不同種植年限紫花苜蓿和棉花輪作對土壤理化性質的影響

王林娜，景春梅，張玲，席琳喬

(塔里木大學動物科學學院/新疆生產建設兵團塔里木畜牧科技重點實驗室，新疆阿拉爾 843300)

不同種植年限紫花苜蓿和棉花輪作對土壤理化性質的影響

王林娜，景春梅，張玲，席琳喬

(塔里木大學動物科學學院/新疆生產建設兵團塔里木畜牧科技重點實驗室，新疆阿拉爾 843300)

【目的】研究阿克蘇地區不同種植年限紫花苜蓿和苜蓿/棉花輪作，對土壤理化性質的影響。【方法】采集種植1～4 a的紫花苜蓿地、連作5 a棉花地和第5 a苜蓿輪作棉花地的0～10、10～20和20～40 cm土壤，測定土壤容重、全鹽、有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀。【結果】紫花苜蓿與棉花輪作能夠降低pH；土壤容重隨苜蓿種植年限的增加而降低，并且種植時間越長，改善效果越好；棉花連作土壤全鹽含量最高，種植苜蓿和苜蓿與棉花輪作可以降低土壤全鹽，苜蓿種植時間越長，土壤全鹽降低越明顯，苜蓿種植第四年全鹽量比第一年降低50.5%，苜蓿/棉花全鹽比棉花連作降低了41.7%；土壤有機質含量隨苜蓿種植年限增加而增加；苜蓿/棉花輪作土壤土全氮含量最高，種植苜蓿地0～10 cm全氮含量呈增加趨勢；種植苜蓿第四年的土壤堿解氮及速效磷含量最高，速效鉀隨苜蓿種植年限的增加而逐漸增加。【結論】阿克蘇地區種植紫花苜蓿可顯著降低土壤容重，增加土壤有機質和氮素含量，苜蓿、苜蓿/棉花輪作能夠降低土壤鹽分。

苜蓿；棉花；輪作；土壤鹽分；理化性質

0 引 言

【研究意義】隨著農業生產的規模化和集約化，為實現糧食或經濟作物增產，普遍采用連作制度，忽視用養結合的土地利用方式，破壞了合理的輪作制度[1]；同時大量使用化肥，破壞了土壤生態環境，引發土壤酸堿和養分失衡，土壤氮素污染的問題也日益凸顯[2]。調整土壤養分管理和施肥技術體系[3]，建立可持續發展的農作制度是解決這一問題的重要途徑。土壤有機質是農田生態系統可持續能力的關鍵指示因子，種植紫花苜蓿(MedicagosativaL.)可以大幅度提高土壤的有機質含量[4-7]，達到改良土壤、培肥地力的功效，促進后茬作物增產效果明顯[5]。【前人研究進展】發達國家均以草業為主，實行草田輪作制度。利用多年生牧草與一年生作物倒茬輪換，既可保證牧草和作物產量，又能恢復和提高地力。Holford[6]等研究苜蓿根瘤固氮為后茬小麥提供充足的土壤氮元素；在我國半干旱地區，1 hm2的苜蓿地每年可固定氮270 kg，固氮量會隨苜蓿種植年限的延長而逐年增加[7-13]，可以增加土壤的有機質[8]，同時改善土壤的團粒結構[9，14，15]。因此，苜蓿與其他糧食或經濟作物輪作，苜蓿可作為良好的前茬，有效改良土壤，提高土壤肥力[10，16-21]。紫花苜蓿實行草糧輪作的最適宜年限在5～6年，紫花苜蓿的生長年限越短，土壤水分恢復效應越顯著，經濟產量和水分利用效率也越高[11]。小麥與苜蓿輪作時，土壤中的全氮、堿解氮、有機質、速效磷分別較小麥連作增加4.1%、15.6%、13.7%、35.7%[22-24]。【本研究切入點】研究對不同種植年限的苜蓿地、連作5 a的棉花地和前茬為連作5 a苜蓿的棉花地的不同土層的土壤理化性質進行分析，研究紫花苜蓿/棉花輪作對土壤理化性質的影響。【擬解決的關鍵問題】研究苜蓿與苜蓿-棉花輪作后對土壤理化性質的影響規律，選出適合當地的輪作模式，為農牧業可持續生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗田位于新疆阿克蘇地區溫宿縣沙河鎮第一師5團，地理坐標N41°17′38.1″～41°21′35.9″，E80°40′07.1″～80°47′38.2″；灌區屬典型的大陸性氣候，晝夜溫差懸殊，年均日照2 621 h，年均降水量79.3 mm，年均無霜期202 d。氣候溫和，熱量豐富，光照充足。主要種植的有楊樹、蘋果、梨、杏、核桃、棗樹、棉花、青貯玉米和苜蓿等。

在紫花苜蓿分枝期采集種植1a苜蓿(5102)、種植2a苜蓿(4209)、種植3a苜蓿(5201)、種植4a苜蓿(5504)、種植5a苜蓿輪作棉花(5310)和連作5a棉花(5107)土壤樣品，按蛇形“S”5點取樣法，分0～10、10～20和20～40 cm 三層取樣。土壤風干過孔徑2 mm和孔徑0.149 mm篩，用于測定土壤理化性質。

1.2 方 法

土壤pH測定采用電位法；容重測定用環刀法；水溶性鹽分測定用質量法；土壤全氮(TN)測定用重鉻酸鉀-硫酸消化-蒸餾法；土壤堿解氮(AHN)測定用堿解擴散法；速效磷(APh)測定用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀(APo)測定用乙酸銨浸提-火焰光度法；有機質(SOM)測定采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[24]。

1.3 數據處理

用Microsoft Excel 2007和DPS 6.55統計軟件對數據進行處理，土壤脫鹽率(%)=(初始土壤鹽分-生育期末鹽分)/初始土壤鹽分×100%。

2 結果與分析

2.1苜蓿和苜蓿棉花輪作對土壤物理性質影響

研究表明，苜蓿/棉花輪作能夠降低土壤pH值，其中10～20 cm降低效果比較好，苜蓿/棉花輪作10～20和20～40 cm的pH比苜蓿第1、2、3、4年低，比連作棉花0～10和10～20 cm pH低。種植苜蓿可以改善土壤容重，隨苜蓿種植年限的增加改善效果越好，其中5504樣地20～40 cm土壤容重均極顯著低于其他樣地(P<0.01)，苜蓿/棉花各土層土壤容重比第1年種植苜蓿分別降低12.2%、14.1%和13.8%。棉花連作5年土壤各樣層鹽分含量均顯著高于紫花苜蓿地(P<0.05)，其次為苜蓿與棉花輪作，再次為第5年種植紫花苜蓿；苜蓿地在種植第2、3、4年20～40 cm的土層鹽分逐漸降低(P<0.05)。苜蓿種植第1、2、3、4年各土層土壤全鹽逐漸降低，苜蓿種植第4年各土層全鹽量分別比苜蓿種植第1年降低48.0%、50.9%和52.7%，苜蓿/棉花輪作比棉花連作土壤全鹽量分別降低69.4%、41.0%和31.1%。表1

研究表明，在0～10、10～20和20～40 cm土層，隨著紫花苜蓿種植年限的增加，脫鹽率增加，5504樣地脫鹽能力最強，5310樣地脫鹽率較低。圖1

圖1 不同種植年限苜蓿及苜蓿棉花輪作下土壤脫鹽率

Fig.1 The effect of different cultivation years alfalfa and rotation cotton on soil desalinization rates

表1 不同輪作方式下土壤物理性質變化

Table 1 The effect of different rotation style on soil physical properties

指標Index樣地Plot土層(cm) Soillayer0～1010～2020～40pH51028 15±0 05eD8 25±0 05dC8 43±0 03bB42098 37±0 07bAB8 43±0 02bAB8 57±0 02aA52018 36±0 04bcB8 38±0 01cB8 45±0 02ibB55048 46±0 01aA8 48±0 01aA8 56±0 02aA53108 23±0 02dCD8 20±0 02eC8 29±0 02cC51078 30±0 02cdBC8 22±0 01deC8 06±0 05dD容重D(g/cm3)51021 64±0 06bB1 55±0 05bB1 59±0 03aA42091 53±0 02cdC1 49±0 03bB1 57±0 04aA52011 78±0 05aA1 64±0 04aA1 57±0 03aA55041 58±0 02bcBC1 55±0 03bB1 46±0 02bB53101 49±0 04dC1 33±0 04cC1 37±0 04cC51071 38±0 03eD1 39±0 03cC1 32±0 03cC全鹽TS(g/kg)51021 02±0 24bB2 24±0 22abAB2 07±0 30cB42090 96±0 36bB2 20±0 26abAB1 12±0 24dC52010 71±0 34bB1 15±0 13bB1 10±0 17dC55040 53±0 09bB1 10±0 77bB0 98±0 25dC53101 50±0 05bB2 83±0 48abAB2 73±0 26bB51074 90±0 68aA4 80±0 18aA3 96±0 41aA

注：表中數據為平均值±標準誤。同列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平上差異極顯著，下同

Notes: Values are mean ± SD. Different lower case and capital letters within the same column indicated significant difference at 0.05 level and 0.01 levels, respectively. The same as below

2.2苜蓿和苜蓿/棉花輪作對土壤化學性質的影響

研究表明，隨苜蓿種植年限的增加土壤有機質總體呈升高的趨勢，其中20～40 cm變化比較規律，0～10 cm有機質含量高于其他層土壤；5504和5107樣地有機質含量最高(P<0.01)，苜蓿種植第4年各土層有機質分別比苜蓿種植第1年升高14.0%、22.3%和10.6%，棉花連作20～40 cm土層有機質比第4年苜蓿同土層降低23.4%；5310的有機質較低(P<0.01)。隨著苜蓿種植年限延長全氮呈增加，0～10 cm土層的全氮由0.18 g/kg上升到0.21 g/kg，4209和5504樣地顯著高于5102與5201樣地(P<0.05)。5310樣地的全氮含量最高0.37 g/kg，分別比第年苜蓿各土層增加41.9%、47.1%和62.2%；5107樣地全氮含量最低。堿解氮隨苜蓿種植年限增加而呈升高的趨勢，5504的含量最高(P<0.01)。5504樣地0～10、20～40 cm堿解氮含量高于5310和5107(P<0.01)，分別比苜蓿/棉花輪作增加33.4%、33.8%和40.5%。隨著苜蓿種植年限的增加，速效磷含量成增加趨勢，5504含量最高(P<0.01)，但5201較低，5107速效磷高于5310樣地，種植第4年苜蓿速效磷比種植第1年苜蓿分別增加94.6%、84.6%和61.9%；土壤速效鉀隨苜蓿種植年限延長逐漸增加，5504樣地的速效鉀最高，0～10 cm速效鉀5310高于5107樣地，提高了32.1%。表2

表2 不同輪作方式下土壤化學性質變化

Table 2 The effect of different rotation style on soil chemical properties

指標Index樣地Plots土層(cm) Soillayer0～1010～2020～40有機質(g/kg)510214 16±0 25dC11 58±0 16fE10 79±0 27cC420915 61±0 05cB12 94±0 04cC11 72±0 15bB520113 51±0 09eD11 77±0 05eE11 82±0 05bAB550416 46±0 18bA14 91±0 03bB12 07±0 04aA531012 42±0 04fE12 16±0 13dD9 10±0 10dD510716 78±0 27aA16 23±0 05aA9 25±0 02dD全氮(N)(g/kg)51020 18±0 01cBC0 18±0 02bB0 14±0 02bcB42090 20±0 02bcB0 16±0 01bcB0 16±0 01bB52010 14±0 01dC0 12±0 02dC0 12±0 01cB55040 21±0 02bB0 15±0 01cB0 14±0 03bcB53100 31±0 02aA0 34±0 02aA0 37±0 01aA51070 09±0 02eD0 04±0 01eD0 04±0 02dC堿解氮(N)(mg/kg)510237 17±0 11cC37 10±0 22cC27 86±0 18bB420945 79±0 65bB36 59±0 29cC18 17±0 31dC520118 53±0 15eE27 75±0 15dD27 83±0 04bB550455 68±0 27aA55 74±0 26bB46 26±0 35aA531037 09±0 27cC36 92±0 32cC27 52±0 19bcB510736 13±0 21dD73 61±0 89aA27 40±0 11cB速效(P)(mg/kg)51021 37±0 33eD2 40±0 15dD2 45±0 13dC420921 89±3 46bA10 40±1 09bB4 93±0 58cB52011 40±0 27eD1 70±0 14dD1 82±0 24dC550425 41±1 58aA15 60±0 80aA6 43±0 89bB53106 15±0 49dC6 88±1 76cC2 88±0 62dC510714 69±1 62cB10 12±1 03bB11 93±1 19aA速效鉀(K)(mg/kg)510257 00±3 93cdCD84 44±5 02bB44 27±4 12cC420967 59±8 59bcBC48 63±3 74dD30 52±4 24eD520172 92±5 93bB63 34±2 31cC53 96±4 41bB550489 69±8 07aA100 79±4 01aA60 02±1 89bB531068 55±6 77bBC37 89±2 49eE36 88±2 69dCD510746 57±2 81dD63 41±4 63cC79 46±3 29aA

3 討 論

苜蓿/棉花輪作能夠降低土壤pH，差異顯著，可能由于苜蓿根系腐爛分解出一些酸性物質，導致土壤pH值降低，而且降低幅度較小，因此，輪作改善土壤pH需要長期的輪作種植，王占軍等[25]研究紫花苜蓿與鮮食玉米輪作周期24個月土壤pH相比于對照升高0.78，且呈現輪作周期越長pH有所升高的趨勢。種植苜蓿和苜蓿/棉花輪作可以降低土壤容重，這與宋麗萍等[26]研究苜蓿連續單作導致耕層土壤容重增加，土壤易板結緊實，輪作小麥、玉米、馬鈴薯、谷子等后茬作物可顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙度的結果一致；種植1～4年苜蓿0～20容重變化不規律，可能受苜蓿收獲機械的影響比較大，20～40 cm變化比較規律；棉花連作的容重最低，是由于每年的棉稈粉碎還田，增加有機質、棉稈腐爛速度比較慢所引起的。種植綠肥(牧草)、草田輪作可以降低土壤鹽分，試驗區種植苜蓿1～4年和苜蓿/棉花輪作均降低了土壤鹽分，由于苜蓿可以吸收部分鹽分，另外可能種植苜蓿改善土壤的結構，增加了脫鹽能力，與虎德鈺[27]苜蓿后茬輪作玉米、高粱、馬鈴薯，谷子等作物，輪作2年含鹽量分別為0.33和0.31 g/kg，比苜蓿連作2年鹽分0.41和0.34 g/kg分別降低0.08和0.02 g/kg，得出草田輪作隨著輪作周期增加可降低土壤含鹽量的相同結論。種植1～4年苜蓿能夠不同程度提高土壤有機質的含量，隨苜蓿種植年限增加，積累有機質越多，20～40 cm比較規律，可能是受到干擾比較少，相對比較穩定，0～20 cm的土壤有機質受影響的因素比較多，但是總體上層有機質高于下層，主要是枯枝落葉在表層，其次是根系分布在0～10 cm比較多，石鳳翎等[28]研究指出，連作3年苜蓿后翻耕種植冬小麥，0～40 cm土層有機質含量比單作年小麥提高17.5%，棉花連作土壤有機質比較高，由于每年的棉稈粉碎還田，秸稈量比較多，增加了土壤有機質所引起，而苜蓿地的土壤有機質主要包括苜蓿的枯枝落葉以及根系的腐爛和分解，相對較少。苜蓿/棉花輪作和棉花連作0～10與10～20 cm有機質變化不大，可能由于翻耕，對土壤進行了混勻，也有可能表層分解速度較快引起的。苜蓿種植第年0～20 cm土壤有機質略有下降，由于苜蓿在生長過程中，自身對養分的消耗增加和土壤肥力的差異所致。

全氮、堿解氮、速效磷含量隨紫花苜蓿種植年限的增加而增加；速效鉀種植年限增加而降低[24]。5201樣地各層土壤全氮含量最低，因為隨著苜蓿的生長，其自身消耗了一部分全氮或土壤肥力的差異。苜蓿/棉花土壤全氮含量最高，連作5年棉花土壤全氮含量最低，苜蓿固氮作用。5107樣地各土層全氮含量極顯著低于其它樣地，堿解氮含量卻保持較高水平，多年種植苜蓿后，可顯著提高土壤全氮含量，堿解氮也相應增加。0～10 cm土壤速效鉀含量隨苜蓿種植年限的增加而逐漸上升，種植苜蓿可以使土壤中速效鉀的養分增加。土壤各種養分在5201樣地較低，可能是土壤肥力的差異。

4 結 論

苜蓿/棉花輪作能夠降低土壤pH；種植苜蓿能夠降低土壤容重，苜蓿、苜蓿/棉花輪作能夠降低土壤鹽分含量，苜蓿種植時間越長，土壤容重、全鹽降低越顯著；隨苜蓿種植年限增加土壤有機質含量、全氮和速效鉀而增加；苜蓿種植第年的堿解氮和速效磷含量較高；種植苜蓿可改善土壤結構，提高土壤肥力。

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EffectsofDifferentCultivationYearsAlfalfaandRotationCottononSoilPhysical&ChemicalProperties

WANG Lin-na, JING Chun-mei, ZHANG Ling, XI Lin-qiao

(CollegeofAnimalScience,TarimUniversity/KeyLaboratoryofTarimAnimalHusbandryScienceandTechnologyofXinjiangProduction&ConstructionCorps,AlarXinjiang843300,China)

【Objective】 The effects of different cultivation years alfalfa and alfalfa/cotton rotation on the physical and chemical properties were studied in the Aksu area of Xinjiang.【Method】The soils were collected from 0-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm depth from different plots, including 5 years of continuous planting of cotton field, five years alfalfa rotation planting cotton field, and planting alfalfa from 1st year to 4th year field. The soil bulk density, total salt, organic matter, total nitrogen, alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium were measured.【Result】The rotation can reduce pH. Planting alfalfa can decrease SBD. The SBD was reduced with increased alfalfa planting years. The longer the planting time, the better the SBD effect. The surface layer SBD was highest than that of other layers. The content of total salt (TS) was reduced in planting alfalfa and alfalfa rotation cotton field. The longer the alfalfa cultivation period, the more obviously the TS reduction. The TS in the fourth year of alfalfa field was decreased by 50.5% than that of the first year alfalfa. The TS of alfalfa rotation cotton was reduced by 41.7% than that of continuous cropping cotton. Planting alfalfa can increase the soil organic matter (SOM), the SOM was increased obviously with the increased alfalfa planting years. The total nitrogen content was highest in alfalfa/cotton rotation plot than others. The total nitrogen content of 0 -10 cm soil was highest in planting alfalfa plots than those of 10-40 cm, and 10-40 cm, total nitrogen content was not changed obviously. The alkaline hydrolysis nitrogen, available phosphorus content were highest in 4th year planting alfalfa field. The available potassium content was increased gradually with alfalfa planting years prolonged. 【Conclusion】Planting alfalfa in Aksu area can significantly reduce soil bulk density, increase the soil organic matter and nitrogen content of alfalfa, and alfalfa / cotton rotation can reduce soil salinity.

alfalfa; rotation; cotton; soil; physical and chemical properties

XI Lin-qiao(1978-)，，(E-mail)gsxlq666@163.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.08.019

2016-12-31

現代農業產業技術體系建設專項資金資助(CARS35-44)

王林娜(1990-)，女，新疆阿克蘇人，在讀碩士生，研究方向為牧草生產與加工，(E-mail)997950046@qq.com

席琳喬(1978-)，男，甘肅鎮原人，副教授，博士，研究方向為牧草生產與加工，(E-mail)gsxlq666@163.com

S551+7

：A

：1001-4330(2017)08-1523-08

Supported by: Special Fund for the Construction of Modern Agricultural Technology System(CARS35-44)