垄覆膜集雨种植对二年龄苜蓿草地土壤养分的影响

寇江涛，师尚礼＊，周万海，尹国丽，李建伟

（1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州730070；2.草业生态系统教育部重点实验室 甘肃省草业工程实验室中－美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃 兰州730070）

我国西北黄土高原处于半干旱区，是我国北方农牧交错带的北界和雨养农业的下限区，也是生态环境变化的敏感区，该地区地下水位深，农业生产主要依靠天然降水，几乎没有其他水源［1］，该地区年降水分布不均匀，总量少且集中在7－9月份，降水形式多以小于5mm的无效和微效降水或大暴雨为主，径流损失与蒸发损失并存［2］，这不仅不利于作物对水分的有效吸收，而且会造成大面积的水土流失［3，4］，且该地区地形破碎，土壤侵蚀剧烈，养分流失严重，土壤贫瘠化较为普遍［5］。因此，干旱缺水、水土流失及严酷的自然条件成为西北黄土高原区生态环境脆弱和农业生产力低下的主要原因［6］。

研究表明，实施垄沟集雨种植，能够使垄上降水流入沟中，产生水分叠加［7］，同时田间沟垄可以减小风速，抑制蒸发，提高入渗深度［8］，从而达到蓄积雨水、增加土壤含水量、改善土壤墒情、延长水分有效期和对天然降水资源实现空间调控，满足作物对水分的生长需求［9－11］。在我国垄覆膜集雨种植的研究和应用多集中在北方干旱半干旱雨养农业区，这些研究主要针对土壤蓄水供水［12，13］、农田水热环境［14，15］、水肥效应［16］以及集雨效率［17］等方面，并最终落脚于作物产量，而且大多数垄沟集雨的研究均以一年生农作物为主［12－15，18－20］，对多年生牧草的研究报道较少［9，21，22］，对苜蓿草地土壤养分的研究报道更少［23］。

本研究以我国西北旱地为研究对象，通过垄覆膜集雨种植紫花苜蓿（Medicagosativa）试验，研究不同覆膜方式和不同沟垄宽比处理对二年龄苜蓿草地土壤养分的影响，以探讨该新型种植方式对土壤质量的综合影响，旨在为我国黄土高原地区发展草田轮作、草地植被和改善生态环境提供科学的理论依据和技术参考，并为提高旱作苜蓿草地产草量、延长草地高产年限提供有效的途径和方法，对半干旱区旱地牧草种植具有一定的实践指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况与自然条件

试验于2008年4月－2009年10月在甘肃省永登县武胜驿镇霍家湾村（36.73°N，103.25°E）进行，该区海拔2 624m，属典型的大陆性气候，处于半干旱区，年降水量230.0～435.8mm，年蒸发量1 230.4～1 879.8mm。年平均日照2 659.3h，年最低气温－28.1℃，最高气温34.34℃，年平均气温5.9℃，年平均相对湿度56%，干燥度3.1，年均无霜期121d。全年多为西北风，夏季阴雨天气亦有东南风，风力一般2～4级，最大9级，频率19%，年均风速2.3m／s，定时最大风速20m／s，8级以上大风年均11.3d，最多年份达26d。境内沟壑纵横，气候干燥，植被稀少，土壤为钙砾土，土质疏松。试验地前茬作物为冬小麦（Triticumaestivum），0～40cm土层有机质32.00g／kg、全氮2.14g／kg、速效氮115.14mg／kg、全磷0.87g／kg、速效磷36.54mg／kg、速效钾214.12 mg／kg。2009年苜蓿生长期（4月10日－9月20日），试验区降水量为211.9mm，为干旱年份。

1.2 试验设计

供试品种为陇东紫花苜蓿（M.sativacv.LongDong），采用垄沟种植方式，垄为集雨区，沟为种植区。设覆膜垄和土垄2种集雨面处理，集雨垄坡度40°，垄高25cm，覆膜垄上覆盖宽1.2m、厚0.08mm的塑料薄膜，边缘用土固压，以防被风损害；土垄为人工原土夯实。试验设9个处理（4种沟垄宽比×2种垄覆盖方式＋1对照），其中对照（CK）为平作，4种沟垄宽比（沟宽：垄宽）为60cm∶30cm、60cm∶45cm、60cm∶60cm和60cm∶75 cm。苜蓿出苗前期，种植区全部进行小麦秸秆覆盖。小区随机排列，每处理重复3次，垄长6m，每小区有4条垄3条沟，试验小区编号分别为 MR30、MR45、MR60、MR75、SR30、SR45、SR60、SR75、CK，其中 MR 为膜垄（mu1ching ridge），SR为土垄（soil ridge），CK为平作。小区面积及编号见表1。

表1 试验设计参数Table 1 The design parameters of experiment

1.3 田间管理

试验地于2008年4月13日播种，在每小区沟内条播4行紫花苜蓿，行距15cm，播种深度1～2cm，播种量22.5kg／hm2。播种前施基肥，基肥用量：纯N［CO（NH2）2，含氮46%］和纯P（重过磷酸钙，含P2O546%）的用量分别为34.5kg／hm2和80.0kg／hm2。田间无灌溉，播种后松土，人工除莠，以免苜蓿幼苗受杂草的危害。

1.4 测定项目

1.4.1 干草产量 第1茬苜蓿于盛花期（2009／7／11）刈割，第2茬苜蓿于初花期（2009／9／20）刈割，每小区随机选取3个0.6m×1.0m样方，留茬高度5cm，刈割后放在105℃的烘箱中杀青15min，之后置于60℃下烘至恒重（24h），冷却后取出称重，求平均值，折算成每公顷的干草重量。用全部种植面积（即小区面积＝沟面积＋垄面积）计算干草产量。

1.4.2 土壤养分 于苜蓿种植第2年返青前（2009／4／10）、第2茬苜蓿初花期（2009／9／20）刈割后，各小区内按“S”型设置3个采样点（取样点均分布在种植沟内），分别用土钻取0～20，20～40cm土样，将同一层次3个土样均匀混合使成为1个混合样，带回实验室风干、去杂、过筛后待测定。

土样分析在甘肃农业大学草业学院草业生态系统教育部重点实验室进行，测定方法如下［24］：有机质（SOM）－重铬酸钾容量法（外加热法）、全氮（TN）－半微量凯氏法、全磷（TP）－HClO4－H2SO4法、速效氮（AN）－碱解扩散法、速效磷（AP）－0.5mol／L NaHCO3法、速效钾（AK）－NH4OAc浸提（火焰光度法）、缓效钾（SAK）－1mol／L热HNO3浸提（火焰光度法）。

1.5 数据处理

采用Excel 2003进行数据处理和图表绘制，并采用SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同集雨处理对土壤有机质的影响

返青前、刈割后，膜垄、土垄处理0～20，20～40cm土层SOM含量均随着垄宽度的增加而增大，而且膜垄处理0～20，20～40cm土层平均SOM含量显著高于土垄处理和CK（图1）。

返青前，膜垄处理之间0～20，20～40cm土层SOM含量差异不显著，但均显著高于CK，MR45、MR60、MR75均显著高于土垄处理；土垄处理之间0～20，20～40cm土层SOM含量差异不显著，SR60、SR75 0～20cm土层SOM含量显著高于CK，SR30、SR45与CK差异不显著，土垄处理20～40cm土层SOM含量均与CK差异不显著。刈割后，MR45、MR60、MR75 0～20cm土层SOM含量差异不显著，均显著高于MR30及土垄处理；膜垄处理之间20～40cm土层SOM含量差异不显著，MR45、MR60显著高于土垄处理；膜垄、土垄各处理0～20，20～40cm土层SOM含量均显著高于CK。

图1 不同集雨处理0～20，20～40cm土壤有机质含量Fig.1 Soil organic matter（SOM）in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

刈割后与返青前相比，膜垄、土垄处理及CK 0～20，20～40cm土层SOM含量均显著降低，膜垄处理0～20，20～40cm土层平均SOM含量分别降低7.80%，9.27%，土垄处理0～20，20～40cm土层平均SOM含量分别降低11.19%，10.12%，CK 0～20，20～40cm土层SOM 含量分别降低15.30%，16.71%。

2.2 不同集雨处理对土壤全氮、速效氮的影响

返青前、刈割后，膜垄、土垄处理0～20，20～40cm土层TN含量均随着垄宽度的增大而增加，而且膜垄处理0～20，20～40cm土层平均TN含量显著高于土垄处理和CK（图2）。返青前，膜垄处理之间0～20，20～40cm土层TN含量差异不显著，均显著高于CK；土垄处理之间0～20，20～40cm土层TN含量差异不显著，且均与CK无显著差异。刈割后，膜垄、土垄处理0～20，20～40cm土层TN含量均显著高于CK。刈割后与返青前相比，除CK外，膜垄和土垄处理0～20，20～40cm土层TN含量均显著提高，膜垄处理0～20，20～40cm土层平均TN含量分别提高12.71%，11.26%，土垄处理0～20，20～40cm土层平均TN含量分别提高8.45%，9.80%。表明垄覆膜集雨种植能够显著提高土壤全氮含量，而且膜垄处理的增幅明显大于土垄处理。

图2 不同集雨处理0～20，20～40cm土层土壤全氮、速效氮含量Fig.2 Total nitrogen（TN）and available nitrogen（AN）contents in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

返青前、刈割后，膜垄处理0～20，20～40cm土层AN含量均显著高于CK，而且膜垄处理显著高于土垄处理。返青前，土垄处理0～20cm土层AN含量均显著高于CK，SR60、SR75处理20～40cm土层AN含量显著高于CK，SR30、SR45处理与CK差异不显著；刈割后，土垄处理0～20cm土层AN含量均显著高于CK，SR6020～40cm土层AN含量显著高于CK，SR30、SR45、SR75与CK差异不显著。刈割后与返青前相比，CK 0～20 cm土层AN含量显著升高，20～40cm土层AN含量显著降低，膜垄、土垄处理0～20，20～40cm土层AN含量均显著降低。膜垄处理0～20，20～40cm土层平均AN含量分别降低6.61，4.66mg／kg，土垄处理0～20，20～40cm土层平均 AN含量分别降低6.88，5.00mg／kg。

2.3 不同集雨处理对土壤全磷、速效磷的影响

返青前、刈割后，膜垄、土垄处理和CK 0～20，20～40cm土层TP含量均无显著差异（图3）。

返青前，膜垄处理之间0～20，20～40cm土层AP含量差异不显著，均显著高于土垄处理和CK；土垄处理之间0～20，20～40cm土层AP含量差异不显著，且均与CK无显著差异。刈割后，SR45、SR60、SR75 0～20cm土层AP含量显著低于CK，膜垄处理及SR30与CK差异不显著；MR30 20～40cm土层AP含量显著高于CK，MR45、MR60、MR75及SR60 20～40cm土层 AP含量与CK差异不显著，SR30、SR45、SR75 20～40cm 土层AP含量显著低于CK。刈割后与返青前相比，膜垄、土垄处理及CK 0～20，20～40cm土层AP含量均显著降低，膜垄处理0～20，20～40cm土层平均AP含量分别降低7.57，5.30mg／kg，土垄处理0～20，20～40cm土层平均 AP含量分别降低6.62，4.68mg／kg。

2.4 不同集雨处理对土壤缓效钾、速效钾的影响

返青前、刈割后，膜垄处理0～20，20～40cm土层SAK含量随着垄宽度的增大而增加，且均显著高于土垄处理和CK（图4）；返青前土垄处理0～20cm土层SAK含量均显著高于CK，刈割后SR30、SR75与CK差异不显著，SR45、SR60显著低于CK；返青前SR30、SR45 20～40cm土层SAK含量与CK差异不显著，SR60、SR75显著高于CK，刈割后SR30、SR45、SR60与CK差异不显著，SR75显著低于CK。刈割后与返青前相比，CK 0～20 cm土层SAK含量显著降低，膜垄和土垄处理0～20，20～40cm土层SAK含量均显著降低。膜垄处理0～20，20～40cm土层平均SAK含量分别降低64.54，40.05mg／kg，土垄处理0～20，20～40cm土层平均SAK含量分别降低60.08，30.03mg／kg。

图3 不同集雨处理0～20，20～40cm土层土壤全磷、速效磷含量Fig.3 Total phosphorus（TP）and available phosphorus（AP）contents in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

图4 不同集雨处理0～20，20～40cm土层土壤缓效钾、速效钾含量Fig.4 Slowly available potassium （SAK）and available potassium （AK）contents in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

返青前、刈割后，膜垄处理0～20，20～40cm土层AK含量均随着垄宽度的增大而增加，且均显著高于土垄处理和CK；返青前SR45、SR60、SR75 0～20cm土层AK含量显著高于CK，SR30与CK差异不显著，SR60、SR75 20～40cm土层AK含量显著高于CK，SR30、SR45与CK差异不显著；刈割后土垄处理0～20，20～40cm土层AK含量均与CK差异不显著。刈割后与返青前相比，CK处理0～20cm土层AK含量显著降低，膜垄和土垄处理0～20，20～40cm土层AK含量均显著降低。膜垄处理0～20，20～40cm土层平均AK含量分别降低19.58，12.21mg／kg，土垄处理0～20，20～40cm土层平均 AK含量分别降低18.52，9.32mg／kg。

2.5 不同集雨处理0～40cm土层土壤养分增减量与经济产量的关系

图5 不同集雨处理的干草产量Fig.5 Economic yield among different rainfall harvesting treatments

用全部面积计算苜蓿干草产量（图5），膜垄和土垄处理均显著高于CK，其中以MR60处理最高，显著高于 MR75、MR45和 MR30，MR75与 MR45之间差异不显著，但显著高于MR30；土垄处理以SR60和SR75较高，二者之间差异不显著，但显著高于SR45和SR30，SR45显著高于SR30；膜垄和土垄处理的平均年干草产量分别较CK提高204.98%和163.63%。表明膜垄处理的经济产量显著高于土垄处理，土垄处理经济产量也明显高于CK。

对不同集雨处理0～40cm土壤养分增减量与经济产量作相关性分析（图6），结果表明：0～40cm土层SOM的减少量与苜蓿的经济产量呈显著的负相关，0～40cm土层TN的增加量、AP的减少量、AK的减少量均与苜蓿的经济产量呈显著的正相关。

3 讨论与结论

3.1 垄覆膜集雨对土壤有机质的影响

作为土壤重要组成部分和代表一个主要碳库的SOM是土壤肥力的重要标志，是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，SOM能使土壤具有保肥性、缓冲性，使土壤疏松，从而改善土壤的理化性质［24］。SOM含量是多因素影响下土壤有机碳输入与输出之间平衡的结果［25］，SOM的损失主要取决于土壤有机质的氧化及土壤侵蚀的程度，微生物是SOM分解和周转的主要驱动力，凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响SOM的分解和转化，因此土壤温度和水分是影响SOM分解和转化的主要因素［26］。

垄覆膜集雨能够将小于5mm的无效、微效降水通过人工产流形式形成坡面径流，使之有效化，从而对有限降水资源进行再分配［27］，而且田间起垄及垄上覆膜能使2个集雨面上的降水集中到1个面上，沟中的水分产生叠加，同时垄具有抑制蒸发的作用［17］，使得聚集在沟内的水分下渗后明显改善苜蓿根际水分状况。起垄覆膜后，地面凹凸不平，粗糙度加大，从而加大地表面积，增强接收太阳光辐射能力，使地面土壤温度提高，加之地面覆膜的保温作用，垄下土壤温度提高，通过土壤导热性，种植行间土壤温度明显提高［28，29］。因此，膜垄和土垄处理的土壤水温条件得到改善，促进微生物的生物周转，加速了SOM的矿化，同时，牧草地上部分由于收割而移出土壤系统，凋落物及地下部分进入土壤的量和分布深度则可能成为影响土壤SOM的主要因素，而紫花苜蓿根系入土较深，相应归还土壤的植物残体量较大［25，30］，使得第2茬苜蓿刈割后，膜垄、土垄处理0～20，20～40cm土层SOM含量和返青前相比均显著降低。

膜垄处理垄上覆盖的地膜和土垄垄面的结皮层使得土壤表面结构发生改变，能够明显的减少风蚀和地表径流给土壤养分带来的损失，有效的抑制SOM含量的降低，而且膜垄的抑制作用大于土垄，而CK不具有这种抑制作用，因此CK 0～40cm土层SOM的减少量大于膜垄和土垄处理。试验表明各处理0～40cm土层SOM的减少量与苜蓿的经济产量呈显著的负相关，说明垄覆膜集雨种植在促进微生物的生物周转、加速SOM矿化的同时又能够有效的抑制SOM含量的降低，使得0～40cm土层SOM的减少量明显低于土垄和CK。

图6 不同集雨处理0～40cm土壤养分增减量与经济产量的关系Fig.6 Relationship between soil nutrient change and economic yield of alfalfa in 0to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

3.2 垄覆膜集雨对土壤全氮和速效氮的影响

土壤TN是标志土壤氮素总量和供应给植物有效氮的源和库，也是AN的直接供给源，综合反映了土壤的氮素水平［31］。在作物所吸收的氮素中，约45%～50%来自土壤氮素，土壤供氮不足是引起作物产量下降和品质降低的主要限制因子，也是各种生态系统生产力高低的主要限制因子［25］。

苜蓿草地土壤氮素的主要来源是土壤本身所含的氮素及苜蓿生长过程中所固定的氮，表层土壤中80%～97%的氮存在于有机质中［31］。温度是影响黄土高原紫花苜蓿草地土壤净氮矿化速率的主效因素，温度和水分有明显的交互效应［32］，垄覆膜集雨种植所形成的水热条件促进了SOM的矿化，而且膜垄和土垄处理能明显提高苜蓿的出苗率、成苗率及越冬率，次年苜蓿返青后，膜垄和土垄处理的植株密度显著高于CK［33］，因此膜垄和土垄处理在苜蓿生长中所固定的氮也显著高于CK，所以第2茬苜蓿刈割后膜垄和土垄处理0～40cm土层TN含量和返青前相比显著增加，CK 0～40cm土层TN含量较返青前增加但不显著；相关性分析表明，各处理0～40cm土层TN的增加量与苜蓿的经济产量呈显著的正相关，说明垄覆膜集雨种植苜蓿有利于TN含量的增加。苜蓿生长过程中所需要的氮主要来自AN，所以第2茬苜蓿刈割后膜垄和土垄处理0～40cm土层AN含量和返青前相比显著降低。

3.3 垄覆膜集雨对土壤全磷和速效磷的影响

苜蓿对土壤氮素不敏感而对磷素比较敏感，苜蓿生长中所需的磷素只能从土壤中摄取，在我国许多地方，磷是制约苜蓿生产的主要营养元素［23］。干旱半干旱的黄土区属石灰性土壤，一般说来该地区的土壤全磷含量比较充足，但全磷中只有小部分能被转化为有效磷供苜蓿直接吸收利用。人工种草虽然能提高土壤氮素水平，但植物无法增加土壤中磷素水平，磷在土壤中的溶解性差、难以移动，加上植物不断消耗，已成为该区植物生长主要的限制因子［34］。

贾宇等［23］研究表明，垄沟集雨种植紫花苜蓿，土壤TP在处理之间和采样期之间均无显著差异，但在各处理土壤中AP在试验期间均减少，减少量和苜蓿的干草产量成正比。本试验表明，苜蓿返青前、刈割后，膜垄、土垄和CK处理0～20，20～40cm土层TP含量均无显著差异。返青前膜垄处理0～40cm土层AP含量显著高于CK，土垄处理0～40cm土层AP含量与CK无显著差异，是由于膜垄处理在越冬期能够提高土壤温度，增加微生物活性，有利于处于固持状态的磷素转化为AP，说明垄覆膜集雨种植有利于土壤磷的可持续利用。第2茬苜蓿刈割后膜垄、土垄及CK处理0～40cm土层AP含量均较返青前显著降低，而且膜垄处理的减少量大于土垄处理和CK，相关性分析表明，各处理0～40cm土层AP的减少量与苜蓿的经济产量呈显著的正相关，说明苜蓿产量越高对土壤中AP的消耗越多。以上结果均与贾宇等［23］的研究结果一致。

3.4 垄覆膜集雨对土壤缓效钾和速效钾的影响

SAK又称非交换性钾，常被作为评价土壤供钾潜力的指标，并以此作为合理施用钾肥的依据，SAK很难被植物直接吸收利用，但SAK和AK处于平衡之中，当土壤中AK被植物吸收利用后，SAK可以慢慢地释放补充AK［25］。试验表明，第2茬苜蓿刈割后CK处理0～20cm土层SAK、AK含量较返青前均显著降低，20～40cm土层SAK、AK含量较返青前均降低但不显著，而膜垄和土垄处理0～40cm土层SAK、AK含量较返青前均显著降低，而且膜垄处理的减少量大于土垄处理和CK，是由于苜蓿生长过程大量吸收AK，当AK含量降低时，增加了SAK释放AK的量，所以SAK含量显著降低。苜蓿生长中所需的钾只能从土壤中摄取，相关性分析表明，各处理0～40cm土壤AK的减少量与苜蓿的经济产量呈显著的正相关，说明苜蓿产量越高对土壤中AK的消耗越多。

土壤养分作为“土壤圈”物质循环的重要组成部分，也是草地农业生态系统中维持生物生命周期的必要条件。垄覆膜作为一种集雨措施应用于紫花苜蓿的种植，所形成的水热条件对土壤养分有明显的影响，能够有效地提高0～40cm土壤养分，有利于土壤的可持续利用。土壤养分的变化容易受到各种外部因素的制约，如人为因素有耕作、施肥等，特别是耕作施肥会导致土壤养分分布的不均匀，从而造成局部的差异；土壤养分的变化还与当地的土壤质地、地形地貌、机械条件、耕作方式以及作物品种等诸多因素有关，同时大田试验由于周期长，容易受外部因素的制约，得出的初步结论有待今后在不同地区根据当地自然条件进行长时间定点观测研究，进一步分析和验证。另外，垄覆膜集雨种植改善土壤的水分、温度条件后，对土壤的微生物活动、土壤酶活性及养分循环均可产生显著的影响，因此，垄覆膜集雨种植对苜蓿草地的微生物数量、土壤酶活性、土壤养分循环和有效性及C、N分布和储量的影响有待进一步研究，旨在为提高旱作苜蓿草地产草量、延长草地高产年限提供有效的途径和方法。

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