基于灰色關聯(lián)度法的不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力評價

王振南，張清平，陸姣云，楊梅，楊惠敏(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅蘭州730020)

基于灰色關聯(lián)度法的不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力評價

王振南，張清平，陸姣云，楊梅，楊惠敏
(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅蘭州730020)

土壤肥力能反映植物的生長潛力和表現(xiàn)，但又受到植物的影響。在多年生草地系統(tǒng)中，利用年限(牧草年齡)對土壤肥力的影響還沒有準確的闡述。采用灰色關聯(lián)度分析法，對6個年齡紫花苜蓿(Medicago sativa)草地土壤碳、氮、磷、鉀等指標進行綜合分析，以關聯(lián)度進行排序對不同年齡草地土壤肥力進行評價。結果表明，在不同土層，紫花苜蓿草地土壤有機碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷和全鉀含量隨年齡而變化的趨勢不一致。運用灰色關聯(lián)度分析后發(fā)現(xiàn)，0－10和10－20 cm土壤肥力最好的年齡均為5齡草地，而20－30 cm土壤肥力最好的年齡為8齡，5齡草地次之。因此，從土壤肥力角度可確定黃土高原地區(qū)5齡紫花苜蓿草地利用最佳。

灰色關聯(lián)度;利用年限;苜蓿;土壤養(yǎng)分

王振南，張清平，陸姣云，楊梅，楊惠敏.基于灰色關聯(lián)度法的不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力評價［J］.草業(yè)科學，2015，32(8) : 1230-1236.

WANG Zhen-nan，ZHANG Qing-ping，LU Jiao-yun，YANG Mei，YANG Hui-min.Assessment of soil fertility in lucerne stands of different ages using grey correlative degree analysis［J］.Pratacultural Science，2015，32(8) : 1230-1236.

碳(C)、氮(N)、磷(P)和鉀(K)是植物生長的必需元素［1-2］，其在土壤中的含量反映了土壤肥力狀況。植物會通過凋落物分解和根系分泌等方式將營養(yǎng)元素返還到土壤中［3］，因此，土壤肥力受到植物自身營養(yǎng)狀況及生理生化特征的極大影響;另一方面，土壤肥力必然影響植物的生長和生物量積累(生產(chǎn))。在多年生草地(如紫花苜蓿草地)系統(tǒng)中，多年生牧草的生理功能的年際變化以及多次反復的地上部分的移除(主要為刈割和放牧)導致植物對土壤的影響更大，二者間的聯(lián)系也更復雜。

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有較高的營養(yǎng)、經(jīng)濟和環(huán)境保護等價值，已被世界各國廣泛利用［4］。雖然紫花苜蓿的平均壽命能夠超過20年［5-6］，但利用年限過長會導致飼草產(chǎn)量和品質(zhì)的降低［7-12］。紫花苜蓿植株的營養(yǎng)狀況與草地土壤肥力密切偶聯(lián)，土壤肥力能直接體現(xiàn)植物的生長潛力和表現(xiàn)。因此，紫花苜蓿飼草產(chǎn)量和品質(zhì)降低可能與草地土壤肥力的變化有關，但并沒有確定的解釋。已有研究表明，隨著紫花苜蓿年齡的增加，土壤全氮和堿解氮含量升高［13-14］，速效鉀、全鉀含量升高［13］或降低［14-15］，速效磷含量增加，全磷含量先增加后減?。?4］。實際上，土壤肥力涉及到多種元素的復雜變化，僅根據(jù)氮元素或其他單一元素含量的變化并不能準確而科學地判斷草地土壤肥力。采用灰色關聯(lián)度分析法(Grey Correlative Degree Analysis，GRDA)［16］，對不同種植年限紫花苜蓿草地土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷含量進行了綜合分析，評價了不同年齡紫花苜蓿草地的土壤肥力狀況，以期為苜蓿的合理種植利用及確定最佳的利用年限提供一定的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在蘭州大學慶陽黃土高原試驗站(107°51' E，35°39' N)進行。該地位于隴東黃土高原中部，海拔1 298 m，年降水量480～660 mm，多年平均降水量561 mm［17］，全年降水的60%以上集中在7至9月，年蒸發(fā)量1 100～1 500 mm，年日照時數(shù)2 300～2 700 h，年均氣溫8～10℃，無霜期150～190 d，土壤類型為黑壚土。

1.2試驗材料

2002年(取樣時11年齡)、2005年(8年齡)、2006年(7年齡)、2008年(5年齡)、2009年(4年齡)和2012年(1年齡)建植的隴東苜蓿(Medicago sativa cv.Longdong)草地，其前茬作物均為冬小麥(Triticum aestivum)，地力及栽培管理方式均一致。于2012年8月10日(第2茬初花期)進行土壤樣品采集。各齡苜蓿地每次取樣設置3個重復，每個重復以五點取樣法在樣地中用土鉆分層(按0―10、10―20和20―30 cm)采集土樣，同層混合。土樣常溫風干，過2 mm篩網(wǎng)，用于測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮［18］和速效磷含量;部分土樣過0.25 mm篩網(wǎng)，用于測定土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀含量。

1.3測定指標與方法

有機碳(Organic Carbon，OC)的測定采用重鉻酸鉀加熱氧化法［19］，全氮(Total Nitrogen，TN)的測定采用凱氏定氮法［20］，全磷(Total Phosphorus，TP)的測定采用NaOH－熔融―鉬銻抗比色法［19］，全鉀(Total Potassium，TK)的測定采用NaOH熔融―火焰光度法［19］，銨態(tài)氮(Ammonium Nitrogen，NH4+)和硝態(tài)氮(Nitrate Nitrogen，NO3－)采用FIASTAR 5000連續(xù)性流動分析儀測定［18］，速效磷(Available Phosphorus，AP)采用0.5 mol·L－1NaHCO3浸提―分光光度法測定［19］。

1.4灰色關聯(lián)度分析

將上述6個年齡隴東苜蓿草地土壤的7種指標作為一個灰色系統(tǒng)，則每個不同年齡草地土壤作為灰色系統(tǒng)的一個因素，應用灰色關聯(lián)度分析法［16］對不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力進行綜合分析。

(1)參考數(shù)列

以各指標的最優(yōu)值構成理想的參考數(shù)列: X0(k)={ X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n) }，以各指標的測定值構成比較數(shù)列: Xi(k)={ Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n) }，其中，k=1，2，3，…，n，n為測定指標數(shù)(此處為7)，i=1，2，3，…，m，m為測定不同年齡草地數(shù)(此處為6)。

(2)指標的無量綱化

將各指標的測定值轉化為評價值，用Xi＇(k)=Xi(k)/X0(k)對原始測量數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，使所有數(shù)據(jù)在［0，1］區(qū)間之內(nèi)。

(3)關聯(lián)系數(shù)

求比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0各對應點的絕對差值，△i(k)=|X0(k)－Xi(k) |，此處△i(k)為i年齡的紫花苜蓿草地指標測定值Xi與理想值X0在第k個指標上的絕對差值。則理想數(shù)列X0和比較數(shù)列Xi在k點的關聯(lián)系數(shù)εi(k)為:式中，min min | X0(k)－Xi(k) |為二級最小差; max max|X0(k)－Xi(k) |為二級最大差;ρ為分辨系數(shù)，此處為0.5。

2　結果與分析

2.1不同年齡紫花苜蓿草地土壤元素含量

不同年齡紫花苜蓿草地土壤各元素含量在不同土層間有較大差異(表1)。在0―10 cm土層，11齡、8齡、5齡草地土壤OC含量顯著高于7齡和1齡草地土壤OC(P＜0.05) ; 8齡草地土壤TN和TP含量明顯高于7齡和4齡，但與其他齡草地土壤TN 和TP含量無顯著差異(P＞0.05) ; 7齡和5齡草地土壤AP含量顯著高于其他齡; 8齡和1齡草地土壤含量顯著高于其他齡; 7齡、5齡和4齡草地土壤含量顯著高于1齡，其他齡草地土壤間無顯著差異;土壤TK含量在各齡草地土壤間無顯著差異。在10－20 cm土層，5齡草地土壤OC含量顯著高于7齡，其他齡草地土壤OC含量無顯著差異; 1齡草地土壤TN含量顯著高于其他齡，并且其他齡草地土壤間無顯著差異; 1齡和8齡草地土壤含量顯著高于其他齡; 4齡草地土壤具有最高含量; 8齡和1齡草地土壤TP含量顯著高于11齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 8齡、7齡和5齡草地土壤AP含量明顯高于11齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 5齡草地土壤TK含量顯著高于7齡和1齡，其他齡草地土壤間無顯著差異。在20－30 cm土層，7齡草地土壤OC含量明顯低于其他齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 1齡草地土壤TN含量高于8齡，7齡和4齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 8齡和1齡草地土壤含量顯著高于其他齡草地土壤;土壤含量在4齡草地最高，8齡草地土壤最低，其他齡草地間無顯著差異; 11齡和5齡草地土壤TP含量顯著高于7齡、4齡和1齡; 8齡草地土壤AP含量顯著高于11齡和4齡，其他齡草地間無顯著差異; 11齡草地土壤TK含量明顯大于其他齡。

2.2測定指標的無量綱化和關聯(lián)系數(shù)

對不同年齡紫花苜蓿草地土壤各測定指標無量綱化后的結果(表2)表明，0―10 cm的理想的參考數(shù)列X0(k)={ 8.60，1.31，41.33，12.85，0.892，7.1，20.60}，10―20 cm的X0(k)={ 6.94，1.44，41.96，10.62，0.882，4.0，20.75}，20―30 cm的X0(k)={ 5.89，1.31，42.78，7.28，0.961，4.2，23.26}。各測定指標的關聯(lián)系數(shù)如表3所示。

2.3土壤肥力評價

不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力的灰色關聯(lián)度和排序如表4所示。等權關聯(lián)度排序和加權關聯(lián)度排序一致，在0－10和10－20 cm土層，土壤肥力最好的年齡均為5齡草地;在20－30 cm土層，土壤肥力最好的年齡為8齡草地，5齡草地土壤肥力僅次于8齡草地。所以綜合分析，5齡苜蓿草地土壤肥力最佳。

3　討論與結論

灰色關聯(lián)度分析法克服了單一元素不能準確評價不同年齡草地土壤肥力的問題，能客觀反映出土壤肥力最佳的草地年齡，不會因為草地土壤單一元素表現(xiàn)最佳而判斷相應草地年齡為最佳，或者相反。目前，灰色關聯(lián)度分析方法已經(jīng)在玉米(Zea mays)［21-22］、大豆(Glycine max)［22］、小麥(Triticum aestivum)［23］、紫穗槐(Amorpha fruticosa)［24］、苜蓿［25］等的研究中得到應用，用來評價其營養(yǎng)價值、生產(chǎn)性能、抗旱性等，而在土壤肥力的評價上主要應用于森林生態(tài)系統(tǒng)［26］。本研究采用灰色關聯(lián)

表1　不同年齡紫花苜蓿草地土壤元素含量Table 1 Soil element contents of lucerne cultivated in different years　g·kg－1

表2　測定指標的無量綱化Table 2 Dimensionlessness of measured indexes

表3　測定指標的關聯(lián)系數(shù)Table 3 Correlative coefficient of measured indexes

度分析法評價了不同年齡紫花苜蓿草地的土壤肥力，避免了單一元素評價可能造成的偏差。不同年齡紫花苜蓿草地土壤中不同元素表現(xiàn)不一，單一元素分析會得到不同結果。如，0－10 cm土層，8齡草地土壤TN和TP含量顯著高于7齡和4齡; 7齡和5齡草地土壤AP含量顯著高于其他齡; 8齡和1齡草地土壤含量明顯高于其他齡; 7齡、5齡和4齡草地土壤含量明顯高于1齡，其他齡草地土壤間無顯著差異;土壤TK含量在各齡草地土壤間無顯著差異。同樣，10－20和20－30 cm土層各元素含量變化不一致(表1)，因此，僅從碳、氮、磷或鉀等單一元素含量出發(fā)，不能得到一致而準確的評價結果。

不同年齡紫花苜蓿自身的生長狀況及其生長的土壤環(huán)境均有差異。隨著紫花苜蓿種植年限的增加，牧草產(chǎn)量逐漸降低［14］，這可能與葉綠素a和b含量降低導致光合能力減弱、有機物積累減少有關［27］。也有研究表明，隨著種植年限的增加，紫花苜蓿的結瘤密度增加［28］，土壤全氮、堿解氮、速效鉀、全鉀含量升高［13］，土壤肥力增加［6，29］。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，在不同土層，單一元素含量隨紫花苜蓿年齡而變化的趨勢是不確定的，也就是說，前人發(fā)現(xiàn)的增加的趨勢往往并不是單向的。根據(jù)生產(chǎn)力動態(tài)、土壤水分狀況、土壤理化特性以及葉片的光合生理生態(tài)指標等，萬素梅［30］、Li和Huang［31］提出苜蓿的利用年限不宜超過8年。而在本研究中，利用灰色關聯(lián)度分析法綜合評價了6個年齡紫花苜蓿草地土壤肥力，得出了5齡草地土壤肥力最佳的結果，從土壤肥力的角度確定黃土高原慶陽地區(qū)紫花苜蓿最佳利用年齡為5齡。

表4　不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力的等權關聯(lián)度(GCD)、加權關聯(lián)度(WGCD)和排序Table 4 Values and orders of grey correlative degree (GCD) and weighted GCD (WGCD) of soil fertility of lucerne cultivated in different years

［1］Imran M，Gurmani Z A.Role of macro and micro nutrients in the plant growth and development［J］.Science，Technology and Development，2011，30(3) : 36-40.

［2］Larcher W.Physiological Plant Ecology-Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups［M］.Berlin Heidelberg: Springer-Verlag，2003.

［3］Manzoni S，Trofymow J A，Jackson R B，Porporato A.Stoichiometric controls on carbon，nitrogen，and phosphorus dynamics in decomposing litter［J］.Ecological Monographs，2010，80(1) : 89-106.

［4］春亮，辛曉平，韓文軍，閆志堅，路艷峰，楊桂霞，唐華俊.刈割對紫花苜蓿葉片的光合量的影響［J］.牧草與飼料，2011，5(2) : 27-30.

［5］劉東霞，劉貴河，楊志敏.種植及收獲因子對紫花苜蓿干草產(chǎn)量和莖葉比的影響［J］.草業(yè)學報，2015，24(3) : 48-57.

［6］Yang H M，Unkovich M，Mcneill A，Wang X Z.Symbiotic N2fixation and nitrate utilization in irrigated lucerne (Medicago sativa) systems［J］.Biology and Fertility of Soils，2011，47: 377-385.

［7］李琪，曹致中.隴東紫花苜蓿現(xiàn)狀調(diào)查及分析［J］.草業(yè)科學，1992，9(5) : 7-11.

［8］Jefferson P G，Cutforth H W.Sward age and weather effects on alfalfa yield at a semiarid location in south-western Saskatchewan ［J］.Canadian Journal of Plant Science，1997，77: 595-599.

［9］張春霞，郝明德，王旭剛，魏孝榮.黃土高原地區(qū)紫花苜蓿生長過程中土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律［J］.西北植物學報，2004，24(6) : 1107-1111.

［10］曹永紅.不同生長年限的苜蓿生物學特性及草地水肥性狀變化的研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學碩士論文，2008.

［11］楊恒山，葛選良，王俊慧，張麗妍.不同生長年限紫花苜蓿磷的積累與分配規(guī)律［J］.草業(yè)科學，2010，27(2) : 89-92.

［12］楊恒山，劉江，王俊慧，劉晶.不同生長年限紫花苜蓿鉀吸收與積累規(guī)律的研究［J］.中國草地學報，2010，32(2) : 10-14.

［13］楊玉海，蔣平安.不同種植年限苜蓿地土壤理化特性研究［J］.水土保持學報，2005，19(2) : 110-113.

［14］邰繼承，張麗妍，楊恒山.種植年限對紫花苜蓿栽培草地草產(chǎn)量及土壤氮、磷、鉀含量的影響［J］.草業(yè)科學，2009，26 (12) : 82-86.

［15］王俊慧，楊恒山，劉蘭芳，邰繼承，畢文波.不同生長年限紫花苜蓿吸鉀特征研究［J］.草地學報，2009，17(6) : 767-771.

［16］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，1987: 35-47.

［17］Tian L H，Bell L W，Shen Y Y，Whish J P M.Dual-purpose use of winter wheat in western China: Cutting time and nitrogen application effects on phenology，forage production，and grain yield［J］.Crop and Pasture Science，2012，63: 520-528.

［18］Karlen D L，Cambardella C A，Kovar J L，Colvin T S.Soil quality response to long-term tillage and crop rotation practices［J］.Soil＆Tilliage Research，2013，133: 54-64.

［19］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］第三版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［20］林大儀.土壤學實驗指導［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2004.

［21］孫峰成，馮勇，于卓，趙瑞霞，張來厚，蘇二虎，劉志雄，石海波.12個玉米群體的主要農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量、品質(zhì)的灰色關聯(lián)度分析［J］.華北農(nóng)學報，2012，27(1) : 102-105.

［22］張清平，田莉華，蔣海亮，劉淵博，沈禹穎.甘肅隴東黃土高原一年生飼草生產(chǎn)性能綜合評價研究［J］.中國草地學報，2014，36(2) : 25-28.

［23］賴運平，李俊，張澤全，董雪芳，劉新春，魏會廷，胡曉蓉，彭正松，楊武云.小麥苗期抗旱相關形態(tài)指標的灰色關聯(lián)度分析［J］.麥類作物學報，2009，29(6) : 1055-1059.

［24］郭霞，劉雪云，周志宇，粱坤倫，王瑞.應用灰色關聯(lián)度分析法綜合評價啃食強度對紫穗槐營養(yǎng)價值的影響［J］.草業(yè)學報，2012，21(2) : 196-204.

［25］楊曌，張新全，李向林，萬里強，何峰.應用灰色關聯(lián)度綜合評價17個不同秋眠級苜蓿的生產(chǎn)性［J］.草業(yè)學報，2009，18(5) : 67-72.

［26］蔣文偉，俞益武，姜培坤，姜志林.湖州主要森林類型土壤肥力的灰色關聯(lián)度分析與評價［J］.生態(tài)學雜志，2002，21(4) : 18-21.

［27］張麗妍，楊恒山，張宏宇，葛選良，谷永麗.灌溉條件下不同生長年限紫花苜蓿生長及生產(chǎn)能力的研究［J］.草業(yè)科學，2010，27(1) : 85-91.

［28］Li F，Kautz T，Puder R，Kpke U.Nodulation of lucerne (Medicago sativa L.) roots: Depth distribution and temporal variation ［J］.Plant，Soil and Environment，2012，58(9) : 424-428.

［29］Yang H M，He S B，Shen Y Y，Wang X Z.Soil nitrogen，carbon and phosphorus after lucerne conversion to wheat or fallow in the Loess Plateau of China［J］.Philippine Journal of Crop Science，2011b，36(3) : 28-33.

［30］萬素梅.黃土高原地區(qū)不同生長年限苜蓿生產(chǎn)性能及對土壤環(huán)境效應研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學博士論文，2008.

［31］Li Y S，Huang M B.Pasture yield and soil water depletion of continuous growing alfalfa in the Loess Plateau of China［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2008，124: 24-32.

(責任編輯王芳)

Assessment of soil fertility in lucerne stands of different ages using grey correlative degree analysis

WANG Zhen-nan，ZHANG Qing-ping，LU Jiao-yun，YANG Mei，YANG Hui-min
(State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems; College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China)

Soil fertility reflects the performance and growth potential of plant which is easily affected by the plant.In the perennial grassland-ecosystem，the effect of forage age on the soil fertility has not been clearly elucidated yet.In the present study，the soil fertility in lucerne stands with six different ages were comprehensively analysed using grey correlative degree analysis to evaluate the effect of stand age on soil fertility.In different soil layers，the contents of organic carbon，total nitrogen，ammonium，nitrate，total phosphorus，available phosphorus and total potassium were different in different lucerne stands cultivated in different years，and they differently varied with stand age.Using grey correlative degree analysis，the best soil fertility was observed in 5-year old stands in 0－10 and 10 －20 cm soils，the best soil fertility was observed in 8-year old stands and the better soil fertility was observed in 5-year old stands in 20－30 cm soils.Conclusively，in the Loess Plateau，the optimal utilisation age of lucerne was 5-year old considering soil fertility.

grey correlative degree analysis; utilisation time; Medicago sativa; soil nutrient

YANG Hui-min E-mail: huimyang@lzu.edu.cn

S812.2; S541+.106.1

A

1001-0629(2015) 08-1230-07*

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0473

2014-10-23接受日期: 2015-01-12

國家自然科學基金(31172248) ;人力資源和社會保障部2012年度留學人員科技活動項目擇優(yōu)資助經(jīng)費;甘肅省科技重大專項(1203FKDA035)

王振南(1988-)，男，山東臨沂人，在讀博士生，主要從事元素生態(tài)化學計量學特征的研究。E-mail: wangzn11@lzu.edu.cn

楊惠敏(1978-)，男，湖北應城人，博導，博士，主要從事草類植物逆境生物學研究。E-mail: huimyang@lzu.edu.cn