甘南高寒牧区秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤养分的影响

金星娜，裴亚斌，田新会，杜文华

(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)

近年来甘南高寒牧区草地面积逐年减少，牧民为了减少经济效益的损失,在资源有限的情况下采取了过度放牧等方式[1]，造成草地土壤养分不均衡、土壤肥力严重下降[2]。耕种模式、种植作物和肥料利用等人为活动均可影响土壤养分的分布、含量和有效性[3]，合理的耕作模式可以调节土壤养分的循环与平衡，提高土壤肥力[4]。由于甘南高寒牧区地处青藏高原东北缘，冬春季气候寒冷，适应种植的饲草种类较少。小黑麦(×Triticosecale)是一年生禾本科饲草作物，由于抗寒性强，甘南高寒牧区秋季播种后不仅能够安全越冬，而且可以很好地利用冬春光热资源发挥出高产和稳产的优势[5]。复种是指同一块土地上在一年内连续种植超过一熟(茬)作物的种植制度[6]，包括平作式复种和套作式复种[7]。复种能提高土地产出效益，同时能够充分利用冬春光热资源，增加植被覆盖率，提高土地、热能的利用率[8]。复种较单播可有效提高水分利用率、土地生产力及效益[9]。复种作物中引入具有固氮特性的豆科饲草，可以有效减少氮肥的使用量[10]。裴亚斌等[11]研究表明甘南高寒牧区秋播小黑麦套作式复种箭筈豌豆和50%春播小黑麦×50%箭筈豌豆混播的干草产量和纯收益均显著高于3种作物单播模式，且土壤的全氮含量显著提高；孙爱华等[12]研究结果显示，在高寒阴湿地区燕麦与箭筈豌豆1∶1混播复种较燕麦单播增产明显(40.78%)；王富强等[13]在拉萨河谷区研究了箭筈豌豆和黑麦混、间播的建植方式，结果表明混播更有利于增产，并可以改善混播牧草的饲用品质。本试验通过研究秋播小黑麦套作式复种不同作物后对土壤养分含量的影响，以筛选有利于改良土壤的复种模式，为甘南高寒牧区土壤改良和饲草复种提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在合作市兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站进行。地理位置N 34°57′136″，E 102°53′54″，海拔2 950 m，属高寒阴湿气候类型，年平均温度3.2℃，年最高温度30.4℃，年最低温度-27.9℃，年有效积温1231.1℃，无霜期113 d，年降水量671.7 mm。土壤类型为亚高山草甸土，试验地无灌溉条件(表1)。

表1 土壤基础理化性质

1.2 试验材料

供试材料为甘农7号小黑麦(Triticosecalecv.Gannong No.7)，简称小黑麦，澳洲燕麦(Avenasativacv.Longyan No.3)，简称燕麦，甘农3号黑麦(Secalecerealcv.Gannong No.3)，简称黑麦。均由甘肃农业大学草业学院提供。

1.3 试验设计

采用单因素随机区组设计。前茬作物为秋播小黑麦，复种作物设7个处理，分别为复种混播处理：50%小黑麦×50%箭筈豌豆混播(T1)，40%黑麦×60%箭筈豌豆混播(T2)，50%燕麦×50%箭筈豌豆混播(T3)，复种单播处理：小黑麦单播(T4)，黑麦单播(T5)，燕麦单播(T6)，箭筈豌豆单播(T7)。各复种处理具体播种量见表2。小区面积为13.5 m2(=2.7 m×5 m)，3次重复，共计21个小区。2018年9月22日种植前茬作物，条播，行距为15 cm，每种植3行小黑麦预留60 cm空行用于次年种植2行复种作物。2019年6月4日种植复种作物，条播，行距为20 cm。播种前整理试验地，施羊粪30 t/hm2。秋播小黑麦第2年返青后，于下雨前在每个小区撒施磷酸二胺300 kg/hm2，人工防除杂草。拔节期和抽穗期分别施尿素225 kg/hm2。复种作物在出苗期和拔节期分别施尿素90 kg/hm2。2019年7月14日刈割前茬作物，2019年9月22日刈割后茬作物。

1.4 测定指标及方法

土壤样品采集：2018年9月22日秋播小黑麦，于播种前进行大田基础土样的采集(A1)，2019年6月4日，复种作物种植前在预留空行间采集基础土样(S1)。2019年9月22日，复种作物刈割(开花期)后在每个小区采集土样，采集过程中，剔除土样中杂物(包括明显的根系)，装入自封袋带回实验室，放置阴凉处自然风干，研磨，过筛，用于土壤各指标的测定[14]。禾本科牧草为须根系，箭筈豌豆根系较浅，根系用土钻采集0～20 cm的土层，土壤的取样采用五点取样法[16]，将采样点的土样混合，按照四分法取部分土样。用于土壤养分的测定。

表2 作物播种量

土壤养分：参照《土壤农化分析》[15]，进行土壤养分含量测定。其中，土壤pH采用电位法(水∶土=2.5∶1)；土壤有机质采用重铬酸钾容量法―外加热法测定；土壤全氮含量用凯氏定氮法测定；土壤全磷含量用硫酸―高氯酸消煮，钼锑抗显色法测定；土壤全钾用硫酸―高氯酸消煮，火焰光度计测定；速效磷含量用碳酸氢钠浸提―钼蓝比色法测定；速效钾含量用乙酸胺浸提―火焰光度法测定。

1.5 综合评价

土壤肥力综合评价根据以下步骤进行计算[16]。

运用公式(1)将7个土壤养分指标数据进行标准化计算。

(1)

式中，μ(Xij)为各复种处理土壤养分指标的隶属度值；Xij为i个处理下第j项土壤养分指标的测定值值；Ximin为所有复种处理下第j项土壤养分指标的最小值；Ximax为所有复种处理下第j项土壤养分指标的最大值。

土壤肥力综合评价时，由于各个土壤养分指标对土壤肥力的贡献程度不同，需要对各养分指标分配权重，利用公式(2)(3)计算各养分指标的权重。

(2)

(3)

式中，Vj代表标准差系数；Wj代表土壤养分指标权重。

求出权重后，利用公式(4)求出土壤综合质量指数(H)，H值越大表示土壤质量越好。

(4)

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对基础数据进行整理并作图，在SPSS 20.0中用随机区组试验设计的方法对各处理土壤养分进行方差分析，F检验显著时用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤pH和有机质含量的影响

A1土壤pH值最高(7.61)，S1次之(7.60)，各复种处理土壤pH值均低于A1和S1。其中，T3处理土壤pH值最低(7.39)，显著低于T2(7.56)和T5处理(7.56)(P<0.05)；其余处理间土壤pH值无显著差异(P>0.05)(图1)。

图1 秋播小黑麦与复种作物耦合的土壤pH值和有机质含量Fig.1 Soil pH and organic matter content in the autumn-sown triticale double cropped with different crops

各复种处理有机质含量均高于A1(32.04 g/kg)和S1(37.13 g/kg)，T3处理最高(75.67 g/kg)，T1次之(65.37 g/kg)，T3处理有机质含量显著高于除T1外的其他处理(P<0.05)；T1处理有机质含量显著高于T5处理(P<0.05)，与其余处理无显著差异(P>0.05)；其余处理间无显著差异(P>0.05)。测定数据表明，T3处理的土壤有机质含量分别比T1、T2处理高15.76%、27.05%。各混播处理的土壤有机质含量均显著或不显著高于各自的单播处理，其中T1较T4提高了30.56%，T2较T5提高了22.43%，T3处理较T6提高了31.03%。

2.2 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤全量养分含量的影响

T1、T2、T3、T7处理全氮含量比A1增加了8.63%～27.92%，比S1增加了9.18%～28.57%，而T4、T5、T6处理略微降低。T7处理最高(2.52 g/kg)，显著高于其他各处理(P<0.05)。混播处理T1、T2、T3间的全氮含量无显著差异，单播处理T4、T5、T6间无显著差异(P>0.05)。各混播处理的全氮含量显著高于各自的禾本科单播处理(P<0.05)(图2)。T1较T4增加了11.46%，T2较T5增加了13.09%，T3较T6增加了12.82%。

各复种处理的全磷含量与A1和S1相比均有增加，其中T3处理最高(1.23 g/kg)，显著高于除T1、T2外的其他处理(P<0.05)，T1处理显著高于T4、T5处理(P<0.05)，其余处理间无显著差异。混播处理T3全磷含量分别比T1、T2高3.36%、13.89%。各混播处理的全磷含量均显著高于各自的禾本科单播处理，其中T1较T4增加了19%，T2较T5增加了10.20%，T3较T6增加了20.59%，各复种处理全钾含量与A1和S1相比均有所降低，各处理间无显著差异(P>0.05)。T7处理的全钾含量最高(8.77 g/kg)，T4次之(8.76 g/kg)，T5最低(8.31 g/kg)(图2)。

图2 秋播小黑麦与复种作物耦合的土壤全量养分含量Fig.2 Soil total nutrient content for the autumn-sown triticale double cropped with different crops

2.3 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤速效养分含量的影响

各处理的速效磷含量均比A1和S1高，但各处理间无显著差异(P>0.05)。T7处理速效磷含量最高(23.06 mg/kg)，T3次之(18.21 mg/kg)，T4最低(13.45 mg/kg)。各混播处理速效磷含量高于相应单播处理，T1较T4提高了26.99%，T2较T5提高了12.36%，T3较T6提高了20.12%。

各处理速效钾含量均较A1和S1低，但各处理间速效钾含量无显著差异(P>0.05)。T3处理速效钾含量最高(127.73 mg/kg)，T2次之(126.85 mg/kg)，T4最低(122.22 mg/kg)(表3)。

表3 秋播小黑麦与复种作物耦合的土壤速效养分含量

2.4 土壤肥力综合评价

土壤质量是各养分指标共同作用的结果[17]，综合评价值不仅可以用数字直观表达复杂多变的土壤肥力，而且还能够较好地反映研究区土壤养分水平的基本状况[16]。本研究中将7项土壤养分指标通过公式(1)-(4)计算出土壤肥力综合评价值(表3)。

(表3)。根据前人的等间距法[18-19]将各复种处理土壤肥力划分为高等级(0.739、0.645)、中等级(0.482、0.471)和极低等级(0.150、0.148、0.074 )3个水平。其中，T3的土壤土壤肥力水平最高(0.739)，T1次之(0.645)，T5最低(0.074)(表4)。

表4 土壤肥力综合评价

3 讨论

3.1 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤pH值和有机质的影响及原因

土壤中的养分含量反映了土壤对植物所需营养的供给能力[20]，有研究表明，套作式复种在提高水肥资源的利用率的同时，还可以改良土壤微环境[21]。土壤pH值会影响土壤养分的转运、存在形式和有效性[22]。本研究表明，0～20 cm土层，各复种处理与秋播前、春播前相比，土壤pH值均有所降低，这是因为植物根系伸长过程会释放有机酸和质子，可在一定程度上中和土壤pH[23]；复种燕麦处理土壤pH值显著降低，可能是由于该处理中枝条数较多，根系部分分泌的有机酸和呼吸作用释放的CO2增加的结果[24]。

土壤有机质可以体现土壤供肥能力，在疏松土壤结构和改良土壤理化性质方面具有重要作用[25]。孙丹平[26]研究发现，复种和轮作种植模式对提高土壤有机质含量具有显著作用。本研究发现，各复种处理与秋播前、春播前相比，土壤有机质含量显著提高，这是因为牧草根系在吸收土壤养分的同时，也会向土壤中释放大量有机物质[24]，植物残体作为养分回归土壤、根际土壤根系增多，都作为土壤中有机物的输入途径，使土壤有机质积累随之增多[27]。复种燕麦与箭筈豌豆处理土壤有机质含量最高，而且各复种混播处理高于各复种单播处理，可能是禾本科牧草中纤维素含量高、碳氮比值较大[28]，而且混播处理中牧草根系较多[11]，豆科牧草的根系死亡之后直接增加土壤中腐殖质含量[29]，所以复种混播处理中有机质积累量均高于相应单播处理。包兴国等[30]研究也表明禾-豆混播可种间相互促进，是土壤有机质积累的有效措施。

3.2 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤氮素的影响及原因

本试验中，复种箭筈豌豆时的土壤全氮含量最高，这是由于豆科牧草与根瘤菌共生固氮，可将土壤中游离态的氮固定为化合态氮，从而提高土壤全氮含量[31]；禾-豆混播草地可利用箭筈豌豆根际固定的氮素，减少对土壤中氮素的消耗[32]，因此本试验禾-豆混播处理的全氮含量高于秋播前和春播前。禾本科单播处理与秋播前和春播前相比，土壤全氮含量略有降低，这是由于禾本科牧草地上茎叶在生长期内需要从土壤中吸收大量氮素合成自身有机物所致[33]。

3.3 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤磷素的影响及原因

本研究中，各复种处理土壤速效磷含量均比秋播、春播前高，且各复种混播处理高于各相应单播处理，表明混播能够提高土壤磷含量，这与危庆等[34]研究结果一致。其中，箭筈豌豆处理的速效磷含量最高，燕麦与箭筈豌豆混播处理的土壤全磷含量最高、速效磷含量次之，这是因为豆科植物根系在磷素欠缺的情况下分泌能够有机酸和质子，提高土壤中磷酸化合物的溶解度[35]，而且禾-豆混播种间相互抑制和促进增强了豆科牧草共生固氮及有机酸分泌能力，在根际土壤营造磷素空间优势，使得土壤磷含量显著增加，这与来幸樑等[36]研究结论相似。

3.4 秋播小黑麦与复种作物耦合对土壤钾素的影响及原因

各复种处理与秋播前、春播前相比，土壤全钾、速效钾含量均降低。其中，T7处理的全钾含量与T3处理的速效钾含量最高，说明这两种处理对土壤中钾素的消耗较少。

4 结论

7个复种处理，秋播小黑麦复种50%小黑麦×50%箭筈豌豆混播、50%燕麦×50%箭筈豌豆混处理的耦合效应较好，有利于降低土壤pH、提高有机质和氮素含量，可为甘南高寒牧区饲草复种模式进一步研究提供理论基础。