紫花苜蓿种植对农田土壤理化性质的影响

杜岩功，张香运，王云英，樊 博

（1.中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810001；2.北京中农安得运动草坪科技有限公司，北京 100049）

杜岩功，张香运，王云英，等.紫花苜蓿种植对农田土壤理化性质的影响［J］.畜牧与饲料科学，2023，44（2）：98-102.

随着“振兴奶业苜蓿行动”和“粮改饲”持续推进，我国苜蓿产业发展迎来新机遇，进入较快发展期［1-2］。紫花苜蓿是我国农业产业结构调整、发展优质牧草产业的重要牧草。我国紫花苜蓿产量和种植面积同步增长，全国苜蓿产量由2018 年的377万t 增加至2020 年的400 万t，增幅约6.1%［1］。2020 年我国苜蓿草进口额增加至60 687.56 万美元［1］。紫花苜蓿粗蛋白含量显著高于玉米、大豆、垂穗披碱草和早熟禾等作物［3］，但苜蓿产业发展面临严重的耕地资源制约问题，因此，揭示紫花苜蓿对农田土壤理化性质的影响及主要调控因素，对于破解耕地资源瓶颈具有重要意义，也可为紫花苜蓿产业发展提供科学依据和理论指导。

紫花苜蓿年固氮量约150 kg/hm2，长期种植苜蓿可提高土壤氮素矿化及供氮能力［4］，甘肃省陇东地区紫花苜蓿干草产量较高，约为13.42 t/hm2［3］。紫花苜蓿根系强壮，可有效改善土壤结构，且根系具有根瘤菌，可显著提高土壤氮素养分［5］。紫花苜蓿能够促进青海湖地区土壤全氮和全磷含量累积［6］。人工种植紫花苜蓿显著增加豫西丘陵干旱区土壤速效氮、速效磷和速效钾含量［5］。低温条件下，增施钾肥150 kg/hm2可促进淀粉转化为蔗糖和果糖等，提高紫花苜蓿的抗寒性，有利于安全越冬［7］，但紫花苜蓿对土壤理化性质影响存在较强异质性，目前尚缺少数据整合分析紫花苜蓿对土壤理化性质的影响及主要调控因素，制约了紫花苜蓿产业发展。该研究采用数据整合分析，通过整合相同或相似问题的研究结果，获得普遍性结论并进行调控机理解析［8］，并基于Meta 分析方法探讨种植紫花苜蓿对土壤有机质、速效氮含量等土壤理化性质的影响强度，解析平均效应值与气象环境因子及土壤理化性质之间的耦合关系，为提高紫花苜蓿生产能力提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 数据收集

通过中国知网（CNKI）数据库，以中文关键词“紫花苜蓿”且“土壤”进行搜索，共计查找到69 篇论文。按照如下准则进行筛选：研究对象为紫花苜蓿，并且均设置未种植紫花苜蓿（清耕）对照样地和重复处理，筛选后总共收集36 篇研究论文，数据组包含土壤有机碳含量（26 组）、全氮含量（18组）、全磷含量（11 组）、全钾含量（8 组）、速效氮含量（31 组）、速效磷含量（24 组）、速效钾含量（25组）、pH 值（24 组）、含水率（10 组）和容重（10 组），研究数据用于统计分析，调查样点主要分布于内蒙古自治区、西藏自治区、新疆维吾尔自治区、青海省和河北省。对于论文发表的图片数据，采用WebPlotDigitizer 软件进行数据提取［5］。

1.2 平均效应值和研究内方差的计算方法

1.2.1 基于均值的效应值（反应比）

式中，公式lnR 为效应值，xe和xc分别为处理和对照的土壤速效氮均值。

1.2.2 平均效应值的研究内方差

式中，VlnR为研究内方差，Ne和Nc分别为种植紫花苜蓿和对照的样本量。Se和Sc分别为种植紫花苜蓿和对照的标准差。

1.2.3 基于随机效应模型的平均效应值及置信区间的确定方法

式（3）和式（4）中，Vi、τ2、yi分别表示研究内与研究间方差和单个研究效应值。

平均效应值的95%置信区间：

1.2.4 效应值数据的整体异质性检验（Qt）及解释变量对效应值影响程度检验（Qm）

效应值数据的整体异质性检验：

解释变量对效应值影响程度检验：

式中，ni和p 表示处理样本量和解释变量异质性检验值；j 和i 分别代表处理和对照研究，yij表示单个研究结论效应值。

1.3 数据统计分析方法

数据通过R 语言统计软件 （3.6.1 版本）metafor 程序包开展整合分析。单个研究效应值和平均效应值均采用随机效应模型（rma），既考虑研究内方差变异，又包括研究间方差变异。采用结构方程模型分析气象因子和土壤理化性质对紫花苜蓿土壤有机碳、速效氮和速效钾等平均效应值的影响，利用R 语言软件（4.0.5 版本）piecewiseSEM程序包实现，应用模型Fisher′s C 进行卡方检验时要求P 值大于0.05。

2 结果与分析

2.1 紫花苜蓿种植对农田土壤理化性质的影响

种植紫花苜蓿极显著（P<0.001）增加了农田土壤有机碳含量、含水率、速效氮含量、全氮含量、速效钾含量，其平均效应值从高到低依次为0.362 ±0.058、0.326 ±0.087、0.270 ±0.066、0.197 ±0.056、0.191±0.058（见表1），增加幅度相对较高，分别为43.62%、38.54%、31.00%、21.77%、21.05%。

表1 紫花苜蓿种植对农田土壤理化性质影响的平均效应值

紫花苜蓿种植显著（P<0.05）增加了土壤速效磷含量，平均效应值和增加幅度分别为0.345±0.137 和41.20%。紫花苜蓿极显著（P<0.001）降低土壤容重，平均效应值和降低幅度分别为-0.116±0.034 和10.96%。紫花苜蓿增加土壤全磷、全钾含量和pH 值，但均未达到显著性检验水平 （P>0.05），增加幅度分别为16.42%、1.42%和1.11%。

2.2 气象因子及土壤理化性质对紫花苜蓿种植地土壤有机碳、速效氮、速效钾含量的影响

利用年均降雨量、年均气温、土壤pH 值以及土壤有机碳、速效氮、速效磷和速效钾含量等连续变量，采用结构方程模型分析发现，年均气温和年均降雨量对紫花苜蓿种植地土壤有机碳含量具有极显著（P<0.001）影响，直接作用系数分别为-0.816和0.782（见图1）。降雨量增加将显著（P<0.05）提高紫花苜蓿种植地土壤有机碳含量，但全球变暖将降低有机碳含量。其他因素如土壤速效氮、速效磷和速效钾含量等对紫花苜蓿种植地土壤有机碳含量的直接影响作用均较小，此外，气象因子、土壤pH 值和有机碳含量等因素对紫花苜蓿种植地土壤速效氮和速效钾含量的直接影响均较弱，未达到显著性检验水平（P>0.05）。

图1 气象因子和土壤理化性质对紫花苜蓿种植地土壤有机碳、速效氮、速效钾含量的影响

实线和虚线分别表示各因素间直接作用系数达到（P<0.05）和未达到（P>0.05）显著性检验水平，下图同。SOC、Pre、Tem、AN 和AK 分别为土壤有机碳含量、年均降雨量、年均气温、土壤速效氮和速效钾含量。

2.3 气象因子及土壤理化性质对紫花苜蓿种植地土壤全氮含量、容重、含水率的影响

基于结构方程模型发现，对紫花苜蓿种植地土壤含水率影响的主要因素，作用系数从高到低的顺序分别为土壤有机碳含量、容重和土壤温度，直接作用系数均为正效应，分别为0.533、0.292 和0.020（见图2）。土壤容重主要受到土壤有机碳含量和年均气温的共同影响，直接作用系数分别为-0.342 和0.142，年均气温和土壤含水率对紫花苜蓿种植地土壤全氮含量影响的直接系数分别为0.558 和0.161。紫花苜蓿种植地土壤全氮含量、容重和含水率可能还受到其他因素的共同影响。

图2 气象因子和土壤理化性质对紫花苜蓿种植地土壤含水率、容重和全氮含量的影响

3 讨论

当前我国大力推进苜蓿产业带建设，保障奶牛规模化养殖对高品质苜蓿的需求，苜蓿草产业发展正处于重要战略机遇期［1］。近年来，以美国为主的北美地区大力发展雨养苜蓿，我国半干旱、半湿润地区水热同季，年降水量为450～600 mm，雨养苜蓿产业发展趋势较好，在旱地农业系统发挥重要作用［9］。

紫花苜蓿产量高且品质良好，甘肃省陇东地区苜蓿粗蛋白、粗纤维和无氮浸出物含量分别为20.31%、24.79%和42.25%［3］。人工种植紫花苜蓿，促使农田土壤有机碳含量增加90.91%［10］，但也有研究发现对土壤有机碳增加幅度仅为15.85%［11］；土壤速效氮含量从23.26 mg/kg 增加到28.75 mg/kg，速效磷含量从16.13 mg/kg 增加到19.11 mg/kg，速效钾含量从118.68 mg/kg 增加到133.52 mg/kg［5］。

该研究发现种植紫花苜蓿极显著增加了农田土壤有机碳含量、含水率、速效氮含量、全氮含量和速效钾含量，增加幅度较高，分别为43.62%、38.54%、31.00%、21.77%和21.05%。紫花苜蓿种植地土壤有机碳含量增加的原因可能是因为紫花苜蓿增加土壤根系残留物以及地上生物量向地下部分光合产物的输入量，累积大量有机碳［6，12］。紫花苜蓿生长季需要消耗较多水分，但不同气候区紫花苜蓿需水量存在明显差异［1］，北京、内蒙古和新疆地区紫花苜蓿需水量分别为920、586 和1 350 mm［11，13-14］。种植紫花苜蓿显著增加甘肃和山西地区农田土壤湿度，增加幅度分别为31.07%和45.98%［15-16］，主要因为紫花苜蓿根系发达，能保持土壤疏松，降雨时可大量吸收、贮存地表水，且植株覆盖度增加，可减少地表土壤水分蒸发［17］。

紫花苜蓿是重要的固氮植物，适应大陆性气候。种植紫花苜蓿显著增加土壤速效氮含量，是因为紫花苜蓿具有根瘤菌，可有效固定大气游离态氮，可以作为优质豆科绿肥［12］。相似研究同样发现，种植紫花苜蓿促使新疆地区和湖北省农田土壤全氮含量分别从0.68 g/kg 和0.92 g/kg 增加到0.76 g/kg［18］和1.69 g/kg［15］，增 加 幅 度 分 别 为11.76%和83.70%。紫花苜蓿生长过程需要大量的钾肥，表明种植紫花苜蓿可以促进土壤全钾矿化，加速向速效钾的转化过程［19］，因为植物根系呼吸和土壤微生物活动增加释放CO2，其溶于水后形成碳酸，同时根系分泌大量有机酸类物质，共同促使土壤全钾矿化分解作用［5］。

4 结论

紫花苜蓿种植极显著增加了农田土壤有机碳、含水率、速效氮、全氮和速效钾含量，且增加幅度较高，但极显著降低土壤容重。年均气温和降雨量对紫花苜蓿土壤有机碳含量具有极显著性影响。土壤有机碳、容重和土壤温度是影响紫花苜蓿土壤含水率的主要因素。未来降水量增加气候情景将显著提高紫花苜蓿种植地土壤有机碳含量，但全球变暖将降低紫花苜蓿种植地土壤有机碳含量。