混播种类与混播比例对豆禾混播草地浅层土壤养分的影响

郑 伟，加娜尔古丽，唐高溶，朱进忠

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830052;2.新疆维吾尔自治区草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐830052)

多年生豆禾混播草地与单播禾草或豆科牧草草地相比，往往具有较高的牧草产量［1］、较好的牧草品质［2-3］、提高土壤养分利用效率［4］与改善土壤肥力［5］等优势。这种优势的产生与豆科牧草的加入有着重要关联［6］。15N 同位素标记试验表明，豆科与禾本科植物间作系统中豆科植物氮素转移量的大致范围为25 ～155 kg·hm－2［7］，而混播系统中豆科牧草向禾草转移的氮素可占禾草氮产量的5% ～24%［8］，甚至更高［9］。而且提高豆科牧草的比例，有利于增加氮素转移到禾草的量［10］。豆科牧草这种氮转移主要是通过根接触转移或生物体死亡分解后释放到土壤中，再由相邻禾草吸收利用等途径实现的［11］。与此同时，豆科与禾本科植物间作显著促进了豆科与禾本科植物的生长以及磷的吸收［12-13］，这种促进作用主要通过分泌有机酸和质子活化土壤中难溶性的磷源来实现的［14-15］。由此可见，土壤是混播体系中豆科牧草与禾草形成相互促进作用的重要场所。因此，豆禾混播草地土壤氮、磷等养分的改善是其牧草产量与牧草品质提高的重要基础，也是豆禾混播草地混播优势的重要体现。目前，关于豆禾混播草地的研究主要集中在混播后(与单播草地相比)牧草产量、牧草品质或生产性能的改善［16-20］，稳定性的提高［21-22］，种间竞争过程［23-25］，以及土壤氮、磷、碳等养分的变化上［5，26-28］，而对于混播群落自身结构对土壤养分影响的差异关注较少［29-30］。本研究通过对不同混播种类、豆禾混播比例构建的混播群落结构中土壤有机质、氮、磷、钾等养分动态的分析，探索增加群落中豆科牧草比例有利于土壤养分积累这种现象在试验地区是否存在，以期为多年生豆禾混播草地持续稳产、高产管理提供土壤养分方面的依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于新疆伊犁哈萨克自治州昭苏盆地腹内的昭苏马场(81°03' －81°05' E，42°38' －43°15'N)，该地区属温带半湿润半干旱冷凉山区气候类型。年均温度2. 7 ℃，≥10 ℃年积温1 416. 8℃·d，无霜期85 ～100 d，年均降水量512 mm，年均蒸发量1 261.6 mm，是降水量的2.5 倍，积雪期158 d，积雪厚度20 ～60 cm。试验小区所处地段原为山地草甸草地，2008 年开垦为多年生栽培草地。植被由鸭茅(Dactylis glomerata)、无芒雀麦(Bromus inermis)、新疆鹅观草(Roegneria sinkiangensis)、猫尾草(Phleum pratense)、草原糙苏(Phlomis pratensis)、草原老鹳草(Geranium pratense)、大叶橐吾(Ligularia macrophylla)等组成。盖度65% ～100%，草层高25～85 cm，鲜草产量103 905 kg·hm－2。土壤为黑钙土，播种前0 －10 cm 土壤有机质含量为12.18%，全氮、全磷、全钾量分别为8.56、2. 40、9. 09 g·kg－1，碱解氮、有效磷、有效钾含量分别为421.05、22.37、481.65 mg·kg ;10 －20 cm 土壤有机质含量为12.07%，全氮、全磷、全钾量分别为7.56、2.22、9.74 g·kg－1，碱解氮、有效磷、有效钾含量分别为390.08、10.29、471.56 mg·kg－1。

1.2 试验材料与设计

试验为随机区组设计，a 因素为混播种类(a =7)，分别设3 种牧草混播的两个处理、4 种牧草混播的两个处理、5 种牧草混播的两个处理和6 种豆禾牧草混播;b 因素为混播比例(b=3)，分别为豆禾比5∶ 5、4∶ 6 和3∶ 7;6 种牧草每种各设单播作为对照(CK=6);3 次重复(n =3)，共81 个小区。每个小区面积均为3 m ×4 m，行距30 cm。紫花苜蓿(Medicago sativa)、红三叶(Trifolium pratense)、猫尾草单播的播量为15 kg·hm－2，鸭茅、无芒雀麦单播的播量为30 kg·hm－2，红豆草(Onobrychis viciifolia)单播的播量为60 kg·hm ;混播比例按种子占单播重量的实际用价来计算，混播与单播密度相同，混播播量及播种比例见表1。2008 年5 月4 日播种，播种当年在8 月20 日刈割1 次，2009 －2010 年每年刈割两次，分别为禾草抽穗期/豆科牧草现蕾期(6 月中旬)与再生草抽穗期/现蕾期(8 月下旬)，留茬高度5 cm。试验期间不施用任何肥料，不灌溉，中耕松土1 次，每年人工除杂草两次。

1.3 取样时间和样品处理

2008 年牧草刈割后、2009 －2010 年第2 次牧草刈割后对每个混播组合进行土壤样品采集。以S 形取样法在每个小区内用土钻按0 －10、10 －20 cm 分层采集5 个样点的混合土样，3 次重复，测定其全量与速效氮、磷、钾和土壤有机质等土壤养分。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法－外加热法，全氮采用半微量凯氏法，全磷采用氢氧化钠碱熔－钼锑抗比色法，全钾采用氢氧化钠碱熔－火焰光度法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用钼锑抗比色法，速效钾采用火焰光度计法，具体参见鲍士旦的方法［31］。

表1 豆禾混播草地混播比例与播量Table 1 Mixed sowing ratio and sowing rate in legume-grass mixture

1.4 数据处理与分析

利用IBM SPSS Statistics 21 中的Two-way ANOVA 对不同混播种类和豆禾混播比例下的各指标进行方差分析、计算标准差;利用一般线性模型中的方差分量估计对各土壤养分含量指标在混播种类、混播比例及其交互效应进行差异显著性检验，并利用LSD 对各指标进行不同混播种类和豆禾混播比例间的比较，差异显著性水平P ＜0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质的变化

2.1.1 混播种类对土壤有机质的影响 各混播种类处理之间，0 －10 cm 土层土壤有机质含量无显著差异(P ＞0.05)，但混3 －1、混3 －2 的0 －10 cm 土壤有机质含量较高(图1)。10 －20 cm 土层，混3 －1、混3 －2 土壤有机质含量显著高于混4 －2(P ＜0.05)。与单播禾草相比，各混播种类0 －10 cm 土层土壤有机质最高增长了7.07%;混3 －1、混3 －2、混6、混4 －1 的10 －20 cm 土壤有机质增加，而其他混播种类土壤有机质则减少。与单播豆科牧草相比，各混播种类0 －10、10 －20 cm 土壤有机质均下降，分别下降1.62% ～8.73%、5.23% ～12.99%。

2.1.2 豆禾混播比例对土壤有机质的影响 各豆禾混播比例之间，0 －10、10 －20 cm 土壤有机质含量均无显著差异(P ＞0.05)，但豆禾比5∶ 5 在两个土壤层均高于其他豆禾混播比例(图2)。与单播禾草相比，豆禾比5∶ 5 在两个土层土壤有机质均增加，而豆禾比4∶ 6 在两个土层均减少;与单播豆科牧草相比，所有混播比例土壤有机质均下降，下降幅度在3.08% ～10.05%。

2.2 土壤氮素养分的变化

2.2.1 混播种类对氮素养分的影响 混6、混5 －1、混3 －2 的0 －10 cm 土壤全氮含量显著高于其他混播种类(P ＜0.05)，混3 －2 的10 －20 cm 土壤全氮含量显著高于混6 和混4 －1;混4 －2、混3 －1、混3 －2 的0 －10 cm 土壤碱解氮含量则显著低于混4 －1，混5 －2 的10 －20 cm 土壤碱解氮含量显著高于混3 －1 和混3 －2(图3)。与单播禾草相比，所有混播种类0 －10 cm 土壤全氮含量均下降，下降幅度达19.59% ～52.85%;混6、混4 －1 和混4 －2 的10－20 cm 土壤全氮含量下降，其他混播种类则增加，增加幅度在12.23% ～25.71%;除混4 －2 外，其他混播种类0 －10cm土壤碱解氮含量均增加，增加幅度为4.19% ～22.14%;所有混播种类10 －20 cm土壤碱解氮含量均增加，增加幅度在23. 27% ～40.13%。与单播豆科牧草相比，除混5 －2 外，其他混播种类0 －10 cm 土壤全氮含量均增加，其中混6、混5 －1、混3 －2 的增加幅度在60.00%以上;混5 －1、混5 －2、混4 －1 的0 －10 cm 土壤碱解氮含量增加，增加幅度为1.83% ～3.87%，其他混播种类则下降;所有混播种类10 －20 cm 土壤全氮、土壤碱解氮含量均下降，其中土壤全氮含量下降幅度在15.96% ～72.22%，土壤碱解氮含量下降幅度在3.02% ～14.70%。

图1 不同混播种类下0 －10、10 －20 cm 土壤有机质含量Fig.1 Soil organic matters content under different mixed species of 0 －10，10 －20 cm soil layers

图2 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤有机质含量Fig.2 Soil organic matters content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

图3 不同混播种类0 －10、10 －20 cm 土壤氮素养分含量Fig.3 Soil nitrogen content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed species

2.2.2 豆禾混播比例对氮素养分的影响 豆禾比3∶ 7的0 －10 cm 土壤全氮含量显著高于豆禾比4∶6(P ＜0.05)，豆禾比3∶ 7 的10 －20 cm 土壤全氮含量高于其他混播比例(P ＞0.05);豆禾比3∶ 7 的0 －10 cm 土壤碱解氮含量则显著低于豆禾比5∶ 5，而豆禾比5∶ 5 的10 －20 cm 土壤碱解氮含量高于其他混播比例(P ＞0.05)(图4)。与单播禾草相比，所有混播比例0 －10 cm 土壤全氮含量均下降，下降幅度达25.69% ～47.45%;豆禾比3∶ 7 的10－20 cm 土壤全氮含量增加，其他混播比例则下降;所有混播比例0 －10、10 －20 cm 土壤碱解氮含量均增加，增加幅度分别为11.26% ～13.19%、28.31%～34.28%。与单播豆科牧草相比，所有混播比例0－10 cm 土壤全氮含量均增加，增加幅度为10.72%～56.56%;所有混播比例10 －20 cm 土壤全氮含量均下降，下降幅度为16.63% ～47.51%;所有混播比例0 －10、10 －20 cm 土壤碱解氮含量均下降，下降幅度分别为3.74% ～5.39%、7.07% ～11.20%。方差分析表明，混播比例对0 －10 cm 土壤全氮、土壤碱解氮含量有显著影响;而混播比例对10 －20 cm 土壤全氮、土壤碱解氮含量无显著影响。

2.3 土壤磷素养分的变化

2.3.1 混播种类对土壤磷素养分的影响 混3 －1的0 －10 cm 土壤全磷含量显著高于其他混播种类(P ＜0.05)，混6、混4 －2 的10 －20 cm 土壤全磷含量显著高于混5 －1 和混3 －1;混5 －2、混4 －1、混4 －2、混3 －1 的0 －10 cm 土壤有效磷含量显著高于混6 和混3 －2，混3 －1、混3 －2 的10 －20 cm 土壤有效磷含量显著高于其他混播种类处理(图5)。与单播禾草相比，所有混播种类处理0 －10 cm 土壤全磷含量均增加，增加幅度为0.43% ～86.41%;混5 －1、混3 －1 的10 －20 cm 土壤全磷含量下降，其他混播种类处理则增加，增加幅度在3. 50% ～39.90%;与单播豆科牧草相比，除混3 －1 外，其他混播种类0 －10 cm 土壤全磷含量均下降，下降幅度为7.97% ～39.32%;所有混播种类处理10 －20cm土壤全磷含量均下降，下降幅度在18.31% ～64.41%。除混6、混3 －2 外，其他混播种类0 －10 cm 土壤有效磷含量均比单播增加，增加幅度为48.56% ～107.63%;除混5 －1、混5 －2 外，其他混播种类10 －20 cm 土壤有效磷含量均比单播增加，增加幅度为1.38% ～25.97%。

图4 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤氮素养分含量Fig.4 Soil nitrogen content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

图5 不同混播种类下0 －10、10 －20 cm 土壤磷素养分含量Fig.5 Soil phosphorus nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed species

2.3.2 豆禾混播比例对土壤磷素养分的影响 豆禾比5∶ 5 的0 －10 cm 土壤全磷含量显著高于其他混播比例(P ＜0.05)，豆禾比5∶ 5 的0 －10 cm 土壤有效磷含量也高于其他混播比例，但差异不显著(P ＞0.05);豆禾比5∶ 5 的10 －20 cm 土壤全磷、土壤有效磷含量均显著高于其他混播比例(图6)。与单播禾草相比，所有混播比例0 －10 cm 土壤全磷含量均增加，增加幅度为9.71% ～59.45%;豆禾比3∶ 7的10－20 cm 土壤全磷含量下降，其他混播比例则增加。与单播豆科牧草相比，所有混播比例0－10、10 －20 cm 土壤全磷含量均下降，下降幅度分别为3.66% ～33.71%、26.59% ～51.49%。所有混播比例0－10、10－20 cm 土壤有效磷含量均比单播豆科牧草增加，增加幅度分别为39.06% ～78.41%、0.70% ～15.19%。方差分析表明，混播比例对0 －10 cm、10 －20 cm 土壤全磷含量有显著影响。而混播比例对0 －10、10－20 cm 土壤有效磷含量无显著影响。

2.4 土壤钾素养分的变化

2.4.1 混播种类对土壤钾素养分的影响 混6 的0 －10 cm 土壤全钾含量显著高于混5 －1、混5 －2、混4 －1、混4 －2(P ＜0.05)，混3 －2 的10 －20 cm土壤全钾含量显著高于混6、混5 －1 和混3 －1;混5－2 的0 －10 cm 土壤速效钾含量显著低于混5 －1和混3 －2，混6、混5 －1 的10 －20 cm 土壤速效钾含量显著高于其他混播种类。除混6 外，所有混播种类0 －10 cm 土壤全钾含量均比单播下降，下降幅度为2.53% ～11.51%。与单播禾草相比，除混5－1外，其他混播种类0－10 cm 土壤速效钾含量均下降，下降幅度为0.75% ～12.61%;混5 －1、混3 －1 的10－20 cm 土壤全钾含量下降，其他混播种类则增加，增加幅度在0.11% ～9.63%;除混6、混5－1 外，其他混播种类10－20 cm 土壤速效钾含量均下降，下降幅度为4.62% ～13.42%。与单播豆科牧草相比，而所有混播种类0－10 cm、10－20 cm 土壤速效钾含量均下降，下降幅度分别为8.07% ～22.77%、15.06% ～32.01%;所有混播种类10 －20 cm 土壤全钾含量均下降，下降幅度在6.05% ～18.10%。

图6 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤磷素养分含量Fig.6 Soil phosphorus nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

图7 不同混播种类下0 －10、10 －20 cm 土壤钾素养分含量Fig.7 Soil potassium nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed species

2.4.2 豆禾混播比例对土壤钾素养分的影响 豆禾比3∶ 7 的0 －10 cm 土壤全钾含量显著高于豆禾比5∶ 5(P ＜0.05)，豆禾比4∶ 6 的10 －20 cm 土壤全钾含量均显著高于其他混播比例;豆禾比4∶ 6 的0 －10 cm 土壤速效钾含量高于其他混播比例，但差异不显著(P ＞0.05)，豆禾比3∶ 7 的10 －20 cm 土壤速效钾含量显著高于豆禾比5∶ 5(图8)。所有混播比例0－10 cm 土壤全钾、土壤速效钾含量均比单播下降，下降幅度为0.03% ～18.54%。与单播禾草相比，豆禾比3∶ 7 的10 －20 cm 土壤全钾含量下降，其他混播比例则增加;所有混播比例10 －20 cm土壤速效钾含量均下降，下降幅度为1. 30% ～9.99%。与单播豆科牧草相比，所有混播比例10 －20 cm 土壤全钾、土壤速效钾含量均下降，下降幅度为8.58% ～29.32%。方差分析表明，混播比例对0 －10、10 －20 cm 土壤全钾含量有显著影响。而混播比例对0 －10、10 －20 cm 土壤速效钾含量无显著影响。

图8 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤钾素养分含量Fig.8 Soil potassium nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

3 讨论

3.1 豆禾混播体系中土壤养分的竞争

豆禾牧草混播后禾草与豆科牧草间存在着对氮元素的竞争权衡，只有当土壤氮含量通过氮循环达到禾草与豆科牧草各自竞争优势平衡的水平时，两者才可以共存［32］。但豆禾混播体系中存在空间上或时间上根系分布差异所导致的生态位分离，以及禾草、豆科牧草在养分利用方式上差异所导致的生态位分离，这些均能有效地降低豆禾牧草对土壤养分的竞争［33］。本研究的3 年试验期内，单播豆科牧草在土壤浅层(0 －20 cm)具有较高的土壤有机质、可利用氮素养分(碱解氮)与可利用钾素养分(速效钾);而单播禾草则具有较低的土壤有机质、可利用氮素养分;两种单播草地均具有较低的土壤可利用磷素养分(有效磷)。豆禾牧草混播后，土壤可利用氮素养分较单播禾草增加，土壤可利用磷素养分则较两种单播草地大部分混播种类均增加。这与张永亮等［5］、邰继承等［30］的研究结果一致。因此，豆禾牧草混播既有利于土壤氮、磷养分的增加，又有利于禾草与豆科牧草达到各自地下竞争优势的平衡，为豆禾混播草地的持续稳产、高产奠定基础。

3.2 混播方式对豆禾混播草地土壤养分的影响

豆禾牧草混播后，豆科牧草固定的氮素转移到禾草体内，起氮素肥料的作用［34-36］;豆禾牧草在根际可同时形成磷养分利用空间优势、磷源利用差异及相互促进吸收，因此土壤磷素供应也得到了改善［12］。但是由于混播方式的不同，土壤养分的分布与积累规律是有差异的［30］。邰继承等［30］认为，隔行混播相对于同行混播来说，更有利于土壤有机质、碱解氮、速效钾的积累，而同行混播则具有较高的有效磷含量。本研究的3 年试验期内，随着豆科牧草的比例减少，土壤有机质、碱解氮、全磷和有效磷含量呈减少趋势，而豆禾比4∶ 6 具有较高的全钾和速效钾含量;方差分析也表明，混播比例仅对土壤全磷、全钾含量造成了显著影响。由此可见，增加豆科牧草比例可能减少了自身对土壤氮素的消耗，同时残留了较多土壤氮供禾草利用，与禾草相互作用促进了磷素养分的供应，但无法显著增加土壤养分(特别是氮素)的供给。物种种类数量及各物种的搭配对土壤养分的影响更为复杂:混播种类较少时(混3 －1、混3 －2、混4 －1、混4 －2)，其土壤有机质、全氮、有效磷、全钾含量较高，而土壤碱解氮、速效钾含量较低;混播种类较多时(混6、混5 －1、混5－2)，其土壤碱解氮、速效钾含量较高，而土壤有机质、全磷、有效磷含量较低。方差分析则表明，混播种类是造成不同混播方式下土壤养分差异的主导因素。因此，在豆禾混播草地中简单增加豆科牧草的比例，可能并不能显著增加土壤养分供给(特别是氮素)，只有合理的豆禾比例与种类搭配才能显著改善土壤养分的供给。

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