苜蓿与禾草混播对海流图盐碱地土壤改良效果研究

陈逸凡,云 岚,2*,艾 芊,李 楠,姚 娜,任晓敏,石凤翎

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古 呼和浩特 010011;2.草地资源教育部重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010011)

土壤盐碱化是世界性的环境问题,是导致土地退化难以利用的主要因素之一[1]。全球受盐碱化影响的土地面积大约为9.55亿hm2,其中0.77亿hm2正在遭受土壤次生盐碱化的影响[2]。我国盐碱土总面积约3 600万hm2,耕地中盐渍化面积达到920.9万hm2,占全国耕地面积的6.62%[3]。近年来我国投入大量人力物力用于盐碱化治理,但土壤盐碱化问题依然严峻[4],尤其是华北、西北和东北地区。因此,改良、开发和利用盐渍化土地资源对农牧业可持续发展具有重要意义。

豆禾混播是一种高效的种植模式,既可以充分利用自然资源,发挥各草种的生物学优势,提高草地生产力和牧草品质[5];又能提高土地生态系统氮素营养、促进蛋白质合成[6],人工草地中禾本科牧草与豆科牧草混播优势性已被广泛得到验证[7]。豆禾混播牧草比例是决定混播草地功能的关键因素,而豆科牧草的氮素固定功能也是混播草地土壤培肥的关键[8-9]。张永亮等[10]对苜蓿、无芒雀麦单播与混播对土壤有机质和速效养分的影响研究表明混播草地更有利于土壤速效氮的积累,随着牧草生长年限延长,土壤有机质、速效钾含量呈递增趋势。韩建国等[11]对农牧交错带退耕还草对土壤有机质和氮的影响研究表明播种第二年,草地0～20 cm土壤有机质和全氮含量比小麦地有明显改善;混播牧草改善土壤氮的效果比单播牧草更显著。魏孔涛等[12]对混播比例对混播草地土壤养分及酶活性的影响研究发现混播比例对表层土壤养分含量及酶活性影响显著,土壤养分与酶活性之间有一定相关性,二者共同决定土壤肥力。刘丝雨等[13]研究发现豆禾混播比例的改变能影响丛枝菌根真菌群落多样性及土壤理化性质,且丛枝菌根真菌群落多样性的变化受土壤pH及有机质的显著影响。

目前,已有关于混播草地生产性能、种间竞争和土壤养分方面的研究报道,如拉萨河谷禾豆混播草地生产力与种间关系的研究,夏河农牧交错区小黑麦与豆科牧草混播的生产性能研究等[14-15]。但对于在内蒙古地区盐碱土壤采用适宜当地的豆科与禾本科牧草进行混播建植,改良盐碱地的研究未见报道。杂花苜蓿(Medicagovaria)、新麦草(Psathyrostachysjuncea)、缘毛雀麦(Bromusciliatus)和长穗偃麦草(Elytrigiaelongata)适宜内蒙古中西部地区种植且具有一定耐盐碱性,本研究在内蒙古土默川平原海流图盐碱化地区,将杂花苜蓿与三种优质禾草进行混播建植混播人工草地,研究不同混播处理下盐碱土壤养分含量的变化并综合评价盐碱地改良效果,筛选出适合当地的混播组合,以期为土默川平原盐碱地改良和豆禾混播草地可持续利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于内蒙古自治区呼和浩特市土默特左旗海流图乡,地理位置40°31′17″N、111°23′46″E,海拔1 018 m,属温带大陆性季风气候,日照时间较长,年日照时数2 876.5 h,无霜期130 d,年平均气温6.3℃,年平均降水量400 mm,年蒸发量1 800 mm,蒸降比为4.3∶1,相对湿度较低,年平均湿度为54%,土壤为轻度盐碱的沙质栗钙土。

1.2 试验设计

本试验所用材料为‘草原3号’杂花苜蓿(Medicagovaria‘Caoyuan No.3’)、‘蒙农4号’新麦草(Psathrostachysjuncea‘Mengnong No.4’)、‘锡林郭勒’缘毛雀麦(Bromusciliates‘Xilinguole’)和长穗偃麦草新品系(Elytrigiaelongata)。设置苜蓿和新麦草(M+P)、苜蓿和缘毛雀麦(M+B)、苜蓿和长穗偃麦草(M+E)三种混播组合,每种组合三种豆-禾比,分别为1∶1(M+P1、M+B1、M+E1);1∶2(M+P2、M+B2、M+E2);1∶3(M+P3、M+B3、M+E3)。同时以单播新麦草(P)、缘毛雀麦(B)、长穗偃麦草(E)、苜蓿(M)和未种植植物的空白组(CK)作对照,所有处理3次重复,完全随机区组排列,共42个小区。混播采用间行播种,播种参数详见刘启宇等[16]试验。于2018年4月27日播种,播种前测定土壤有机质及速效养分等本底指标(表1)。每年进行2～3次刈割,不施肥,浇水2～3次。建植后连续3年每年9月初进行土壤采样。

表1 播前土壤本底理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties before sowing

1.3 土壤指标与测定方法

在每个混播小区采用S型随机采样,采样前先清除地表凋落物,用土钻采集0～20 cm土样,各小区分别取5个点混合。置于室内自然风干后将土壤过20目筛,剔除土壤中的小石块和植物根系后分装于密封袋中,再取一部分土壤过100目筛用于土壤有机质的测定。土壤全氮含量用元素分析仪(Elementar vario MACRO CUBE)直接测定,土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法(外加热法),土壤速效磷含量测定采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法,土壤速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度计法[17],pH值使用美国Thermo Orion公司生产的pH计测量。

1.4 数据处理与分析

数据统计及做表采用Microsoft Excel,采用SAS进行方差分析,差异显著性水平P=0.05,Origin2021作图。

1.5 TOPSIS模型综合排序

参考王文虎等[18]的方法,将三年的土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾、pH数据进行正向化处理,构建原始数据矩阵,进而构建标准化矩阵,代入TOPSIS模型,综合评价各混播组合处理与最优方案的接近程度。

2 结果与分析

2.1 混播栽培方式对土壤有机质的影响

2.1.1不同混播组合对土壤有机质的影响 建植当年不同混播组合牧草,经过一个生长季土壤有机质含量不同(图1),其中,混播M+P地块土壤有机质含量最高值,为12.62 g·kg-1,单播苜蓿地块土壤有机质含量高于单播禾草。三个混播组合、单播P和M地块土壤有机质含量均显著高于CK(P<0.05),三个混播组合地块土壤有机质含量均显著高于单播禾草。建植第二年不同混播组合及各单播地块土壤有机质含量均显著高于CK,各混播与单播处理间差异不显著。建植第三年各单播及混播组合地块土壤有机质含量均显著高于CK,M+B混播地块土壤有机质含量最高为24.98 g·kg-1,三个混播组合地块之间差异不显著。M地块土壤有机质含量高于单播禾草,差异不显著。因此,苜蓿与这3种禾草混播均有利于土壤有机质的积累,其中苜蓿与缘毛雀麦单播和混播效果均优于其他草种。

2.1.2不同混播比例对土壤有机质的影响 不同比例豆禾混播可影响土壤有机质的积累(图2)。苜蓿-新麦草混播建植当年各比例地块土壤有机质含量均高于单播M和P,其中M+P1地块最高且与单播M、P差异显著;建植第二年各混播和单播地块土壤有机质含量差异不显著;第三年M+P3地块土壤有机质含量最高,显著高于M+P2和P,但与M+P1和M之间差异不显著。苜蓿-缘毛雀麦混播建植当年各比例混播地块土壤有机质含量均显著高于单播B,与单播M差异不显著;建植第二年各地块土壤有机质含量无显著差异;建植第三年M+B2地块土壤有机质含量最高,显著高于M+B3和B,但与M+B1和单播M地块差异不显著。苜蓿-长穗偃麦草混播,第一年单播E地块土壤有机质含量显著低于混播和单播M地块;建植第二年单播M地块土壤有机质含量最高,且显著高于M+E3和单播E,但与M+E1和M+E2差异不显著;建植第三年单播M地块土壤有机质含量仍为最高,但各处理地块间差异均不显著。建植三年后,不同比例混播处理对土壤有机质的改良效果显著,其中苜蓿-缘毛雀麦1∶2混播对土壤有机质的提升效果最好。

图1 不同年份各单播及混播组合土壤有机质含量Fig.1 Soil organic matter content under different legume-grass mixed sowings and the single sowings of legume or grass in different year注：M,P,B,E分别表示苜蓿、新麦草、缘毛雀麦、长穗偃麦草,CK为空白对照,M+P,M+B,M+E表示两种牧草混播。图中不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著(P<0.05)。下同Note：M,P,B and E respectively represent Medicago varia,Psathyrostachys juncea,Bromus ciliatus and Elytrigia elongata.CK is the blank control.M+P,M+B and M+E represent the mixed sowing of the two forages：M. varia+grass species (P,B and E respectively).Different lowercase letters within the same year indicate a significant difference among different sowings at the P<0.05 level.The same as below

2.2 混播栽培方式对土壤全氮的影响

2.2.1不同混播组合对土壤全氮的影响 建植混播草地,测定当年各地块土壤全氮。单播M地块土壤全氮含量最高为0.56 g·kg-1,各混播组合及禾草单播地块土壤全氮含量均显著高于CK,但显著低于单播M(图3)。建植第二年单播M地块土壤全氮含量仍为最高达0.91 g·kg-1,但与M+B差异不显著,与M+P、M+E、单播禾草差异显著。建植第三年单播M地块土壤全氮含量仍为最高达1.37 g·kg-1,但与M+B和单播B地块差异不显著。因此,单播苜蓿或苜蓿与缘毛雀麦混播最有利于土壤全氮的积累。

图2 不同混播配比土壤有机质含量Fig.2 Content of soil organic matter in different mixed sowing ratio注：M+P1,M+P2,M+P3表示苜蓿与新麦草以1∶1,1∶2,1∶3混播,下同Note：M+P1,M+P2 and M+P3 represent the mixed sowing of M. varia and P. juncea at a ratio of 1∶1,1∶2 and 1∶3,the same as to M+B1,M+B2 and M+B3 and M+E1,M+E2 and M+E3 for B. ciliatus and E elongate,respectively

2.2.2不同混播比例对土壤全氮的影响 不同比例混播对土壤全氮的影响不同(图4)。苜蓿-新麦草混播,建植当年单播M地块土壤全氮显著高于混播和单播P地块;建植第二年单播M和M+P3地块土壤全氮含量显著高于M+P2和单播P地块;建植第三年所有比例混播地块土壤全氮含量均显著高于单播P,但显著低于单播M。苜蓿-缘毛雀麦混播,建植当年单播M地块土壤全氮含量与M+B1差异不显著,但显著高于其他地块;建植第二年M+B2地块土壤全氮含量最高,与单播M和M+B1差异不显著,显著高于M+B3和单播B地块;建植第三年M+B2地块土壤全氮含量仍为最高,且显著高于其他混播与单播处理。苜蓿-长穗偃麦草混播,建植第一年单播M地块土壤全氮含量显著高于其他处理,混播中M+E1地块土壤全氮含量显著高于M+E2、M+E3和单播E;建植第二年单播M地块土壤全氮含量仍最高,混播M+E1地块土壤全氮含量显著高于单播E,与单播M差异不显著;建植第三年M+E2地块土壤全氮含量最高,显著高于其他处理。

图4 不同混播配比土壤全氮含量Fig.4 Content of total nitrogen in soil with different nixed sowing ratio

2.3 混播栽培方式对土壤速效磷的影响

2.3.1不同混播组合对土壤速效磷的影响 通过对不同混播组合地块土壤速效磷含量测定,在建植当年除长穗偃麦草单播地块外,其他混播、单播处理地块土壤速效磷含量均显著高于CK,M+E地块土壤速效磷含量最高为13.89 mg·kg-1,显著高于单播E(图5)。建植第二年M+B地块土壤速效磷含量最高为44.40 mg·kg-1,各单播及混播组合地块土壤速效磷含量均显著高于CK,M+B地块土壤速效磷含量显著高于单播B和E。建植第三年所有处理土壤速效磷含量均显著高于CK,M+B地块土壤速效磷含量最高,达77.94 mg·kg-1,比CK增加近2倍,显著高于其他混播组合及禾草单播,与单播M差异不显著。M+P与单播P差异不显著,M+B、M+E与单播B、E差异显著。总体来看,建植第一年苜蓿与3种禾草混播对土壤速效磷的积累效果无显著差异,但随着建植时间增长,苜蓿与缘毛雀麦混播对土壤速效磷积累效果最显著。

2.3.2不同混播比例对土壤速效磷的影响 比较不同比例苜蓿禾草混播对土壤速效磷的影响(图6)。苜蓿-新麦草混播建植当年各混播与单播间土壤速效磷含量无显著差异;建植第二年M+P1、M+P3地块速效磷含量显著高于M+P2和M;建植第三年M+P3地块速效磷含量显著高于M+P2,与其他处理无显著差异。苜蓿-缘毛雀麦混播,建植第一年各地块间速效磷含量无显著差异;建植第二年M+B1、M+B2地块土壤速效磷含量显著高于M+B3和单播处理;建植第三年与第二年趋势一致,M+B1、M+B2地块土壤速效磷含量仍维持最高水平。苜蓿-长穗偃麦草混播,建植当年M+E2、M+E3地块土壤速效磷含量显著高于其他处理;建植第二年M+E1地块土壤速效磷含量最高,与M+E3差异不显著外,显著高于其他处理;建植第三年M+E1地块仍维持最高土壤速效磷水平。综合来看,对土壤速效磷积累,短期以苜蓿-长穗偃麦草1∶2或1∶3混播效果更显著,随建植年限延长,苜蓿-缘毛雀麦1∶1或1∶2混播效果更好。

图5 不同单播及混播组合土壤速效磷含量Fig.5 Soil available P content under different single and mixed sowings

图6 不同混播配比土壤速效磷含量Fig.6 Content of soil available P in different mixed sowing ratio

2.4 混播栽培方式对土壤速效钾的影响

2.4.1不同混播组合对土壤速效钾的影响 对土壤速效钾含量进行测定(图7),不同混播组合建植后各年份,所有混播及单播地块土壤速效钾含量均显著高于CK,其中建植当年M+P和单播P地块含量最高,且与其他处理差异显著;建植第二年和第三年也呈现相似趋势,M+P和单播P地块土壤速效钾含量具有显著优势,且禾草相对苜蓿具有更高的速效钾积累水平。各组合中,苜蓿-新麦草混播对提高土壤速效钾含量效果最显著。

2.4.2不同混播比例对土壤速效钾的影响 不同混播比例对土壤速效钾含量有一定影响(图8)。苜蓿-新麦草混播,连续三年M+P3地块土壤速效钾含量最高,且随混播中P比例减少而下降,各年份单播P地块速效钾含量也显著高于单播M。苜蓿-缘毛雀麦混播和苜蓿-新麦草混播在速效钾积累上呈相似趋势。苜蓿-长穗偃麦草混播则表现为单播E比M+E混播在速效钾积累上更有优势。相对而言,苜蓿-新麦草1∶3混播对土壤速效钾积累效果最显著,禾本科牧草对速效钾的积累作用优于豆科牧草。

图7 不同单播及混播组合土壤速效钾含量Fig.7 Soil available K content under different single and mixed sowings

2.5 混播栽培方式对土壤pH的影响

2.5.1不同混播组合对土壤pH的影响 建植混播和单播草地对盐碱地土壤pH都有显著影响,且随建植时间延长,pH较对照显著降低(图9)。建植当年各混播组合间土壤pH差异不显著,混播与单播间也不显著,除单播B和P外,各处理均比对照有显著下降,以M+E地块土壤pH降幅最为显著;建植第二年M+E和单播E地块土壤pH降幅最大,单播B降幅相对最小,各混播组合间差异不显著;建植第三年M+E地块土壤pH最小,降至7.60,且显著低于M+B、M、B地块。相对而言,苜蓿与长穗偃麦草混播是降低盐碱地土壤pH的最有效混播方式。

2.5.2不同混播比例对土壤pH的影响 随着混播草地建植年限增长,土壤pH整体呈现下降的趋势(图10)。苜蓿-新麦草混播,建植当年M+P3混播土壤pH降幅最大;建植第二年各混播和单播地块土壤pH整体较前一年下降且差异不显著;建植第三年各处理土壤pH基本稳定在7.76～7.81,差异不显著。苜蓿-缘毛雀麦混播对土壤pH影响与前者呈相似规律。苜蓿-长穗偃麦草混播,连续三年M+E2地块土壤pH降幅最大,建植当年M+E2地块土壤pH显著低于M,第三年M+E2地块土壤pH显著低于其他处理。因此,苜蓿-长穗偃麦草1∶2混播对降低土壤pH效果最显著。

图9 不同单播及混播组合土壤pH值Fig.9 Soil pH value under different single and mixed sowings

图10 不同混播配比土壤pH值Fig.10 Soil pH with different mixing ratio

2.6 混播处理组合的综合评价

用建植第三年的混播和单播草地土壤数据建立TOPSIS模型,评价各混播、单播的长期土壤改良效果。TOPSIS模型显示,在建植第三年,苜蓿-缘毛雀麦1∶2混播地块土壤指标综合排序最高,其次是苜蓿-新麦草1∶3、苜蓿-缘毛雀麦1∶1、苜蓿-长穗偃麦草1∶1。单播禾草排序相对靠后。对盐碱地综合改良效果来看,以适宜比例的豆禾混播为最优,其次是单播苜蓿,二者均优于单播禾草。

表2 建植第三年各混播、单播处理土壤指标的综合评价Table 3 Comprehensive evaluation of soil properties of mixed and single sowings in the third year after planting

3 讨论

人工草地生产力稳定性与可持续性的评价与土壤养分关系密切[19]。不同草种的根系在混播草地中由于土壤深度或生长阶段的差异会存在生态位分离,以降低对土壤养分的竞争,形成土壤养分吸收利用的不同策略[20]。

3.1 豆禾混播对土壤养分含量的影响

土壤中的有机质含量变化决定于有机物质输入和输出量的相对大小,有机物质的输入来源主要依赖于植物在地表的枯枝落叶、根系等其他植物残体在土壤中的分解和腐殖化[21]。有机质是土壤养分的外在表现形式,有机质含量越高土壤养分越高,它可以疏松土壤和促进植物对阳离子的吸收[22]。本研究发现不同豆禾混播处理土壤有机质含量均高于空白对照组,与前人的研究结果相同。郑伟等[5]研究发现混播组合中豆科牧草所占比例越高,土壤有机质含量越高。本研究中单播苜蓿的土壤有机质含量一直处于较高水平,混播草地中苜蓿-长穗偃麦草混播、苜蓿-缘毛雀麦混播均为豆科牧草比例越高土壤有机质含量越高,但苜蓿与新麦草混播土壤有机质含量不遵循此规律,可能由于新麦草为下繁禾草,与其他禾草相比分蘖多、叶量大,随着种植时间的增长,地表枯枝落叶等有机物质输入量增加,加之根茎不发达不影响土壤通气性,有利于微生物活动,最终导致更多有机质回归土壤[10]。而苜蓿与缘毛雀麦混播对土壤有机质的提升效果最好,这可能是缘毛雀麦生长速度快、根系生物量更多所导致。

土壤氮素变化主要受植物根系和微生物作用的影响,豆科植物均有固氮作用,对土壤氮素的影响与其生长需求和固氮能力的强弱有关[23-24],苜蓿为直根系豆科牧草,根系分布较深,周转更新速度较慢,但能通过根瘤固氮增加土壤养分来源的多样性[25]。潘多锋等[26]研究紫花苜蓿与无芒雀麦混播对盐碱地的改良,发现混播草地0～30 cm土层土壤速效氮、全氮含量较盐碱地分别提高了1.29和1.09倍;邰继承等[27]研究发现同行混播草地和隔行混播草地土壤全氮含量均显著高于单播无芒雀麦草地。本研究发现不同混播组合、混播比例的土壤全氮含量均高于与之对应的单播禾草,与前人研究结果相同,苜蓿与禾草混播后,禾本科牧草消耗氮素的同时还会促进苜蓿固氮,对氮素积累更加有利[28],所以混播种群的生物固氮能力较单播种群高。不同比例的豆禾混播处理土壤全氮含量也不同,体现出不同混播组合对氮的协同效果不同,本研究表明苜蓿与缘毛雀麦1∶2混播土壤全氮含量显著高于其他组合,二者对氮的协同效果最佳。

土壤速效养分一般是土壤中水溶性和交换态的养分,植物可直接吸收利用或可以很快从土壤胶体上交换出来供植物利用的养分,而磷肥与钾肥在促进作物生长发育过程中发挥重要作用[29]。豆禾混播草地能通过提高土壤微生物群落多样性水平,进一步促进土壤的矿化作用,从而能较有效地提高土壤速效养分含量。崔莹[30]的研究结果显示,燕麦与箭筈豌豆1∶1混播土壤速效磷含量高于各单播草地和其他混播草地;张皓等[31]对不同种植方式的土壤养分进行研究,结果表明混作草地速效磷、全磷含量高于净作草地。本研究中不同混播组合混播比例土壤速效磷含量均高于禾本科单播,苜蓿与缘毛雀麦1∶2混播由于种间的良性竞争和协调作用最大程度地发挥,使得混播群体对土壤磷的消耗减少。而苜蓿与长穗偃麦草1∶2混播全氮含量很高而速效磷含量较低,可能是充足的氮供应促使植物吸收了更多的磷[32]。

土壤速效钾包括交换性钾和水溶性钾,可供植物直接吸收利用但数量较少[33],土壤速效钾含量反映了土壤钾素的供应状况[34],以指导生产中钾肥的施用与调配,曹仲华等[35]研究发现一年生箭筈豌豆加入燕麦混播能提高土壤速效钾含量,使pH值降低。来幸樑等[36]将紫花苜蓿与无芒雀麦、草地早熟禾、苇状羊茅分别混播,发现随着苜蓿比例增加,苜蓿与草地早熟禾、无芒雀麦混播土壤速效钾含量呈递减趋势。本研究中混播草地速效钾含量与单播禾草差异不大,但显著高于单播苜蓿,与上述学者研究结果基本一致,禾本科牧草比豆科牧草更能有效积累速效钾。

3.2 豆禾混播对土壤pH值的影响

土壤pH值对土壤微生物活性有很大影响[37],土壤pH值对分解有机质和矿物质,迁移和固定土壤养分化学元素有很大影响[38]。潘多锋等[26]在对紫花苜蓿与无芒雀麦混播对松嫩平原盐碱地改良研究中发现苜蓿与无芒雀麦混播后土壤pH显著降低。本研究中豆禾混播显著降低了盐碱地土壤pH,说明混播草地是非常有效的治理盐碱地的方法,其中苜蓿与长穗偃麦草混播降低土壤pH的效果最显著,说明种植耐盐植物对于盐碱地改良效果更好。苜蓿与长穗偃麦草1∶2混播降低土壤pH效果极其显著,说明该比例是最适合重度盐碱地的种植方案。

4 结论

建立多年生苜蓿禾草混播草地对盐碱地的改良效果优于苜蓿单播和禾草单播,且改良效果随种植年限增加更为显著,表现为混播牧草对盐碱地土壤各项理化性质的综合改善,也表明多年生牧草混播有利于草地生态系统可持续性。三种混播组合中,苜蓿与新麦草混播更有利于土壤速效钾的积累,苜蓿与缘毛雀麦混播更有利于土壤有机质、全氮、速效磷的积累,苜蓿与长穗偃麦草混播更有利于降低土壤pH值。根据对牧草在盐碱地建植三年后土壤指标的综合评价,表明苜蓿与新麦草1∶3混播、苜蓿与缘毛雀麦1∶2混播、苜蓿与长穗偃麦草1∶1混播土壤改良效果更佳。对于海流图地区盐碱地来说,短期以苜蓿-长穗偃麦草1∶2混播种植,长期以苜蓿-缘毛雀麦1∶2混播种植土壤改良效果最好。