晉北鹽堿區不同種植年限人工紫花苜蓿草地土壤質量的評價

鄭敏娜， 梁秀芝， 李蔭藩， 韓志順， 康佳惠， 陳燕妮

(山西省農業科學院高寒區作物研究所， 山西 大同 037008)

土壤和植被作為陸地生態系統功能的基礎，土壤質量狀況和植被生長狀況是陸地生態系統可持續發展的重要保證[1]。在陸地生態系統中，土壤為植被生長提供必需的營養物質，同時土壤的系統結構和養分狀況又受植被生長狀況的調控[2]，不同土地種植方式和人為干預措施都會影響土壤質量的發展方向和改變幅度[3-4]。人工草地生態系統的土壤是在植物因素和人類活動的共同作用下形成的，其質量亦在多種因子的綜合作用下發生復雜變化[1]。建植者合理的土地利用方式和管理措施可以增強草地生態系統土壤抗干擾能力，而不合理的土地利用方式則會破壞土壤結構，加速土壤逆向演替，降低系統生產力。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為優良的多年生豆科牧草，以其獨特的作用和功能長期享有“牧草之王”的美譽[5]，是北方人工草地植被建植的首選種類。近20年來，苜蓿改良土壤的作用已得到許多研究者的肯定，是提高土壤質量的有效途徑之一，例如，元炳成[5]在河西走廊黑河流域開展了鹽澤土改良研究，其結果表明種植紫花苜蓿對草甸鹽土有顯著的改良效果；在吳旭東等[6-7]的研究中發現，人工紫花苜蓿草地養分含量與利用年限密切相關；張寶泉[8]等指出，在渭北旱塬區種植紫花苜蓿可在一定程度上改善土壤質量，并且土壤質量在前11年呈改善趨勢，之后隨著苜蓿草地的退化土壤質量會下降。

灰色系統理論[9]是近年發展起來的一種分析理論，可客觀地反映供試土壤諸多指標在土壤質量上的綜合表現，克服了依靠單一指標(如全氮)評價土壤質量的弊端。目前，關于大同鹽堿地區紫花苜蓿種植年限對土壤質量影響的系統研究亦未見報道。因此，本研究以7 種不同年限紫花苜蓿人工草地為研究對象，結合土壤質量指標研究紫花苜蓿不同種植年限對土壤質量的影響，確定最佳種植年限，為大同地區或類似生態區域紫花苜蓿生產和生態建設提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗在山西省農業科學院試驗基地進行。試驗點具體位于山西省大同市水泊市鄉，E 112°34′～114°34′，N 39°03′～40°44′，海拔1 050 m。該區域屬典型的干旱大陸性季風氣候，年均降雨量為350～500 mm，年蒸發量為1 800 mm左右，無霜期為140 d，年均氣溫為7.5℃，春秋季水分蒸發比較強烈。至本試驗開始時，試驗點種植年限最長的紫花苜蓿草地為11年齡，最短的為2年齡，均為春播，播種前均施尿素55 kg·hm-2，鉀肥75 kg·hm-2，磷肥75 kg·hm-2，其余時期均不施肥；灌水全部采用漫灌方式，生長期間均每年刈割3次,其余田間管理措施基本一致。

1.2 樣地選擇與土壤樣品采集

1.2.1樣地選擇 2014年7月，為了比較和分析不同種植年限人工草地土壤質量的變化情況，在研究區選擇立地條件相似、管理措施一致的不同種植年限的6種典型紫花苜蓿樣地，并以農地(馬鈴薯)作為對照。供試紫花苜蓿品種為‘雷達可之星’(Ladak)，由美國引進。具體種植年限如表1所示。

表1 土壤采樣點基本信息Table 1 Description of sampling sites

1.2.2土壤樣品采集與預處理 按對角線采樣法，在各個樣地內距植株5～10 cm處，用土鉆采集不同土層土樣(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)。每塊樣地內每個采樣點均為5點混合樣，取樣后，先分層混合，再采用四分法取土0.5 kg，3次重復。采集的土樣在室內置于通風處風干后，先揀出植物根系、動物殘體和碎石等雜物，礳碎后分別過0.25和1 mm篩。

1.3 測定指標與方法

土壤樣品分析在吉林農業大學草業生態實驗室進行，共測定11項指標，包括：有機質、有機碳、pH、全氮、有效氮、有效鉀、全磷、水溶性鈣、水溶性鎂、磷酸酶活性和脲酶活性。測定方法參照魯如坤[10]和關松蔭[11]等。

1.4 研究方法

1.4.1灰色關聯度評價模型的構建

1.4.1.1 灰色關聯度分析的原理與評價指標的建立

本研究基于灰色系統關聯度理論[9]，選擇3個土層(0～20、20～40和40～60 cm)土壤有機質、有機碳、全氮、速效氮、全磷、速效鉀、pH值、水溶性鈣、水溶性鎂、脲酶和堿式磷酸酶等11項指標作為土壤質量評價指標，以此為基礎構建土壤質量綜合評價模型。根據紫花苜蓿對土壤養分的需求特點，11項指標均選擇其數值最大為最優，構成最優指標集。

1.4.1.2 評價模型的構建

(1) 等權關聯度

根據人工苜蓿草地恢復模式土壤質量的變化特點，假定本地區存在一個理想的人工苜蓿草地恢復模式，以該模式的各項土壤質量指標作為參考模式。假若設參考數列為xo，比較數列為xi，且i= 1，2，3，…n，且xo={xo(1)，xo(2)，xo(3)，…xo(n)} ，xi= {xi(1)，xi(2)，xi(3)，…xi(n)}，則用下列公式計算各個參比因子的灰色關聯度系數ξi(k)：

(1)

式中，ξ(k)為xo與xi在第k點的關聯度系數[9]；|xo(k)-xi(k)|為絕對差值；ρ為分辨系數，本研究中取值為0.5。

最后，根據ξ(k)求出不同模式草地土壤質量的等權關聯度Ri:

(2)

式中，N為土壤質量指標的總數，本研究N=11。

(2) 判斷指標權重

本研究運用判斷矩陣法確定各評價指標的權重，構建判斷矩陣，并做一致性檢驗，從而最終確定所選定的各評價指標對土壤質量影響的權重Wi:

(3)

(3) 加權關聯度

(4)

1.4.2聚類分析 在聚類分析中采用最短距離法，以不同種植年限人工苜蓿草地種植模式作為總體樣本，11項土壤理化指標作為樣本變量，將供試樣本進行分類。

2 結果與分析

2.1 基于灰色關聯度法的土壤質量評價

依灰色關聯度理論，各層最優指標集分別為X1(k)={1.642，0.952，83.832，122.108，0.054，0.089，0.430，0.038，8.670，0.249，3.170}，X2(k) ={2.197，1.274，72.000，61.740，0.041，0.061，0.243，0.026，8.600，0.101，1.333}，X3(k)={0.837，0.485，114.770，47.040，0.029，0.041，0.398，0.038，8.660，0.225，2.870 }。采用均值化方法對原始指標數據(表2)進行標準化處理。

表2 土壤質量評價指標分析結果Table 2 Measured values of soil quality evaluation index

計算出二級最小差為0，二級最大差為0.982。由公式(1)計算關聯系數(表3)。

表3 被評價對象的關聯系數Table 3 Correlation coefficient of evaluation objects

在各指標具有同等重要性的情況下，由公式(2)計算出的各參試指標的等權關聯度，才能直接用于評價不同模式的優劣。而實際上，反映不同土壤層次的各性狀特征值的重要性并不相同，因此，本研究采用判斷矩陣法確定各評價指標的權重，并以公式(3)計算出各指標對應的具體權值，賦予3個土層的33個性狀指標不同權重(表4)。

表4 土壤質量評價指標的權重Table 4 Weight of soil quality evaluation index

加權關聯度值比較真實、合理的反映出供試土壤指標值與最優指標集間的差異大小，關聯度值越大，表明該模式與最優指標集的相似程度越高，反之則差異越大。根據加權關聯度公式(4)計算各恢復模式的加權關聯度值(表5)。由表5可知，本研究中灰色關聯度值大小順序為：M10>M2>M13>M3>M6>M1>CK。

表5 被評價對象的加權關聯度Table 5 Correlation degree of evaluation objects

2.2 聚類分析

進一步通過聚類分析對灰色關聯度評價結果劃分等級。當把分析的7種不同種植年限紫花苜蓿草地聚成 5個類時，由圖 1 可知，第1類包括模式M10，第2包括模式M2和M13，第3類包括模式M3，第4類包括模式M6，第5類包括模式CK和M1。結合表5可以發現，在不同種植年限紫花苜蓿人工草地的土壤質量評價中，10年齡紫花苜蓿草地的土壤質量最優。

圖1 不同種植年限紫花苜蓿人工草地土壤質量評價系統聚類圖Fig.1 Hierarchical clustering diagram of soil quality assessment of alfalfa field with different growing years

3 討論與結論

本研究利用灰色系統關聯度理論，分析了6 個不同種植年限人工苜蓿草地和1個農地(對照)的土壤質量的變化情況。基于灰色系統理論，認為供試草地土壤的加權關聯度值ri越高，其對應的草地土壤質量越好。從灰色關聯度值(表4)可以看出，種植10年的苜蓿地土壤質量最好，可有效地增加土壤養分含量，提高土壤質量，這可能是因為隨著苜蓿種植年限的增加，地上生物量減少，土壤養分消耗降低，同時，苜蓿-根瘤菌共生體發育更加成熟，固氮能力相對增強，并且大量進入土壤的凋落物經微生物作用形成腐殖質，使土壤肥力或質量明顯提高，此后，人工紫花苜蓿草地進入次生天然草地演替階段[8]，苜蓿生物量及其覆蓋度明顯減低，土壤質量又開始下降。本研究種植2、3、6年的苜蓿地與種植1年苜蓿地(或農地)相比，土壤質量都得到了不同程度的提高，這表明種植苜蓿對土壤營養元素、有機碳等指標有累積作用。另外，種植年限和刈割也是影響土壤養分含量差異的主要原因[6]，因此，我們可以通過減少刈割次數或在適當的時間進行補種更新，使土壤養分保持相對穩定狀態。

綜上所述，在晉北干旱區種植紫花苜蓿可在一定程度上改善土壤質量。土壤質量在種植10年時達到最佳狀態，之后隨著苜蓿草地的退化土壤質量開始下降。綜合考慮土壤養分及其影響因子認為，在該區域或類似地區植被建設中應在種植紫花苜蓿10年后對草地進行合理利用或進行其他人工干預如重新建植以保持土壤質量。