切根和施氮对退化羊草草地土壤理化性质的影响

陈积山， 孔晓蕾， 朱瑞芬， 张 强， 邸桂俐， 康欣彤， 陆 娟

(1. 黑龙江省农业科学院草业研究所， 黑龙江省 哈尔滨150086； 2. 甘肃省兰州植物园， 甘肃 兰州730070)

羊草(Leymuschinensis)是我国典型草原和草甸草原的主要优势牧草，为多年生根茎型禾草，且具有十分发达的地下根茎系统，营养繁殖力很强，地上枝条均匀分布，叶量很大，适口性好、营养价值高[1-2]。因此羊草草原是经济价值最高的天然放牧场和最优质的割草地资源，为畜牧业牲畜越冬提供了优质的饲草，是发展畜牧业的物质基础[3-4]。

近年来，羊草草原长期持续超限利用和不合理的生产管理，导致羊草种群密度和生物量显著降低[4]。同时，羊草草地土壤呈现退化。目前，退化羊草草地改良的研究一直是热点，已有的改良方法包括浅耕翻，耙地，深松和切根[5-9]，能改善土壤结构、增加土壤养分，促进根茎禾草生长，改善群落结构，其有效性已有较多研究论证。但是，未见利用专业羊草草地切根松土机[10]进行切根改良，并分析草地土壤理化性质及其地上生物量变化的研究报道。此外，施肥是改良草地的有效措施之一，氮素对羊草种群具有显著的调节效应，草地施肥有助于草地生产力的恢复和提高，对羊草草原有明显的增产效果[11-18]。但目前关于切根施氮互作对退化羊草草地土壤理化性质的影响的研究较少。

因此，本研究以绥化地区退化羊草草地为研究对象，采用二裂式裂区试验设计的方法，进行了切根和施氮互作处理改良退化羊草草地的试验，从其对退化羊草草地土壤理化性质的角度进行剖析，以期为制定本地区羊草草地的高产培育技术标准提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验样地

本试验在黑龙江农科院草业研究所兰西实验基地(45.2° N，122.6° E)进行。该区域属于大陆性季风气候，最高气温38℃，最低气温-30℃，≥10℃年活动积温2 887℃,无霜期139 d左右。土壤类型以草甸土为主。土壤盐碱呈现轻、中、重三级盐碱化，其土壤全盐量变化范围为0.157%～0.318%，土壤pH值在8.12～10.08。植被类型为羊草+杂类草草甸草原。主要物种有羊草(Leymuschinensis)、五脉山黧豆(Lathyrusquinquenervius)、芦苇(Phragmitesaustralis)、冰草(Agropyroncristatum)、菊叶委陵菜(Potentillatanacetifolia)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)。研究区羊草草地长期围栏禁牧，以刈割利用为主。

1.2 试验设计

试验为二裂式裂区试验设计，主区处理为切根处理(Q)，设置2个水平，切根宽度20 cm的条形切根方式(Q20)和切根宽度40 cm的井字型切根方式(Q40)。切根时间在返青后10 cm深处土壤的5天滑动平均温度稳定在5℃以上。切根设备采用中国农业大学研制的9QP-830型盘齿式草地破土切根机(统一要求切根深度15 cm)。裂区处理为副处理(施氮，N)，设置4个水平，不施氮肥处理(N1)，1 kg N·亩-1(N2)，2 kg N·亩-1(N3)，4 kg N·亩-1(N4)。氮肥梯度的依据是本区域长期土壤氮素监测值进行设定。氮肥施用时间为第一次在返青切根后施入，第二次在刈割一次后施入。两次施氮量分别为总量的60%(第一次)和40%(第二次)。试验区全年进行两次刈割管理，分别在羊草进入抽穗期(或羊草株高达到40 cm时)进行第一次刈割，第二次刈割在霜前1个月进行，留茬高度8 cm。为了避免收获作业对临近裂区造成严重影响，设置了较宽的裂区间以及主区间距的间距，同时试验地边界建立围栏防护，防止人畜自由进入。

1.3 测定项目和方法

年植物生物量分别在6月和9月在各样地内随机选的3个样方，分别调查样方内的植物种，测定自然高度，每个样方内随机选取株羊草测定其自然高度取平均值，种盖度(目测法)和密度。采用收获法：齐地面剪下测量植物群落的地上生物量。同时，土壤样品与植物样品采集一并进行。用直径为2.5 cm土钻在每个试验处理中取0～10 cm深土样共计3钻。将3钻土样均匀混合成1份混合土样，从中选出300 g，装进布袋并做好标记，带回后在室内及时摊开，使土样充分自然风干，将风干的土样经过粉碎再过筛2 mm后去除石子、叶片残枝等杂物，然后用研钵研磨土壤后分别过1 mm和0.149 mm(100目)的土壤筛密封保存置于室内避光处，以备测定土壤全氮(soil total nitrogen content,STN)、全磷(soil total phosphorus content,STP)、速效氮(soil available nitrogen,SAN)、速效磷(soil available phosphorus,SAP)的含量。STN、STP用H2SO4-K2SO4-Cu2SO4催化法消解，消煮后的样品经过滤、稀释、定容后用AutoAnalyzer3(AA3)连续流动分析仪测定。土壤速效氮含量是指硝态氮(soil nitrate nitrogen,SNO3)和铵态氮(soil ammonium nitrogen,SNH4)的总和，因此对SNO3和SNH4进行分别测定，土壤经过2 mol·L-1的KCl溶液浸提、过滤、定容后，用AA3连续流动分析仪测定。SAP采用硫酸钼梯抗比色法测定。样品中N、P元素以单位质量样品中各元素的浓度表示。

1.4 数据统计分析

本试验所有测定数据采用SPSS 17.0软件分析。为了裂区试验误差项的再分解，需要编写SPSS 17.0命令语言进行。所有图形输出均来自SPSS 17.0软件。

2结果与分析

2.1 切根施氮对草地土壤物理性质的影响

试验期间分别对6月、9月测定的土壤容重进行分析(表1)，方差结果表明，土壤容重(5～10cm)在区组间、施氮副处理、切根施氮(Q×N)互作均不显著，但在主处理间显著差异。这说明切根方式(Q20和Q40)显著影响6月和9月的土壤容重。

通过6月份土壤容重的均值比较(图1)，Q40对土壤容重的降低程度显著高于切根Q20对容重的影响。同理，Q40较Q20显著降低9月份土壤容重。其中Q40处理的6月份土壤容重达到1.115±0.070 kg·m-3，在9月份达到1.050±0.051 kg·m-3，且显著低于对照(无切根处理)。

表1 切根对土壤容重的方差分析Table 1 Variance analysis of cutting root on soil bulk density

图1 土壤容重的均值比较(6月份和9月份)Fig.1 Comparison of the mean values of soil bulk density (June and September)

2.2 切根施氮对草地土壤全氮、全磷、有机质的影响

切根施氮对草地土壤全氮全磷的影响如表2和表3所示，土壤全氮(6月份)在区组间、主处理、副处理间均不显著，但切根施氮互作(Q×N)显著提高土壤全氮(6月份)。这说明切根方式和施氮的作用不是彼此独立的，而是互相作用的。切根方式对土壤全氮(6月份)的影响效应会因施氮水平的不同而有所不同，即它们存在关联性。同理(表2)，切根施氮互作(Q×N)显著影响土壤全磷含量(6月份)和有机质含量(9月份)。

表2 切根施氮对土壤全氮和有机质的影响Table2 The effects of cutting root and nitrogen application on total phosphorus and organic matter of soil

表3 切根施氮对土壤全磷和有机质的影响Table3 The effects of cutting root and nitrogen application on total nitrogen and organic matter of soil

2.3 切根施氮互作对草地产量的影响

切根施氮互作组合的方差分析表明，8个互作组合对草地产量的影响存在显著差异(F=3.799,P=0.011)。多重比较表明，组合Q40N4对草地产量的影响显著高于处理，其全年草地产量达到310.91±10.623 g·m-2，Q40N2处理的产量最小达到208.10± 14.326 g·m-2(表4)。

表4 不同组合对草地全年产量(干重)影响的多重比较Table 4 Multiple comparisons of the effects of different combinations on annual yield (DM) of grassland

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.4 草地产量与土壤理化指标间的相关性分析

通过相关性分析，全年产量(总干重)与切根前土壤有机质呈正相关(r=0.775，P<0.05)，与切根后10 cm土壤的容重呈负相关(r=0.165，P<0.05)，与9月份土壤的有机质和土壤全氮呈负相关(r=0.243，P<0.05)。

3 讨论

关于施肥对草地群落影响的研究目前已取得了一些成果，李本银[19]等在关于施肥对牧草群落结构的影响研究中发现施肥使得牧草群落种类增多、生物量增大、种群结构明显改善、特别是在表施控释肥的处理中出现了表征退化草地恢复的羊草。尤英豪[20]等在东北羊草草地的研究中得出施肥加速了羊草的生长、提高了牧草产量和蛋白质总量。关于切根对多年生紫花苜蓿产量的影响研究中发现施肥可以进一步增加切根草地的紫花苜蓿产量，可见，施肥对退化草地群落有明显的改善效果。本研究也表明切根的主效应在施氮下显著，只不过其效应的大小和方向依赖于施氮量不同。在对照参比下，8个切根施氮组合的产量均存在显著差异。其中最大的互作组合(Q40N4)产量为310.91 g·m-2。本研究与前人施肥试验的氮素添加量不同，何丹[21]等人研究结果施尿素量为50 kg ·hm-2时地上生物量的增幅最大，可增加229%～633%。潘庆民[22]等人研究结果施用80 g NH4NO3·m- 2时增加48.31%。奇立敏[23]等研究添加氮素30 kg N·hm-2时地上生物量达到最大时增加18%。本研究添加氮素60 kg N·hm-2时地上生物量达到最大，增加了23.4%，这表明在不同的羊草草地阶段，群落或种群对环境资源的需求量也不尽相同，或者不同试验区养分和水分相互作用也不同。

草地产量的形成与土壤理化指标密切相关。通过相关性分析，全年产量(总干重)与切根前土壤有机质呈正相关，与切根后10 cm土壤的容重呈负相关，与9月份土壤的有机质和土壤全氮呈负相关。为了进一步分析和解释土壤理化指标对草地产量贡献，对测定的6个土壤理化指标与草地全年产量(干重)进行典范对应分析(CCA)，土壤理化因子对草地产量的解释量为0.007169/0.020940=34.23%。这表明土壤理化因子对草地产量的实际贡献或形成仅为34.23%，这种解释是否可信，需要进一步检验土壤因子对草地产量影响的显著性。由表3可知，6个土壤因子对产量的解释量经过蒙特卡罗置换检验实现(Monte Carlo permutation test)分析具有显著性，其中全磷(P)是显著影响该区域草地全年产量，是影响该区域草地产量的主要土壤限制因子，在提高该区域羊草草地产量方面建议加大对磷肥的使用量，解除该草地土壤长期存在的磷限制，以获得较高的草地生物量。

表5 蒙特卡罗置换检验结果Table 5 The results of Monte Carlo permutation test

4 结论

井字型切根(Q40)较条形切根方式(Q20)显著降低了土壤容重。切根条件下，施氮处理显著提高土壤全氮和有机质。在所有切根施氮组合中，组合Q40N4(井字型切根宽度40 cm方式下施氮4 kg·亩)产量为310.91±10.623 g·m-2，显著高于对照及其他处理。相关性和典范对应分析(CCA)表明，土壤理化因子对草地生物量的实际贡献仅为34.23%。经蒙特卡罗置换检验表明，这种解释是可信的，且磷(P)元素是显著影响该区域草地全年产量的主要土壤限制因子。因此，建议加大对磷肥的使用量，解除该区域草地土壤存在的长期磷限制，以获得较高的草地生物量。