深松浅旋对半干旱区退化紫花苜蓿人工草地改良效果研究

王斌，李满有，王欣盼，董秀，庞军宝，兰剑*

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；3.宁夏隆德县畜牧技术推广服务中心，宁夏 固原 756000）

紫花苜蓿（Medicago sativa）作为一种优良的多年生豆科牧草，因其产草量高、营养丰富、适口性好，被誉为“牧草之王”［1—2］。宁夏是我国重要的畜牧业基地之一，紫花苜蓿是其重要的饲草来源，目前宁夏紫花苜蓿人工草地约40.0万hm2，其中半干旱区达25.3万hm2，但受该地区自然条件、管理水平等因素的影响，6～7年后紫花苜蓿草地土壤紧实，含水量低，苜蓿生长受阻，植株低矮，分枝数少，植被稀疏，显现退化迹象。经调查，宁夏半干旱区7龄以上紫花苜蓿草地超过70%，产量不足3000 kg·hm—2。对于退化紫花苜蓿草地，一方面可通过翻耕后重新建植，另一方面可通过耕作措施进行改良。而深松浅旋是改良退化草地的有效措施之一，可以打破犁底层，疏松土壤，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度，提高蓄水能力，能够促进苜蓿根系对养分和水分的吸收利用，提高草地生产性能［3—6］，实现退化紫花苜蓿草地更新复壮。因此，研究深松浅旋对退化紫花苜蓿草地改良具有重要意义。

近年来，我国为使耕地可持续利用，促进农业综合生产力稳定发展，实现“藏粮于地、藏粮于技”目标，提出了要全面推进农机深松作业［7—8］。关于深松浅旋的研究大多集中在耕作方式如何改良土壤理化性状［9—11］、改善作物根系特征［12—15］以及提高作物产量［16］等方面。赵亚丽等［17］、白伟等［18］认为深松可构造出虚实相间的耕层结构，降低土壤紧实度，促进作物根系生长发育，提高水分利用效率和作物产量。张凯等［19］研究深松程度对豫北农田土壤水分与作物耗水的影响时发现，深松深度为40 cm时效果最好，显著增加了作物的穗数和穗粒数。魏欢欢等［20］研究表明深松能够显著提高黄土高原东南部和西北部的冬小麦（Triticum aestivum）产量和水分利用效率。孔晓民等［21］研究发现，较免耕相比，深松可降低0～35 cm土壤容重和紧实度，尤其以16～25 cm土层降幅最为明显。也有研究证明，浅旋可提高土壤含水量、氮吸收量，减少硝态氮［22］，促进作物产量提升。基于以上综述，鲜见深松浅旋在退化紫花苜蓿草地上的报道，此外，前人的改良措施多以单一的深松或浅旋技术为主，只能在一定时间或一定区域内发挥优势。鉴于此，研究深松浅旋不同耕作组合对退化紫花苜蓿草地土壤理化性质、生产性能及饲草品质的影响，探讨该区域退化紫花苜蓿草地适宜的深松浅旋程度，可为改良退化苜蓿草地提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏隆德县神林乡观音村（35°21′N，106°15′E，海拔2100 m）进行，该区域属中温带季风气候区。试验期间2018、2019、2020年降水量分别为646、576、688 mm，但多集中在夏秋7、8两个月。年平均气温5.8℃，年均日照时数2303.5 h，无霜期125 d。试验地为“陇东”苜蓿（M.sativacv.Longdong）草地，2011年条播，播种量22.5 kg·hm—2，行距为15 cm，播种深度2～3 cm；2018年紫花苜蓿的覆盖度为60%～70%。土壤为黑垆土，pH值7.7，有机质含量5.88 g·kg—1，碱解氮含量29.75 mg·kg—1，速效磷含量18.89 mg·kg—1，速效钾含量118.08 mg·kg—1。

1.2 试验设计

试验于2018年4月至2020年9月进行，试验地无施肥灌溉措施。试验采用单因素随机区组设计，设7个处理，分别为：深松30 cm+浅旋5 cm（S1Q1），深松30 cm+浅旋10 cm（S1Q2），深松40 cm+浅旋5 cm（S2Q1），深松40 cm+浅旋10 cm（S2Q2），深松50 cm+浅旋5 cm（S3Q1），深松50 cm+浅旋10 cm（S3Q2），不做处理（CK）；每个处理3个重复，总计21个小区，小区面积60 m2（10 m×6 m）。2018年4月14日顺着苜蓿行进行深松和浅旋作业。每年刈割两茬，时间分别为：2018年6月20日和9月2日，2019年6月3日和8月22日，2020年6月5日和8月25日。

试验用具：青岛鲁耕-310B深松机；1GQN-150立轴式浅旋机（将浅旋机刀片顶端部分弧度调整为160°，以免对紫花苜蓿根颈造成过度伤害）。

1.3 测定指标及方法

以下各农艺性状指标均在紫花苜蓿初花期测定：

株高：每个小区随机选取20株紫花苜蓿测量垂直高度，取平均值。

分枝数：每个小区随机取20株紫花苜蓿从根颈处，数其一级分枝数，取平均值。

叶茎比：每个小区随机选取20株紫花苜蓿将茎和叶分离，于105℃杀青1 h，65℃烘干48 h至恒重后冷却，称量干重，叶茎比＝叶片干重/茎秆干重。

鲜草产量：在每个小区垂直行向取6 m2样方，留茬高度4～5 cm，刈割后称量为鲜草产量，每个小区重复6次，换算为每hm2鲜草产量。

干草产量：将所采集的紫花苜蓿鲜草风干至恒重后称量干草重量，换算为每hm2干草产量。

营养品质测定：在每个小区内随机取500 g的鲜草样品，剪为4～5 cm长，于烘箱中105℃下杀青0.5 h左右，65℃烘干48 h至恒重。将烘干的紫花苜蓿草样粉碎，过0.45 mm筛。根据《饲料分析及饲料质量检测技术》［23］测定粗蛋白（crude protein，CP）、中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）含量。计算饲料相对饲喂价值（relative feeding value，RFV）［24］：

土壤容重：采用环刀法测定，深度分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，逐层取土样，每个点6次重复；根据土壤容重，计算土壤孔隙度（soil porosity）：

式中：比重取2.65 g·cm—3［25］。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013软件整理数据（干草产量为每年2茬累加，其余指标均为2茬平均），利用SPSS Statistics 25.0软件进行方差分析，多重比较，用Origin 2018作图，并用SAS 9.4软件对株高（X1）、分枝数（X2）、叶茎比（X3）、干草产量（X4）、粗蛋白（X5）、中性洗涤纤维（X6）、酸性洗涤纤维（X7）、相对饲喂价值（X8）3年平均值进行主成分分析（principal component analysis，PCA）。

2 结果与分析

2.1 深松浅旋对紫花苜蓿株高和一级分枝数的影响

由图1可知，2018—2020年紫花苜蓿株高的变化范围分别为57.34～75.23 cm、54.17～74.03 cm、52.00～72.71 cm；相同深松浅旋方式下，除S2Q2处理外，2018年株高整体高于2019和2020年；其中2018年株高在S3Q2处理下最高，达到75.23 cm，CK处理最低，仅为57.34 cm；2019和2020年株高均在S2Q2处理下最高，分别达到74.03和72.71 cm，与CK相差19.86和22.71 cm。一级分枝数在2018—2020年变化范围分别是17～26个、19～22个、18～32个；其中，2018年一级分枝数最多的处理是S1Q2，达到26个，显著高于其他处理（P＜0.05）；2019和2020年一级分枝数最多的均为S2Q2处理，分别达到22和32个，较CK增加了3和14个。

图1 不同处理间紫花苜蓿株高、一级分枝数的比较Fig.1 Compar ison of alfalfa plant height and number of primary br anches among different tr eatments

2.2 深松浅旋对紫花苜蓿叶茎比和干草产量的影响

由图2可知，2018—2020年叶茎比变化范围分别为0.65～1.03、0.60～1.05、0.62～1.03，且在这3年内，深松浅旋处理的叶茎比均显著高于CK（P＜0.05）；其中2018年叶茎比较高的处理分别是S3Q2、S2Q1，较CK增加了0.38和0.36。2019和2020年叶茎比均在S2Q2处理下达最大值，为1.05和1.03，较CK提高了0.35和0.31。干草产量在2018—2020年的变化范围分别是1921.26～6965.03 kg·hm—2、1889.79～6807.12 kg·hm—2、1863.13～8064.37 kg·hm—2，整体来看，除S3Q2处理外，2020年干草产量高于2018和2019年；3年深松浅旋处理的干草产量均显著高于CK（P＜0.05），其中2018年干草产量最高的处理是S3Q2，其次是S1Q2，分别为6965.03和5169.18kg·hm—2，2019和2020年干草产量最高的处理均是S2Q2，分别达到6807.12和8064.37 kg·hm—2，而CK分别仅有1889.79和1863.13 kg·hm—2。

图2 不同处理间紫花苜蓿叶茎比、干草产量的比较Fig.2 Comparison of alfalfa leaf-stem ratio and hay yield among different treatments

2.3 深松浅旋对紫花苜蓿粗蛋白（CP）含量和相对饲喂价值（RFV）的影响

由图3可知，CP含量在2018—2020年的变化范围分别为17.23%～21.83%、16.55%～22.24%、17.69%～19.65%，相同深松浅旋方式下，2020年CP含量整体低于2018和2019年，且2018和2019年各深松浅旋处理的CP含量均显著高于CK（P＜0.05）。其中2018年CP含量在S3Q2处理下达最高，而2019和2020年CP含量均在S2Q2处理下最高，分别达到22.64%和19.95%，较CK分别提高了34.38%和9.97%。2018—2020年RFV的变化范围为150.92～189.74、150.72～175.56、122.19～160.53，整体来看，2018和2019年RFV高于2020年，其中2018年RFV最高的处理是S1Q2，其次是S3Q2，分别达到189.74、171.33；2019和2020年的RFV最高的处理均是S2Q2，分别为175.56、160.53，显著高于CK（P＜0.05）。

图3 不同处理间紫花苜蓿粗蛋白含量、相对饲喂价值的比较Fig.3 Compar ison of alfalfa cr ude pr otein content and relative feeding value among different treatments

2.4 深松浅旋对紫花苜蓿中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量的影响

由图4可知，NDF含量在2018—2020年的变化范围分别为32.81%～39.93%、35.45%～39.35%、38.79%～46.87%，从3年数据来看，2018年NDF含量整体低于2019和2020年；其中2018年NDF含量最低的处理是S1Q2，显著低于其他处理（P＜0.05），2019年NDF含量最低的是S2Q2处理，为35.45%，2020年NDF含量在S1Q2处理下最低，与CK相差8.08%。ADF含量在2018—2020年的变化范围分别是27.43%～31.64%、28.25%～34.45%、27.79%～35.09%；其中2018年ADF含量最低的是S3Q2处理，为27.43%，显著低于除S1Q2处理外的其他处理（P＜0.05），2019和2020年ADF含量最低的均是S2Q2处理，较CK分别低5.42%和7.30%。

图4 不同处理间紫花苜蓿中性、酸性洗涤纤维含量的比较Fig.4 Comparison of neutral and acid detergent fiber content of alfalfa among different treatments

2.5 深松浅旋对退化紫花苜蓿草地土壤容重的影响

由图5可知，适宜的深松浅旋处理可以显著降低土壤容重（P＜0.05）。整体来看，S2Q2处理的0～20 cm土层土壤容重逐年降低，而S1Q2、S2Q1和S3Q2处理的0～20 cm土层土壤容重均逐年增加，其中2018—2020年的土壤容重在S2Q1处理下均达到最低，较CK分别降低0.24、0.24、0.19 g·cm—3。对于20～40 cm土壤容重而言，2018年土壤容重在S3Q1处理下最低，仅有1.36 g·cm—3。而2019和2020年土壤容重均在S2Q1处理下最低，与CK分别相差0.10、0.12 g·cm—3。2018、2019和2020年的40～60 cm土层土壤容重均在S3Q1处理下达到最低，分别为1.31、1.42、1.45 g·cm—3，较CK降低了0.28、0.09、0.07 g·cm—3。

图5 不同处理间退化苜蓿草地0～60 cm土壤容重比较Fig.5 Comparison of 0-60 cm soil bulk density of degraded alfalfa grassland among different treatments

2.6 深松浅旋对退化紫花苜蓿草地土壤孔隙度的影响

由图6可知，2018和2019年0～20 cm土层土壤孔隙度均在S2Q1处理下最高，分别达到45.31%、46.42%；2020年0～20 cm土层在S3Q1处理下最高，达到46.29%，较CK高3.23%。2018年20～40 cm土层土壤孔隙度在S3Q1处理下最高，达到46.89%；2019和2020年20～40 cm土层均在S2Q1处理下最高，达到46.29%和46.13%，较CK分别高2.27%和4.24%。2018年40～60 cm土层土壤孔隙度在S2Q2处理下最高，达到50.26%；2019和2020年40～60 cm土层均在S3Q1处理下最高，分别达到46.29%和45.38%，较CK分别高3.27%和2.86%。

2.7 综合分析

主成分分析能够降低数据维数以消除重叠信息的不利影响，近年来，PCA综合评价方法在作物栽培以及牧草选育方面成为热点［26］。在对不同深松浅旋处理进行评价时，不能只考虑某1个或几个指标的优劣，而应该科学、综合的评价其所有指标。特征值和方差贡献率如表1，根据特征值大于1原则，可提取2个主成分，累积方差贡献率达到97.171%，解释了总体信息的97.171%。

表1 主成分的特征值Table 1 Eigenvalues of principal components

主成分对应的特征向量和载荷矩阵如表2所示，第1主成分主要综合了干草产量（X4）、叶茎比（X3）、粗蛋白（X5）、酸性洗涤纤维（X7），其载荷较大，权重系数分别为0.978、0.954、0.951、—0.883，可称为复合因子。第2主成分主要综合了中性洗涤纤维（X6）、相对饲喂价值（X8），其载荷较大，权重系数分别为0.740、—0.617。

表2 主成分对应的特征向量和载荷矩阵Table 2 The eigenvectors and load matrix cor responding to the principal components

通过主成分1和主成分2的特征向量值，得出各主成分综合得分线性方程，以各主成分对应的方差相对贡献率作为权重建立综合评价模型：

通过上述模型计算每个处理的综合得分并进行排名（表3）。在主成分1和主成分2中，排名均靠前的是S2Q2，S1Q2，S2Q1，它们的叶茎比、干草产量和粗蛋白含量较高，中性洗涤纤维含量较低。根据综合评价模型得分排名如下：S2Q2，S1Q2，S2Q1，S3Q2，S1Q1，S3Q1，CK。

表3 深松浅旋处理综合排名及得分Table 3 Comprehensive ranking and score for plowing and shallow rotary cultivation

3 讨论

3.1 深松浅旋对紫花苜蓿生产性能的影响

深松浅旋可以不同程度提高草地生产力。本研究发现，深松浅旋对紫花苜蓿株高、一级分枝数有显著影响，主要是由于深松浅旋能够构建疏松的土层结构，降低土壤紧实度和土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤持水能力，为紫花苜蓿生长发育提供良好的土壤环境，有利于根系吸收水分和养分［27—28］，进而增加紫花苜蓿植株高度和促进分枝。冯倩倩等［29］在耕作方式对冬小麦—夏玉米（Zea mays）产量影响的研究中指出，深松能够有效促进耕层土壤保水性能和提高有机质积累，增加作物的产量构成要素（有效穗数、穗粒数、千粒重）。李明等［30］研究表明，浅旋能够提高土壤含水量，有利于小麦根系吸收水分和养分，提高籽粒产量。本研究表明，深松浅旋处理较对照显著提高了紫花苜蓿产量，与前人研究结果一致，主要是因为深松提高了深层土壤苜蓿根系活性，从而延缓地上部分衰老，改善了紫花苜蓿叶片光合特性，进一步提高了单位面积产量［29，31］。同时，深松浅旋还可改善土壤理化性状，活化深层土壤资源，促进紫花苜蓿根系吸收养分和水分，最终直接影响紫花苜蓿产量的形成。从本研究结果来看，随着深松浅旋后年限的延长，大部分耕作处理的紫花苜蓿产量逐年增加，仅深松50 cm和浅旋10 cm的苜蓿产量有所下降，但也显著高于对照组，由此逐步显现了耕作改良的正效应，至于改良效果持久性如何，还需进一步研究。

3.2 深松浅旋对紫花苜蓿品质的影响

牧草中的粗蛋白、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量是评定其营养品质的重要指标。本研究发现，深松浅旋可提高紫花苜蓿的粗蛋白含量，这是因为深松浅旋对紫花苜蓿生育期有不同程度的延长，能够延缓植物叶片衰老［32—34］，增加了紫花苜蓿叶片数量；从本试验的结果来分析，深松浅旋处理显著提高了紫花苜蓿叶茎比，而紫花苜蓿中70%的粗蛋白来源于叶片，且叶片中粗蛋白含量远远高于茎［35］，叶茎比越大，紫花苜蓿的粗蛋白含量就越高，因此处理组紫花苜蓿的粗蛋白含量高于对照组。深松浅旋处理第1年（2018年）和第2年（2019年）的紫花苜蓿粗蛋白含量整体高于第3年（2020年），原因可能是在退化苜蓿草地有大量的裸露斑块，给赖草（Leymus secalinus）等杂草提供了生长空间，在2018年通过深松浅旋后，大部分地表杂草减少，地下根系受到破坏，生长缓慢，在紫花苜蓿收获时，只有极少数的杂草会和苜蓿一起被收割；到第3年（2020年），杂草数量增多，收割苜蓿时会有大量的杂草掺杂，降低了收获物粗蛋白含量。

牧草中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量主要影响家畜的采食量和消化率，其主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成［36］。本研究发现，中性洗涤纤维含量表现为2020年高于2018与2019年，主要原因是2020年紫花苜蓿叶茎比低于前两年，且紫花苜蓿叶片中的中性洗涤纤维、木质素和半纤维素含量均低于茎中［37］，因此，紫花苜蓿中性洗涤纤维含量高。

3.3 深松浅旋对土壤容重和孔隙度的影响

深松浅旋对退化紫花苜蓿草地土壤容重起到至关重要的作用。研究发现，科学合理的深松浅旋能够显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促进作物生长。李小飞等［38］研究表明，深松可不同程度降低茶（Camellia sinensis）园土壤容重，尤其在深松30 cm时0～30 cm土层降幅最为明显。梁金凤等［39］研究发现，深松深度为30、35、45 cm时均可降低土壤容重。张凯等［19］以豫北农田为研究对象，试验发现深松深度为35和40 cm处理的土壤容重较对照显著降低。本研究表明，深松浅旋降低了0～60 cm土层的土壤容重，与前人研究结果一致。深松有效打破了土壤犁底层，进而降低土壤容重，改善退化苜蓿草地土壤结构。另外，在深松浅旋第1年（2018年），S1Q1、S1Q2、S2Q1、S3Q1和S3Q2处理下0～20 cm土层土壤容重整体低于2019和2020年，主要原因可能是深松处理后又对土壤进行了浅旋处理，浅层土壤受到扰动，土壤结构稳定性下降，土壤容重降低［40］。

土壤孔隙结构与土壤通气和持水性能紧密相关，土壤孔隙度越大越有利于植物根系伸展和吸收养分。Blazewiczwozniak等［41］研究发现，深松浅旋能降低土壤紧实度，增加土壤孔隙度。刘卫玲等［42］为探明深松方式对砂姜黑土耕层改良的影响时发现，深松可以改善土壤孔隙结构，增加孔隙体积和大孔隙数量。本研究发现，不同程度深松浅旋较对照显著提高了土壤孔隙度，与前人研究结果一致，深松浅旋打破了土壤耕作层，增加了土壤孔隙度。

4 结论

针对宁夏半干旱区退化紫花苜蓿草地，合理的深松浅旋能显著提高退化紫花苜蓿草地土壤孔隙度、紫花苜蓿株高、分枝数、叶茎比、干草产量和粗蛋白含量，降低土壤容重、紫花苜蓿中性洗涤纤维及酸性洗涤纤维含量；综合平均3年数据，各项指标均优于对照组，其中深松40 cm+浅旋10 cm处理的干草产量（6505.44 kg·hm—2）和粗蛋白含量（20.74%）最高，中性洗涤纤维（37.81%）和酸性洗涤纤维（29.23%）含量最低。经综合分析得出，深松40 cm+浅旋10 cm对半干旱区退化苜蓿草地改良效果最优。