煤矿塌陷区紫花苜蓿与无芒雀麦混播比例对其品质和土壤特性的影响

姬亚红，张永志，张艳秋，郝鲜俊，高文俊

（1.山西农业大学动物科技学院，山西太谷030801；2.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

煤炭是山西省优势矿产资源，一直居于全国首位[1]，但其开采引发了一系列的生态环境问题，包括生物多样性减少[2]、土壤理化性质改变[3]。山西省因煤矿的开采造成地质灾害达到2 940 km2以上，受煤矿开采影响的土地面积在1 985 km2以上，煤矿塌陷区以每年94 km2的速度增加[4]。据测算，1987—2020年全国煤炭产业损坏土地180.008万hm2，待复垦土地面积为104.506万hm2，矿区复垦潜力巨大[5]。工程复垦和生物复垦是国内外较常用的复垦方法[6]。目前在欧美发达国家常采用工程复垦，而工程复垦耗资巨大，表层土被破坏，底层土被翻到表层，土壤养分贫瘠，植物不易生长。在国内生物复垦技术应用较多[7-8]，生物复垦技术是利用农业技术、林牧种植等方法提高采煤塌陷区土壤的肥力。张博文等[9]种植10种牧草对矿区土壤复垦研究发现，土壤pH值下降，土壤中的有机质、碱解氮、速效磷等有效养分提高。目前研究都是种植单一植物进行土壤复垦，且在矿区复垦的过程中很少利用牧草混播。

孝义市是山西省煤矿塌陷区较严重的地区，利用混播牧草进行煤矿塌陷区复垦，一是解决了种植牧草占用农田的问题，另一方面对煤矿区土壤进行修复，更好的利用了光、热、水等空间资源[10]。在煤矿区进行牧草混播，禾本科植物须根系多，可防止水土流失，对环境适应性较强，可在荒地和沙地等一些贫瘠的土壤中种植。豆科植物是直根系植物，根系入土较深而且固氮能力强[11]，根系分泌的酸性物质会使土壤中的pH值降低，营养物质释放出来，从而促进植物—土壤营养物质的循环[12-13]。牧草混播会提高土壤中速效氮含量，增加土壤中的酶活性[14]。大量研究发现，牧草混播增加了牧草的高度，提高了牧草的营养价值和产量[15]；禾本科与豆科牧草混播可促进豆科牧草分蘖枝数增加，牧草产量也随之增加。

本试验于2017年在山西孝义市煤矿塌陷区进行，以无芒雀麦与紫花苜蓿不同的种植行比进行混播，从牧草的品质方面进行评价，为煤矿塌陷区选择牧草混播比例及土壤改良提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省孝义市偏城村水峪煤矿采煤塌陷区（东经111°37′31.7″～111°37′36.2″，北纬37°6′），海拔为990 m，属温带大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季炎热，雨量集中在7—9月，年平均气温为10.1℃，积温在2 500～3 500℃，全年无霜期165 d，年平均降雨量小于440 mm。土壤类型为黄棕壤黏质土。该煤矿塌陷深度在1.8～2.6 m，2016年11月利用工程技术对塌陷区进行工程复垦平整土地，供试土壤有机质含量5.45 g/kg，有效磷含量4.34 mg/kg，有效钾含量85.88 mg/kg，铵态氮含量6.94 mg/kg，硝态氮含量7.86 mg/kg，土壤碱解氮含量13.89 mg/kg，pH值8.43。

1.2 试验材料

供试紫花苜蓿WY183品种由北京正道生态科技有限公司提供，无芒雀麦采集于山西农业大学草业试验田。

1.3 试验设计

2种牧草混播种植行比例共设置7个处理，即紫花苜蓿（A）和无芒雀麦（B）的混播比例分别为2∶8（A2∶B8）、3∶7（A3∶B7）、4∶6（A4∶B6）、5∶5（A5∶B5）、6∶4（A6∶B4）、7∶3（A7∶B3）、8∶2（A8∶B2），小区采取完全随机区组设计，条播于面积为2 m×5 m的小区内，行距为25 cm，紫花苜蓿播种量为15 kg/hm2，无芒雀麦的播种量为30 kg/hm2，每个混播比例重复3次，共计21个小区，于2017年6月5日进行播种。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 牧草营养指标的测定将烘干的草样粉碎后过筛干燥保存，用于营养指标的测定。粗蛋白（CP）采用凯氏定氮法测定；中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）采用滤袋法测定；粗脂肪（EE）采用索氏脂肪提取法测定[16]。

1.4.2 土壤指标的测定土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法测定[17]。

1.5 数据处理

利用Excel 2010对试验数据进行整理，用SPSS 23.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同混播比例对牧草粗蛋白和粗脂肪的影响

表1 不同混播比例对牧草粗蛋白和粗脂肪的影响 %

由表1可知，混播比例为A6∶B4的紫花苜蓿粗蛋白含量达到24.34%，与其他混播比例紫花苜蓿的粗蛋白含量存在极显著差异（P＜0.01）；在混播比例为A5∶B5下紫花苜蓿的粗蛋白含量为19.63%。紫花苜蓿的粗脂肪含量在混播比例A6∶B4下为3.74%，显著高于其他混播比例（P＜0.05）；其次是混播比例A7∶B3，紫花苜蓿粗脂肪含量为2.86%。无芒雀麦在混播比例为A5∶B5时，粗蛋白含量达到14.86%；无芒雀麦粗蛋白含量最低的是混播比例A6∶B4，仅为7.63%。无芒雀麦在A5∶B5的混播比例下粗脂肪含量最高。

2.2 不同混播比例对牧草中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的影响

从表2可以看出，紫花苜蓿的中性洗涤纤维在混播比例为A6∶B4时最低（50.68%），最高的是混播比例A2∶B8（58.58%）。紫花苜蓿的酸性洗涤纤维最高的是混播比例A2∶B8，最低的是混播比例A6∶B4。

无芒雀麦在混播比例A5：B5下的中性洗涤纤维与其他混播比例下的中性洗涤纤维间差异极显著（P＜0.01），中性洗涤纤维为53.95%。无芒雀麦在A7∶B3混播比例中酸性洗涤纤维最高，为41.49%；在混播比例为A5∶B5时酸性洗涤纤维最小，为34.39%。

表2 不同的混播比例对牧草中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的影响 %

2.3 不同混播比例对煤矿塌陷区土壤特性的影响

由图1可知，随着土层的增加土壤速效磷逐渐下降，为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。与原始土壤比，土壤速效磷提高了4.84%～18.27%。在0～10、10～20、20～30 cm土层中各混播比例的速效磷含量间差异显著（P＜0.05）。

由图2可知，土壤碱解氮的含量在0～10 cm中混播比例A6∶B4最高，其次是混播比例A5∶B5；在10～20 cm土层中，土壤碱解氮从混播比例A2∶B8到A6∶B4逐渐增加，混播比例A7∶B3中土壤碱解氮的含量最低。与原始土壤相比，0～10、10～20、20～30 cm土壤碱解氮的含量分别提高了12.36%～18.55%，9.22%～11.09%，5.58%～8.05%。

由图3可知，在0～10 cm土层，各混播比例土壤有机质含量之间差异不显著（P＞0.05），但在混播比例A6∶B4和A5∶B5中有机质含量高于其他混播比例，在A3∶B7混播比例中土壤有机质含量最低；在10～20 cm土层中，混播比例为A6∶B4土壤有机质含量与其他混播比例的土壤有机质含量之间差异极显著（P＜0.01）。在20～30 cm土层中，土壤有机质含量比0～10、10～20 cm低。

3 讨论

3.1 不同混播比例对牧草品质的影响

环境对牧草品质影响较大，特别是在牧草生育时期、牧草生产性能及其他方面存在一定差异。本研究是在产煤塌陷区进行牧草混播，在煤矿区干旱少雨、土壤贫瘠，而紫花苜蓿在种植过程中是需水肥较多的植物，在第一茬收割之前生长良好，在第一茬收割之后，持续没有降雨，牧草的营养价值受到了较大的影响。在苜蓿生长的后期，水分对植物自身营养成分影响较大，营养成分是评价牧草饲用价值的一项重要指标，营养成分包括粗蛋白、粗脂肪、粗纤维等指标。粗蛋白、粗脂肪、粗纤维等营养指标的改变会影响家畜的采食量和适口性[18]。本研究发现，在煤矿塌陷区混播比例为A6∶B4的紫花苜蓿粗蛋白含量高于其他混播比例，紫花苜蓿和无芒雀麦粗蛋白含量没有随着混播比例的增加而增加，这说明混播比例的设置对煤矿塌陷区牧草粗蛋白有一定的影响，另一方面豆科自身固氮作用也为禾本科提供了营养，从而提高了禾本科粗蛋白含量，这与常青等[19]在研究苜蓿与2种禾本科牧草混播的研究结果一致。

脂肪是产热的主要原料，是动物储存能量和评价牧草适口的重要指标之一[20]。在不同的混播比例中，混播比例A5∶B5下无芒雀麦的粗脂肪含量最高。加娜尔古丽·穆沙等[21]在新疆伊犁地区研究不同混播草地建植第3年产量与质量的评价中，得出豆禾混播比例5∶5下粗脂肪总产量较高。紫花苜蓿在A6∶B4混播比例下粗脂肪含量最高，粗脂肪对动物的生长发育、维持生存具有重要作用，在营养缺乏时能分解补充能量，必要时还能补充动物生长过程中的一些必需脂肪酸[22]。

粗纤维由植物中纤维素、半纤维素等物质组成[23]，其含量会影响家畜的采食量和消化率。研究表明，牧草中性洗涤纤维含量越高，对家畜采食率影响越大，因为中性洗涤纤维含量会决定牧草的适口性[24]；而酸性洗涤纤维含量的高低影响家畜的消化率，含量越高，家畜采食后消化率降低[25-26]。本试验对7种混播比例进行比较，发现无芒雀麦在混播比例为A5∶B5时，其中性洗涤纤维含量最小；紫花苜蓿在混播比例为A6∶B4中中性洗涤纤维含量较低，酸性洗涤纤维含量随着混播比例的增加而有减小的趋势[27]。

3.2 不同混播比例对煤矿塌陷区土壤特性的影响

在煤矿塌陷区土壤养分含量较低，土壤养分含量的高低是影响土壤肥力的指标之一。在各混播比例中，土壤在0～10 cm土层速效磷含量高于10～20、20～30 cm土层。综合考虑试验地的情况，降雨量的多少在一定程度上也阻碍了土壤中磷元素的移动性[28]。

包兴国等[29]研究发现，牧草混播增加了土壤的碱解氮、有机质、速效磷等养分含量。豆科牧草和禾本科牧草混播，禾本科牧草需氮肥量较多，当土壤肥力达不到植物所需时，就需要从外界获取，这也就促进了豆科牧草的固氮能力[30]。本研究表明，与种植前土壤初始养分含量相比，苜蓿与无芒雀麦混播提高了土壤碱解氮的含量，在0～10 cm土层中混播比例为A6∶B4的碱解氮含量最高，较初始养分含量提高了7.34%～18.64%。

土壤有机质影响土壤结构、土壤持水量和温度等一系列物理性状，是土壤中营养物质的来源[31]。邰继承等[32]研究发现，牧草混播提高了土壤有机碳的含量和稳定性。混播促进草地单位体积地下根系增多，从而增加了土壤腐殖质的量[33]。不同的混播比例对土壤有机质影响较大，本研究发现，在不同的混播比例中土壤有机质在表层土中较高，在混播比例为A6∶B4下土壤有机质含量高于其他混播比例。

4 结论

无芒雀麦的粗蛋白、粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量在混播比例为A5∶B5中最优。而紫花苜蓿各指标在A6∶B4混播比例中最佳。混播牧草增加了土壤中的速效养分，在0～10 cm土层中土壤中速效磷、碱解氮和有机质含量高于10～20、20～30 cm土层；在混播比例为A6∶B4中土壤各养分均显著高于其他混播比例。