5龄紫花苜蓿轮作草地早熟禾的土壤养分变化特征

2019-12-12师尚礼张晓燕张翠梅来幸樑陈永岗孙守江甘肃农业大学草业学院甘肃兰州730070

草业科学 2019年11期

阿芸，师尚礼，张晓燕，张翠梅，李文，吴芳，周彤，来幸樑，陈永岗，孙守江（甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州 730070）

随着化肥和农药的广泛施用，人们逐渐忽略土地用养结合，导致土壤理化性质恶化、养分失衡、有毒物质累积越来越多等，出现了土壤退化现象[1-5]。在生产实践中，苜蓿重茬种植导致其产量和品质下降，深层土壤干层加厚，土壤养分失衡，限制了农牧业持续发展，连续多年在同一块地上种植同一种牧草已不现实[6]。苜蓿→作物轮作是一种有利于均衡利用土壤养分和防治病、虫、草害的高水平种植方式[7-8]，能改善土壤理化性质，以及恢复和维持地力。尽管轮作的部分作用已被化学肥料和农药代替，但轮作对土壤的潜在性和生物活性是不可代替的[9-10]。

紫花苜蓿(Medicago sativa)被称为“牧草之王”，其根系发达，适应范围广，抗寒、抗旱、耐贫；具有保持水土、防固风沙、土壤改良和植物修复等重要生态功能[11-14]，也是草田轮作的重要草种[15-16]；草地早熟禾(Poa pratensis)有“绿草之冠”之称，具有分布地区广、抗逆性强、耐寒、易繁殖、再生、返青期早和绿期长等特征[17]，营养价值较高、适口性好和茎叶柔软且幼嫩[18]。前人有关苜蓿→一年生作物[玉米(Zea mays)、小麦(Triticumaestivum)、谷子(Setaria italica)和马铃薯(Solanum tuberosum)等]土壤养分的研究较多[19-22]，而有关紫花苜蓿与多年生禾本科轮作的研究鲜见报道。紫花苜蓿与草地早熟禾轮作，不仅能产生饲草，而且改善土壤理化性质，恢复和维持地力。因此，研究紫花苜蓿→草地早熟禾土壤养分变化特征，为紫花苜蓿和草地早熟禾高产、高效的养分及恢复地力具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在暖温半干旱气候区的甘肃农业大学兰州牧草试验站，位于兰州市西北部，105°41′ E，34°05′ N，海拔1 595 m。年均气温9.7 ℃，平均年降水量451.6 mm，年蒸发量1 664 mm，属温带半干旱大陆性气候，区内地势平坦，肥力均匀，土壤类型为黄绵土，基本理化性质如表1所列。

表 1 紫花苜蓿茬地土壤基本理化指标值Table 1 The soil properties at the alfalfa experimental sites

1.2 试验设计

2016 年 3 月翻耕两块相同的5 龄甘农 9 号紫花苜蓿草地，于4 月 23 日同时进行播种，一块翻耕后的草地上播种海波草地早熟禾 (紫花苜蓿→草地早熟禾轮作，轮作后第 1 年和第 2 年分别用 AP 和A2P 表示)，另一块翻耕后的草地上继续播种紫花苜蓿作为对照 (紫花苜蓿连作，连作后第 1 年和第2 年分别用AA 和 A2A 表示)。

试验采用随机区组设计，1个处理，3次重复，小区面积10 m2(2 m × 5 m)，小区间距40 cm，区组间距均为20 cm。甘农9号紫花苜蓿单播播种量15 kg·hm-2、海波草地早熟禾15 kg·hm-2，条播，行距均为25 cm。整个试验期间均不施肥[23]。轮作后第1、2年作物生长季初(4月15日)、季中(7月15日)和季末(10月15日)进行随机土壤取样，采集0-20与20-40 cm土样，采用多点混合取样法。

1.3 指标测定及方法

有机质含量用重铬酸钾-加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，全磷含量用HClO4-H2SO4法测定，全钾含量采用火焰光度法测定[24]。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0系统软件进行性状相关性分析；采用Excel 2010对数据进行基本统计分析。

2 结果与分析

2.1 轮作和连作处理下的土壤有机质含量

随草地早熟禾种植时间的延长，轮作处理的土壤有机质含量总体呈下降趋势(图1)；且轮作处理的土壤有机质含量高于连作处理。

0-20 cm土层，轮作第1年(AP) 4月和10月土壤有机质含量显著高于连作(AA) (P ＜ 0.05) (图1)，7月则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均AP (8.48 g·kg-1)较AA (7.29 g·kg-1)提高了16.32%；轮作第2年(A2P)土壤有机质含量与连作处理(A2A)间无显著差异(P ＞ 0.05)，月均A2P(6.19 g·kg-1)较A2A (5.66 g·kg-1)提高了9.36%；月均A2P和A2A分别较AP和AA下降了27.00%、22.35%。

图 1 轮作和连作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤有机质变化特征Figure 1 Variation characteristic of soil organic matter content in alfalfa and Poa pratensis

20-40 cm土层，轮作第1年4月测定的土壤有机质含量与连作间无显著差异(P ＞ 0.05) (图1)，7月和10月则AP显著高于AA (P ＜ 0.05)，月均AP(6.94 g·kg-1)较AA (5.31 g·kg-1)提高了30.69%；轮作第2年4月测定的土壤有机质含量在连作间差异不显著(P ＞ 0.05)，7月和10月则A2P显著高于A2A(P ＜ 0.05)，月均A2P (5.52 g·kg-1)较A2A (4.73 g·kg-1)提高了16.70%；月均A2P和A2A较AP和AA下降了20.46%、10.92%。

2.2 轮作和连作处理下的土壤全氮含量

随草地早熟禾种植时间的延长，轮作处理的土壤全氮含量总体均呈下降趋势(图2)；且轮作处理的土壤全氮含量高于连作处理。

图 2 轮作和连作下紫花苜蓿草地早熟禾的土壤全氮变化特征Figure 2 Variation characteristic of soil total nitrogen content in alfalfa and Poa pratensis

0-20 cm土层，轮作第1年土壤全氮含量与连作无显著差异(P ＞ 0.05) (图2)，月均AP (1.55 g·kg-1)较AA (1.46 g·kg-1)提高了6.16%；轮作第2年4月、10月土壤全氮含量与连作间无显著差异(P ＞ 0.05)，7月则轮作显著高于连作(P ＜ 0.05)，月均A2P (1.23 g·kg-1)较A2A (1.17 g·kg-1)提高了5.12%；月均A2P和A2A分别较AP和AA减少了20.64%、19.86%。

20-40 cm土层，轮作第1年土壤全氮含量与连作间无显著差异(P ＞ 0.05) (图2)，月均AP (1.26 g·kg-1)较AA (1.20 g·kg-1)提高了5.00%；轮作第2年4月和7月土壤全氮含量与连作间无显著差异(P ＞ 0.05)，10月测定的则显著低于连作，月均A2P(1.04 g·kg-1)较A2A (1.03 g·kg-1)增加了0.97%；月均A2P和A2A分别较AP和AA减少了17.46%、14.16%。

2.3 轮作和连作处理下的土壤碱解氮变化

随草地早熟禾种植时间的延长，轮作处理的土壤碱解氮含量总体均呈下降趋势(图3)，且轮作处理的土壤碱解氮含量高于连作处理。

0-20 cm土层，轮作第1年4月土壤碱解氮含量显著高于连作(P ＜ 0.05) (图3)，7月和10月测定的则无显著差异(P ＞ 0.05)，月均AP (49.31 mg·kg-1)较AA (47.35 mg·kg-1)提高了4.13%；轮作第2年4月土壤碱解氮含量显著高于连作(P ＜ 0.05)，7月和10月则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均A2P (41.35 mg·kg-1)较A2A (39.94 mg·kg-1)提高了3.54%；月均A2P和A2A分别较AP和AA减少了16.14%和15.64%。

20-40 cm土层，轮作第1年土壤碱解氮含量与连作无显著差异(P ＞ 0.05) (图3)，月均AP(22.79 mg·kg-1)较AA (22.28 mg·kg-1)提高了2.29%；轮作第2年4月土壤碱解氮含量显著高于连作(P ＜0.05)，而7月和10月测定的则无显著差异(P ＞0.05)，月均A2P (19.29 mg·kg-1)较A2A (18.39 mg·kg-1)提高了4.89%；月均A2P和A2A分别较AP和AA减少了15.36%和17.45%。

图 3 轮作和连作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤碱解氮变化特征Figure 3 Variation characteristic of available nitrogen content in soil of alfalfa and Poa pratensis

2.4 轮作和连作处理下的土壤全磷含量

随草地早熟禾种植时间的延长，轮作处理的土壤全磷含量总体呈下降趋势(图4)；且轮作处理的土壤全磷含量明显高于连作处理

0-20 cm土层，轮作第1年4月和10月土壤全磷含量显著高于连作(P ＜ 0.05) (图4)，7月测定的则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均AP (0.46 g·kg-1)较AA (0.39 g·kg-1)提高了17.94%；轮作第2年7月和10月测定的全磷含量显著高于连作，4月测定的则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均A2P (0.44 g·kg-1)较A2A (0.37 g·kg-1)提高了18.91%；月均A2P和A2A较AP和AA减少了4.34%和5.12%。

20-40 cm土层，轮作第1年土壤全磷含量与连作无显著差异(P ＞ 0.05) (图4)，月均AP (0.31 g·kg-1)较AA (0.30 g·kg-1)提高了3.33%；轮作第2年10月土壤全磷含量与A2A无显著差异(P ＞ 0.05)，而4月和7月测定的则轮作显著高于连作(P ＜ 0.05)，月均A2P (0.30 g·kg-1)较A2A (0.24 g·kg-1)提高了25.00%；月均A2P和A2A较AP和AA减少了3.22%和20.00%。

图 4 轮作和连作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤全磷变化特征Figure 4 Variation characteristic of soil total phosphorus content in alfalfa and Poa pratensis

2.5 轮作和连作处理下的土壤全钾含量变化

随草地早熟禾种植时间的延长，轮作处理的土壤全钾含量总体呈下降趋势；且轮作处理的土壤全钾含量明显高于连作处理。

0-20 cm土层，轮作第1年4月和7月土壤全钾含量显著高于连作(P ＜ 0.05) (图5)，10月测定的则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均AP (4.44 g·kg-1)较AA (4.10 g·kg-1)提高了8.29%；轮作第2年4月和10月土壤全钾含量显著高于连作(P ＜ 0.05)，7月测定的则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均A2P (4.77 g·kg-1)较A2A (3.99 g·kg-1)增加了19.54%；月均A2P较AP高出7.43%，而A2A较AA低出2.68%。

图 5 轮作和连作下紫花苜蓿和草地早熟禾的土壤钾含量变化特征Figure 5 Variation characteristic of soil total potassium content in alfalfa and Poa pratensis

20-40 cm土层，轮作第1年4月和7月土壤全钾含量显著高于连作(P ＜ 0.05) (图5)，10月测定的则差异不显著(P ＞ 0.05)，月均AP (2.73 g·kg-1)较AA (2.10 g·kg-1)提高了30.00%；轮作第2年4月和10月土壤全钾含量显著高于连作(P ＜ 0.05)，7月测定的两处理间无显著差异(P ＞ 0.05)，月均A2P (2.77 g·kg-1)较A2A (2.19 g·kg-1)提高了26.48%；月均A2P和A2A分别较AP和AA增加了1.46%和4.28%。

3 讨论

3.1 不同年限紫花苜蓿→草地早熟禾土壤养分含量变化

研究证实，苜蓿→作物(马铃薯、小麦和谷子)土壤有机质含量持续下降，土壤全氮含量因轮作作物不同而差异较大，但总体上呈下降趋势[22]。虎德钰[25]对苜蓿地翻耕后进行草田轮作得出，2年轮作期间0-60 cm土层有机质和全氮含量降低，土壤全磷有增有减。本研究没有选用以上相应的轮作模式，而是对紫花苜蓿与多年生禾本科轮作进行了研究，种植草地早熟禾第2年与第1年相比，0-20 cm土层，第2年月均有机质、全氮、碱解氮和全磷含量分别较第1年下降了27.00%、20.64%、16.14%和4.43%；20-40 cm土层，第2年有机质、全氮、碱解氮、全磷和全钾含量分别较第1年下降了20.46%、17.46%、15.36%、3.22%和1.46%。这与前人的研究结果[19, 20, 22, 25]基本一致。

3.2 紫花苜蓿→草地早熟禾和紫花苜蓿→紫花苜蓿土壤养分含量变化特征

研究证实，烟→稻轮作或烟草→玉米轮作区土壤有机质、全氮、碱解氮含量高于烤烟连作，而土壤全磷和全钾含量有所不同[26]。研究表明，苜蓿→小麦与苜蓿连作相比，可以提高土壤有机质和碱解氮的含量[27]；小麦与红豆草(Onobrychis viciaefolia)轮作对提高土壤氮素有促进作用[28]。本研究表明，在0-20与20-40 cm土层下紫花苜蓿→草地早熟禾轮作全氮、碱解氮含量高于连作，主要原因是紫花苜蓿连作后根系分泌的自毒物质使其固氮能力减弱[29-30]。轮作后第1年，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和全钾含量在0-20 cm土层中分别较连作提高16.32%、6.16%、4.13%、17.94%和8.29%；20-40 cm土层中分别提高30.69%、5.00%、2.29%、3.33%和30.00%；轮作后第2年，0-20 cm土层中分别提高9.36%、5.12%、3.54%、18.91% 和19.54%；20-40 cm土层分别提高16.70%、0.97%、4.89%、25.00%和26.48%。这说明紫花苜蓿→草地早熟禾与紫花苜蓿→紫花苜蓿相比，可提高土壤有机质、全磷和全钾的含量，提高氮的利用率，这与前人的研究结果[27-28]相近。