西北荒漠灌區(qū)覆膜條件下苜蓿草地土壤理化性質(zhì)的時空變化

吳 芳,李玉珠,師尚禮,張貞明,高永勇(草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院; 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

前植物生產(chǎn)層

西北荒漠灌區(qū)覆膜條件下苜蓿草地土壤理化性質(zhì)的時空變化

吳 芳,李玉珠,師尚禮,張貞明,高永勇
(草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院; 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

覆膜種植是一種增溫保墑、增加速效養(yǎng)分的栽培措施，被人們廣泛應(yīng)用在作物栽培上，并取得了豐碩的成果。本研究以不覆蓋地膜為對照(CK)，研究覆膜(FM)處理對種植紫花苜蓿(Medicagosativa)第2年、第3年和第4年土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)M顯著降低了第2年和第4年0-20 cm土層的年平均pH(P<0.05)，分別較CK降低了2.7%和2.6%。FM的水溶性鹽含量年均值、Na+含量年均值在不同采樣年份，不同土層深度的變化趨勢均是先升高后下降，且FM均小于CK，F(xiàn)M顯著降低了第2年5月的0-20 cm土層水溶性鹽含量(P<0.05)，較CK降低了62.9%。FM顯著降低了第4年8月、10月0-20 cm土層和第2年8月20-40 cm土層的Na+含量(P<0.05)，較CK分別降低了36%、37%和39.5%。FM 在一定程度上增加了不同采樣年份不同土層速效氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量，但未達到顯著水平(P>0.05)。

紫花苜蓿；覆膜；pH；土壤Na+含量；水溶性鹽含量

地膜覆蓋技術(shù)在西北干旱半干旱地區(qū)得到了大面積的推廣與應(yīng)用，已經(jīng)成為提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要途徑[1]。同時，地膜覆蓋改變了土壤的生態(tài)環(huán)境，使土壤的水分、養(yǎng)分含量和生物學性狀均有明顯的變化[2]。有研究表明，覆膜后由于土壤養(yǎng)分條件和作物生長狀況的改善，有利于增加作物產(chǎn)量，提高養(yǎng)分利用效率[3]；覆膜亦能保持耕層土壤疏松、阻止土壤淋溶、增加速效養(yǎng)分；覆膜能通過改善土壤的理化性狀，明顯促進地上部分的生長[4]；鹽堿土覆膜種植能抑制鹽分向地表積聚、加速鹽分向下淋洗等[5]。目前，覆膜種植主要應(yīng)用于蔬菜、水果、糧食作物、經(jīng)濟作物、花草和樹苗等[6]，相關(guān)研究主要集中在覆膜條件下土壤蓄水供水[7]、農(nóng)田水熱環(huán)境[8]、水肥效應(yīng)[9]等對作物生長和品質(zhì)的影響，對苜蓿草地土壤理化性質(zhì)時空變化的研究報道較少[10]。

甘肅省金昌市永昌縣楊柳青公司苜蓿種植基地位于河西走廊，該地區(qū)地勢平坦，土壤瘠薄，鹽堿地多，植被少，風沙大；氣候惡劣，年降水量在350 mm以下，多集中在5-9月，且降水年際變化大，但祁連山冰雪融水豐富，引水灌溉條件好，是西北荒漠灌區(qū)主要的分布地。2012年楊柳青公司采用地膜覆蓋技術(shù)種植紫花苜蓿，經(jīng)過3年的田間觀察，發(fā)現(xiàn)覆膜處理下紫花苜蓿的長勢優(yōu)于不覆膜地，產(chǎn)量明顯提高，并取得了可觀的經(jīng)濟效益，但關(guān)于覆膜種植對該地區(qū)苜蓿草地土壤理化性質(zhì)時空變化方面的研究未見報道。因此,本研究以紫花苜蓿三得利(Medicagosativacv. Sanditi)為試驗材料，不覆蓋地膜為對照(CK)，研究覆膜(FM)處理對紫花苜蓿種植第2年(2013年)、第3年(2014年)和第4年(2015年)的土壤理化性質(zhì)的影響，以期明確覆膜條件下種植紫花苜蓿對土壤理化性質(zhì)的影響，為金昌地區(qū)牧草種植和飼草料的生產(chǎn)及土壤處理和施肥提供科學的理論依據(jù)和技術(shù)參考,對西北荒漠灌區(qū)發(fā)展草地植被和改善生態(tài)環(huán)境具有一定的實踐指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究地點位于甘肅省金昌市永昌縣水源鎮(zhèn)楊柳青公司試驗地，水源鎮(zhèn)位于永昌縣城東部，境內(nèi)以山地、平原為主，平均海拔1 519 m。氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?.8 ℃，平均降水量185.1 mm，無霜期134 d，平均日照2 884.2 h，日照率65%，年蒸發(fā)量2 000.6 mm,具有干旱、多風、蒸發(fā)量大等特點。

1.2 供試材料

國外引進紫花苜蓿品種三得利。

1.3 試驗設(shè)計

試驗地土壤肥力狀況相近，播種前施足基肥，同時施過磷酸鈣1 500 kg·hm-2、尿素150 kg·hm-2、腐殖酸銨450～600 kg·hm-2。苜蓿播種量為18 kg·hm-2，播種深度1～2 cm，間距15 cm穴播，行距30 cm。覆膜試驗地選用幅寬145 cm地膜，鋪成寬120 cm的播帶，帶間距30 cm。本試驗以種植紫花苜蓿品種三得利覆膜土壤(FM)為試驗材料，以不覆膜土壤(CK)為對照，覆膜種植面積2 000 m2，未覆膜的對照種植2 000 m2。

采樣時間為苜蓿初花期刈割(第2年、第3年、第4年的5月、 8月、10月)，各處理內(nèi)按S型設(shè)置3個點分層取樣，土層深度分別為0-20、20-40 cm，將相同土層土樣均勻混合使成為1個混合樣，裝入自封袋帶回實驗室自然風干研磨，剔除雜物，分別進行化學性質(zhì)指標的測定。

1.4 測定指標與方法

土樣分析在甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室進行，土壤pH的測定用水土比2.5∶1法，pH計測定；水溶性鹽含量的測定采用殘渣烘干法測定；Na+和K+的測定采用火焰光度法測定；堿解性氮測定采用堿解擴散法測定；速效磷的測定采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀的測定采用NH4OAc-火焰光度計測定；有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定[11-12]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，并采用SPSS 16.0軟件進行方差統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH

不同采樣年份，不同土層深度FM與CK的年平均pH均降低，變化范圍分別為7.23～7.91和7.36～8.13，且FM的年平均pH小于CK。0-20 cm土層第2年、第4年FM的年平均pH顯著低于CK(P<0.05)，較CK分別降低了2.7%和2.6%(圖1)。0-20cm土層第2年和第3年在不同采樣時間FM與CK的pH差異均顯著(P<0.05)； 第4年8月FM的 pH顯著低于CK(P<0.05)，F(xiàn)M為7.09，較CK降低了3.1%。20-40 cm土層第2年與第4年在不同采樣時間FM與CK的pH差異均顯著(P<0.05)，第3年后兩次采樣FM的pH顯著低于CK(P<0.05)，較CK分別降低了1.2%和2.5%。

圖1 覆膜對0-20和20-40 cm處土壤pH的影響Fig. 1 Effect of film mulching on soil pH in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

注：同一月份不同小寫字母表示覆膜和對照間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters on a single date indicate significant differences between treatments at the 0.05 level.

2.2 土壤水溶性鹽含量

不同采樣年份，不同土層深度FM與CK的水溶性鹽含量年均值變化趨勢均是先升高后下降，且FM的水溶性鹽含量年均值均小于CK。0-40 cm土層FM的均值為1.26 g·kg-1，較CK降低了22.2%，淺層土壤FM與CK的水溶性鹽含量年均值均高于深層(圖2)。0-20 cm土層在第2年5月和第3年10月的FM的水溶性鹽含量顯著低于CK(P<0.05)，分別為0.33和0.96 g·kg-1，分別較CK降低了62.9%和29.9%。20-40 cm土層在第2年8月、10月FM的水溶性鹽含量顯著低于CK(P<0.05)，分別為0.53和0.49 g·kg-1，分別較CK降低了55.1%和65.2%。

2.3 土壤Na+含量

土壤水溶性鹽中的陽離子包括Ca2+、Mg2+、K+和Na+[13]。本研究測定了K+和Na+，結(jié)果表明該土壤不含K+。不同采樣年份，不同土層深度FM與CK的土壤Na+含量年均值變化趨勢均是先升高后下降，且FM的Na+含量年均值均小于CK(圖3)。0-20 cm土層第2年5月、8月FM的Na+含量與CK的差異顯著(P<0.05)，8月FM的Na+含量最低，為0.11 g·kg-1，比CK降低了42.1%，第3年5月、10月和第4年8月、10月FM的Na+含量顯著低于CK(P<0.05)，分別較CK降低了31.8%、27.0%、36.0%和37.0%。20-40 cm土層第2年8月和第3年10月FM的Na+含量顯著低于CK(P<0.05)，分別較CK降低了39.5%和34.1%。

圖2 覆膜對0-20和20-40 cm處土壤水溶性鹽的影響Fig. 2 Effect of film mulching on soil water-soluble salt in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.4 土壤堿解氮

土壤堿解性氮含量的高低，反映土壤中有機質(zhì)含量的多少、熟化程度的高低以及對牧草生長所需氮素供應(yīng)的狀況[14-15]。不同采樣年份，0-20 cm土層FM與CK的土壤堿解氮含量年均值均呈先增后降的趨勢，20-40 cm土層FM的堿解氮含量年均值呈下降趨勢，而CK的堿解氮含量年均值呈先增后降的趨勢(圖4)。0-20 cm土層在第2年的10月和第4年5月、8月FM的堿解氮含量顯著高于CK (P<0.05)，分別為29.13、30.33和32.67 mg·kg-1，分別較CK增加了177.69%、18.2%和21.7%。20-40 cm土層在第3年8月FM的堿解氮含量顯著低于CK (P<0.05)，較CK降低了11.7%。

2.5 土壤速效磷

不同采樣年份，0-20 cm土層FM與CK的土壤速效磷含量年均值均呈先增后降的趨勢，20-40 cm土層FM的速效磷含量年均值呈下降趨勢，而CK的速效磷含量年均值呈先增后降的趨勢(圖5)。0-20 cm土層在第2年的8月、10月和第4年8月FM的土壤速效磷含量均顯著高于CK(P<0.05)，分別為1.91、1.77和3.38 mg·kg-1，分別較CK增加了21.7%、65.4%和26.1%。20-40 cm土層在第2年8月、第3年10月、第4年8月FM的土壤速效磷含量顯著高于 CK(P<0.05)，分別為1.88、1.51和1.97 mg·kg-1，分別較CK增加了79.0%、65.9%和52.7%。

2.6 土壤速效鉀

不同采樣年份，0-20 cm土層FM的土壤速效鉀含量年均值呈下降趨勢，而CK的土壤速效鉀含量年均值呈先增后降的趨勢，20-40 cm土層FM與CK的速效鉀含量年均值均呈下降趨勢(圖6)。0-20 cm在第2年的5月、8月和第3年5月FM的土壤速效鉀含量均顯著高于CK(P<0.05)，分別為189.14、182.56和156.73 mg·kg-1，分別較CK增加了23.6%、16.8%和12.2%。20-40 cm土層在第2年5月、8月和第4年5月FM的土壤速效鉀含量顯著高于CK(P<0.05)，分別較CK增加了19.8%、13.5%和46.2%。

圖3 覆膜對0-20和20-40 cm處土壤Na+的影響Fig. 3 Effect of film mulching on soil Na+ in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

圖4 覆膜對0-20和20-40 cm處土壤堿解氮的影響Fig. 4 Effect of film mulching on soil available nitrogen in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

圖5 覆膜對0-20和20-40 cm處土壤速效磷的影響Fig. 5 Effect of film mulching on soil available phosphorus in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

圖6 覆膜對0-20和20-40 cm處土壤速效鉀的影響Fig. 6 Effect of film mulching on soil available potassium in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.7 土壤有機質(zhì)

不同采樣年份，在0-20 cm土層FM與CK的土壤有機質(zhì)含量年均值均呈增加趨勢，而20-40 cm土層FM的土壤有機質(zhì)含量年均值呈增加趨勢，CK的有機質(zhì)含量年均值呈先增后降的趨勢(圖7)。0-20 cm在第2年不同采樣時間FM的土壤有機質(zhì)含量均顯著高于CK(P<0.05)，分別為0.72、0.50和0.58 g·kg-1，分別較CK增加了24.1%、108.3%和18.4%。

20-40 cm在第2年不同采樣時間和第4年8月FM的土壤有機質(zhì)含量均顯著高于CK(P<0.05)，第4年5月FM的值最高，為1.68 g·kg-1，較CK增加了43.6%。

3 討論與結(jié)論

土壤為植物提供了必不可少的水分和營養(yǎng)，還與植物體之間進行著頻繁的物質(zhì)交換，彼此有著強烈的影響，而地膜覆蓋改善耕層土壤的水熱狀況，活化土壤養(yǎng)分[16-18]。土壤pH與速效養(yǎng)分是最易變的土壤肥力指標，直接影響當季作物的生長，土壤pH也影響著養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與有效性[19-21]。本研究證明，隨著紫花苜蓿種植年限的增加，不同土層深度FM與CK的年平均pH均降低，且覆膜可顯著降低淺層土壤第2年、第4年的pH年均值(P<0.05)，說明覆膜在一定程度上降低了淺層土壤的酸堿性。土壤水溶性鹽含量會阻礙作物的生長和發(fā)育，其中，Na+是造成植物鹽害及產(chǎn)生鹽漬生境的主要離子[22-23]。本研究表明，覆膜顯著降低了第2年深層土壤的水溶性鹽含量年均值(P<0.05)。

土壤速效養(yǎng)分包括堿解氮、速效磷、速效鉀。土壤堿解氮又稱水解氮或有效氮，有研究表明，即使在使用大量氮肥的情況下，作物積累的氮素仍有50%左右來自土壤[24-25]。本研究證明，覆膜在一定程度上增加了淺層土壤堿解氮含量，但不同采樣年份，不同土層深度FM與CK的堿解氮含量年均值差異不顯著。土壤速效磷是表征土壤供磷能力、確定磷肥用量的重要指標[26-27]。本研究證明，覆膜對深層土壤速效磷的增加效果優(yōu)于淺層土壤，但隨著土層深度的增加，F(xiàn)M與CK土壤速效磷含量均呈下降趨勢，這與夏方山等[28]的研究結(jié)論一致。土壤速效鉀包括水溶性鉀及交換性鉀，一般將其作為當季土壤供鉀能力的衡量標準[29]。本研究證明，覆膜在一定程度上可增加不同土層土壤速效鉀的含量，但隨著種植年限的延長，F(xiàn)M的速效鉀含量年均值呈降低趨勢，這與夏方山等[28]的研究結(jié)論一致。

土壤有機質(zhì)與土壤理化性質(zhì)的改善、肥力水平的高低是密切相關(guān)的[30-31]，而且土壤有機質(zhì)含量的減少將直接導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低。本研究證明，覆膜可以顯著增加不同土層土壤有機質(zhì)的含量，但淺層土壤FM與CK的有機質(zhì)含量年均值呈增加趨勢，說明連年種植紫花苜蓿可提高土壤有機質(zhì)含量，培肥土壤，這與劉磊等[32]的研究結(jié)論一致。由于大田試驗周期長，土壤的鹽堿化和養(yǎng)分容易受自然和人為等多種因素的影響和制約，還與當?shù)氐耐寥蕾|(zhì)地、機械條件、作物品種等諸多因素有關(guān)。因此，關(guān)于在西北荒漠灌區(qū)地膜覆蓋栽培紫花苜蓿對土壤理化性質(zhì)影響的機制有待繼續(xù)深入研究。

因此，覆膜對降低淺層土壤pH有明顯作用，對深層土壤的水溶性鹽含量有一定的抑制作用，同時，覆膜對Na+含量、速效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量的影響不顯著。本研究對西北荒漠灌區(qū)覆膜種植紫花苜蓿提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對合理施肥具有重要意義。

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(責任編輯 茍燕妮)

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Temporal and spatial variation of soil physical properties in alfalfa grassland under film mulching in northwest desert irrigation region

Wu Fang, Li Yu-zhu, Shi Shang-li, Zhang Zhen-ming, Gao Yong-yong
(Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education, Pratacultural College,
Gansu Agricultural University; Sino-U.S. Centers for Grazingland Ecosystem Sustainability, Lanzhou 730070, China)

As a measure to increase soil temperature, conserve soil moisture, and increase available nutrients, film mulching (FM) has been generally and successfully used for crop cultivation. In this paper, using a crop without FM as a control (CK), the effects of FM on soil physical properties in an alfalfa field were studied in the second, third, and fourth year of the crop. The annual means of soil pH in the second and fourth year in the 0 to 20 cm depth soil layer in FM treatment were significantly decreased, and were 2.7% and 2.6% lower than those in CK. The annual mean values of water-soluble salt and Na+content in FM treatment increased at first and then decreased over time, as they did in each soil layer depths. Both of the values in FM treatment were inferior to those in CK. FM significantly decreased the water-soluble salt content in May of the second year in the 0 to 20 cm depth soil layer by 62.9% compared with CK. The Na+content in August and October of the fourth year in the 0 to 20 cm depth soil layer and in August of the second year in the 20 to 40 cm depth soil layer in FM dropped by 36%, 37%, and 39.5%, respectively, compared with that in CK. To a certain but statistically insignificant degree, FM increased the available nitrogen, available phosphorus, available potassium, and organic matter content in different years and in different soil layer depths.

alfalfa; film mulching; pH; soil Na+; water-soluble salt value

Li Yu-zhu E-mail:Liyz@gsau.edu.cn

2016-05-05 接受日期：2016-09-07

西北荒漠灌區(qū)提高苜蓿出苗保苗技術(shù)研究(2014030488)；國家牧草產(chǎn)業(yè)體系(CARS-35)；苜蓿產(chǎn)業(yè)化新技術(shù)研究與集成示范推廣項目；省農(nóng)牧廳苜蓿種植技術(shù)研究

吳芳(1991-)，女，甘肅定西人，在讀碩士生，研究方向為草種質(zhì)資源及育種。E-mail：1152269219@qq.com

李玉珠(1979-)，女，陜西寧強人，副教授，博士，研究方向為牧草種質(zhì)資源與育種。E-mail:Liyz@gsau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0231吳芳,李玉珠,師尚禮,張貞明,高永勇.西北荒漠灌區(qū)覆膜條件下苜蓿草地土壤理化性質(zhì)的時空變化.草業(yè)科學,2017,34(4)：665-672.

S812.2;S541+.106

A

1001-0629(2017)04-0665-08

Wu F,Li Y Z,Shi S L,Zhang Z M,Gao Y Y.Temporal and spatial variation of soil physical properties in alfalfa grassland under film mulching in northwest desert irrigation region.Pratacultural Science，2017,34(4)：665-672.