煤礦塌陷區(qū)紫花苜蓿與無芒雀麥混播比例對其品質和土壤特性的影響

姬亞紅，張永志，張艷秋，郝鮮俊，高文俊

（1.山西農業(yè)大學動物科技學院，山西太谷030801；2.山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801）

煤炭是山西省優(yōu)勢礦產資源，一直居于全國首位[1]，但其開采引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，包括生物多樣性減少[2]、土壤理化性質改變[3]。山西省因煤礦的開采造成地質災害達到2 940 km2以上，受煤礦開采影響的土地面積在1 985 km2以上，煤礦塌陷區(qū)以每年94 km2的速度增加[4]。據測算，1987—2020年全國煤炭產業(yè)損壞土地180.008萬hm2，待復墾土地面積為104.506萬hm2，礦區(qū)復墾潛力巨大[5]。工程復墾和生物復墾是國內外較常用的復墾方法[6]。目前在歐美發(fā)達國家常采用工程復墾，而工程復墾耗資巨大，表層土被破壞，底層土被翻到表層，土壤養(yǎng)分貧瘠，植物不易生長。在國內生物復墾技術應用較多[7-8]，生物復墾技術是利用農業(yè)技術、林牧種植等方法提高采煤塌陷區(qū)土壤的肥力。張博文等[9]種植10種牧草對礦區(qū)土壤復墾研究發(fā)現，土壤pH值下降，土壤中的有機質、堿解氮、速效磷等有效養(yǎng)分提高。目前研究都是種植單一植物進行土壤復墾，且在礦區(qū)復墾的過程中很少利用牧草混播。

孝義市是山西省煤礦塌陷區(qū)較嚴重的地區(qū)，利用混播牧草進行煤礦塌陷區(qū)復墾，一是解決了種植牧草占用農田的問題，另一方面對煤礦區(qū)土壤進行修復，更好的利用了光、熱、水等空間資源[10]。在煤礦區(qū)進行牧草混播，禾本科植物須根系多，可防止水土流失，對環(huán)境適應性較強，可在荒地和沙地等一些貧瘠的土壤中種植。豆科植物是直根系植物，根系入土較深而且固氮能力強[11]，根系分泌的酸性物質會使土壤中的pH值降低，營養(yǎng)物質釋放出來，從而促進植物—土壤營養(yǎng)物質的循環(huán)[12-13]。牧草混播會提高土壤中速效氮含量，增加土壤中的酶活性[14]。大量研究發(fā)現，牧草混播增加了牧草的高度，提高了牧草的營養(yǎng)價值和產量[15]；禾本科與豆科牧草混播可促進豆科牧草分蘗枝數增加，牧草產量也隨之增加。

本試驗于2017年在山西孝義市煤礦塌陷區(qū)進行，以無芒雀麥與紫花苜蓿不同的種植行比進行混播，從牧草的品質方面進行評價，為煤礦塌陷區(qū)選擇牧草混播比例及土壤改良提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省孝義市偏城村水峪煤礦采煤塌陷區(qū)（東經111°37′31.7″～111°37′36.2″，北緯37°6′），海拔為990 m，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，春季干旱多風，夏季炎熱，雨量集中在7—9月，年平均氣溫為10.1℃，積溫在2 500～3 500℃，全年無霜期165 d，年平均降雨量小于440 mm。土壤類型為黃棕壤黏質土。該煤礦塌陷深度在1.8～2.6 m，2016年11月利用工程技術對塌陷區(qū)進行工程復墾平整土地，供試土壤有機質含量5.45 g/kg，有效磷含量4.34 mg/kg，有效鉀含量85.88 mg/kg，銨態(tài)氮含量6.94 mg/kg，硝態(tài)氮含量7.86 mg/kg，土壤堿解氮含量13.89 mg/kg，pH值8.43。

1.2 試驗材料

供試紫花苜蓿WY183品種由北京正道生態(tài)科技有限公司提供，無芒雀麥采集于山西農業(yè)大學草業(yè)試驗田。

1.3 試驗設計

2種牧草混播種植行比例共設置7個處理，即紫花苜蓿（A）和無芒雀麥（B）的混播比例分別為2∶8（A2∶B8）、3∶7（A3∶B7）、4∶6（A4∶B6）、5∶5（A5∶B5）、6∶4（A6∶B4）、7∶3（A7∶B3）、8∶2（A8∶B2），小區(qū)采取完全隨機區(qū)組設計，條播于面積為2 m×5 m的小區(qū)內，行距為25 cm，紫花苜蓿播種量為15 kg/hm2，無芒雀麥的播種量為30 kg/hm2，每個混播比例重復3次，共計21個小區(qū)，于2017年6月5日進行播種。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 牧草營養(yǎng)指標的測定將烘干的草樣粉碎后過篩干燥保存，用于營養(yǎng)指標的測定。粗蛋白（CP）采用凱氏定氮法測定；中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）采用濾袋法測定；粗脂肪（EE）采用索氏脂肪提取法測定[16]。

1.4.2 土壤指標的測定土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法測定[17]。

1.5 數據處理

利用Excel 2010對試驗數據進行整理，用SPSS 23.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同混播比例對牧草粗蛋白和粗脂肪的影響

表1 不同混播比例對牧草粗蛋白和粗脂肪的影響 %

由表1可知，混播比例為A6∶B4的紫花苜蓿粗蛋白含量達到24.34%，與其他混播比例紫花苜蓿的粗蛋白含量存在極顯著差異（P＜0.01）；在混播比例為A5∶B5下紫花苜蓿的粗蛋白含量為19.63%。紫花苜蓿的粗脂肪含量在混播比例A6∶B4下為3.74%，顯著高于其他混播比例（P＜0.05）；其次是混播比例A7∶B3，紫花苜蓿粗脂肪含量為2.86%。無芒雀麥在混播比例為A5∶B5時，粗蛋白含量達到14.86%；無芒雀麥粗蛋白含量最低的是混播比例A6∶B4，僅為7.63%。無芒雀麥在A5∶B5的混播比例下粗脂肪含量最高。

2.2 不同混播比例對牧草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的影響

從表2可以看出，紫花苜蓿的中性洗滌纖維在混播比例為A6∶B4時最低（50.68%），最高的是混播比例A2∶B8（58.58%）。紫花苜蓿的酸性洗滌纖維最高的是混播比例A2∶B8，最低的是混播比例A6∶B4。

無芒雀麥在混播比例A5：B5下的中性洗滌纖維與其他混播比例下的中性洗滌纖維間差異極顯著（P＜0.01），中性洗滌纖維為53.95%。無芒雀麥在A7∶B3混播比例中酸性洗滌纖維最高，為41.49%；在混播比例為A5∶B5時酸性洗滌纖維最小，為34.39%。

表2 不同的混播比例對牧草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的影響 %

2.3 不同混播比例對煤礦塌陷區(qū)土壤特性的影響

由圖1可知，隨著土層的增加土壤速效磷逐漸下降，為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。與原始土壤比，土壤速效磷提高了4.84%～18.27%。在0～10、10～20、20～30 cm土層中各混播比例的速效磷含量間差異顯著（P＜0.05）。

由圖2可知，土壤堿解氮的含量在0～10 cm中混播比例A6∶B4最高，其次是混播比例A5∶B5；在10～20 cm土層中，土壤堿解氮從混播比例A2∶B8到A6∶B4逐漸增加，混播比例A7∶B3中土壤堿解氮的含量最低。與原始土壤相比，0～10、10～20、20～30 cm土壤堿解氮的含量分別提高了12.36%～18.55%，9.22%～11.09%，5.58%～8.05%。

由圖3可知，在0～10 cm土層，各混播比例土壤有機質含量之間差異不顯著（P＞0.05），但在混播比例A6∶B4和A5∶B5中有機質含量高于其他混播比例，在A3∶B7混播比例中土壤有機質含量最低；在10～20 cm土層中，混播比例為A6∶B4土壤有機質含量與其他混播比例的土壤有機質含量之間差異極顯著（P＜0.01）。在20～30 cm土層中，土壤有機質含量比0～10、10～20 cm低。

3 討論

3.1 不同混播比例對牧草品質的影響

環(huán)境對牧草品質影響較大，特別是在牧草生育時期、牧草生產性能及其他方面存在一定差異。本研究是在產煤塌陷區(qū)進行牧草混播，在煤礦區(qū)干旱少雨、土壤貧瘠，而紫花苜蓿在種植過程中是需水肥較多的植物，在第一茬收割之前生長良好，在第一茬收割之后，持續(xù)沒有降雨，牧草的營養(yǎng)價值受到了較大的影響。在苜蓿生長的后期，水分對植物自身營養(yǎng)成分影響較大，營養(yǎng)成分是評價牧草飼用價值的一項重要指標，營養(yǎng)成分包括粗蛋白、粗脂肪、粗纖維等指標。粗蛋白、粗脂肪、粗纖維等營養(yǎng)指標的改變會影響家畜的采食量和適口性[18]。本研究發(fā)現，在煤礦塌陷區(qū)混播比例為A6∶B4的紫花苜蓿粗蛋白含量高于其他混播比例，紫花苜蓿和無芒雀麥粗蛋白含量沒有隨著混播比例的增加而增加，這說明混播比例的設置對煤礦塌陷區(qū)牧草粗蛋白有一定的影響，另一方面豆科自身固氮作用也為禾本科提供了營養(yǎng)，從而提高了禾本科粗蛋白含量，這與常青等[19]在研究苜蓿與2種禾本科牧草混播的研究結果一致。

脂肪是產熱的主要原料，是動物儲存能量和評價牧草適口的重要指標之一[20]。在不同的混播比例中，混播比例A5∶B5下無芒雀麥的粗脂肪含量最高。加娜爾古麗·穆沙等[21]在新疆伊犁地區(qū)研究不同混播草地建植第3年產量與質量的評價中，得出豆禾混播比例5∶5下粗脂肪總產量較高。紫花苜蓿在A6∶B4混播比例下粗脂肪含量最高，粗脂肪對動物的生長發(fā)育、維持生存具有重要作用，在營養(yǎng)缺乏時能分解補充能量，必要時還能補充動物生長過程中的一些必需脂肪酸[22]。

粗纖維由植物中纖維素、半纖維素等物質組成[23]，其含量會影響家畜的采食量和消化率。研究表明，牧草中性洗滌纖維含量越高，對家畜采食率影響越大，因為中性洗滌纖維含量會決定牧草的適口性[24]；而酸性洗滌纖維含量的高低影響家畜的消化率，含量越高，家畜采食后消化率降低[25-26]。本試驗對7種混播比例進行比較，發(fā)現無芒雀麥在混播比例為A5∶B5時，其中性洗滌纖維含量最小；紫花苜蓿在混播比例為A6∶B4中中性洗滌纖維含量較低，酸性洗滌纖維含量隨著混播比例的增加而有減小的趨勢[27]。

3.2 不同混播比例對煤礦塌陷區(qū)土壤特性的影響

在煤礦塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分含量較低，土壤養(yǎng)分含量的高低是影響土壤肥力的指標之一。在各混播比例中，土壤在0～10 cm土層速效磷含量高于10～20、20～30 cm土層。綜合考慮試驗地的情況，降雨量的多少在一定程度上也阻礙了土壤中磷元素的移動性[28]。

包興國等[29]研究發(fā)現，牧草混播增加了土壤的堿解氮、有機質、速效磷等養(yǎng)分含量。豆科牧草和禾本科牧草混播，禾本科牧草需氮肥量較多，當土壤肥力達不到植物所需時，就需要從外界獲取，這也就促進了豆科牧草的固氮能力[30]。本研究表明，與種植前土壤初始養(yǎng)分含量相比，苜蓿與無芒雀麥混播提高了土壤堿解氮的含量，在0～10 cm土層中混播比例為A6∶B4的堿解氮含量最高，較初始養(yǎng)分含量提高了7.34%～18.64%。

土壤有機質影響土壤結構、土壤持水量和溫度等一系列物理性狀，是土壤中營養(yǎng)物質的來源[31]。邰繼承等[32]研究發(fā)現，牧草混播提高了土壤有機碳的含量和穩(wěn)定性?；觳ゴ龠M草地單位體積地下根系增多，從而增加了土壤腐殖質的量[33]。不同的混播比例對土壤有機質影響較大，本研究發(fā)現，在不同的混播比例中土壤有機質在表層土中較高，在混播比例為A6∶B4下土壤有機質含量高于其他混播比例。

4 結論

無芒雀麥的粗蛋白、粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量在混播比例為A5∶B5中最優(yōu)。而紫花苜蓿各指標在A6∶B4混播比例中最佳?；觳ツ敛菰黾恿送寥乐械乃傩юB(yǎng)分，在0～10 cm土層中土壤中速效磷、堿解氮和有機質含量高于10～20、20～30 cm土層；在混播比例為A6∶B4中土壤各養(yǎng)分均顯著高于其他混播比例。