紫花苜蓿与3种多年生禾本科牧草轮作的土壤养分生长季动态比较

周彤，师尚礼，陈建纲，吴芳，来幸樑，阿芸

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

随着我国畜牧业的快速发展，家畜对优质牧草需求的不断增加，优质牧草的种植面积在逐年扩大。但在种植业规模化生产扩大和牧草产量不断增加的同时，长期种植同科或同种牧草造成土壤养分降低，土壤质量下降等连作障碍[1-3]日益突出，严重制约了草地生态的可持续发展。为了有效解决连作对土壤养分的消极影响，必须要改变种植模式，引入轮作种植体系。

目前，已有大量研究证明，合理轮作可以改善土壤理化性质[4-6]。甘肃庆阳地区轮作试验表明，3龄苜蓿(Medicagosativa)与2年小麦(Triticumaestivum)轮作，相比于小麦连作，0～40 cm 土层土壤有机质与氮含量分别提高了17.48%和22.53%[7]。陈丹梅等[8]发现，烤烟与不同作物轮作后提高了土壤总有机碳、微生物碳和微生物氮含量。目前关于轮作模式对土壤养分的影响，以及不同轮作模式间的探索，已有学者做了一定的研究，很多学者将豆科牧草(尤其是紫花苜蓿)与一年生禾本科作物搭配起来进行轮作，不同种类的禾本科作物轮作也有报道，常见的有苜蓿与玉米(Zeamays)、小麦、马铃薯(Solanumtuberosum)等作物轮作[9-11]；春小麦—马铃薯—谷子(Setariaitalica)轮作[12]，玉米—大豆(Glycinemax)轮作[13]。王仪明等[11]将苜蓿与玉米轮作，发现其土壤有机质和速效养分含量高于燕麦(Avenasativa)、黑麦草(Loliumperenne)等作物与玉米轮作。王俊等[10]研究表明，苜蓿与马铃薯、小麦和玉米轮作，土壤全氮和有机质含量相比于苜蓿连作均出现了不同程度的下降。

紫花苜蓿是一种优质的多年生豆科牧草，具有耐寒、耐贫瘠、耐盐碱等特点，在我国北方有良好的适宜性[14-15]。草地早熟禾(Poapratensis)、无芒雀麦(Bromusinermis)及苇状羊茅(Festucaarundinacea)是多年生禾本科优质牧草[16-19]，根茎发达、分蘖能力极强，抗逆性强、分布地区广，是良好的家畜饲料及冬春青贮料和优质干草的主要来源。紫花苜蓿生长期间能够为土壤提供大量有机质和氮素，改善土壤水平，减少碳、氮、磷流失[20-21]。因此紫花苜蓿是一种良好的前茬作物，非常适宜引入轮作体系。目前关于紫花苜蓿与多年生禾本科牧草在半干旱地区轮作对其土壤养分的研究鲜有报道，因此本试验通过设置紫花苜蓿与草地早熟禾、无芒雀麦、苇状羊茅轮作，探究不同牧草轮作模式对土壤养分的影响，不仅可以填补在半干旱区多年生豆科与禾本科牧草轮作的研究，还可为豆—禾牧草轮作搭配提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省兰州市安宁区甘肃农业大学牧草实训基地，实训基地地处黄土高原西端，年均气温9.1℃，属温带半干旱大陆性气候。基地海拔1 595 m，年均降水量451.6 mm，年均蒸发量1 664 mm，基地日常浇水采用田间滴管。平均日照时长≥10 h/d。地势平坦，肥力均匀，土壤类型为黄绵土，黄土层较薄。试验地基本理化指标见表1。

表1 试验地前茬基本理化指标

1.2 试验材料

供试材料为“甘农9号”紫花苜蓿(Medicagosativacv.Gannong No.9)，“海波”草地早熟禾(Poapratensiscv.Haibo)，“原野”无芒雀麦(Bromusinermiscv.Yuanye)，“凌志”苇状羊茅(Festucaarundinaceacv.Linzhi)。其中紫花苜蓿和草地早熟禾种子由甘肃农业大学草业生态系统教育部重点实验室提供，无芒雀麦和苇状羊茅种子购自甘肃省农业科学院种子市场。

1.3 试验设计

于2016年3月将种植5a的紫花苜蓿(A)草地翻耕(并取翻耕前的土样测定其土壤理化性质)，于2016年4月播种草地早熟禾(K)、无芒雀麦(S)、苇状羊茅(T)和紫花苜蓿，形成紫花苜蓿-草地早熟禾(AK)、紫花苜蓿-无芒雀麦(AS)、紫花苜蓿-苇状羊茅(AT)、紫花苜蓿—紫花苜蓿(AA)，以AK、AS、AT 3种轮作为处理，AA连作为对照。

试验采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积为5 m×2 m，小区间距40 cm，区组间距均为20 cm。播种量为：草地早熟禾15 kg/hm2、无芒雀麦30 kg/hm2、苇状羊茅38 kg/hm2、紫花苜蓿15 kg/hm2。条播，行距均为25 cm。播种前进行土地镇压平整，试验期间各小区统一管理。适时对试验地进行锄杂草、病虫害防治及灌溉等田间管理。试验过程中未施用化肥。苜蓿的首次刈割在初花期进行，3种禾本科牧草的首次刈割在抽穗期进行。

1.4 取样方法

分别于轮作第2年牧草第1茬刈割后(6月13日)、牧草生长季中(8月15日)以及牧草生长季末(10月7日)进行随机土壤取样，采集0～20与20～40 cm土样，采用多点混合取样法。12个小区，每个小区设3个取样点，剔除其中的植物残体和石块后，自然风干过1 mm筛，用于测定土壤养分。

1.5 指标测定及方法

土壤指标的测定[22]：

有机质采用重铬酸钾外加热法，全氮采用凯氏定氮法，碱解氮采用碱解扩散法，全磷和有效磷采用钼蓝比色法。

1.6 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理和图表绘制，并采用SPSS 20.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 轮作处理对生长季土壤有机质含量的影响

3个轮作处理的土壤有机质含量均低于对照AA。0～20 cm土层，AK、AS、AT轮作的有机质含量与AA相比，在第1茬牧草刈割后分别显著降低7.12%、9.99%、5.66%(P<0.05)，在生长季中分别显著降低8.62%、9.28%、7.15%，在生长季末分别显著降低7.52%、7.81%、6.49%。但不同生长季内3个轮作处理间土壤有机质含量差异不显著(图1)。

图1 不同轮作模式下土壤有机质含量

20～40 cm土层，AK、AS、AT轮作的土壤有机质含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别降低4.77%、11.41%、15.57%，在生长季中分别降低6.18%、11.53%、12.38%，在生长季末分别显著降低7.68%、13.92%、13.56%(P<0.05)。且全生长季均为AS和AT轮作的土壤有机质含量与AA差异显著(P<0.05)。

2.2 不同轮作模式对土壤全氮含量的影响

3个轮作处理的土壤全氮含量均低于对照AA。0～20 cm土层，AK、AS、AT轮作的全氮含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别显著降低12.83%、10.93%、13.30%(P<0.05)，牧草生长季中分别显著降低7.84%、7.30%、6.76%(P<0.05)，牧草生长季末分别显著降低7.16%、10.88%、11.41%(P<0.05)。但不同生长季内3种轮作模式的全氮含量并无显著差异(图2)。

图2 不同轮作模式下土壤全氮含量

20～40 cm土层，AK、AS、AT轮作的全氮含量分别与AA连作相比，第1茬牧草刈割后显著降低5.56%、10.99%、7.44%(P<0.05)，AK轮作的全氮比AS 轮作显著提高6.09%(P<0.05)。牧草生长季中分别降低3.39%、0.14%、3.76%(P>0.05)，牧草生长季末分别比AA连作降低4.12%、6.98%、5.67%，AS轮作与AA连作差异显著(P<0.05)。

2.3 不同轮作模式对土壤碱解氮含量的影响

全生长季观察期3个轮作处理的土壤碱解氮含量均低于对照AA。在0～20 cm土层，AK、AS、AT轮作的碱解氮含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别显著降低10.30%、7.97%、11.72%(P<0.05)，牧草生长季中分别显著降低15.70%、15.24%、18.13%(P<0.05)。牧草生长季末分别显著降低12.29%、18.51%、12.30%(P<0.05)。但不同生长季内3种轮作模式的碱解氮含量并无显著差异(图3)。

图3 不同轮作模式下土壤碱解氮含量

20～40 cm土层，AK、AS、AT轮作的碱解氮含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别降低10.45%、4.65%、16.49%,且AK和AT轮作与AA连作差异显著(P<0.05)，AS轮作的碱解氮含量相比AT轮作显著提高14.19%(P<0.05)。牧草生长季中分别显著降低20.27%、24.09%、17.87%(P<0.05)，牧草生长季末分别显著降低13.23%、5.17%、18.45%(P<0.05)，AK和AT轮作相比AA连作差异显著(P<0.05)，AS轮作的碱解氮含量相比AT轮作显著提高16.29%(P<0.05)。

2.4 不同轮作模式对土壤全磷含量的影响

3个轮作处理的土壤全磷含量均低于对照AA。在0～20 cm土层，AK、AS、AT轮作的全氮含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别降低3.05%、6.55%、4.95%(P>0.05)，牧草生长季中分别降低5.43%、0.99%、5.23%(P>0.05)，牧草生长季末分别降低7.00%、5.98%、6.42%(图4)。

图4 不同轮作模式下土壤全磷含量

20～40 cm土层，AK、AS、AT轮作的全氮含量与AA连作相比，第1茬牧草生长刈割后AK轮作的全磷含量比AA连作提高4.24%，AS和AT轮作的全磷含量分别比AA连作降低7.28%和10.26%。牧草生长季中3种轮作的全磷含量分别比AA连作降低5.39%、9.72%、8.19%。牧草生长季末AK和AT轮作的全磷含量分别比AA连作降低7.19%和0.58，AS轮作相比AA连作全磷含量增加9.66%(P>0.05)，AS轮作相比AK轮作，全磷含量显著提高18.15%(P<0.05)。

2.5 不同轮作模式对土壤有效磷含量的影响

3个轮作处理的土壤速效磷含量均高于对照AA。在0～20 cm土层，AK、AS、AT轮作的全磷含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别显著提高13.25%、9.50%、7.39%(P<0.05)。牧草生长季中分别提高13.16%、12.14%、9.45%(P>0.05)。牧草生长季末分别提高10.83%、11.50%、8.92%，且AK和AS轮作与AA连作差异显著(P>0.05)(图5)。

图5 不同轮作模式下土壤有效磷含量

在20～40 cm土层，AK、AS、AT轮作的全磷含量与AA连作相比，第1茬牧草刈割后分别提高19.87%、14.48%、5.54%，且AK和AS轮作和AA模式差异显著(P<0.05)。牧草生长季中分别提高16.72%、12.45%、5.84%，且AK和AS轮作和AA模式差异显著(P<0.05)。牧草生长季末分别显著提高12.55%、18.45%、20.85%(P<0.05)。

3 讨论

有研究认为，耕作过程增加了对土壤的干扰，会导致土壤退化进程加速，加快了对土壤养分的利用[23]。但同时也有大量研究表明，在轮作系统中引入豆科作物可以有效地改良土壤，提高土壤肥力[24-26]。并且苜蓿茬口的养分效应可以维持3～5 a，本试验选取了5 a的紫花苜蓿草地为前茬，土地的肥力条件尚可。在此基础上连作苜蓿，土壤的有机质、全氮、碱解氮、全磷等养分要高于其他种植禾本科牧草的模式，这印证了杨恒山等[9]的试验结果，苜蓿与禾本科作物轮作，加快了禾本科作物对土壤养分的消耗，导致土壤养分含量下降。

苜蓿与非豆科作物轮作时，会对土壤有机质有一定的影响。在本试验中，苜蓿与3种禾本科牧草轮作后，土壤有机质含量均小于苜蓿连作，且20～40 cm土层有机质变化程度相较0～20 cm土层更加剧烈。造成这种现象的原因可能是因为土壤养分具有表聚性，表层积累了一定量的枯枝落叶，植物残体进入土壤后致使土壤养分在表层富集[27]，土壤有机质含量变化较小。且禾本科牧草的根系主要集中在20～40 cm土层，对有机质含量的影响更大。不同禾本科牧草对20～40 cm土层土壤有机质的利用程度不尽相同，3种轮作模式中紫花苜蓿—苇状羊茅轮作的全生长季有机质平均含量相比苜蓿连作下降最为明显，达到13.87%。

苜蓿根系发达，附着的根瘤固氮能力强，可以达到培肥地力、维持氮素水平的作用[28-29]。在本试验中，苜蓿与3种禾本科牧草轮作后，土壤全氮和碱解氮呈下降趋势。赵思腾等[13]通过将玉米和苜蓿轮作，其土壤全氮含量高于玉米和马铃薯与小麦分别轮作，张成君等[30]发现玉米—豌豆轮作，豌豆—高粱轮作，其碱解氮含量低于苜蓿连作，与本试验结果相一致。不同轮作的土壤全氮含量相比连作下降的幅度在0～20 cm土层要高于20～40 cm，但不同模式间变化幅度较小。对于不同轮作模式的碱解氮含量变化，20～40 cm土层的变化幅度相比0～20 cm更剧烈。其中紫花苜蓿—苇状羊茅轮作的下降幅度较其他模式更大。造成不同土层间养分含量变化不同的原因可能是全氮养分不能被植物所吸收而在土壤表层富集，禾本科牧草因为对碱解氮的利用致使20～40 cm土层其含量变化更为明显。

苜蓿生长过程中对土壤磷素的需求量比较大，而且正常刈割使牧草从农田生态系统被不断带出，导致土壤中速效磷的减少。本试验中苜蓿与3种禾本科牧草轮作，土壤速效磷含量均高于苜蓿连作，第一茬牧草刈割后AK轮作的速效磷含量比AA连作提高了19.87%，牧草生长季末AT轮作比AA提高了20.85%。这与刘沛松[23]等苜蓿连作的有效磷水平远低于苜蓿与谷子、马铃薯、小麦等作物连作的结果相一致。本试验中苜蓿与禾本科牧草连作后，土壤中全磷含量无显著变化，说明苜蓿与禾本科轮作对土壤全磷影响不大。这一结果与王俊等[10]苜蓿与玉米、马铃薯等作物轮作，全磷水平基本上没有显著变化的结果相一致。

4 结论

在半干旱地区紫花苜蓿与不同多年生禾本科牧草轮作后，对土壤养分产生了不同的影响，不同牧草轮作模式可以有效提高土壤有机质、全氮、碱解氮的利用率，并且将土壤有效磷含量保持在一个较高的水平。紫花苜蓿—苇状羊茅轮作对土壤有机质、全氮、碱解氮的利用率较高，紫花苜蓿—草地早熟禾轮作对土壤速效磷的保持性较好。本试验研究了紫花苜蓿与3种多年生牧草轮作对不同生长季土壤养分的影响，对今后不同科牧草轮作具有指导和借鉴意义。