劉元生， 陳祖擁， 劉 方， 蒲通達(dá)

(貴州大學(xué) 環(huán)境與資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550025)

喀斯特地區(qū)是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，由于人口的增長(zhǎng)及土地過度的開墾，部分地區(qū)出現(xiàn)明顯的石漠化，近年喀斯特石漠化的治理成為生態(tài)文明建設(shè)的主要內(nèi)容之一[1]。退耕還草及牧草種植是喀斯特石漠化區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主要途徑[2-4]，牧草種植一方面增大了植被的覆蓋度，另一方面由于牧草的的生長(zhǎng)也加大了對(duì)土壤水分及養(yǎng)分的消耗，在石漠化山區(qū)可以根據(jù)不同品種牧草的生理特性，通過構(gòu)建合理的林灌草空間結(jié)構(gòu)，減少土面水分蒸發(fā)，提高水分利用率[5]。目前多年生的雀稗、黑麥草、皇竹草、拉巴豆、三葉草等牧草植物在喀斯特石漠化生態(tài)工程治理和生態(tài)畜牧業(yè)發(fā)展中起到重要的作用[2]。

土壤水分是土壤—植物—大氣連續(xù)體的一個(gè)關(guān)鍵因子，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的載體，它不但直接影響土壤的特性和植物的生長(zhǎng)，且間接影響植物的分布[6-10]，在喀斯特石漠化治理過程中如何提高土壤的保水能力成為生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)[8]。在西南喀斯特山區(qū)，季節(jié)性降雨及干旱氣候條件是影響旱坡地牧草產(chǎn)量及質(zhì)量的主要因子[2,4]，開展不同牧草品種對(duì)土壤水分的影響及其調(diào)控效應(yīng)方面的研究，對(duì)喀斯特石漠化治理及土壤資源有效利用具有重要意義。生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤孔隙度和比表面積，降低土壤容重，調(diào)節(jié)土壤通透性，提高草地土壤保水能力以及植物養(yǎng)分的有效性，能明顯的促進(jìn)牧草生長(zhǎng)[11-15]。近年來生物質(zhì)炭應(yīng)用在牧草土壤改良方面已經(jīng)開展了一些研究工作[11-14]，但對(duì)種植不同品種牧草后土壤持水性能的變化還缺乏深入的研究。因此，本研究以禾本科及豆科牧草為研究對(duì)象，探討牧草品種與生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤水分的影響及其調(diào)控效應(yīng)，為喀斯特石漠化區(qū)生態(tài)恢復(fù)及土壤改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)土壤采自貴陽(yáng)市花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)區(qū)域內(nèi)由石灰?guī)r發(fā)育的石灰土，野外采集0—20 cm的表層混合土壤，自然風(fēng)干后過5 mm的篩孔用于盆栽試驗(yàn)。該土壤pH值為8.02，有機(jī)質(zhì)含量為52.7 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別是175.2，2.6，118.5 mg/kg，土壤質(zhì)地為重壤土。生物質(zhì)炭為玉米秸稈及少量豬糞混合燒制的炭化物(400 ℃)，生物質(zhì)炭顆粒研磨過40目篩后備用。種植牧草品種為雀稗、黑麥草、拉巴豆。

1.2 試驗(yàn)方案

盆栽試驗(yàn)于2017年3月初將供試土壤裝入塑料盆缽(30 cm×20 cm×50 cm)中，每盆裝土10 kg。盆栽試驗(yàn)種植3種牧草品種(雀稗、黑麥草、拉巴豆)，每種牧草設(shè)置2個(gè)處理(施5%玉米秸稈炭、未施用炭的為對(duì)照)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。對(duì)每個(gè)施炭處理分別將500 g秸稈炭與10 kg土壤一次性混合混勻裝入塑料盆缽中。雀稗、黑麥草每盆播種量5 g，拉巴豆每盆播種5粒；牧草種子先用蒸餾水浸泡12 h后均勻地播在每盆土壤上，其上再覆蓋薄層土。出苗后，每2～3 d澆一次水，保持盆栽土壤適宜的含水率，20 d后在室外天然降雨條件下觀察牧草正常生長(zhǎng)情況，盆栽試驗(yàn)從3月下旬至8月下旬進(jìn)行，每月測(cè)定一次土壤含水率。土壤水分測(cè)定分降雨時(shí)段和干旱時(shí)段，天然降雨停止后2～3 d內(nèi)測(cè)定的含水率為降雨時(shí)段土壤含水率，降雨后連續(xù)一周以上未出現(xiàn)降雨時(shí)測(cè)定的含水率為干旱時(shí)段土壤含水率，具體測(cè)定時(shí)間見表1。

注：表中數(shù)據(jù)為采用TDR300快速水分測(cè)定儀監(jiān)測(cè)每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)土壤表層(10 cm處)含水率的平均值。統(tǒng)計(jì)值為12次土壤水測(cè)定值的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，字母為多重比較(LSD)結(jié)果，同一列中字母不同的處理之間達(dá)到p為0.05的顯著性水平。下同。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及分析方法

在雀稗、黑麥草、拉巴豆生長(zhǎng)期間，根據(jù)天然降雨及干旱情況定期采用TDR300快速水分測(cè)定儀(美國(guó)Spectrum TDR 300土壤水分測(cè)定儀，美國(guó)spectrum公司，伊利斯諾州)監(jiān)測(cè)3種牧草生長(zhǎng)土壤的含水量，每盆重復(fù)測(cè)定3次，取其平均值作為土壤含水量的值，測(cè)定時(shí)間為上午10:00—12:00點(diǎn)。待牧草生長(zhǎng)6個(gè)月測(cè)定每盆牧草地上生物量，并測(cè)定土壤容重及采集相應(yīng)的根系密集的土壤表層(0—30 cm)混合樣品。土壤pH值采用酸度計(jì)法(土水比1∶5)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，土壤顆粒組成(粉粒、砂粒、黏粒)采用比重計(jì)法，土壤容重及孔隙度采樣環(huán)刀法測(cè)定。

1.4 土壤飽和導(dǎo)水率計(jì)算模型

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)是土壤全部孔隙都充滿水的情況下，在單位梯度作用下通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度，土壤飽和導(dǎo)水率反映了水分的入滲和滲漏特性，是研究水分、溶質(zhì)在土壤中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要水力參數(shù)，易受土壤容重、質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土地耕作利用方式等因素影響。本研究采用Wosten土壤傳遞函數(shù)模型[16-18]，它是一種基于統(tǒng)計(jì)回歸方法的模型，模型需要的參數(shù)包括相應(yīng)的理化指標(biāo)(土壤質(zhì)地、土層、容重以及有機(jī)質(zhì)含量)，該模型依據(jù)土壤質(zhì)地分砂土、壤土及黏土類3種表達(dá)方程式，本研究考慮盆栽土壤質(zhì)地偏黏及喀斯特區(qū)域土壤質(zhì)地多為重壤土至輕黏土，選擇了Wosten模型中黏土類的方程式來預(yù)測(cè)土壤飽和導(dǎo)水率，其傳遞函數(shù)(PTFs)的具體形式為：

lnKs=7.755+0.035 2×S+0.93×T-

0.967×D2-0.000 484×C2-

0.000 322×S2+0.001×S-1-

0.074 8×OM-1-0.643×Ln(S)-

0.013 98×D×C-0.167 3×D×OM+

0.029 86×T×C-0.033 05×T×S

式中：Ks——飽和導(dǎo)水率(cm/d)；C——黏粒含量(<2 μm)(%)；S——粉粒含量(2～50μm)(%)； OM——有機(jī)質(zhì)百分含量(%)；D——土壤容重(g/cm3)；T——表層土值為1，亞表層土值0，本研究中采樣點(diǎn)位于表層，故T=1；Ln——自然對(duì)數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算每處理3個(gè)重復(fù)測(cè)定值的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，采用LSD法進(jìn)行多重比較及顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 牧草品種與生物質(zhì)炭施用對(duì)植草土壤含水率的影響

露天盆栽條件下牧草生長(zhǎng)期間(3—8月)不同處理土壤含水率的測(cè)定結(jié)果見表1。從未施用生物質(zhì)炭的對(duì)照處理來看，3種牧草在不同生長(zhǎng)階段土壤含水率出現(xiàn)較大的差別，其大小順序?yàn)槿赴?黑麥草>拉巴豆；其中，種植雀稗的土壤含水量顯著高于種植拉巴豆的土壤，其平均土壤含水率高出拉巴豆處理36.07%，黑麥草處理土壤含水率比拉巴豆處理高17.05%?？梢?，禾本科牧草在土壤保水效果方面優(yōu)于豆科牧草。

從表1中施用生物質(zhì)炭處理看出，在春夏季降雨時(shí)段(土壤含水率一般達(dá)30%～40%)，土壤施用5%的生物質(zhì)炭后，種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤含水率分別增加了4.38%～7.60%,1.46%～5.68%和1.50%～9.84%；而在春夏季干旱時(shí)段(土壤含水率一般在10%～25%)，種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤含水率分別提高了1.95%～10.12%,2.36%～16.67%和2.04%～15.03%?？梢?，生物質(zhì)炭施用能提高牧草種植土壤的含水率，特別是在干旱時(shí)段能明顯地提高土壤的持水能力。從多重比較結(jié)果也看出(n=12)，施用生物質(zhì)炭后種植雀稗的土壤含水率顯著高于拉巴豆處理，其大小順序也為：雀稗>黑麥草>拉巴豆。

2.2 牧草品種與生物質(zhì)炭施用對(duì)植草土壤田間持水量的影響

從表2中未施炭處理看出，種植雀稗、黑麥草、拉巴豆后土壤容重及孔隙度均出現(xiàn)顯著性差異，雀稗、黑麥草處理的土壤容重分別比拉巴豆處理平均降低10.00%,6.15%，而雀稗、黑麥草處理的土壤毛管孔隙度分別比拉巴豆處理平均提高4.89%，1.28%，土壤通氣孔隙度則分別平均增加42.42%,30.30%。同時(shí)，3種牧草品種的土壤田間持水量存在顯著性的差別，其大小順序?yàn)椋喝赴?黑麥草>拉巴豆，雀稗、黑麥草處理的土壤田間持水量分別比拉巴豆處理平均提高了32.19%,17.81%。

表2 生物質(zhì)炭施用下種植牧草土壤田間持水量的變化

注：表中數(shù)據(jù)為每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

從表2也看出，施用生物質(zhì)炭后雀稗、黑麥草、拉巴豆處理的土壤容重及孔隙度均出現(xiàn)顯著性差異，雀稗、黑麥草、拉巴豆處理的土壤容重分別平均下降13.67%,15.57%和14.62%，而土壤毛管孔隙度分別平均增加了12.98%,16.18%和11.28%，土壤通氣孔隙度則分別平均增加了27.66%,30.23%和54.55%。同時(shí)，3種牧草施用生物質(zhì)炭后土壤田間持水量出現(xiàn)顯著性地增加，施炭后雀稗、黑麥草、拉巴豆處理的土壤田間持水量分別平均提高了39.48%,44.03%和46.87%，疏松多孔的生物質(zhì)炭能夠明顯提高土壤毛管孔隙度及田間持水量。

2.3 牧草品種與生物質(zhì)炭施用對(duì)植草土壤飽和導(dǎo)水率的影響

從表3中未施炭處理看出，種植雀稗、黑麥草、拉巴豆后土壤有機(jī)質(zhì)的含量均出現(xiàn)顯著性提高，其大小順序?yàn)槿赴?黑麥草>拉巴豆，雀稗、黑麥草處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比拉巴豆處理平均高出7.62%,4.25%。此外，種植雀稗、黑麥草、拉巴豆處理的土壤黏粒、粉粒的含量均出現(xiàn)顯著性增加，雀稗處理的土壤黏粒、粉粒的含量分別比拉巴豆處理平均增加46.45%，8.27%，而黑麥草處理的土壤黏粒、粉粒的含量分別比拉巴豆處理平均增加20.47%,7.33%。同時(shí)，3種牧草品種的土壤飽和導(dǎo)水率也出現(xiàn)顯著性的差別，其大小順序?yàn)椋喝赴?黑麥草>拉巴豆，雀稗、黑麥草處理的土壤飽和導(dǎo)水率分別比拉巴豆處理平均提高38.14%，19.96%。

表3 生物質(zhì)炭施用下種植牧草土壤飽和導(dǎo)水率的變化

注：表中數(shù)據(jù)為每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

從表3中看出，施用生物質(zhì)炭后種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤有機(jī)質(zhì)的含量均出現(xiàn)顯著性提高，其平均含量分別比未施炭處理增加30.93%,32.35%和35.48%。施用生物質(zhì)炭后雀稗、黑麥草、拉巴豆處理的土壤黏粒、粉粒的含量均出現(xiàn)顯著性增加，其中土壤黏粒含量分別比未施炭處理平均提高了16.67%,26.14%和35.43%。而粉粒含量則分別比未施炭處理平均增加了9.83%,6.17%和11.11%。同時(shí)，施用生物質(zhì)炭后種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤飽和導(dǎo)水率均明顯地高于未施炭處理，土壤飽和導(dǎo)水率的平均增幅分別為72.56%,88.36%和90.69%。而且，3種牧草施炭后土壤飽和導(dǎo)水率也出現(xiàn)顯著性的差別，其大小順序也為雀稗>黑麥草>拉巴豆。可見，生物質(zhì)炭施用增加了土壤有機(jī)碳的來源，提高了土壤黏粒、粉粒的含量，土壤飽和導(dǎo)水率出現(xiàn)明顯的提高。

3 討 論

不同品種牧草對(duì)下土壤持水性能的影響存在明顯的差別，從本試驗(yàn)結(jié)果看，種植雀稗、黑麥草后土壤田間持水量、土壤飽和導(dǎo)水率均顯著地高于拉巴豆，禾本科牧草種植有利于提高石灰土的持水能力。由于禾本科牧草根系多、數(shù)量大，種植雀稗、黑麥草后土壤容重明顯低于種植拉巴豆的土壤，而大量根系殘留物及根系分泌物能明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)的來源，使種植雀稗、黑麥草的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于拉巴豆，而土壤黏粒、粉粒的含量均出現(xiàn)顯著性增加，從而提高了土壤田間持水量和土壤飽和導(dǎo)水率。據(jù)蘇德喜等[15]研究不同牧草品種、施肥量及秸稈還田量對(duì)棄耕地土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明牧草品種對(duì)土壤含水量、全鹽及pH值影響達(dá)極顯著水平，禾本科牧草改善土壤含水量和容重的效果強(qiáng)于豆科，禾本科牧草的土壤含水量均顯著高于豆科，其中以圓柱披堿草最高，扁穗冰草次之?？梢姡瘫究颇敛輰?duì)土壤的保水蓄水效果優(yōu)于豆科牧草，禾本科牧草更適合種植在水分較缺乏的石漠化山區(qū)。然而，禾本科牧草在改善土壤持水性能的作用大于豆科牧草，但豆科牧草通過根瘤固氮作用，可以減少對(duì)土壤氮的吸收。在喀斯特石漠化山區(qū)土壤養(yǎng)分也比較缺乏，禾本科牧草與豆科牧草合理混播種植是石漠化山區(qū)牧草種植的有效途徑，這方面有待進(jìn)一步研究。

生物質(zhì)炭施用能明顯的提高土壤持水能力，春夏季降雨及干旱時(shí)段種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤含水率均出現(xiàn)不同程度的增加，3種牧草施生物質(zhì)炭后土壤田間持水量、土壤飽和導(dǎo)水率均出現(xiàn)顯著性提高。施用生物質(zhì)炭后種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤的有機(jī)質(zhì)含量、粘粒及粉粒含量、毛管孔隙度均出現(xiàn)顯著性增加，明顯地提高了土壤田間持水量、土壤飽和導(dǎo)水率，牧草可吸收利用的土壤水分增多。侯瓊等[19]]對(duì)降水量、土壤水分和耗水量與不同時(shí)期牧草產(chǎn)量的關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明各水分因子與產(chǎn)量的相關(guān)性依次為：土壤水分>耗水量>降水量，土壤含水量是牧草的直接利用水源，能明顯影響牧草的產(chǎn)量。因而，在喀斯特石漠化山區(qū)種植牧草不僅要考慮牧草品種的適生性，還需考慮土壤水分及養(yǎng)分是否能保障牧草生長(zhǎng)的需求。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭有利于提高牧草的地上生物量，但施炭后3種牧草品種的生物量均未出現(xiàn)顯著性的增加，僅施用生物質(zhì)炭對(duì)提高牧草產(chǎn)量未能起到明顯的促進(jìn)作用。黃超等[11]研究結(jié)果表明，紅壤施用生物質(zhì)炭不僅大大提高了土壤碳庫(kù)，還可降低土壤酸度，增加土壤pH值和鹽基飽和度，提高土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量，增加土壤速效磷、速效鉀和有效氮，增強(qiáng)土壤保肥能力，改善植物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)黑麥草的生長(zhǎng)。據(jù)研究旱地施用蚯蚓糞、酒糟堆肥、牛糞堆肥、豬糞堆肥均能顯著提高黑麥草地上生物量、地下根重和葉片中氮素含量[20]。多年生牧草的生長(zhǎng)需要吸收大量的土壤養(yǎng)分，需要通過施肥才能滿足牧草快速生長(zhǎng)的需求。因而，在施用生物質(zhì)炭改良土壤的同時(shí)，需要補(bǔ)充適量的肥料養(yǎng)分，才能更好地提高牧草的產(chǎn)量，這方面值得深入研究。

4 結(jié) 論

(1) 不同牧草品種對(duì)土壤持水性能的影響出現(xiàn)較大的差別，種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤田間持水量及土壤飽和導(dǎo)水率均出現(xiàn)顯著性差異，其大小順序均為：雀稗>黑麥草>拉巴豆。種植雀稗、黑麥草后土壤的有機(jī)質(zhì)含量、黏粒及粉粒含量、毛管孔隙度均比種植拉巴豆的土壤出現(xiàn)明顯的增加，禾本科牧草種植對(duì)提高土壤持水性能的作用優(yōu)于豆科牧草。

(2) 施用5%的生物質(zhì)炭后，雀稗、黑麥草、拉巴豆種植土壤的含水率在春夏季降雨及干旱時(shí)段均出現(xiàn)不同程度的增加。施炭后種植雀稗、黑麥草、拉巴豆的土壤有機(jī)質(zhì)含量、黏粒及粉粒含量均出現(xiàn)顯著性增加，而土壤田間持水量和飽和導(dǎo)水率也出現(xiàn)顯著地提高，其大小順序也為：雀稗>黑麥草>拉巴豆。

(3) 土壤施用5%的生物質(zhì)炭有利于牧草生長(zhǎng)，牧草種植6個(gè)月后雀稗、黑麥草、拉巴豆的地上生物量平均增加了28.42%，22.97%和22.59%，但施炭后3種牧草品種的生物量均未出現(xiàn)顯著性增加，利用生物質(zhì)炭改良牧草土壤還需要配合肥料養(yǎng)分的施用，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)牧草的生產(chǎn)。