不同豆禾牧草混播對土壤質地及肥力的影響

霍雅媛，曹 宏，柴守璽,張述強

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070；3.隴東學院農林科技學院，甘肅 慶陽 745000)

建立人工草地是發展集約化草地畜牧業、實施生態恢復與系統重建和可持續發展戰略的重要措施[1]。從農業生產和家畜養殖角度考慮，建立人工草地不僅要獲得高而穩定的牧草產量，還應使多種牧草(豆科、禾本科)有比例地均衡發展；從生態學方面考慮，群落結構與功能也應具有穩定性[2]。合理的牧草品種組合是實現產量和組分雙重穩定的前提，也是維系干擾穩定性的主要途徑[3-5]。因此，建立高產、優質和穩定的混播草地群落是降低人工草地建植與管理成本，提升其經濟生態效益的關鍵[2]。趙海新、Sturludottir等[6-7]研究表明，不同豆科與禾本科牧草混播草地具有高產、優質和穩定的特點，是栽培草地的重要發展方向。與單播草地相比，混播草地不僅可改善草地生態系統氮素營養平衡[8-9]，在提高草地質量或產量方面具有優勢[10-12]，還在改善土壤肥力、實現系統可持續生產方面具有明顯作用[13-15]。因此，豆禾混播草地往往成為許多地區人工草地建植的首選類型[16]。

隴東地區位于西北干旱半干旱地區，區域內干旱少雨，溝壑縱深，坡耕地面積大，屬于農牧交錯地區，也是甘肅省牧草種植和家畜養殖的傳統區域。目前，關于豆禾混播草地的研究主要集中在混播后(與單播草地相比) 牧草產量、牧草品質或生產性能的改善[17-18]，穩定性的提高[19]，種間競爭過程[20]，以及土壤氮、磷、碳等養分的變化上[21-23]，而對于混播群落自身結構對土壤養分影響的差異關注較少[24]。因此，本文以慶陽市西峰區旱地人工建植牧草為例，研究了不同豆禾牧草混播組合及混播比例下土壤結構和有效養分的變化規律，旨在探索黃土高原地區不同類型人工草地對土壤肥力的影響,為旱地人工草地建植與持續利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省慶陽市西峰區隴東學院試驗農場(107°40′E，35°44′N，海拔1 421 m)，屬于黃土高原隴東半干旱氣候區，年日照總數2 400～2 600 h，年無霜期160～180 d，年降水量400～600 mm，降雨多集中在7—9月，年平均氣溫10℃。試驗地土壤類型以黑壚土為主，有機質含量為1.33%，全氮含量為0.9 g·kg-1，速效氮含量為51.2 mg·kg-1，全磷含量為0.87 g·kg-1，速效磷含量為11.9 mg·kg-1，速效鉀含量為179 mg·kg-1，土壤肥力中下等，地勢平坦，前茬作物為玉米。

1.2 試驗材料及試驗設計

試驗采用雙因素隨機區組設計。A因素為豆禾混播種類：豆科為紅豆草，禾本科為黑麥草、無芒雀麥、冰草，設3個處理，其中A1為紅豆草×黑麥草，A2為紅豆草×無芒雀麥，A3為紅豆草×冰草；B因素為豆禾混播比例，設7個處理，其中豆禾比例5個，為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3，分別用B1、B2、B3、B4、B5表示，2個對照為：紅豆草單播、禾草單播，分別用CK1、CK2表示，共17個處理(見表1)，每處理重復3次。試驗小區面積為5 m2(2 m×2.5 m)，行距為20 cm，處理間距為50 cm，重復間距為100 cm。試驗于2017年3月播種。每個處理均在自然條件下生長，無灌溉與施肥條件。

表1 試驗處理

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤容重 2019年5月22日于試驗田0～20 cm處取樣，采用環刀法[25]，在每個小區隨機選取具有代表性的一整塊土壤，剝去因土壤表面與土鍬接觸而變形的部分，用環刀取樣，然后將環刀置于環刀盒內，運回實驗室進行測定。

1.3.2 土壤孔隙度 一般不直接測量，可根據土壤容重和比重計算而得。計算公式：土壤孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100(容重單位為g·cm-3，比重一般為常值,為2.65 g·cm-3)

1.3.3 土壤團聚體 取樣時間和深度同上，采用隨機取樣法，在每個小區隨機選取具有代表性的一整塊土壤，剝去土壤表面與土鍬接觸而變形的部分，均勻地取回未變形的土樣(約2 kg)，置于封閉的鋁盒內，運回實驗室。將土塊剝成10～12 mm直徑的小塊，除去粗根和石塊，避免受機械壓力而變形，然后將樣品風干2～3 d，至樣品變干為止，采用機械篩分法[25]測定土壤團聚體。

1.3.4 土壤有機質的測定 2019年3月21日采用隨機取樣法于試驗田取樣，在每個小區隨機選取具有代表性的3個點，用土鉆分別在0～10、10～20、20～40 cm處取樣，然后采用四分法除去多余的土樣，把試驗所需的土樣做好標記帶回實驗室，自然風干5～7 d后將土樣研磨，使其全部通過18目篩，采用重鉻酸鉀容量法[26]測定土壤有機質含量。

1.3.5 土壤速效養分的測定 土壤速效氮、速效磷、速效鉀的取樣時間、方法和樣品處理同上。土壤速效氮采用堿解擴散法測定(用1.0 mol·L-1NaOH處理土壤，使易水解態氮(潛在有效氮)堿解轉化為NH3，NH3擴散后為H2BO3所吸收，再用標準酸溶液滴定，算出土壤速效氮含量)；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定(用0.5mol·L-1NaHCO3浸提劑、無磷活性炭處理土壤，再加顯色劑測吸光度，算出土壤速效磷含量)；土壤速效鉀采用火焰光度法測定[26](用1.0 mol·L-1NH4OAc作為浸提劑與土壤膠體陽離子交換，NH4OAc浸出液用火焰光度計直接測定，算出土壤速效鉀含量)。

1.4 數據處理與分析

試驗所得數據利用SPSS 20.0和Excel 2010進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 不同豆禾牧草混播方式對土壤容重、土壤孔隙度的影響

土壤容重的大小反映土壤結構、透氣性、透水性以及保水能力的高低，一般土壤容重越小說明土壤結構、透氣透水性能越好；土壤孔隙度的作用是通氣、通水和保水，也可貯存土壤有機質。二者對促進改善土壤疏松度的效果最好，進而改善土壤肥力[27]。從表2可知，不同豆禾混播的組合及比例對0～20 cm耕作層土壤容重及孔隙度的影響表現各異，其中A1B1、A1B2、A2B3、A3B2、A3B4處理的結果較好，A2B2處理的結果最好。與CK1相比，A2B2土壤容重減少了7.25%，土壤孔隙度含量增加了8.14%；與CK2相比較，A2B2土壤容重減少了9.86%，土壤孔隙度含量增加了10.81%。

表2 不同混播方式對土壤容重、孔隙度的影響

2.2 不同豆禾牧草混播方式對土壤團聚體的影響

從表3可知，不同豆禾混播的組合及比例對0～20 cm耕作層中團粒結構(≥0.25 mm)的影響表現各不相同，其中A2B3和A3B1組合的總團聚體含量較高(11.10%和8.65%)，A2B2組合總團聚體含量最高(17.13%)。與CK1相比較，A2B2土壤總團聚體含量增加了13.56%；與CK2相比較，A2B2土壤總團聚體含量增加了13.45%。由此可見，A2B2組合對土壤團聚體的改善效果最好，即當紅豆草∶無芒雀麥=4∶6時對改善土壤團聚體的效果最明顯，進而使土壤質地得到相應的改善。

表3 不同混播方式對土壤團聚體的影響/%

2.3 不同豆禾牧草混播方式對土壤有機質的影響

不同混播組合方式對土壤有機質含量的影響表現見圖1。在0～10 cm土層，A1C1、A1B1、A1B2、A1B3、A1B4、A1B5、A2B1、A2B2、A2B3、A2B4、A2B5各處理表現差異顯著(P<0.05)；A3B1、A3B3、A3B4、A3B5顯著低于其他處理(P<0.05)；在20～40 cm土層,A3B1、A3B3、A3B4、A3B5與其余各處理相比，差異不顯著(P>0.05)。

由此可見，不同豆禾混播組合及混播比例能顯著提高土壤有機質的含量，其中A1B2組合對土壤有機質的提升效果最好，其土壤有機質含量為4.57%～5.83%，分別比CK1、CK2增加了40.3%、31.0%，故而對增加土壤有機質含量的效果最明顯，使土壤肥力得到相應的改善。

2.4 不同豆禾牧草混播方式對土壤主要養分的影響

2.4.1 不同豆禾牧草混播方式對土壤速效氮的影響 由圖2可知，在0～10 cm土層內，不同豆禾混播處理對土壤速效氮的影響，相比于CK1、CK2都有所增加，增幅分別達3.0%～27.7%、1.4%～41.3%，其中A1B1、A2B1、A2B5、A3B2、A3B5顯著低于其余處理(P<0.05)；在10～20 cm土層內，A1B2、A1B3顯著低于其余處理(P<0.05)，但也比CK1、CK2高；在20～40 cm土層內，僅有A2B2顯著高于其余處理(P<0.05)，其余處理間差異不顯著(P>0.05)。

總體來看，A2B2在各個土層內與其它處理差異達到顯著水平，其土壤速效氮含量為51.42～81.75 mg·kg-1，分別比CK1、CK2增加了20.1%、16.1%，即當紅豆草∶無芒雀麥=4∶6時對增加土壤速效氮含量的效果最好。

2.4.2 不同豆禾牧草混播方式對土壤速效磷的影響 由圖3可知，在0～10 cm土層內，不同豆禾混播組合方式對土壤速效磷的影響，A1B1、A3B2、A3B4顯著低于其余各處理(P<0.05)；在10～20 cm土層內，A2B4、A3B2、A3B4顯著低于其余各處理(P<0.05)；在20～40 cm土層內，A2B4、A3B2顯著低于其余各處理(P<0.05)。綜上可知，在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層中，各處理與CK1、CK2相比，其土壤速效磷含量都有所增加，增幅分別達21.1%～93.3%、31.9%～91.1%。其中，A2B3組合磷含量最高(31.39、27.08、27.87 mg·kg-1)。

圖3 不同混播方式對土壤速效磷的影響Fig.3 Effects of different mixing methods on available soil phosphorus

2.4.3 不同豆禾牧草混播方式對土壤速效鉀的影響 由圖4可知，在0～10 cm土層內，不同混播組合方式對土壤速效鉀的影響，A2B4、A2B5、A3B1與其余各處理相比差異顯著(P<0.05)，其中A2B2的土壤速效鉀含量為143 mg·kg-1，且最高，相比CK1、CK2分別提高了13.5%、19.1%；在10～20 cm土層內，A2B5、A3B1顯著低于其它處理(P<0.05)；在20～40 cm土層內，各處理間無顯著差異(P>0.05)，但土壤速效鉀含量都比對照高?？傮w而言，A2B2的土壤速效鉀含量最高，即當紅豆草∶無芒雀麥=4∶6時對增加土壤速效鉀含量的效果最明顯。

圖4 不同混播方式對土壤速效鉀的影響Fig.4 Effects of different mixing methods on available soil potassium

3 討論與結論

3.1 不同豆禾牧草混播方式對土壤物理性質的影響

土壤結構通常是指土壤中形態各異的團聚體所占土壤的比重，也包括這些團聚體的機械穩定性和孔隙性等[28]。土壤結構是土壤肥力的基礎，相較于單播區，豆禾混播區土壤物理性質有較大的改善，土壤容重降低，孔隙度提高，土壤三相比則更加協調[29]。 本研究發現，在土壤淺層(0～20 cm)，A2B2的結果是最好的，與CK1、CK2相比，土壤容重分別降低了7.25%、9.86%，總團聚體和孔隙度分別增加了13.56%、11.68%和13.45%、10.81%。因此，因地制宜地開展豆科與禾本科牧草混播，能顯著改善土壤物理結構，有利于抗旱、保墑，不易產生地表徑流，而且對提高土壤肥力具有重要意義。

3.2 不同豆禾牧草混播方式對土壤養分的影響

溫仲明等[30]研究表明,由表層向下土壤養分含量逐漸減少,0～10 cm土層有機質、速效氮和速效鉀含量最高,這與大多數草地土壤養分的垂直分布規律相似。本試驗結果表明：(1)在不同土層，隨著豆科牧草比例的增大和禾本科牧草比例的減少，土壤有機質、速效磷、速效鉀都呈減少趨勢，而豆禾比為4∶6時值最大，方差分析表明對土壤肥力有顯著影響。(2)土壤速效氮隨著豆禾比例的增大呈先增后減趨勢，在4∶6時最大。因此，在豆禾混播草地中簡單增加豆科或禾本科牧草的比例，可能并不能顯著增加土壤養分供給，只有合理的豆禾比例與組合搭配才能顯著改善土壤養分的供給。(3)土壤速效鉀在合理的種植方式下含量都有所增加，其中A2B2(紅豆草∶無芒雀麥=4∶6)的含量增加幅度最大，但相比土壤的基礎肥力來說，含量還是有所下降。