紫花苜蓿與3種多年生禾本科牧草輪作的土壤養(yǎng)分生長季動(dòng)態(tài)比較

周彤，師尚禮，陳建綱，吳芳，來幸樑，阿蕓

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，家畜對(duì)優(yōu)質(zhì)牧草需求的不斷增加，優(yōu)質(zhì)牧草的種植面積在逐年擴(kuò)大。但在種植業(yè)規(guī)?；a(chǎn)擴(kuò)大和牧草產(chǎn)量不斷增加的同時(shí)，長期種植同科或同種牧草造成土壤養(yǎng)分降低，土壤質(zhì)量下降等連作障礙[1-3]日益突出，嚴(yán)重制約了草地生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。為了有效解決連作對(duì)土壤養(yǎng)分的消極影響，必須要改變種植模式，引入輪作種植體系。

目前，已有大量研究證明，合理輪作可以改善土壤理化性質(zhì)[4-6]。甘肅慶陽地區(qū)輪作試驗(yàn)表明，3齡苜蓿(Medicagosativa)與2年小麥(Triticumaestivum)輪作，相比于小麥連作，0～40 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)與氮含量分別提高了17.48%和22.53%[7]。陳丹梅等[8]發(fā)現(xiàn)，烤煙與不同作物輪作后提高了土壤總有機(jī)碳、微生物碳和微生物氮含量。目前關(guān)于輪作模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，以及不同輪作模式間的探索，已有學(xué)者做了一定的研究，很多學(xué)者將豆科牧草(尤其是紫花苜蓿)與一年生禾本科作物搭配起來進(jìn)行輪作，不同種類的禾本科作物輪作也有報(bào)道，常見的有苜蓿與玉米(Zeamays)、小麥、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等作物輪作[9-11]；春小麥—馬鈴薯—谷子(Setariaitalica)輪作[12]，玉米—大豆(Glycinemax)輪作[13]。王儀明等[11]將苜蓿與玉米輪作，發(fā)現(xiàn)其土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量高于燕麥(Avenasativa)、黑麥草(Loliumperenne)等作物與玉米輪作。王俊等[10]研究表明，苜蓿與馬鈴薯、小麥和玉米輪作，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量相比于苜蓿連作均出現(xiàn)了不同程度的下降。

紫花苜蓿是一種優(yōu)質(zhì)的多年生豆科牧草，具有耐寒、耐貧瘠、耐鹽堿等特點(diǎn)，在我國北方有良好的適宜性[14-15]。草地早熟禾(Poapratensis)、無芒雀麥(Bromusinermis)及葦狀羊茅(Festucaarundinacea)是多年生禾本科優(yōu)質(zhì)牧草[16-19]，根莖發(fā)達(dá)、分蘗能力極強(qiáng)，抗逆性強(qiáng)、分布地區(qū)廣，是良好的家畜飼料及冬春青貯料和優(yōu)質(zhì)干草的主要來源。紫花苜蓿生長期間能夠?yàn)橥寥捞峁┐罅坑袡C(jī)質(zhì)和氮素，改善土壤水平，減少碳、氮、磷流失[20-21]。因此紫花苜蓿是一種良好的前茬作物，非常適宜引入輪作體系。目前關(guān)于紫花苜蓿與多年生禾本科牧草在半干旱地區(qū)輪作對(duì)其土壤養(yǎng)分的研究鮮有報(bào)道，因此本試驗(yàn)通過設(shè)置紫花苜蓿與草地早熟禾、無芒雀麥、葦狀羊茅輪作，探究不同牧草輪作模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，不僅可以填補(bǔ)在半干旱區(qū)多年生豆科與禾本科牧草輪作的研究，還可為豆—禾牧草輪作搭配提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省蘭州市安寧區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)訓(xùn)基地地處黃土高原西端，年均氣溫9.1℃，屬溫帶半干旱大陸性氣候?；睾０? 595 m，年均降水量451.6 mm，年均蒸發(fā)量1 664 mm，基地日常澆水采用田間滴管。平均日照時(shí)長≥10 h/d。地勢平坦，肥力均勻，土壤類型為黃綿土，黃土層較薄。試驗(yàn)地基本理化指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)地前茬基本理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為“甘農(nóng)9號(hào)”紫花苜蓿(Medicagosativacv.Gannong No.9)，“海波”草地早熟禾(Poapratensiscv.Haibo)，“原野”無芒雀麥(Bromusinermiscv.Yuanye)，“凌志”葦狀羊茅(Festucaarundinaceacv.Linzhi)。其中紫花苜蓿和草地早熟禾種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，無芒雀麥和葦狀羊茅種子購自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子市場。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年3月將種植5a的紫花苜蓿(A)草地翻耕(并取翻耕前的土樣測定其土壤理化性質(zhì))，于2016年4月播種草地早熟禾(K)、無芒雀麥(S)、葦狀羊茅(T)和紫花苜蓿，形成紫花苜蓿-草地早熟禾(AK)、紫花苜蓿-無芒雀麥(AS)、紫花苜蓿-葦狀羊茅(AT)、紫花苜?！匣ㄜ俎?AA)，以AK、AS、AT 3種輪作為處理，AA連作為對(duì)照。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為5 m×2 m，小區(qū)間距40 cm，區(qū)組間距均為20 cm。播種量為：草地早熟禾15 kg/hm2、無芒雀麥30 kg/hm2、葦狀羊茅38 kg/hm2、紫花苜蓿15 kg/hm2。條播，行距均為25 cm。播種前進(jìn)行土地鎮(zhèn)壓平整，試驗(yàn)期間各小區(qū)統(tǒng)一管理。適時(shí)對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行鋤雜草、病蟲害防治及灌溉等田間管理。試驗(yàn)過程中未施用化肥。苜蓿的首次刈割在初花期進(jìn)行，3種禾本科牧草的首次刈割在抽穗期進(jìn)行。

1.4 取樣方法

分別于輪作第2年牧草第1茬刈割后(6月13日)、牧草生長季中(8月15日)以及牧草生長季末(10月7日)進(jìn)行隨機(jī)土壤取樣，采集0～20與20～40 cm土樣，采用多點(diǎn)混合取樣法。12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)，剔除其中的植物殘?bào)w和石塊后，自然風(fēng)干過1 mm篩，用于測定土壤養(yǎng)分。

1.5 指標(biāo)測定及方法

土壤指標(biāo)的測定[22]：

有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，全磷和有效磷采用鉬藍(lán)比色法。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，并采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作處理對(duì)生長季土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

3個(gè)輪作處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均低于對(duì)照AA。0～20 cm土層，AK、AS、AT輪作的有機(jī)質(zhì)含量與AA相比，在第1茬牧草刈割后分別顯著降低7.12%、9.99%、5.66%(P<0.05)，在生長季中分別顯著降低8.62%、9.28%、7.15%，在生長季末分別顯著降低7.52%、7.81%、6.49%。但不同生長季內(nèi)3個(gè)輪作處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著(圖1)。

圖1 不同輪作模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量

20～40 cm土層，AK、AS、AT輪作的土壤有機(jī)質(zhì)含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別降低4.77%、11.41%、15.57%，在生長季中分別降低6.18%、11.53%、12.38%，在生長季末分別顯著降低7.68%、13.92%、13.56%(P<0.05)。且全生長季均為AS和AT輪作的土壤有機(jī)質(zhì)含量與AA差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同輪作模式對(duì)土壤全氮含量的影響

3個(gè)輪作處理的土壤全氮含量均低于對(duì)照AA。0～20 cm土層，AK、AS、AT輪作的全氮含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別顯著降低12.83%、10.93%、13.30%(P<0.05)，牧草生長季中分別顯著降低7.84%、7.30%、6.76%(P<0.05)，牧草生長季末分別顯著降低7.16%、10.88%、11.41%(P<0.05)。但不同生長季內(nèi)3種輪作模式的全氮含量并無顯著差異(圖2)。

圖2 不同輪作模式下土壤全氮含量

20～40 cm土層，AK、AS、AT輪作的全氮含量分別與AA連作相比，第1茬牧草刈割后顯著降低5.56%、10.99%、7.44%(P<0.05)，AK輪作的全氮比AS 輪作顯著提高6.09%(P<0.05)。牧草生長季中分別降低3.39%、0.14%、3.76%(P>0.05)，牧草生長季末分別比AA連作降低4.12%、6.98%、5.67%，AS輪作與AA連作差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同輪作模式對(duì)土壤堿解氮含量的影響

全生長季觀察期3個(gè)輪作處理的土壤堿解氮含量均低于對(duì)照AA。在0～20 cm土層，AK、AS、AT輪作的堿解氮含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別顯著降低10.30%、7.97%、11.72%(P<0.05)，牧草生長季中分別顯著降低15.70%、15.24%、18.13%(P<0.05)。牧草生長季末分別顯著降低12.29%、18.51%、12.30%(P<0.05)。但不同生長季內(nèi)3種輪作模式的堿解氮含量并無顯著差異(圖3)。

圖3 不同輪作模式下土壤堿解氮含量

20～40 cm土層，AK、AS、AT輪作的堿解氮含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別降低10.45%、4.65%、16.49%,且AK和AT輪作與AA連作差異顯著(P<0.05)，AS輪作的堿解氮含量相比AT輪作顯著提高14.19%(P<0.05)。牧草生長季中分別顯著降低20.27%、24.09%、17.87%(P<0.05)，牧草生長季末分別顯著降低13.23%、5.17%、18.45%(P<0.05)，AK和AT輪作相比AA連作差異顯著(P<0.05)，AS輪作的堿解氮含量相比AT輪作顯著提高16.29%(P<0.05)。

2.4 不同輪作模式對(duì)土壤全磷含量的影響

3個(gè)輪作處理的土壤全磷含量均低于對(duì)照AA。在0～20 cm土層，AK、AS、AT輪作的全氮含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別降低3.05%、6.55%、4.95%(P>0.05)，牧草生長季中分別降低5.43%、0.99%、5.23%(P>0.05)，牧草生長季末分別降低7.00%、5.98%、6.42%(圖4)。

圖4 不同輪作模式下土壤全磷含量

20～40 cm土層，AK、AS、AT輪作的全氮含量與AA連作相比，第1茬牧草生長刈割后AK輪作的全磷含量比AA連作提高4.24%，AS和AT輪作的全磷含量分別比AA連作降低7.28%和10.26%。牧草生長季中3種輪作的全磷含量分別比AA連作降低5.39%、9.72%、8.19%。牧草生長季末AK和AT輪作的全磷含量分別比AA連作降低7.19%和0.58，AS輪作相比AA連作全磷含量增加9.66%(P>0.05)，AS輪作相比AK輪作，全磷含量顯著提高18.15%(P<0.05)。

2.5 不同輪作模式對(duì)土壤有效磷含量的影響

3個(gè)輪作處理的土壤速效磷含量均高于對(duì)照AA。在0～20 cm土層，AK、AS、AT輪作的全磷含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別顯著提高13.25%、9.50%、7.39%(P<0.05)。牧草生長季中分別提高13.16%、12.14%、9.45%(P>0.05)。牧草生長季末分別提高10.83%、11.50%、8.92%，且AK和AS輪作與AA連作差異顯著(P>0.05)(圖5)。

圖5 不同輪作模式下土壤有效磷含量

在20～40 cm土層，AK、AS、AT輪作的全磷含量與AA連作相比，第1茬牧草刈割后分別提高19.87%、14.48%、5.54%，且AK和AS輪作和AA模式差異顯著(P<0.05)。牧草生長季中分別提高16.72%、12.45%、5.84%，且AK和AS輪作和AA模式差異顯著(P<0.05)。牧草生長季末分別顯著提高12.55%、18.45%、20.85%(P<0.05)。

3 討論

有研究認(rèn)為，耕作過程增加了對(duì)土壤的干擾，會(huì)導(dǎo)致土壤退化進(jìn)程加速，加快了對(duì)土壤養(yǎng)分的利用[23]。但同時(shí)也有大量研究表明，在輪作系統(tǒng)中引入豆科作物可以有效地改良土壤，提高土壤肥力[24-26]。并且苜蓿茬口的養(yǎng)分效應(yīng)可以維持3～5 a，本試驗(yàn)選取了5 a的紫花苜蓿草地為前茬，土地的肥力條件尚可。在此基礎(chǔ)上連作苜蓿，土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷等養(yǎng)分要高于其他種植禾本科牧草的模式，這印證了楊恒山等[9]的試驗(yàn)結(jié)果，苜蓿與禾本科作物輪作，加快了禾本科作物對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降。

苜蓿與非豆科作物輪作時(shí)，會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有一定的影響。在本試驗(yàn)中，苜蓿與3種禾本科牧草輪作后，土壤有機(jī)質(zhì)含量均小于苜蓿連作，且20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)變化程度相較0～20 cm土層更加劇烈。造成這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分具有表聚性，表層積累了一定量的枯枝落葉，植物殘?bào)w進(jìn)入土壤后致使土壤養(yǎng)分在表層富集[27]，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化較小。且禾本科牧草的根系主要集中在20～40 cm土層，對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響更大。不同禾本科牧草對(duì)20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)的利用程度不盡相同，3種輪作模式中紫花苜蓿—葦狀羊茅輪作的全生長季有機(jī)質(zhì)平均含量相比苜蓿連作下降最為明顯，達(dá)到13.87%。

苜蓿根系發(fā)達(dá)，附著的根瘤固氮能力強(qiáng)，可以達(dá)到培肥地力、維持氮素水平的作用[28-29]。在本試驗(yàn)中，苜蓿與3種禾本科牧草輪作后，土壤全氮和堿解氮呈下降趨勢。趙思騰等[13]通過將玉米和苜蓿輪作，其土壤全氮含量高于玉米和馬鈴薯與小麥分別輪作，張成君等[30]發(fā)現(xiàn)玉米—豌豆輪作，豌豆—高粱輪作，其堿解氮含量低于苜蓿連作，與本試驗(yàn)結(jié)果相一致。不同輪作的土壤全氮含量相比連作下降的幅度在0～20 cm土層要高于20～40 cm，但不同模式間變化幅度較小。對(duì)于不同輪作模式的堿解氮含量變化，20～40 cm土層的變化幅度相比0～20 cm更劇烈。其中紫花苜?！敔钛蛎┹喿鞯南陆捣容^其他模式更大。造成不同土層間養(yǎng)分含量變化不同的原因可能是全氮養(yǎng)分不能被植物所吸收而在土壤表層富集，禾本科牧草因?yàn)閷?duì)堿解氮的利用致使20～40 cm土層其含量變化更為明顯。

苜蓿生長過程中對(duì)土壤磷素的需求量比較大，而且正常刈割使牧草從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)被不斷帶出，導(dǎo)致土壤中速效磷的減少。本試驗(yàn)中苜蓿與3種禾本科牧草輪作，土壤速效磷含量均高于苜蓿連作，第一茬牧草刈割后AK輪作的速效磷含量比AA連作提高了19.87%，牧草生長季末AT輪作比AA提高了20.85%。這與劉沛松[23]等苜蓿連作的有效磷水平遠(yuǎn)低于苜蓿與谷子、馬鈴薯、小麥等作物連作的結(jié)果相一致。本試驗(yàn)中苜蓿與禾本科牧草連作后，土壤中全磷含量無顯著變化，說明苜蓿與禾本科輪作對(duì)土壤全磷影響不大。這一結(jié)果與王俊等[10]苜蓿與玉米、馬鈴薯等作物輪作，全磷水平基本上沒有顯著變化的結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

在半干旱地區(qū)紫花苜蓿與不同多年生禾本科牧草輪作后，對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生了不同的影響，不同牧草輪作模式可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮的利用率，并且將土壤有效磷含量保持在一個(gè)較高的水平。紫花苜?！敔钛蛎┹喿鲗?duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮的利用率較高，紫花苜?！莸卦缡旌梯喿鲗?duì)土壤速效磷的保持性較好。本試驗(yàn)研究了紫花苜蓿與3種多年生牧草輪作對(duì)不同生長季土壤養(yǎng)分的影響，對(duì)今后不同科牧草輪作具有指導(dǎo)和借鑒意義。