紫花苜蓿種植對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響

杜巖功，張香運，王云英，樊 博

（1.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001；2.北京中農(nóng)安得運動草坪科技有限公司，北京 100049）

杜巖功，張香運，王云英，等.紫花苜蓿種植對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響［J］.畜牧與飼料科學，2023，44（2）：98-102.

隨著“振興奶業(yè)苜蓿行動”和“糧改飼”持續(xù)推進，我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來新機遇，進入較快發(fā)展期［1-2］。紫花苜蓿是我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展優(yōu)質(zhì)牧草產(chǎn)業(yè)的重要牧草。我國紫花苜蓿產(chǎn)量和種植面積同步增長，全國苜蓿產(chǎn)量由2018 年的377萬t 增加至2020 年的400 萬t，增幅約6.1%［1］。2020 年我國苜蓿草進口額增加至60 687.56 萬美元［1］。紫花苜蓿粗蛋白含量顯著高于玉米、大豆、垂穗披堿草和早熟禾等作物［3］，但苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨嚴重的耕地資源制約問題，因此，揭示紫花苜蓿對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響及主要調(diào)控因素，對于破解耕地資源瓶頸具有重要意義，也可為紫花苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)和理論指導。

紫花苜蓿年固氮量約150 kg/hm2，長期種植苜?？商岣咄寥赖氐V化及供氮能力［4］，甘肅省隴東地區(qū)紫花苜蓿干草產(chǎn)量較高，約為13.42 t/hm2［3］。紫花苜蓿根系強壯，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，且根系具有根瘤菌，可顯著提高土壤氮素養(yǎng)分［5］。紫花苜蓿能夠促進青海湖地區(qū)土壤全氮和全磷含量累積［6］。人工種植紫花苜蓿顯著增加豫西丘陵干旱區(qū)土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量［5］。低溫條件下，增施鉀肥150 kg/hm2可促進淀粉轉(zhuǎn)化為蔗糖和果糖等，提高紫花苜蓿的抗寒性，有利于安全越冬［7］，但紫花苜蓿對土壤理化性質(zhì)影響存在較強異質(zhì)性，目前尚缺少數(shù)據(jù)整合分析紫花苜蓿對土壤理化性質(zhì)的影響及主要調(diào)控因素，制約了紫花苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展。該研究采用數(shù)據(jù)整合分析，通過整合相同或相似問題的研究結(jié)果，獲得普遍性結(jié)論并進行調(diào)控機理解析［8］，并基于Meta 分析方法探討種植紫花苜蓿對土壤有機質(zhì)、速效氮含量等土壤理化性質(zhì)的影響強度，解析平均效應(yīng)值與氣象環(huán)境因子及土壤理化性質(zhì)之間的耦合關(guān)系，為提高紫花苜蓿生產(chǎn)能力提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

通過中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，以中文關(guān)鍵詞“紫花苜?！鼻摇巴寥馈边M行搜索，共計查找到69 篇論文。按照如下準則進行篩選：研究對象為紫花苜蓿，并且均設(shè)置未種植紫花苜蓿（清耕）對照樣地和重復處理，篩選后總共收集36 篇研究論文，數(shù)據(jù)組包含土壤有機碳含量（26 組）、全氮含量（18組）、全磷含量（11 組）、全鉀含量（8 組）、速效氮含量（31 組）、速效磷含量（24 組）、速效鉀含量（25組）、pH 值（24 組）、含水率（10 組）和容重（10 組），研究數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計分析，調(diào)查樣點主要分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)、西藏自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、青海省和河北省。對于論文發(fā)表的圖片數(shù)據(jù)，采用WebPlotDigitizer 軟件進行數(shù)據(jù)提?。?］。

1.2 平均效應(yīng)值和研究內(nèi)方差的計算方法

1.2.1 基于均值的效應(yīng)值（反應(yīng)比）

式中，公式lnR 為效應(yīng)值，xe和xc分別為處理和對照的土壤速效氮均值。

1.2.2 平均效應(yīng)值的研究內(nèi)方差

式中，VlnR為研究內(nèi)方差，Ne和Nc分別為種植紫花苜蓿和對照的樣本量。Se和Sc分別為種植紫花苜蓿和對照的標準差。

1.2.3 基于隨機效應(yīng)模型的平均效應(yīng)值及置信區(qū)間的確定方法

式（3）和式（4）中，Vi、τ2、yi分別表示研究內(nèi)與研究間方差和單個研究效應(yīng)值。

平均效應(yīng)值的95%置信區(qū)間：

1.2.4 效應(yīng)值數(shù)據(jù)的整體異質(zhì)性檢驗（Qt）及解釋變量對效應(yīng)值影響程度檢驗（Qm）

效應(yīng)值數(shù)據(jù)的整體異質(zhì)性檢驗：

解釋變量對效應(yīng)值影響程度檢驗：

式中，ni和p 表示處理樣本量和解釋變量異質(zhì)性檢驗值；j 和i 分別代表處理和對照研究，yij表示單個研究結(jié)論效應(yīng)值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)通過R 語言統(tǒng)計軟件 （3.6.1 版本）metafor 程序包開展整合分析。單個研究效應(yīng)值和平均效應(yīng)值均采用隨機效應(yīng)模型（rma），既考慮研究內(nèi)方差變異，又包括研究間方差變異。采用結(jié)構(gòu)方程模型分析氣象因子和土壤理化性質(zhì)對紫花苜蓿土壤有機碳、速效氮和速效鉀等平均效應(yīng)值的影響，利用R 語言軟件（4.0.5 版本）piecewiseSEM程序包實現(xiàn)，應(yīng)用模型Fisher′s C 進行卡方檢驗時要求P 值大于0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿種植對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響

種植紫花苜蓿極顯著（P<0.001）增加了農(nóng)田土壤有機碳含量、含水率、速效氮含量、全氮含量、速效鉀含量，其平均效應(yīng)值從高到低依次為0.362 ±0.058、0.326 ±0.087、0.270 ±0.066、0.197 ±0.056、0.191±0.058（見表1），增加幅度相對較高，分別為43.62%、38.54%、31.00%、21.77%、21.05%。

表1 紫花苜蓿種植對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)影響的平均效應(yīng)值

紫花苜蓿種植顯著（P<0.05）增加了土壤速效磷含量，平均效應(yīng)值和增加幅度分別為0.345±0.137 和41.20%。紫花苜蓿極顯著（P<0.001）降低土壤容重，平均效應(yīng)值和降低幅度分別為-0.116±0.034 和10.96%。紫花苜蓿增加土壤全磷、全鉀含量和pH 值，但均未達到顯著性檢驗水平 （P>0.05），增加幅度分別為16.42%、1.42%和1.11%。

2.2 氣象因子及土壤理化性質(zhì)對紫花苜蓿種植地土壤有機碳、速效氮、速效鉀含量的影響

利用年均降雨量、年均氣溫、土壤pH 值以及土壤有機碳、速效氮、速效磷和速效鉀含量等連續(xù)變量，采用結(jié)構(gòu)方程模型分析發(fā)現(xiàn)，年均氣溫和年均降雨量對紫花苜蓿種植地土壤有機碳含量具有極顯著（P<0.001）影響，直接作用系數(shù)分別為-0.816和0.782（見圖1）。降雨量增加將顯著（P<0.05）提高紫花苜蓿種植地土壤有機碳含量，但全球變暖將降低有機碳含量。其他因素如土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量等對紫花苜蓿種植地土壤有機碳含量的直接影響作用均較小，此外，氣象因子、土壤pH 值和有機碳含量等因素對紫花苜蓿種植地土壤速效氮和速效鉀含量的直接影響均較弱，未達到顯著性檢驗水平（P>0.05）。

圖1 氣象因子和土壤理化性質(zhì)對紫花苜蓿種植地土壤有機碳、速效氮、速效鉀含量的影響

實線和虛線分別表示各因素間直接作用系數(shù)達到（P<0.05）和未達到（P>0.05）顯著性檢驗水平，下圖同。SOC、Pre、Tem、AN 和AK 分別為土壤有機碳含量、年均降雨量、年均氣溫、土壤速效氮和速效鉀含量。

2.3 氣象因子及土壤理化性質(zhì)對紫花苜蓿種植地土壤全氮含量、容重、含水率的影響

基于結(jié)構(gòu)方程模型發(fā)現(xiàn)，對紫花苜蓿種植地土壤含水率影響的主要因素，作用系數(shù)從高到低的順序分別為土壤有機碳含量、容重和土壤溫度，直接作用系數(shù)均為正效應(yīng)，分別為0.533、0.292 和0.020（見圖2）。土壤容重主要受到土壤有機碳含量和年均氣溫的共同影響，直接作用系數(shù)分別為-0.342 和0.142，年均氣溫和土壤含水率對紫花苜蓿種植地土壤全氮含量影響的直接系數(shù)分別為0.558 和0.161。紫花苜蓿種植地土壤全氮含量、容重和含水率可能還受到其他因素的共同影響。

圖2 氣象因子和土壤理化性質(zhì)對紫花苜蓿種植地土壤含水率、容重和全氮含量的影響

3 討論

當前我國大力推進苜蓿產(chǎn)業(yè)帶建設(shè)，保障奶牛規(guī)?；B(yǎng)殖對高品質(zhì)苜蓿的需求，苜蓿草產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處于重要戰(zhàn)略機遇期［1］。近年來，以美國為主的北美地區(qū)大力發(fā)展雨養(yǎng)苜蓿，我國半干旱、半濕潤地區(qū)水熱同季，年降水量為450～600 mm，雨養(yǎng)苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢較好，在旱地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)揮重要作用［9］。

紫花苜蓿產(chǎn)量高且品質(zhì)良好，甘肅省隴東地區(qū)苜蓿粗蛋白、粗纖維和無氮浸出物含量分別為20.31%、24.79%和42.25%［3］。人工種植紫花苜蓿，促使農(nóng)田土壤有機碳含量增加90.91%［10］，但也有研究發(fā)現(xiàn)對土壤有機碳增加幅度僅為15.85%［11］；土壤速效氮含量從23.26 mg/kg 增加到28.75 mg/kg，速效磷含量從16.13 mg/kg 增加到19.11 mg/kg，速效鉀含量從118.68 mg/kg 增加到133.52 mg/kg［5］。

該研究發(fā)現(xiàn)種植紫花苜蓿極顯著增加了農(nóng)田土壤有機碳含量、含水率、速效氮含量、全氮含量和速效鉀含量，增加幅度較高，分別為43.62%、38.54%、31.00%、21.77%和21.05%。紫花苜蓿種植地土壤有機碳含量增加的原因可能是因為紫花苜蓿增加土壤根系殘留物以及地上生物量向地下部分光合產(chǎn)物的輸入量，累積大量有機碳［6，12］。紫花苜蓿生長季需要消耗較多水分，但不同氣候區(qū)紫花苜蓿需水量存在明顯差異［1］，北京、內(nèi)蒙古和新疆地區(qū)紫花苜蓿需水量分別為920、586 和1 350 mm［11，13-14］。種植紫花苜蓿顯著增加甘肅和山西地區(qū)農(nóng)田土壤濕度，增加幅度分別為31.07%和45.98%［15-16］，主要因為紫花苜蓿根系發(fā)達，能保持土壤疏松，降雨時可大量吸收、貯存地表水，且植株覆蓋度增加，可減少地表土壤水分蒸發(fā)［17］。

紫花苜蓿是重要的固氮植物，適應(yīng)大陸性氣候。種植紫花苜蓿顯著增加土壤速效氮含量，是因為紫花苜蓿具有根瘤菌，可有效固定大氣游離態(tài)氮，可以作為優(yōu)質(zhì)豆科綠肥［12］。相似研究同樣發(fā)現(xiàn)，種植紫花苜蓿促使新疆地區(qū)和湖北省農(nóng)田土壤全氮含量分別從0.68 g/kg 和0.92 g/kg 增加到0.76 g/kg［18］和1.69 g/kg［15］，增 加 幅 度 分 別 為11.76%和83.70%。紫花苜蓿生長過程需要大量的鉀肥，表明種植紫花苜蓿可以促進土壤全鉀礦化，加速向速效鉀的轉(zhuǎn)化過程［19］，因為植物根系呼吸和土壤微生物活動增加釋放CO2，其溶于水后形成碳酸，同時根系分泌大量有機酸類物質(zhì)，共同促使土壤全鉀礦化分解作用［5］。

4 結(jié)論

紫花苜蓿種植極顯著增加了農(nóng)田土壤有機碳、含水率、速效氮、全氮和速效鉀含量，且增加幅度較高，但極顯著降低土壤容重。年均氣溫和降雨量對紫花苜蓿土壤有機碳含量具有極顯著性影響。土壤有機碳、容重和土壤溫度是影響紫花苜蓿土壤含水率的主要因素。未來降水量增加氣候情景將顯著提高紫花苜蓿種植地土壤有機碳含量，但全球變暖將降低紫花苜蓿種植地土壤有機碳含量。