末茬紫花苜蓿套作飼用燕麥的種植模式研究

李小鵬， 趙宇星， 王永新， 李德穎， 董寬虎， 趙 祥*

(1. 山西農業大學動物科技學院， 山西 太谷 030801； 2. 北達科他州立大學植物科學系， 北達科他 法戈 58108)

套種作為一種復種系統，不僅可以提高作物的光合效率，而且增加水肥等資源的利用效率，并能夠適度改良土壤根際的微環境、抑制雜草滋生和預防病蟲害[1]。豆禾植物間套作不僅可以增加土壤和植物的氮素含量[2]，而且可以刺激C的相關功能變量，導致礦物氮釋放增加，致使土壤內氮素增加，可以減少氮肥的用量[3]。間套作雖然會降低植物的生物量積累，但能夠提高兩種植物的氮素含量，提高品質[4]。研究表明，套作能夠提高植物開花期吸氮量、成熟期的籽粒產量、地上部植株的總生物量[5]。大多數研究認為土壤有機碳是土壤養分變化的原動力[6]，土壤有機碳對土壤養分供應有著深刻的影響，單一作物會嚴重降低土壤有機碳(SOC)的含量，間套作與單作相比對土壤有機碳、氮(庫)等特性均有積極的影響[7]，合理的間套作系統能夠提高土壤根際微生物碳(MBC)含量[8]。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是重要的飼草，由于苜蓿的秋眠性使得進入秋季最后一茬苜蓿相對產量不高[9]，而我國北方進入8月下旬或9月上旬相對于春季有較充足的雨水和較高的熱量，可以利用飼用燕麥(AvenasativaL.)生長季節短的特性在苜蓿最后一茬進行套作，目的是充分利用季節(時間)、土地來增加飼草總產量，但這種種植模式對苜蓿未來生長、產量、營養價值、土壤特性等方面均不清楚，因此本試驗通過對最后一茬紫花苜蓿套種飼用燕麥的模式進行研究，比較模式間土壤養分的變化，揭示末茬紫花苜蓿套種飼用燕麥模式對土壤的影響，為選擇合理的套作模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省晉中市太谷縣山西農業大學草業科學系試驗田(112°38′ E、37°42′ N)，位于山西晉中盆地東北部。屬溫帶大陸性氣候，海拔799 m，年降水量為450～573 mm，降水集中在6—8月份，年積溫為3 900～4 100℃，年均溫9.5～10.5℃，無霜期160～175 d。主要土壤類型為褐土，土壤pH 8.3，有機質18.56 g·kg-1，全氮0.76g·kg-1，堿解氮15.21 mg·kg-1，速效磷10.5 mg·kg-1，速效鉀90.8 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

試驗材料紫花苜蓿品種為美國培育品種‘WL366’，秋眠級3.9；燕麥品種‘領袖’為產草型早熟品種，為加拿大培育品種；燕麥品種‘貝勒’為兼用型中晚熟品種，為加拿大培育品種。3種供試材料均來自于北京正道生態科技有限公司。

1.3 試驗設計

試驗采用裂區設計，紫花苜蓿(WL366)行距(R)為主區，行距為30 cm(R1)和40 cm(R2)，燕麥播種日期(S)和品種(V)為副區，種植日期為苜蓿刈割第二茬后7天(S1)和11天(S2)；品種為早熟品種(領袖，V1)和中晚熟品種(貝勒，V2)，紫花苜蓿(CK1)、燕麥早熟品種(CK2)和中晚熟品種(CK3)單播為對照，對照樣地行距為30 cm。行距、種植日期、品種組合8個復合模式及3個單播對照，共11個處理(表1)，重復3次，共33個小區，小區面積為15 m2(3 m×5 m)。紫花苜蓿播種2017年5月 10 日，苜蓿在初花期刈割，第一茬為2017年7月 15 日，第二茬為2017年8月 25 日，燕麥播種日期為2017年9月 1日和 5日。

表1 試驗處理Table 1 Overview of different treatments

1.4 樣品采集和測定指標

土樣于飼草收獲(套作模式中飼草于燕麥乳熟期至蠟熟期刈割)后及時采集，在每個小區中隨機選取3個點，用直徑5 cm的土鉆分0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，去除根系等雜物帶回實驗室。一部分土樣用于土壤含水量的測定，另一部分土樣風干后用于土壤養分的測定。飼草產量(2018年)于苜蓿初花期、燕麥乳熟期至蠟熟期進行刈割，刈割前去除小區邊行及兩端50 cm，留茬5 cm，刈割后稱鮮重，測定系統鮮草產量。

生長速率，在種植后第二年(2018年)，分別以不同種植模式內的10株苜蓿(種植燕麥前標記)作為觀察對象，在牧草初花期測定植株高度。生長速率=(植株高度/天數)。

存活率，在種植后第二年(2018年)，分別選取不同種植模式內3段不同行的“50 cm”苜蓿作為觀察對象，在燕麥種植前(植株總數)和刈割前(存活株數)測定苜蓿苗數。存活率=(存活株數/植株總數)×100%。

返青率，分別以不同種植模式內的10株苜蓿(在2017年入冬前標記)作為觀察對象，在返青期(2018年3月25日)測定返青枝條。返青率=(返青枝條數/枝條總數)×100%。

土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮采用凱氏定氮法(KjeltectTM8200，瑞典FOSS Tecator公司)，土壤堿解氮采用擴散法，土壤全磷采用硫酸一高氯酸消煮法，土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，土壤速效鉀采用乙酸銨提取法[10]，土壤pH以水為浸提液，使用酸度計測定[10]。

1.5 數據分析

所有試驗數據均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進行數據統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同處理間土壤養分和產量的差異顯著性，使用相關分析法評價土壤養分各因子與有機碳之間的相關關系。使用SigmaPlot 13.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同套作模式對苜蓿生長的影響

如表2所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理的株高和生長速率在所有處理中最高，分別為71.98 cm和1.60 cm·d-1，與苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種處理和苜蓿行距30 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種種植模式處理存在顯著差異外，與其它種植模式差異不顯著(P>0.05)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理的存活率在所有處理中最高，為98.67%，與其它處理差異不顯著(P>0.05)。苜蓿對照返青率在所有處理中最高，為83.04%，與苜蓿行距30 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種種植模式處理存在顯著差異外，與其它種植模式差異不顯著(P>0.05)。

2.2 不同套作模式對飼草產量的影響

如表3所示，在苜蓿產量中，苜蓿對照產量在所有處理中最高，為62 513.32 kg·hm-2，與苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種處理和苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種種植模式處理以及苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種處理不存在顯著差異外，均顯著高于其它種植模式(P<0.05)。在燕麥產量中，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種處理在所有處理中產量最高，為8 450.22 kg·hm-2，與苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種處理和苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種處理以及燕麥早晚熟對照處理差異不顯著外，均顯著高于其它種植模式(P<0.05)。

苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理的總產量在所有處理中最高，為70 486.70 kg·hm-2，均顯著高于其它種植模式(P<0.05)。

表2 不同種植模式的苜蓿生長比較Table 2 Comparison of growth characteristics under different treatments

注：同列不同字母表示顯著差異(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

表3 不同種植模式下的飼草產量Table 3 Comparison of forage yield in under different treatments

2.3 不同套作模式對土壤pH的影響

不同處理間各土層的土壤pH差異表現各異(圖1)。苜蓿行距40 cm +刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理在0～10 cm，10～20 cm土層的pH值是所有處理中最低的，分別為8.18，8.25。苜蓿行距40 cm +刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理0～10 cm土壤pH極顯著低于苜蓿行距30 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種、苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥晚熟品種種植模式(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式10～20 cm土壤pH極顯著低于苜蓿對照(P<0.01)、苜蓿行距30 cm+刈割后7天播種燕麥早、晚熟品種(P<0.01)、苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種種植模式(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式20～30 cm土壤pH值為8.4，與其它處理差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同種植模式下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層pH的比較Fig.1 Comparison of pH in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments注：圖中各處理間相同大寫字母者表示彼此間不存在極顯著差異(P<0.01)，相同小寫字母表示彼此間不存在顯著差異(P<0.05)，下同Note:Those with the same uppercase letters in each figure indicate that there is no significant difference between them (P<0.01),and those with the same lowercase letters indicate that there is no significant difference between them (P<0.05). The same as below

2.4 不同套作模式對土壤養分的影響

2.4.1不同套作模式對土壤全氮的影響 如圖2所示，其中苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理的全氮量在所有模式中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30土壤全氮含量分別為1.34 g·kg-1，0.78 g·kg-1，0.67g·kg-1。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式0～10 cm土層全氮極顯著高于其它種植模式(除了苜蓿行距30 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種外)(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式10～20 cm土壤全氮極顯著高于燕麥早熟品種、苜蓿行距30 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式(P<0.01)。苜蓿行距為40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式20～30 cm土壤全氮極顯著高于其它種植模式(除了燕麥早熟品種、苜蓿行距30 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種種植模式)(P<0.01)。

圖2 不同處理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層全氮的比較Fig.2 Comparison of total N in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

2.4.2不同套作模式對全磷的影響 如圖3所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式各個土層全磷含量在所有模式中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤全磷分別為0.67 g·kg-1，0.54 g·kg-1，0.56 g·kg-1。

2.4.3不同套作模式對堿解氮的影響 如圖4所示，0～10 cm，10～20 cm土層，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理的堿解氮在所有處理中最高，分別為20.73 mg·kg-1，17.66 mg·kg-1。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式0～10 cm土壤堿解氮極顯著(P<0.01)高于苜蓿對照及苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥早熟品種處理。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理10～20 cm土壤堿解氮極顯著高于苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥晚熟熟品種處理(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理20～30 cm土壤堿解氮在所有處理中最低，為14.66 mg·kg-1。

2.4.4不同套作模式對速效磷的影響 如圖5所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理的速效磷含量在所有處理中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤速效磷分別為19.36 mg·kg-1，17.24mg·kg-1，15.25 mg·kg-1。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理0～10 cm速效磷極顯著(P<0.01)高于苜蓿行距40 cm+刈割后11天播種燕麥早、晚熟品種種植模式處理。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理10～20 cm速效磷極顯著(P<0.01)高于苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式20～30 cm速效磷極顯著(P<0.01)高于其它種植模式(除燕麥早熟品種對照外)。

圖3 不同處理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層全磷的比較Fig.3 Comparison of Total P in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

圖4 不同處理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層堿解氮的比較Fig.4 Comparison of available N in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

圖5 不同處理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層速效磷的比較Fig.5 Comparison of available P in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

2.4.5不同套作模式對速效鉀的影響 如圖6所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理土壤速效鉀在所有處理中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤速效鉀分別為200.44 mg·kg-1，112.70 mg·kg-1，94.90 mg·kg-1，極顯著(P<0.01)高于其它種植模式(除20～30 cm苜蓿行距30 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式外)。

圖6 不同處理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層速效鉀的比較Fig.6 Comparison of available K in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

2.5 不同套作模式對土壤有機碳的影響

如表4所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式處理土壤有機碳含量在所有處理中最高，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層有機碳含量分別為15.12 g·kg-1，11.03 g·kg-1，8.36 g·kg-1，顯著(P<0.05)高于其它種植模式(除0～10 cm苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種、20～30 cm苜蓿行距30 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種、苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥晚熟品種種植模式外)。

表4 不同套作模式對土壤不同土層有機碳含量的影響Table 4 Effect of different treatments on soil organic carbon content in different soil layers

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level

2.6 土壤有機碳與土壤特性的相關性

土壤有機碳與養分存在明顯的關系(表5)。0～10 cm土層中，有機碳與pH存在極顯著負相關關系，與全氮、全磷、速效磷、速效鉀呈極顯著正相關關系，與堿解氮呈顯著正相關關系。10～20 cm土層中，有機碳與與pH存在極顯著負相關關系，與全氮、全磷、速效磷、堿解氮呈極顯著正相關關系，與速效鉀呈顯著正相關關系。20～30 cm土層中，有機碳與全氮、全磷呈極顯著正相關關系，與速效磷、速效鉀呈顯著正相關關系，與pH、堿解氮相關性不顯著。

表5 土壤有機碳與土壤特性的相關性Table 5 Correlation Analysis between soil organic carbon and physical and chemical properties

注：**表示極顯著相關，*表示顯著相關

Note：** indicate significant correlated at the 0. 01 level;* indicate significant correlated at the 0.05 level

3 討論

3.1 不同套種模式對苜蓿生長特性和產量的影響

合理的間套作種植系統對主作物的生長特性沒有影響[11]，本試驗的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的苜蓿株高、生長速率、存活率、返青率與苜蓿單作均沒有顯著性差異。其原因可能為合理的間套作模式再促進資源獲取的生態相互作用，其中至少有利于一種植物，并且輔助使用資源，以改善低營養或低水資源利用環境中的植物生產和質量[12]，有研究表明，間套作可以顯著提高植物的株高，主莖分枝數[13]。本試驗的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的產量較單作明顯增加，且通過控制種群的密度可以降低種群之間的競爭力，以達到增加產量的目的[12]，本試驗的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的總產量較苜蓿行距30 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的產量明顯增加，且該種植模式末茬苜蓿產量較高，因此合理的種植密度和復合群體結構是高產的關鍵[14]。

3.2 不同套種模式對土壤養分的影響

間套作種植系統對田間水分平衡沒有影響，但是苜蓿套作與其單作相比較，土壤含水量明顯提高[15]，本試驗的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的土壤含水量較單作在各個土層的土壤含水量均明顯增加，這與前人研究一致，其原因可能為該模式田間株叢密度茂密，能夠有效的減少土壤水分蒸發和保持土壤的含水量。

間套作綠肥植物能夠顯著提升土壤的養分含量[16]。本試驗的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的土壤全氮、堿解氮含量較單作0～10 cm明顯增加，原因是豆科植物和禾本科植物間套作時，豆科和禾本科間套作植株生長靠近，導致根系緊密，禾本科吸收豆科根際的化合氮，排除豆科根瘤菌的氮阻礙，促使豆科更好的結瘤固氮，增加土壤的氮素[17]。間套作還可以提升土壤速效磷、速效鉀、有機質的含量[16]，本試驗的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式的土壤氮、磷、鉀含量、含水量均比其它處理要高，其原因可能為豆科植物與非豆科植物套種時，根際之間要有一定的距離，以避免競爭資源，如光和水[12]，以及早熟品種和播期在氣候和季節上更加適宜[18]。與單作相比，合理的間套作可以顯著提高產量[19-20]，因此，合理的種植密度和時間，以及品種，能夠有效提高系統內植物的生長特性和土壤的特性，進而反映出牧草產量的增加。因此本文對紫花苜蓿末茬套種燕麥的研究結果是對以往研究的補充。

土壤有機碳是生態系統中極其重要的生態因子[21]，同時也是反映土壤質量狀況的綜合指標[22]。套種對土壤有機碳的影響顯著，間套作豆科植物在一定程度上能夠提高土壤有機碳的含量[23]，本試驗中苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式各土層的有機碳含量均高于苜蓿、燕麥單作。有研究表明，間套作豆科作物的模式中，豆科的固氮作用可以降低土壤的C/N，使其加速分解，進而提高土壤有機碳含量[24]，這與本研究的結果一致。

有研究表明，土壤的有機碳與土壤的pH有著明顯的負相關，即土壤有機碳隨著pH的升高而降低[25]，這與本研究一致，土壤有機碳與pH在0～10 cm、10～20 cm存在極顯著負相關關系，而20～30 cm土層呈不顯著的負相關關系，可能原因是試驗地土壤為堿性，土壤有機碳積累量較小。但也有研究表明土壤有機碳與pH存在顯著正相關關系[26]，可能土壤有機碳與pH的關系需要將pH界定在一個范圍之內[27]，其真實原因有待進一步研究。土壤有機碳與土壤全氮存在極顯著正相關關系[28-29]，土壤有機碳與全磷、速效磷、速效鉀均存在顯著正相關[30]，土壤有機碳的增加，意味著土壤pH下降、氮磷鉀含量增高[25]，因此在套種模式中，有機碳也可以作為評價土壤肥力的一個指標。

4 結論

苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式在不顯著影響苜蓿生長特性的同時，極顯著地降低耕作層(0～20 cm)的土壤pH值(P<0.01)，顯著增加土壤含水量(P<0.05)、土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀、有機碳含量、顯著增加套作系統產量(P<0.01)。土壤有機碳與pH在0～10，10～20 cm土層呈極顯著負相關關系，與氮磷鉀，含水量呈極顯著正相關關系。從生長特性，產量、土壤養分的角度看，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播種燕麥早熟品種種植模式最為適宜。