甘南高寒牧區(qū)秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤養(yǎng)分的影響

金星娜，裴亞斌，田新會，杜文華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

近年來甘南高寒牧區(qū)草地面積逐年減少，牧民為了減少經(jīng)濟效益的損失,在資源有限的情況下采取了過度放牧等方式[1]，造成草地土壤養(yǎng)分不均衡、土壤肥力嚴重下降[2]。耕種模式、種植作物和肥料利用等人為活動均可影響土壤養(yǎng)分的分布、含量和有效性[3]，合理的耕作模式可以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的循環(huán)與平衡，提高土壤肥力[4]。由于甘南高寒牧區(qū)地處青藏高原東北緣，冬春季氣候寒冷，適應種植的飼草種類較少。小黑麥(×Triticosecale)是一年生禾本科飼草作物，由于抗寒性強，甘南高寒牧區(qū)秋季播種后不僅能夠安全越冬，而且可以很好地利用冬春光熱資源發(fā)揮出高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢[5]。復種是指同一塊土地上在一年內(nèi)連續(xù)種植超過一熟(茬)作物的種植制度[6]，包括平作式復種和套作式復種[7]。復種能提高土地產(chǎn)出效益，同時能夠充分利用冬春光熱資源，增加植被覆蓋率，提高土地、熱能的利用率[8]。復種較單播可有效提高水分利用率、土地生產(chǎn)力及效益[9]。復種作物中引入具有固氮特性的豆科飼草，可以有效減少氮肥的使用量[10]。裴亞斌等[11]研究表明甘南高寒牧區(qū)秋播小黑麥套作式復種箭筈豌豆和50%春播小黑麥×50%箭筈豌豆混播的干草產(chǎn)量和純收益均顯著高于3種作物單播模式，且土壤的全氮含量顯著提高；孫愛華等[12]研究結(jié)果顯示，在高寒陰濕地區(qū)燕麥與箭筈豌豆1∶1混播復種較燕麥單播增產(chǎn)明顯(40.78%)；王富強等[13]在拉薩河谷區(qū)研究了箭筈豌豆和黑麥混、間播的建植方式，結(jié)果表明混播更有利于增產(chǎn)，并可以改善混播牧草的飼用品質(zhì)。本試驗通過研究秋播小黑麥套作式復種不同作物后對土壤養(yǎng)分含量的影響，以篩選有利于改良土壤的復種模式，為甘南高寒牧區(qū)土壤改良和飼草復種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在合作市蘭州大學高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站進行。地理位置N 34°57′136″，E 102°53′54″，海拔2 950 m，屬高寒陰濕氣候類型，年平均溫度3.2℃，年最高溫度30.4℃，年最低溫度-27.9℃，年有效積溫1231.1℃，無霜期113 d，年降水量671.7 mm。土壤類型為亞高山草甸土，試驗地無灌溉條件(表1)。

表1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

供試材料為甘農(nóng)7號小黑麥(Triticosecalecv.Gannong No.7)，簡稱小黑麥，澳洲燕麥(Avenasativacv.Longyan No.3)，簡稱燕麥，甘農(nóng)3號黑麥(Secalecerealcv.Gannong No.3)，簡稱黑麥。均由甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院提供。

1.3 試驗設(shè)計

采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計。前茬作物為秋播小黑麥，復種作物設(shè)7個處理，分別為復種混播處理：50%小黑麥×50%箭筈豌豆混播(T1)，40%黑麥×60%箭筈豌豆混播(T2)，50%燕麥×50%箭筈豌豆混播(T3)，復種單播處理：小黑麥單播(T4)，黑麥單播(T5)，燕麥單播(T6)，箭筈豌豆單播(T7)。各復種處理具體播種量見表2。小區(qū)面積為13.5 m2(=2.7 m×5 m)，3次重復，共計21個小區(qū)。2018年9月22日種植前茬作物，條播，行距為15 cm，每種植3行小黑麥預留60 cm空行用于次年種植2行復種作物。2019年6月4日種植復種作物，條播，行距為20 cm。播種前整理試驗地，施羊糞30 t/hm2。秋播小黑麥第2年返青后，于下雨前在每個小區(qū)撒施磷酸二胺300 kg/hm2，人工防除雜草。拔節(jié)期和抽穗期分別施尿素225 kg/hm2。復種作物在出苗期和拔節(jié)期分別施尿素90 kg/hm2。2019年7月14日刈割前茬作物，2019年9月22日刈割后茬作物。

1.4 測定指標及方法

土壤樣品采集：2018年9月22日秋播小黑麥，于播種前進行大田基礎(chǔ)土樣的采集(A1)，2019年6月4日，復種作物種植前在預留空行間采集基礎(chǔ)土樣(S1)。2019年9月22日，復種作物刈割(開花期)后在每個小區(qū)采集土樣，采集過程中，剔除土樣中雜物(包括明顯的根系)，裝入自封袋帶回實驗室，放置陰涼處自然風干，研磨，過篩，用于土壤各指標的測定[14]。禾本科牧草為須根系，箭筈豌豆根系較淺，根系用土鉆采集0～20 cm的土層，土壤的取樣采用五點取樣法[16]，將采樣點的土樣混合，按照四分法取部分土樣。用于土壤養(yǎng)分的測定。

表2 作物播種量

土壤養(yǎng)分：參照《土壤農(nóng)化分析》[15]，進行土壤養(yǎng)分含量測定。其中，土壤pH采用電位法(水∶土=2.5∶1)；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法―外加熱法測定；土壤全氮含量用凱氏定氮法測定；土壤全磷含量用硫酸―高氯酸消煮，鉬銻抗顯色法測定；土壤全鉀用硫酸―高氯酸消煮，火焰光度計測定；速效磷含量用碳酸氫鈉浸提―鉬藍比色法測定；速效鉀含量用乙酸胺浸提―火焰光度法測定。

1.5 綜合評價

土壤肥力綜合評價根據(jù)以下步驟進行計算[16]。

運用公式(1)將7個土壤養(yǎng)分指標數(shù)據(jù)進行標準化計算。

(1)

式中，μ(Xij)為各復種處理土壤養(yǎng)分指標的隸屬度值；Xij為i個處理下第j項土壤養(yǎng)分指標的測定值值；Ximin為所有復種處理下第j項土壤養(yǎng)分指標的最小值；Ximax為所有復種處理下第j項土壤養(yǎng)分指標的最大值。

土壤肥力綜合評價時，由于各個土壤養(yǎng)分指標對土壤肥力的貢獻程度不同，需要對各養(yǎng)分指標分配權(quán)重，利用公式(2)(3)計算各養(yǎng)分指標的權(quán)重。

(2)

(3)

式中，Vj代表標準差系數(shù)；Wj代表土壤養(yǎng)分指標權(quán)重。

求出權(quán)重后，利用公式(4)求出土壤綜合質(zhì)量指數(shù)(H)，H值越大表示土壤質(zhì)量越好。

(4)

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行整理并作圖，在SPSS 20.0中用隨機區(qū)組試驗設(shè)計的方法對各處理土壤養(yǎng)分進行方差分析，F(xiàn)檢驗顯著時用Duncan法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤pH和有機質(zhì)含量的影響

A1土壤pH值最高(7.61)，S1次之(7.60)，各復種處理土壤pH值均低于A1和S1。其中，T3處理土壤pH值最低(7.39)，顯著低于T2(7.56)和T5處理(7.56)(P<0.05)；其余處理間土壤pH值無顯著差異(P>0.05)(圖1)。

圖1 秋播小黑麥與復種作物耦合的土壤pH值和有機質(zhì)含量Fig.1 Soil pH and organic matter content in the autumn-sown triticale double cropped with different crops

各復種處理有機質(zhì)含量均高于A1(32.04 g/kg)和S1(37.13 g/kg)，T3處理最高(75.67 g/kg)，T1次之(65.37 g/kg)，T3處理有機質(zhì)含量顯著高于除T1外的其他處理(P<0.05)；T1處理有機質(zhì)含量顯著高于T5處理(P<0.05)，與其余處理無顯著差異(P>0.05)；其余處理間無顯著差異(P>0.05)。測定數(shù)據(jù)表明，T3處理的土壤有機質(zhì)含量分別比T1、T2處理高15.76%、27.05%。各混播處理的土壤有機質(zhì)含量均顯著或不顯著高于各自的單播處理，其中T1較T4提高了30.56%，T2較T5提高了22.43%，T3處理較T6提高了31.03%。

2.2 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤全量養(yǎng)分含量的影響

T1、T2、T3、T7處理全氮含量比A1增加了8.63%～27.92%，比S1增加了9.18%～28.57%，而T4、T5、T6處理略微降低。T7處理最高(2.52 g/kg)，顯著高于其他各處理(P<0.05)。混播處理T1、T2、T3間的全氮含量無顯著差異，單播處理T4、T5、T6間無顯著差異(P>0.05)。各混播處理的全氮含量顯著高于各自的禾本科單播處理(P<0.05)(圖2)。T1較T4增加了11.46%，T2較T5增加了13.09%，T3較T6增加了12.82%。

各復種處理的全磷含量與A1和S1相比均有增加，其中T3處理最高(1.23 g/kg)，顯著高于除T1、T2外的其他處理(P<0.05)，T1處理顯著高于T4、T5處理(P<0.05)，其余處理間無顯著差異?；觳ヌ幚鞹3全磷含量分別比T1、T2高3.36%、13.89%。各混播處理的全磷含量均顯著高于各自的禾本科單播處理，其中T1較T4增加了19%，T2較T5增加了10.20%，T3較T6增加了20.59%，各復種處理全鉀含量與A1和S1相比均有所降低，各處理間無顯著差異(P>0.05)。T7處理的全鉀含量最高(8.77 g/kg)，T4次之(8.76 g/kg)，T5最低(8.31 g/kg)(圖2)。

圖2 秋播小黑麥與復種作物耦合的土壤全量養(yǎng)分含量Fig.2 Soil total nutrient content for the autumn-sown triticale double cropped with different crops

2.3 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

各處理的速效磷含量均比A1和S1高，但各處理間無顯著差異(P>0.05)。T7處理速效磷含量最高(23.06 mg/kg)，T3次之(18.21 mg/kg)，T4最低(13.45 mg/kg)。各混播處理速效磷含量高于相應單播處理，T1較T4提高了26.99%，T2較T5提高了12.36%，T3較T6提高了20.12%。

各處理速效鉀含量均較A1和S1低，但各處理間速效鉀含量無顯著差異(P>0.05)。T3處理速效鉀含量最高(127.73 mg/kg)，T2次之(126.85 mg/kg)，T4最低(122.22 mg/kg)(表3)。

表3 秋播小黑麥與復種作物耦合的土壤速效養(yǎng)分含量

2.4 土壤肥力綜合評價

土壤質(zhì)量是各養(yǎng)分指標共同作用的結(jié)果[17]，綜合評價值不僅可以用數(shù)字直觀表達復雜多變的土壤肥力，而且還能夠較好地反映研究區(qū)土壤養(yǎng)分水平的基本狀況[16]。本研究中將7項土壤養(yǎng)分指標通過公式(1)-(4)計算出土壤肥力綜合評價值(表3)。

(表3)。根據(jù)前人的等間距法[18-19]將各復種處理土壤肥力劃分為高等級(0.739、0.645)、中等級(0.482、0.471)和極低等級(0.150、0.148、0.074 )3個水平。其中，T3的土壤土壤肥力水平最高(0.739)，T1次之(0.645)，T5最低(0.074)(表4)。

表4 土壤肥力綜合評價

3 討論

3.1 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤pH值和有機質(zhì)的影響及原因

土壤中的養(yǎng)分含量反映了土壤對植物所需營養(yǎng)的供給能力[20]，有研究表明，套作式復種在提高水肥資源的利用率的同時，還可以改良土壤微環(huán)境[21]。土壤pH值會影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運、存在形式和有效性[22]。本研究表明，0～20 cm土層，各復種處理與秋播前、春播前相比，土壤pH值均有所降低，這是因為植物根系伸長過程會釋放有機酸和質(zhì)子，可在一定程度上中和土壤pH[23]；復種燕麥處理土壤pH值顯著降低，可能是由于該處理中枝條數(shù)較多，根系部分分泌的有機酸和呼吸作用釋放的CO2增加的結(jié)果[24]。

土壤有機質(zhì)可以體現(xiàn)土壤供肥能力，在疏松土壤結(jié)構(gòu)和改良土壤理化性質(zhì)方面具有重要作用[25]。孫丹平[26]研究發(fā)現(xiàn)，復種和輪作種植模式對提高土壤有機質(zhì)含量具有顯著作用。本研究發(fā)現(xiàn)，各復種處理與秋播前、春播前相比，土壤有機質(zhì)含量顯著提高，這是因為牧草根系在吸收土壤養(yǎng)分的同時，也會向土壤中釋放大量有機物質(zhì)[24]，植物殘體作為養(yǎng)分回歸土壤、根際土壤根系增多，都作為土壤中有機物的輸入途徑，使土壤有機質(zhì)積累隨之增多[27]。復種燕麥與箭筈豌豆處理土壤有機質(zhì)含量最高，而且各復種混播處理高于各復種單播處理，可能是禾本科牧草中纖維素含量高、碳氮比值較大[28]，而且混播處理中牧草根系較多[11]，豆科牧草的根系死亡之后直接增加土壤中腐殖質(zhì)含量[29]，所以復種混播處理中有機質(zhì)積累量均高于相應單播處理。包興國等[30]研究也表明禾-豆混播可種間相互促進，是土壤有機質(zhì)積累的有效措施。

3.2 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤氮素的影響及原因

本試驗中，復種箭筈豌豆時的土壤全氮含量最高，這是由于豆科牧草與根瘤菌共生固氮，可將土壤中游離態(tài)的氮固定為化合態(tài)氮，從而提高土壤全氮含量[31]；禾-豆混播草地可利用箭筈豌豆根際固定的氮素，減少對土壤中氮素的消耗[32]，因此本試驗禾-豆混播處理的全氮含量高于秋播前和春播前。禾本科單播處理與秋播前和春播前相比，土壤全氮含量略有降低，這是由于禾本科牧草地上莖葉在生長期內(nèi)需要從土壤中吸收大量氮素合成自身有機物所致[33]。

3.3 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤磷素的影響及原因

本研究中，各復種處理土壤速效磷含量均比秋播、春播前高，且各復種混播處理高于各相應單播處理，表明混播能夠提高土壤磷含量，這與危慶等[34]研究結(jié)果一致。其中，箭筈豌豆處理的速效磷含量最高，燕麥與箭筈豌豆混播處理的土壤全磷含量最高、速效磷含量次之，這是因為豆科植物根系在磷素欠缺的情況下分泌能夠有機酸和質(zhì)子，提高土壤中磷酸化合物的溶解度[35]，而且禾-豆混播種間相互抑制和促進增強了豆科牧草共生固氮及有機酸分泌能力，在根際土壤營造磷素空間優(yōu)勢，使得土壤磷含量顯著增加，這與來幸樑等[36]研究結(jié)論相似。

3.4 秋播小黑麥與復種作物耦合對土壤鉀素的影響及原因

各復種處理與秋播前、春播前相比，土壤全鉀、速效鉀含量均降低。其中，T7處理的全鉀含量與T3處理的速效鉀含量最高，說明這兩種處理對土壤中鉀素的消耗較少。

4 結(jié)論

7個復種處理，秋播小黑麥復種50%小黑麥×50%箭筈豌豆混播、50%燕麥×50%箭筈豌豆混處理的耦合效應較好，有利于降低土壤pH、提高有機質(zhì)和氮素含量，可為甘南高寒牧區(qū)飼草復種模式進一步研究提供理論基礎(chǔ)。