不同豆禾牧草混播對土壤質(zhì)地及肥力的影響

霍雅媛，曹 宏，柴守璽,張述強

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

建立人工草地是發(fā)展集約化草地畜牧業(yè)、實施生態(tài)恢復(fù)與系統(tǒng)重建和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施[1]。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家畜養(yǎng)殖角度考慮，建立人工草地不僅要獲得高而穩(wěn)定的牧草產(chǎn)量，還應(yīng)使多種牧草(豆科、禾本科)有比例地均衡發(fā)展；從生態(tài)學(xué)方面考慮，群落結(jié)構(gòu)與功能也應(yīng)具有穩(wěn)定性[2]。合理的牧草品種組合是實現(xiàn)產(chǎn)量和組分雙重穩(wěn)定的前提，也是維系干擾穩(wěn)定性的主要途徑[3-5]。因此，建立高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和穩(wěn)定的混播草地群落是降低人工草地建植與管理成本，提升其經(jīng)濟生態(tài)效益的關(guān)鍵[2]。趙海新、Sturludottir等[6-7]研究表明，不同豆科與禾本科牧草混播草地具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和穩(wěn)定的特點，是栽培草地的重要發(fā)展方向。與單播草地相比，混播草地不僅可改善草地生態(tài)系統(tǒng)氮素營養(yǎng)平衡[8-9]，在提高草地質(zhì)量或產(chǎn)量方面具有優(yōu)勢[10-12]，還在改善土壤肥力、實現(xiàn)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)方面具有明顯作用[13-15]。因此，豆禾混播草地往往成為許多地區(qū)人工草地建植的首選類型[16]。

隴東地區(qū)位于西北干旱半干旱地區(qū)，區(qū)域內(nèi)干旱少雨，溝壑縱深，坡耕地面積大，屬于農(nóng)牧交錯地區(qū)，也是甘肅省牧草種植和家畜養(yǎng)殖的傳統(tǒng)區(qū)域。目前，關(guān)于豆禾混播草地的研究主要集中在混播后(與單播草地相比) 牧草產(chǎn)量、牧草品質(zhì)或生產(chǎn)性能的改善[17-18]，穩(wěn)定性的提高[19]，種間競爭過程[20]，以及土壤氮、磷、碳等養(yǎng)分的變化上[21-23]，而對于混播群落自身結(jié)構(gòu)對土壤養(yǎng)分影響的差異關(guān)注較少[24]。因此，本文以慶陽市西峰區(qū)旱地人工建植牧草為例，研究了不同豆禾牧草混播組合及混播比例下土壤結(jié)構(gòu)和有效養(yǎng)分的變化規(guī)律，旨在探索黃土高原地區(qū)不同類型人工草地對土壤肥力的影響,為旱地人工草地建植與持續(xù)利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)隴東學(xué)院試驗農(nóng)場(107°40′E，35°44′N，海拔1 421 m)，屬于黃土高原隴東半干旱氣候區(qū)，年日照總數(shù)2 400～2 600 h，年無霜期160～180 d，年降水量400～600 mm，降雨多集中在7—9月，年平均氣溫10℃。試驗地土壤類型以黑壚土為主，有機質(zhì)含量為1.33%，全氮含量為0.9 g·kg-1，速效氮含量為51.2 mg·kg-1，全磷含量為0.87 g·kg-1，速效磷含量為11.9 mg·kg-1，速效鉀含量為179 mg·kg-1，土壤肥力中下等，地勢平坦，前茬作物為玉米。

1.2 試驗材料及試驗設(shè)計

試驗采用雙因素隨機區(qū)組設(shè)計。A因素為豆禾混播種類：豆科為紅豆草，禾本科為黑麥草、無芒雀麥、冰草，設(shè)3個處理，其中A1為紅豆草×黑麥草，A2為紅豆草×無芒雀麥，A3為紅豆草×冰草；B因素為豆禾混播比例，設(shè)7個處理，其中豆禾比例5個，為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3，分別用B1、B2、B3、B4、B5表示，2個對照為：紅豆草單播、禾草單播，分別用CK1、CK2表示，共17個處理(見表1)，每處理重復(fù)3次。試驗小區(qū)面積為5 m2(2 m×2.5 m)，行距為20 cm，處理間距為50 cm，重復(fù)間距為100 cm。試驗于2017年3月播種。每個處理均在自然條件下生長，無灌溉與施肥條件。

表1 試驗處理

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤容重 2019年5月22日于試驗田0～20 cm處取樣，采用環(huán)刀法[25]，在每個小區(qū)隨機選取具有代表性的一整塊土壤，剝?nèi)ヒ蛲寥辣砻媾c土鍬接觸而變形的部分，用環(huán)刀取樣，然后將環(huán)刀置于環(huán)刀盒內(nèi)，運回實驗室進行測定。

1.3.2 土壤孔隙度 一般不直接測量，可根據(jù)土壤容重和比重計算而得。計算公式：土壤孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100(容重單位為g·cm-3，比重一般為常值,為2.65 g·cm-3)

1.3.3 土壤團聚體 取樣時間和深度同上，采用隨機取樣法，在每個小區(qū)隨機選取具有代表性的一整塊土壤，剝?nèi)ネ寥辣砻媾c土鍬接觸而變形的部分，均勻地取回未變形的土樣(約2 kg)，置于封閉的鋁盒內(nèi)，運回實驗室。將土塊剝成10～12 mm直徑的小塊，除去粗根和石塊，避免受機械壓力而變形，然后將樣品風(fēng)干2～3 d，至樣品變干為止，采用機械篩分法[25]測定土壤團聚體。

1.3.4 土壤有機質(zhì)的測定 2019年3月21日采用隨機取樣法于試驗田取樣，在每個小區(qū)隨機選取具有代表性的3個點，用土鉆分別在0～10、10～20、20～40 cm處取樣，然后采用四分法除去多余的土樣，把試驗所需的土樣做好標(biāo)記帶回實驗室，自然風(fēng)干5～7 d后將土樣研磨，使其全部通過18目篩，采用重鉻酸鉀容量法[26]測定土壤有機質(zhì)含量。

1.3.5 土壤速效養(yǎng)分的測定 土壤速效氮、速效磷、速效鉀的取樣時間、方法和樣品處理同上。土壤速效氮采用堿解擴散法測定(用1.0 mol·L-1NaOH處理土壤，使易水解態(tài)氮(潛在有效氮)堿解轉(zhuǎn)化為NH3，NH3擴散后為H2BO3所吸收，再用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定，算出土壤速效氮含量)；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定(用0.5mol·L-1NaHCO3浸提劑、無磷活性炭處理土壤，再加顯色劑測吸光度，算出土壤速效磷含量)；土壤速效鉀采用火焰光度法測定[26](用1.0 mol·L-1NH4OAc作為浸提劑與土壤膠體陽離子交換，NH4OAc浸出液用火焰光度計直接測定，算出土壤速效鉀含量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗所得數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0和Excel 2010進行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同豆禾牧草混播方式對土壤容重、土壤孔隙度的影響

土壤容重的大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性以及保水能力的高低，一般土壤容重越小說明土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好；土壤孔隙度的作用是通氣、通水和保水，也可貯存土壤有機質(zhì)。二者對促進改善土壤疏松度的效果最好，進而改善土壤肥力[27]。從表2可知，不同豆禾混播的組合及比例對0～20 cm耕作層土壤容重及孔隙度的影響表現(xiàn)各異，其中A1B1、A1B2、A2B3、A3B2、A3B4處理的結(jié)果較好，A2B2處理的結(jié)果最好。與CK1相比，A2B2土壤容重減少了7.25%，土壤孔隙度含量增加了8.14%；與CK2相比較，A2B2土壤容重減少了9.86%，土壤孔隙度含量增加了10.81%。

表2 不同混播方式對土壤容重、孔隙度的影響

2.2 不同豆禾牧草混播方式對土壤團聚體的影響

從表3可知，不同豆禾混播的組合及比例對0～20 cm耕作層中團粒結(jié)構(gòu)(≥0.25 mm)的影響表現(xiàn)各不相同，其中A2B3和A3B1組合的總團聚體含量較高(11.10%和8.65%)，A2B2組合總團聚體含量最高(17.13%)。與CK1相比較，A2B2土壤總團聚體含量增加了13.56%；與CK2相比較，A2B2土壤總團聚體含量增加了13.45%。由此可見，A2B2組合對土壤團聚體的改善效果最好，即當(dāng)紅豆草∶無芒雀麥=4∶6時對改善土壤團聚體的效果最明顯，進而使土壤質(zhì)地得到相應(yīng)的改善。

表3 不同混播方式對土壤團聚體的影響/%

2.3 不同豆禾牧草混播方式對土壤有機質(zhì)的影響

不同混播組合方式對土壤有機質(zhì)含量的影響表現(xiàn)見圖1。在0～10 cm土層，A1C1、A1B1、A1B2、A1B3、A1B4、A1B5、A2B1、A2B2、A2B3、A2B4、A2B5各處理表現(xiàn)差異顯著(P<0.05)；A3B1、A3B3、A3B4、A3B5顯著低于其他處理(P<0.05)；在20～40 cm土層,A3B1、A3B3、A3B4、A3B5與其余各處理相比，差異不顯著(P>0.05)。

由此可見，不同豆禾混播組合及混播比例能顯著提高土壤有機質(zhì)的含量，其中A1B2組合對土壤有機質(zhì)的提升效果最好，其土壤有機質(zhì)含量為4.57%～5.83%，分別比CK1、CK2增加了40.3%、31.0%，故而對增加土壤有機質(zhì)含量的效果最明顯，使土壤肥力得到相應(yīng)的改善。

2.4 不同豆禾牧草混播方式對土壤主要養(yǎng)分的影響

2.4.1 不同豆禾牧草混播方式對土壤速效氮的影響 由圖2可知，在0～10 cm土層內(nèi)，不同豆禾混播處理對土壤速效氮的影響，相比于CK1、CK2都有所增加，增幅分別達3.0%～27.7%、1.4%～41.3%，其中A1B1、A2B1、A2B5、A3B2、A3B5顯著低于其余處理(P<0.05)；在10～20 cm土層內(nèi)，A1B2、A1B3顯著低于其余處理(P<0.05)，但也比CK1、CK2高；在20～40 cm土層內(nèi)，僅有A2B2顯著高于其余處理(P<0.05)，其余處理間差異不顯著(P>0.05)。

總體來看，A2B2在各個土層內(nèi)與其它處理差異達到顯著水平，其土壤速效氮含量為51.42～81.75 mg·kg-1，分別比CK1、CK2增加了20.1%、16.1%，即當(dāng)紅豆草∶無芒雀麥=4∶6時對增加土壤速效氮含量的效果最好。

2.4.2 不同豆禾牧草混播方式對土壤速效磷的影響 由圖3可知，在0～10 cm土層內(nèi)，不同豆禾混播組合方式對土壤速效磷的影響，A1B1、A3B2、A3B4顯著低于其余各處理(P<0.05)；在10～20 cm土層內(nèi)，A2B4、A3B2、A3B4顯著低于其余各處理(P<0.05)；在20～40 cm土層內(nèi)，A2B4、A3B2顯著低于其余各處理(P<0.05)。綜上可知，在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層中，各處理與CK1、CK2相比，其土壤速效磷含量都有所增加，增幅分別達21.1%～93.3%、31.9%～91.1%。其中，A2B3組合磷含量最高(31.39、27.08、27.87 mg·kg-1)。

圖3 不同混播方式對土壤速效磷的影響Fig.3 Effects of different mixing methods on available soil phosphorus

2.4.3 不同豆禾牧草混播方式對土壤速效鉀的影響 由圖4可知，在0～10 cm土層內(nèi)，不同混播組合方式對土壤速效鉀的影響，A2B4、A2B5、A3B1與其余各處理相比差異顯著(P<0.05)，其中A2B2的土壤速效鉀含量為143 mg·kg-1，且最高，相比CK1、CK2分別提高了13.5%、19.1%；在10～20 cm土層內(nèi)，A2B5、A3B1顯著低于其它處理(P<0.05)；在20～40 cm土層內(nèi)，各處理間無顯著差異(P>0.05)，但土壤速效鉀含量都比對照高。總體而言，A2B2的土壤速效鉀含量最高，即當(dāng)紅豆草∶無芒雀麥=4∶6時對增加土壤速效鉀含量的效果最明顯。

圖4 不同混播方式對土壤速效鉀的影響Fig.4 Effects of different mixing methods on available soil potassium

3 討論與結(jié)論

3.1 不同豆禾牧草混播方式對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤結(jié)構(gòu)通常是指土壤中形態(tài)各異的團聚體所占土壤的比重，也包括這些團聚體的機械穩(wěn)定性和孔隙性等[28]。土壤結(jié)構(gòu)是土壤肥力的基礎(chǔ)，相較于單播區(qū)，豆禾混播區(qū)土壤物理性質(zhì)有較大的改善，土壤容重降低，孔隙度提高，土壤三相比則更加協(xié)調(diào)[29]。 本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤淺層(0～20 cm)，A2B2的結(jié)果是最好的，與CK1、CK2相比，土壤容重分別降低了7.25%、9.86%，總團聚體和孔隙度分別增加了13.56%、11.68%和13.45%、10.81%。因此，因地制宜地開展豆科與禾本科牧草混播，能顯著改善土壤物理結(jié)構(gòu)，有利于抗旱、保墑，不易產(chǎn)生地表徑流，而且對提高土壤肥力具有重要意義。

3.2 不同豆禾牧草混播方式對土壤養(yǎng)分的影響

溫仲明等[30]研究表明,由表層向下土壤養(yǎng)分含量逐漸減少,0～10 cm土層有機質(zhì)、速效氮和速效鉀含量最高,這與大多數(shù)草地土壤養(yǎng)分的垂直分布規(guī)律相似。本試驗結(jié)果表明：(1)在不同土層，隨著豆科牧草比例的增大和禾本科牧草比例的減少，土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀都呈減少趨勢，而豆禾比為4∶6時值最大，方差分析表明對土壤肥力有顯著影響。(2)土壤速效氮隨著豆禾比例的增大呈先增后減趨勢，在4∶6時最大。因此，在豆禾混播草地中簡單增加豆科或禾本科牧草的比例，可能并不能顯著增加土壤養(yǎng)分供給，只有合理的豆禾比例與組合搭配才能顯著改善土壤養(yǎng)分的供給。(3)土壤速效鉀在合理的種植方式下含量都有所增加，其中A2B2(紅豆草∶無芒雀麥=4∶6)的含量增加幅度最大，但相比土壤的基礎(chǔ)肥力來說，含量還是有所下降。