜合垂柳根系深度、填埋秸稈厚度以及地下水深度,將填埋深度設(shè)為距離地表80 cm處。選取垂柳(Salixbabylonico)作為試驗(yàn)樹種,樹齡為2年,截干栽植,地徑和截干的高度分別在0.29—0.38 m和2.51—2.77 m之間,并在截干頂端刷漆。每個(gè)小區(qū)內(nèi)9棵垂柳,株間的行距為3 m×3 m,栽植穴規(guī)格為1 m×1 m×1 m。為便于淋洗排水,在試驗(yàn)地周圍設(shè)置寬4 m,深3 m的明溝。在試驗(yàn)開始前3天,對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行人工深翻,平整土地。每30 d大水漫灌一次,灌溉定額設(shè)200 mm。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 地下土壤水鹽

于2016年9月5日用管式不銹鋼土鉆采集土壤樣品,每小區(qū)隨機(jī)選擇3棵樣樹,為保證土樣具代表性,采集3個(gè)取樣點(diǎn)的土樣均勻混合,取樣點(diǎn)分別設(shè)為距樹干30 cm(根際土)、70 cm(冠下土)和110 cm(邊緣土)處,取0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm共5個(gè)土層的土樣。土壤含水量的測(cè)定采用烘干法。采集的土壤放置于室內(nèi)自然風(fēng)干,去除石塊和雜質(zhì)后進(jìn)行磨碎,過2 mm篩。以土水比1∶5浸提土壤,160 r/min條件下振蕩5 min,轉(zhuǎn)速5000 r/min離心5 min,電導(dǎo)率儀MP- 522測(cè)定土壤浸提液的電導(dǎo)率。將不同層次的浸提液電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量,計(jì)算公式如下[24]:

Si=EC1∶5×0.064×5×10/1000

式中,Si表示第i土層含鹽量(g/kg);EC1∶5為土水比1∶5的土壤浸提液電導(dǎo)率(dS/m)。

計(jì)算出相應(yīng)的土壤鹽溶質(zhì)濃度,采用如下公式:

SCi=Si/Wi×10

式中,SCi表示第i土層鹽溶質(zhì)濃度(g/L);Si表示第i土層含鹽量(g/kg),Wi表示第i土層水分含量。

1.3.2 地上垂柳反射光譜

本研究使用Unispec-SC光譜儀(美國PPSYSTEM公司)測(cè)量葉片反射光譜,其波長測(cè)定范圍310—1130 nm,掃描波長間隔3.3 nm,鹵光燈的光強(qiáng)設(shè)為100%,整合時(shí)間4 ms,重復(fù)掃描次數(shù)為3次。為確保葉片采集的可靠性和普遍性,選取頂部向陽處的成熟葉片,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)選取3棵垂柳,每棵選取3片葉子,每片測(cè)3個(gè)不同位置。

原始光譜數(shù)據(jù)的處理采用Multispec 5.1軟件得到光譜反射率R(λi)。本研究選用了一些已被廣泛證實(shí),能夠進(jìn)行光合色素、水分含量和氮素變化的無損光學(xué)檢測(cè),以及反映葉片特征結(jié)構(gòu)的光譜參數(shù),見表2。

表2 本研究中所用的反射光譜參數(shù)

采用光譜歸一化微分分析,對(duì)反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理,得到微分光譜,計(jì)算公式如下：

R′(λi)=(R(λi)-R(λi-1))/(λi+1-λi-1)

式中,λi為波段i的波長值,R(λi)為λi的光譜反射率值,R′(λi)為第i波段的一階微分?jǐn)?shù)值。根據(jù)表3紅邊參數(shù)的定義,在680—750 nm確定紅邊參數(shù),紅邊參數(shù)定義見表3。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Sigmaplot 10.0做圖,采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)比較各處理間差異,多重比較采用最小顯著極差法(LSD)檢驗(yàn)差異顯著性。

表3 紅邊參數(shù)的定義

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈填埋量對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響

2.1.1 土壤含水量

圖1所示,CK代表了自然條件下,各層土壤的含水量從地表向地下深層先逐漸降低,在40—60 cm達(dá)到最低點(diǎn),然后隨土壤層次的加深而增加,總體上,深層土壤的水含量高于淺層。T1和CK土壤水分含量在0—20 cm差異顯著(P<0.05),在其余土壤層次均無明顯差異,表明秸稈填埋量T1對(duì)于土表下層的土壤水含量分布沒有影響。T3和T4顯著提高了20—80 cm土層含水量(P<0.05),并且改變了地下土壤水分分布情況,使得各土層土壤含水量從地表向地下深層先逐漸升高,在40—60 cm達(dá)到最高點(diǎn)后,在深層有所略微降低,但都顯著高于其他處理(P<0.05)。T2也顯著提高了20—60 cm的含水量(P<0.05),但對(duì)60—80 cm含水量無顯著影響(P>0.05)。T3和T4在80—100 cm的土壤水分含量顯著低于其他處理(P<0.05)。

圖1 不同秸稈填埋量下0—100 cm土層土壤水分含量Fig.1 Soil water content of 0—100 cm soil layer with different straw burying amount不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05);CK：空白對(duì)照,Blank control;T1：填埋秸稈2000 kg/hm2,Bury straw 2000 kg/hm2;T2：填埋秸稈7000 kg/hm2,Bury straw 7000 kg/hm2;T3：填埋秸稈12000 kg/hm2,Bury straw 12000 kg/hm2;T4：填埋秸稈17000 kg/hm2,Bury straw 17000 kg/hm2

2.1.2 土壤鹽分含量與鹽溶質(zhì)濃度

由表4可以看出,CK代表了自然狀況下,由于鹽分表聚現(xiàn)象的發(fā)生,地下水位高,礦化度大,導(dǎo)致鹽分含量在地下土層的垂直空間上表現(xiàn)為底層和表層高,中間層低的狀態(tài)。T2、T3和T4與CK相比均能明顯降低各層的鹽分含量(P<0.05),改變鹽分在垂直空間上的分布情況,各層之間相比,0—20 cm與40—60 cm的鹽分含量處于較高水平,原因是秸稈隔層的孔隙度較大,填埋秸稈后有效促進(jìn)了鹽分被灌溉水淋洗到秸稈層以下。但T2、T3和T4之間在0—80 cm的土壤鹽分無明顯差異(P<0.05)。T1鹽分含量與CK之間均無明顯差異(P>0.05),表明秸稈填埋量過少不能發(fā)揮控鹽作用。

T2和T3能顯著降低各個(gè)土層鹽溶質(zhì)濃度(P<0.05),其根部土層20—60 cm鹽溶質(zhì)濃度比CK低59.30%,使土層土壤鹽溶質(zhì)濃度處于較低水平,受鹽脅迫程度要低于其他處理,有效改善了垂柳生長的土壤環(huán)境,但兩處理間無顯著差異(P>0.05)。T4也能降低土層總鹽溶質(zhì)濃度,但在20—40 cm和60—100 cm的效果不如T2和T3。T1土壤各層的鹽溶質(zhì)濃度與CK相比均無明顯差異(P>0.05)。

表4 不同秸稈填埋量下0—100 cm土層土壤鹽分含量及鹽溶質(zhì)濃度

同列具有不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同秸稈填埋量對(duì)地上垂柳葉片反射光譜的影響

2.2.1 垂柳葉片反射光譜特征

圖2 不同秸稈填埋下垂柳反射光譜曲線 Fig.2 The spectral reflectance curve of Salix babylonico leaves in different straw burying amounts

圖3 不同秸稈填埋量下垂柳紅光波段(680—750 nm)的一階導(dǎo)數(shù)Fig.3 First derivative in red area (680—750 nm) of Salix babylonico leaves in different straw burying amounts

圖2所示,不同處理下的垂柳反射光譜曲線在光合有效輻射380—710 nm內(nèi)和近紅外區(qū)780—1000 nm有差異。不同處理情況下垂柳反射光譜曲線的整體趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的規(guī)律,符合典型的鹽生植物反射光譜特征?？梢姽?00—760 nm內(nèi),由于葉綠素對(duì)綠色光具有強(qiáng)烈的反射作用,而強(qiáng)烈吸收藍(lán)色光與紅色光波段的光進(jìn)行光合作用,因此綠光區(qū)550 nm處有一個(gè)小的反射峰,藍(lán)光區(qū)450 nm和紅光區(qū)670 nm附近有兩個(gè)吸收谷。近紅外光內(nèi),700—800 nm有反射的陡坡,在800—1000 nm附近處于較高水平。這主要是由于葉片的海綿組織對(duì)800—1000 nm處的近紅外波段強(qiáng)烈反射作用,導(dǎo)致光譜曲線上形成了最高反射峰。

2.2.2 反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)

光譜噪聲會(huì)對(duì)光譜微分技術(shù)造成影響,采樣時(shí)的光照情況、氣候情況等都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的光譜曲線結(jié)果產(chǎn)生一定的差異。而通過微分變換,將原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理,能夠減少背景噪聲的影響,表現(xiàn)出相似的光譜特征,提高生化參數(shù)的監(jiān)測(cè)效果[35-36]。由圖3紅光波段的反射光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線可以看出,5種處理的在680—750 nm的紅光區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值,但峰頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長位置有明顯差異,與CK的峰頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長位置相比,T4在CK的短波方向,其他3種處理都處于CK的長波方向。按各處理峰頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長位置大小順序是：T2>T3>T1>CK>T4。

2.2.3 紅邊參數(shù)

紅邊特征是植物反射光譜中最明顯的光譜特征之一,紅邊參數(shù)與其他光譜參數(shù)相比,優(yōu)勢(shì)是不受葉片結(jié)構(gòu)如葉片表面反射率的影響,因此能適用于更為廣泛的葉片結(jié)構(gòu)[26]。根據(jù)公式計(jì)算出反射光譜的一階導(dǎo)數(shù),在680—750 nm確定紅邊參數(shù)。紅邊參數(shù)是反映生物和非生物脅迫的重要指標(biāo)[22]。由圖4可以看出,不同處理的紅邊位置經(jīng)過多重比較分析表明,T2的紅邊位置、紅邊幅值以及紅邊面積都顯著大于其他處理(P<0.05),而紅谷位置處于最低水平。處理T3的紅邊位置低于處理T2(P<0.05),兩處理間其他參數(shù)并不存在顯著差異(P>0.05)。處理T1與CK除紅谷位置外,其他幾種紅邊參數(shù)均無顯著差異(P>0.05)。

圖4 不同處理的垂柳葉片紅邊參數(shù)變化Fig.4 Changes of the red edge parameters of Salix babylonico leaves in different treatments

2.2.4 與葉綠素相關(guān)的光譜參數(shù)

不同秸稈填埋量對(duì)地下土壤各層的水鹽調(diào)控程度不同,造成各處理的地下土壤環(huán)境條件不同,從而引發(fā)地上植物體內(nèi)色素含量、營養(yǎng)狀態(tài)以及生理生化狀況發(fā)生相應(yīng)變化,導(dǎo)致垂柳葉片反射光譜參數(shù)發(fā)生變化(表5)。

葉綠素歸一化指數(shù)(Chl NDI)以及改良?xì)w一化差值指數(shù)(mSR705)與葉綠素的含量呈線性關(guān)系[25-26]。如表5所示,方差分析表明,T2與T3的Chl NDI值均大于其他處理(P<0.05);T1、T2、T3和T4的mSR705值之間差異顯著且均顯著大于CK(P<0.05),其大小關(guān)系為T3>T2>T4>T1>CK。綠色歸一化差值植被指數(shù)(Green NDVI)以及改良紅邊歸一化植被指數(shù)(mND705)都與葉綠素含量具有很高的相關(guān)性[22,25-26]。方差分析表明,幾種處理的mND705和Green NDVI差異水平結(jié)果相同,T2與T3均大于其他處理(P<0.05),其中T2最大,表明T2具有更高的葉綠素含量。而CK與T1之間無明顯差異(P>0.05),T4顯著低于其他處理(P<0.05)。表明通過在地下填埋一定量的秸稈可以顯著提高垂柳葉片的葉綠素含量,總體來說,T2與T3效果較好。

表5 不同處理垂柳葉片葉綠素相關(guān)光譜指數(shù)變化

同列具有不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05);Chl NDVI：葉綠素歸一化指數(shù),Chl normalized difference index;mSR705：改良?xì)w一化差值指數(shù),Modified red edge ratio;Green NDVI：綠色歸一化差值植被指數(shù),Green normalized difference index;mND705：改良紅邊歸一化植被指數(shù),Modified red edge normalized difference vegetation index

2.2.5 其他光譜參數(shù)

結(jié)構(gòu)無關(guān)色素指數(shù)(SIPI)與植物衰老反射指數(shù)(PSRI)都是與類胡蘿卜素的含量高度相關(guān)的指數(shù)[27-28]。由表6可以看出,T4、T3、T2和T1的SIPI都顯著比CK的大(P<0.05),其大小關(guān)系為T4>T3>T1>T2>CK,表明4種填埋秸稈的處理其地上垂柳的類胡蘿卜素與葉綠素比值要比未填埋秸稈的高。各處理的PSRI之間差異也顯著(P<0.05),大小關(guān)系排序與SIPI的相同,進(jìn)一步說明了填埋一定量的秸稈可以顯著提高了其地上垂柳葉片的類胡蘿卜素與葉綠素比值,其中T4與T3效果較好。

光化學(xué)反射指數(shù)(PRI)與與葉黃素循環(huán)中的色素含量呈負(fù)相關(guān),當(dāng)色素含量發(fā)生變化,過多的輻射會(huì)被葉黃素循環(huán)中的色素吸收,而無法進(jìn)行光合作用,所以當(dāng)PRI低時(shí),其光合速率就低[29]。表5中T1、T4和CK的PRI之間無顯著差異(P>0.05),而T2與T3顯著高于其他處理(P<0.05),表明T2和T3比其他處理的地上垂柳光合速率水平要高。水分指數(shù)(WI)與植物水分濃度(PWC,Plant water concentration)有很高的相關(guān)性[30],表6中T2、T3和T4的WI要顯著大于CK與T1(P<0.05),表明填埋秸稈對(duì)地上植物水分濃度含量有顯著影響,填埋適量的秸稈可以提高地上垂柳的植物水分濃度。

表6 不同處理垂柳葉片反射光譜參數(shù)變化

同列具有不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05).SIPI：結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù),Structure-insensitive pigment index;PSRI：植物衰老反射指數(shù),Plant senescence reflectance index;PRI：生理反射指數(shù),Physiological reflectance index;WI：水分指數(shù),Water index

3 討論

在西北鹽化生態(tài)脆弱區(qū),限制植被成活及生長的關(guān)鍵因子是水分和鹽分,土壤的水鹽運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜,并且水和鹽之間還存在某種潛在關(guān)聯(lián),鹽分以水為載體,隨著水的運(yùn)動(dòng)而遷移[4]。本試驗(yàn)中除T1外,其他處理與對(duì)照組相比,均顯著提高了對(duì)鹽分的淋洗作用,同時(shí)又抑制了根部鹽分積聚,達(dá)到了良好的控鹽抑鹽效果,這與Pang等的研究結(jié)果相符[24]。通過在栽植穴填埋秸稈能夠減輕土壤鹽化程度的原因分為兩個(gè)方面[5-10]：一方面,填埋的秸稈隔層能夠抑制潛水上升,起到了隔鹽墊層的作用。秸稈與土壤相比,孔隙度大,毛管力弱,填埋的秸稈隔離墊層有效切斷了土壤水鹽運(yùn)移的土壤毛細(xì)管路徑,抑制了鹽分隨水分蒸發(fā)上移,從而降低了地表聚鹽。另一方面,填埋秸稈后提高了鹽分淋洗并抑制根部鹽分積聚。填埋秸稈后,提高了土壤孔隙度,配合降水或灌溉,由于重力作用秸稈層上方的土壤鹽分被淋洗并滯留到秸稈層下方,從而降低了植被根區(qū)土壤鹽分濃度。對(duì)照組沒有填埋秸稈,雖然經(jīng)過灌溉后的淋洗作用使土壤中鹽分含量暫時(shí)下降,但由于沒有秸稈隔層阻隔地表返鹽,經(jīng)過一段時(shí)間強(qiáng)烈蒸發(fā),土壤表層又逐漸恢復(fù)到了原有鹽化程度。本試驗(yàn)中T1沒有產(chǎn)生控鹽抑鹽效果,可能是由于填埋秸稈的量太少導(dǎo)致的。

本試驗(yàn)所在的西北半干旱地區(qū),降水少,蒸發(fā)量大,自然降水的大量無效蒸發(fā)是限制本地區(qū)植被成活的重要原因。在試驗(yàn)中,除T1外其他3種填埋秸稈的處理,其秸稈層上方含水量顯著增高,趙永敢等人也得出類似的研究結(jié)果[9]。這是由于土壤中的填埋的秸稈層具有阻水性和減滲性,秸稈層對(duì)下滲水產(chǎn)生了一定的滯留作用,填埋秸稈后,下滲水量和下滲速率明顯減小。另外,填埋秸稈還改變了各層土壤含水量的分布情況,本研究表明秸稈所具有的持水性使其所在土層的土壤含水量明顯增高,并且增加秸稈填埋量可以提高地下土壤總含水量,這對(duì)于植物的生長非常有利[8]。

利用傳統(tǒng)的化學(xué)分析法檢測(cè)植物生理狀況,雖然結(jié)果準(zhǔn)確,但操作步驟繁瑣,花費(fèi)時(shí)間較長,還會(huì)對(duì)植物造成一定的損傷,也無法對(duì)同一植物生長狀況、光合作用、受脅迫情況等進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[22]。而用光譜分析法測(cè)定色素含量不僅快速、無損、準(zhǔn)確,并且高效,通過一次測(cè)定就能分析多種色素含量、水分含量以及光合等生理狀況。當(dāng)植物衰老、患病、營養(yǎng)缺失以及遭受周圍環(huán)境脅迫時(shí),會(huì)引發(fā)體內(nèi)光合色素含量及組成的變化,如較高的鹽脅迫和較差營養(yǎng)狀況都會(huì)導(dǎo)致植物葉片的光合色素含量降低,因此植物組織中光合色素含量是體現(xiàn)植物生理狀況的重要指標(biāo)[37]。同時(shí),葉片中光合色素含量變化不僅可以反映出植物的生長和營養(yǎng)狀況,還可以反映出植物對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)[37]。水分指數(shù)(WI)是由Peuelas等人建立,可準(zhǔn)確的反映葉片水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度和細(xì)胞壁彈性,可應(yīng)用于植物葉片含水量的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。從本試驗(yàn)所得的地下土壤水分含量及地上植物葉片的WI結(jié)果來看,處理T2、T3和T4的與空白對(duì)照組相比,顯著提高了地下蓄水量和地上植被葉片含水量,表明填埋秸稈作隔離墊層對(duì)緩解了干旱與半干旱地區(qū)植被缺水問題有積極的作用。

由反射光譜參數(shù)反映的結(jié)果來看,本文利用同類型的反射光譜參數(shù)所得結(jié)果有些許差別,這是由于每種光譜參數(shù)建立時(shí)采用的植被葉片結(jié)構(gòu)和考慮的主要影響因素是不同的,因此各光譜參數(shù)對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)如葉片的厚度、蠟質(zhì)層、葉表皮厚度和表皮毛等的敏感性也是不同的,分析時(shí)還是要綜合多種反射光譜參數(shù)的結(jié)果[26]。本研究中,處理T2、T3和T4的地下鹽分含量較對(duì)照組和T1低,處理T2和T3光合色素含量和光合速率較高,處理T2與T4的葉片水分含量較高,綜合多種反射光譜參數(shù)的結(jié)果,處理T2的地上垂柳生理狀態(tài)最好。而處理T4的地下土壤鹽分含量與對(duì)照組相比處于較低水平,但由其地上葉片反射光譜參數(shù)反映出其葉片光合色素含量少,光合速率低,可能是由于秸稈填埋量過多,影響垂柳根部吸收土壤養(yǎng)分導(dǎo)致的。大量研究表明,鹽脅迫與反射光譜具有一定的相關(guān)性,土壤鹽分濃度過高會(huì)降低地上植物色素含量和凈光合作用,抑制植物生長發(fā)育。如吳壽國等通過研究不同濃度海鹽對(duì)綠竹葉片的反射光譜的影響發(fā)現(xiàn),高鹽脅迫會(huì)抑制綠竹葉片光合色素的合成,降低光能吸收能力,導(dǎo)致葉片發(fā)生光抑制,直接抑制綠竹的生長發(fā)育[35]。與室內(nèi)設(shè)置不同鹽濃度梯度的試驗(yàn)不同,野外試驗(yàn)不同處理下的土壤水鹽,養(yǎng)分空氣,溫度等都不相同,地上植物的生理狀況是土壤生長環(huán)境條件的綜合體現(xiàn),因此地下土壤鹽離子濃度與地上植物的反射光譜相關(guān)性研究不適用于本試驗(yàn)。

4 結(jié)論

填埋一定量的秸稈作隔鹽墊層可以改變地下土壤水鹽的剖面分布特征。T2、T3和T4處理與對(duì)照組相比,20—80 cm土層土壤含水量都顯著提高,填埋的秸稈層起到了蓄水保墑的作用;都明顯降低了0—80 cm土層土壤鹽分含量和鹽溶質(zhì)濃度,使根層土壤保持較低鹽分環(huán)境,減輕了高鹽分脅迫對(duì)垂柳生長的抑制作用。T1由于填埋秸稈量過少,無顯著蓄水控鹽效果。T2、T3和T4處理都起到了蓄水控鹽的效果,但3種處理之間無顯著差別。

通過檢測(cè)植物葉片反射光譜可以反映出地上植物生長及生理狀況的變化。本研究表明,不同秸稈填埋量對(duì)地上植物葉片反射光譜影響是不同的,填埋一定量的秸稈作為隔鹽墊層有助于改善垂柳的生理狀況。本研究中填埋秸稈的4種處理,T2的垂柳葉片光合色素含量最高,光合特性及營養(yǎng)狀況最好,其他光譜參數(shù)結(jié)果都顯著提高。T3顯著提高垂柳葉片葉綠素含量和光合特性,但效果均不如T2,且營養(yǎng)狀況差。T4處理類胡蘿卜素含量與葉片水分含量均處于最高水平,但葉綠素含量、營養(yǎng)狀態(tài)以及光合特性都顯著降低。T1處理效果最差。

在地下填埋秸稈作隔鹽層,會(huì)通過對(duì)地下土壤水鹽運(yùn)移及微域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的調(diào)節(jié),影響到地上植物生長及生理狀況。綜合地下水鹽分布與地上植物葉片反射光譜的結(jié)果,T2是寧夏引黃灌區(qū)鹽堿地改良中最適宜的秸稈填埋量。