隴中黃土高原不同種植年限苜蓿草地土壤水分及產量響應

羅珠珠，牛伊寧，李玲玲，蔡立群，張仁陟，謝軍紅

（1．甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅蘭州730070；2．甘肅省干旱生境作物學省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730070）

隴中黃土高原不同種植年限苜蓿草地土壤水分及產量響應

羅珠珠1，2，牛伊寧2，李玲玲2，蔡立群1，2，張仁陟2，謝軍紅2

（1．甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅蘭州730070；2．甘肅省干旱生境作物學省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730070）

本研究利用黃土高原西部典型半干旱雨養農業區不同種植年限苜蓿草地布設田間試驗，系統研究了3，6，8，10，12以及14 a紫花苜蓿生產力及其土壤水分變化特征。結果表明，不同種植年限紫花苜蓿草產量差異顯著，且表現為隨著種植年限的增加，呈先增加后減小的趨勢，其中以8 a苜蓿草產量最高，為12128 kg／hm2。持續種植3，6，8，10，12和14 a苜蓿草地0～300 cm土層平均含水量均明顯低于當地土壤穩定濕度值，其中12和14 a僅為9．20%和7．14%，甚至低于作物有效水分下限。隨著苜蓿種植年限的延長，土壤干燥化程度加劇，但干燥化速率呈減緩趨勢。綜合苜蓿生產力動態和土壤水分狀況，本研究表明隴中黃土高原地區紫花苜蓿適宜的種植年限為8 a。

紫花苜蓿；土壤水分；產草量

紫花苜蓿（Medicago sativa）由于其高產、優質、抗逆性強且蛋白質含量高，素有“牧草之王”的美譽。紫花苜蓿根系具有很強的根瘤固氮作用，據估算當年生苜蓿固定到土壤中的氮為35～305 kg／hm2，比其他作物地和天然草地高。我國半干旱地區，每hm2苜蓿1年可在土壤中固定約270 kg氮，相當于825 kg硝酸銨［1］，且其根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質可增加土壤有機質，改善土壤團粒結構。因此，苜蓿作為退耕還林還草的主要草種，其在黃土高原地區的種植面積逐年擴大，并對于該區的脆弱生態修復、土壤結構改善、土壤肥力提高起著極為重要的作用［2］。

水資源缺乏是影響黃土高原地區植物生長和生態恢復的首要限制因子，土壤儲水對增加和維持作物產量有著十分重要的作用。黃土高原地區降水入滲深度一般為100～300 cm，但土壤物理蒸發和植被蒸騰作用層深度可達800～1000 cm，導致深層土壤經常處于水分虧缺狀態，從而產生土壤干層，使得林草植被衰退，并呈現逐年加深趨勢［3］。紫花苜蓿屬于多年生和深根系植物，對土壤水分消耗十分強烈，土壤干燥化現象普遍發生，引起苜蓿生長逐漸趨緩，產草量持續下降，最終出現嚴重的苜蓿草地退化現象，并制約后續植被或作物生長［4-9］。李玉山［10］研究認為多年連續種植苜蓿會導致土壤干化，土壤干層出現在200 cm土層以下；程積民等［4］的研究結果表明，在苜蓿生長的第3年，100～210 cm土層出現干層，生長到第6年苜蓿草地開始衰??；半濕潤區的苜蓿草地也存在不同程度的土壤干層，土壤干化程度隨其生長年限的延長逐漸加深［11-12］，苜蓿生長6～8 a后應及時更新［13］。Saeed和Nadi［14］認為水分缺乏導致苜蓿種群密度、莖重和葉面積下降，苜蓿干草產量與土壤水分呈線性相關。

上述相關研究對苜蓿草地的土壤水分狀況做了有益的探索，對研究黃土高原地區土壤干層的水分恢復十分有益，但大多研究主要集中在寧南山區和隴東旱塬，缺乏針對隴中黃土高原半干旱區的相關研究。而大量研究表明，干旱、半干旱地區土壤水分貯量和分布因土壤質地、土地覆蓋、植被生長年限以及氣候條件的影響而有所不同［15-17］。因此，本研究針對隴中黃土高原半干旱區不同種植年限苜蓿草地，分析探討其土壤水分消耗規律及其生產力狀況，并進一步評價了不同種植年限苜蓿草地土壤干燥化特征，旨在為隴中黃土高原半干旱區苜蓿草地可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況

試驗設在黃土高原半干旱丘陵溝壑區的定西市安定區李家堡鎮麻子川村。試區屬中溫帶半干旱區，平均海拔2000 m，年均太陽輻射592．9 kJ／cm2，日照時數2476．6 h，年均氣溫6．4℃，≥0℃年積溫2933．5℃，≥10℃年積溫2239．1℃；無霜期140 d，年均降水390．9 mm（圖1），年蒸發量1531 mm，干燥度2．53，為典型的雨養農業區。土壤為典型的黃綿土，土質疏松，土層深厚，質地均勻，貯水性能良好。該區農田土壤理化性狀如表1所示。

1．2 試驗設計

根據研究區苜蓿的生長年限及試驗需要，2012年選取種植年限分別為3，6，8，10，12，14 a生紫花苜蓿草地為研究對象，苜蓿品種均為當地傳統種植品種隴東苜蓿，生長期間均未施肥、灌水，且各年生紫花苜蓿面積均在100 m2以上，地塊鄰近，地勢平坦，各處理3次重復。

各處理依次為：1）3 a，人工建植3 a的苜蓿草地，2010年7月播種；2）6 a，人工建植6 a的苜蓿草地，2007年4月播種；3）8 a，人工建植8 a的苜蓿草地，2005年4月播種；4）10 a，人工建植10 a的苜蓿草地，2003年4月播種；5）12 a，人工建植12 a的苜蓿草地，2001年7月播種；6）14 a，人工建植14 a的苜蓿草地，1999年7月播種。

1．3 測定項目與方法

1．3．1 土壤水分 2012年苜蓿返青開始，每兩周分11層測定不同種植年限苜蓿草地0～300 cm土壤水分，層次分布如下：0～5 cm，5～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～80 cm，80～110 cm，110～140 cm，140～170 cm，170～200 cm，200～250 cm，250～300 cm。其中表層0～5 cm和5～10 cm用烘干法測定，10～300 cm用中子水分測定儀測定，中子儀讀數根據校正曲線換算為體積含水量［18］。

土壤最大有效貯水量（mm）＝（DUL－CLL）×土層深度（mm）

式中，DUL為土壤最大重力持水量，用池塘法［19］測定；CLL為作物在該土壤中的萎蔫系數（作物有效水分下限），用遮雨棚法［19］測定。

土壤有效貯水量（mm）＝土壤剖面貯水量－CLL

土壤水分過耗量（mm）＝土壤剖面貯水量－SSM式中，SSM為土壤穩定濕度，通常旱地土壤能夠長期維持的土壤濕度，其值為田間持水量50%～75%［20-21］，輕壤土的土壤穩定濕度相當于田間持水量的49%～54%［22］。在本研究中，SSM為CLL與DUL的平均值。

土壤干燥化速率（mm／a）＝土壤水分過耗量／生長年限

1．3．2 苜蓿產量 試驗期間不同種植年限苜蓿刈割2次，分別于2012年7月20日、10月1日刈割，每茬收割面積為1 m2，留茬高度3 cm，收割后立即稱鮮草重。采集部分鮮草樣，在50～60℃烘3～4 h，之后在105℃烘3～4 h，冷卻之后稱重，計算干物質率，推算地上部分生物量，各處理重復3次。

1．3．3 水分利用效率（WUE） 苜蓿水分利用效率定義為苜蓿干草產量（kg／hm2）與草地耗水量ET（mm）的比值。

式中，Y為苜蓿干草產量（kg／hm2），ET為耗水量（mm）。P為生育期內降水量（mm），ΔS即為收獲期和播種期0～300 cm土壤剖面貯水量（mm）之差。

1．4 土壤干燥化評價方法

本研究采用文獻［7］提出的土壤干燥化指數（soil desiccation index，SDI）方法來評價土壤干燥化強度。SDI定義為某一土層實際土壤有效含水量占該層土壤穩定有效含水量比值的百分數，其含義為某一土層可供植物吸收利用的土壤實際有效含水量占該層土壤正常有效含水量的比重，公式表達為：式中，SDI為土壤干燥化指數；SM為土壤濕度；SSM為土壤穩定濕度。

土壤干燥化強度劃分為6級：1）SDI≥100%，為無干燥化；2）75%≤SDI＜100%，為輕度干燥化；3）50%≤SDI＜75%，為中度干燥化；4）25%≤SDI＜50%，為嚴重干燥化；5）0≤SDI＜25%，為強烈干燥化；6）SDI＜0，為極度干燥化。

1．5 數據分析

采用Excel 2003軟件處理數據，采用SPSS 18．0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2．1 不同種植年限苜蓿草地土壤水分變化特征

持續種植3，6，8，10，12和14 a苜蓿草地0～300 cm土層平均含水量分別為11．91%，11．35%，11．40%，11．32%，9．20%和7．14%，均明顯低于當地土壤穩定濕度值19．04%，其中12和14 a甚至低于CLL（10．63%），且顯著低于其余處理（P＜0．05）（表2）。這說明隨著紫花苜蓿生長年限延長，其地上部分的旺盛生長和生物量的大幅度增加，地下根莖也同時伸長、下扎，導致土壤水分利用充分，苜蓿持續種植10 a以后草地已經處于相當干燥的土壤水分環境下。不同種植年限苜蓿草地0～300 cm土層貯水量199．68～345．73 mm，土壤有效貯水量22．60～26．78 mm，土壤水分過耗量225．96～372．01 mm。本研究進一步對苜蓿草地土壤干燥化程度的評價研究發現，3，6，8，10，12以及14 a紫花苜蓿草地0～300 cm土層干燥化指數分別為44．57%，23．67%，24．16%，23．37%，1．19%和－20．23%，表明不同種植年限苜蓿草地土壤均達到了不同程度的干燥化，且隨種植年限的延長干燥化程度加劇。但是，隨草地生長年限延長，苜蓿草地土壤干燥化速度呈減緩趨勢，由3 a的76．71 mm／a降低到10 a的22．74 mm／a。

2．2 不同種植年限苜蓿草地土壤水分垂直分布

圖2顯示不同種植年限苜蓿草地0～300 cm土層水分的垂直變化規律：隨土層深度的增加，土壤含水量增加，在30～50 cm土層，達到全層最大值，土壤含水量為10．77%～15．83%；50 cm土層土壤含水量開始下降，100 cm土層以下土壤含水量變化趨勢平緩。

0～100 cm土層范圍，3 a苜蓿草地土壤含水量最高，為12．27%，其次是6，8，10以及12 a，分別為11．59%，11．50%，11．19%，10．98%，14 a苜蓿草地土壤含水量最低，僅為8．01%，比3 a低4．26%。100～300 cm土層范圍，3和10 a苜蓿草地含水量最高，均為11．48%，其次是8和6 a苜蓿草地，分別為11．28%和11．07%，12 a以及14 a苜蓿草地土壤含水量均較低，分別為7．06%和6．10%，比3和10 a低4．42%～5．38%。

由于黃土高原地區降水少蒸發大，地下水埋藏深，在林草植被強烈耗水情況下，深層土壤處于水分虧缺狀態，有時甚至達到或接近凋萎濕度，導致土壤濕度長期處于較低水平，最終形成土壤干層。為此，本研究進一步將土壤水分與試區DUL、CLL以及SSM進行比較分析，不同生長年限紫花苜蓿0～300 cm土壤水分均分布在土壤穩定濕度線左側部分，而且由于經過多年的生長消耗大量水分，甚至出現了土壤濕度低于CLL的極度干燥化土層，其中12和14a苜蓿分別位于50 cm以下，6和8 a位于140 cm以下，3和10 a分別位于170 cm以下。

2．3 不同種植年限苜蓿草地生產力

由表3可知，不同種植年限紫花苜蓿生產力在不同茬次變化趨勢基本一致：即苜蓿生長的第8年，產量達到最高。從不同茬次看，不同種植年限第1茬草產量對年產草量貢獻率較大，占全年草產量的71．50%～78．32%，第2茬草產量僅占21．68%～28．50%。就第1茬產量而言，8 a苜蓿顯著高于其余種植年限（P＜0．05）；不同種植年限苜蓿第2茬產量表現為8和10 a苜蓿之間差異不顯著，但它們均顯著高于其余種植年限（P＜0．05）。從兩茬紫花苜蓿的總產看，8 a苜蓿顯著高于其余所有年限（P＜0．05），分別比3，6， 10，12和14 a苜蓿高40．64%，40．44%，19．64%，46．54%，67．02%。說明隨著生長年限的延長，苜蓿產量增加，在苜蓿生長的第8年，產量達到最高，之后產量逐年下降。這歸因于苜蓿生長前期土壤供水充足，苜蓿耗水較為強烈，苜蓿高產具有較好的水分基礎，而后期發生干燥化后苜蓿生長衰敗，加之一年生雜草的競爭導致密度降低，產量也隨之降低。

產量動態指數（Yi）為各生長年限苜蓿的實際產量與同一年份的2～4年生高產期苜蓿產量之比值，不受降水量的影響，可以避免環境因素對產量發生波動性影響［14］。根據本試驗實際情況，該研究產量動態指數為各生長年限苜蓿的實際產量與同一年份的3 a苜蓿產量之比值。由表3可以看出，苜蓿產量動態指數表現為隨著生長年限的延長，Yi值逐漸增加，在苜蓿生長的第6～10年，Yi值大于1．0，且以第8年最高；苜蓿生長超過10 a，Yi值開始下降，小于1．0，生長出現衰退。從實測的苜蓿產草量也可以看出，12和14 a苜蓿產草量僅為6484和4000 kg／hm2，表明苜蓿生長嚴重衰敗。

2．4 不同種植年限苜蓿水分利用效率

不同種植年限苜蓿草地土壤貯水量、耗水量及水分利用效率存在差異（表4）。從表3可以看出，紫花苜蓿生長年限不同，其產草量波動較大，產量變化區域為4000～12128 kg／hm2，導致其總耗水量之間也存在顯著差異，6 a紫花苜?？偤乃匡@著高于其余年份（P＜0．05）。從水分利用效率看，不同種植年限紫花苜蓿間差異達顯著水平（P＜0．05）。其中以8 a紫花苜蓿水分利用效率最高（34．29 kg／mm·hm2），其次為10，12，3和6 a紫花苜蓿，14 a紫花苜蓿水分利用效率最低，僅為12．53 kg／（mm·hm2），比8 a紫花苜蓿低21．76 kg／（mm·hm2）。這足以說明紫花苜蓿生長年限較長時，草地容易發生衰敗，生物量銳減，植被蓋度較低，屬于無效耗水的棵間蒸發比例較高，不能夠把降雨有效地轉化為作物的產量，導致水分利用效率不高?？傊?，在相同降水條件下，種植年限影響紫花苜蓿對水分的利用，其中以8 a紫花苜蓿水分利用效率最高。

3 討論

3．1 種植年限對苜蓿草地土壤水分的影響

紫花苜蓿屬于多年生、深根系、強耗水作物，年需水量500～900 mm，而隴中黃土高原半干旱區多年平均降水量不足400 mm，遠不能滿足苜蓿生長對水分的需求，導致苜蓿草地土壤干燥化過程十分強烈。本試驗研究結果發現，隨著苜蓿種植年限的延長土壤干燥化程度加劇，持續種植3a紫花苜蓿土壤表現為嚴重干燥，之后表現為強烈干燥和極度干燥。但是，隨苜蓿種植年限的延長，草地土壤干燥化速度呈減緩趨勢，這與李軍等［7］和孫劍等［23］的研究結果基本一致。

此外，許多學者對黃土高原地區土壤干層進行了相關研究，認為在黃土高原地區，苜蓿草地年蒸散量大于年降水量，淺層土壤水分不能滿足植物生長需要時，大量耗用深層土壤水分，多年連續種植導致土壤干化，最終形成土壤干層。張春霞等［12］在隴東黃土高原半濕潤區苜蓿草地的研究發現，5，10，15 a生苜蓿草地土壤干層分別出現在220，240，260 cm土層。本試驗的研究結果得出了相反的結論，即隨著苜蓿生長年限的延長，土壤干層逐漸上移，這與劉沛松等［24］的研究結果一致。說明苜蓿生長年限越長，根系越發達，由此導致土壤干燥層由下向上逐漸加厚。

3．2 種植年限對苜蓿草地生產力的影響

草產量的高低標志著草地生產力的大小，也是衡量草地退化的重要指標。苜蓿生育期不同茬次生長階段的溫度、降水和日照時數等氣象條件對苜蓿的生長有很大影響，第1茬草產量對年草產量貢獻率較大，占全年草產量的70%以上，第2茬草產量僅占全年的20%～30%，這與折鳳霞等［25］和萬素梅等［26］的研究結論基本一致。

苜蓿生長耗水量明顯高于當地降水量，其生長前期耗水依靠自然降水和深層土壤貯水雙重供給，水分滿足程度較高，產草量也較高。但隨著苜蓿生長年限的增加，深層土壤水分過耗強烈，土壤水庫貯水量逐年降低，根系耗水深度逐漸加深，土壤干層逐漸形成并不斷加厚，深層土壤水分供給量逐漸減少以至最終消失，苜蓿生長主要依靠當年降水供給，水分供應不足導致苜蓿生長逐漸衰敗和死亡，加之一年生雜草的競爭，產量也隨之降低。萬素梅等［26］和曹永紅等［27］在寧南山區的研究發現，苜蓿播后一直到第5 a間的產草量處于上升階段且產草量最高出現在生長第6 a，種植6 a以后產草量開始下降。本試驗條件下，隨著生長年限的延長，苜蓿產量增加，在苜蓿生長的第8 a產量達到最高，苜蓿生長超過8 a后產量開始逐年下降，這與研究區的氣候條件及經營管理方式有密切的關系，因為苜蓿全年產草量同時受第1次刈割期的影響很大［28］，從而影響到土壤貯水量的高低和苜蓿翻耕年限。韓仕峰［6］根據黃土高原不同氣候類型區的降水條件，認為應重視提高土壤水分對苜蓿生長的主導作用，分別提出不同降水類型區的苜蓿適宜生長時間，干旱區以6～7 a為宜，半干旱地區為8～9 a，半濕潤地區可延長到9～10 a。也有研究認為，為了保持高原溝壑區苜蓿地持續產草量，在苜蓿生長到3～5 a就應耕挖［29］，然后通過種植3～5 a糧食作物來恢復土壤水分［30］。根據苜蓿生產力動態和土壤水分狀況，本試驗研究認為在隴中黃土高原地區，紫花苜蓿適宜的生長年限為8 a，最遲不能超過10 a，這與韓仕峰［6］和王美艷等［31］提出的半干旱區苜蓿草地最佳利用年限較為接近。

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Soil moisture and alfalfa productivity response from different years of growth on the Loess Plateau of central Gansu

LUO Zhuzhu1，2，NIU Yining2，LI Lingling2，CAI Liqun1，2，ZHANG Renzhi2，XIE Junhong2
1.College of Resources and Environmental Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science，Lanzhou 730070，China

The productivity and soil moisture of alfalfa（Medicago sativa）grassland with different years of growth（3，6，8，10，12 and 14 years）were investigated in a typical semiarid area on the Western Loess Plateau．There were significant differences in the dry matter yield from alfalfa grasslands with different years of growth．At first the dry matter yield increased，then it declined．The highest hay yield（12128 kg／ha）was found in alfalfa grassland with eight years of growth．Average soil moistures in 0－300 cm soil layers of alfalfa grasslands with different years of growth was significantly lower than local soil stable moisture（SSM）．The soil water content in grasslands with alfalfa that had been growing for twelve and fourteen years was 9．20% and 7．14%respectively，which is even lower than the crop lower limit（CLL）．Over the years of alfalfa growth，soil desiccation intensity increases and soil desiccation rate decreases．Therefore，according to the soil moisture and productivity results produced by this study，the optimum growth period for alfalfa production is eight years in semi-arid areas of the Loess Plateau．

alfalfa；soil moisture；hay yield

10．11686／cyxb20150105 http：／／cyxb．lzu．edu．cn

羅珠珠，牛伊寧，李玲玲，蔡立群，張仁陟，謝軍紅．隴中黃土高原不同種植年限苜蓿草地土壤水分及產量響應．草業學報，2015，24（1）：31-38．

Luo Z Z，Niu Y N，Li L L，Cai L Q，Zhang R Z，Xie J H．Soil moisture and alfalfa productivity response from different years of growth on the Loess Plateau of central Gansu．Acta Prataculturae Sinica，2015，24（1）：31-38．

2013-11-11；改回日期：2014-09-02

國家自然科學基金（31171513，41461067），甘肅省干旱生境作物學重點實驗室－省部共建國家重點實驗室培育基地基金（GSCS-2012-08），甘肅省科技計劃（145RJZA208）和國家科技支撐計劃（2012BAD14B03）資助。

羅珠珠（1979-），女，甘肅天水人，副教授，博士。E-mail：Luozz＠gsau．edu．cn