小麥/苜蓿間套種植對土壤養分的影響

何亞男　丁亨　周正霄

摘要：采用大田試驗的方法，測定了小麥、苜蓿單播與小麥/苜蓿間套種植3種處理方式下土壤有機質、pH值和氮、磷、鉀養分的2 m深度的分層含量及剖面分布特征。各處理土壤有機質剖面分布均呈“S”形，表層0～20 cm土壤有機質含量XD（20 g/kg）略高于其他2個處理，0～60 cm土壤有機質含量XD>XMT>MD，而深層XMT有機質含量卻超過了XD（60～100 cm）和 MD（150～200 cm），而這可能是小麥與苜蓿間套后進一步促進了深根作物苜蓿深層根系向下分布的有力說明。土壤pH值隨深度而增加，通體呈堿性，處理間無顯著差異。表層0～20 cm各處理全氮含量間沒有顯著差異，20～60 cm土層深度內MD和XMT全氮含量極顯著高于XD；底層XD速效氮含量占比達全剖面的1/4。小麥套種苜蓿不僅有利于提高20～150 cm深度土壤氮素肥力，同時還可在底層使常規麥田深層土壤氮素流失問題得以減免。經過1個麥季的消耗，XMT和XD處理表層土壤速效磷含量接近10 mg/kg，MD只有6.421 0 mg/kg，無論是對小麥來說還是對苜蓿來說都表現為缺磷狀態，說明在這3種處理模式生產實踐中磷肥的使用都具有必要性和增產的巨大可能性。小麥/苜蓿間套體系中會使全剖面土壤鉀素的消耗比例得以優化，故可以少施甚至不施鉀肥。

關鍵詞：小麥；苜蓿；間套種；土壤養分

中圖分類號： S512.104.7；S158.3文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0064-05

素有“牧草之王”的紫花苜蓿在改善農作物茬口，病蟲害的克制[1]，改善土壤物理性狀，提高土壤保水、保肥及供肥能力[2-3]，保護生態環境，提供優質牧草[4-7]，促進農畜和諧發展方面發揮著重大作用，因此將苜蓿與冬小麥套種，將有利于緩解糧草爭田，促成農畜雙贏，具有十分遠大的前景[8]。我國曾有過小麥間套作苜蓿獲得顯著經濟效益的研究報道[9-10]；馬克爭在小麥苜蓿間套種研究中的結果也表明小麥-苜蓿間作通過優化卵形異絨螨、瓢蟲和寄生蜂共同組成的天敵組合提高了對小麥主要害蟲麥長管蚜的控制效果，從而顯著提高了小麥產量[11]。張曉斌等通過小麥/苜蓿套作生物盆栽試驗研究了植物修復PAHs 污染土壤的效果、修復風險評估與修復后土壤的農業利用[12]，但是目前我國乃至世界范圍內對于小麥間套苜蓿的研究還是很少，而且主要側重于間套種作物的產量、經濟效益和植物修復分析[13-15]，而對間套種過程中對土壤養分的研究更是少見。本研究在以小麥種植為主的山西省臨汾市堯都區進行的小麥與苜蓿間套種植大田實驗基礎上，系統探討大田生產條件下小麥間套苜蓿對主要土壤養分產生的影響，以期能夠對小麥間套苜蓿的種植技術進步和推廣提供參考依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗區位于山西省臨汾市堯都區東杜村，地處35°55′N、111°34′E，海拔484 m，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，年均降水量550 mm，平均氣溫9～13 ℃，無霜期約203 d，屬于旱作農業區。土壤類型為褐土。試驗田土壤基本性質為：pH值8.05，有機質含量21.51 g/kg，全氮含量1.18 g/kg，全磷含量0.60 g/kg，全鉀含量20.85 g/kg，堿解氮含量53.82 mg/kg，有效磷含量10.59 mg/kg和速效鉀含量235.55 mg/kg（基本土樣取于2014年秋小麥播種之前）。

1.2試驗材料與試驗設計

試驗種植小麥品種為晉麥95，苜蓿為當地品種，均在縣底鎮種子公司購買。其中苜蓿千粒質量2.255 g，發芽率75%；晉麥95為半冬性品種，千粒質量40 g，發芽率65%。

田間試驗設小麥單播（XD）、苜蓿單播（MD）和小麥/苜蓿間套種（XMT）3個處理，各3次重復，共9個試驗小區，小區面積50 m2，隨機排列。苜蓿于2014年4月份種植，南北方向條播，行距40 cm，播種量18 kg/hm2；冬小麥于9月下旬在已建植苜蓿地上同向機械條播，行距18 cm，播種量 225 kg/hm2，并于秋季小麥播種前地面撒播形式統一施用復合肥（用量N 187.5 kg/hm2，P2O5 97.5 kg/hm2，K2O 52.5 kg/hm2）；春季小麥起身期地表撒施追肥（N 225 kg/hm2，K2O 37.5 kg/hm2）后人工松土覆蓋。

1.3土壤樣品采集與測定

1.3.1土壤樣品采集2015年6月上旬小麥收獲后在各試驗小區內，“S”形布點，用土鉆分取5鉆點0～20、20～60、60～100、100～150、150～200 cm共5個層次的土壤樣品，分層充分混合后四分之一法留樣。采集的樣品置于室內自然風干，剔除大石塊、植物根系等雜質，磨碎分別過20目和60目尼龍篩，裝袋密封用于土壤全量和速效養分等的分析測定。

1.3.2土壤養分測定方法[16]土壤有機質：油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；土壤全氮：凱氏蒸餾法；土壤全磷：氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；土壤全鉀：堿熔-火焰光度計或原子吸收分光光度計法；土壤堿解氮：堿解擴散法；土壤有效磷：碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色；土壤速效鉀：乙酸銨浸提-火焰光度計或原子吸收分光光度計法；土壤pH值：電位法（水土比2.5 ∶1）。

1.4數據統計分析

試驗所得數據采用SPSS 17.0統計分析軟件中的方差分析和顯著性分析，結合Excel 2013進行分析處理。

2結果與分析

2.1小麥/苜蓿間套種植對土壤有機質和pH值的影響

從不同深度土壤有機質測定結果（圖1-A）來看，無論是小麥、苜蓿單播還是間套作，都是表層（0～20 cm）土壤有機質含量最高，平均為18.87 g/kg，根據全國第二次土壤普查分級標準[17]屬于有機質四級，而深層土壤有機質含量最低（平均8.07 g/kg）也達五級標準。60 cm以上小麥單播處理（XD）土壤有機質含量顯著高于苜蓿單播處理（MD），但隨著深度增加這種趨勢逆反，這與小麥和苜蓿的生物量分布密切相關。從根系分布特點來看，小麥根系85%分布在100 cm土體深度內，50cm以上占60%[18]，而苜蓿屬深根作物，種植第二年根系下扎深度可達2 m，50 cm以上根系只占一半，150 cm 深度根系量高達15%[19]。地上生物量的分配是影響表層有機質含量的主要因素。由于試驗執行小麥秸稈還田，而苜蓿則是適時收割，因此小麥間套苜蓿以后，地上小麥秸稈生產和還田數量減少，而苜蓿又增加了深層地下生物量的比例，從而導致0～60 cm土壤有機質含量XD>XMT>MD，而深層XMT有機質含量卻超過了XD（60～100 cm）和 MD（150～200 cm）。endprint

土壤pH值隨深度變化趨勢與有機質相反（圖1-B），隨深度而增加，通體呈堿性；表層平均8.2，比試驗初期略微下降；深層平均8.7～8.8，3個處理間沒有顯著差異。

2.2小麥/苜蓿間套種植對土壤速效養分含量的影響

土壤堿解氮也叫有效氮，包括無機態氮（銨態氮、硝態氮）及易水解的有機態氮（氨基酸、酰胺和易水解蛋白質），與作物生長關系密切，能反映土壤近期內氮素供應情況。從不同深度土壤速效養分測定結果（圖2）來看，表層（0～20 cm） XD和MD處理堿解氮含量均處于中下水平，但與小麥播種前測定值相比不但沒有減少，反而分別增加了18% 和38%；而XMT處理堿解氮含量（25 mg/kg）卻降低了53%。XD、MD表層速效氮增加一方面與春季追肥有關，也與苜蓿固氮有關，而XMD速效氮含量減少則可能表明小麥和苜蓿間套種植后加強了表層根系對氮素的吸收利用能力。向下20～100 cm深度情況相反，小麥/苜蓿間套處理的堿解氮含量達到五級水平（50 mg/kg左右），小麥和苜蓿單播處理的卻降為六級。深層100～150 cm的3個處理均達到五級水平，排序為MD>XMT>XD；150～200 cm深度排序為XD >MD>XMT，小麥/苜蓿間套處理的堿解氮含量又降到最低水平。

經過1個麥季的消耗，XMT和XD處理表層土壤速效磷含量接近（10 mg/kg），無論是對小麥來說還是對苜蓿來說都表現為缺磷狀態[20-21]，而且在各處理深層土壤中速效磷含量基本處在6～8 mg/kg之間，MD更是通體低于7 mg/kg。60～100 cm和150～200 cm 2個深度層次上XMT處理土壤速效磷含量顯著低于XD，但與MD處理相比，只在前一個深度層次上差異顯著，后一個層次上差異并不顯著（圖2）。結果說明在這3種處理模式生產實踐中磷肥的使用都具有必要性和增產的巨大可能性。

XD表層0～20 cm 速效鉀含量（104 mg/kg）顯著低于MD和XMT，但后兩者間幾乎相等（136 mg/kg），雖然3個處理都比麥季開始前的基本土樣速效鉀含量大幅（40%～50%）降低，但對小麥和苜蓿生長需求來說都屬中上水平。向下20～150 cm土層深度內3個處理速效鉀含量間差異不大，大致在120～150 mg/kg，均處于鉀素富余狀態，底層 150～200 cm XMT和XD處理更是達到了極高水平（191 mg/kg 和153 mg/kg），即使是含量相對較低的MD也高達111 mg/kg（圖2）。

2.3小麥/苜蓿間套種植對土壤全量養分含量的影響

3個處理不同深度土壤全量養分測定結果如表2所示。表層0～20 cm各處理全氮含量間沒有顯著差異；全磷含量差異顯著，排序為XMT>XD>MD；全鉀含量MD>XMT>XD，但后兩者間差異并不顯著。20～60 cm土層深度內MD和XMT全氮含量極顯著高于XD，全磷含量卻是XD和XMT極顯著高于MD，但全鉀含量三者間無顯著差異。在60～100 cm 深度層次上，XMT全氮含量顯著高于XD，極顯著高于MD；全磷含量MD>XMT>XD，且差異極顯著；MD與XMT全鉀含量無顯著差異，但兩者均極顯著高于XD。100～150 cm深度內3個處理全量養分差異極顯著，全氮含量排序為XMT>XD>MD，全磷含量為MD>XMT>XD，全鉀含量為MD>XD>XMT。底層各處理不同養分間差異也達到顯著水平，部分達到極顯著水平，全氮為MD>XD>XM，全磷MD>XMT>XD，全鉀MD>XMT>XD。

2.4小麥/苜蓿間套種植對土壤養分剖面分布的影響

為了更形象地表達不同處理間土壤養分的剖面分布特征差異，根據以上3個處理的速效和全量養分數據結果分別計算了各種養分形態在5個深度層次上的含量占2 m全剖面總量的百分比，以及各個層次上3種養分的活化比（速效養分與全量養分之比），結果如圖3所示。

許多研究表明土壤有機質的剖面分布大致呈“S”形[22-23]，與秸稈還田、根系分布、自然氣候水分條件以及化肥施用等都著復雜而密切的聯系。試驗中3種耕作處理模式土壤有機質在2 m深土壤內的剖面分布基本也是呈“S”形，60 cm 深度是第一個拐點，向上越接近表層有機質含量占比越高，表層均在30%之上；向下XD是隨深度增加有機質含量占比開始減小，到150 cm深度處減幅加大，但拐點不明顯；MD和XMT處理在60～100 cm深度有機質含量占比隨深度增加，100 cm成為第二拐點，向下改為隨深度增加而減少。這種分布規律表明在60 cm之上， 有機質平衡過程受地上枯落物和還田秸稈輸入影響較多，所以均表現為向上的凈累積增加趨勢。60 cm之下的深層土壤有機質輸入主要來自作物根系分布，MD和XMT均在60～100 cm表現出有機質凈累積的趨勢，說明苜蓿相對于小麥來說除了有固氮功能之外還具有增加土壤有機質的優勢。XMT在150～200 cm的底層土壤有機質占比為15.2%，顯著高于XD（13.1%）和MD（126%），則可能是小麥與苜蓿間套后進一步促進了深根作物苜蓿深層根系向下分布的有力說明。

全氮在不同層次含量占比與土壤有機質密切相關（r=0899**），速效氮也與有機質顯著相關（r=0.557*），尤其是MD處理速效氮含量占比剖面分布與有機質更是高度相關（r=0.995**），速效氮與全氮之間當然極顯著相關（r=0569**）。不同處理間進行比較可以看出，表層MD速效氮含量占比最大，高達全剖面的50%，而XMT的只有13%，XD以近30%居中。MD速效氮含量占比隨土層深度增加而減少；XD在100 cm深度處降到最低（9%），之后開始向下增加，底層速效氮含量占比達全剖面1/4；XMT在60～150 cm土體內速效氮含量占比處于24%～27%之間，到底層迅速開始降低。氮素活化比剖面分布與速效氮含量占比有正相關關系（r=0.425，P<0.1），表層MD>XD>XMT，結合XD表層速效氮含量的低值占比，可能說明了與苜蓿間套后會促進小麥對氮素的吸收利用。在底層XD的速效氮含量占比和氮素活化比優勢可能是麥田生產中速效氮流失的結果，而MD和XMT的相對低值卻恰好說明深根作物苜蓿對常規麥田深層土壤氮素流失問題的解決前景。endprint

3個處理不同深度土壤全磷含量占比剖面分布與有機質沒有顯著相關關系，但速效磷與有機質分布極顯著相關（r=0.576**），磷素活化比與有機質極顯著相關（r=0.663**）。MD表層全磷含量占比（12.7%）遠低于XD（19.1%）和XMT（21.7%），速效磷也偏低，隨深度增加其全磷和速效磷含量占比都呈增加趨勢，到150 cm深度后開始減少。XMT除表層外其他深度層次全磷和速效磷含量占比剖面分布與MD相似。XD全磷含量占比全剖面分布相對比較均勻（20%～22%），只在表層0～20 cm和60～100 cm 2個深度層次上相對較低（分別為19.1%和16.3%）；速效磷含量占比在20～60 cm深度上最低，比另外2個處理低了3百分點。3個處理全剖面磷素活化比都較低（0.8%～1.6%），XD磷素活化比值除20～60 cm深度外都在1%以上，明顯優于MD和XMT。從3個處理磷素養分含量及其剖面分布的結果可以看出，苜蓿在生長過程中對磷素的消耗很大，尤其是表層土壤；而小麥在20～60 cm根系層內對速效磷消耗劇烈，導致磷素肥力降低。小麥和苜蓿間套作在提高根系層土壤磷活性（肥力）的同時也加劇了磷素的消耗，所以在生產實踐中磷肥的施用對保障這一系統生產來說很關鍵。

土壤全鉀含量占比剖面分布與有機質呈極顯著負相關關系（r=-0.582**），但速效鉀與有機質分布相關性不顯著；鉀素活化比與有機質也極顯著相關（r=0.567**）。3個處理鉀素含量占比剖面分布差異在表層表現最為突出，MD全鉀含量占比值（13.5%）明顯低于XD（17.7%）和XMT（192%）處理，但速效鉀含量占比卻是MD最高（25.4%），XD最低（15.1%），XMT居中（18.9%）。20～100 cm深度范圍內XD和XMT處理全鉀含量占比與MD相比偏低一些，速效鉀MD和XMT比較一致，低于XD。底層速效鉀含量占比MD

3結論

3種耕作處理模式土壤有機質在2 m深土壤內的剖面分布呈“S”形。苜蓿相對于小麥來說除了有固氮功能之外還具有增加土壤有機質的優勢。小麥間套苜蓿以后，地表有機質含量因地上小麥秸稈還田數量減少而下降，但在深層小麥會促進苜蓿根系向下分布，顯著增加深層有機質含量。

全氮和速效氮含量剖面分布與土壤有機質密切相關。小麥/苜蓿間套種植體系中，表層土壤中由于苜蓿的存在促進了小麥對氮素的吸收利用，經過1個麥季的消耗后顯著降低了速效氮水平，雖對后期苜蓿生長來說基本足夠，但對夏玉米生產來說卻處于缺氮的極低水平狀態，因此如果接下來要種植夏玉米還是需要補充氮肥。但小麥套種苜蓿有利于提高 20～150 cm深度土壤氮素肥力，同時還可在底層使常規麥田深層土壤氮素流失問題得以避免。

苜蓿在生長過程中對磷素的消耗很大，尤其是表層土壤；小麥和苜蓿間套作在提高根系層土壤磷活性（肥力）的同時也加劇了磷素的消耗，所以在生產實踐中磷肥的施用對保障這一系統生產來說很關鍵。雖然苜蓿對表層土壤鉀素消耗也很大，但在小麥/苜蓿間套體系中會使全剖面土壤鉀素的消耗比例得以優化，故可以少施甚至不施鉀肥。

致謝：試驗過程中得到劉飛、趙圓峰等人的幫助，山西省臨汾氣象局提供氣象資料，在此表示誠摯的感謝。

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