半干旱黃土丘陵區施肥對退耕地紫花苜蓿生物量的影響

蔡國軍，張仁陟，柴春山

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省林業科學研究院，甘肅 蘭州730020）

紫花苜蓿（Medicago sativa）是多年生優良豆科牧草，其營養價值高，生產潛力大，在我國西部干旱、半干旱地區具有十分重要的價值和地位［1，2］。在當前生態環境建設中，苜蓿是發展養畜業的首選飼料作物。提高苜蓿生產力，對改善環境、培肥地力、發展草畜產業和恢復生態與經濟具有重要意義［1，3，4］。影響苜蓿產量的因素包括品種、環境、立地、水肥條件、種植密度、管理措施、刈割方式等許多種［5，6］，對苜蓿的生長發育及產量的形成發生著相互影響又錯綜復雜的關系。近50年來國內外有關施肥對苜蓿生長發育、產量及品質開展了大量的研究［7］。黃土高原北部紫花苜蓿草地生產力普遍偏低［8，9］，產量較低，最高鮮草產量達4 000～5 000kg／hm2，生長盛期持續時間一般為6年左右，管理好的地塊，6～7年左右產量仍然可達3 000kg／hm2，而一般情況下在7年左右產草量已經低于3 000kg／hm2，多數已被廢棄。受環境和栽培技術的影響，苜蓿的產草量在不同地區、不同試驗及不同的管理條件下往往存在很大差異［10］。有研究證明［1，11，12］，苜蓿的高產期在2～5年，其中在第5年達到最高，爾后產草量隨著生長年限的延長而逐年下降。孫建華等［13］在具有灌溉條件的蘭州試驗田里，通過4年的苜蓿生長特性研究證明，生長高峰期在第3年，單株干物質產量最大生長速度在第1茬，日均生長速度最快在第2茬，各齡1茬的單株干物質產量占當年的41.69%～64.90%，2茬占19.76%～33.59%，3茬占12.03%～18.33%。通過對紫花苜蓿草地加強管理，進行施肥，可以延長紫花苜蓿的生長盛期，提高牧草產量。實行施肥與中耕管理后，苜蓿的盛產期可延長至10～15年［1］。李玉山［14］用產草量動態指數（Yi）描述產草量生長年限延長的變化，Yi為各年苜蓿產草量和高產期產草量之比值。苜蓿的利用方式有2種［1］，一種是種植一次多年利用；一種是種植3～5年苜蓿后，再種3～5年糧食作物，然后再進行輪作。在大面積的退耕還林中，比較適宜第1種方式，如果采用第2種方式，會對林木造成影響。苜蓿的生長與產量除了與肥料有關外，還與土壤水分密切相關［12，15］。在半干旱地區，苜蓿產草量主要取決于水分條件［1］，苜蓿對土壤水分特別是深層土壤水分的強烈消耗是導致其生產力隨生長年限延長而降低的重要原因［16］。退耕地種草被認為是農牧交錯帶恢復草地生態、改善環境的主要措施之一，種草后土壤有機碳含量增加，植被覆蓋度提高，在一定程度上取得了較好的效果［17，18］。但是，退耕地建植的人工草地往往因管理技術差、產量不穩定及品種適應性等問題而逐漸退化，農牧民復墾現象普遍［18］。北方農牧交錯帶土壤速效磷含量普遍在5mg／kg以下，而土壤堿解氮、速效鉀達豐富水平［18，19］。紫花苜蓿的種植可以提高土壤氮的含量，而磷在土壤中的溶解性較差，難以移動，加上植物不斷消耗，已成為該區域植物生長的限制因子。賈宇等［19］也認為提高紫花苜蓿人工草地產量或延長草地高產年限，必須尋找增加土壤有機磷的途徑和方法。劉曉宏和郝明德［20］通過13年長期施肥和輪作，連續種植苜蓿對N肥、P肥、有機肥的配合使用（NPM）較單施磷肥對提高土壤硝態氮含量水平有較好效果。李積智等［21］對青海循化縣苜蓿施肥研究認為施肥對其產量影響的大小順序為磷肥＞氮肥＞鉀肥，因此施肥以氮肥、磷肥為主，施肥量以氮磷比為1∶2比較合適。汪詩平和陳默君［22］研究認為在低磷地區磷肥不僅能提高產量而且能改善品質，但在高磷地區效果不明顯。盡管如此，仍有不少人認為不施磷肥是不明智之舉，建議施用維持量為宜。為此，本研究選擇N肥和P肥開展施肥試驗，以期為降水量為400mm左右的半干旱黃土區苜蓿施肥與管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于定西市巉口鎮龍灘流域，屬于半干旱黃土高原丘陵溝壑區，流域面積15km2，地理坐標為E 104°27′～104°32′，N 35°43′～35°46′，年平均氣溫6.8℃，1月平均氣溫－7.9℃，極端最高溫38.5℃，氣溫日較差在14～19℃，平均無霜期152d，≥10℃的年活動積溫2 124℃，年均降水量386.3mm，降水主要集中在7、8、9三個月，年平均相對濕度72%，干燥度為1.9。土壤以灰鈣土類的淡灰鈣土為主，有機質含量很少，土壤貧瘠，pH值在7.5～8.5，呈現弱堿性。

紫花苜蓿施肥試驗地為退耕還林還草坡地，2002年建植。2007年開展施肥試驗，共選取4個樣地，其中陽坡2個樣地，為觀景臺和塘窯，陰坡2個樣地，為剪子岔和李家灣。2008年只選取1個樣地，為陰坡的李家灣。觀景臺試驗地的退耕還林模式為側柏－山毛桃－紫花苜蓿配置，林木和紫花苜蓿生長良好；塘窯試驗地的退耕還林模式為山毛桃－甘蒙檉柳－紫花苜蓿配置，其中紫花苜蓿生長良好，而山毛桃和甘蒙檉柳植株小，長勢差；李家灣試驗地管理精細，林木和紫花苜蓿生長良好，退耕還林模式為山杏－甘蒙檉柳－紫花苜蓿配置；剪子岔試驗地的退耕還林模式為側柏－山杏－紫花苜蓿，試驗地管理差，雜草多，苜蓿稀疏，側柏和山杏長勢差，試驗地具體情況見表1。

表1 2007和2008年紫花苜蓿施肥試驗地概況Table 1 The condition of alfalfa fertilization site in 2007and 2008

1.2 試驗材料

試驗所施肥料為無機化肥，包括氮肥（尿素）和磷肥（過磷酸鈣），其中尿素中N含量為46%；過磷酸鈣中P2O5含量為12%。

1.3 試驗時間

2007年施肥試驗于7月29日至30日進行，2007年9月17日、2008年9月18日連續2年取樣測定生物量；2008年施肥試驗于4月17日進行，于同年6月25日和9月18日先后2次取樣測定生物量。2007年施肥時，觀景臺紫花苜蓿已屬第2茬，高度約20cm，生長發育已進入現蕾期，長勢較好；塘窯紫花苜蓿為第2茬，高度約20 cm，生長期為現蕾期，長勢較好；剪子岔紫花苜蓿第1茬剛割完，第2茬正在萌芽中；李家灣紫花苜蓿為第2茬，高度約10cm，正處于生長期，長勢較好。2008年施肥時，李家灣紫花苜蓿為第1茬，正處于生長初期，高度約8 cm，長勢良好。

1.4 試驗方法

試驗采用隨機裂區設計，2007年純 N設3個水平（0，6，12kg／667m2），P2O5設4個水平（3，6，9，12kg／667 m2），共12種處理（表2）；2008年共設純N和P2O5為（0＋12）kg／667m2，（6＋6）kg／667m2，（6＋9）kg／667m2和（12＋6）kg／667m24種處理（表3），以不施肥為對照，每個處理3次重復，施肥小區規格2m×5m，間距1m，氮肥和磷肥混合撒施。

取樣方法為每小區隨機選1m×1m的樣方1個，取樣后及時稱鮮重，稱完后樣品在室內陰干再稱干重。

表2 2007年紫花苜蓿施肥試驗設計表Table 2 The table of alfalfa fertilization design in 2007

表3 2008年紫花苜蓿施肥試驗設計表Table 3 The table of alfalfa fertilization design in 2008

1.5 數據分析方法

數據用 Excel 2003整理，由SAS 9.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 2007年不同施肥配比效果分析

從2007年的苜蓿施肥試驗結果看（表4），2007年施肥當年和2008年施肥第2年的第2茬（9月份）生物量鮮重分別為290.12～395.61和561.80～898.17g／m2，干重分別為94.49～134.10和177.14～247.35g／m2，均高于2年的對照鮮重（241.23，375.43g／m2）和干重（82.45，124.59g／m2），鮮重生物量分別是對照的1.41和1.96倍，干重生物量分別是對照的1.40和1.72倍，施肥后苜蓿的平均生物量約是對照的1.62倍。經方差分析表明（表4），2007年各種施肥配比間，生物量不論鮮重還是干重差異幾乎都不顯著，但均與對照間差異顯著；2008年生物量無論鮮重還是干重，只有個別施肥配比間差異顯著，其他配比間差異不顯著，但所有配比與對照間差異都顯著。可見，施肥對促進苜蓿生長和提高生物量具有重要作用。N肥和P肥配比為0∶12、6∶12、12∶12的苜蓿生物量最高，其次是施肥配比0∶9、6∶9、12∶9，而配比為0∶3、6∶3、6∶6、12∶3的苜蓿生物量較低；在3個N水平與3個P水平的不同配比中，不管是否配以N肥，苜蓿生物量總的變化趨勢是均以P肥施肥量少的苜蓿生物量較低，隨其施肥量的增加而增加，以P肥用量為12kg／667m2時的生物量最高。由此可見，在研究區的土壤條件下，苜蓿生物量的提高主要由P肥起作用，N肥對其的影響不明顯，這也與郭彥軍等［18］的研究結果相似。

比較2年的生物量，不管是鮮重還是干重，均是2008年施肥第2年的生物量高于2007年施肥當年的生物量，施肥與對照間的差值也較大。其原因是2007年施肥時間晚，肥效尚沒有充分發揮，至2008年肥效發揮充分，苜蓿生長旺盛，生物量高。

表4 2007年施肥紫花苜蓿生物量特征Table 4 The feature of biomass of alfalfa after fertilization

2.2 2007年不同施肥樣地效果分析

不同施肥樣地間，生物量不管是鮮重還是干重差異都較明顯（表5）。其中，半陽坡的觀景臺樣地生物量最高，其次是陽坡的塘窯，而陰坡的李家灣和半陰坡的剪子岔2個樣地生物量較小。經方差分析表明（表5），不同施肥樣地間苜蓿生物量差異均顯著，陽坡、半陽坡與陰坡、半陰坡樣地間差異顯著；陽坡與半陽坡的樣地間差異顯著，而陰坡與半陰坡的小區間差異不顯著。說明陽坡的苜蓿比陰坡的苜蓿長勢好、生物量高，其鮮草和干草平均生物量是陰坡的1.49和1.43倍。

2.3 2008年不同施肥配比效果分析

2008年施肥苜蓿6月份（第1茬）生物量測定結果顯示（表6），4種施肥配比的平均生物量鮮重為1 237.92～1 606.25g／m2，平均干重為407.07～514.80g／m2，鮮重略高于對照而干重等同于對照，鮮重和干重生物量分別是對照的1.06和1.19倍。從不同施肥配比的生物量看，不論是鮮重還是干重，4種施肥配比中，N肥和P肥配比為0∶12的苜蓿生物量最高，其次是配比12∶6，6∶6和6∶9的生物量較低。而且，4種施肥配比中，只有0∶12配比的生物量明顯高于對照，其他配比的生物量接近甚至低于對照，鮮重和干重與對照間差異均不明顯。經方差分析表明（表6），4種施肥配比間生物量差異不顯著，與對照間差異也不顯著。說明2008年施肥在第1茬苜蓿生物量上的效果不明顯。

表5 2007年施肥紫花苜蓿不同施肥小區生物量特征Table 5 The feature of biomass of alfalfa in different fertilization plot

表6 2008年施肥紫花苜蓿生物量特征Table 6 The feature of biomass of alfalfa after fertilization

2008年施肥苜蓿9月份（第2茬）生物量測定結果顯示（表6），4種施肥配比的平均生物量鮮重為430.62～527.08g／m2，平均干重為134.02～166.65g／m2，高于對照鮮重和干重生物量（465.45和124.59g／m2），鮮重和干重生物量分別是對照生物量的1.19和1.17倍。4種施肥配比中，不論是鮮重還是干重，依然是N肥和P肥配比為0∶12的生物量較高，其次是12∶6，6∶6和6∶9配比的較低，但4種施肥配比生物量均高于對照。說明2008年施肥效果在第2茬苜蓿生物量上有所體現。經方差分析表明（表6），只有施肥配比0∶12與其他施肥配比和對照間差異顯著。同時，2008年施肥苜蓿不同配比內苜蓿生物量大小變異系數明顯小于2007年的，原因是2007年在觀景臺、塘窯、剪子岔和李家灣4個樣地施肥，而2008年只在李家灣1個樣地施肥，不同樣地間苜蓿生長量有差異造成的。

2008年施肥苜蓿的2次（第1茬和第2茬）生物量測定結果顯示（表6），施肥處理的苜蓿生物量總體高于對照，其平均生物量是對照的1.15倍，且4種施肥配比中均是配比0∶12的生物量最高，其次是12∶6，配比6∶6和6∶9的生物量最低，也就是說無N肥而P肥量最大的施肥設計苜蓿生物量最大，說明施N肥效果不明顯，該區域苜蓿產量的提高主要是P肥起作用的，這與2007年的施肥試驗結果是一致的。從整個試驗結果可以得出，對于苜蓿，施P肥可提高其產量并延緩衰敗期，而無需施N肥，因為屬于豆科植物的苜蓿本身就有固氮作用，不缺乏N肥。

2.4 2008年施肥苜蓿不同測定季節生物量差異分析

2008年施肥苜蓿的2次測定結果對比分析顯示（表7），6月份苜蓿（第1茬）生物量1 360.83g／m2顯著高于9月份生物量446.97g／m2（第2茬），第1茬約是第2茬苜蓿生物量的3倍多。可見，試驗地第1茬苜蓿產量顯著高于第2茬產量。盡管2007年施肥苜蓿的第1茬產量沒有取樣測定，但經2年的苜蓿生長觀察，2007和2008年的第1茬苜蓿產量也是顯著高于第2茬產量。說明，在試驗區，苜蓿產量主要由第1茬苜蓿產生，約占全年總產量的75%，第2茬苜蓿產量較小，約占總產量的25%。所以，在研究區這樣一個比較干旱和無水肥管理的條件下，苜蓿一年適宜收割2次，收割1次達不到苜蓿充分利用，造成資源浪費，從生長期和生物量分析，第2次刈割時期適宜在9月下旬，因為此后苜蓿因氣候轉涼而不但停止生長，而且逐漸枯黃。因此只能收割2茬。

表7 2008年施肥紫花苜蓿6和9月生物量對比分析Table 7 The contrast of biomass in June and September of alfalfa fertilized in 2008

3 結論與討論

苜蓿素有“牧草之王”的美稱，也是我國人工種植面積最大的草種［7］。苜蓿草產業的發展對我國畜牧業的發展具有極其重要的意義。多年來，我國苜蓿種植以培肥地力兼顧飼草生產為目的，主要種植在沒有灌溉條件的瘠薄地、鹽堿地上，基本不施肥或很少施肥，作為飼草的巨大生產潛力未能充分發揮。在當前實施“糧－經－飼”三元種植結構和立草為業的新形勢下，苜蓿的栽培技術，尤其是科學施肥的研究越來越受到重視［7］。

施肥對苜蓿的生長發育、產量的形成及品質的優劣具有重要的作用。眾多研究表明，施肥可以顯著提高苜蓿的產草量［23－25］。苜蓿在生長過程中會不斷地消耗土壤中的營養元素。因此在生長過程中不僅需要補充N、P、K等大量元素，還需要Fe、Mo、Zn等微量元素，微量元素與大量元素是不能相互代替的［26］。N、P、K單因素效應分析的線性項對產量影響的大小順序為施磷量＞施氮量＞施鉀量［27］。但在實踐中，氮、磷、鉀的綜合效應比單一元素的影響更為重要，氮、磷、鉀合理搭配施用，不但可以提高效益，而且可以降低牧草的病蟲害［28］。

氮是植物生長發育不可缺少的營養元素，是植物體內許多重要有機化合物的組成成分［29］。適時適量地施氮肥可提高苜蓿的干物質產量［7］。據車敦仁［30］在青海玉樹高寒地區的研究報道，氮肥還可以提高苜蓿的越冬率，播種當年的紫花苜蓿按150kg／hm2施尿素，不僅促進了生長，而且還使越冬率提高到77.6%，較單施磷和鉀磷混施處理的小區平均提高11%以上。苜蓿可以借助根瘤中的共生固氮菌直接吸收空氣中的分子態氮，其固氮量基本可以滿足生長發育對氮的需求［7］。但苜蓿幼苗階段或刈割以后，根瘤菌的固氮作用還較微弱，苜蓿需從土壤中吸收大量的礦質氮以滿足其生理上對氮的需求［7，31］。說明盡管苜蓿具有固氮能力，但在幼苗階段和刈割后還是需適當追施氮肥，以提高其產量和品質。但也有研究認為2年以上的紫花苜蓿對氮肥不敏感［28，32］。從經濟上考慮，對2年以上的苜蓿草地可以不施氮肥［7］。

磷肥對苜蓿產量的提高和品質的改善均有積極的意義［7］。施磷能有效提高苜蓿鮮干草產量［22］。彭文棟等［33］對五年生水地紫花苜蓿的施肥試驗指出，單施磷效果極顯著，并確立了施磷量（x）與苜蓿風干草產量（y）的回歸方程：y＝4 226.32＋53.28x－0.1737x2（R2＝0.998＊＊）。張積祥和李松［34］在隴東黃綿土區對苜蓿氮、磷肥配施研究也發現施磷增產效果明顯，并得到了施P2O5103.5kg／hm2為最高產量，施P2O555.65kg／hm2為最佳經濟產量。單施磷肥還可以改善苜蓿品質，二年生苜蓿施肥后鮮干草產量顯著增加，施180kg／hm2P2O5處理增產效果最明顯，施肥后粗纖維和粗蛋白均有增加［35］。

本研究施肥試驗表明，施肥可以明顯促進苜蓿生長和提高其生物量，延緩衰敗。這與前人的研究結論［23－28］一致。同時，施N肥對促進苜蓿生長和提高生物量沒有明顯的效果，但施P肥效果顯著，以P2O5用量為12kg／667 m2時的生物量最高。這與他人的研究結果也一致［28，32－34］，但本試驗中苜蓿生物量最高時的P2O5施肥量（180 kg／hm2）遠高于張積祥和李松［34］研究苜蓿達到最高產量的施肥量（103.5kg／hm2），且本試驗中的P2O5最大施肥量（180kg／hm2）也不是使該區域苜蓿產量達到最高時的最大施肥量，其施肥量還有增加的余地。說明研究區苜蓿草地不缺氮肥，但嚴重缺磷肥。在今后的施肥管理中需加強磷肥管理，并根據苜蓿長勢和刈割頻率適當配以氮肥。

在本研究區，苜蓿產量主要由第1茬苜蓿產生，約占全年總產量的75%，第2茬苜蓿產量較小，約占總產量的25%，第3茬基本沒什么產量，所以在該區域苜蓿一年適宜收割2次。這與孫建華等［13］和王瑩［36］的研究結果不太一致，這可能與兩者的研究地條件不同所致。其中，孫建華等［13］和王瑩［36］研究的苜蓿草地為具有灌溉條件的試驗田，而本研究的苜蓿草地為無灌溉條件的退耕地，所以他們研究的苜蓿一年可收割3次，而本研究區域的苜蓿只能收割2次。掌握好收割時期保證營養和產量非常重要，第1茬保證在初花期收割，不要超過盛花期。據研究，此期采收的苜蓿草營養價值最高。否則，不但會影響到苜蓿草的營養價值，而且還縮短了第2茬的生長時間，影響第2茬的生長及產量，進而影響全年的產量，第2薦收割的時間以9月下旬為宜。

甘肅是苜蓿種植大省，目前全省苜蓿種植面積達51.9萬hm2，占全國種植面積的38%，始終位居全國之首［37］。目前，在退耕還林工程中建植了大規模的苜蓿人工草地，在立地條件相對較好或經營管理比較好的區域，紫花苜蓿具有較好的生產力；但在立地條件較差或管理粗放的地塊，苜蓿的生產量就比較低，且相對雜草較多。試驗草地于2002年建植，至第7年經施肥后，其鮮草產量最高為21 220kg／hm2，平均18 240kg／hm2，尚保持在相當高的生產水平。因此，研究施肥對半干旱黃土丘陵區退耕地苜蓿生物量的影響對于甘肅草畜產業的發展和生態環境建設具有十分重要的現實意義。

施肥是紫花苜蓿栽培中的重要技術環節，但涉及施肥及苜蓿生長的因素很多，肥料肥效的發揮受環境條件的影響很大，對于肥料如何影響生長及牧草品質的內在機理尚待進一步研究。

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