晋北盐碱区不同种植年限人工紫花苜蓿草地土壤质量的评价

郑敏娜， 梁秀芝， 李荫藩， 韩志顺， 康佳惠， 陈燕妮

(山西省农业科学院高寒区作物研究所， 山西 大同 037008)

土壤和植被作为陆地生态系统功能的基础，土壤质量状况和植被生长状况是陆地生态系统可持续发展的重要保证[1]。在陆地生态系统中，土壤为植被生长提供必需的营养物质，同时土壤的系统结构和养分状况又受植被生长状况的调控[2]，不同土地种植方式和人为干预措施都会影响土壤质量的发展方向和改变幅度[3-4]。人工草地生态系统的土壤是在植物因素和人类活动的共同作用下形成的，其质量亦在多种因子的综合作用下发生复杂变化[1]。建植者合理的土地利用方式和管理措施可以增强草地生态系统土壤抗干扰能力，而不合理的土地利用方式则会破坏土壤结构，加速土壤逆向演替，降低系统生产力。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作为优良的多年生豆科牧草，以其独特的作用和功能长期享有“牧草之王”的美誉[5]，是北方人工草地植被建植的首选种类。近20年来，苜蓿改良土壤的作用已得到许多研究者的肯定，是提高土壤质量的有效途径之一，例如，元炳成[5]在河西走廊黑河流域开展了盐泽土改良研究，其结果表明种植紫花苜蓿对草甸盐土有显著的改良效果；在吴旭东等[6-7]的研究中发现，人工紫花苜蓿草地养分含量与利用年限密切相关；张宝泉[8]等指出，在渭北旱塬区种植紫花苜蓿可在一定程度上改善土壤质量，并且土壤质量在前11年呈改善趋势，之后随着苜蓿草地的退化土壤质量会下降。

灰色系统理论[9]是近年发展起来的一种分析理论，可客观地反映供试土壤诸多指标在土壤质量上的综合表现，克服了依靠单一指标(如全氮)评价土壤质量的弊端。目前，关于大同盐碱地区紫花苜蓿种植年限对土壤质量影响的系统研究亦未见报道。因此，本研究以7 种不同年限紫花苜蓿人工草地为研究对象，结合土壤质量指标研究紫花苜蓿不同种植年限对土壤质量的影响，确定最佳种植年限，为大同地区或类似生态区域紫花苜蓿生产和生态建设提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验在山西省农业科学院试验基地进行。试验点具体位于山西省大同市水泊市乡，E 112°34′～114°34′，N 39°03′～40°44′，海拔1 050 m。该区域属典型的干旱大陆性季风气候，年均降雨量为350～500 mm，年蒸发量为1 800 mm左右，无霜期为140 d，年均气温为7.5℃，春秋季水分蒸发比较强烈。至本试验开始时，试验点种植年限最长的紫花苜蓿草地为11年龄，最短的为2年龄，均为春播，播种前均施尿素55 kg·hm-2，钾肥75 kg·hm-2，磷肥75 kg·hm-2，其余时期均不施肥；灌水全部采用漫灌方式，生长期间均每年刈割3次,其余田间管理措施基本一致。

1.2 样地选择与土壤样品采集

1.2.1样地选择 2014年7月，为了比较和分析不同种植年限人工草地土壤质量的变化情况，在研究区选择立地条件相似、管理措施一致的不同种植年限的6种典型紫花苜蓿样地，并以农地(马铃薯)作为对照。供试紫花苜蓿品种为‘雷达可之星’(Ladak)，由美国引进。具体种植年限如表1所示。

表1 土壤采样点基本信息Table 1 Description of sampling sites

1.2.2土壤样品采集与预处理 按对角线采样法，在各个样地内距植株5～10 cm处，用土钻采集不同土层土样(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)。每块样地内每个采样点均为5点混合样，取样后，先分层混合，再采用四分法取土0.5 kg，3次重复。采集的土样在室内置于通风处风干后，先拣出植物根系、动物残体和碎石等杂物，礳碎后分别过0.25和1 mm筛。

1.3 测定指标与方法

土壤样品分析在吉林农业大学草业生态实验室进行，共测定11项指标，包括：有机质、有机碳、pH、全氮、有效氮、有效钾、全磷、水溶性钙、水溶性镁、磷酸酶活性和脲酶活性。测定方法参照鲁如坤[10]和关松荫[11]等。

1.4 研究方法

1.4.1灰色关联度评价模型的构建

1.4.1.1 灰色关联度分析的原理与评价指标的建立

本研究基于灰色系统关联度理论[9]，选择3个土层(0～20、20～40和40～60 cm)土壤有机质、有机碳、全氮、速效氮、全磷、速效钾、pH值、水溶性钙、水溶性镁、脲酶和碱式磷酸酶等11项指标作为土壤质量评价指标，以此为基础构建土壤质量综合评价模型。根据紫花苜蓿对土壤养分的需求特点，11项指标均选择其数值最大为最优，构成最优指标集。

1.4.1.2 评价模型的构建

(1) 等权关联度

根据人工苜蓿草地恢复模式土壤质量的变化特点，假定本地区存在一个理想的人工苜蓿草地恢复模式，以该模式的各项土壤质量指标作为参考模式。假若设参考数列为xo，比较数列为xi，且i= 1，2，3，…n，且xo={xo(1)，xo(2)，xo(3)，…xo(n)} ，xi= {xi(1)，xi(2)，xi(3)，…xi(n)}，则用下列公式计算各个参比因子的灰色关联度系数ξi(k)：

(1)

式中，ξ(k)为xo与xi在第k点的关联度系数[9]；|xo(k)-xi(k)|为绝对差值；ρ为分辨系数，本研究中取值为0.5。

最后，根据ξ(k)求出不同模式草地土壤质量的等权关联度Ri:

(2)

式中，N为土壤质量指标的总数，本研究N=11。

(2) 判断指标权重

本研究运用判断矩阵法确定各评价指标的权重，构建判断矩阵，并做一致性检验，从而最终确定所选定的各评价指标对土壤质量影响的权重Wi:

(3)

(3) 加权关联度

(4)

1.4.2聚类分析 在聚类分析中采用最短距离法，以不同种植年限人工苜蓿草地种植模式作为总体样本，11项土壤理化指标作为样本变量，将供试样本进行分类。

2 结果与分析

2.1 基于灰色关联度法的土壤质量评价

依灰色关联度理论，各层最优指标集分别为X1(k)={1.642，0.952，83.832，122.108，0.054，0.089，0.430，0.038，8.670，0.249，3.170}，X2(k) ={2.197，1.274，72.000，61.740，0.041，0.061，0.243，0.026，8.600，0.101，1.333}，X3(k)={0.837，0.485，114.770，47.040，0.029，0.041，0.398，0.038，8.660，0.225，2.870 }。采用均值化方法对原始指标数据(表2)进行标准化处理。

表2 土壤质量评价指标分析结果Table 2 Measured values of soil quality evaluation index

计算出二级最小差为0，二级最大差为0.982。由公式(1)计算关联系数(表3)。

表3 被评价对象的关联系数Table 3 Correlation coefficient of evaluation objects

在各指标具有同等重要性的情况下，由公式(2)计算出的各参试指标的等权关联度，才能直接用于评价不同模式的优劣。而实际上，反映不同土壤层次的各性状特征值的重要性并不相同，因此，本研究采用判断矩阵法确定各评价指标的权重，并以公式(3)计算出各指标对应的具体权值，赋予3个土层的33个性状指标不同权重(表4)。

表4 土壤质量评价指标的权重Table 4 Weight of soil quality evaluation index

加权关联度值比较真实、合理的反映出供试土壤指标值与最优指标集间的差异大小，关联度值越大，表明该模式与最优指标集的相似程度越高，反之则差异越大。根据加权关联度公式(4)计算各恢复模式的加权关联度值(表5)。由表5可知，本研究中灰色关联度值大小顺序为：M10>M2>M13>M3>M6>M1>CK。

表5 被评价对象的加权关联度Table 5 Correlation degree of evaluation objects

2.2 聚类分析

进一步通过聚类分析对灰色关联度评价结果划分等级。当把分析的7种不同种植年限紫花苜蓿草地聚成 5个类时，由图 1 可知，第1类包括模式M10，第2包括模式M2和M13，第3类包括模式M3，第4类包括模式M6，第5类包括模式CK和M1。结合表5可以发现，在不同种植年限紫花苜蓿人工草地的土壤质量评价中，10年龄紫花苜蓿草地的土壤质量最优。

图1 不同种植年限紫花苜蓿人工草地土壤质量评价系统聚类图Fig.1 Hierarchical clustering diagram of soil quality assessment of alfalfa field with different growing years

3 讨论与结论

本研究利用灰色系统关联度理论，分析了6 个不同种植年限人工苜蓿草地和1个农地(对照)的土壤质量的变化情况。基于灰色系统理论，认为供试草地土壤的加权关联度值ri越高，其对应的草地土壤质量越好。从灰色关联度值(表4)可以看出，种植10年的苜蓿地土壤质量最好，可有效地增加土壤养分含量，提高土壤质量，这可能是因为随着苜蓿种植年限的增加，地上生物量减少，土壤养分消耗降低，同时，苜蓿-根瘤菌共生体发育更加成熟，固氮能力相对增强，并且大量进入土壤的凋落物经微生物作用形成腐殖质，使土壤肥力或质量明显提高，此后，人工紫花苜蓿草地进入次生天然草地演替阶段[8]，苜蓿生物量及其覆盖度明显减低，土壤质量又开始下降。本研究种植2、3、6年的苜蓿地与种植1年苜蓿地(或农地)相比，土壤质量都得到了不同程度的提高，这表明种植苜蓿对土壤营养元素、有机碳等指标有累积作用。另外，种植年限和刈割也是影响土壤养分含量差异的主要原因[6]，因此，我们可以通过减少刈割次数或在适当的时间进行补种更新，使土壤养分保持相对稳定状态。

综上所述，在晋北干旱区种植紫花苜蓿可在一定程度上改善土壤质量。土壤质量在种植10年时达到最佳状态，之后随着苜蓿草地的退化土壤质量开始下降。综合考虑土壤养分及其影响因子认为，在该区域或类似地区植被建设中应在种植紫花苜蓿10年后对草地进行合理利用或进行其他人工干预如重新建植以保持土壤质量。