糧草輪作對(duì)北疆平原荒漠灌區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

張薈薈，張學(xué)洲，梁維維，阿斯婭·曼力克，朱昊，熱娜，李學(xué)森

(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

北疆平原荒漠是新疆溫性荒漠的組成部分，占全疆草地可利用面積的29%，氣候極為干旱，多屬冷季草地，土壤質(zhì)量整體偏低，但在畜牧業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位[1]。近年來(lái)，由于人類對(duì)水、草資源的過度開發(fā)利用，地下水位急速下降，平原荒漠區(qū)草地向鹽化、旱化和沙化發(fā)展，退化日益嚴(yán)重，部分已開墾草地出現(xiàn)撂荒。為了改善和提高現(xiàn)有生產(chǎn)水平，需優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，引草入田，走保護(hù)生態(tài)、農(nóng)牧結(jié)合之路，實(shí)現(xiàn)高效持續(xù)大農(nóng)業(yè)發(fā)展。紫花苜蓿具有抗旱、耐鹽堿、耐瘠、保持水土等優(yōu)良的生態(tài)適應(yīng)性[2]，其根瘤具有很強(qiáng)的生物固氮能力。據(jù)估算，當(dāng)年生苜蓿固定到土壤中的N35～305 kg/hm2，是免費(fèi)的氮肥資源[3]，種植后的根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質(zhì)可增加土壤有機(jī)質(zhì)[4]。因此，在糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿開展糧草輪作對(duì)土壤肥力的恢復(fù)極為重要[5]，也是減少氮肥投入、緩解能源壓力、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[6]。

不同土地耕作模式能夠改變土壤氮磷鉀等養(yǎng)分的含量[7]，已被學(xué)者證實(shí)。在鹽堿地上種植不同牧草可以不同程度地提高土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量，其中以種植苜蓿的土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)改善顯著，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)較高[8]。在黃泛平原風(fēng)沙化土地種植6種牧草均可使有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮、速效磷、速效鉀含量增加，且豆科牧草改良土壤養(yǎng)分的效應(yīng)高于禾本科牧草的改良效應(yīng)[9]。中度堿土進(jìn)行糧-草輪作后，土壤理化性狀都得到改善，耕層土壤全鹽量明顯降低，pH值下降[10]。另外，苜蓿作為中等耐鹽植物，還可通過生物脫鹽和土壤淋溶降低土壤含鹽量，改良輕度鹽漬化土壤[11]。故在中低產(chǎn)田開展草-田輪作，特別是種植紫花苜蓿，對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要作用[12]。因此，以北疆平原荒漠區(qū)的中低產(chǎn)田為例，連續(xù)5年跟蹤調(diào)查小麥-苜蓿輪作模式下土壤全鹽量、pH值、有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀的動(dòng)態(tài)變化，揭示糧草輪作過程中土壤鹽堿和養(yǎng)分的消耗規(guī)律，旨在為該地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于新疆呼圖壁縣國(guó)家農(nóng)業(yè)部旱生牧草種子基地，地處N 44°14′08.47″，E 86°37′41.32″，海拔高度495 m，年平均氣溫為6.7℃，1月和7月的平均氣溫分別為-16.9℃和25.6℃，無(wú)霜期170 d，≥10℃年積溫3 881℃，年平均降水量167 mm，年均蒸發(fā)量為2 361.1 mm。土壤類型為灰棕色荒漠土，有機(jī)質(zhì)含量為7.0 g/kg，全氮0.54 g/kg、全磷1.01 g/kg、全鉀21 g/kg；水解性氮含量為57.2 mg/kg，有效磷含量為14.0 mg/kg，速效鉀含量為478 mg/kg，pH值8.8，全鹽量3.2 g/kg，土壤呈堿性，輕度鹽漬化，地勢(shì)較平坦。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)面積4 hm2，參試苜蓿品種為WL343HQ，來(lái)自北京正道公司，冬小麥為新冬22號(hào)，為當(dāng)?shù)刂魍破贩N。于2013年8月下旬播種冬小麥，2014年7月收獲籽粒后翻耕晾曬，8月中旬種植苜蓿，2015-2017年每年收獲4茬苜蓿，2018年收獲3茬苜蓿，生長(zhǎng)期內(nèi)未追肥。小麥和苜蓿播種時(shí)均施入底肥粒狀重過磷酸鈣(總磷≥46%)300 kg/hm2，小麥?zhǔn)┳贩誓蛩?總氮≥46.4%)300 kg/hm2。

1.3 研究方法

1.3.1 土樣采集 采樣時(shí)間為2014-2018年的7-8月，在糧草作物收獲10 d后，采用“S”曲線法分別在苜蓿和小麥地選擇15個(gè)點(diǎn)用土鉆取土樣，土層深度設(shè)置為0～10，10～20，20～30 cm，重復(fù)3次。混勻自然風(fēng)干，過2 mm孔徑的土壤篩備用。

1.3.2 測(cè)定方法 土壤樣品送至新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所進(jìn)行檢測(cè)，各指標(biāo)的測(cè)定依據(jù)分別為土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法(LY/T1237-1999)、pH值采用電位法(LY/T 1239-1999)、全鹽含量采用電導(dǎo)法(LY/T 1251-1999)、土壤氮采用凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法(LY/T 1228-2015)、土壤磷采用酸溶法和鹽酸-硫酸浸提法(LY/T 1232-2015)、土壤全鉀采用堿熔-火焰光度計(jì)法(NY/T 87-1988)和土壤速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提-火焰光度計(jì)法(NY/T 889-2004)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 2016整理數(shù)據(jù)并繪圖，使用DPS7.05統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全鹽含量和pH值

隨著種植年限的增加，0～10 cm土壤全鹽量呈明顯下降趨勢(shì)，10～20 cm為先增加后降低最后趨于平穩(wěn)，20～30 cm呈現(xiàn)先緩慢增加而后降低最后升高的態(tài)勢(shì)，0～30 cm的土壤含鹽量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，到苜蓿生長(zhǎng)第4 a(2018年)，土壤全鹽含量由輪作前0.79 g/kg降低到0.63 g/kg，降幅為21.12%；不同土層的pH值變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先降低后增加最后降低的趨勢(shì)，4 a平均降幅為6.64%，其中，第4 a(2018年)0～30 cm土層的土壤pH值降幅最大，較小麥地降低了7.21%(圖1)。

圖1 土壤全鹽含量和pH值Fig.1 Dynamic changes of soil total salt content and pH value in different years

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)

小麥輪作苜蓿后，隨著種植年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，4 a的年平均增幅為19.07%，在苜蓿收獲第1 a(2015年)，有機(jī)質(zhì)含量由2014年的8.07 g/kg增加為9.96 g/kg，可能是由于小麥秸稈腐爛增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，第2 a出現(xiàn)降低，之后逐漸升高，這是由于枯落物和土壤中苜蓿根系量增多，提高了有機(jī)質(zhì)含量。在苜蓿生長(zhǎng)第4 a土壤有機(jī)質(zhì)含量較輪作前小麥地增加了27.12%(圖2)。

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Dynamic change of soil organic matter in different years

2.3 土壤氮磷鉀

2014年的小麥倒茬后連作苜蓿的幾年，土壤全氮含量均有所增加，顯著高于小麥地(P<0.05)，由輪作前0.52 g/kg提高到0.65 g/kg，其中，0～20 cm土壤氮含量增幅較大，基本上都在20%以上，隨著苜蓿種植年限的增加，土壤的全氮含量呈上下波動(dòng)，0～20 cm的土壤全氮量維持在0.62～0.73 g/kg，20～30 cm土壤中的全氮含量相對(duì)較低，介于0.55～0.59 g/kg，年際間差異不顯著(P>0.05)；土壤全磷含量在苜蓿收獲第1 a(2015年)較小麥地均有所增加，但差異不顯著(P>0.05)，隨后逐漸降低，在苜蓿收獲第4 a后(2018年)10～30 cm土壤全磷含量都顯著低于小麥地(P>0.05)，而0～10 cm則有所增加；土壤全鉀含量呈現(xiàn)出先增加后降低又增加的態(tài)勢(shì)，除2017年苜蓿收獲第3 a土壤全鉀含量低于小麥地，其余年份基本上均顯著高于小麥地(P<0.05)，在苜蓿收獲第4 a，土壤全鉀含量均達(dá)到最大值。

表1 土壤全氮、全磷和全鉀含量

小麥輪作苜蓿后，土壤水解性氮的含量均有所降低，顯著低于小麥地(P<0.05)。其中，0～10 cm土層中的水解性氮含量在苜蓿生長(zhǎng)前3 a(2015～2017年)維持在34.87～36.57 mg/kg水平，且高于10～30 cm土層，但各年際間差異不顯著(P>0.05)，到第4 a(2018年)土壤水解性氮含量顯著降低(P<0.05)，在苜蓿生長(zhǎng)全程中，10～30 cm土壤水解性氮含量介于25.95～29.87 mg/kg，不同年份間差異不顯著(P>0.05)；土壤有效磷含量呈現(xiàn)先降低后增加又降低的趨勢(shì)，隨著土層深度的增加，有效磷含量減少，在苜蓿收獲第1年(2015年)，土壤中有效磷含量顯著低于小麥地(P<0.05)，生長(zhǎng)第2 a(2016年)時(shí)，10～30 cm土層的有效磷含量顯著增加(P<0.05)，隨后降低，收獲第4 a(2018年)后達(dá)到最低值，均顯著低于其他年份(P<0.05)；土壤速效鉀含量總體呈先降低最后增加的態(tài)勢(shì)，在0～10 cm的土層中呈上下波動(dòng)，20～30 cm土層速效鉀含量呈現(xiàn)先降低后增加，且均顯著低于小麥地(P<0.05)，在苜蓿生長(zhǎng)第3 a(2017年)對(duì)土壤中速效鉀的利用最大，其含量趨于最低值，到第4 a(2018年)均有所增加，土壤表層(0～10 cm)速效鉀積累較為顯著(P<0.05)(表2)。

表2 土壤水解氮、有效磷和速效鉀含量

3 討論

在中度鹽漬化土壤上實(shí)施糧-草輪作后，土壤物理、生物和化學(xué)狀況都得到明顯改善，pH值、總堿度、交換性鈉等指標(biāo)下降較大，加速了耕層土體脫鹽熟化進(jìn)程，改土培肥治堿效果較好[10]。本研究對(duì)象位于北疆平原荒漠區(qū)，土壤堿性，輕度鹽漬化，大部分為低產(chǎn)田，常年種植小麥和棉花等糧食和經(jīng)濟(jì)作物，土壤較為貧瘠。通過在連作3 a小麥的地塊上輪作苜蓿，連續(xù)5 a跟蹤調(diào)查土壤鹽堿動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明，輪作苜蓿后第4 a，0～30 cm的土壤含鹽量由輪作前0.79 g/kg降低到0.63 g/kg，降幅為21.12%，土壤pH值4年平均降幅為6.64%，說明小麥地輪作苜?？捎行Ы档屯寥篮}量和pH值，這可能是由于種植苜?？晌酵寥乐械牟糠蛀}分，改善土壤的酸堿度。王林娜[13]等研究苜蓿與棉花輪作可以降低土壤全鹽含量和pH值，且苜蓿種植時(shí)間越長(zhǎng)，土壤全鹽含量降低越明顯，苜蓿種植第4年全鹽含量比第1年降低50.5%，本研究結(jié)果與其一致。地力的恢復(fù)與發(fā)展歸根到底還要靠土壤有機(jī)質(zhì)，它是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[14]，直接影響土壤的理化性狀，并反映土壤熟化程度[15]。魏凡等[16]在隴中旱作區(qū)種植豌豆后，土壤有機(jī)質(zhì)提高了8.41%，馬倫蘭等[17]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿-小麥輪作能夠顯著提高0～10 cm、10～30 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量，與小麥-小麥連作比較，小麥播種前，輪作體系中0～10 cm、0～30 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較小麥-小麥連作體系高出42.47%、47.17%。本研究結(jié)果表明小麥輪作苜蓿亦可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，在苜蓿生長(zhǎng)第4年增幅可達(dá)27.12%，分析原因可能是由于小麥秸稈、苜蓿根系和凋落物等進(jìn)入土壤，提高了土壤中的腐殖質(zhì)含量，但不同地區(qū)的土質(zhì)存在差異，土壤肥力增加的幅度各異。在北疆平原荒漠區(qū)的糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿，實(shí)行糧草輪作，可調(diào)整優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，改善土壤的鹽堿度，恢復(fù)土壤肥力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

全氮作為一種大量且必要的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)起著重要作用[18]。有研究表明，種植苜蓿對(duì)耕層土壤氮素養(yǎng)分有明顯的累積作用，且隨著苜蓿種植年限的延長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分亦有逐年增加的趨勢(shì)[19]，苜蓿連作多年導(dǎo)致表層土壤全氮含量最高[20]。本研究發(fā)現(xiàn)小麥輪作苜蓿后，土壤中全氮含量增加，隨土層深度增加逐漸降低[21]，生長(zhǎng)期內(nèi)呈上下波動(dòng)狀態(tài)，3～4 a時(shí)全氮總量維持在一定水平上，較小麥地提高了25.06%，但土壤中水解性氮含量較小麥地顯著降低，且隨著苜蓿種植年限的增加水解性氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這主要是由于小麥種植(2014年)過程中施用氮肥，使土壤中水解性氮含量相對(duì)較高，而輪作苜蓿過程中未施氮肥，加之前期苜蓿生長(zhǎng)對(duì)氮的消耗量較大，致使水解性氮含量急劇減少。說明在糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿，可利用其根瘤的生物固氮能力，有效提高土壤中全氮的儲(chǔ)備量，減少氮肥的施入量[5]，但由于在北疆平原荒漠區(qū)土壤過于貧瘠，輪作后土壤中水解性氮含量最高僅為33.98 mg/kg，建議在苜蓿前期生長(zhǎng)過程中可少量補(bǔ)充氮肥，提高干草產(chǎn)量。

磷以多種方式參與植物體內(nèi)各種生理化學(xué)過程，對(duì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝起重要作用[22]。土壤速效磷含量的高低決定土壤供磷能力，種植苜蓿的土壤全磷含量與苜蓿種植年限成反比，連續(xù)種植苜蓿年限越長(zhǎng)，土壤全磷和速效磷的含量越小[23]。也有研究表明種植多年的苜蓿對(duì)于土壤深層速效磷含量有補(bǔ)充作用[25]，本研究結(jié)果與此不盡相同，北疆平原荒漠區(qū)土壤磷含量總體較低，五年內(nèi)土壤有效磷含量最高僅為7.92 mg/kg，在小麥地輪作苜蓿后，土壤中全磷含量于苜蓿收獲第1a有所增加，之后降低，而有效磷含量呈現(xiàn)先降低后增加又降低的趨勢(shì)，這主要是由于苜蓿為需磷量較大的牧草，隨著苜蓿進(jìn)入盛產(chǎn)期，土壤中大量磷素被吸收利用，到第1 a有效磷含量降至2.97 mg/kg，處于極低水平，潘占兵等[24]的研究也顯示，隨著苜蓿種植年限的增加，土壤速效磷呈下降的趨勢(shì)。因此，為了持續(xù)獲得高產(chǎn)，建議在苜蓿生長(zhǎng)的第4 a需適當(dāng)補(bǔ)充磷肥，以促進(jìn)其生長(zhǎng)。

土壤中的全鉀在不同地區(qū)、不同土壤類型和不同氣候條件下，含量相差很大，有研究表明，隨著紫花苜蓿連作年限的增加，土壤速效鉀含量降低[24]。種植第3 a的苜蓿對(duì)于土壤速效鉀的利用最大，到第5 a，苜蓿的種植對(duì)于土壤速效鉀含量有反補(bǔ)的趨勢(shì)[25]。本研究結(jié)果顯示，小麥地輪作苜蓿后，土壤全鉀和速效鉀含量在苜蓿種植第3 a均降至最低，隨后有所增加，表層積累較為顯著，說明苜蓿生長(zhǎng)第3年對(duì)土壤中速效鉀的消耗最大，之后隨著根系活力下降，生物量減少，對(duì)土壤鉀素利用強(qiáng)度減少，土壤鉀素緩慢恢復(fù)，結(jié)果與劉磊等[25]的研究基本一致。研究還發(fā)現(xiàn)在種植苜蓿的4 a間土壤鉀含量雖有所降低，但速效鉀含量最低值仍為260.44 mg/kg，按照全國(guó)第二次土壤普查速效鉀含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可將其歸為一級(jí)(極高)水平，處于極其豐富狀態(tài)，這主要是由于北疆平原荒漠區(qū)的土壤中富含鉀，因此，在該區(qū)域的糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿進(jìn)行短期輪作時(shí)無(wú)需施入鉀肥。

4 結(jié)論

小麥地輪作苜?？捎行Ы档屯寥篮}量和pH值，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，在苜蓿生長(zhǎng)第2 a土壤全鹽含量較小麥地可減少11.88%，對(duì)表層土壤鹽分的改良效果更為明顯；土壤中全氮含量增加，隨土層深度增加逐漸降低，水解性氮含量較小麥地顯著降低，但在苜蓿生長(zhǎng)前3 a表層土壤水解性氮含量相對(duì)較穩(wěn)定；苜蓿收獲第1年土壤中全磷含量有所增加，而有效磷則降低；苜蓿生長(zhǎng)第4 a土壤全鉀和速效鉀含量增加，表層積累較為顯著，但此時(shí)對(duì)土壤水解性氮和有效磷的消耗量則達(dá)到最大。在北疆平原荒漠區(qū)的糧食耕作系統(tǒng)中引入苜?？捎行岣咄寥婪柿?，增加全氮的儲(chǔ)備量，降低土壤鹽堿度。在苜蓿生長(zhǎng)第4 a需適當(dāng)補(bǔ)充氮肥和磷肥，無(wú)需施入鉀肥。