陇中黄土高原不同种植年限苜蓿草地土壤水分及产量响应

罗珠珠，牛伊宁，李玲玲，蔡立群，张仁陟，谢军红

（1．甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2．甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室，甘肃兰州730070）

陇中黄土高原不同种植年限苜蓿草地土壤水分及产量响应

罗珠珠1，2，牛伊宁2，李玲玲2，蔡立群1，2，张仁陟2，谢军红2

（1．甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2．甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室，甘肃兰州730070）

本研究利用黄土高原西部典型半干旱雨养农业区不同种植年限苜蓿草地布设田间试验，系统研究了3，6，8，10，12以及14 a紫花苜蓿生产力及其土壤水分变化特征。结果表明，不同种植年限紫花苜蓿草产量差异显著，且表现为随着种植年限的增加，呈先增加后减小的趋势，其中以8 a苜蓿草产量最高，为12128 kg／hm2。持续种植3，6，8，10，12和14 a苜蓿草地0～300 cm土层平均含水量均明显低于当地土壤稳定湿度值，其中12和14 a仅为9．20%和7．14%，甚至低于作物有效水分下限。随着苜蓿种植年限的延长，土壤干燥化程度加剧，但干燥化速率呈减缓趋势。综合苜蓿生产力动态和土壤水分状况，本研究表明陇中黄土高原地区紫花苜蓿适宜的种植年限为8 a。

紫花苜蓿；土壤水分；产草量

紫花苜蓿（Medicago sativa）由于其高产、优质、抗逆性强且蛋白质含量高，素有“牧草之王”的美誉。紫花苜蓿根系具有很强的根瘤固氮作用，据估算当年生苜蓿固定到土壤中的氮为35～305 kg／hm2，比其他作物地和天然草地高。我国半干旱地区，每hm2苜蓿1年可在土壤中固定约270 kg氮，相当于825 kg硝酸铵［1］，且其根瘤菌和大量的须根给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机质，改善土壤团粒结构。因此，苜蓿作为退耕还林还草的主要草种，其在黄土高原地区的种植面积逐年扩大，并对于该区的脆弱生态修复、土壤结构改善、土壤肥力提高起着极为重要的作用［2］。

水资源缺乏是影响黄土高原地区植物生长和生态恢复的首要限制因子，土壤储水对增加和维持作物产量有着十分重要的作用。黄土高原地区降水入渗深度一般为100～300 cm，但土壤物理蒸发和植被蒸腾作用层深度可达800～1000 cm，导致深层土壤经常处于水分亏缺状态，从而产生土壤干层，使得林草植被衰退，并呈现逐年加深趋势［3］。紫花苜蓿属于多年生和深根系植物，对土壤水分消耗十分强烈，土壤干燥化现象普遍发生，引起苜蓿生长逐渐趋缓，产草量持续下降，最终出现严重的苜蓿草地退化现象，并制约后续植被或作物生长［4-9］。李玉山［10］研究认为多年连续种植苜蓿会导致土壤干化，土壤干层出现在200 cm土层以下；程积民等［4］的研究结果表明，在苜蓿生长的第3年，100～210 cm土层出现干层，生长到第6年苜蓿草地开始衰败；半湿润区的苜蓿草地也存在不同程度的土壤干层，土壤干化程度随其生长年限的延长逐渐加深［11-12］，苜蓿生长6～8 a后应及时更新［13］。Saeed和Nadi［14］认为水分缺乏导致苜蓿种群密度、茎重和叶面积下降，苜蓿干草产量与土壤水分呈线性相关。

上述相关研究对苜蓿草地的土壤水分状况做了有益的探索，对研究黄土高原地区土壤干层的水分恢复十分有益，但大多研究主要集中在宁南山区和陇东旱塬，缺乏针对陇中黄土高原半干旱区的相关研究。而大量研究表明，干旱、半干旱地区土壤水分贮量和分布因土壤质地、土地覆盖、植被生长年限以及气候条件的影响而有所不同［15-17］。因此，本研究针对陇中黄土高原半干旱区不同种植年限苜蓿草地，分析探讨其土壤水分消耗规律及其生产力状况，并进一步评价了不同种植年限苜蓿草地土壤干燥化特征，旨在为陇中黄土高原半干旱区苜蓿草地可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

试验设在黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇麻子川村。试区属中温带半干旱区，平均海拔2000 m，年均太阳辐射592．9 kJ／cm2，日照时数2476．6 h，年均气温6．4℃，≥0℃年积温2933．5℃，≥10℃年积温2239．1℃；无霜期140 d，年均降水390．9 mm（图1），年蒸发量1531 mm，干燥度2．53，为典型的雨养农业区。土壤为典型的黄绵土，土质疏松，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好。该区农田土壤理化性状如表1所示。

1．2 试验设计

根据研究区苜蓿的生长年限及试验需要，2012年选取种植年限分别为3，6，8，10，12，14 a生紫花苜蓿草地为研究对象，苜蓿品种均为当地传统种植品种陇东苜蓿，生长期间均未施肥、灌水，且各年生紫花苜蓿面积均在100 m2以上，地块邻近，地势平坦，各处理3次重复。

各处理依次为：1）3 a，人工建植3 a的苜蓿草地，2010年7月播种；2）6 a，人工建植6 a的苜蓿草地，2007年4月播种；3）8 a，人工建植8 a的苜蓿草地，2005年4月播种；4）10 a，人工建植10 a的苜蓿草地，2003年4月播种；5）12 a，人工建植12 a的苜蓿草地，2001年7月播种；6）14 a，人工建植14 a的苜蓿草地，1999年7月播种。

1．3 测定项目与方法

1．3．1 土壤水分 2012年苜蓿返青开始，每两周分11层测定不同种植年限苜蓿草地0～300 cm土壤水分，层次分布如下：0～5 cm，5～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～80 cm，80～110 cm，110～140 cm，140～170 cm，170～200 cm，200～250 cm，250～300 cm。其中表层0～5 cm和5～10 cm用烘干法测定，10～300 cm用中子水分测定仪测定，中子仪读数根据校正曲线换算为体积含水量［18］。

土壤最大有效贮水量（mm）＝（DUL－CLL）×土层深度（mm）

式中，DUL为土壤最大重力持水量，用池塘法［19］测定；CLL为作物在该土壤中的萎蔫系数（作物有效水分下限），用遮雨棚法［19］测定。

土壤有效贮水量（mm）＝土壤剖面贮水量－CLL

土壤水分过耗量（mm）＝土壤剖面贮水量－SSM式中，SSM为土壤稳定湿度，通常旱地土壤能够长期维持的土壤湿度，其值为田间持水量50%～75%［20-21］，轻壤土的土壤稳定湿度相当于田间持水量的49%～54%［22］。在本研究中，SSM为CLL与DUL的平均值。

土壤干燥化速率（mm／a）＝土壤水分过耗量／生长年限

1．3．2 苜蓿产量 试验期间不同种植年限苜蓿刈割2次，分别于2012年7月20日、10月1日刈割，每茬收割面积为1 m2，留茬高度3 cm，收割后立即称鲜草重。采集部分鲜草样，在50～60℃烘3～4 h，之后在105℃烘3～4 h，冷却之后称重，计算干物质率，推算地上部分生物量，各处理重复3次。

1．3．3 水分利用效率（WUE） 苜蓿水分利用效率定义为苜蓿干草产量（kg／hm2）与草地耗水量ET（mm）的比值。

式中，Y为苜蓿干草产量（kg／hm2），ET为耗水量（mm）。P为生育期内降水量（mm），ΔS即为收获期和播种期0～300 cm土壤剖面贮水量（mm）之差。

1．4 土壤干燥化评价方法

本研究采用文献［7］提出的土壤干燥化指数（soil desiccation index，SDI）方法来评价土壤干燥化强度。SDI定义为某一土层实际土壤有效含水量占该层土壤稳定有效含水量比值的百分数，其含义为某一土层可供植物吸收利用的土壤实际有效含水量占该层土壤正常有效含水量的比重，公式表达为：式中，SDI为土壤干燥化指数；SM为土壤湿度；SSM为土壤稳定湿度。

土壤干燥化强度划分为6级：1）SDI≥100%，为无干燥化；2）75%≤SDI＜100%，为轻度干燥化；3）50%≤SDI＜75%，为中度干燥化；4）25%≤SDI＜50%，为严重干燥化；5）0≤SDI＜25%，为强烈干燥化；6）SDI＜0，为极度干燥化。

1．5 数据分析

采用Excel 2003软件处理数据，采用SPSS 18．0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2．1 不同种植年限苜蓿草地土壤水分变化特征

持续种植3，6，8，10，12和14 a苜蓿草地0～300 cm土层平均含水量分别为11．91%，11．35%，11．40%，11．32%，9．20%和7．14%，均明显低于当地土壤稳定湿度值19．04%，其中12和14 a甚至低于CLL（10．63%），且显著低于其余处理（P＜0．05）（表2）。这说明随着紫花苜蓿生长年限延长，其地上部分的旺盛生长和生物量的大幅度增加，地下根茎也同时伸长、下扎，导致土壤水分利用充分，苜蓿持续种植10 a以后草地已经处于相当干燥的土壤水分环境下。不同种植年限苜蓿草地0～300 cm土层贮水量199．68～345．73 mm，土壤有效贮水量22．60～26．78 mm，土壤水分过耗量225．96～372．01 mm。本研究进一步对苜蓿草地土壤干燥化程度的评价研究发现，3，6，8，10，12以及14 a紫花苜蓿草地0～300 cm土层干燥化指数分别为44．57%，23．67%，24．16%，23．37%，1．19%和－20．23%，表明不同种植年限苜蓿草地土壤均达到了不同程度的干燥化，且随种植年限的延长干燥化程度加剧。但是，随草地生长年限延长，苜蓿草地土壤干燥化速度呈减缓趋势，由3 a的76．71 mm／a降低到10 a的22．74 mm／a。

2．2 不同种植年限苜蓿草地土壤水分垂直分布

图2显示不同种植年限苜蓿草地0～300 cm土层水分的垂直变化规律：随土层深度的增加，土壤含水量增加，在30～50 cm土层，达到全层最大值，土壤含水量为10．77%～15．83%；50 cm土层土壤含水量开始下降，100 cm土层以下土壤含水量变化趋势平缓。

0～100 cm土层范围，3 a苜蓿草地土壤含水量最高，为12．27%，其次是6，8，10以及12 a，分别为11．59%，11．50%，11．19%，10．98%，14 a苜蓿草地土壤含水量最低，仅为8．01%，比3 a低4．26%。100～300 cm土层范围，3和10 a苜蓿草地含水量最高，均为11．48%，其次是8和6 a苜蓿草地，分别为11．28%和11．07%，12 a以及14 a苜蓿草地土壤含水量均较低，分别为7．06%和6．10%，比3和10 a低4．42%～5．38%。

由于黄土高原地区降水少蒸发大，地下水埋藏深，在林草植被强烈耗水情况下，深层土壤处于水分亏缺状态，有时甚至达到或接近凋萎湿度，导致土壤湿度长期处于较低水平，最终形成土壤干层。为此，本研究进一步将土壤水分与试区DUL、CLL以及SSM进行比较分析，不同生长年限紫花苜蓿0～300 cm土壤水分均分布在土壤稳定湿度线左侧部分，而且由于经过多年的生长消耗大量水分，甚至出现了土壤湿度低于CLL的极度干燥化土层，其中12和14a苜蓿分别位于50 cm以下，6和8 a位于140 cm以下，3和10 a分别位于170 cm以下。

2．3 不同种植年限苜蓿草地生产力

由表3可知，不同种植年限紫花苜蓿生产力在不同茬次变化趋势基本一致：即苜蓿生长的第8年，产量达到最高。从不同茬次看，不同种植年限第1茬草产量对年产草量贡献率较大，占全年草产量的71．50%～78．32%，第2茬草产量仅占21．68%～28．50%。就第1茬产量而言，8 a苜蓿显著高于其余种植年限（P＜0．05）；不同种植年限苜蓿第2茬产量表现为8和10 a苜蓿之间差异不显著，但它们均显著高于其余种植年限（P＜0．05）。从两茬紫花苜蓿的总产看，8 a苜蓿显著高于其余所有年限（P＜0．05），分别比3，6， 10，12和14 a苜蓿高40．64%，40．44%，19．64%，46．54%，67．02%。说明随着生长年限的延长，苜蓿产量增加，在苜蓿生长的第8年，产量达到最高，之后产量逐年下降。这归因于苜蓿生长前期土壤供水充足，苜蓿耗水较为强烈，苜蓿高产具有较好的水分基础，而后期发生干燥化后苜蓿生长衰败，加之一年生杂草的竞争导致密度降低，产量也随之降低。

产量动态指数（Yi）为各生长年限苜蓿的实际产量与同一年份的2～4年生高产期苜蓿产量之比值，不受降水量的影响，可以避免环境因素对产量发生波动性影响［14］。根据本试验实际情况，该研究产量动态指数为各生长年限苜蓿的实际产量与同一年份的3 a苜蓿产量之比值。由表3可以看出，苜蓿产量动态指数表现为随着生长年限的延长，Yi值逐渐增加，在苜蓿生长的第6～10年，Yi值大于1．0，且以第8年最高；苜蓿生长超过10 a，Yi值开始下降，小于1．0，生长出现衰退。从实测的苜蓿产草量也可以看出，12和14 a苜蓿产草量仅为6484和4000 kg／hm2，表明苜蓿生长严重衰败。

2．4 不同种植年限苜蓿水分利用效率

不同种植年限苜蓿草地土壤贮水量、耗水量及水分利用效率存在差异（表4）。从表3可以看出，紫花苜蓿生长年限不同，其产草量波动较大，产量变化区域为4000～12128 kg／hm2，导致其总耗水量之间也存在显著差异，6 a紫花苜蓿总耗水量显著高于其余年份（P＜0．05）。从水分利用效率看，不同种植年限紫花苜蓿间差异达显著水平（P＜0．05）。其中以8 a紫花苜蓿水分利用效率最高（34．29 kg／mm·hm2），其次为10，12，3和6 a紫花苜蓿，14 a紫花苜蓿水分利用效率最低，仅为12．53 kg／（mm·hm2），比8 a紫花苜蓿低21．76 kg／（mm·hm2）。这足以说明紫花苜蓿生长年限较长时，草地容易发生衰败，生物量锐减，植被盖度较低，属于无效耗水的棵间蒸发比例较高，不能够把降雨有效地转化为作物的产量，导致水分利用效率不高。总之，在相同降水条件下，种植年限影响紫花苜蓿对水分的利用，其中以8 a紫花苜蓿水分利用效率最高。

3 讨论

3．1 种植年限对苜蓿草地土壤水分的影响

紫花苜蓿属于多年生、深根系、强耗水作物，年需水量500～900 mm，而陇中黄土高原半干旱区多年平均降水量不足400 mm，远不能满足苜蓿生长对水分的需求，导致苜蓿草地土壤干燥化过程十分强烈。本试验研究结果发现，随着苜蓿种植年限的延长土壤干燥化程度加剧，持续种植3a紫花苜蓿土壤表现为严重干燥，之后表现为强烈干燥和极度干燥。但是，随苜蓿种植年限的延长，草地土壤干燥化速度呈减缓趋势，这与李军等［7］和孙剑等［23］的研究结果基本一致。

此外，许多学者对黄土高原地区土壤干层进行了相关研究，认为在黄土高原地区，苜蓿草地年蒸散量大于年降水量，浅层土壤水分不能满足植物生长需要时，大量耗用深层土壤水分，多年连续种植导致土壤干化，最终形成土壤干层。张春霞等［12］在陇东黄土高原半湿润区苜蓿草地的研究发现，5，10，15 a生苜蓿草地土壤干层分别出现在220，240，260 cm土层。本试验的研究结果得出了相反的结论，即随着苜蓿生长年限的延长，土壤干层逐渐上移，这与刘沛松等［24］的研究结果一致。说明苜蓿生长年限越长，根系越发达，由此导致土壤干燥层由下向上逐渐加厚。

3．2 种植年限对苜蓿草地生产力的影响

草产量的高低标志着草地生产力的大小，也是衡量草地退化的重要指标。苜蓿生育期不同茬次生长阶段的温度、降水和日照时数等气象条件对苜蓿的生长有很大影响，第1茬草产量对年草产量贡献率较大，占全年草产量的70%以上，第2茬草产量仅占全年的20%～30%，这与折凤霞等［25］和万素梅等［26］的研究结论基本一致。

苜蓿生长耗水量明显高于当地降水量，其生长前期耗水依靠自然降水和深层土壤贮水双重供给，水分满足程度较高，产草量也较高。但随着苜蓿生长年限的增加，深层土壤水分过耗强烈，土壤水库贮水量逐年降低，根系耗水深度逐渐加深，土壤干层逐渐形成并不断加厚，深层土壤水分供给量逐渐减少以至最终消失，苜蓿生长主要依靠当年降水供给，水分供应不足导致苜蓿生长逐渐衰败和死亡，加之一年生杂草的竞争，产量也随之降低。万素梅等［26］和曹永红等［27］在宁南山区的研究发现，苜蓿播后一直到第5 a间的产草量处于上升阶段且产草量最高出现在生长第6 a，种植6 a以后产草量开始下降。本试验条件下，随着生长年限的延长，苜蓿产量增加，在苜蓿生长的第8 a产量达到最高，苜蓿生长超过8 a后产量开始逐年下降，这与研究区的气候条件及经营管理方式有密切的关系，因为苜蓿全年产草量同时受第1次刈割期的影响很大［28］，从而影响到土壤贮水量的高低和苜蓿翻耕年限。韩仕峰［6］根据黄土高原不同气候类型区的降水条件，认为应重视提高土壤水分对苜蓿生长的主导作用，分别提出不同降水类型区的苜蓿适宜生长时间，干旱区以6～7 a为宜，半干旱地区为8～9 a，半湿润地区可延长到9～10 a。也有研究认为，为了保持高原沟壑区苜蓿地持续产草量，在苜蓿生长到3～5 a就应耕挖［29］，然后通过种植3～5 a粮食作物来恢复土壤水分［30］。根据苜蓿生产力动态和土壤水分状况，本试验研究认为在陇中黄土高原地区，紫花苜蓿适宜的生长年限为8 a，最迟不能超过10 a，这与韩仕峰［6］和王美艳等［31］提出的半干旱区苜蓿草地最佳利用年限较为接近。

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Soil moisture and alfalfa productivity response from different years of growth on the Loess Plateau of central Gansu

LUO Zhuzhu1，2，NIU Yining2，LI Lingling2，CAI Liqun1，2，ZHANG Renzhi2，XIE Junhong2
1.College of Resources and Environmental Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science，Lanzhou 730070，China

The productivity and soil moisture of alfalfa（Medicago sativa）grassland with different years of growth（3，6，8，10，12 and 14 years）were investigated in a typical semiarid area on the Western Loess Plateau．There were significant differences in the dry matter yield from alfalfa grasslands with different years of growth．At first the dry matter yield increased，then it declined．The highest hay yield（12128 kg／ha）was found in alfalfa grassland with eight years of growth．Average soil moistures in 0－300 cm soil layers of alfalfa grasslands with different years of growth was significantly lower than local soil stable moisture（SSM）．The soil water content in grasslands with alfalfa that had been growing for twelve and fourteen years was 9．20% and 7．14%respectively，which is even lower than the crop lower limit（CLL）．Over the years of alfalfa growth，soil desiccation intensity increases and soil desiccation rate decreases．Therefore，according to the soil moisture and productivity results produced by this study，the optimum growth period for alfalfa production is eight years in semi-arid areas of the Loess Plateau．

alfalfa；soil moisture；hay yield

10．11686／cyxb20150105 http：／／cyxb．lzu．edu．cn

罗珠珠，牛伊宁，李玲玲，蔡立群，张仁陟，谢军红．陇中黄土高原不同种植年限苜蓿草地土壤水分及产量响应．草业学报，2015，24（1）：31-38．

Luo Z Z，Niu Y N，Li L L，Cai L Q，Zhang R Z，Xie J H．Soil moisture and alfalfa productivity response from different years of growth on the Loess Plateau of central Gansu．Acta Prataculturae Sinica，2015，24（1）：31-38．

2013-11-11；改回日期：2014-09-02

国家自然科学基金（31171513，41461067），甘肃省干旱生境作物学重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地基金（GSCS-2012-08），甘肃省科技计划（145RJZA208）和国家科技支撑计划（2012BAD14B03）资助。

罗珠珠（1979-），女，甘肃天水人，副教授，博士。E-mail：Luozz＠gsau．edu．cn