不同豆禾牧草混播对土壤质地及肥力的影响

霍雅媛，曹 宏，柴守玺,张述强

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3.陇东学院农林科技学院，甘肃 庆阳 745000)

建立人工草地是发展集约化草地畜牧业、实施生态恢复与系统重建和可持续发展战略的重要措施[1]。从农业生产和家畜养殖角度考虑，建立人工草地不仅要获得高而稳定的牧草产量，还应使多种牧草(豆科、禾本科)有比例地均衡发展；从生态学方面考虑，群落结构与功能也应具有稳定性[2]。合理的牧草品种组合是实现产量和组分双重稳定的前提，也是维系干扰稳定性的主要途径[3-5]。因此，建立高产、优质和稳定的混播草地群落是降低人工草地建植与管理成本，提升其经济生态效益的关键[2]。赵海新、Sturludottir等[6-7]研究表明，不同豆科与禾本科牧草混播草地具有高产、优质和稳定的特点，是栽培草地的重要发展方向。与单播草地相比，混播草地不仅可改善草地生态系统氮素营养平衡[8-9]，在提高草地质量或产量方面具有优势[10-12]，还在改善土壤肥力、实现系统可持续生产方面具有明显作用[13-15]。因此，豆禾混播草地往往成为许多地区人工草地建植的首选类型[16]。

陇东地区位于西北干旱半干旱地区，区域内干旱少雨，沟壑纵深，坡耕地面积大，属于农牧交错地区，也是甘肃省牧草种植和家畜养殖的传统区域。目前，关于豆禾混播草地的研究主要集中在混播后(与单播草地相比) 牧草产量、牧草品质或生产性能的改善[17-18]，稳定性的提高[19]，种间竞争过程[20]，以及土壤氮、磷、碳等养分的变化上[21-23]，而对于混播群落自身结构对土壤养分影响的差异关注较少[24]。因此，本文以庆阳市西峰区旱地人工建植牧草为例，研究了不同豆禾牧草混播组合及混播比例下土壤结构和有效养分的变化规律，旨在探索黄土高原地区不同类型人工草地对土壤肥力的影响,为旱地人工草地建植与持续利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省庆阳市西峰区陇东学院试验农场(107°40′E，35°44′N，海拔1 421 m)，属于黄土高原陇东半干旱气候区，年日照总数2 400～2 600 h，年无霜期160～180 d，年降水量400～600 mm，降雨多集中在7—9月，年平均气温10℃。试验地土壤类型以黑垆土为主，有机质含量为1.33%，全氮含量为0.9 g·kg-1，速效氮含量为51.2 mg·kg-1，全磷含量为0.87 g·kg-1，速效磷含量为11.9 mg·kg-1，速效钾含量为179 mg·kg-1，土壤肥力中下等，地势平坦，前茬作物为玉米。

1.2 试验材料及试验设计

试验采用双因素随机区组设计。A因素为豆禾混播种类：豆科为红豆草，禾本科为黑麦草、无芒雀麦、冰草，设3个处理，其中A1为红豆草×黑麦草，A2为红豆草×无芒雀麦，A3为红豆草×冰草；B因素为豆禾混播比例，设7个处理，其中豆禾比例5个，为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3，分别用B1、B2、B3、B4、B5表示，2个对照为：红豆草单播、禾草单播，分别用CK1、CK2表示，共17个处理(见表1)，每处理重复3次。试验小区面积为5 m2(2 m×2.5 m)，行距为20 cm，处理间距为50 cm，重复间距为100 cm。试验于2017年3月播种。每个处理均在自然条件下生长，无灌溉与施肥条件。

表1 试验处理

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤容重 2019年5月22日于试验田0～20 cm处取样，采用环刀法[25]，在每个小区随机选取具有代表性的一整块土壤，剥去因土壤表面与土锹接触而变形的部分，用环刀取样，然后将环刀置于环刀盒内，运回实验室进行测定。

1.3.2 土壤孔隙度 一般不直接测量，可根据土壤容重和比重计算而得。计算公式：土壤孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100(容重单位为g·cm-3，比重一般为常值,为2.65 g·cm-3)

1.3.3 土壤团聚体 取样时间和深度同上，采用随机取样法，在每个小区随机选取具有代表性的一整块土壤，剥去土壤表面与土锹接触而变形的部分，均匀地取回未变形的土样(约2 kg)，置于封闭的铝盒内，运回实验室。将土块剥成10～12 mm直径的小块，除去粗根和石块，避免受机械压力而变形，然后将样品风干2～3 d，至样品变干为止，采用机械筛分法[25]测定土壤团聚体。

1.3.4 土壤有机质的测定 2019年3月21日采用随机取样法于试验田取样，在每个小区随机选取具有代表性的3个点，用土钻分别在0～10、10～20、20～40 cm处取样，然后采用四分法除去多余的土样，把试验所需的土样做好标记带回实验室，自然风干5～7 d后将土样研磨，使其全部通过18目筛，采用重铬酸钾容量法[26]测定土壤有机质含量。

1.3.5 土壤速效养分的测定 土壤速效氮、速效磷、速效钾的取样时间、方法和样品处理同上。土壤速效氮采用碱解扩散法测定(用1.0 mol·L-1NaOH处理土壤，使易水解态氮(潜在有效氮)碱解转化为NH3，NH3扩散后为H2BO3所吸收，再用标准酸溶液滴定，算出土壤速效氮含量)；土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定(用0.5mol·L-1NaHCO3浸提剂、无磷活性炭处理土壤，再加显色剂测吸光度，算出土壤速效磷含量)；土壤速效钾采用火焰光度法测定[26](用1.0 mol·L-1NH4OAc作为浸提剂与土壤胶体阳离子交换，NH4OAc浸出液用火焰光度计直接测定，算出土壤速效钾含量)。

1.4 数据处理与分析

试验所得数据利用SPSS 20.0和Excel 2010进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同豆禾牧草混播方式对土壤容重、土壤孔隙度的影响

土壤容重的大小反映土壤结构、透气性、透水性以及保水能力的高低，一般土壤容重越小说明土壤结构、透气透水性能越好；土壤孔隙度的作用是通气、通水和保水，也可贮存土壤有机质。二者对促进改善土壤疏松度的效果最好，进而改善土壤肥力[27]。从表2可知，不同豆禾混播的组合及比例对0～20 cm耕作层土壤容重及孔隙度的影响表现各异，其中A1B1、A1B2、A2B3、A3B2、A3B4处理的结果较好，A2B2处理的结果最好。与CK1相比，A2B2土壤容重减少了7.25%，土壤孔隙度含量增加了8.14%；与CK2相比较，A2B2土壤容重减少了9.86%，土壤孔隙度含量增加了10.81%。

表2 不同混播方式对土壤容重、孔隙度的影响

2.2 不同豆禾牧草混播方式对土壤团聚体的影响

从表3可知，不同豆禾混播的组合及比例对0～20 cm耕作层中团粒结构(≥0.25 mm)的影响表现各不相同，其中A2B3和A3B1组合的总团聚体含量较高(11.10%和8.65%)，A2B2组合总团聚体含量最高(17.13%)。与CK1相比较，A2B2土壤总团聚体含量增加了13.56%；与CK2相比较，A2B2土壤总团聚体含量增加了13.45%。由此可见，A2B2组合对土壤团聚体的改善效果最好，即当红豆草∶无芒雀麦=4∶6时对改善土壤团聚体的效果最明显，进而使土壤质地得到相应的改善。

表3 不同混播方式对土壤团聚体的影响/%

2.3 不同豆禾牧草混播方式对土壤有机质的影响

不同混播组合方式对土壤有机质含量的影响表现见图1。在0～10 cm土层，A1C1、A1B1、A1B2、A1B3、A1B4、A1B5、A2B1、A2B2、A2B3、A2B4、A2B5各处理表现差异显著(P<0.05)；A3B1、A3B3、A3B4、A3B5显著低于其他处理(P<0.05)；在20～40 cm土层,A3B1、A3B3、A3B4、A3B5与其余各处理相比，差异不显著(P>0.05)。

由此可见，不同豆禾混播组合及混播比例能显著提高土壤有机质的含量，其中A1B2组合对土壤有机质的提升效果最好，其土壤有机质含量为4.57%～5.83%，分别比CK1、CK2增加了40.3%、31.0%，故而对增加土壤有机质含量的效果最明显，使土壤肥力得到相应的改善。

2.4 不同豆禾牧草混播方式对土壤主要养分的影响

2.4.1 不同豆禾牧草混播方式对土壤速效氮的影响 由图2可知，在0～10 cm土层内，不同豆禾混播处理对土壤速效氮的影响，相比于CK1、CK2都有所增加，增幅分别达3.0%～27.7%、1.4%～41.3%，其中A1B1、A2B1、A2B5、A3B2、A3B5显著低于其余处理(P<0.05)；在10～20 cm土层内，A1B2、A1B3显著低于其余处理(P<0.05)，但也比CK1、CK2高；在20～40 cm土层内，仅有A2B2显著高于其余处理(P<0.05)，其余处理间差异不显著(P>0.05)。

总体来看，A2B2在各个土层内与其它处理差异达到显著水平，其土壤速效氮含量为51.42～81.75 mg·kg-1，分别比CK1、CK2增加了20.1%、16.1%，即当红豆草∶无芒雀麦=4∶6时对增加土壤速效氮含量的效果最好。

2.4.2 不同豆禾牧草混播方式对土壤速效磷的影响 由图3可知，在0～10 cm土层内，不同豆禾混播组合方式对土壤速效磷的影响，A1B1、A3B2、A3B4显著低于其余各处理(P<0.05)；在10～20 cm土层内，A2B4、A3B2、A3B4显著低于其余各处理(P<0.05)；在20～40 cm土层内，A2B4、A3B2显著低于其余各处理(P<0.05)。综上可知，在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层中，各处理与CK1、CK2相比，其土壤速效磷含量都有所增加，增幅分别达21.1%～93.3%、31.9%～91.1%。其中，A2B3组合磷含量最高(31.39、27.08、27.87 mg·kg-1)。

图3 不同混播方式对土壤速效磷的影响Fig.3 Effects of different mixing methods on available soil phosphorus

2.4.3 不同豆禾牧草混播方式对土壤速效钾的影响 由图4可知，在0～10 cm土层内，不同混播组合方式对土壤速效钾的影响，A2B4、A2B5、A3B1与其余各处理相比差异显著(P<0.05)，其中A2B2的土壤速效钾含量为143 mg·kg-1，且最高，相比CK1、CK2分别提高了13.5%、19.1%；在10～20 cm土层内，A2B5、A3B1显著低于其它处理(P<0.05)；在20～40 cm土层内，各处理间无显著差异(P>0.05)，但土壤速效钾含量都比对照高。总体而言，A2B2的土壤速效钾含量最高，即当红豆草∶无芒雀麦=4∶6时对增加土壤速效钾含量的效果最明显。

图4 不同混播方式对土壤速效钾的影响Fig.4 Effects of different mixing methods on available soil potassium

3 讨论与结论

3.1 不同豆禾牧草混播方式对土壤物理性质的影响

土壤结构通常是指土壤中形态各异的团聚体所占土壤的比重，也包括这些团聚体的机械稳定性和孔隙性等[28]。土壤结构是土壤肥力的基础，相较于单播区，豆禾混播区土壤物理性质有较大的改善，土壤容重降低，孔隙度提高，土壤三相比则更加协调[29]。 本研究发现，在土壤浅层(0～20 cm)，A2B2的结果是最好的，与CK1、CK2相比，土壤容重分别降低了7.25%、9.86%，总团聚体和孔隙度分别增加了13.56%、11.68%和13.45%、10.81%。因此，因地制宜地开展豆科与禾本科牧草混播，能显著改善土壤物理结构，有利于抗旱、保墒，不易产生地表径流，而且对提高土壤肥力具有重要意义。

3.2 不同豆禾牧草混播方式对土壤养分的影响

温仲明等[30]研究表明,由表层向下土壤养分含量逐渐减少,0～10 cm土层有机质、速效氮和速效钾含量最高,这与大多数草地土壤养分的垂直分布规律相似。本试验结果表明：(1)在不同土层，随着豆科牧草比例的增大和禾本科牧草比例的减少，土壤有机质、速效磷、速效钾都呈减少趋势，而豆禾比为4∶6时值最大，方差分析表明对土壤肥力有显著影响。(2)土壤速效氮随着豆禾比例的增大呈先增后减趋势，在4∶6时最大。因此，在豆禾混播草地中简单增加豆科或禾本科牧草的比例，可能并不能显著增加土壤养分供给，只有合理的豆禾比例与组合搭配才能显著改善土壤养分的供给。(3)土壤速效钾在合理的种植方式下含量都有所增加，其中A2B2(红豆草∶无芒雀麦=4∶6)的含量增加幅度最大，但相比土壤的基础肥力来说，含量还是有所下降。