切根和施氮對退化羊草草地土壤理化性質的影響

陳積山， 孔曉蕾， 朱瑞芬， 張 強， 邸桂俐， 康欣彤， 陸 娟

(1. 黑龍江省農業科學院草業研究所， 黑龍江省 哈爾濱150086； 2. 甘肅省蘭州植物園， 甘肅 蘭州730070)

羊草(Leymuschinensis)是我國典型草原和草甸草原的主要優勢牧草，為多年生根莖型禾草，且具有十分發達的地下根莖系統，營養繁殖力很強，地上枝條均勻分布，葉量很大，適口性好、營養價值高[1-2]。因此羊草草原是經濟價值最高的天然放牧場和最優質的割草地資源，為畜牧業牲畜越冬提供了優質的飼草，是發展畜牧業的物質基礎[3-4]。

近年來，羊草草原長期持續超限利用和不合理的生產管理，導致羊草種群密度和生物量顯著降低[4]。同時，羊草草地土壤呈現退化。目前，退化羊草草地改良的研究一直是熱點，已有的改良方法包括淺耕翻，耙地，深松和切根[5-9]，能改善土壤結構、增加土壤養分，促進根莖禾草生長，改善群落結構，其有效性已有較多研究論證。但是，未見利用專業羊草草地切根松土機[10]進行切根改良，并分析草地土壤理化性質及其地上生物量變化的研究報道。此外，施肥是改良草地的有效措施之一，氮素對羊草種群具有顯著的調節效應，草地施肥有助于草地生產力的恢復和提高，對羊草草原有明顯的增產效果[11-18]。但目前關于切根施氮互作對退化羊草草地土壤理化性質的影響的研究較少。

因此，本研究以綏化地區退化羊草草地為研究對象，采用二裂式裂區試驗設計的方法，進行了切根和施氮互作處理改良退化羊草草地的試驗，從其對退化羊草草地土壤理化性質的角度進行剖析，以期為制定本地區羊草草地的高產培育技術標準提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地

本試驗在黑龍江農科院草業研究所蘭西實驗基地(45.2° N，122.6° E)進行。該區域屬于大陸性季風氣候，最高氣溫38℃，最低氣溫-30℃，≥10℃年活動積溫2 887℃,無霜期139 d左右。土壤類型以草甸土為主。土壤鹽堿呈現輕、中、重三級鹽堿化，其土壤全鹽量變化范圍為0.157%～0.318%，土壤pH值在8.12～10.08。植被類型為羊草+雜類草草甸草原。主要物種有羊草(Leymuschinensis)、五脈山黧豆(Lathyrusquinquenervius)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、冰草(Agropyroncristatum)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)。研究區羊草草地長期圍欄禁牧，以刈割利用為主。

1.2 試驗設計

試驗為二裂式裂區試驗設計，主區處理為切根處理(Q)，設置2個水平，切根寬度20 cm的條形切根方式(Q20)和切根寬度40 cm的井字型切根方式(Q40)。切根時間在返青后10 cm深處土壤的5天滑動平均溫度穩定在5℃以上。切根設備采用中國農業大學研制的9QP-830型盤齒式草地破土切根機(統一要求切根深度15 cm)。裂區處理為副處理(施氮，N)，設置4個水平，不施氮肥處理(N1)，1 kg N·畝-1(N2)，2 kg N·畝-1(N3)，4 kg N·畝-1(N4)。氮肥梯度的依據是本區域長期土壤氮素監測值進行設定。氮肥施用時間為第一次在返青切根后施入，第二次在刈割一次后施入。兩次施氮量分別為總量的60%(第一次)和40%(第二次)。試驗區全年進行兩次刈割管理，分別在羊草進入抽穗期(或羊草株高達到40 cm時)進行第一次刈割，第二次刈割在霜前1個月進行，留茬高度8 cm。為了避免收獲作業對臨近裂區造成嚴重影響，設置了較寬的裂區間以及主區間距的間距，同時試驗地邊界建立圍欄防護，防止人畜自由進入。

1.3 測定項目和方法

年植物生物量分別在6月和9月在各樣地內隨機選的3個樣方，分別調查樣方內的植物種，測定自然高度，每個樣方內隨機選取株羊草測定其自然高度取平均值，種蓋度(目測法)和密度。采用收獲法：齊地面剪下測量植物群落的地上生物量。同時，土壤樣品與植物樣品采集一并進行。用直徑為2.5 cm土鉆在每個試驗處理中取0～10 cm深土樣共計3鉆。將3鉆土樣均勻混合成1份混合土樣，從中選出300 g，裝進布袋并做好標記，帶回后在室內及時攤開，使土樣充分自然風干，將風干的土樣經過粉碎再過篩2 mm后去除石子、葉片殘枝等雜物，然后用研缽研磨土壤后分別過1 mm和0.149 mm(100目)的土壤篩密封保存置于室內避光處，以備測定土壤全氮(soil total nitrogen content,STN)、全磷(soil total phosphorus content,STP)、速效氮(soil available nitrogen,SAN)、速效磷(soil available phosphorus,SAP)的含量。STN、STP用H2SO4-K2SO4-Cu2SO4催化法消解，消煮后的樣品經過濾、稀釋、定容后用AutoAnalyzer3(AA3)連續流動分析儀測定。土壤速效氮含量是指硝態氮(soil nitrate nitrogen,SNO3)和銨態氮(soil ammonium nitrogen,SNH4)的總和，因此對SNO3和SNH4進行分別測定，土壤經過2 mol·L-1的KCl溶液浸提、過濾、定容后，用AA3連續流動分析儀測定。SAP采用硫酸鉬梯抗比色法測定。樣品中N、P元素以單位質量樣品中各元素的濃度表示。

1.4 數據統計分析

本試驗所有測定數據采用SPSS 17.0軟件分析。為了裂區試驗誤差項的再分解，需要編寫SPSS 17.0命令語言進行。所有圖形輸出均來自SPSS 17.0軟件。

2結果與分析

2.1 切根施氮對草地土壤物理性質的影響

試驗期間分別對6月、9月測定的土壤容重進行分析(表1)，方差結果表明，土壤容重(5～10cm)在區組間、施氮副處理、切根施氮(Q×N)互作均不顯著，但在主處理間顯著差異。這說明切根方式(Q20和Q40)顯著影響6月和9月的土壤容重。

通過6月份土壤容重的均值比較(圖1)，Q40對土壤容重的降低程度顯著高于切根Q20對容重的影響。同理，Q40較Q20顯著降低9月份土壤容重。其中Q40處理的6月份土壤容重達到1.115±0.070 kg·m-3，在9月份達到1.050±0.051 kg·m-3，且顯著低于對照(無切根處理)。

表1 切根對土壤容重的方差分析Table 1 Variance analysis of cutting root on soil bulk density

圖1 土壤容重的均值比較(6月份和9月份)Fig.1 Comparison of the mean values of soil bulk density (June and September)

2.2 切根施氮對草地土壤全氮、全磷、有機質的影響

切根施氮對草地土壤全氮全磷的影響如表2和表3所示，土壤全氮(6月份)在區組間、主處理、副處理間均不顯著，但切根施氮互作(Q×N)顯著提高土壤全氮(6月份)。這說明切根方式和施氮的作用不是彼此獨立的，而是互相作用的。切根方式對土壤全氮(6月份)的影響效應會因施氮水平的不同而有所不同，即它們存在關聯性。同理(表2)，切根施氮互作(Q×N)顯著影響土壤全磷含量(6月份)和有機質含量(9月份)。

表2 切根施氮對土壤全氮和有機質的影響Table2 The effects of cutting root and nitrogen application on total phosphorus and organic matter of soil

表3 切根施氮對土壤全磷和有機質的影響Table3 The effects of cutting root and nitrogen application on total nitrogen and organic matter of soil

2.3 切根施氮互作對草地產量的影響

切根施氮互作組合的方差分析表明，8個互作組合對草地產量的影響存在顯著差異(F=3.799,P=0.011)。多重比較表明，組合Q40N4對草地產量的影響顯著高于處理，其全年草地產量達到310.91±10.623 g·m-2，Q40N2處理的產量最小達到208.10± 14.326 g·m-2(表4)。

表4 不同組合對草地全年產量(干重)影響的多重比較Table 4 Multiple comparisons of the effects of different combinations on annual yield (DM) of grassland

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

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

2.4 草地產量與土壤理化指標間的相關性分析

通過相關性分析，全年產量(總干重)與切根前土壤有機質呈正相關(r=0.775，P<0.05)，與切根后10 cm土壤的容重呈負相關(r=0.165，P<0.05)，與9月份土壤的有機質和土壤全氮呈負相關(r=0.243，P<0.05)。

3 討論

關于施肥對草地群落影響的研究目前已取得了一些成果，李本銀[19]等在關于施肥對牧草群落結構的影響研究中發現施肥使得牧草群落種類增多、生物量增大、種群結構明顯改善、特別是在表施控釋肥的處理中出現了表征退化草地恢復的羊草。尤英豪[20]等在東北羊草草地的研究中得出施肥加速了羊草的生長、提高了牧草產量和蛋白質總量。關于切根對多年生紫花苜蓿產量的影響研究中發現施肥可以進一步增加切根草地的紫花苜蓿產量，可見，施肥對退化草地群落有明顯的改善效果。本研究也表明切根的主效應在施氮下顯著，只不過其效應的大小和方向依賴于施氮量不同。在對照參比下，8個切根施氮組合的產量均存在顯著差異。其中最大的互作組合(Q40N4)產量為310.91 g·m-2。本研究與前人施肥試驗的氮素添加量不同，何丹[21]等人研究結果施尿素量為50 kg ·hm-2時地上生物量的增幅最大，可增加229%～633%。潘慶民[22]等人研究結果施用80 g NH4NO3·m- 2時增加48.31%。奇立敏[23]等研究添加氮素30 kg N·hm-2時地上生物量達到最大時增加18%。本研究添加氮素60 kg N·hm-2時地上生物量達到最大，增加了23.4%，這表明在不同的羊草草地階段，群落或種群對環境資源的需求量也不盡相同，或者不同試驗區養分和水分相互作用也不同。

草地產量的形成與土壤理化指標密切相關。通過相關性分析，全年產量(總干重)與切根前土壤有機質呈正相關，與切根后10 cm土壤的容重呈負相關，與9月份土壤的有機質和土壤全氮呈負相關。為了進一步分析和解釋土壤理化指標對草地產量貢獻，對測定的6個土壤理化指標與草地全年產量(干重)進行典范對應分析(CCA)，土壤理化因子對草地產量的解釋量為0.007169/0.020940=34.23%。這表明土壤理化因子對草地產量的實際貢獻或形成僅為34.23%，這種解釋是否可信，需要進一步檢驗土壤因子對草地產量影響的顯著性。由表3可知，6個土壤因子對產量的解釋量經過蒙特卡羅置換檢驗實現(Monte Carlo permutation test)分析具有顯著性，其中全磷(P)是顯著影響該區域草地全年產量，是影響該區域草地產量的主要土壤限制因子，在提高該區域羊草草地產量方面建議加大對磷肥的使用量，解除該草地土壤長期存在的磷限制，以獲得較高的草地生物量。

表5 蒙特卡羅置換檢驗結果Table 5 The results of Monte Carlo permutation test

4 結論

井字型切根(Q40)較條形切根方式(Q20)顯著降低了土壤容重。切根條件下，施氮處理顯著提高土壤全氮和有機質。在所有切根施氮組合中，組合Q40N4(井字型切根寬度40 cm方式下施氮4 kg·畝)產量為310.91±10.623 g·m-2，顯著高于對照及其他處理。相關性和典范對應分析(CCA)表明，土壤理化因子對草地生物量的實際貢獻僅為34.23%。經蒙特卡羅置換檢驗表明，這種解釋是可信的，且磷(P)元素是顯著影響該區域草地全年產量的主要土壤限制因子。因此，建議加大對磷肥的使用量，解除該區域草地土壤存在的長期磷限制，以獲得較高的草地生物量。