5齡紫花苜蓿輪作草地早熟禾的土壤養(yǎng)分變化特征

阿 蕓，師尚禮，張曉燕，張翠梅，李 文，吳 芳，周 彤，來幸樑，陳永崗，孫守江（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著化肥和農(nóng)藥的廣泛施用，人們逐漸忽略土地用養(yǎng)結(jié)合，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化、養(yǎng)分失衡、有毒物質(zhì)累積越來越多等，出現(xiàn)了土壤退化現(xiàn)象[1-5]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，苜蓿重茬種植導(dǎo)致其產(chǎn)量和品質(zhì)下降，深層土壤干層加厚，土壤養(yǎng)分失衡，限制了農(nóng)牧業(yè)持續(xù)發(fā)展，連續(xù)多年在同一塊地上種植同一種牧草已不現(xiàn)實(shí)[6]。苜?！魑镙喿魇且环N有利于均衡利用土壤養(yǎng)分和防治病、蟲、草害的高水平種植方式[7-8]，能改善土壤理化性質(zhì)，以及恢復(fù)和維持地力。盡管輪作的部分作用已被化學(xué)肥料和農(nóng)藥代替，但輪作對(duì)土壤的潛在性和生物活性是不可代替的[9-10]。

紫花苜蓿(Medicago sativa)被稱為“牧草之王”，其根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)范圍廣，抗寒、抗旱、耐貧；具有保持水土、防固風(fēng)沙、土壤改良和植物修復(fù)等重要生態(tài)功能[11-14]，也是草田輪作的重要草種[15-16]；草地早熟禾(Poa pratensis)有“綠草之冠”之稱，具有分布地區(qū)廣、抗逆性強(qiáng)、耐寒、易繁殖、再生、返青期早和綠期長(zhǎng)等特征[17]，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高、適口性好和莖葉柔軟且幼嫩[18]。前人有關(guān)苜蓿→一年生作物[玉米(Zea mays)、小麥(Triticumaestivum)、谷子(Setaria italica)和馬鈴薯(Solanum tuberosum)等]土壤養(yǎng)分的研究較多[19-22]，而有關(guān)紫花苜蓿與多年生禾本科輪作的研究鮮見報(bào)道。紫花苜蓿與草地早熟禾輪作，不僅能產(chǎn)生飼草，而且改善土壤理化性質(zhì)，恢復(fù)和維持地力。因此，研究紫花苜?！莸卦缡旌掏寥鲤B(yǎng)分變化特征，為紫花苜蓿和草地早熟禾高產(chǎn)、高效的養(yǎng)分及恢復(fù)地力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在暖溫半干旱氣候區(qū)的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)蘭州牧草試驗(yàn)站，位于蘭州市西北部，105°41′ E，34°05′ N，海拔1 595 m。年均氣溫9.7 ℃，平均年降水量451.6 mm，年蒸發(fā)量1 664 mm，屬溫帶半干旱大陸性氣候，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，肥力均勻，土壤類型為黃綿土，基本理化性質(zhì)如表1所列。

表 1 紫花苜蓿茬地土壤基本理化指標(biāo)值Table 1 The soil properties at the alfalfa experimental sites

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016 年 3 月翻耕兩塊相同的5 齡甘農(nóng) 9 號(hào)紫花苜蓿草地，于4 月 23 日同時(shí)進(jìn)行播種，一塊翻耕后的草地上播種海波草地早熟禾 (紫花苜?！莸卦缡旌梯喿?，輪作后第 1 年和第 2 年分別用 AP 和A2P 表示)，另一塊翻耕后的草地上繼續(xù)播種紫花苜蓿作為對(duì)照 (紫花苜蓿連作，連作后第 1 年和第2 年分別用AA 和 A2A 表示)。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，1個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積10 m2(2 m × 5 m)，小區(qū)間距40 cm，區(qū)組間距均為20 cm。甘農(nóng)9號(hào)紫花苜蓿單播播種量15 kg·hm-2、海 波 草 地 早 熟 禾15 kg·hm-2，條播，行距均為25 cm。整個(gè)試驗(yàn)期間均不施肥[23]。輪作后第1、2年作物生長(zhǎng)季初(4月15日)、季中(7月15日)和季末(10月15日)進(jìn)行隨機(jī)土壤取樣，采集0-20與20-40 cm土樣，采用多點(diǎn)混合取樣法。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀-加熱法測(cè)定，全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全磷含量用HClO4-H2SO4法測(cè)定，全鉀含量采用火焰光度法測(cè)定[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0系統(tǒng)軟件進(jìn)行性狀相關(guān)性分析；采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作和連作處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量

隨草地早熟禾種植時(shí)間的延長(zhǎng)，輪作處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈下降趨勢(shì)(圖1)；且輪作處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量高于連作處理。

0-20 cm土層，輪作第1年(AP) 4月和10月土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于連作(AA) (P ＜ 0.05) (圖1)，7月則差異不顯著(P ＞ 0.05)，月均AP (8.48 g·kg-1)較AA (7.29 g·kg-1)提 高 了16.32%；輪 作 第2年(A2P)土壤有機(jī)質(zhì)含量與連作處理(A2A)間無顯著差異(P ＞ 0.05)，月均A2P(6.19 g·kg-1)較A2A (5.66 g·kg-1)提高了9.36%；月均A2P和A2A分別較AP和AA下降了27.00%、22.35%。

圖 1 輪作和連作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤有機(jī)質(zhì)變化特征Figure 1 Variation characteristic of soil organic matter content in alfalfa and Poa pratensis

20-40 cm土層，輪作第1年4月測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)含量與連作間無顯著差異(P ＞ 0.05) (圖1)，7月和10月則AP顯著高于AA (P ＜ 0.05)，月均AP(6.94 g·kg-1)較AA (5.31 g·kg-1)提高了30.69%；輪作第2年4月測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)含量在連作間差異不顯著(P ＞ 0.05)，7月和10月則A2P顯著高于A2A(P ＜ 0.05)，月均A2P (5.52 g·kg-1)較A2A (4.73 g·kg-1)提高了16.70%；月均A2P和A2A較AP和AA下降了20.46%、10.92%。

2.2 輪作和連作處理下的土壤全氮含量

隨草地早熟禾種植時(shí)間的延長(zhǎng)，輪作處理的土壤全氮含量總體均呈下降趨勢(shì)(圖2)；且輪作處理的土壤全氮含量高于連作處理。

圖 2 輪作和連作下紫花苜蓿草地早熟禾的土壤全氮變化特征Figure 2 Variation characteristic of soil total nitrogen content in alfalfa and Poa pratensis

0-20 cm土層，輪作第1年土壤全氮含量與連作無顯著差異(P ＞ 0.05) (圖2)，月均AP (1.55 g·kg-1)較AA (1.46 g·kg-1)提高了6.16%；輪作第2年4月、10月土壤全氮含量與連作間無顯著差異(P ＞ 0.05)，7月則輪作顯著高于連作(P ＜ 0.05)，月均A2P (1.23 g·kg-1)較A2A (1.17 g·kg-1)提高了5.12%；月均A2P和A2A分別較AP和AA減少了20.64%、19.86%。

20-40 cm土層，輪作第1年土壤全氮含量與連作間無顯著差異(P ＞ 0.05) (圖2)，月均AP (1.26 g·kg-1)較AA (1.20 g·kg-1)提 高 了5.00%；輪 作 第2年4月和7月土壤全氮含量與連作間無顯著差異(P ＞ 0.05)，10月測(cè)定的則顯著低于連作，月均A2P(1.04 g·kg-1)較A2A (1.03 g·kg-1)增加了0.97%；月均A2P和A2A分別較AP和AA減少了17.46%、14.16%。

2.3 輪作和連作處理下的土壤堿解氮變化

隨草地早熟禾種植時(shí)間的延長(zhǎng)，輪作處理的土壤堿解氮含量總體均呈下降趨勢(shì)(圖3)，且輪作處理的土壤堿解氮含量高于連作處理。

0-20 cm土層，輪作第1年4月土壤堿解氮含量顯著高于連作(P ＜ 0.05) (圖3)，7月和10月測(cè)定的則無顯著差異(P ＞ 0.05)，月均AP (49.31 mg·kg-1)較AA (47.35 mg·kg-1)提高了4.13%；輪作第2年4月土壤堿解氮含量顯著高于連作(P ＜ 0.05)，7月和10月則差異不顯著(P ＞ 0.05)，月均A2P (41.35 mg·kg-1)較A2A (39.94 mg·kg-1)提高了3.54%；月均A2P和A2A分別較AP和AA減少了16.14%和15.64%。

20-40 cm土層，輪作第1年土壤堿解氮含量與連作無顯著差異(P ＞ 0.05) (圖3)，月均AP(22.79 mg·kg-1)較AA (22.28 mg·kg-1)提高了2.29%；輪作第2年4月土壤堿解氮含量顯著高于連作(P ＜0.05)，而7月和10月測(cè)定的則無顯著差異(P ＞0.05)，月均A2P (19.29 mg·kg-1)較A2A (18.39 mg·kg-1)提高了4.89%；月均A2P和A2A分別較AP和AA減少了15.36%和17.45%。

圖 3 輪作和連作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤堿解氮變化特征Figure 3 Variation characteristic of available nitrogen content in soil of alfalfa and Poa pratensis

2.4 輪作和連作處理下的土壤全磷含量

隨草地早熟禾種植時(shí)間的延長(zhǎng)，輪作處理的土壤全磷含量總體呈下降趨勢(shì)(圖4)；且輪作處理的土壤全磷含量明顯高于連作處理

0-20 cm土層，輪作第1年4月和10月土壤全磷含量顯著高于連作(P ＜ 0.05) (圖4)，7月測(cè)定的則差異不顯 著(P ＞ 0.05)，月均AP (0.46 g·kg-1)較AA (0.39 g·kg-1)提高了17.94%；輪作第2年7月和10月測(cè)定的全磷含量顯著高于連作，4月測(cè)定的則差異不顯著(P ＞ 0.05)，月均A2P (0.44 g·kg-1)較A2A (0.37 g·kg-1)提 高 了18.91%；月 均A2P和A2A較AP和AA減少了4.34%和5.12%。

20-40 cm土層，輪作第1年土壤全磷含量與連作無顯著差異(P ＞ 0.05) (圖4)，月均AP (0.31 g·kg-1)較AA (0.30 g·kg-1)提高了3.33%；輪作第2年10月土壤全磷含量與A2A無顯著差異(P ＞ 0.05)，而4月和7月測(cè)定的則輪作顯著高于連作(P ＜ 0.05)，月均A2P (0.30 g·kg-1)較A2A (0.24 g·kg-1)提高了25.00%；月均A2P和A2A較AP和AA減少了3.22%和20.00%。

圖 4 輪作和連作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤全磷變化特征Figure 4 Variation characteristic of soil total phosphorus content in alfalfa and Poa pratensis

2.5 輪作和連作處理下的土壤全鉀含量變化

隨草地早熟禾種植時(shí)間的延長(zhǎng)，輪作處理的土壤全鉀含量總體呈下降趨勢(shì)；且輪作處理的土壤全鉀含量明顯高于連作處理。

0-20 cm土層，輪作第1年4月和7月土壤全鉀含量顯著高于連作(P ＜ 0.05) (圖5)，10月測(cè)定的則差異不顯著(P ＞ 0.05)，月均AP (4.44 g·kg-1)較AA (4.10 g·kg-1)提高了8.29%；輪作第2年4月和10月土壤全鉀含量顯著高于連作(P ＜ 0.05)，7月測(cè)定的則差異不顯著(P ＞ 0.05)，月均A2P (4.77 g·kg-1)較A2A (3.99 g·kg-1)增 加 了19.54%；月 均A2P較AP高出7.43%，而A2A較AA低出2.68%。

圖 5 輪作和連作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤鉀含量變化特征Figure 5 Variation characteristic of soil total potassium content in alfalfa and Poa pratensis

20-40 cm土層，輪作第1年4月和7月土壤全鉀含量顯著高于連作(P ＜ 0.05) (圖5)，10月測(cè)定的則差異不顯 著(P ＞ 0.05)，月均AP (2.73 g·kg-1)較AA (2.10 g·kg-1)提高了30.00%；輪作第2年4月和10月土壤全鉀含量顯著高于連作(P ＜ 0.05)，7月測(cè)定的兩處理間無顯著差異(P ＞ 0.05)，月均A2P (2.77 g·kg-1)較A2A (2.19 g·kg-1)提高了26.48%；月均A2P和A2A分別較AP和AA增加了1.46%和4.28%。

3 討論

3.1 不同年限紫花苜?！莸卦缡旌掏寥鲤B(yǎng)分含量變化

研究證實(shí)，苜?！魑?馬鈴薯、小麥和谷子)土壤有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)下降，土壤全氮含量因輪作作物不同而差異較大，但總體上呈下降趨勢(shì)[22]?；⒌骡昜25]對(duì)苜蓿地翻耕后進(jìn)行草田輪作得出，2年輪作期間0-60 cm土層有機(jī)質(zhì)和全氮含量降低，土壤全磷有增有減。本研究沒有選用以上相應(yīng)的輪作模式，而是對(duì)紫花苜蓿與多年生禾本科輪作進(jìn)行了研究，種植草地早熟禾第2年與第1年相比，0-20 cm土層，第2年月均有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和全磷含量分別較第1年下降了27.00%、20.64%、16.14%和4.43%；20-40 cm土層，第2年有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷和全鉀含量分別較第1年下降了20.46%、17.46%、15.36%、3.22%和1.46%。這與前人的研究結(jié)果[19, 20, 22, 25]基本一致。

3.2 紫花苜蓿→草地早熟禾和紫花苜?！匣ㄜ俎Ｍ寥鲤B(yǎng)分含量變化特征

研究證實(shí)，煙→稻輪作或煙草→玉米輪作區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量高于烤煙連作，而土壤全磷和全鉀含量有所不同[26]。研究表明，苜?！←溑c苜蓿連作相比，可以提高土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的含量[27]；小麥與紅豆草(Onobrychis viciaefolia)輪作對(duì)提高土壤氮素有促進(jìn)作用[28]。本研究表明，在0-20與20-40 cm土層下紫花苜?！莸卦缡旌梯喿魅A解氮含量高于連作，主要原因是紫花苜蓿連作后根系分泌的自毒物質(zhì)使其固氮能力減弱[29-30]。輪作后第1年，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷和全鉀含量在0-20 cm土層中分別較連作提高16.32%、6.16%、4.13%、17.94%和8.29%；20-40 cm土層中分別提高30.69%、5.00%、2.29%、3.33%和30.00%；輪作后第2年，0-20 cm土層中分別提高9.36%、5.12%、3.54%、18.91% 和19.54%；20-40 cm土層分別提高16.70%、0.97%、4.89%、25.00%和26.48%。這說明紫花苜?！莸卦缡旌膛c紫花苜?！匣ㄜ俎Ｏ啾龋商岣咄寥烙袡C(jī)質(zhì)、全磷和全鉀的含量，提高氮的利用率，這與前人的研究結(jié)果[27-28]相近。

4 結(jié)論

在半干旱地區(qū)，紫花苜?！莸卦缡旌痰耐寥烙袡C(jī)質(zhì)、全磷和全鉀含量明顯高于紫花苜蓿連作，紫花苜?！莸卦缡旌梯喿鞯?、2年內(nèi)土壤養(yǎng)分含量均有不同程度的下降。與紫花苜蓿連作相比，紫花苜蓿輪作草地早熟禾，可提高有機(jī)質(zhì)、全磷和全鉀的含量，提高氮的利用率。