紫花苜蓿与草地早熟禾轮作序列土壤氮素时空动态变化差异

阿 芸，师尚礼，李 文，孟涛涛，邵建雄

（甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070）

随着草业生产的规模化和集约化，为实现畜产品或经济作物增产，连续多年种植某种单一牧草或重茬种植现象日益突出，导致土壤养分异常积累或过度消耗、病虫害增多和农作物产量和品质降低等[1-4]。草田轮作耕制度伴随着这些问题而逐渐形成，是草地用养结合、改善土壤质量和提高后茬牧草产量的一项新技术措施[5]。禾本科与豆科作物轮作具有提高土壤氮素含量、改善土壤质量、保持水土以及提高单位面积土壤经济收益等一系列的优点[6-12]，是使土壤由劣变优的重要途径，是使原本土壤养分缺乏的半干旱地区进行生态恢复重建、实现畜牧业可持续发展的关键步骤。

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有抗旱、耐寒、耐瘠、保持水土等优良特性和较强的生态适应性，是半干旱地区重要的豆科牧草，也是草田轮作的重要草种[13]；草地早熟禾(Poa pratensis)抗逆性强、分布地区广、生活环境多样，有着很大的饲用价值和优良的生态环保价值[14-16]。紫花苜蓿是具有较强固氮能力的作物，每公顷每年可固氮100～300 kg[17]；种植多年生草地早熟禾不仅可提高土地的利用率，而且生产大量牧草饲料。土壤氮素是植物生长必需的大量元素，能显著影响植物的生长及养分利用[18-22]，土壤氮素含量与土壤理化特征、土地利用方式、植被特征和供氮水平等密切相关[23-27]。党廷辉[28]研究表明，小麦(Triticum aestivum)→苜蓿轮作土壤全氮和碱解氮含量分别较小麦连作增加了21.70%、19.31%；王俊等[29]得出苜蓿草地翻耕后种植草谷子(Setaria italica)加速了土壤全氮与碱解氮的消耗；大量研究表明，苜蓿茬口的养分效应可维持3年以上，为后茬作物的生长提供大量养分，避免施肥过多而导致土壤板结、硬化、氮素失衡等问题[30-33]，对农业可持续发展有重要的作用。

目前，前人关于紫花苜蓿对土壤养分影响的研究较多，主要集中在两个方面：一是不同种植年限苜蓿对土壤养分的影响[34]，二是苜蓿与一年生作物轮作对土壤养分的影响[23,29,35]。而关于多年生禾本科与紫花苜蓿轮作土壤氮素时空动态变异的研究鲜见报道。多年生禾本科草地早熟禾与紫花苜蓿轮作，不仅有效提高土地的利用率及节约资源，而且生产大量牧草饲料。基于此，本研究选用紫花苜蓿与草地早熟禾两种多年生牧草为研究对象，建立了紫花苜蓿与草地早熟禾轮作序列，着重研究两种轮作土壤全氮含量与碱解氮含量的时空动态变化，以期获得一种更好的利用土地、提高土壤氮素含量的种植方式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省兰州市西北部甘肃农业大学牧草试验站 (105°41′ E，34°05′ N)，地处黄土高原西端。海拔1 595 m，属温带半干旱大陆性气候，年均气温9.7 ℃，平均年降水量451.6 mm，年蒸发量1 664 mm，年均日照时数 2 770 h，全年无霜期 210 d，最热月平均气温29.1 ℃，最冷平均气温-14.9 ℃，＞0 ℃ 年积温 3 800 ℃·d，＞ 10 ℃ 年积温 3 200 ℃·d。地势平坦，土壤类型为黄绵土，土层较薄，通气好，基本理化性质如表1所列。

表1 紫花苜蓿、草地早熟禾茬地土壤基本理化指标值Table 1 The soil properties at the different experimental sites

1.2 试验设计

前人有关不同年限苜蓿地养分的研究表明，在半干旱地区，苜蓿在生长其最佳利用年限为4～6年[36-37]，因此，本研究选取种植5 a的甘农9号紫花苜蓿草地和海波草地早熟禾草地为研究对象，于2016年3月分别进行翻耕，4月23日在翻耕后的草地上播种。试验采取紫花苜蓿与草地早熟禾双序列轮作，序列Ⅰ：紫花苜蓿→草地早熟禾(AP)，以紫花苜蓿→紫花苜蓿为对照(AA)，即翻耕后的部分紫花苜蓿茬地上播种草地早熟禾，另一部分则继续播种紫花苜蓿；序列Ⅱ：草地早熟禾→紫花苜蓿(PA)，以草地早熟禾→草地早熟禾为对照(PP)，即翻耕后的部分草地早熟禾茬地上播种紫花苜蓿，另一部分则继续播种草地早熟禾。

试验采用随机区组设计，2个轮作序列处理、2 个对照，3 次重复，小区面积 10 m2(2 m × 5 m)，小区间距40 cm，区组间距均为20 cm。播种量：紫花苜蓿 15 kg·hm-2、草地早熟禾 15 kg·hm-2，条播，行距为25 cm。整个试验期间均不施肥，出苗后适时进行锄草及病虫害防治等田间管理。试验种子由甘肃农业大学草原生态系统教育部重点实验室提供。

试验测定于2017年4月15日开始，每月15日在不同处理PA、PP、AP和AA的草地上随机进行土壤取样，至10月15日取样结束，共取7次土样。在各小区采集0-20和0-40 cm土样，每小区3次重复，采用多点混合取样法。

1.3 指标测定及方法

全氮采用凯氏定氮法测定[5]，碱解氮采用碱解扩散法测定[5]。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0系统软件对所测数据统计分析，用平均值和标准误表示测定结果，分别对同一月份下不同处理、同一处理不同月份间土壤氮素含量进行配对样本T检验和单因素方差分析，并用Duncan法对各测定数据进行多重比较；采用Excel 2010 制作图表。

2 结果与分析

2.1 草地早熟禾→紫花苜蓿序列土壤全氮时空动态变化

0-20 cm土层，PA全氮含量4-10月动态略呈先下降后上升趋势 (图 1)，8 月 (1.57 g·kg-1)较 4 月(1.85 g·kg-1)显 著 下 降 15.14%(P ＞ 0.05)， 而 10 月(1.71 g·kg-1)较 8 月显著上升 8.92%(P＜0.05)，10 月较4月又显著下降7.57%(P＜0.05)。其对照PP呈先下降后平稳趋势，7月 (1.56 g·kg-1)较 4月 (1.72 g·kg-1)显著下降 9.30%(P＜0.05)，10 月 (1.48 g·kg-1)较7月差异不显著(P ＞ 0.05)，10月较4月显著下降 13.95%(P＜0.05)。除 8月外，4-10月 PA模式0-20 cm 土层全氮含量均显著高于 PP(P＜0.05)，且PA全氮含量动态下降率较PP小，得出了轮作PA较连作PP可有效增加土壤表层全氮量。

20-40 cm土层，PA全氮含量4-10月动态略呈 先 下降 后 上 升 趋势 (图 1)，8 月 (0.89 g·kg-1)较4 月 (1.36 g·kg-1)显 著 下 降 34.56%(P＜ 0.05)， 而10月较 8 月差异不显著 (P ＞ 0.05)，10月较 4 月显著下降 32.35%(P＜0.05)。其对照 PP呈下降趋势，7 月 (0.92 g·kg-1)较 4 月 (1.13 g·kg-1)显 著 下 降18.58%(P＜0.05)，而 10 月（0.80 g·kg-1）较 7 月显著下降 13.04%(P ＞ 0.05)。除8、9 月外，4-10 月 PA20-40 cm 土层全氮含量均显著高于 PP(P＜0.05)，且PA全氮含量动态下降率较PP小。因此，轮作PA较连作PP可有效增加土壤耕作下层全氮含量。

图2为不同模式0-20和20-40 cm土层全氮含量差值的月动态变化，PA全氮差值(0.48～0.79 g·kg-1)动态呈先平稳后上升趋势，因4-7月两土层全氮含量下降速率基本相同，7-8月全氮含量20-40 cm较0-20 cm下降速率快，8-10月全氮含量在下土层较上土层上升速率慢。其对照PP(0.59～0.68 g·kg-1)全氮含量差值动态呈逐渐上升趋势，因4-10月全氮含量20-40 cm较0-20 cm下降速率快。4-8月PA两土层全氮分布较PP均匀，而8-10月PA较PP分散。总体上PA上下两土层全氮时空分布动态变化较PP大。

图2 PA 和 PP 模式下 0-20 与 20-40 cm 土层全氮含量差值的月动态变化Figure 2 Difference variation of soil total nitrogen between 0-20 and 20-40 cm soil layers under PA and PP

2.2 草地早熟禾→紫花苜蓿序列土壤碱解氮时空动态变化

0-20 cm土层，PA碱解氮含量4-10月动态略呈上升-下降-上升趋势(图3)，其中以5月(50.89 mg·kg-1)和 9 月 (41.74 mg·kg-1)为 拐 点 ， 5 月 较4 月 (49.85 mg·kg-1)显著上 升 2.09%(P＜0.05)， 而9月较5月显著下降17.98%，10月(46.33 mg·kg-1)较9月又显著上升13.72%，10月较4月显著下降7.06%。其对照呈先下降后平稳趋势，10月(39.03 mg·kg-1)较 4 月 (47.88 mg·kg-1)显著下降 18.48%(P＜0.05)。除4月外，4-10月PA(0-20 cm)碱解氮含量显著高于PP(P＜0.05)，且PA碱解氮含量动态下降率较PP小。与连作PP相比，轮作PA可有效增加土壤表层碱解氮含量。

20-40 cm土层，PA碱解氮含量4-10月动态呈下降-上升-下降-上升趋势(图3)，7月较4月(24.50 mg·kg-1)显 著 下 降 20.37%， 而 10 月 (25.37 mg·kg-1)较7月显著上升23.10%，10月较4月显著上升 3.43%(P＜0.05)。其对照 PP呈下降趋势，10 月 (14.34 mg·kg-1)较 4 月 (23.60 mg·kg-1)显著下降 39.24%(P＜0.05)。除 4 月外，4-10 月 PA 碱解氮含量显著高于PP(P＜0.05)，且PA碱解氮含量动态下降率较PP小。发现与连作PP相比，轮作PA模式能有效增加耕作下层碱解氮含量。

PA模式0-20 cm与20-40 cm土层碱解氮差值 (19.28～28.00 mg·kg-1)动态呈无规律的波动变化(图4)，4-9月PA呈“M”字型趋势，且变化幅度较大，其对照 PP 碱解氮差值 (13.18～25.94 mg·kg-1)动态先平稳后上升趋势。经上可得，与连作PP相比，轮作PA上下两土层碱解氮分布变化较大。

图4 PA 和 PP 模式下 0-20 与 20-40 cm 土层碱解氮含量差值的月动态变化Figure 4 Difference variation of available nitrogen between 0-20 and 20-40 cm soil layers under PA and PP

2.3 紫花苜蓿→草地早熟禾序列土壤全氮时空动态变化

0-20 cm土层，AP全氮含量4-10月动态呈下降趋势 (图 5)，10 月 (1.26 g·kg-1)较 4 月 (1.74 g·kg-1)显著下降 27.58%(P＜0.05)。其对照呈先下降后上升趋势，8 月 (1.56 g·kg-1)较 4 月 (1.67 g·kg-1)显著下降6.59%，而10月(1.67 g·kg-1)较8月上升14.74%，10月 较 4月 显 著 下 降 6.70%(P ＜ 0.05)。 4-6月AP 全氮含量差异较 AA 不显著 (P ＞ 0.05)，7-10 月AP全氮含量显著低于AA，且AP全氮含量动态下降率大于AA。分析得出，与连作AA相比，轮作AP对土壤表层氮素的有效利用具有积极作用。

图5 AP 和 AA 模式土壤全氮月动态变化Figure 5 Monthly variation of soil total nitrogen under AP and AA

20-40 cm土层，AP全氮含量4-10月动态呈下降趋势，其对照呈先下降后上升趋势(图5)。10 月 (1.07 g·kg-1)较 4 月 (1.39 g·kg-1)显 著 下 降23.02%(P＜0.05)，所以，与连作 AA 相比，轮作AP使耕作下层的氮素得到了有效利用。

AP处理0-20 cm与20-40 cm土层全氮含量差值 (0.17～0.35 g·kg-1)动态略呈下降-上升-下降-上升趋势(图6)，其对照AA全氮含量差值(0.33～0.40 g·kg-1)动态呈有规律的波动变化，得出轮作AP两土层全氮分布变化较连作AA小。

2.4 紫花苜蓿→草地早熟禾序列土壤碱解氮时空动态变化

0-20 cm土层，AP碱解氮含量4-10月动态呈下降趋势 (图 7)，10 月 (43.06 mg·kg-1)较 4 月 (53.51 mg·kg-1)显著下降 19.53%(P＜0.05)。其对照 AA 呈先下降后上升趋势，8月 (46.86 mg·kg-1)较 4月(54.67 mg·kg-1)显 著 下 降 14.29%， 而 10 月 (48.35 mg·kg-1)较8月显著上升3.18%，10月较4月显著下 降 11.56%(P＜0.05)。4-6 月 AP 碱 解 氮 含 量 较AA 差异不显著 (P ＞ 0.05)，而 7-10月 AP 显著低于AA(P＜0.05)，且AP碱解氮含量动态下降率大于AA。轮作AP较AA而言，对表层土壤碱解氮的有效性具有积极作用。

图6 AP 和 AA 模式 0-20 与 20-40 cm 土层全氮含量差值的月动态变化Figure 6 Difference variation of soil total nitrogen between 0-20 and 20-40 cm soil layers under under AP and AA

图7 AP 和 AA 模式土壤碱解氮月动态变化Figure 7 Monthly variation of soil available nitrogen under AP and AA

20-40 cm 土层，AP碱解氮含量4-10月动态呈先下降后稳定趋势 (图 7)，10 月 (19.68 mg·kg-1)较 4 月 (25.24 mg·kg-1)显著下降 22.03%(P＜0.05)。其对照AA呈先下降后上升趋势，7月(22.76 mg·kg-1)较 4 月 (26.02 mg·kg-1)显著下降 12.53%(P＜0.05)，而 10月 (27.97 mg·kg-1)较 7月显著上升 22.89%，10月较4月上升7.49%。4-9月AP碱解氮含量较AA差异不显著(P ＞ 0.05)，而10月AP显著低于AA(P＜0.05)。因此，与AA相比，AP对提高土壤下层碱解氮含量有效性具有积极作用。

AP处理0-20与20-40 cm土层碱解氮含量差值 (22.64～28.27 mg·kg-1)动态略呈先下降后上升趋势(图8)，以8月为最低点；其对照AA碱解氮含量差值 (20.38～28.65 mg·kg-1)动态呈下降-上升-下降趋势，得出轮作AP两土层碱解氮含量分布变化较连作AA小。

图8 AP 和 AA 模式下 0-20 与 20-40 cm 土层碱解氮含量差值的月动态变化Figure 8 Difference variation of available nitrogen between 0-20 and 20-40 soil layers under AP and AA

2.5 紫花苜蓿与草地早熟禾轮作序列土壤氮素含量比较

0-20 cm土层，除4月外，5-10月全氮含量PA显著高AP(表2)，且10月PA较AP显著高出35.71%(P＜0.05)；20-40 cm 土层，6、8、9 月全氮含量PA显著低于AP(P＜0.05)，而其他月份差异不显著(P ＞ 0.05)，得出轮作PA较AP可有效增加土壤0-20 cm土层全氮含量。

0-20 cm土层，除6月外，4-10月碱解氮含量PA与AP差异显著， 10月PA碱解氮含量较AP 显 著 高 出 7.59%(P ＜ 0.05)(表 2)；20-40 cm 土层，除了4、5、6、8月外，其他月份下PA碱解氮含量与AP差异显著，4月PA碱解氮含量较AP差异不显著(P ＞ 0.05)，而10月PA较AP显著高出28.91%(P＜0.05)，整体来看，轮作PA较AP可有效增加土壤碱解氮含量。

3 讨论

柴继宽[23]研究表明，不同年限燕麦(Avena sativa) →豌豆 (Pisum sativum) 轮作土壤全氮 (0-20 cm)平均含量较第1年上升2.32%，但上升缓慢，燕麦连作土壤全氮含量呈缓慢下降趋势，且燕麦→豌豆轮作土壤全氮含量高于燕麦连；Li等[11]对我国黄土高原半湿润地区的氮素进行了研究，苜蓿→小麦→玉米(Zea mays)轮作较小麦连作可显著增加土壤氮素含量；郭胜利[38]研究结果显示小麦与红豆草(Onobrychis viciaefolia)轮作对提高土壤氮素有促进作用；韩丽娜[39]对苜蓿→冬小麦和连作冬小麦土壤养分进行了研究，结果显示第2年种植冬小麦的轮作处理0-60 cm土层全氮均值和碱解氮均值分别较连作冬小麦增加 0.10～0.22 g·kg-1和 4.48～7.13 mg·kg-1，均与本研究结论相似。本研究选择 5 年草地早熟禾地翻耕后种植紫花苜蓿，第2年10月测定土壤全氮、碱解氮含量(0-20 cm)分别较播前上升8.92%、12.29%，而第2年10月测定草地早熟禾连作土壤全氮、碱解氮含量(0-20 cm)分别较播前下降6.08%、5.71%，说明草地早熟禾牧草地翻耕后种植紫花苜蓿可显著提高土壤氮素含量。

表2 紫花苜蓿与草地早熟禾两种序列模式土壤氮素含量比较Table 2 Comparison of soil nitrogen content between Alfalfa-Poa pratensis and Poa pratensis-Alfalfa

王俊等[29]研究半干旱地区苜蓿→草谷子与苜蓿连作的土壤氮素变化，得出4月苜蓿→草谷子0-20 cm土层全氮含量均低于苜蓿连作，而10月0-20 cm苜蓿→草谷子全氮量显著低于苜蓿→苜蓿；刘沛松等[40]研究10 a紫花苜蓿地翻耕后种植不同作物马铃薯、谷子、春小麦，得出不同轮作模式的氮素含量均不同幅度的下降；王仪明等[33]研究发现耕作可增加对土壤的干扰，苜蓿地轮作为农田后土壤氮素呈下降趋势，与本研究结果相似。高超等[22]研究表明松嫩平原地区6-10月苜蓿栽培草地不同土层全氮和速效氮含量动态变化基本呈降低-升高-降低趋势，与本研究结论不同，可能是气候、试验材料和土壤条件等差异所致。本研究得出4-10月紫花苜蓿-草地早熟禾不同土层全氮含量大致呈下降趋势，且10月测定AP模式0-20 cm全氮含量和碱解氮含量较播前土壤下降了25.00%、21.03%，而第2年10月测定紫花苜蓿连作土壤全氮、碱解氮含量(0-20 cm)分别较播前下降7.76%、11.33%，所以紫花苜蓿牧草地翻耕后种植草地早熟禾使土壤氮素得到了有效利用。

本研究中PA土壤氮素生长季动态变化大致呈先下降后上升趋势，主要原因是4-8月随着气温升高，根瘤固氮效率逐渐下降，而紫花苜蓿处于快速生长期，氮利用量逐渐增大，再加上刈割带走大量氮素，8-10月随气温逐渐凉爽，根瘤固氮效率又逐渐提高，而紫花苜蓿生长量又逐渐降低[18,23,27-28]；AP模式土壤氮素生长季动态变化基本呈下降趋势，主要原因是种植禾本科所致。PA上下两土层土壤氮素含量空间分布动态变化较PP大，而AP上下两土层土壤氮素含量空间分布动态变化较AA小，主要是紫花苜蓿翻耕后种植草地早熟禾导致的。

4 结论

草地早熟禾→紫花苜蓿序列可显著提高土壤全氮和碱解氮含量，紫花苜蓿→草地早熟禾序列可使土壤全氮与碱解氮得到有效利用。草地早熟禾→紫花苜蓿轮作第2年10月0-20 cm土层全氮和碱解氮含量分别较草地早熟禾连作提高15.54%和18.70%，紫花苜蓿→草地早熟禾轮作第2年10月0-20 cm土层土壤全氮和碱解氮含量分别较紫花苜蓿连作下降29.60%和10.94%。与轮作苜蓿→草地早熟禾相比，草地早熟禾→苜蓿能有效增加土壤全氮与碱解氮含量。