黃土高原半干旱區(qū)紫花苜蓿覆膜壟溝和施肥效應(yīng)研究

孟宣辰， 馬鵬程, 馬 杰， 段 珍， 韓陽陽， 張吉宇

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室， 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020)

在黃土高原半干旱地區(qū)，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是農(nóng)牧系統(tǒng)重要的豆科牧草，營養(yǎng)價值高，并且能控制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境[1-3]；然而，由于降水和土壤瘠薄的限制，草產(chǎn)量通常很低[4]。因此，改善土壤水分和養(yǎng)分狀況對提高苜蓿產(chǎn)量至關(guān)重要。

壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)已成為全球干旱和半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的一項重要農(nóng)業(yè)種植模式[5-6]。溝壟耕作、壟面覆膜，溝內(nèi)種植作物的方式，具有集雨、水、保墑和增溫等效果[7]，能夠?qū)崿F(xiàn)對自然降水的資源化和高效化，并對降水的時空錯位可通過人工行為進(jìn)行一定程度的調(diào)整和分配，既能促進(jìn)農(nóng)田土壤對有限降水的蓄存，又能有效抑制土壤水分的無效蒸發(fā)，同時能夠提高土壤溫度，進(jìn)而提高作物水分利用效率和產(chǎn)量[8-11]。壟溝覆膜技術(shù)已在農(nóng)作物上得到廣泛應(yīng)用，如：小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)和馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)等[12-14]，且大多數(shù)研究集中于土壤水熱[15-17]和集雨效率[18-19]等方面，并最終解釋產(chǎn)量增加的原因，但有關(guān)苜蓿的研究較少。合理的施肥是獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵[20]。適當(dāng)?shù)牡?、磷、鉀配比施肥可以有效的提高紫花苜蓿鮮草產(chǎn)量，對營養(yǎng)品質(zhì)有顯著的提高，同時也可以有效改善土壤的理化性狀[21-22]?！?414”施肥試驗方案能夠獲得作物最佳施肥比例和施肥量，是農(nóng)業(yè)部推薦的測土配方施肥田間試驗方案之一，并有處理少和效率高等優(yōu)點[23]，但在壟溝覆膜條件下苜蓿的“3414”施肥試驗研究鮮有報道。

本研究在黃土高原半干旱區(qū)，以露地平播(No mulching，NM)、全地面覆膜平播(Full film，F(xiàn)F)、半覆蓋平播(Half full film，HF)、覆膜壟溝播(Mulching ridge，MR)、土壟溝播(Soil ridge，SR)五個處理，研究了不同覆膜和壟溝技術(shù)對土壤水熱的影響，進(jìn)而揭示提高苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的原因；并參照“3414”施肥試驗設(shè)計，在覆膜壟溝件下，研究了氮、磷、鉀不同肥料配比對苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤肥力的影響，以期為黃土高原旱作區(qū)紫花苜蓿提供科學(xué)有效的種植技術(shù)和施肥指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

試驗品種為隴東紫花苜蓿。試驗地點在隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市李家堡鎮(zhèn)麻子川村，2014—2015年連續(xù)測定2年。圖1為2014和2015年試驗區(qū)3—9月降雨量及平均氣溫。

圖1 2014和2015年試驗區(qū)3—9月降雨量及平均氣溫

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1覆膜處理 試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)5個處理(圖2)，試驗小區(qū)面積為4 m×5 m，每個處理重復(fù)3次，播量22.5 kg·hm-2：

(1)露地平播：不覆蓋地膜，采用條播方式，行距30 cm

(2)全地面覆膜平播：用700 mm寬的黑色地膜平鋪覆膜，膜與膜間不留空隙，采用條播方式，行距30 cm

(3)半覆膜平播：用700 mm寬的黑色地膜覆蓋，凈膜50 cm，膜間留20 cm的空隙，采用條播方式膜下播2行，行距50 cm；播種后膜間用小麥秸稈覆蓋

(4) 覆膜壟溝播：用寬700 mm薄膜覆蓋壟。壟高25 cm，溝壟比為60∶60 cm，播種后溝內(nèi)用小麥秸稈覆蓋，苜蓿開始出苗時去掉秸稈。溝內(nèi)種4行，行距15 cm

(5) 土壟溝播：不覆蓋地膜,其他同MR。

1.2.2不同施肥處理 在采用覆膜壟溝播條件下，施肥參照“3414”施肥方案，并進(jìn)行改良，各試驗處理及其施肥量詳見表1，共設(shè)置16個施肥處理，每個處理重復(fù)3次；第一年在播種期施入，第二年在返青期施入。

表1 試驗處理及施肥量

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1土壤水分測定 使用土鉆在溝內(nèi)0～200 cm深度內(nèi)采取土樣，設(shè)置了0～5，5～10，10～30，30～50，50～80，80～110，110～140，140～170和170～200 cm總9個梯度，每個小區(qū)設(shè)定三個重復(fù)，采用烘干法測定土壤含水量[24]。

1.3.2土壤溫度測定 每個處理安裝一組土壤溫度計，深度為5 cm，10 cm，15 cm，測定時間，從8∶00—18∶00，每隔2個小時記錄1次，每種處理重復(fù)3次。

1.3.3干草產(chǎn)量的測定 2014年收獲一茬，2015年收獲兩茬，于現(xiàn)蕾到初花期刈割，在各小區(qū)遠(yuǎn)離邊行隨機選取3個1 m的樣段，留茬3～5 cm，稱鮮重，隨機抽取各處理的鮮草200 g左右，帶回試驗室殺青后置于80℃烘箱烘干至恒重，測重量。用此干鮮比換算出干草產(chǎn)量，然后計算單位面積的草產(chǎn)量(kg·hm-2)。將干草樣用粉草機粉碎，用1 mm篩過篩，置于自封袋中，用作牧草品質(zhì)分析。

1.3.4苜蓿品質(zhì)的測定 粗蛋白質(zhì)(Crude protein，CP)采用半微量凱氏定氮法測定；粗纖維(Crude fibre，CF)用酸堿分次水解法測定；粗脂肪(Ether extract，EE)采用索氏浸提法測定；粗灰分(Crude ash，Ash)用灼燒干重法測定。所有品質(zhì)數(shù)據(jù)為2014和2015年的平均值。

1.3.5土壤元素測定 在2015年收獲后進(jìn)行了土壤元素的測定，速效氮用2 mol·L-1KCl浸提，采用流動注射分析法；速效磷用 0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提，采用分光光度計法；速效鉀用 1.0 mol·L-1KCl醋酸氨浸提，采用火焰光度法；有機碳(有機質(zhì))測定采用重鉻酸鉀加熱氧化法(K2Cr2O7·H2SO4氧化法)進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS Statistics 9.0軟件采用單因素方差分析(ANOVA)的方法對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理間的差異顯著性分析采用LSD多重比較和Duncan’s檢驗，最小差異顯著性水平為P=0.05，用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜處理對土壤溫度的影響

覆膜技術(shù)影響0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm深度的土壤溫度，各個處理隨著時間的變化土壤溫度均先升高后降低(圖3a,圖3b,圖3c)。在返青初期，三個土壤深度中處理HF，F(xiàn)F，MR的土壤溫度均大于對照NM。返青后94天(第一次刈割)、返青后132天、返青后140天(第二次刈割)和在返青后172天(第二次刈割后一月)，不同深度MR土壤溫度明顯低于其他處理。MR在苜蓿生長前期可以提高土壤溫度，在生長中后期降低土壤溫度。

圖3 不同時期覆膜壟和土壟、半平膜、全平膜、露地處理0～15 cm土層土壤溫度變化

2.2 覆膜處理對土壤水分的影響

覆膜處理對不同時期不同土層(0～200 cm)土壤水分的影響(圖4)。建植第2年的紫花苜蓿返青期0～200 cm的土壤水分，MR，SR，HF，F(xiàn)F土壤含水量均隨土層加深呈先增加后降低趨勢；對照NM含水量均隨土層加深緩慢上升；在0～110 cm，土壤含水量FF>MR>HF>SR>NM，說明在苜蓿越冬期，覆膜和壟溝技術(shù)能夠提高0～110 cm土層含水量(圖4a)。第1茬苜蓿于盛花期刈割后，在0～80 cm土層，MR>SR>HF>FF>NM，且MR和SR處理0～20 cm土層平均含水量較返青前增幅明顯(圖4b)。苜蓿第2茬生長期，試驗區(qū)降雨量較第1茬生長期有所增加，而HF和FF處理在第一茬苜蓿生長過程覆蓋的地膜破壞，土壤保持水分能力下降，在0～80 cm，土壤含水量MR>SR>HF>FF>NM(圖4c)。第2次刈割后一個月再次測定水分含量，中間有降雨，MR在0～140 cm土層深度平均水分含量高于其他處理(圖4d)。表明試驗區(qū)覆膜和壟溝技術(shù)較其他處理具有較好的降水收集能力。

圖4 0～200 cm土層不同時期覆膜壟和土壟、半平膜、全平膜、露地處理的土壤水分含量

2.3 覆膜處理對苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)的影響

覆膜種植顯著提高了紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)(表2)。2014年各處理干草產(chǎn)量FF，HF，MR三者產(chǎn)量為最高，均高于NM和SR處理。2015年各處理干草產(chǎn)量MR最高，為4 999.5 kg·hm-2，相比NM增加了81.8%，且差異顯著(P<0.05)；SR和HF也顯著高于NM(P<0.05)。MR、SR和FF處理的粗蛋白含量顯著高于對照NM(P<0.05)；MR和SR的粗脂肪含量顯著高于對照NM(P<0.05)；中性洗滌纖維含量MR和SR顯著低于NM(P<0.05)；酸性洗滌纖維和粗灰分含量各處理之間無顯著差異(P<0.05)。結(jié)果表明覆膜和壟溝能夠提高紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)。

表2 覆膜和壟溝處理對苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.4 不同施肥處理對苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表3可知，2014年干草產(chǎn)量最高處理是P2K1N2，為4 119 kg·hm-2，相比對照P0K0N0增加了92.4%，差異顯著(P<0.05)。2015年全年干草產(chǎn)量最高為P2K2N3，為6 366 kg·hm-2，顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)，增幅為45.9%。粗蛋白和粗脂肪含量最高的處理分別是P2K1N2和P2K2N3，都顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)；中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量最低的處理均是P2K1N2，顯著低于對照處理P0K0N0(P<0.05)；各處理粗灰分含量無顯著性差異。

表3 施肥處理對苜蓿品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

2.5 不同施肥處理對土壤肥力的影響

試驗前土壤速效氮、速效磷、速效鉀的含量都很低，有機質(zhì)的含量較高。在2015年第二次刈割后，對不同處理下0～30 cm，30～60 cm深度取土進(jìn)行土壤肥力測定(表4，表5)。除了有機質(zhì)外，0～30 cm的土壤肥力高于30～60 cm。在土壤深度0～30 cm中，氨態(tài)氮和硝態(tài)氮最高處理均為P2K2N3，顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)，增幅為115.1%和76.5%；速效磷和速效鉀最高處理是P3K3N2和P2K2N3，相比對照P0K0N0增加了75.6%和48.3%，差異顯著(P<0.05)；有機質(zhì)P2K2N0處理最高，并顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)(表4)。在土壤深度30～60 cm中，氨態(tài)氮和硝態(tài)氮最高的處理為P3K2N2和P3K3N2，相比對照P0K0N0增加了263.6%和188.4%，差異顯著(P<0.05)，速效磷和速效鉀最高的是P3K2N2和P1K2N2，相比對照P0K0N0提高了66.2%和33.9%，差異顯著(P<0.05)；有機質(zhì)P0K0N0處理最高(表5)。

表4 土壤肥力質(zhì)量評價指標(biāo)及不同處理下各指標(biāo)的測定值(0～30 cm)

表5 土壤肥力質(zhì)量評價指標(biāo)及不同處理下各指標(biāo)的測定值(30～60 cm)

3 討論

3.1 覆膜技術(shù)對苜蓿干草產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤水分和土壤溫度的影響

苜蓿在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及經(jīng)濟發(fā)展等方面具有不可替代的價值和作用，高效種植和栽培技術(shù)對于生產(chǎn)苜蓿十分重要[25]。水分是影響作物生產(chǎn)的首要因素，水分短缺會導(dǎo)致牧草的生長受到抑制，嚴(yán)重制約牧草的正常生長，從而影響牧草生長[26]。研究表明壟溝種植可以通過壟面徑流，并將自然降水聚集在溝中，產(chǎn)生較小雨量的疊加，促進(jìn)降雨的滲透[19,27,28]。同時溝壟耕作、壟面覆膜溝內(nèi)種植作物的方式，對降水的時空錯位進(jìn)行一定程度的調(diào)整和分配，既能促進(jìn)農(nóng)田土壤對有限自然降水的蓄存，又能有效抑制土壤水分的無效蒸發(fā)[8-11,29]，使得覆膜壟溝技術(shù)能夠促進(jìn)苜蓿生長，提高干草產(chǎn)量[3]；也可以有效改善苜蓿干草的品質(zhì)，最終實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的雙重目標(biāo)[30-31]。也有研究表明覆膜還可以提高玉米、柑桔果實的產(chǎn)量和品質(zhì)[32-33]。本試驗表明覆膜壟溝處理可以顯著提高了0～80 cm淺層土壤水分；尤其是試驗區(qū)冬季溫度低，多風(fēng)，苜蓿越冬期內(nèi)，覆膜和壟溝技術(shù)能夠有效的減少土壤水分損耗，提高了返青期土壤水分，使得第1茬苜蓿長勢更為良好，植株密度更高，可減小地面風(fēng)速和減少地表水分蒸發(fā)；同時壟溝還可以集雨，故第1茬苜蓿時MR和SR處理0～20 cm土層平均含水量較返青前增幅明顯。表明覆膜和壟溝技術(shù)表明覆膜和壟溝技術(shù)減少了土壤蒸發(fā)，比不覆膜有更好的集水效率，可以較好利用黃土高原有限的天然降水，還可以有效促進(jìn)苜蓿生長。

溫度是影響植物生長的關(guān)鍵因素之一，土壤溫度對作物生長發(fā)育的影響大于氣溫[34]。Zhou等[35-36]研究表明在黃土高原玉米覆膜處理與不覆膜處理相比，增溫最明顯的時期在生長前期，最終提高玉米產(chǎn)量。這一點在本試驗中也得到了良好的驗證，在苜蓿返青期，HF和FF處理土壤溫度高于其他處理，說明覆膜技術(shù)可以在紫花苜蓿生長前期提高土壤溫度，促進(jìn)其生長。同時Jia等[32,37]研究指出覆膜壟溝技術(shù)有更好的集雨效果能夠更好的改善土壤水分，使得植株快速建立最佳冠層以捕獲光和水資源，遮陰效果強。本試驗也得到相似結(jié)果，相比于對照，覆膜壟溝處理生長的更快，使得較早的形成最佳冠層，遮陰效果顯著，使得MR處理在苜蓿生長中后期不同時間段土壤深度5 cm，10 cm，15 cm處溫度均顯著低于其他處理。

3.2 施肥對苜蓿干草產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的影響

施肥是提高紫花苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵栽培措施之一。而牧草的產(chǎn)量、粗蛋白、粗脂肪和中性洗滌纖維等的高低是反映牧草料營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)[38]。大量的研究表明，氮、磷、鉀肥單施或者配比施肥都對苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)有一定的影響[39]，也可以改善土壤的理化性狀。在生產(chǎn)實踐中合理的施肥配比是較優(yōu)的施肥模式，可實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益雙贏[40]。本研究表明，在壟溝覆膜條件下氮、磷、鉀配比施肥可以提高紫花苜蓿干草產(chǎn)量和品質(zhì)，并在施肥處理P2K2N3(P2O2:60 kg·hm-2，K2O:45 kg·hm-2,N:92 kg·hm-2)干草產(chǎn)量最高，為6366 kg·hm-2，粗蛋白、粗脂肪含量最高的處理分別是P2K1N2，P2K2N3；P2K1N2處理的中性洗滌和酸性洗滌纖維含量最低，這可能是適宜的氮磷鉀配比通過加強自身的碳氮代謝能力促進(jìn)對氮素的吸收和同化[22]。這與張鐵軍等[41]的結(jié)果一致，在黃淮海地區(qū)用中苜3號進(jìn)行了施肥試驗，研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)牡?、磷、鉀組合可以顯著提高產(chǎn)量，鮮草產(chǎn)量最高可達(dá)23918.2 kg·hm-2，并可以提高紫花苜蓿的品質(zhì)；且單施氮、磷、鉀在一定范圍內(nèi)可以提高產(chǎn)量。但本研究集中在對現(xiàn)象的分析比較上,對肥料如何影響紫花苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的內(nèi)在機理性尚不清楚，今后研究應(yīng)探索揭示其內(nèi)在的機理。

施肥是影響土壤質(zhì)量演替及其可持續(xù)利用最為深刻的農(nóng)業(yè)措施之一[42-43]。研究表明在玉米地長期均衡地施氮磷鉀肥或氮磷鉀肥與有機肥配施,可顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀等肥力指標(biāo)，提高土壤微量元素的含量[44]。高義民等[45]研究表明施氮磷鉀肥增加了果園土壤的有效氮、磷、鉀含量，其累積量在不同土層中的分布差異較大；與對照(CK)相比較，速效氮，速效磷，速效鉀含量0～20 cm大于20～40 cm，20～40 cm大于40～60 cm土層。本試驗表明，不同的氮、磷、鉀配比施肥處理，可以提高土壤中銨態(tài)氮，硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量，且0～30 cm大于30～60 cm土層；在所有的施肥處理中，P2K2N3處理提高了土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀的含量，改善土壤肥力效果最好。但由于試驗的時間有限，確定最佳氮磷鉀處理，還需進(jìn)行長期的試驗進(jìn)行驗證。

4 結(jié)論

在黃土高原半干旱區(qū)，覆膜壟溝處理相對露地處理在返青期、第一次和第二次刈割后提高了0～80 cm土壤含水量，在生長前期(返青初期)可以提高土壤溫度，并顯著提高紫花苜蓿干草產(chǎn)量和品質(zhì)。施肥處理P2K2N3(P2O260 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2，N 92 kg·hm-2)的紫花苜蓿干草產(chǎn)量高，達(dá)6 366 kg·hm-2，粗脂肪含量最高，也有效提高了土壤肥力，因此，是該地區(qū)最佳的施肥方案。