紫花苜蓿连作对土壤理化性质影响的研究进展

夏方山，闫慧芳，王明亚，汪 辉，朱艳乔，毛培胜

（中国农业大学动物科技学院，草业科学北京市重点实验室，北京 100193）

紫花苜蓿连作对土壤理化性质影响的研究进展

夏方山，闫慧芳，王明亚，汪 辉，朱艳乔，毛培胜

（中国农业大学动物科技学院，草业科学北京市重点实验室，北京 100193）

紫花苜蓿是现代畜牧业发展的物质基础，也是人工草地种植面积最大的草种。文章主要从土壤质地与结构、水分、矿物质元素、有机质、呼吸及微生物方面，总结了近年来关于紫花苜蓿连作对土壤影响的研究进展，认为紫花苜蓿最适宜的连作年限为8年，若持续连作会导致土壤理化性质恶化，并建议通过实施苜蓿-作物轮作来改善草地生态环境，增加农业系统的稳定性。

紫花苜蓿;连作;轮作;土壤

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是具有世界栽培意义的多年生优质豆科牧草，产量高，品质好，富含蛋白质，素有“牧草之王”的美称，还具有较强的耐旱、耐寒、耐贫瘠等生态适应性，是现代草地畜牧业的当家草种，其种植面积逐年扩大［1-2］。土壤为紫花苜蓿的生长发育提供水分和养分，还与紫花苜蓿之间存在必需的物质交换和能量流动，科学种植紫花苜蓿也可培肥土壤，改善田间持水量。然而，连作多年后，深层土壤水分严重亏缺，土壤干燥化，形成干层，随之造成养分缺乏，导致苜蓿地大面积衰退，因此，土壤干层及养分匮乏是连作苜蓿地面临最为严峻的问题，也是草地重建与复壮过程的主要生态问题，研究苜蓿连作对土壤理化性质的影响规律成为现代草地畜牧业亟需解决的问题。本文综述了近年来关于苜蓿连作对土壤理化性质的影响研究，旨在为苜蓿草地可持续利用及研究提供科学依据。

1　紫花苜蓿连作对土壤质地与结构的影响

土壤质地与结构是土壤重要的物理性质之一，它直接影响土壤肥力状况以及植物根系的发育。紫花苜蓿连作可以改变土壤荒滩地、盐渍地以及荒沟客土的物理性质，改善土壤肥力。连作3～4年苜蓿地土壤容重及紧实度降低，总孔隙度提高，颗粒的离散程度和黏粒含量增加，随土层深度增加，土壤容重和田间持水增大，毛管孔隙度和土壤饱和导水率稳定降低［3-4］。孙铁军等［5］研究发现，苜蓿连作3年后，10～20 cm土层土壤容重降低达1.241 g/cm3，土壤总孔隙度提高达57.35%。胡发成［6］研究连作2～4年的苜蓿地发现，0～30 cm土层土壤容重分别下降了1.43%、5.71%和7.86%，孔隙度分别提高了1.59%、6.40%和8.80%；30～60 cm土层土壤容重分别下降了1.36%、6.12%和7.48%，孔隙度分别提高了1.68%、7.61%和9.32%。这是因为随着苜蓿生长年限的延长，苜蓿根颈增粗，侧根数量增加，致使不同土层土壤容重下降，孔隙度增加，改善了土壤水分渗透性以及通气状况，提高了土壤的生产力。

2　紫花苜蓿连作对土壤水分的影响

近年来，紫花苜蓿与土壤水分的相互作用规律成为水文生态和水土保持领域研究的热点。紫花苜蓿整个生育期总耗水量约382.9 mm，整个生育期内日耗水量呈正弦曲线周期性波动，苜蓿地土壤水分随降水量的增大而增加，按周年变化分为3个时期，失墒期（春季）、波动变化期（夏季）和增墒期（秋季）；按垂直变化分为3个层次，多变层（0～30 cm）、缓变层（30～100 cm）和稳变层（100～200 cm）［7］。土壤水分在苜蓿种植初期会增加，由于紫花苜蓿根系庞大，连作年限越长，根系分布越深，土壤水分消耗越多，致使土壤水分亏缺量远大于年均降水量，引起140～600 cm土层干化，长时期内较难恢复［8-9］。苜蓿连作12年，土层湿度仅7%～9%，干层范围达500 cm土层，连作超过18年后，干层延伸至600 cm土层以下，此时紫花苜蓿根系主要分布在10～20 cm土层，根系体积和生物量随土层加深而减少，土壤水分变异系数也随土层加深而减小，深层土壤含水量趋于稳定［10-11］。不同土壤湿度苜蓿地土壤水分变化也不尽相同。旱作紫花苜蓿地土壤干燥化程度最高，干层最深可达10 m，恢复也较难［12］。苜蓿地水分持续利用的合理年限为半湿润区8～10年，半干旱区6～8年，半干旱偏旱区4～6年。因此，苜蓿连作6年后，应实施草田轮作，分别需要6、11和18年以上才能恢复到当地土壤稳定湿度［13-15］。

3　紫花苜蓿连作对土壤矿物质元素的影响

苜蓿对氮素的吸收利用率较高，但种植苜蓿能增加土壤矿化氮和碱解氮，速效氮也改变为以铵态氮和硝态氮为主，并随土层延伸呈先降后升的趋势［16-19］。苜蓿连作一定年限后进入衰退期，根系活力下降，生物量减少，对土壤氮素利用强度减少，上层土壤氮素缓慢恢复，但受土壤氮素总体消耗的影响，深层土壤氮素难以恢复，在200 cm以下土层，不同连作年限间土壤全氮、碱解氮含量差异不大［19-20］。苜蓿地速效氮含量随连作年限增加呈先增后降的趋势，第4年时达最大，第5年开始下降［21］。采用合理的施肥措施，保持适宜的苜蓿生产力，能有效驱动连作苜蓿地土壤有机碳和氮素的固定［22］。但起始无机氮会抑制土壤氮矿化，去除起始无机氮后，氮净矿化率每日提高0.05～0.07 mg/kg，施氮肥可使连作5年的苜蓿地硝态氮含量增加56倍，氮净矿化率提高了200%，而连作9年的苜蓿地硝态氮含量仅增加2倍，氮净矿化率却降低了62.5%［23］。连作6年以上的苜蓿地仅靠合理施肥不足以恢复地力，应实施草田轮作，保持土壤氮素平衡，提高土壤氮素的利用效率，维持良好的土壤肥力［24-25］。

苜蓿连作对表层土壤全磷和速效磷的消耗甚微，甚至可以积累速效磷，随着苜蓿连作年限的延长，土壤全磷和速效磷含量呈下降趋势，连作4年后，紫花苜蓿地土壤全磷含量由0.86 g/kg下降至0.76 g/kg，速效磷含量由14.00 mg/kg下降至9.27 mg/kg，其中0～20 cm土层中速效磷含量下降较多，而随着土层深度的增加，土壤全磷和速效磷含量均下降，0～100 cm土壤全磷和速效磷均处于贫瘠状态，生产中应注意补施磷肥［11，16-18］。

随着紫花苜蓿连作年限的增加，土壤全钾和速效钾含量均降低，就0～100 cm土层而言，连作7年时速效钾含量为98.0 mg/kg，连作19年后速效钾含量则降为67.0 mg/kg，随着土层深度的增加，土壤速效钾和全钾含量均呈先下降后升高的趋势，深层土壤全钾含量最低［11，26］。紫花苜蓿连作过程中长期大量消耗速效钾，使速效钾含量得不到及时供应，这是造成苜蓿地土壤速效钾含量减少的最主要原因。因此，紫花苜蓿地追施钾肥时，应充分考虑第4茬苜蓿对钾的需求和深层土壤钾含量低的特点。

4　紫花苜蓿连作对土壤有机质的影响

苜蓿连作是增加土壤有机质的最有效途径，这种增效作用受连作年限的影响较大，即只有种植紫花苜蓿达到一定的年限后才表现明显［27］。连作苜蓿对土壤有机质的时空与垂直分布影响存在差异。时空分布差异体现为随连作年限的延长，苜蓿地土壤有机质含量下降，有机质含量最高的是6年，这可能因为连作多年苜蓿就会衰退，地上生物量减少，对养分的吸收减少，而由枯落物和根系归还到土壤中的有机质增多，使有机质含量得到恢复；垂直分布差异主要表现为随土层加深，有机质含量减少，主要体现在15 cm以上土层，其中有机碳、无机碳的增加主要在5 cm以上土层，这可能是表层土壤容重小，通气性及结构性好，枯落物和微生物较多，利于有机碳积累，随土层加深，有机物输入量减少，通气性及结构性下降，微生物减少，养分代谢慢，不利于有机碳积累［20，28-29］。苜蓿连作改善了土壤有机质的品质，提高了其有机碳官能团及团聚体的稳定性。随着连作年限的延长，大团聚体（>0.25 mm）稳定性增强，分布于0.25～1.00 mm团聚体中的饱和烷烃相对含量提高，土壤有机碳中易氧化官能团（脂肪-C、醇-C）增幅大于芳香-C，化学稳定性增强，尤其连作8年时效果最好，土壤有机碳中脂肪-C、醇-C及饱和烷烃不仅比例升高，而且最活跃，对增加土壤有机碳的贡献最大［30］。土壤松/紧比值越高，土壤腐殖化程度则越高，形成良好土壤结构的能力越强，土壤肥力越高。连作苜蓿地土壤腐殖化程度及芳化度提高，各层含量均以松结态>稳结态，土壤肥力由低到高演变，胡敏酸品质向提高的方向演化，连作15年的苜蓿地土壤松结态和稳结态腐殖质含量均最高，继续连作腐殖质品质降低，胡敏酸结构老化，土壤有机碳、腐殖质总量及各组分含量均下降，种植苜蓿主要对20～40cm土层肥力影响较大［31］。

5　紫花苜蓿连作对土壤微生物及土壤呼吸的影响

土壤呼吸是全球碳循环中重要的转化环节，其释放CO2的过程不仅受土壤温度、湿度、有机质含量等理化性质影响，还受植被类型、净生产力、地上和地下生物量分配、种群和群落相互作用以及人类干扰等影响［32-34］。不同生长年限苜蓿草地的土壤呼吸速率，总体变化趋势是4年生>2年生>1年生［35］；农田转化为苜蓿地9年后，土壤CO2排放量增加、有机碳含量下降［36］。种植苜蓿后土壤呼吸速率与土壤温度、气温正相关，土壤温度越高，原位土壤呼吸速率越大，与0～5 cm土壤含水量负相关，土壤水分对土壤呼吸的影响主要是通过调节植物和微生物的生理代谢、微生物的能量供应与再分配、土壤通气性及气体扩散等来实现［37-38］。

微生物参与土壤的物质循环和能量转化，是土壤中重要而又活跃的部分。土壤微生物生物量C、N随生长年限不同存在显著差异。土壤的微生物生物量C随连作年限的延长而增加、土壤的微生物生物量N随连作年限的延长呈现先升后降的趋势，第4年最大，而且0～10 cm土层微生物的数量高于10～20 cm土层，这可能是生长4年的苜蓿地，植株生长旺盛，根系发达，土壤微生物数量多，其中固氮菌是豆科牧草的主要群落［21］。随连作年限延长，紫花苜蓿根际土壤固氮力呈先上升后下降的趋势。细菌、放线菌和真菌的数量均随土层深度的增加而减小，这种分布规律既与根系的垂直分布有关，同时也与上层土壤温度较高、通气良好有关［39］。

6　结束语

苜蓿主要依靠深层根系吸收土壤中的水分和养分，促进矿化氮的转化，连作多年以后，不仅土壤水分在短期内会很难恢复，还会引起人工草地生长逐渐衰败和农田作物产量波动性加剧。因此，紫花苜蓿生长的高峰期为种植第6年，最适宜的种植年限为8年。根据连作苜蓿草地引起的问题，苜蓿-作物轮作是保证草地适度生产力的最根本途径。合理的轮作既有利于作物病、虫和草害的防治，又可以在改善土壤的理化性状及肥力的调节等方面发挥良好的生态效益和经济效益。苜蓿-作物轮作不仅解决了畜牧业对牧草的需求，还避免了苜蓿种植对生态环境的破坏，是当前一种较合理的调控土壤干燥化和畜牧业可持续发展之间矛盾的有效途径。然而，由于作物-土壤系统是一个复杂的系统，易受自然和人为等多种因素的影响和制约，而且作物的生长变化趋势具有一定的季节性和规律性，必然会形成苜蓿-作物轮作制度下特有的土壤养分动态变化规律。因此，对轮作苜蓿的产草量和肥力特性还有待继续深入研究。

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《中国草食动物科学》征稿启事

文稿力求语言精炼直入主题、论点明确、数据准确，能用文字表达清楚的尽量不用图表。

1题名文题要简洁、明了，概括全文，中文题名一般不超过20个字，英文题名应与中文题名含义一致。

凡是研究性文稿（2000字以上）均应编写100～300字的摘要。摘要不加任何评论，也不进行自我评价，要采用第三人称过去式写法，不可用“本文”或“笔者”作句子的主语。一般不要将图、表、化学结构式、非公知公用的符号写入摘要中去。

一般选取3～8个词或词组作为

，词间用分号“；”分隔。

4正文要求

1）正文所有各级标题序号均采用阿拉伯数字，左顶格排，格式如：1（大标题）一级标题，1.1（大标题下面的小标题）二级标题，1.1.1（小标题下面的标题）三级标题，依此类推。

2）在正文中凡是可用阿拉伯数字表示的均用阿拉伯数字。文中外文用印刷体书写，大小写、正斜体和文种应标注清楚。计量单位采用国家法定计量单位。

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论文中所列参考文献一般按论文中标引的序码（序码应在论文的相应位置的右上角加方括号标出）排列。参考文献的作者，有3人以上者,需列出前3人,后加“等”字。不足3名时全部列出。其格式如下:

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凡属省部级以上科研基金资助项目的优秀论文,本刊将优先发表。

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Reviews on the Changes in Physical and Chemical Properties of Soil During Continuous Cropping of Alfalfa

Xia Fangshan，Yan Huifang，MaoPeisheng，et al
（College of Animal Science and Technology，China Agricultural University;Beijing Key Laboratory of Grassland Science，Beijing 100193，China）

alfalfa is the material basis on modern animal husbandry development，and has the largest cultivated area in artificial pasture.This review mainly aimed at the changes in soil texture and structure，moisture，mineral element，organic matter，respiration and microorganism to summarize the research on continuous cropping of alfalfa in recent years.The comprehensive analysis showed that the most suitable duration was 8 years for alfalfa during continuous cropping，thereafter，soil deterioration would be occurred.This article suggested that implementing rotation of alfalfa-crop could improve the grassland ecological environment，and increase the stability of the agricultural system.

alfalfa；continuous cropping；crop rotation；soil

S54

A

2095-3887（2015）02-0048-04

10.3969/j.issn.2095-3887.2015.02.015

2015-02-03

国家十二五科技支撑课题（2011BAD17B01-02）；草业科学北京市重点实验室共建项目资助

夏方山（1983-），男，在读博士研究生。

毛培胜,Email:maops@cau.edu.cn。

简介包括：姓名(出生年－)，性别，职称，学历，以及研究方向。

项目名称按国家有关部门既定的正式名称填写,项目后给出编号。