煤礦塌陷區紫花苜蓿與無芒雀麥混播比例對其品質和土壤特性的影響

姬亞紅，張永志，張艷秋，郝鮮俊，高文俊

（1.山西農業大學動物科技學院，山西太谷030801；2.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

煤炭是山西省優勢礦產資源，一直居于全國首位[1]，但其開采引發了一系列的生態環境問題，包括生物多樣性減少[2]、土壤理化性質改變[3]。山西省因煤礦的開采造成地質災害達到2 940 km2以上，受煤礦開采影響的土地面積在1 985 km2以上，煤礦塌陷區以每年94 km2的速度增加[4]。據測算，1987—2020年全國煤炭產業損壞土地180.008萬hm2，待復墾土地面積為104.506萬hm2，礦區復墾潛力巨大[5]。工程復墾和生物復墾是國內外較常用的復墾方法[6]。目前在歐美發達國家常采用工程復墾，而工程復墾耗資巨大，表層土被破壞，底層土被翻到表層，土壤養分貧瘠，植物不易生長。在國內生物復墾技術應用較多[7-8]，生物復墾技術是利用農業技術、林牧種植等方法提高采煤塌陷區土壤的肥力。張博文等[9]種植10種牧草對礦區土壤復墾研究發現，土壤pH值下降，土壤中的有機質、堿解氮、速效磷等有效養分提高。目前研究都是種植單一植物進行土壤復墾，且在礦區復墾的過程中很少利用牧草混播。

孝義市是山西省煤礦塌陷區較嚴重的地區，利用混播牧草進行煤礦塌陷區復墾，一是解決了種植牧草占用農田的問題，另一方面對煤礦區土壤進行修復，更好的利用了光、熱、水等空間資源[10]。在煤礦區進行牧草混播，禾本科植物須根系多，可防止水土流失，對環境適應性較強，可在荒地和沙地等一些貧瘠的土壤中種植。豆科植物是直根系植物，根系入土較深而且固氮能力強[11]，根系分泌的酸性物質會使土壤中的pH值降低，營養物質釋放出來，從而促進植物—土壤營養物質的循環[12-13]。牧草混播會提高土壤中速效氮含量，增加土壤中的酶活性[14]。大量研究發現，牧草混播增加了牧草的高度，提高了牧草的營養價值和產量[15]；禾本科與豆科牧草混播可促進豆科牧草分蘗枝數增加，牧草產量也隨之增加。

本試驗于2017年在山西孝義市煤礦塌陷區進行，以無芒雀麥與紫花苜蓿不同的種植行比進行混播，從牧草的品質方面進行評價，為煤礦塌陷區選擇牧草混播比例及土壤改良提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省孝義市偏城村水峪煤礦采煤塌陷區（東經111°37′31.7″～111°37′36.2″，北緯37°6′），海拔為990 m，屬溫帶大陸性季風氣候區，春季干旱多風，夏季炎熱，雨量集中在7—9月，年平均氣溫為10.1℃，積溫在2 500～3 500℃，全年無霜期165 d，年平均降雨量小于440 mm。土壤類型為黃棕壤黏質土。該煤礦塌陷深度在1.8～2.6 m，2016年11月利用工程技術對塌陷區進行工程復墾平整土地，供試土壤有機質含量5.45 g/kg，有效磷含量4.34 mg/kg，有效鉀含量85.88 mg/kg，銨態氮含量6.94 mg/kg，硝態氮含量7.86 mg/kg，土壤堿解氮含量13.89 mg/kg，pH值8.43。

1.2 試驗材料

供試紫花苜蓿WY183品種由北京正道生態科技有限公司提供，無芒雀麥采集于山西農業大學草業試驗田。

1.3 試驗設計

2種牧草混播種植行比例共設置7個處理，即紫花苜蓿（A）和無芒雀麥（B）的混播比例分別為2∶8（A2∶B8）、3∶7（A3∶B7）、4∶6（A4∶B6）、5∶5（A5∶B5）、6∶4（A6∶B4）、7∶3（A7∶B3）、8∶2（A8∶B2），小區采取完全隨機區組設計，條播于面積為2 m×5 m的小區內，行距為25 cm，紫花苜蓿播種量為15 kg/hm2，無芒雀麥的播種量為30 kg/hm2，每個混播比例重復3次，共計21個小區，于2017年6月5日進行播種。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 牧草營養指標的測定將烘干的草樣粉碎后過篩干燥保存，用于營養指標的測定。粗蛋白（CP）采用凱氏定氮法測定；中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）采用濾袋法測定；粗脂肪（EE）采用索氏脂肪提取法測定[16]。

1.4.2 土壤指標的測定土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法測定[17]。

1.5 數據處理

利用Excel 2010對試驗數據進行整理，用SPSS 23.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同混播比例對牧草粗蛋白和粗脂肪的影響

表1 不同混播比例對牧草粗蛋白和粗脂肪的影響 %

由表1可知，混播比例為A6∶B4的紫花苜蓿粗蛋白含量達到24.34%，與其他混播比例紫花苜蓿的粗蛋白含量存在極顯著差異（P＜0.01）；在混播比例為A5∶B5下紫花苜蓿的粗蛋白含量為19.63%。紫花苜蓿的粗脂肪含量在混播比例A6∶B4下為3.74%，顯著高于其他混播比例（P＜0.05）；其次是混播比例A7∶B3，紫花苜蓿粗脂肪含量為2.86%。無芒雀麥在混播比例為A5∶B5時，粗蛋白含量達到14.86%；無芒雀麥粗蛋白含量最低的是混播比例A6∶B4，僅為7.63%。無芒雀麥在A5∶B5的混播比例下粗脂肪含量最高。

2.2 不同混播比例對牧草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的影響

從表2可以看出，紫花苜蓿的中性洗滌纖維在混播比例為A6∶B4時最低（50.68%），最高的是混播比例A2∶B8（58.58%）。紫花苜蓿的酸性洗滌纖維最高的是混播比例A2∶B8，最低的是混播比例A6∶B4。

無芒雀麥在混播比例A5：B5下的中性洗滌纖維與其他混播比例下的中性洗滌纖維間差異極顯著（P＜0.01），中性洗滌纖維為53.95%。無芒雀麥在A7∶B3混播比例中酸性洗滌纖維最高，為41.49%；在混播比例為A5∶B5時酸性洗滌纖維最小，為34.39%。

表2 不同的混播比例對牧草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的影響 %

2.3 不同混播比例對煤礦塌陷區土壤特性的影響

由圖1可知，隨著土層的增加土壤速效磷逐漸下降，為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。與原始土壤比，土壤速效磷提高了4.84%～18.27%。在0～10、10～20、20～30 cm土層中各混播比例的速效磷含量間差異顯著（P＜0.05）。

由圖2可知，土壤堿解氮的含量在0～10 cm中混播比例A6∶B4最高，其次是混播比例A5∶B5；在10～20 cm土層中，土壤堿解氮從混播比例A2∶B8到A6∶B4逐漸增加，混播比例A7∶B3中土壤堿解氮的含量最低。與原始土壤相比，0～10、10～20、20～30 cm土壤堿解氮的含量分別提高了12.36%～18.55%，9.22%～11.09%，5.58%～8.05%。

由圖3可知，在0～10 cm土層，各混播比例土壤有機質含量之間差異不顯著（P＞0.05），但在混播比例A6∶B4和A5∶B5中有機質含量高于其他混播比例，在A3∶B7混播比例中土壤有機質含量最低；在10～20 cm土層中，混播比例為A6∶B4土壤有機質含量與其他混播比例的土壤有機質含量之間差異極顯著（P＜0.01）。在20～30 cm土層中，土壤有機質含量比0～10、10～20 cm低。

3 討論

3.1 不同混播比例對牧草品質的影響

環境對牧草品質影響較大，特別是在牧草生育時期、牧草生產性能及其他方面存在一定差異。本研究是在產煤塌陷區進行牧草混播，在煤礦區干旱少雨、土壤貧瘠，而紫花苜蓿在種植過程中是需水肥較多的植物，在第一茬收割之前生長良好，在第一茬收割之后，持續沒有降雨，牧草的營養價值受到了較大的影響。在苜蓿生長的后期，水分對植物自身營養成分影響較大，營養成分是評價牧草飼用價值的一項重要指標，營養成分包括粗蛋白、粗脂肪、粗纖維等指標。粗蛋白、粗脂肪、粗纖維等營養指標的改變會影響家畜的采食量和適口性[18]。本研究發現，在煤礦塌陷區混播比例為A6∶B4的紫花苜蓿粗蛋白含量高于其他混播比例，紫花苜蓿和無芒雀麥粗蛋白含量沒有隨著混播比例的增加而增加，這說明混播比例的設置對煤礦塌陷區牧草粗蛋白有一定的影響，另一方面豆科自身固氮作用也為禾本科提供了營養，從而提高了禾本科粗蛋白含量，這與常青等[19]在研究苜蓿與2種禾本科牧草混播的研究結果一致。

脂肪是產熱的主要原料，是動物儲存能量和評價牧草適口的重要指標之一[20]。在不同的混播比例中，混播比例A5∶B5下無芒雀麥的粗脂肪含量最高。加娜爾古麗·穆沙等[21]在新疆伊犁地區研究不同混播草地建植第3年產量與質量的評價中，得出豆禾混播比例5∶5下粗脂肪總產量較高。紫花苜蓿在A6∶B4混播比例下粗脂肪含量最高，粗脂肪對動物的生長發育、維持生存具有重要作用，在營養缺乏時能分解補充能量，必要時還能補充動物生長過程中的一些必需脂肪酸[22]。

粗纖維由植物中纖維素、半纖維素等物質組成[23]，其含量會影響家畜的采食量和消化率。研究表明，牧草中性洗滌纖維含量越高，對家畜采食率影響越大，因為中性洗滌纖維含量會決定牧草的適口性[24]；而酸性洗滌纖維含量的高低影響家畜的消化率，含量越高，家畜采食后消化率降低[25-26]。本試驗對7種混播比例進行比較，發現無芒雀麥在混播比例為A5∶B5時，其中性洗滌纖維含量最小；紫花苜蓿在混播比例為A6∶B4中中性洗滌纖維含量較低，酸性洗滌纖維含量隨著混播比例的增加而有減小的趨勢[27]。

3.2 不同混播比例對煤礦塌陷區土壤特性的影響

在煤礦塌陷區土壤養分含量較低，土壤養分含量的高低是影響土壤肥力的指標之一。在各混播比例中，土壤在0～10 cm土層速效磷含量高于10～20、20～30 cm土層。綜合考慮試驗地的情況，降雨量的多少在一定程度上也阻礙了土壤中磷元素的移動性[28]。

包興國等[29]研究發現，牧草混播增加了土壤的堿解氮、有機質、速效磷等養分含量。豆科牧草和禾本科牧草混播，禾本科牧草需氮肥量較多，當土壤肥力達不到植物所需時，就需要從外界獲取，這也就促進了豆科牧草的固氮能力[30]。本研究表明，與種植前土壤初始養分含量相比，苜蓿與無芒雀麥混播提高了土壤堿解氮的含量，在0～10 cm土層中混播比例為A6∶B4的堿解氮含量最高，較初始養分含量提高了7.34%～18.64%。

土壤有機質影響土壤結構、土壤持水量和溫度等一系列物理性狀，是土壤中營養物質的來源[31]。邰繼承等[32]研究發現，牧草混播提高了土壤有機碳的含量和穩定性。混播促進草地單位體積地下根系增多，從而增加了土壤腐殖質的量[33]。不同的混播比例對土壤有機質影響較大，本研究發現，在不同的混播比例中土壤有機質在表層土中較高，在混播比例為A6∶B4下土壤有機質含量高于其他混播比例。

4 結論

無芒雀麥的粗蛋白、粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量在混播比例為A5∶B5中最優。而紫花苜蓿各指標在A6∶B4混播比例中最佳。混播牧草增加了土壤中的速效養分，在0～10 cm土層中土壤中速效磷、堿解氮和有機質含量高于10～20、20～30 cm土層；在混播比例為A6∶B4中土壤各養分均顯著高于其他混播比例。