深松淺旋對半干旱區退化紫花苜蓿人工草地改良效果研究

王斌，李滿有，王欣盼，董秀，龐軍寶，蘭劍*

（1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020；3.寧夏隆德縣畜牧技術推廣服務中心，寧夏 固原 756000）

紫花苜蓿（Medicago sativa）作為一種優良的多年生豆科牧草，因其產草量高、營養豐富、適口性好，被譽為“牧草之王”［1—2］。寧夏是我國重要的畜牧業基地之一，紫花苜蓿是其重要的飼草來源，目前寧夏紫花苜蓿人工草地約40.0萬hm2，其中半干旱區達25.3萬hm2，但受該地區自然條件、管理水平等因素的影響，6～7年后紫花苜蓿草地土壤緊實，含水量低，苜蓿生長受阻，植株低矮，分枝數少，植被稀疏，顯現退化跡象。經調查，寧夏半干旱區7齡以上紫花苜蓿草地超過70%，產量不足3000 kg·hm—2。對于退化紫花苜蓿草地，一方面可通過翻耕后重新建植，另一方面可通過耕作措施進行改良。而深松淺旋是改良退化草地的有效措施之一，可以打破犁底層，疏松土壤，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度，提高蓄水能力，能夠促進苜蓿根系對養分和水分的吸收利用，提高草地生產性能［3—6］，實現退化紫花苜蓿草地更新復壯。因此，研究深松淺旋對退化紫花苜蓿草地改良具有重要意義。

近年來，我國為使耕地可持續利用，促進農業綜合生產力穩定發展，實現“藏糧于地、藏糧于技”目標，提出了要全面推進農機深松作業［7—8］。關于深松淺旋的研究大多集中在耕作方式如何改良土壤理化性狀［9—11］、改善作物根系特征［12—15］以及提高作物產量［16］等方面。趙亞麗等［17］、白偉等［18］認為深松可構造出虛實相間的耕層結構，降低土壤緊實度，促進作物根系生長發育，提高水分利用效率和作物產量。張凱等［19］研究深松程度對豫北農田土壤水分與作物耗水的影響時發現，深松深度為40 cm時效果最好，顯著增加了作物的穗數和穗粒數。魏歡歡等［20］研究表明深松能夠顯著提高黃土高原東南部和西北部的冬小麥（Triticum aestivum）產量和水分利用效率。孔曉民等［21］研究發現，較免耕相比，深松可降低0～35 cm土壤容重和緊實度，尤其以16～25 cm土層降幅最為明顯。也有研究證明，淺旋可提高土壤含水量、氮吸收量，減少硝態氮［22］，促進作物產量提升。基于以上綜述，鮮見深松淺旋在退化紫花苜蓿草地上的報道，此外，前人的改良措施多以單一的深松或淺旋技術為主，只能在一定時間或一定區域內發揮優勢。鑒于此，研究深松淺旋不同耕作組合對退化紫花苜蓿草地土壤理化性質、生產性能及飼草品質的影響，探討該區域退化紫花苜蓿草地適宜的深松淺旋程度，可為改良退化苜蓿草地提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏隆德縣神林鄉觀音村（35°21′N，106°15′E，海拔2100 m）進行，該區域屬中溫帶季風氣候區。試驗期間2018、2019、2020年降水量分別為646、576、688 mm，但多集中在夏秋7、8兩個月。年平均氣溫5.8℃，年均日照時數2303.5 h，無霜期125 d。試驗地為“隴東”苜蓿（M.sativacv.Longdong）草地，2011年條播，播種量22.5 kg·hm—2，行距為15 cm，播種深度2～3 cm；2018年紫花苜蓿的覆蓋度為60%～70%。土壤為黑壚土，pH值7.7，有機質含量5.88 g·kg—1，堿解氮含量29.75 mg·kg—1，速效磷含量18.89 mg·kg—1，速效鉀含量118.08 mg·kg—1。

1.2 試驗設計

試驗于2018年4月至2020年9月進行，試驗地無施肥灌溉措施。試驗采用單因素隨機區組設計，設7個處理，分別為：深松30 cm+淺旋5 cm（S1Q1），深松30 cm+淺旋10 cm（S1Q2），深松40 cm+淺旋5 cm（S2Q1），深松40 cm+淺旋10 cm（S2Q2），深松50 cm+淺旋5 cm（S3Q1），深松50 cm+淺旋10 cm（S3Q2），不做處理（CK）；每個處理3個重復，總計21個小區，小區面積60 m2（10 m×6 m）。2018年4月14日順著苜蓿行進行深松和淺旋作業。每年刈割兩茬，時間分別為：2018年6月20日和9月2日，2019年6月3日和8月22日，2020年6月5日和8月25日。

試驗用具：青島魯耕-310B深松機；1GQN-150立軸式淺旋機（將淺旋機刀片頂端部分弧度調整為160°，以免對紫花苜蓿根頸造成過度傷害）。

1.3 測定指標及方法

以下各農藝性狀指標均在紫花苜蓿初花期測定：

株高：每個小區隨機選取20株紫花苜蓿測量垂直高度，取平均值。

分枝數：每個小區隨機取20株紫花苜蓿從根頸處，數其一級分枝數，取平均值。

葉莖比：每個小區隨機選取20株紫花苜蓿將莖和葉分離，于105℃殺青1 h，65℃烘干48 h至恒重后冷卻，稱量干重，葉莖比＝葉片干重/莖稈干重。

鮮草產量：在每個小區垂直行向取6 m2樣方，留茬高度4～5 cm，刈割后稱量為鮮草產量，每個小區重復6次，換算為每hm2鮮草產量。

干草產量：將所采集的紫花苜蓿鮮草風干至恒重后稱量干草重量，換算為每hm2干草產量。

營養品質測定：在每個小區內隨機取500 g的鮮草樣品，剪為4～5 cm長，于烘箱中105℃下殺青0.5 h左右，65℃烘干48 h至恒重。將烘干的紫花苜蓿草樣粉碎，過0.45 mm篩。根據《飼料分析及飼料質量檢測技術》［23］測定粗蛋白（crude protein，CP）、中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）含量。計算飼料相對飼喂價值（relative feeding value，RFV）［24］：

土壤容重：采用環刀法測定，深度分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，逐層取土樣，每個點6次重復；根據土壤容重，計算土壤孔隙度（soil porosity）：

式中：比重取2.65 g·cm—3［25］。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2013軟件整理數據（干草產量為每年2茬累加，其余指標均為2茬平均），利用SPSS Statistics 25.0軟件進行方差分析，多重比較，用Origin 2018作圖，并用SAS 9.4軟件對株高（X1）、分枝數（X2）、葉莖比（X3）、干草產量（X4）、粗蛋白（X5）、中性洗滌纖維（X6）、酸性洗滌纖維（X7）、相對飼喂價值（X8）3年平均值進行主成分分析（principal component analysis，PCA）。

2 結果與分析

2.1 深松淺旋對紫花苜蓿株高和一級分枝數的影響

由圖1可知，2018—2020年紫花苜蓿株高的變化范圍分別為57.34～75.23 cm、54.17～74.03 cm、52.00～72.71 cm；相同深松淺旋方式下，除S2Q2處理外，2018年株高整體高于2019和2020年；其中2018年株高在S3Q2處理下最高，達到75.23 cm，CK處理最低，僅為57.34 cm；2019和2020年株高均在S2Q2處理下最高，分別達到74.03和72.71 cm，與CK相差19.86和22.71 cm。一級分枝數在2018—2020年變化范圍分別是17～26個、19～22個、18～32個；其中，2018年一級分枝數最多的處理是S1Q2，達到26個，顯著高于其他處理（P＜0.05）；2019和2020年一級分枝數最多的均為S2Q2處理，分別達到22和32個，較CK增加了3和14個。

圖1 不同處理間紫花苜蓿株高、一級分枝數的比較Fig.1 Compar ison of alfalfa plant height and number of primary br anches among different tr eatments

2.2 深松淺旋對紫花苜蓿葉莖比和干草產量的影響

由圖2可知，2018—2020年葉莖比變化范圍分別為0.65～1.03、0.60～1.05、0.62～1.03，且在這3年內，深松淺旋處理的葉莖比均顯著高于CK（P＜0.05）；其中2018年葉莖比較高的處理分別是S3Q2、S2Q1，較CK增加了0.38和0.36。2019和2020年葉莖比均在S2Q2處理下達最大值，為1.05和1.03，較CK提高了0.35和0.31。干草產量在2018—2020年的變化范圍分別是1921.26～6965.03 kg·hm—2、1889.79～6807.12 kg·hm—2、1863.13～8064.37 kg·hm—2，整體來看，除S3Q2處理外，2020年干草產量高于2018和2019年；3年深松淺旋處理的干草產量均顯著高于CK（P＜0.05），其中2018年干草產量最高的處理是S3Q2，其次是S1Q2，分別為6965.03和5169.18kg·hm—2，2019和2020年干草產量最高的處理均是S2Q2，分別達到6807.12和8064.37 kg·hm—2，而CK分別僅有1889.79和1863.13 kg·hm—2。

圖2 不同處理間紫花苜蓿葉莖比、干草產量的比較Fig.2 Comparison of alfalfa leaf-stem ratio and hay yield among different treatments

2.3 深松淺旋對紫花苜蓿粗蛋白（CP）含量和相對飼喂價值（RFV）的影響

由圖3可知，CP含量在2018—2020年的變化范圍分別為17.23%～21.83%、16.55%～22.24%、17.69%～19.65%，相同深松淺旋方式下，2020年CP含量整體低于2018和2019年，且2018和2019年各深松淺旋處理的CP含量均顯著高于CK（P＜0.05）。其中2018年CP含量在S3Q2處理下達最高，而2019和2020年CP含量均在S2Q2處理下最高，分別達到22.64%和19.95%，較CK分別提高了34.38%和9.97%。2018—2020年RFV的變化范圍為150.92～189.74、150.72～175.56、122.19～160.53，整體來看，2018和2019年RFV高于2020年，其中2018年RFV最高的處理是S1Q2，其次是S3Q2，分別達到189.74、171.33；2019和2020年的RFV最高的處理均是S2Q2，分別為175.56、160.53，顯著高于CK（P＜0.05）。

圖3 不同處理間紫花苜蓿粗蛋白含量、相對飼喂價值的比較Fig.3 Compar ison of alfalfa cr ude pr otein content and relative feeding value among different treatments

2.4 深松淺旋對紫花苜蓿中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）含量的影響

由圖4可知，NDF含量在2018—2020年的變化范圍分別為32.81%～39.93%、35.45%～39.35%、38.79%～46.87%，從3年數據來看，2018年NDF含量整體低于2019和2020年；其中2018年NDF含量最低的處理是S1Q2，顯著低于其他處理（P＜0.05），2019年NDF含量最低的是S2Q2處理，為35.45%，2020年NDF含量在S1Q2處理下最低，與CK相差8.08%。ADF含量在2018—2020年的變化范圍分別是27.43%～31.64%、28.25%～34.45%、27.79%～35.09%；其中2018年ADF含量最低的是S3Q2處理，為27.43%，顯著低于除S1Q2處理外的其他處理（P＜0.05），2019和2020年ADF含量最低的均是S2Q2處理，較CK分別低5.42%和7.30%。

圖4 不同處理間紫花苜蓿中性、酸性洗滌纖維含量的比較Fig.4 Comparison of neutral and acid detergent fiber content of alfalfa among different treatments

2.5 深松淺旋對退化紫花苜蓿草地土壤容重的影響

由圖5可知，適宜的深松淺旋處理可以顯著降低土壤容重（P＜0.05）。整體來看，S2Q2處理的0～20 cm土層土壤容重逐年降低，而S1Q2、S2Q1和S3Q2處理的0～20 cm土層土壤容重均逐年增加，其中2018—2020年的土壤容重在S2Q1處理下均達到最低，較CK分別降低0.24、0.24、0.19 g·cm—3。對于20～40 cm土壤容重而言，2018年土壤容重在S3Q1處理下最低，僅有1.36 g·cm—3。而2019和2020年土壤容重均在S2Q1處理下最低，與CK分別相差0.10、0.12 g·cm—3。2018、2019和2020年的40～60 cm土層土壤容重均在S3Q1處理下達到最低，分別為1.31、1.42、1.45 g·cm—3，較CK降低了0.28、0.09、0.07 g·cm—3。

圖5 不同處理間退化苜蓿草地0～60 cm土壤容重比較Fig.5 Comparison of 0-60 cm soil bulk density of degraded alfalfa grassland among different treatments

2.6 深松淺旋對退化紫花苜蓿草地土壤孔隙度的影響

由圖6可知，2018和2019年0～20 cm土層土壤孔隙度均在S2Q1處理下最高，分別達到45.31%、46.42%；2020年0～20 cm土層在S3Q1處理下最高，達到46.29%，較CK高3.23%。2018年20～40 cm土層土壤孔隙度在S3Q1處理下最高，達到46.89%；2019和2020年20～40 cm土層均在S2Q1處理下最高，達到46.29%和46.13%，較CK分別高2.27%和4.24%。2018年40～60 cm土層土壤孔隙度在S2Q2處理下最高，達到50.26%；2019和2020年40～60 cm土層均在S3Q1處理下最高，分別達到46.29%和45.38%，較CK分別高3.27%和2.86%。

2.7 綜合分析

主成分分析能夠降低數據維數以消除重疊信息的不利影響，近年來，PCA綜合評價方法在作物栽培以及牧草選育方面成為熱點［26］。在對不同深松淺旋處理進行評價時，不能只考慮某1個或幾個指標的優劣，而應該科學、綜合的評價其所有指標。特征值和方差貢獻率如表1，根據特征值大于1原則，可提取2個主成分，累積方差貢獻率達到97.171%，解釋了總體信息的97.171%。

表1 主成分的特征值Table 1 Eigenvalues of principal components

主成分對應的特征向量和載荷矩陣如表2所示，第1主成分主要綜合了干草產量（X4）、葉莖比（X3）、粗蛋白（X5）、酸性洗滌纖維（X7），其載荷較大，權重系數分別為0.978、0.954、0.951、—0.883，可稱為復合因子。第2主成分主要綜合了中性洗滌纖維（X6）、相對飼喂價值（X8），其載荷較大，權重系數分別為0.740、—0.617。

表2 主成分對應的特征向量和載荷矩陣Table 2 The eigenvectors and load matrix cor responding to the principal components

通過主成分1和主成分2的特征向量值，得出各主成分綜合得分線性方程，以各主成分對應的方差相對貢獻率作為權重建立綜合評價模型：

通過上述模型計算每個處理的綜合得分并進行排名（表3）。在主成分1和主成分2中，排名均靠前的是S2Q2，S1Q2，S2Q1，它們的葉莖比、干草產量和粗蛋白含量較高，中性洗滌纖維含量較低。根據綜合評價模型得分排名如下：S2Q2，S1Q2，S2Q1，S3Q2，S1Q1，S3Q1，CK。

表3 深松淺旋處理綜合排名及得分Table 3 Comprehensive ranking and score for plowing and shallow rotary cultivation

3 討論

3.1 深松淺旋對紫花苜蓿生產性能的影響

深松淺旋可以不同程度提高草地生產力。本研究發現，深松淺旋對紫花苜蓿株高、一級分枝數有顯著影響，主要是由于深松淺旋能夠構建疏松的土層結構，降低土壤緊實度和土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤持水能力，為紫花苜蓿生長發育提供良好的土壤環境，有利于根系吸收水分和養分［27—28］，進而增加紫花苜蓿植株高度和促進分枝。馮倩倩等［29］在耕作方式對冬小麥—夏玉米（Zea mays）產量影響的研究中指出，深松能夠有效促進耕層土壤保水性能和提高有機質積累，增加作物的產量構成要素（有效穗數、穗粒數、千粒重）。李明等［30］研究表明，淺旋能夠提高土壤含水量，有利于小麥根系吸收水分和養分，提高籽粒產量。本研究表明，深松淺旋處理較對照顯著提高了紫花苜蓿產量，與前人研究結果一致，主要是因為深松提高了深層土壤苜蓿根系活性，從而延緩地上部分衰老，改善了紫花苜蓿葉片光合特性，進一步提高了單位面積產量［29，31］。同時，深松淺旋還可改善土壤理化性狀，活化深層土壤資源，促進紫花苜蓿根系吸收養分和水分，最終直接影響紫花苜蓿產量的形成。從本研究結果來看，隨著深松淺旋后年限的延長，大部分耕作處理的紫花苜蓿產量逐年增加，僅深松50 cm和淺旋10 cm的苜蓿產量有所下降，但也顯著高于對照組，由此逐步顯現了耕作改良的正效應，至于改良效果持久性如何，還需進一步研究。

3.2 深松淺旋對紫花苜蓿品質的影響

牧草中的粗蛋白、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量是評定其營養品質的重要指標。本研究發現，深松淺旋可提高紫花苜蓿的粗蛋白含量，這是因為深松淺旋對紫花苜蓿生育期有不同程度的延長，能夠延緩植物葉片衰老［32—34］，增加了紫花苜蓿葉片數量；從本試驗的結果來分析，深松淺旋處理顯著提高了紫花苜蓿葉莖比，而紫花苜蓿中70%的粗蛋白來源于葉片，且葉片中粗蛋白含量遠遠高于莖［35］，葉莖比越大，紫花苜蓿的粗蛋白含量就越高，因此處理組紫花苜蓿的粗蛋白含量高于對照組。深松淺旋處理第1年（2018年）和第2年（2019年）的紫花苜蓿粗蛋白含量整體高于第3年（2020年），原因可能是在退化苜蓿草地有大量的裸露斑塊，給賴草（Leymus secalinus）等雜草提供了生長空間，在2018年通過深松淺旋后，大部分地表雜草減少，地下根系受到破壞，生長緩慢，在紫花苜蓿收獲時，只有極少數的雜草會和苜蓿一起被收割；到第3年（2020年），雜草數量增多，收割苜蓿時會有大量的雜草摻雜，降低了收獲物粗蛋白含量。

牧草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量主要影響家畜的采食量和消化率，其主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成［36］。本研究發現，中性洗滌纖維含量表現為2020年高于2018與2019年，主要原因是2020年紫花苜蓿葉莖比低于前兩年，且紫花苜蓿葉片中的中性洗滌纖維、木質素和半纖維素含量均低于莖中［37］，因此，紫花苜蓿中性洗滌纖維含量高。

3.3 深松淺旋對土壤容重和孔隙度的影響

深松淺旋對退化紫花苜蓿草地土壤容重起到至關重要的作用。研究發現，科學合理的深松淺旋能夠顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促進作物生長。李小飛等［38］研究表明，深松可不同程度降低茶（Camellia sinensis）園土壤容重，尤其在深松30 cm時0～30 cm土層降幅最為明顯。梁金鳳等［39］研究發現，深松深度為30、35、45 cm時均可降低土壤容重。張凱等［19］以豫北農田為研究對象，試驗發現深松深度為35和40 cm處理的土壤容重較對照顯著降低。本研究表明，深松淺旋降低了0～60 cm土層的土壤容重，與前人研究結果一致。深松有效打破了土壤犁底層，進而降低土壤容重，改善退化苜蓿草地土壤結構。另外，在深松淺旋第1年（2018年），S1Q1、S1Q2、S2Q1、S3Q1和S3Q2處理下0～20 cm土層土壤容重整體低于2019和2020年，主要原因可能是深松處理后又對土壤進行了淺旋處理，淺層土壤受到擾動，土壤結構穩定性下降，土壤容重降低［40］。

土壤孔隙結構與土壤通氣和持水性能緊密相關，土壤孔隙度越大越有利于植物根系伸展和吸收養分。Blazewiczwozniak等［41］研究發現，深松淺旋能降低土壤緊實度，增加土壤孔隙度。劉衛玲等［42］為探明深松方式對砂姜黑土耕層改良的影響時發現，深松可以改善土壤孔隙結構，增加孔隙體積和大孔隙數量。本研究發現，不同程度深松淺旋較對照顯著提高了土壤孔隙度，與前人研究結果一致，深松淺旋打破了土壤耕作層，增加了土壤孔隙度。

4 結論

針對寧夏半干旱區退化紫花苜蓿草地，合理的深松淺旋能顯著提高退化紫花苜蓿草地土壤孔隙度、紫花苜蓿株高、分枝數、葉莖比、干草產量和粗蛋白含量，降低土壤容重、紫花苜蓿中性洗滌纖維及酸性洗滌纖維含量；綜合平均3年數據，各項指標均優于對照組，其中深松40 cm+淺旋10 cm處理的干草產量（6505.44 kg·hm—2）和粗蛋白含量（20.74%）最高，中性洗滌纖維（37.81%）和酸性洗滌纖維（29.23%）含量最低。經綜合分析得出，深松40 cm+淺旋10 cm對半干旱區退化苜蓿草地改良效果最優。