壟覆膜集雨種植對二年齡苜蓿草地土壤養分的影響

寇江濤，師尚禮＊，周萬海，尹國麗，李建偉

（1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州730070；2.草業生態系統教育部重點實驗室 甘肅省草業工程實驗室中－美草地畜牧業可持續研究中心，甘肅 蘭州730070）

我國西北黃土高原處于半干旱區，是我國北方農牧交錯帶的北界和雨養農業的下限區，也是生態環境變化的敏感區，該地區地下水位深，農業生產主要依靠天然降水，幾乎沒有其他水源［1］，該地區年降水分布不均勻，總量少且集中在7－9月份，降水形式多以小于5mm的無效和微效降水或大暴雨為主，徑流損失與蒸發損失并存［2］，這不僅不利于作物對水分的有效吸收，而且會造成大面積的水土流失［3，4］，且該地區地形破碎，土壤侵蝕劇烈，養分流失嚴重，土壤貧瘠化較為普遍［5］。因此，干旱缺水、水土流失及嚴酷的自然條件成為西北黃土高原區生態環境脆弱和農業生產力低下的主要原因［6］。

研究表明，實施壟溝集雨種植，能夠使壟上降水流入溝中，產生水分疊加［7］，同時田間溝壟可以減小風速，抑制蒸發，提高入滲深度［8］，從而達到蓄積雨水、增加土壤含水量、改善土壤墑情、延長水分有效期和對天然降水資源實現空間調控，滿足作物對水分的生長需求［9－11］。在我國壟覆膜集雨種植的研究和應用多集中在北方干旱半干旱雨養農業區，這些研究主要針對土壤蓄水供水［12，13］、農田水熱環境［14，15］、水肥效應［16］以及集雨效率［17］等方面，并最終落腳于作物產量，而且大多數壟溝集雨的研究均以一年生農作物為主［12－15，18－20］，對多年生牧草的研究報道較少［9，21，22］，對苜蓿草地土壤養分的研究報道更少［23］。

本研究以我國西北旱地為研究對象，通過壟覆膜集雨種植紫花苜蓿（Medicagosativa）試驗，研究不同覆膜方式和不同溝壟寬比處理對二年齡苜蓿草地土壤養分的影響，以探討該新型種植方式對土壤質量的綜合影響，旨在為我國黃土高原地區發展草田輪作、草地植被和改善生態環境提供科學的理論依據和技術參考，并為提高旱作苜蓿草地產草量、延長草地高產年限提供有效的途徑和方法，對半干旱區旱地牧草種植具有一定的實踐指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本概況與自然條件

試驗于2008年4月－2009年10月在甘肅省永登縣武勝驛鎮霍家灣村（36.73°N，103.25°E）進行，該區海拔2 624m，屬典型的大陸性氣候，處于半干旱區，年降水量230.0～435.8mm，年蒸發量1 230.4～1 879.8mm。年平均日照2 659.3h，年最低氣溫－28.1℃，最高氣溫34.34℃，年平均氣溫5.9℃，年平均相對濕度56%，干燥度3.1，年均無霜期121d。全年多為西北風，夏季陰雨天氣亦有東南風，風力一般2～4級，最大9級，頻率19%，年均風速2.3m／s，定時最大風速20m／s，8級以上大風年均11.3d，最多年份達26d。境內溝壑縱橫，氣候干燥，植被稀少，土壤為鈣礫土，土質疏松。試驗地前茬作物為冬小麥（Triticumaestivum），0～40cm土層有機質32.00g／kg、全氮2.14g／kg、速效氮115.14mg／kg、全磷0.87g／kg、速效磷36.54mg／kg、速效鉀214.12 mg／kg。2009年苜蓿生長期（4月10日－9月20日），試驗區降水量為211.9mm，為干旱年份。

1.2 試驗設計

供試品種為隴東紫花苜蓿（M.sativacv.LongDong），采用壟溝種植方式，壟為集雨區，溝為種植區。設覆膜壟和土壟2種集雨面處理，集雨壟坡度40°，壟高25cm，覆膜壟上覆蓋寬1.2m、厚0.08mm的塑料薄膜，邊緣用土固壓，以防被風損害；土壟為人工原土夯實。試驗設9個處理（4種溝壟寬比×2種壟覆蓋方式＋1對照），其中對照（CK）為平作，4種溝壟寬比（溝寬：壟寬）為60cm∶30cm、60cm∶45cm、60cm∶60cm和60cm∶75 cm。苜蓿出苗前期，種植區全部進行小麥秸稈覆蓋。小區隨機排列，每處理重復3次，壟長6m，每小區有4條壟3條溝，試驗小區編號分別為 MR30、MR45、MR60、MR75、SR30、SR45、SR60、SR75、CK，其中 MR 為膜壟（mu1ching ridge），SR為土壟（soil ridge），CK為平作。小區面積及編號見表1。

表1 試驗設計參數Table 1 The design parameters of experiment

1.3 田間管理

試驗地于2008年4月13日播種，在每小區溝內條播4行紫花苜蓿，行距15cm，播種深度1～2cm，播種量22.5kg／hm2。播種前施基肥，基肥用量：純N［CO（NH2）2，含氮46%］和純P（重過磷酸鈣，含P2O546%）的用量分別為34.5kg／hm2和80.0kg／hm2。田間無灌溉，播種后松土，人工除莠，以免苜蓿幼苗受雜草的危害。

1.4 測定項目

1.4.1 干草產量 第1茬苜蓿于盛花期（2009／7／11）刈割，第2茬苜蓿于初花期（2009／9／20）刈割，每小區隨機選取3個0.6m×1.0m樣方，留茬高度5cm，刈割后放在105℃的烘箱中殺青15min，之后置于60℃下烘至恒重（24h），冷卻后取出稱重，求平均值，折算成每公頃的干草重量。用全部種植面積（即小區面積＝溝面積＋壟面積）計算干草產量。

1.4.2 土壤養分 于苜蓿種植第2年返青前（2009／4／10）、第2茬苜蓿初花期（2009／9／20）刈割后，各小區內按“S”型設置3個采樣點（取樣點均分布在種植溝內），分別用土鉆取0～20，20～40cm土樣，將同一層次3個土樣均勻混合使成為1個混合樣，帶回實驗室風干、去雜、過篩后待測定。

土樣分析在甘肅農業大學草業學院草業生態系統教育部重點實驗室進行，測定方法如下［24］：有機質（SOM）－重鉻酸鉀容量法（外加熱法）、全氮（TN）－半微量凱氏法、全磷（TP）－HClO4－H2SO4法、速效氮（AN）－堿解擴散法、速效磷（AP）－0.5mol／L NaHCO3法、速效鉀（AK）－NH4OAc浸提（火焰光度法）、緩效鉀（SAK）－1mol／L熱HNO3浸提（火焰光度法）。

1.5 數據處理

采用Excel 2003進行數據處理和圖表繪制，并采用SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同集雨處理對土壤有機質的影響

返青前、刈割后，膜壟、土壟處理0～20，20～40cm土層SOM含量均隨著壟寬度的增加而增大，而且膜壟處理0～20，20～40cm土層平均SOM含量顯著高于土壟處理和CK（圖1）。

返青前，膜壟處理之間0～20，20～40cm土層SOM含量差異不顯著，但均顯著高于CK，MR45、MR60、MR75均顯著高于土壟處理；土壟處理之間0～20，20～40cm土層SOM含量差異不顯著，SR60、SR75 0～20cm土層SOM含量顯著高于CK，SR30、SR45與CK差異不顯著，土壟處理20～40cm土層SOM含量均與CK差異不顯著。刈割后，MR45、MR60、MR75 0～20cm土層SOM含量差異不顯著，均顯著高于MR30及土壟處理；膜壟處理之間20～40cm土層SOM含量差異不顯著，MR45、MR60顯著高于土壟處理；膜壟、土壟各處理0～20，20～40cm土層SOM含量均顯著高于CK。

圖1 不同集雨處理0～20，20～40cm土壤有機質含量Fig.1 Soil organic matter（SOM）in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

刈割后與返青前相比，膜壟、土壟處理及CK 0～20，20～40cm土層SOM含量均顯著降低，膜壟處理0～20，20～40cm土層平均SOM含量分別降低7.80%，9.27%，土壟處理0～20，20～40cm土層平均SOM含量分別降低11.19%，10.12%，CK 0～20，20～40cm土層SOM 含量分別降低15.30%，16.71%。

2.2 不同集雨處理對土壤全氮、速效氮的影響

返青前、刈割后，膜壟、土壟處理0～20，20～40cm土層TN含量均隨著壟寬度的增大而增加，而且膜壟處理0～20，20～40cm土層平均TN含量顯著高于土壟處理和CK（圖2）。返青前，膜壟處理之間0～20，20～40cm土層TN含量差異不顯著，均顯著高于CK；土壟處理之間0～20，20～40cm土層TN含量差異不顯著，且均與CK無顯著差異。刈割后，膜壟、土壟處理0～20，20～40cm土層TN含量均顯著高于CK。刈割后與返青前相比，除CK外，膜壟和土壟處理0～20，20～40cm土層TN含量均顯著提高，膜壟處理0～20，20～40cm土層平均TN含量分別提高12.71%，11.26%，土壟處理0～20，20～40cm土層平均TN含量分別提高8.45%，9.80%。表明壟覆膜集雨種植能夠顯著提高土壤全氮含量，而且膜壟處理的增幅明顯大于土壟處理。

圖2 不同集雨處理0～20，20～40cm土層土壤全氮、速效氮含量Fig.2 Total nitrogen（TN）and available nitrogen（AN）contents in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

返青前、刈割后，膜壟處理0～20，20～40cm土層AN含量均顯著高于CK，而且膜壟處理顯著高于土壟處理。返青前，土壟處理0～20cm土層AN含量均顯著高于CK，SR60、SR75處理20～40cm土層AN含量顯著高于CK，SR30、SR45處理與CK差異不顯著；刈割后，土壟處理0～20cm土層AN含量均顯著高于CK，SR6020～40cm土層AN含量顯著高于CK，SR30、SR45、SR75與CK差異不顯著。刈割后與返青前相比，CK 0～20 cm土層AN含量顯著升高，20～40cm土層AN含量顯著降低，膜壟、土壟處理0～20，20～40cm土層AN含量均顯著降低。膜壟處理0～20，20～40cm土層平均AN含量分別降低6.61，4.66mg／kg，土壟處理0～20，20～40cm土層平均 AN含量分別降低6.88，5.00mg／kg。

2.3 不同集雨處理對土壤全磷、速效磷的影響

返青前、刈割后，膜壟、土壟處理和CK 0～20，20～40cm土層TP含量均無顯著差異（圖3）。

返青前，膜壟處理之間0～20，20～40cm土層AP含量差異不顯著，均顯著高于土壟處理和CK；土壟處理之間0～20，20～40cm土層AP含量差異不顯著，且均與CK無顯著差異。刈割后，SR45、SR60、SR75 0～20cm土層AP含量顯著低于CK，膜壟處理及SR30與CK差異不顯著；MR30 20～40cm土層AP含量顯著高于CK，MR45、MR60、MR75及SR60 20～40cm土層 AP含量與CK差異不顯著，SR30、SR45、SR75 20～40cm 土層AP含量顯著低于CK。刈割后與返青前相比，膜壟、土壟處理及CK 0～20，20～40cm土層AP含量均顯著降低，膜壟處理0～20，20～40cm土層平均AP含量分別降低7.57，5.30mg／kg，土壟處理0～20，20～40cm土層平均 AP含量分別降低6.62，4.68mg／kg。

2.4 不同集雨處理對土壤緩效鉀、速效鉀的影響

返青前、刈割后，膜壟處理0～20，20～40cm土層SAK含量隨著壟寬度的增大而增加，且均顯著高于土壟處理和CK（圖4）；返青前土壟處理0～20cm土層SAK含量均顯著高于CK，刈割后SR30、SR75與CK差異不顯著，SR45、SR60顯著低于CK；返青前SR30、SR45 20～40cm土層SAK含量與CK差異不顯著，SR60、SR75顯著高于CK，刈割后SR30、SR45、SR60與CK差異不顯著，SR75顯著低于CK。刈割后與返青前相比，CK 0～20 cm土層SAK含量顯著降低，膜壟和土壟處理0～20，20～40cm土層SAK含量均顯著降低。膜壟處理0～20，20～40cm土層平均SAK含量分別降低64.54，40.05mg／kg，土壟處理0～20，20～40cm土層平均SAK含量分別降低60.08，30.03mg／kg。

圖3 不同集雨處理0～20，20～40cm土層土壤全磷、速效磷含量Fig.3 Total phosphorus（TP）and available phosphorus（AP）contents in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

圖4 不同集雨處理0～20，20～40cm土層土壤緩效鉀、速效鉀含量Fig.4 Slowly available potassium （SAK）and available potassium （AK）contents in 0to 20and 20to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

返青前、刈割后，膜壟處理0～20，20～40cm土層AK含量均隨著壟寬度的增大而增加，且均顯著高于土壟處理和CK；返青前SR45、SR60、SR75 0～20cm土層AK含量顯著高于CK，SR30與CK差異不顯著，SR60、SR75 20～40cm土層AK含量顯著高于CK，SR30、SR45與CK差異不顯著；刈割后土壟處理0～20，20～40cm土層AK含量均與CK差異不顯著。刈割后與返青前相比，CK處理0～20cm土層AK含量顯著降低，膜壟和土壟處理0～20，20～40cm土層AK含量均顯著降低。膜壟處理0～20，20～40cm土層平均AK含量分別降低19.58，12.21mg／kg，土壟處理0～20，20～40cm土層平均 AK含量分別降低18.52，9.32mg／kg。

2.5 不同集雨處理0～40cm土層土壤養分增減量與經濟產量的關系

圖5 不同集雨處理的干草產量Fig.5 Economic yield among different rainfall harvesting treatments

用全部面積計算苜蓿干草產量（圖5），膜壟和土壟處理均顯著高于CK，其中以MR60處理最高，顯著高于 MR75、MR45和 MR30，MR75與 MR45之間差異不顯著，但顯著高于MR30；土壟處理以SR60和SR75較高，二者之間差異不顯著，但顯著高于SR45和SR30，SR45顯著高于SR30；膜壟和土壟處理的平均年干草產量分別較CK提高204.98%和163.63%。表明膜壟處理的經濟產量顯著高于土壟處理，土壟處理經濟產量也明顯高于CK。

對不同集雨處理0～40cm土壤養分增減量與經濟產量作相關性分析（圖6），結果表明：0～40cm土層SOM的減少量與苜蓿的經濟產量呈顯著的負相關，0～40cm土層TN的增加量、AP的減少量、AK的減少量均與苜蓿的經濟產量呈顯著的正相關。

3 討論與結論

3.1 壟覆膜集雨對土壤有機質的影響

作為土壤重要組成部分和代表一個主要碳庫的SOM是土壤肥力的重要標志，是土壤中各種營養元素特別是氮、磷的重要來源，SOM能使土壤具有保肥性、緩沖性，使土壤疏松，從而改善土壤的理化性質［24］。SOM含量是多因素影響下土壤有機碳輸入與輸出之間平衡的結果［25］，SOM的損失主要取決于土壤有機質的氧化及土壤侵蝕的程度，微生物是SOM分解和周轉的主要驅動力，凡是能影響微生物活動及其生理作用的因素都會影響SOM的分解和轉化，因此土壤溫度和水分是影響SOM分解和轉化的主要因素［26］。

壟覆膜集雨能夠將小于5mm的無效、微效降水通過人工產流形式形成坡面徑流，使之有效化，從而對有限降水資源進行再分配［27］，而且田間起壟及壟上覆膜能使2個集雨面上的降水集中到1個面上，溝中的水分產生疊加，同時壟具有抑制蒸發的作用［17］，使得聚集在溝內的水分下滲后明顯改善苜蓿根際水分狀況。起壟覆膜后，地面凹凸不平，粗糙度加大，從而加大地表面積，增強接收太陽光輻射能力，使地面土壤溫度提高，加之地面覆膜的保溫作用，壟下土壤溫度提高，通過土壤導熱性，種植行間土壤溫度明顯提高［28，29］。因此，膜壟和土壟處理的土壤水溫條件得到改善，促進微生物的生物周轉，加速了SOM的礦化，同時，牧草地上部分由于收割而移出土壤系統，凋落物及地下部分進入土壤的量和分布深度則可能成為影響土壤SOM的主要因素，而紫花苜蓿根系入土較深，相應歸還土壤的植物殘體量較大［25，30］，使得第2茬苜蓿刈割后，膜壟、土壟處理0～20，20～40cm土層SOM含量和返青前相比均顯著降低。

膜壟處理壟上覆蓋的地膜和土壟壟面的結皮層使得土壤表面結構發生改變，能夠明顯的減少風蝕和地表徑流給土壤養分帶來的損失，有效的抑制SOM含量的降低，而且膜壟的抑制作用大于土壟，而CK不具有這種抑制作用，因此CK 0～40cm土層SOM的減少量大于膜壟和土壟處理。試驗表明各處理0～40cm土層SOM的減少量與苜蓿的經濟產量呈顯著的負相關，說明壟覆膜集雨種植在促進微生物的生物周轉、加速SOM礦化的同時又能夠有效的抑制SOM含量的降低，使得0～40cm土層SOM的減少量明顯低于土壟和CK。

圖6 不同集雨處理0～40cm土壤養分增減量與經濟產量的關系Fig.6 Relationship between soil nutrient change and economic yield of alfalfa in 0to 40cm soil layers among different rainfall harvesting treatments

3.2 壟覆膜集雨對土壤全氮和速效氮的影響

土壤TN是標志土壤氮素總量和供應給植物有效氮的源和庫，也是AN的直接供給源，綜合反映了土壤的氮素水平［31］。在作物所吸收的氮素中，約45%～50%來自土壤氮素，土壤供氮不足是引起作物產量下降和品質降低的主要限制因子，也是各種生態系統生產力高低的主要限制因子［25］。

苜蓿草地土壤氮素的主要來源是土壤本身所含的氮素及苜蓿生長過程中所固定的氮，表層土壤中80%～97%的氮存在于有機質中［31］。溫度是影響黃土高原紫花苜蓿草地土壤凈氮礦化速率的主效因素，溫度和水分有明顯的交互效應［32］，壟覆膜集雨種植所形成的水熱條件促進了SOM的礦化，而且膜壟和土壟處理能明顯提高苜蓿的出苗率、成苗率及越冬率，次年苜蓿返青后，膜壟和土壟處理的植株密度顯著高于CK［33］，因此膜壟和土壟處理在苜蓿生長中所固定的氮也顯著高于CK，所以第2茬苜蓿刈割后膜壟和土壟處理0～40cm土層TN含量和返青前相比顯著增加，CK 0～40cm土層TN含量較返青前增加但不顯著；相關性分析表明，各處理0～40cm土層TN的增加量與苜蓿的經濟產量呈顯著的正相關，說明壟覆膜集雨種植苜蓿有利于TN含量的增加。苜蓿生長過程中所需要的氮主要來自AN，所以第2茬苜蓿刈割后膜壟和土壟處理0～40cm土層AN含量和返青前相比顯著降低。

3.3 壟覆膜集雨對土壤全磷和速效磷的影響

苜蓿對土壤氮素不敏感而對磷素比較敏感，苜蓿生長中所需的磷素只能從土壤中攝取，在我國許多地方，磷是制約苜蓿生產的主要營養元素［23］。干旱半干旱的黃土區屬石灰性土壤，一般說來該地區的土壤全磷含量比較充足，但全磷中只有小部分能被轉化為有效磷供苜蓿直接吸收利用。人工種草雖然能提高土壤氮素水平，但植物無法增加土壤中磷素水平，磷在土壤中的溶解性差、難以移動，加上植物不斷消耗，已成為該區植物生長主要的限制因子［34］。

賈宇等［23］研究表明，壟溝集雨種植紫花苜蓿，土壤TP在處理之間和采樣期之間均無顯著差異，但在各處理土壤中AP在試驗期間均減少，減少量和苜蓿的干草產量成正比。本試驗表明，苜蓿返青前、刈割后，膜壟、土壟和CK處理0～20，20～40cm土層TP含量均無顯著差異。返青前膜壟處理0～40cm土層AP含量顯著高于CK，土壟處理0～40cm土層AP含量與CK無顯著差異，是由于膜壟處理在越冬期能夠提高土壤溫度，增加微生物活性，有利于處于固持狀態的磷素轉化為AP，說明壟覆膜集雨種植有利于土壤磷的可持續利用。第2茬苜蓿刈割后膜壟、土壟及CK處理0～40cm土層AP含量均較返青前顯著降低，而且膜壟處理的減少量大于土壟處理和CK，相關性分析表明，各處理0～40cm土層AP的減少量與苜蓿的經濟產量呈顯著的正相關，說明苜蓿產量越高對土壤中AP的消耗越多。以上結果均與賈宇等［23］的研究結果一致。

3.4 壟覆膜集雨對土壤緩效鉀和速效鉀的影響

SAK又稱非交換性鉀，常被作為評價土壤供鉀潛力的指標，并以此作為合理施用鉀肥的依據，SAK很難被植物直接吸收利用，但SAK和AK處于平衡之中，當土壤中AK被植物吸收利用后，SAK可以慢慢地釋放補充AK［25］。試驗表明，第2茬苜蓿刈割后CK處理0～20cm土層SAK、AK含量較返青前均顯著降低，20～40cm土層SAK、AK含量較返青前均降低但不顯著，而膜壟和土壟處理0～40cm土層SAK、AK含量較返青前均顯著降低，而且膜壟處理的減少量大于土壟處理和CK，是由于苜蓿生長過程大量吸收AK，當AK含量降低時，增加了SAK釋放AK的量，所以SAK含量顯著降低。苜蓿生長中所需的鉀只能從土壤中攝取，相關性分析表明，各處理0～40cm土壤AK的減少量與苜蓿的經濟產量呈顯著的正相關，說明苜蓿產量越高對土壤中AK的消耗越多。

土壤養分作為“土壤圈”物質循環的重要組成部分，也是草地農業生態系統中維持生物生命周期的必要條件。壟覆膜作為一種集雨措施應用于紫花苜蓿的種植，所形成的水熱條件對土壤養分有明顯的影響，能夠有效地提高0～40cm土壤養分，有利于土壤的可持續利用。土壤養分的變化容易受到各種外部因素的制約，如人為因素有耕作、施肥等，特別是耕作施肥會導致土壤養分分布的不均勻，從而造成局部的差異；土壤養分的變化還與當地的土壤質地、地形地貌、機械條件、耕作方式以及作物品種等諸多因素有關，同時大田試驗由于周期長，容易受外部因素的制約，得出的初步結論有待今后在不同地區根據當地自然條件進行長時間定點觀測研究，進一步分析和驗證。另外，壟覆膜集雨種植改善土壤的水分、溫度條件后，對土壤的微生物活動、土壤酶活性及養分循環均可產生顯著的影響，因此，壟覆膜集雨種植對苜蓿草地的微生物數量、土壤酶活性、土壤養分循環和有效性及C、N分布和儲量的影響有待進一步研究，旨在為提高旱作苜蓿草地產草量、延長草地高產年限提供有效的途徑和方法。

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