晉北鹽堿區(qū)不同種植年限人工紫花苜蓿草地土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)

鄭敏娜， 梁秀芝， 李蔭藩， 韓志順， 康佳惠， 陳燕妮

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所， 山西 大同 037008)

土壤和植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量狀況和植被生長(zhǎng)狀況是陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤為植被生長(zhǎng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)土壤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況又受植被生長(zhǎng)狀況的調(diào)控[2]，不同土地種植方式和人為干預(yù)措施都會(huì)影響土壤質(zhì)量的發(fā)展方向和改變幅度[3-4]。人工草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤是在植物因素和人類活動(dòng)的共同作用下形成的，其質(zhì)量亦在多種因子的綜合作用下發(fā)生復(fù)雜變化[1]。建植者合理的土地利用方式和管理措施可以增強(qiáng)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤抗干擾能力，而不合理的土地利用方式則會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，加速土壤逆向演替，降低系統(tǒng)生產(chǎn)力。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為優(yōu)良的多年生豆科牧草，以其獨(dú)特的作用和功能長(zhǎng)期享有“牧草之王”的美譽(yù)[5]，是北方人工草地植被建植的首選種類。近20年來(lái)，苜蓿改良土壤的作用已得到許多研究者的肯定，是提高土壤質(zhì)量的有效途徑之一，例如，元炳成[5]在河西走廊黑河流域開(kāi)展了鹽澤土改良研究，其結(jié)果表明種植紫花苜蓿對(duì)草甸鹽土有顯著的改良效果；在吳旭東等[6-7]的研究中發(fā)現(xiàn)，人工紫花苜蓿草地養(yǎng)分含量與利用年限密切相關(guān)；張寶泉[8]等指出，在渭北旱塬區(qū)種植紫花苜?？稍谝欢ǔ潭壬细纳仆寥蕾|(zhì)量，并且土壤質(zhì)量在前11年呈改善趨勢(shì)，之后隨著苜蓿草地的退化土壤質(zhì)量會(huì)下降。

灰色系統(tǒng)理論[9]是近年發(fā)展起來(lái)的一種分析理論，可客觀地反映供試土壤諸多指標(biāo)在土壤質(zhì)量上的綜合表現(xiàn)，克服了依靠單一指標(biāo)(如全氮)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的弊端。目前，關(guān)于大同鹽堿地區(qū)紫花苜蓿種植年限對(duì)土壤質(zhì)量影響的系統(tǒng)研究亦未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以7 種不同年限紫花苜蓿人工草地為研究對(duì)象，結(jié)合土壤質(zhì)量指標(biāo)研究紫花苜蓿不同種植年限對(duì)土壤質(zhì)量的影響，確定最佳種植年限，為大同地區(qū)或類似生態(tài)區(qū)域紫花苜蓿生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)點(diǎn)具體位于山西省大同市水泊市鄉(xiāng)，E 112°34′～114°34′，N 39°03′～40°44′，海拔1 050 m。該區(qū)域?qū)俚湫偷母珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降雨量為350～500 mm，年蒸發(fā)量為1 800 mm左右，無(wú)霜期為140 d，年均氣溫為7.5℃，春秋季水分蒸發(fā)比較強(qiáng)烈。至本試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，試驗(yàn)點(diǎn)種植年限最長(zhǎng)的紫花苜蓿草地為11年齡，最短的為2年齡，均為春播，播種前均施尿素55 kg·hm-2，鉀肥75 kg·hm-2，磷肥75 kg·hm-2，其余時(shí)期均不施肥；灌水全部采用漫灌方式，生長(zhǎng)期間均每年刈割3次,其余田間管理措施基本一致。

1.2 樣地選擇與土壤樣品采集

1.2.1樣地選擇 2014年7月，為了比較和分析不同種植年限人工草地土壤質(zhì)量的變化情況，在研究區(qū)選擇立地條件相似、管理措施一致的不同種植年限的6種典型紫花苜蓿樣地，并以農(nóng)地(馬鈴薯)作為對(duì)照。供試紫花苜蓿品種為‘雷達(dá)可之星’(Ladak)，由美國(guó)引進(jìn)。具體種植年限如表1所示。

表1 土壤采樣點(diǎn)基本信息Table 1 Description of sampling sites

1.2.2土壤樣品采集與預(yù)處理 按對(duì)角線采樣法，在各個(gè)樣地內(nèi)距植株5～10 cm處，用土鉆采集不同土層土樣(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)。每塊樣地內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)均為5點(diǎn)混合樣，取樣后，先分層混合，再采用四分法取土0.5 kg，3次重復(fù)。采集的土樣在室內(nèi)置于通風(fēng)處風(fēng)干后，先揀出植物根系、動(dòng)物殘?bào)w和碎石等雜物，礳碎后分別過(guò)0.25和1 mm篩。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤樣品分析在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，共測(cè)定11項(xiàng)指標(biāo)，包括：有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、pH、全氮、有效氮、有效鉀、全磷、水溶性鈣、水溶性鎂、磷酸酶活性和脲酶活性。測(cè)定方法參照魯如坤[10]和關(guān)松蔭[11]等。

1.4 研究方法

1.4.1灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

1.4.1.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析的原理與評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

本研究基于灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度理論[9]，選擇3個(gè)土層(0～20、20～40和40～60 cm)土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、全氮、速效氮、全磷、速效鉀、pH值、水溶性鈣、水溶性鎂、脲酶和堿式磷酸酶等11項(xiàng)指標(biāo)作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型。根據(jù)紫花苜蓿對(duì)土壤養(yǎng)分的需求特點(diǎn)，11項(xiàng)指標(biāo)均選擇其數(shù)值最大為最優(yōu)，構(gòu)成最優(yōu)指標(biāo)集。

1.4.1.2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

(1) 等權(quán)關(guān)聯(lián)度

根據(jù)人工苜蓿草地恢復(fù)模式土壤質(zhì)量的變化特點(diǎn)，假定本地區(qū)存在一個(gè)理想的人工苜蓿草地恢復(fù)模式，以該模式的各項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)作為參考模式。假若設(shè)參考數(shù)列為xo，比較數(shù)列為xi，且i= 1，2，3，…n，且xo={xo(1)，xo(2)，xo(3)，…xo(n)} ，xi= {xi(1)，xi(2)，xi(3)，…xi(n)}，則用下列公式計(jì)算各個(gè)參比因子的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)ξi(k)：

(1)

式中，ξ(k)為xo與xi在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)[9]；|xo(k)-xi(k)|為絕對(duì)差值；ρ為分辨系數(shù)，本研究中取值為0.5。

最后，根據(jù)ξ(k)求出不同模式草地土壤質(zhì)量的等權(quán)關(guān)聯(lián)度Ri:

(2)

式中，N為土壤質(zhì)量指標(biāo)的總數(shù)，本研究N=11。

(2) 判斷指標(biāo)權(quán)重

本研究運(yùn)用判斷矩陣法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建判斷矩陣，并做一致性檢驗(yàn)，從而最終確定所選定的各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量影響的權(quán)重Wi:

(3)

(3) 加權(quán)關(guān)聯(lián)度

(4)

1.4.2聚類分析 在聚類分析中采用最短距離法，以不同種植年限人工苜蓿草地種植模式作為總體樣本，11項(xiàng)土壤理化指標(biāo)作為樣本變量，將供試樣本進(jìn)行分類。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于灰色關(guān)聯(lián)度法的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

依灰色關(guān)聯(lián)度理論，各層最優(yōu)指標(biāo)集分別為X1(k)={1.642，0.952，83.832，122.108，0.054，0.089，0.430，0.038，8.670，0.249，3.170}，X2(k) ={2.197，1.274，72.000，61.740，0.041，0.061，0.243，0.026，8.600，0.101，1.333}，X3(k)={0.837，0.485，114.770，47.040，0.029，0.041，0.398，0.038，8.660，0.225，2.870 }。采用均值化方法對(duì)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)分析結(jié)果Table 2 Measured values of soil quality evaluation index

計(jì)算出二級(jí)最小差為0，二級(jí)最大差為0.982。由公式(1)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)(表3)。

表3 被評(píng)價(jià)對(duì)象的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of evaluation objects

在各指標(biāo)具有同等重要性的情況下，由公式(2)計(jì)算出的各參試指標(biāo)的等權(quán)關(guān)聯(lián)度，才能直接用于評(píng)價(jià)不同模式的優(yōu)劣。而實(shí)際上，反映不同土壤層次的各性狀特征值的重要性并不相同，因此，本研究采用判斷矩陣法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并以公式(3)計(jì)算出各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的具體權(quán)值，賦予3個(gè)土層的33個(gè)性狀指標(biāo)不同權(quán)重(表4)。

表4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Table 4 Weight of soil quality evaluation index

加權(quán)關(guān)聯(lián)度值比較真實(shí)、合理的反映出供試土壤指標(biāo)值與最優(yōu)指標(biāo)集間的差異大小，關(guān)聯(lián)度值越大，表明該模式與最優(yōu)指標(biāo)集的相似程度越高，反之則差異越大。根據(jù)加權(quán)關(guān)聯(lián)度公式(4)計(jì)算各恢復(fù)模式的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值(表5)。由表5可知，本研究中灰色關(guān)聯(lián)度值大小順序?yàn)椋篗10>M2>M13>M3>M6>M1>CK。

表5 被評(píng)價(jià)對(duì)象的加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation degree of evaluation objects

2.2 聚類分析

進(jìn)一步通過(guò)聚類分析對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)結(jié)果劃分等級(jí)。當(dāng)把分析的7種不同種植年限紫花苜蓿草地聚成 5個(gè)類時(shí)，由圖 1 可知，第1類包括模式M10，第2包括模式M2和M13，第3類包括模式M3，第4類包括模式M6，第5類包括模式CK和M1。結(jié)合表5可以發(fā)現(xiàn)，在不同種植年限紫花苜蓿人工草地的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中，10年齡紫花苜蓿草地的土壤質(zhì)量最優(yōu)。

圖1 不同種植年限紫花苜蓿人工草地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)聚類圖Fig.1 Hierarchical clustering diagram of soil quality assessment of alfalfa field with different growing years

3 討論與結(jié)論

本研究利用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度理論，分析了6 個(gè)不同種植年限人工苜蓿草地和1個(gè)農(nóng)地(對(duì)照)的土壤質(zhì)量的變化情況。基于灰色系統(tǒng)理論，認(rèn)為供試草地土壤的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值ri越高，其對(duì)應(yīng)的草地土壤質(zhì)量越好。從灰色關(guān)聯(lián)度值(表4)可以看出，種植10年的苜蓿地土壤質(zhì)量最好，可有效地增加土壤養(yǎng)分含量，提高土壤質(zhì)量，這可能是因?yàn)殡S著苜蓿種植年限的增加，地上生物量減少，土壤養(yǎng)分消耗降低，同時(shí)，苜蓿-根瘤菌共生體發(fā)育更加成熟，固氮能力相對(duì)增強(qiáng)，并且大量進(jìn)入土壤的凋落物經(jīng)微生物作用形成腐殖質(zhì)，使土壤肥力或質(zhì)量明顯提高，此后，人工紫花苜蓿草地進(jìn)入次生天然草地演替階段[8]，苜蓿生物量及其覆蓋度明顯減低，土壤質(zhì)量又開(kāi)始下降。本研究種植2、3、6年的苜蓿地與種植1年苜蓿地(或農(nóng)地)相比，土壤質(zhì)量都得到了不同程度的提高，這表明種植苜蓿對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)碳等指標(biāo)有累積作用。另外，種植年限和刈割也是影響土壤養(yǎng)分含量差異的主要原因[6]，因此，我們可以通過(guò)減少刈割次數(shù)或在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行補(bǔ)種更新，使土壤養(yǎng)分保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，在晉北干旱區(qū)種植紫花苜?？稍谝欢ǔ潭壬细纳仆寥蕾|(zhì)量。土壤質(zhì)量在種植10年時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)，之后隨著苜蓿草地的退化土壤質(zhì)量開(kāi)始下降。綜合考慮土壤養(yǎng)分及其影響因子認(rèn)為，在該區(qū)域或類似地區(qū)植被建設(shè)中應(yīng)在種植紫花苜蓿10年后對(duì)草地進(jìn)行合理利用或進(jìn)行其他人工干預(yù)如重新建植以保持土壤質(zhì)量。