切根和施氮對(duì)退化羊草草地土壤理化性質(zhì)的影響

陳積山， 孔曉蕾， 朱瑞芬， 張 強(qiáng)， 邸桂俐， 康欣彤， 陸 娟

(1. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所， 黑龍江省 哈爾濱150086； 2. 甘肅省蘭州植物園， 甘肅 蘭州730070)

羊草(Leymuschinensis)是我國(guó)典型草原和草甸草原的主要優(yōu)勢(shì)牧草，為多年生根莖型禾草，且具有十分發(fā)達(dá)的地下根莖系統(tǒng)，營(yíng)養(yǎng)繁殖力很強(qiáng)，地上枝條均勻分布，葉量很大，適口性好、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高[1-2]。因此羊草草原是經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的天然放牧場(chǎng)和最優(yōu)質(zhì)的割草地資源，為畜牧業(yè)牲畜越冬提供了優(yōu)質(zhì)的飼草，是發(fā)展畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)[3-4]。

近年來，羊草草原長(zhǎng)期持續(xù)超限利用和不合理的生產(chǎn)管理，導(dǎo)致羊草種群密度和生物量顯著降低[4]。同時(shí)，羊草草地土壤呈現(xiàn)退化。目前，退化羊草草地改良的研究一直是熱點(diǎn)，已有的改良方法包括淺耕翻，耙地，深松和切根[5-9]，能改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤養(yǎng)分，促進(jìn)根莖禾草生長(zhǎng)，改善群落結(jié)構(gòu)，其有效性已有較多研究論證。但是，未見利用專業(yè)羊草草地切根松土機(jī)[10]進(jìn)行切根改良，并分析草地土壤理化性質(zhì)及其地上生物量變化的研究報(bào)道。此外，施肥是改良草地的有效措施之一，氮素對(duì)羊草種群具有顯著的調(diào)節(jié)效應(yīng)，草地施肥有助于草地生產(chǎn)力的恢復(fù)和提高，對(duì)羊草草原有明顯的增產(chǎn)效果[11-18]。但目前關(guān)于切根施氮互作對(duì)退化羊草草地土壤理化性質(zhì)的影響的研究較少。

因此，本研究以綏化地區(qū)退化羊草草地為研究對(duì)象，采用二裂式裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行了切根和施氮互作處理改良退化羊草草地的試驗(yàn)，從其對(duì)退化羊草草地土壤理化性質(zhì)的角度進(jìn)行剖析，以期為制定本地區(qū)羊草草地的高產(chǎn)培育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地

本試驗(yàn)在黑龍江農(nóng)科院草業(yè)研究所蘭西實(shí)驗(yàn)基地(45.2° N，122.6° E)進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，最高氣溫38℃，最低氣溫-30℃，≥10℃年活動(dòng)積溫2 887℃,無霜期139 d左右。土壤類型以草甸土為主。土壤鹽堿呈現(xiàn)輕、中、重三級(jí)鹽堿化，其土壤全鹽量變化范圍為0.157%～0.318%，土壤pH值在8.12～10.08。植被類型為羊草+雜類草草甸草原。主要物種有羊草(Leymuschinensis)、五脈山黧豆(Lathyrusquinquenervius)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、冰草(Agropyroncristatum)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)。研究區(qū)羊草草地長(zhǎng)期圍欄禁牧，以刈割利用為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為二裂式裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)處理為切根處理(Q)，設(shè)置2個(gè)水平，切根寬度20 cm的條形切根方式(Q20)和切根寬度40 cm的井字型切根方式(Q40)。切根時(shí)間在返青后10 cm深處土壤的5天滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定在5℃以上。切根設(shè)備采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的9QP-830型盤齒式草地破土切根機(jī)(統(tǒng)一要求切根深度15 cm)。裂區(qū)處理為副處理(施氮，N)，設(shè)置4個(gè)水平，不施氮肥處理(N1)，1 kg N·畝-1(N2)，2 kg N·畝-1(N3)，4 kg N·畝-1(N4)。氮肥梯度的依據(jù)是本區(qū)域長(zhǎng)期土壤氮素監(jiān)測(cè)值進(jìn)行設(shè)定。氮肥施用時(shí)間為第一次在返青切根后施入，第二次在刈割一次后施入。兩次施氮量分別為總量的60%(第一次)和40%(第二次)。試驗(yàn)區(qū)全年進(jìn)行兩次刈割管理，分別在羊草進(jìn)入抽穗期(或羊草株高達(dá)到40 cm時(shí))進(jìn)行第一次刈割，第二次刈割在霜前1個(gè)月進(jìn)行，留茬高度8 cm。為了避免收獲作業(yè)對(duì)臨近裂區(qū)造成嚴(yán)重影響，設(shè)置了較寬的裂區(qū)間以及主區(qū)間距的間距，同時(shí)試驗(yàn)地邊界建立圍欄防護(hù)，防止人畜自由進(jìn)入。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

年植物生物量分別在6月和9月在各樣地內(nèi)隨機(jī)選的3個(gè)樣方，分別調(diào)查樣方內(nèi)的植物種，測(cè)定自然高度，每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取株羊草測(cè)定其自然高度取平均值，種蓋度(目測(cè)法)和密度。采用收獲法：齊地面剪下測(cè)量植物群落的地上生物量。同時(shí)，土壤樣品與植物樣品采集一并進(jìn)行。用直徑為2.5 cm土鉆在每個(gè)試驗(yàn)處理中取0～10 cm深土樣共計(jì)3鉆。將3鉆土樣均勻混合成1份混合土樣，從中選出300 g，裝進(jìn)布袋并做好標(biāo)記，帶回后在室內(nèi)及時(shí)攤開，使土樣充分自然風(fēng)干，將風(fēng)干的土樣經(jīng)過粉碎再過篩2 mm后去除石子、葉片殘枝等雜物，然后用研缽研磨土壤后分別過1 mm和0.149 mm(100目)的土壤篩密封保存置于室內(nèi)避光處，以備測(cè)定土壤全氮(soil total nitrogen content,STN)、全磷(soil total phosphorus content,STP)、速效氮(soil available nitrogen,SAN)、速效磷(soil available phosphorus,SAP)的含量。STN、STP用H2SO4-K2SO4-Cu2SO4催化法消解，消煮后的樣品經(jīng)過濾、稀釋、定容后用AutoAnalyzer3(AA3)連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤速效氮含量是指硝態(tài)氮(soil nitrate nitrogen,SNO3)和銨態(tài)氮(soil ammonium nitrogen,SNH4)的總和，因此對(duì)SNO3和SNH4進(jìn)行分別測(cè)定，土壤經(jīng)過2 mol·L-1的KCl溶液浸提、過濾、定容后，用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。SAP采用硫酸鉬梯抗比色法測(cè)定。樣品中N、P元素以單位質(zhì)量樣品中各元素的濃度表示。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)所有測(cè)定數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件分析。為了裂區(qū)試驗(yàn)誤差項(xiàng)的再分解，需要編寫SPSS 17.0命令語言進(jìn)行。所有圖形輸出均來自SPSS 17.0軟件。

2結(jié)果與分析

2.1 切根施氮對(duì)草地土壤物理性質(zhì)的影響

試驗(yàn)期間分別對(duì)6月、9月測(cè)定的土壤容重進(jìn)行分析(表1)，方差結(jié)果表明，土壤容重(5～10cm)在區(qū)組間、施氮副處理、切根施氮(Q×N)互作均不顯著，但在主處理間顯著差異。這說明切根方式(Q20和Q40)顯著影響6月和9月的土壤容重。

通過6月份土壤容重的均值比較(圖1)，Q40對(duì)土壤容重的降低程度顯著高于切根Q20對(duì)容重的影響。同理，Q40較Q20顯著降低9月份土壤容重。其中Q40處理的6月份土壤容重達(dá)到1.115±0.070 kg·m-3，在9月份達(dá)到1.050±0.051 kg·m-3，且顯著低于對(duì)照(無切根處理)。

表1 切根對(duì)土壤容重的方差分析Table 1 Variance analysis of cutting root on soil bulk density

圖1 土壤容重的均值比較(6月份和9月份)Fig.1 Comparison of the mean values of soil bulk density (June and September)

2.2 切根施氮對(duì)草地土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)的影響

切根施氮對(duì)草地土壤全氮全磷的影響如表2和表3所示，土壤全氮(6月份)在區(qū)組間、主處理、副處理間均不顯著，但切根施氮互作(Q×N)顯著提高土壤全氮(6月份)。這說明切根方式和施氮的作用不是彼此獨(dú)立的，而是互相作用的。切根方式對(duì)土壤全氮(6月份)的影響效應(yīng)會(huì)因施氮水平的不同而有所不同，即它們存在關(guān)聯(lián)性。同理(表2)，切根施氮互作(Q×N)顯著影響土壤全磷含量(6月份)和有機(jī)質(zhì)含量(9月份)。

表2 切根施氮對(duì)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的影響Table2 The effects of cutting root and nitrogen application on total phosphorus and organic matter of soil

表3 切根施氮對(duì)土壤全磷和有機(jī)質(zhì)的影響Table3 The effects of cutting root and nitrogen application on total nitrogen and organic matter of soil

2.3 切根施氮互作對(duì)草地產(chǎn)量的影響

切根施氮互作組合的方差分析表明，8個(gè)互作組合對(duì)草地產(chǎn)量的影響存在顯著差異(F=3.799,P=0.011)。多重比較表明，組合Q40N4對(duì)草地產(chǎn)量的影響顯著高于處理，其全年草地產(chǎn)量達(dá)到310.91±10.623 g·m-2，Q40N2處理的產(chǎn)量最小達(dá)到208.10± 14.326 g·m-2(表4)。

表4 不同組合對(duì)草地全年產(chǎn)量(干重)影響的多重比較Table 4 Multiple comparisons of the effects of different combinations on annual yield (DM) of grassland

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.4 草地產(chǎn)量與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析，全年產(chǎn)量(總干重)與切根前土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)(r=0.775，P<0.05)，與切根后10 cm土壤的容重呈負(fù)相關(guān)(r=0.165，P<0.05)，與9月份土壤的有機(jī)質(zhì)和土壤全氮呈負(fù)相關(guān)(r=0.243，P<0.05)。

3 討論

關(guān)于施肥對(duì)草地群落影響的研究目前已取得了一些成果，李本銀[19]等在關(guān)于施肥對(duì)牧草群落結(jié)構(gòu)的影響研究中發(fā)現(xiàn)施肥使得牧草群落種類增多、生物量增大、種群結(jié)構(gòu)明顯改善、特別是在表施控釋肥的處理中出現(xiàn)了表征退化草地恢復(fù)的羊草。尤英豪[20]等在東北羊草草地的研究中得出施肥加速了羊草的生長(zhǎng)、提高了牧草產(chǎn)量和蛋白質(zhì)總量。關(guān)于切根對(duì)多年生紫花苜蓿產(chǎn)量的影響研究中發(fā)現(xiàn)施肥可以進(jìn)一步增加切根草地的紫花苜蓿產(chǎn)量，可見，施肥對(duì)退化草地群落有明顯的改善效果。本研究也表明切根的主效應(yīng)在施氮下顯著，只不過其效應(yīng)的大小和方向依賴于施氮量不同。在對(duì)照參比下，8個(gè)切根施氮組合的產(chǎn)量均存在顯著差異。其中最大的互作組合(Q40N4)產(chǎn)量為310.91 g·m-2。本研究與前人施肥試驗(yàn)的氮素添加量不同，何丹[21]等人研究結(jié)果施尿素量為50 kg ·hm-2時(shí)地上生物量的增幅最大，可增加229%～633%。潘慶民[22]等人研究結(jié)果施用80 g NH4NO3·m- 2時(shí)增加48.31%。奇立敏[23]等研究添加氮素30 kg N·hm-2時(shí)地上生物量達(dá)到最大時(shí)增加18%。本研究添加氮素60 kg N·hm-2時(shí)地上生物量達(dá)到最大，增加了23.4%，這表明在不同的羊草草地階段，群落或種群對(duì)環(huán)境資源的需求量也不盡相同，或者不同試驗(yàn)區(qū)養(yǎng)分和水分相互作用也不同。

草地產(chǎn)量的形成與土壤理化指標(biāo)密切相關(guān)。通過相關(guān)性分析，全年產(chǎn)量(總干重)與切根前土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與切根后10 cm土壤的容重呈負(fù)相關(guān)，與9月份土壤的有機(jī)質(zhì)和土壤全氮呈負(fù)相關(guān)。為了進(jìn)一步分析和解釋土壤理化指標(biāo)對(duì)草地產(chǎn)量貢獻(xiàn)，對(duì)測(cè)定的6個(gè)土壤理化指標(biāo)與草地全年產(chǎn)量(干重)進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)，土壤理化因子對(duì)草地產(chǎn)量的解釋量為0.007169/0.020940=34.23%。這表明土壤理化因子對(duì)草地產(chǎn)量的實(shí)際貢獻(xiàn)或形成僅為34.23%，這種解釋是否可信，需要進(jìn)一步檢驗(yàn)土壤因子對(duì)草地產(chǎn)量影響的顯著性。由表3可知，6個(gè)土壤因子對(duì)產(chǎn)量的解釋量經(jīng)過蒙特卡羅置換檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)(Monte Carlo permutation test)分析具有顯著性，其中全磷(P)是顯著影響該區(qū)域草地全年產(chǎn)量，是影響該區(qū)域草地產(chǎn)量的主要土壤限制因子，在提高該區(qū)域羊草草地產(chǎn)量方面建議加大對(duì)磷肥的使用量，解除該草地土壤長(zhǎng)期存在的磷限制，以獲得較高的草地生物量。

表5 蒙特卡羅置換檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of Monte Carlo permutation test

4 結(jié)論

井字型切根(Q40)較條形切根方式(Q20)顯著降低了土壤容重。切根條件下，施氮處理顯著提高土壤全氮和有機(jī)質(zhì)。在所有切根施氮組合中，組合Q40N4(井字型切根寬度40 cm方式下施氮4 kg·畝)產(chǎn)量為310.91±10.623 g·m-2，顯著高于對(duì)照及其他處理。相關(guān)性和典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)表明，土壤理化因子對(duì)草地生物量的實(shí)際貢獻(xiàn)僅為34.23%。經(jīng)蒙特卡羅置換檢驗(yàn)表明，這種解釋是可信的，且磷(P)元素是顯著影響該區(qū)域草地全年產(chǎn)量的主要土壤限制因子。因此，建議加大對(duì)磷肥的使用量，解除該區(qū)域草地土壤存在的長(zhǎng)期磷限制，以獲得較高的草地生物量。