基于灰色关联度法的不同年龄紫花苜蓿草地土壤肥力评价

2015-04-15王振南张清平陆姣云杨梅杨惠敏草地农业生态系统国家重点实验室兰州大学草地农业科技学院甘肃兰州730020

草业科学 2015年8期

王振南，张清平，陆姣云，杨梅，杨惠敏(草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州730020)

王振南，张清平，陆姣云，杨梅，杨惠敏
(草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州730020)

土壤肥力能反映植物的生长潜力和表现，但又受到植物的影响。在多年生草地系统中，利用年限(牧草年龄)对土壤肥力的影响还没有准确的阐述。采用灰色关联度分析法，对6个年龄紫花苜蓿(Medicago sativa)草地土壤碳、氮、磷、钾等指标进行综合分析，以关联度进行排序对不同年龄草地土壤肥力进行评价。结果表明，在不同土层，紫花苜蓿草地土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、速效磷和全钾含量随年龄而变化的趋势不一致。运用灰色关联度分析后发现，0－10和10－20 cm土壤肥力最好的年龄均为5龄草地，而20－30 cm土壤肥力最好的年龄为8龄，5龄草地次之。因此，从土壤肥力角度可确定黄土高原地区5龄紫花苜蓿草地利用最佳。

灰色关联度;利用年限;苜蓿;土壤养分

王振南，张清平，陆姣云，杨梅，杨惠敏.基于灰色关联度法的不同年龄紫花苜蓿草地土壤肥力评价［J］.草业科学，2015，32(8) : 1230-1236.

WANG Zhen-nan，ZHANG Qing-ping，LU Jiao-yun，YANG Mei，YANG Hui-min.Assessment of soil fertility in lucerne stands of different ages using grey correlative degree analysis［J］.Pratacultural Science，2015，32(8) : 1230-1236.

碳(C)、氮(N)、磷(P)和钾(K)是植物生长的必需元素［1-2］，其在土壤中的含量反映了土壤肥力状况。植物会通过凋落物分解和根系分泌等方式将营养元素返还到土壤中［3］，因此，土壤肥力受到植物自身营养状况及生理生化特征的极大影响;另一方面，土壤肥力必然影响植物的生长和生物量积累(生产)。在多年生草地(如紫花苜蓿草地)系统中，多年生牧草的生理功能的年际变化以及多次反复的地上部分的移除(主要为刈割和放牧)导致植物对土壤的影响更大，二者间的联系也更复杂。

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有较高的营养、经济和环境保护等价值，已被世界各国广泛利用［4］。虽然紫花苜蓿的平均寿命能够超过20年［5-6］，但利用年限过长会导致饲草产量和品质的降低［7-12］。紫花苜蓿植株的营养状况与草地土壤肥力密切偶联，土壤肥力能直接体现植物的生长潜力和表现。因此，紫花苜蓿饲草产量和品质降低可能与草地土壤肥力的变化有关，但并没有确定的解释。已有研究表明，随着紫花苜蓿年龄的增加，土壤全氮和碱解氮含量升高［13-14］，速效钾、全钾含量升高［13］或降低［14-15］，速效磷含量增加，全磷含量先增加后减小［14］。实际上，土壤肥力涉及到多种元素的复杂变化，仅根据氮元素或其他单一元素含量的变化并不能准确而科学地判断草地土壤肥力。采用灰色关联度分析法(Grey Correlative Degree Analysis，GRDA)［16］，对不同种植年限紫花苜蓿草地土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮和速效磷含量进行了综合分析，评价了不同年龄紫花苜蓿草地的土壤肥力状况，以期为苜蓿的合理种植利用及确定最佳的利用年限提供一定的理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验在兰州大学庆阳黄土高原试验站(107°51' E，35°39' N)进行。该地位于陇东黄土高原中部，海拔1 298 m，年降水量480～660 mm，多年平均降水量561 mm［17］，全年降水的60%以上集中在7至9月，年蒸发量1 100～1 500 mm，年日照时数2 300～2 700 h，年均气温8～10℃，无霜期150～190 d，土壤类型为黑垆土。

1.2试验材料

2002年(取样时11年龄)、2005年(8年龄)、2006年(7年龄)、2008年(5年龄)、2009年(4年龄)和2012年(1年龄)建植的陇东苜蓿(Medicago sativa cv.Longdong)草地，其前茬作物均为冬小麦(Triticum aestivum)，地力及栽培管理方式均一致。于2012年8月10日(第2茬初花期)进行土壤样品采集。各龄苜蓿地每次取样设置3个重复，每个重复以五点取样法在样地中用土钻分层(按0―10、10―20和20―30 cm)采集土样，同层混合。土样常温风干，过2 mm筛网，用于测定土壤铵态氮、硝态氮［18］和速效磷含量;部分土样过0.25 mm筛网，用于测定土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量。

1.3测定指标与方法

有机碳(Organic Carbon，OC)的测定采用重铬酸钾加热氧化法［19］，全氮(Total Nitrogen，TN)的测定采用凯氏定氮法［20］，全磷(Total Phosphorus，TP)的测定采用NaOH－熔融―钼锑抗比色法［19］，全钾(Total Potassium，TK)的测定采用NaOH熔融―火焰光度法［19］，铵态氮(Ammonium Nitrogen，NH4+)和硝态氮(Nitrate Nitrogen，NO3－)采用FIASTAR 5000连续性流动分析仪测定［18］，速效磷(Available Phosphorus，AP)采用0.5 mol·L－1NaHCO3浸提―分光光度法测定［19］。

1.4灰色关联度分析

将上述6个年龄陇东苜蓿草地土壤的7种指标作为一个灰色系统，则每个不同年龄草地土壤作为灰色系统的一个因素，应用灰色关联度分析法［16］对不同年龄紫花苜蓿草地土壤肥力进行综合分析。

(1)参考数列

以各指标的最优值构成理想的参考数列: X0(k)={ X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n) }，以各指标的测定值构成比较数列: Xi(k)={ Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n) }，其中，k=1，2，3，…，n，n为测定指标数(此处为7)，i=1，2，3，…，m，m为测定不同年龄草地数(此处为6)。

(2)指标的无量纲化

将各指标的测定值转化为评价值，用Xi＇(k)=Xi(k)/X0(k)对原始测量数据进行无量纲化处理，使所有数据在［0，1］区间之内。

(3)关联系数

2　结果与分析

2.1不同年龄紫花苜蓿草地土壤元素含量

不同年龄紫花苜蓿草地土壤各元素含量在不同土层间有较大差异(表1)。在0―10 cm土层，11龄、8龄、5龄草地土壤OC含量显著高于7龄和1龄草地土壤OC(P＜0.05) ; 8龄草地土壤TN和TP含量明显高于7龄和4龄，但与其他龄草地土壤TN 和TP含量无显著差异(P＞0.05) ; 7龄和5龄草地土壤AP含量显著高于其他龄; 8龄和1龄草地土壤含量显著高于其他龄; 7龄、5龄和4龄草地土壤含量显著高于1龄，其他龄草地土壤间无显著差异;土壤TK含量在各龄草地土壤间无显著差异。在10－20 cm土层，5龄草地土壤OC含量显著高于7龄，其他龄草地土壤OC含量无显著差异; 1龄草地土壤TN含量显著高于其他龄，并且其他龄草地土壤间无显著差异; 1龄和8龄草地土壤含量显著高于其他龄; 4龄草地土壤具有最高含量; 8龄和1龄草地土壤TP含量显著高于11龄，其他龄草地土壤间无显著差异; 8龄、7龄和5龄草地土壤AP含量明显高于11龄，其他龄草地土壤间无显著差异; 5龄草地土壤TK含量显著高于7龄和1龄，其他龄草地土壤间无显著差异。在20－30 cm土层，7龄草地土壤OC含量明显低于其他龄，其他龄草地土壤间无显著差异; 1龄草地土壤TN含量高于8龄，7龄和4龄，其他龄草地土壤间无显著差异; 8龄和1龄草地土壤含量显著高于其他龄草地土壤;土壤含量在4龄草地最高，8龄草地土壤最低，其他龄草地间无显著差异; 11龄和5龄草地土壤TP含量显著高于7龄、4龄和1龄; 8龄草地土壤AP含量显著高于11龄和4龄，其他龄草地间无显著差异; 11龄草地土壤TK含量明显大于其他龄。

2.2测定指标的无量纲化和关联系数

对不同年龄紫花苜蓿草地土壤各测定指标无量纲化后的结果(表2)表明，0―10 cm的理想的参考数列X0(k)={ 8.60，1.31，41.33，12.85，0.892，7.1，20.60}，10―20 cm的X0(k)={ 6.94，1.44，41.96，10.62，0.882，4.0，20.75}，20―30 cm的X0(k)={ 5.89，1.31，42.78，7.28，0.961，4.2，23.26}。各测定指标的关联系数如表3所示。

2.3土壤肥力评价

不同年龄紫花苜蓿草地土壤肥力的灰色关联度和排序如表4所示。等权关联度排序和加权关联度排序一致，在0－10和10－20 cm土层，土壤肥力最好的年龄均为5龄草地;在20－30 cm土层，土壤肥力最好的年龄为8龄草地，5龄草地土壤肥力仅次于8龄草地。所以综合分析，5龄苜蓿草地土壤肥力最佳。

3　讨论与结论

灰色关联度分析法克服了单一元素不能准确评价不同年龄草地土壤肥力的问题，能客观反映出土壤肥力最佳的草地年龄，不会因为草地土壤单一元素表现最佳而判断相应草地年龄为最佳，或者相反。目前，灰色关联度分析方法已经在玉米(Zea mays)［21-22］、大豆(Glycine max)［22］、小麦(Triticum aestivum)［23］、紫穗槐(Amorpha fruticosa)［24］、苜蓿［25］等的研究中得到应用，用来评价其营养价值、生产性能、抗旱性等，而在土壤肥力的评价上主要应用于森林生态系统［26］。本研究采用灰色关联

表1　不同年龄紫花苜蓿草地土壤元素含量Table 1 Soil element contents of lucerne cultivated in different years　g·kg－1

表2　测定指标的无量纲化Table 2 Dimensionlessness of measured indexes

表3　测定指标的关联系数Table 3 Correlative coefficient of measured indexes

度分析法评价了不同年龄紫花苜蓿草地的土壤肥力，避免了单一元素评价可能造成的偏差。不同年龄紫花苜蓿草地土壤中不同元素表现不一，单一元素分析会得到不同结果。如，0－10 cm土层，8龄草地土壤TN和TP含量显著高于7龄和4龄; 7龄和5龄草地土壤AP含量显著高于其他龄; 8龄和1龄草地土壤含量明显高于其他龄; 7龄、5龄和4龄草地土壤含量明显高于1龄，其他龄草地土壤间无显著差异;土壤TK含量在各龄草地土壤间无显著差异。同样，10－20和20－30 cm土层各元素含量变化不一致(表1)，因此，仅从碳、氮、磷或钾等单一元素含量出发，不能得到一致而准确的评价结果。

不同年龄紫花苜蓿自身的生长状况及其生长的土壤环境均有差异。随着紫花苜蓿种植年限的增加，牧草产量逐渐降低［14］，这可能与叶绿素a和b含量降低导致光合能力减弱、有机物积累减少有关［27］。也有研究表明，随着种植年限的增加，紫花苜蓿的结瘤密度增加［28］，土壤全氮、碱解氮、速效钾、全钾含量升高［13］，土壤肥力增加［6，29］。然而，本研究发现，在不同土层，单一元素含量随紫花苜蓿年龄而变化的趋势是不确定的，也就是说，前人发现的增加的趋势往往并不是单向的。根据生产力动态、土壤水分状况、土壤理化特性以及叶片的光合生理生态指标等，万素梅［30］、Li和Huang［31］提出苜蓿的利用年限不宜超过8年。而在本研究中，利用灰色关联度分析法综合评价了6个年龄紫花苜蓿草地土壤肥力，得出了5龄草地土壤肥力最佳的结果，从土壤肥力的角度确定黄土高原庆阳地区紫花苜蓿最佳利用年龄为5龄。

表4　不同年龄紫花苜蓿草地土壤肥力的等权关联度(GCD)、加权关联度(WGCD)和排序Table 4 Values and orders of grey correlative degree (GCD) and weighted GCD (WGCD) of soil fertility of lucerne cultivated in different years

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(责任编辑王芳)

Assessment of soil fertility in lucerne stands of different ages using grey correlative degree analysis

WANG Zhen-nan，ZHANG Qing-ping，LU Jiao-yun，YANG Mei，YANG Hui-min
(State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems; College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China)

Soil fertility reflects the performance and growth potential of plant which is easily affected by the plant.In the perennial grassland-ecosystem，the effect of forage age on the soil fertility has not been clearly elucidated yet.In the present study，the soil fertility in lucerne stands with six different ages were comprehensively analysed using grey correlative degree analysis to evaluate the effect of stand age on soil fertility.In different soil layers，the contents of organic carbon，total nitrogen，ammonium，nitrate，total phosphorus，available phosphorus and total potassium were different in different lucerne stands cultivated in different years，and they differently varied with stand age.Using grey correlative degree analysis，the best soil fertility was observed in 5-year old stands in 0－10 and 10 －20 cm soils，the best soil fertility was observed in 8-year old stands and the better soil fertility was observed in 5-year old stands in 20－30 cm soils.Conclusively，in the Loess Plateau，the optimal utilisation age of lucerne was 5-year old considering soil fertility.

grey correlative degree analysis; utilisation time; Medicago sativa; soil nutrient

YANG Hui-min E-mail: huimyang@lzu.edu.cn

S812.2; S541+.106.1

1001-0629(2015) 08-1230-07*

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0473

2014-10-23接受日期: 2015-01-12

国家自然科学基金(31172248) ;人力资源和社会保障部2012年度留学人员科技活动项目择优资助经费;甘肃省科技重大专项(1203FKDA035)

王振南(1988-)，男，山东临沂人，在读博士生，主要从事元素生态化学计量学特征的研究。E-mail: wangzn11@lzu.edu.cn

杨惠敏(1978-)，男，湖北应城人，博导，博士，主要从事草类植物逆境生物学研究。E-mail: huimyang@lzu.edu.cn