半干旱黄土丘陵区施肥对退耕地紫花苜蓿生物量的影响

蔡国军，张仁陟，柴春山

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃省林业科学研究院，甘肃 兰州730020）

紫花苜蓿（Medicago sativa）是多年生优良豆科牧草，其营养价值高，生产潜力大，在我国西部干旱、半干旱地区具有十分重要的价值和地位［1，2］。在当前生态环境建设中，苜蓿是发展养畜业的首选饲料作物。提高苜蓿生产力，对改善环境、培肥地力、发展草畜产业和恢复生态与经济具有重要意义［1，3，4］。影响苜蓿产量的因素包括品种、环境、立地、水肥条件、种植密度、管理措施、刈割方式等许多种［5，6］，对苜蓿的生长发育及产量的形成发生着相互影响又错综复杂的关系。近50年来国内外有关施肥对苜蓿生长发育、产量及品质开展了大量的研究［7］。黄土高原北部紫花苜蓿草地生产力普遍偏低［8，9］，产量较低，最高鲜草产量达4 000～5 000kg／hm2，生长盛期持续时间一般为6年左右，管理好的地块，6～7年左右产量仍然可达3 000kg／hm2，而一般情况下在7年左右产草量已经低于3 000kg／hm2，多数已被废弃。受环境和栽培技术的影响，苜蓿的产草量在不同地区、不同试验及不同的管理条件下往往存在很大差异［10］。有研究证明［1，11，12］，苜蓿的高产期在2～5年，其中在第5年达到最高，尔后产草量随着生长年限的延长而逐年下降。孙建华等［13］在具有灌溉条件的兰州试验田里，通过4年的苜蓿生长特性研究证明，生长高峰期在第3年，单株干物质产量最大生长速度在第1茬，日均生长速度最快在第2茬，各龄1茬的单株干物质产量占当年的41.69%～64.90%，2茬占19.76%～33.59%，3茬占12.03%～18.33%。通过对紫花苜蓿草地加强管理，进行施肥，可以延长紫花苜蓿的生长盛期，提高牧草产量。实行施肥与中耕管理后，苜蓿的盛产期可延长至10～15年［1］。李玉山［14］用产草量动态指数（Yi）描述产草量生长年限延长的变化，Yi为各年苜蓿产草量和高产期产草量之比值。苜蓿的利用方式有2种［1］，一种是种植一次多年利用；一种是种植3～5年苜蓿后，再种3～5年粮食作物，然后再进行轮作。在大面积的退耕还林中，比较适宜第1种方式，如果采用第2种方式，会对林木造成影响。苜蓿的生长与产量除了与肥料有关外，还与土壤水分密切相关［12，15］。在半干旱地区，苜蓿产草量主要取决于水分条件［1］，苜蓿对土壤水分特别是深层土壤水分的强烈消耗是导致其生产力随生长年限延长而降低的重要原因［16］。退耕地种草被认为是农牧交错带恢复草地生态、改善环境的主要措施之一，种草后土壤有机碳含量增加，植被覆盖度提高，在一定程度上取得了较好的效果［17，18］。但是，退耕地建植的人工草地往往因管理技术差、产量不稳定及品种适应性等问题而逐渐退化，农牧民复垦现象普遍［18］。北方农牧交错带土壤速效磷含量普遍在5mg／kg以下，而土壤碱解氮、速效钾达丰富水平［18，19］。紫花苜蓿的种植可以提高土壤氮的含量，而磷在土壤中的溶解性较差，难以移动，加上植物不断消耗，已成为该区域植物生长的限制因子。贾宇等［19］也认为提高紫花苜蓿人工草地产量或延长草地高产年限，必须寻找增加土壤有机磷的途径和方法。刘晓宏和郝明德［20］通过13年长期施肥和轮作，连续种植苜蓿对N肥、P肥、有机肥的配合使用（NPM）较单施磷肥对提高土壤硝态氮含量水平有较好效果。李积智等［21］对青海循化县苜蓿施肥研究认为施肥对其产量影响的大小顺序为磷肥＞氮肥＞钾肥，因此施肥以氮肥、磷肥为主，施肥量以氮磷比为1∶2比较合适。汪诗平和陈默君［22］研究认为在低磷地区磷肥不仅能提高产量而且能改善品质，但在高磷地区效果不明显。尽管如此，仍有不少人认为不施磷肥是不明智之举，建议施用维持量为宜。为此，本研究选择N肥和P肥开展施肥试验，以期为降水量为400mm左右的半干旱黄土区苜蓿施肥与管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于定西市巉口镇龙滩流域，属于半干旱黄土高原丘陵沟壑区，流域面积15km2，地理坐标为E 104°27′～104°32′，N 35°43′～35°46′，年平均气温6.8℃，1月平均气温－7.9℃，极端最高温38.5℃，气温日较差在14～19℃，平均无霜期152d，≥10℃的年活动积温2 124℃，年均降水量386.3mm，降水主要集中在7、8、9三个月，年平均相对湿度72%，干燥度为1.9。土壤以灰钙土类的淡灰钙土为主，有机质含量很少，土壤贫瘠，pH值在7.5～8.5，呈现弱碱性。

紫花苜蓿施肥试验地为退耕还林还草坡地，2002年建植。2007年开展施肥试验，共选取4个样地，其中阳坡2个样地，为观景台和塘窑，阴坡2个样地，为剪子岔和李家湾。2008年只选取1个样地，为阴坡的李家湾。观景台试验地的退耕还林模式为侧柏－山毛桃－紫花苜蓿配置，林木和紫花苜蓿生长良好；塘窑试验地的退耕还林模式为山毛桃－甘蒙柽柳－紫花苜蓿配置，其中紫花苜蓿生长良好，而山毛桃和甘蒙柽柳植株小，长势差；李家湾试验地管理精细，林木和紫花苜蓿生长良好，退耕还林模式为山杏－甘蒙柽柳－紫花苜蓿配置；剪子岔试验地的退耕还林模式为侧柏－山杏－紫花苜蓿，试验地管理差，杂草多，苜蓿稀疏，侧柏和山杏长势差，试验地具体情况见表1。

表1 2007和2008年紫花苜蓿施肥试验地概况Table 1 The condition of alfalfa fertilization site in 2007and 2008

1.2 试验材料

试验所施肥料为无机化肥，包括氮肥（尿素）和磷肥（过磷酸钙），其中尿素中N含量为46%；过磷酸钙中P2O5含量为12%。

1.3 试验时间

2007年施肥试验于7月29日至30日进行，2007年9月17日、2008年9月18日连续2年取样测定生物量；2008年施肥试验于4月17日进行，于同年6月25日和9月18日先后2次取样测定生物量。2007年施肥时，观景台紫花苜蓿已属第2茬，高度约20cm，生长发育已进入现蕾期，长势较好；塘窑紫花苜蓿为第2茬，高度约20 cm，生长期为现蕾期，长势较好；剪子岔紫花苜蓿第1茬刚割完，第2茬正在萌芽中；李家湾紫花苜蓿为第2茬，高度约10cm，正处于生长期，长势较好。2008年施肥时，李家湾紫花苜蓿为第1茬，正处于生长初期，高度约8 cm，长势良好。

1.4 试验方法

试验采用随机裂区设计，2007年纯 N设3个水平（0，6，12kg／667m2），P2O5设4个水平（3，6，9，12kg／667 m2），共12种处理（表2）；2008年共设纯N和P2O5为（0＋12）kg／667m2，（6＋6）kg／667m2，（6＋9）kg／667m2和（12＋6）kg／667m24种处理（表3），以不施肥为对照，每个处理3次重复，施肥小区规格2m×5m，间距1m，氮肥和磷肥混合撒施。

取样方法为每小区随机选1m×1m的样方1个，取样后及时称鲜重，称完后样品在室内阴干再称干重。

表2 2007年紫花苜蓿施肥试验设计表Table 2 The table of alfalfa fertilization design in 2007

表3 2008年紫花苜蓿施肥试验设计表Table 3 The table of alfalfa fertilization design in 2008

1.5 数据分析方法

数据用 Excel 2003整理，由SAS 9.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 2007年不同施肥配比效果分析

从2007年的苜蓿施肥试验结果看（表4），2007年施肥当年和2008年施肥第2年的第2茬（9月份）生物量鲜重分别为290.12～395.61和561.80～898.17g／m2，干重分别为94.49～134.10和177.14～247.35g／m2，均高于2年的对照鲜重（241.23，375.43g／m2）和干重（82.45，124.59g／m2），鲜重生物量分别是对照的1.41和1.96倍，干重生物量分别是对照的1.40和1.72倍，施肥后苜蓿的平均生物量约是对照的1.62倍。经方差分析表明（表4），2007年各种施肥配比间，生物量不论鲜重还是干重差异几乎都不显著，但均与对照间差异显著；2008年生物量无论鲜重还是干重，只有个别施肥配比间差异显著，其他配比间差异不显著，但所有配比与对照间差异都显著。可见，施肥对促进苜蓿生长和提高生物量具有重要作用。N肥和P肥配比为0∶12、6∶12、12∶12的苜蓿生物量最高，其次是施肥配比0∶9、6∶9、12∶9，而配比为0∶3、6∶3、6∶6、12∶3的苜蓿生物量较低；在3个N水平与3个P水平的不同配比中，不管是否配以N肥，苜蓿生物量总的变化趋势是均以P肥施肥量少的苜蓿生物量较低，随其施肥量的增加而增加，以P肥用量为12kg／667m2时的生物量最高。由此可见，在研究区的土壤条件下，苜蓿生物量的提高主要由P肥起作用，N肥对其的影响不明显，这也与郭彦军等［18］的研究结果相似。

比较2年的生物量，不管是鲜重还是干重，均是2008年施肥第2年的生物量高于2007年施肥当年的生物量，施肥与对照间的差值也较大。其原因是2007年施肥时间晚，肥效尚没有充分发挥，至2008年肥效发挥充分，苜蓿生长旺盛，生物量高。

表4 2007年施肥紫花苜蓿生物量特征Table 4 The feature of biomass of alfalfa after fertilization

2.2 2007年不同施肥样地效果分析

不同施肥样地间，生物量不管是鲜重还是干重差异都较明显（表5）。其中，半阳坡的观景台样地生物量最高，其次是阳坡的塘窑，而阴坡的李家湾和半阴坡的剪子岔2个样地生物量较小。经方差分析表明（表5），不同施肥样地间苜蓿生物量差异均显著，阳坡、半阳坡与阴坡、半阴坡样地间差异显著；阳坡与半阳坡的样地间差异显著，而阴坡与半阴坡的小区间差异不显著。说明阳坡的苜蓿比阴坡的苜蓿长势好、生物量高，其鲜草和干草平均生物量是阴坡的1.49和1.43倍。

2.3 2008年不同施肥配比效果分析

2008年施肥苜蓿6月份（第1茬）生物量测定结果显示（表6），4种施肥配比的平均生物量鲜重为1 237.92～1 606.25g／m2，平均干重为407.07～514.80g／m2，鲜重略高于对照而干重等同于对照，鲜重和干重生物量分别是对照的1.06和1.19倍。从不同施肥配比的生物量看，不论是鲜重还是干重，4种施肥配比中，N肥和P肥配比为0∶12的苜蓿生物量最高，其次是配比12∶6，6∶6和6∶9的生物量较低。而且，4种施肥配比中，只有0∶12配比的生物量明显高于对照，其他配比的生物量接近甚至低于对照，鲜重和干重与对照间差异均不明显。经方差分析表明（表6），4种施肥配比间生物量差异不显著，与对照间差异也不显著。说明2008年施肥在第1茬苜蓿生物量上的效果不明显。

表5 2007年施肥紫花苜蓿不同施肥小区生物量特征Table 5 The feature of biomass of alfalfa in different fertilization plot

表6 2008年施肥紫花苜蓿生物量特征Table 6 The feature of biomass of alfalfa after fertilization

2008年施肥苜蓿9月份（第2茬）生物量测定结果显示（表6），4种施肥配比的平均生物量鲜重为430.62～527.08g／m2，平均干重为134.02～166.65g／m2，高于对照鲜重和干重生物量（465.45和124.59g／m2），鲜重和干重生物量分别是对照生物量的1.19和1.17倍。4种施肥配比中，不论是鲜重还是干重，依然是N肥和P肥配比为0∶12的生物量较高，其次是12∶6，6∶6和6∶9配比的较低，但4种施肥配比生物量均高于对照。说明2008年施肥效果在第2茬苜蓿生物量上有所体现。经方差分析表明（表6），只有施肥配比0∶12与其他施肥配比和对照间差异显著。同时，2008年施肥苜蓿不同配比内苜蓿生物量大小变异系数明显小于2007年的，原因是2007年在观景台、塘窑、剪子岔和李家湾4个样地施肥，而2008年只在李家湾1个样地施肥，不同样地间苜蓿生长量有差异造成的。

2008年施肥苜蓿的2次（第1茬和第2茬）生物量测定结果显示（表6），施肥处理的苜蓿生物量总体高于对照，其平均生物量是对照的1.15倍，且4种施肥配比中均是配比0∶12的生物量最高，其次是12∶6，配比6∶6和6∶9的生物量最低，也就是说无N肥而P肥量最大的施肥设计苜蓿生物量最大，说明施N肥效果不明显，该区域苜蓿产量的提高主要是P肥起作用的，这与2007年的施肥试验结果是一致的。从整个试验结果可以得出，对于苜蓿，施P肥可提高其产量并延缓衰败期，而无需施N肥，因为属于豆科植物的苜蓿本身就有固氮作用，不缺乏N肥。

2.4 2008年施肥苜蓿不同测定季节生物量差异分析

2008年施肥苜蓿的2次测定结果对比分析显示（表7），6月份苜蓿（第1茬）生物量1 360.83g／m2显著高于9月份生物量446.97g／m2（第2茬），第1茬约是第2茬苜蓿生物量的3倍多。可见，试验地第1茬苜蓿产量显著高于第2茬产量。尽管2007年施肥苜蓿的第1茬产量没有取样测定，但经2年的苜蓿生长观察，2007和2008年的第1茬苜蓿产量也是显著高于第2茬产量。说明，在试验区，苜蓿产量主要由第1茬苜蓿产生，约占全年总产量的75%，第2茬苜蓿产量较小，约占总产量的25%。所以，在研究区这样一个比较干旱和无水肥管理的条件下，苜蓿一年适宜收割2次，收割1次达不到苜蓿充分利用，造成资源浪费，从生长期和生物量分析，第2次刈割时期适宜在9月下旬，因为此后苜蓿因气候转凉而不但停止生长，而且逐渐枯黄。因此只能收割2茬。

表7 2008年施肥紫花苜蓿6和9月生物量对比分析Table 7 The contrast of biomass in June and September of alfalfa fertilized in 2008

3 结论与讨论

苜蓿素有“牧草之王”的美称，也是我国人工种植面积最大的草种［7］。苜蓿草产业的发展对我国畜牧业的发展具有极其重要的意义。多年来，我国苜蓿种植以培肥地力兼顾饲草生产为目的，主要种植在没有灌溉条件的瘠薄地、盐碱地上，基本不施肥或很少施肥，作为饲草的巨大生产潜力未能充分发挥。在当前实施“粮－经－饲”三元种植结构和立草为业的新形势下，苜蓿的栽培技术，尤其是科学施肥的研究越来越受到重视［7］。

施肥对苜蓿的生长发育、产量的形成及品质的优劣具有重要的作用。众多研究表明，施肥可以显著提高苜蓿的产草量［23－25］。苜蓿在生长过程中会不断地消耗土壤中的营养元素。因此在生长过程中不仅需要补充N、P、K等大量元素，还需要Fe、Mo、Zn等微量元素，微量元素与大量元素是不能相互代替的［26］。N、P、K单因素效应分析的线性项对产量影响的大小顺序为施磷量＞施氮量＞施钾量［27］。但在实践中，氮、磷、钾的综合效应比单一元素的影响更为重要，氮、磷、钾合理搭配施用，不但可以提高效益，而且可以降低牧草的病虫害［28］。

氮是植物生长发育不可缺少的营养元素，是植物体内许多重要有机化合物的组成成分［29］。适时适量地施氮肥可提高苜蓿的干物质产量［7］。据车敦仁［30］在青海玉树高寒地区的研究报道，氮肥还可以提高苜蓿的越冬率，播种当年的紫花苜蓿按150kg／hm2施尿素，不仅促进了生长，而且还使越冬率提高到77.6%，较单施磷和钾磷混施处理的小区平均提高11%以上。苜蓿可以借助根瘤中的共生固氮菌直接吸收空气中的分子态氮，其固氮量基本可以满足生长发育对氮的需求［7］。但苜蓿幼苗阶段或刈割以后，根瘤菌的固氮作用还较微弱，苜蓿需从土壤中吸收大量的矿质氮以满足其生理上对氮的需求［7，31］。说明尽管苜蓿具有固氮能力，但在幼苗阶段和刈割后还是需适当追施氮肥，以提高其产量和品质。但也有研究认为2年以上的紫花苜蓿对氮肥不敏感［28，32］。从经济上考虑，对2年以上的苜蓿草地可以不施氮肥［7］。

磷肥对苜蓿产量的提高和品质的改善均有积极的意义［7］。施磷能有效提高苜蓿鲜干草产量［22］。彭文栋等［33］对五年生水地紫花苜蓿的施肥试验指出，单施磷效果极显著，并确立了施磷量（x）与苜蓿风干草产量（y）的回归方程：y＝4 226.32＋53.28x－0.1737x2（R2＝0.998＊＊）。张积祥和李松［34］在陇东黄绵土区对苜蓿氮、磷肥配施研究也发现施磷增产效果明显，并得到了施P2O5103.5kg／hm2为最高产量，施P2O555.65kg／hm2为最佳经济产量。单施磷肥还可以改善苜蓿品质，二年生苜蓿施肥后鲜干草产量显著增加，施180kg／hm2P2O5处理增产效果最明显，施肥后粗纤维和粗蛋白均有增加［35］。

本研究施肥试验表明，施肥可以明显促进苜蓿生长和提高其生物量，延缓衰败。这与前人的研究结论［23－28］一致。同时，施N肥对促进苜蓿生长和提高生物量没有明显的效果，但施P肥效果显著，以P2O5用量为12kg／667 m2时的生物量最高。这与他人的研究结果也一致［28，32－34］，但本试验中苜蓿生物量最高时的P2O5施肥量（180 kg／hm2）远高于张积祥和李松［34］研究苜蓿达到最高产量的施肥量（103.5kg／hm2），且本试验中的P2O5最大施肥量（180kg／hm2）也不是使该区域苜蓿产量达到最高时的最大施肥量，其施肥量还有增加的余地。说明研究区苜蓿草地不缺氮肥，但严重缺磷肥。在今后的施肥管理中需加强磷肥管理，并根据苜蓿长势和刈割频率适当配以氮肥。

在本研究区，苜蓿产量主要由第1茬苜蓿产生，约占全年总产量的75%，第2茬苜蓿产量较小，约占总产量的25%，第3茬基本没什么产量，所以在该区域苜蓿一年适宜收割2次。这与孙建华等［13］和王莹［36］的研究结果不太一致，这可能与两者的研究地条件不同所致。其中，孙建华等［13］和王莹［36］研究的苜蓿草地为具有灌溉条件的试验田，而本研究的苜蓿草地为无灌溉条件的退耕地，所以他们研究的苜蓿一年可收割3次，而本研究区域的苜蓿只能收割2次。掌握好收割时期保证营养和产量非常重要，第1茬保证在初花期收割，不要超过盛花期。据研究，此期采收的苜蓿草营养价值最高。否则，不但会影响到苜蓿草的营养价值，而且还缩短了第2茬的生长时间，影响第2茬的生长及产量，进而影响全年的产量，第2荐收割的时间以9月下旬为宜。

甘肃是苜蓿种植大省，目前全省苜蓿种植面积达51.9万hm2，占全国种植面积的38%，始终位居全国之首［37］。目前，在退耕还林工程中建植了大规模的苜蓿人工草地，在立地条件相对较好或经营管理比较好的区域，紫花苜蓿具有较好的生产力；但在立地条件较差或管理粗放的地块，苜蓿的生产量就比较低，且相对杂草较多。试验草地于2002年建植，至第7年经施肥后，其鲜草产量最高为21 220kg／hm2，平均18 240kg／hm2，尚保持在相当高的生产水平。因此，研究施肥对半干旱黄土丘陵区退耕地苜蓿生物量的影响对于甘肃草畜产业的发展和生态环境建设具有十分重要的现实意义。

施肥是紫花苜蓿栽培中的重要技术环节，但涉及施肥及苜蓿生长的因素很多，肥料肥效的发挥受环境条件的影响很大，对于肥料如何影响生长及牧草品质的内在机理尚待进一步研究。

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