覆膜種植對高寒區土壤水熱、養分和苜蓿越冬的影響

周洋洋, 景媛媛, 徐長林, 魚小軍

(甘肅農業大學草業學院， 草業生態系統教育部重點實驗室， 中-美草地畜牧業可持續發展研究中心， 甘肅省草業實驗室，甘肅 蘭州 730070)

青藏高原草地面積約占我國草地總面積的63.9%[1]，是我國傳統牧區之一，具有重要的經濟地位和生態地位[2-3]。該區域冷季漫長，暖季短暫，家畜“夏壯”、“秋肥”、“冬瘦”和“春死”現象較為普遍[4-6]，“常年放牧、靠天養畜”的傳統放牧模式制約著草地生態環境的保護和畜牧業的發展。此外，該區域高蛋白飼草極度匱乏，草原牧草無法滿足家畜生長和健康的要求，栽培粗蛋白質含量高的優質豆科牧草十分必要。

覆膜可改變土壤的質地、結構及水熱狀況來影響土壤微生物及土壤酶活性，從而影響土壤中養分的轉運效果[10]。覆膜處理使土壤水熱條件良好，作物根系生長旺盛，為微生物的生長提供了有利條件，這使得土壤有機質礦化加速[11]、土壤速效養分的含量增加[12-14]、土壤酶活性增加[15-16]。對半干旱區平地、坡耕地[12,17]、北溫帶季風區[18]的研究均發現，地表覆蓋可以顯著提高土壤中硝態氮、銨態氮、全氮和堿解氮含量，增加土壤肥力。但目前的一些研究認為，長期覆膜會使土壤養分過度消耗[19]，降低土壤肥力；還有學者認為地膜覆蓋阻礙了土壤與大氣間氣體交換，致使膜下氣壓增大，不利于土壤中植物、動物和微生物活動產物的積累，使土壤酶活性降低[20]。可見，覆膜對土壤養分和酶活性的影響結論不一致，這主要是土壤養分變化是一個復雜的生態過程，受到多方面因素的影響，如初始含量、施肥用量、耕作方式、種植制度、土壤質地、作物類型、氣候環境等因素[21]。

受限于寒冷、干旱以及栽培技術的影響，采用普通種植方式在高寒地區種植苜蓿，苜蓿生長緩慢。目前，覆膜技術發展成熟，已在干旱半干旱區域廣泛應用[7-8]，但在高寒區利用覆膜種植苜蓿并沒有大面積推廣示范。關于覆膜對高寒區苜蓿草地的研究主要集中在苜蓿形態特征、越冬率、土壤水分和溫度變化、膜下雜草的研究[9]。關于覆膜對高寒區苜蓿地土壤水熱影響下的氮素特征及酶活性的影響并沒有涉及。

本試驗在青藏高原東北緣的甘肅省武威市天祝高寒區設置壟溝覆膜(FMRF)、平膜(MPG)和壟溝(RF)3種種植方式，研究膜覆蓋方式對苜蓿地土壤水熱、氮素含量和酶活性影響。在高寒區，這3種種植模式下苜蓿所受的溫度和水分變化不盡相同，通過對溫度和水分變化的響應，苜蓿地的氮素含量及土壤酶活性也發生變化。理論上，在水熱條件良好，根系生長旺盛的情況下，土壤養分循環和土壤酶活性都會得到正面提升。但高寒區氣候溫度較低，覆膜對土壤養分和酶活性的影響還有待探索。本研究將覆膜種植方式應用于高寒地區，研究分析青藏高原高寒區旱作條件下3種種植模式對促進苜蓿地土壤養分和酶活性的影響機制，為高寒地區或類似區域牧草栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試苜蓿品種為‘甘農1號’雜花苜蓿(MedicagovariaMartin.(M.sativaL.×M.falcataL.)‘Gannong NO.1’)，是由曹致中等[22]選育的抗寒性良好的苜蓿品種。種子購買于甘肅創綠草業科技有限公司。

1.2 試驗地概況

試驗地設在甘肅農業大學天祝高山草原試驗站。該站位于青藏高原東北緣的甘肅省武威市天祝藏族自治縣抓喜秀龍鎮轄區(37°40 ′ N，102°32 ′ E)，海拔2 960 m，氣候濕潤，空氣稀薄且輻射強，無絕對無霜期，一年僅分兩季(冷季和暖季)，7月份平均氣溫12.7℃，1月份平均氣溫-10.3℃，年平均氣溫-0.1℃，年均積溫為1 380.0℃；年平均降水量為416 mm，多為地形雨，雨期大多集中于3個月份(7，8和9月份)(圖1)[23]。試驗地土壤主要為亞高山草甸土和亞高山黑鈣土，土壤pH在7.0～8.2之間。土壤全氮1.51 g·kg-1、全磷0.62 g·kg-1、全鉀18.42 g·kg-1、堿解氮62.41 mg·kg-1、速效磷7.02 mg·kg-1、速效鉀324.22 mg·kg-1、土壤有機質含量100.30 g·kg-1。

圖1 天祝高寒區月均氣溫和降水量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation in Tianzhu alpine region

1.3 試驗設計

本試驗共3個處理，基于高寒區傳統的種植模式壟溝種植[24](Ridge and furrow，RF)為對照，設壟溝覆膜(Film mulching on ridge and furrow，FMRF)和平膜全覆(Film mulching parallel to the ground,MPG)為試驗組。壟溝和壟溝覆膜處理中，壟為集雨區，溝為種植區；壟寬30 cm，壟高15 cm，壟坡45°(圖2)。試驗所用地膜為幅寬1.2 m，厚度0.008 mm的白色地膜。試驗采用隨機區組設計，每個小區3 m ×5 m，小區間隔0.5 m，重復3次，壟溝處理為對照組。2017年5月1日進行種植，穴播，每穴10粒，播種深度2～3 cm，株距10 cm，行距30 cm，出苗后酌情補苗和減苗，確保每穴3～5株成活。

圖2 種植示意圖Fig.2 Schematic diagram of planting

1.4 測定指標及方法

地上生物量：于2017年10月25日在種植苜蓿的各小區內選擇3個0.5 m×0.5 m的樣方，將地上部分用剪刀剪下裝入信封袋內帶回實驗室，在105℃下殺青15 min，然后置于65℃下烘24 h，稱重。

越冬率：春季返青時統計苜蓿總植株數和存活植株數，越冬率(%)=存活數/總數×100%。

土壤溫度：于苜蓿生長中后期(2017年8月份)，在晴天上午8時開始測定0～25 cm(5 cm為1個土層深度)土層的溫度，每隔3 h測定1次，分別測量8∶00，11∶00，14∶00，17∶00和20∶00各土層的溫度。由于高寒區氣候不穩定，本試驗地土壤溫度數據由2017年8月份試驗地的3個不連續晴天數據平均而得。

土壤水分：于2017年5，6，7和8月份中旬，用直徑為3.5 cm的土鉆在每個小區采集0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，采用“五鉆合一”法在苜蓿株間鉆取土樣，混合均勻，剔除石塊根系四分法分樣，采用烘干法測定，重復3次。

土壤養分及土壤酶活性的測定：于2017年8月15日對試驗地各小區用直徑為3.5 cm的土鉆在每個小區采集0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，采用“五鉆合一”法在苜蓿株間鉆取土樣，混合均勻，四分法分樣。每處理每土層3次重復。RF和FMRF處理，在壟溝和壟背分別進行分層取樣，平膜處理按0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm直接取樣。土樣剔除雜質分為2份，1份4℃保存帶回實驗室測定銨態氮和硝態氮，另1份自然風干后分別過0.25 mm和1 mm篩，用于堿解氮、全氮、有機質、過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶的測定。土壤養分測定參考鮑士旦的《土壤農化分析》[25]。銨態氮和硝態氮：KCl浸提-靛酚藍比色法；硝態氮：酚二磺酸比色法；堿解氮：堿解擴散法；全氮：用凱氏定氮法；有機質:重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法。土壤酶活性測定參考關松蔭的《土壤酶及其研究法》[26]。過氧化氫酶：高錳酸鉀滴定法；蔗糖酶：3,5-二硝基水楊酸比色法；脲酶：苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。銨態氮、硝態氮、堿解氮、蔗糖酶和脲酶含量用每kg土樣干重所含mg數表示，全氮和有機質含量用每kg土樣干重所含g數表示，過氧化氫酶活性以每g干土1 h內消耗的0.1 mol·L-1KMnO4體積數表示(以mL計)。

1.5 數據分析

采用SPSS 19.0中Compare Means對不同處理下土壤溫度、土壤水分、氮素含量和酶活性進行單因素方差分析，差異顯著性采用Duncan法進行多重比較(P=0.05)，圖表所有數值均以“平均值±標準誤”表示，采用Excel 2010制圖。土壤氮素與土壤脲酶間相關性分析采用SPSS 19.0中Bivariate correlation分析。

2 結果與分析

2.1 種植方式對苜蓿種植當年地上生物量和越冬率的影響

由表1可知，RF，MPG和FMRF處理下苜蓿地上生物量和越冬率數值從小到大均為RF

表1 種植方式對苜蓿種植當年地上生物量和越冬率的影響Table 1 Effects of planting methods on aboveground biomass and overwintering rate of alfalfa

2.2 種植方式對土壤溫度和水分的影響

由表2可知，與RF處理相比，MPG和FMRF處理顯著增加了晴天各時間點不同土壤層溫度(P<0.05)，為苜蓿生長提供了有利條件。覆膜對表層土壤的溫度影響較大，尤其是0～15 cm。15～25 cm深層土壤的增溫表現出一定的時間滯后性。2種覆膜處理對土壤溫度的日增溫效果均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)，MPG在白天氣溫較高的時間點(14：00)對5～15 cm土壤的增溫效果顯著大于FMRF處理(P<0.05)，而在17：00時2處理間的土壤溫度差異不顯著。這說明MPG處理可以快速地增加土壤溫度，并向土壤深處傳遞熱量。而FMRF處理增溫緩慢，傳遞速度也較慢。

表2 種植方式對土壤溫度日變化的影響Table 2 Effect of planting method on daily variation of soil temperature 單位：℃

由表3可知，各月份中，土壤含水量在RF和MPG處理下均隨土層的加深呈增加的趨勢，而FMRF處理下土壤含水量隨土層的加深呈先降后升的變化趨勢，且RF和MPG下0～10 cm土壤含水量低于30～40 cm。6，7，8月份各土層中，土壤水分含量變化表現為：FMRF>MPG>RF，且差異顯著(P<0.05)。可見，覆膜能夠極大提高土壤水分含量，FMRF處理對水分的攔截作用大于MPG，使得土壤水分更高。

表3 種植方式對土壤水分的影響Table 3 Effect of planting method on soil moisture 單位：%

2.3 種植方式對土壤氮素特征的影響

由表4可知，隨著土層增加，土壤全氮含量逐漸降低。0～10 cm，10～20 cm及 20～30 cm的土壤全氮各處理間差異不顯著。處理組和對照組的壟上全氮含量均高于溝下。

由表4可知，各處理間堿解氮含量為：FMRF>MPG>RF，3種處理的壟上(-R)的堿解氮含量均高于溝下(-F)。且0～20 cm土層，2種覆膜處理下的堿解氮含量顯著高于RF處理，FMRF處理也顯著高于MPG。隨著土層增加，覆膜處理下的堿解氮含量降低，不覆膜處理的增加。

由表4可知，2種覆膜處理的銨態氮含量高于不覆膜處理，且在表層土壤差異性大，20～30 cm土層各處理間無顯著性差異。不論覆膜與否，壟上的銨態氮含量高于溝下。

由表4可知，各處理間硝態氮含量變化：FMRF>MPG>RF。同樣是壟上的硝態氮含量高于溝下的，RF處理下各土層的壟和溝差異不顯著，但FMRF-R在各土層的硝態氮顯著高于FMRF-F(P<0.05)。除了FMRF-R外，其余處理的硝態氮含量隨著土壤深度的增加而增加。

表4 種植方式對土壤氮含量的影響Table 4 Effect of planting on soil nitrogen content

2.4 種植方式對有機質含量的影響

土壤有機質含量變化為：FMRF>MPG>RF，且隨著土層深度增加，有機質含量降低，壟溝處理中，壟上的有機質含量高于溝內的。各處理間土壤有機質含量差異均不顯著(P<0.05)。

表5 種植方式對土壤有機質含量的影響Table 5 Effects of planting methods on soil organic matter content

2.5 種植方式對土壤酶活性影響

由表6可知，蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶的變化趨勢均為：FMRF>MPG>RF，且壟上酶活高于溝下。2種覆膜處理下的3種酶在各土層的含量高于不覆膜處理，且FMRF處理的土壤酶活性更高一些。在0～10 cm表層土壤中，覆膜處理的3種土壤酶活性均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)。無論覆膜與否，壟上的土壤酶含量高于溝下的。隨著土層增加，各處理的土壤酶含量降低。

表6 種植方式對土壤酶活性的影響Table 6 Effects of planting methods on soil enzyme activities

3 討論

3.1 種植方式對苜蓿種植當年地上生物量和越冬率的影響

在氣候寒冷的地區，受限于寒冷、干旱以及缺乏適宜的栽培技術，普通種植方式下苜蓿在種植當年生長慢、越冬率低，但二年齡以上的苜蓿在不加任何越冬保護措施下，基本可以自然越冬[27]。壟作種植具有易于排澇、灌溉和可依據降水量分配情況將作物種植在壟側或壟上種植以達到穩產效果等優勢，此耕作方式已被應用于作物(土豆Solanumtuberosum,油菜BrassicanapusL.,玉米ZeamaysL.,小麥TriticumaestivumL.,水稻OryzasativaL.,花生ArachishypogaeaL.,煙草NicotianatabacumL.等)生產[28]。而覆膜作為干旱區半干旱區成熟的耕作技術，可以提高作物產量。在高寒區采用覆膜方式能夠促進苜蓿生長，使苜蓿在進入冬季之前植株生長健壯，更能抵抗寒冷，增加越冬率[9]。本試驗采用覆膜種植苜蓿顯著促進了苜蓿當年的生長和越冬，比傳統種植方式RF[24]相比，FMRF和MPG處理下苜蓿越冬率提高了25.76%和23.79%。

3.2 種植方式對苜蓿草地土壤溫度和水分的影響

塑料薄膜對熱能的吸收能夠顯著增加，且往下層傳導，這使得覆膜種植技術可以有效提高高寒地區土壤水分含量和土壤溫度，改變農田外部小環境。FMRF起壟及苜蓿的生長使溝下陽光照射面積減小[9]，導致FMRF處理的增溫效果弱于MPG處理。由于地膜的不透氣性可以有效保持土壤白天吸收的熱量，在夜間和清晨溫度較低的時間段，覆膜可以更有效防止土壤熱量流逝；同時，土壤深層的溫度上傳至淺層土壤，以此在膜下形成一個熱循環，減小溫差，對作物的生長提供有力條件[29]。有研究表明覆膜對不同深度土層的溫度日變化不同[30]。本研究的結果也顯示覆膜對表層土壤的溫度影響較大，尤其是0～15 cm，15～25 cm深層土壤的增溫幅度減小，且表現出一定的時間滯后性，這是由于熱量在土壤土層間傳遞所引起的，與郭升[31]的研究結論相一致。雖然MPG處理對溫度的貢獻大于FMRF，但FMRF處理對水分的積累卻是高于MPG。

FMRF的種植方式可以更好地集水，尤其是在降雨時，FMRF可增強土壤截留雨水的能力，提高土壤含水量，而MPG不易于降水的截留。Li等[32]和Gu等[33]也認為壟溝集雨是可以減少干旱風險、控制水土流失的一種成功耕作方式。本試驗中，FMRF土壤含水量隨土層的加深呈先降后升的變化趨勢，說明該處理通過覆膜這一物理阻隔減少了水分的散失，并且增溫效應使土壤深層水分向上移動，增加表層土壤的含水量；此外，膜內的水汽液化滴入土壤表層，進一步增加土壤表層的含水量[34]。由于FMRF膜下水分含量較高，導致該現象較為明顯[19,35]。在青藏高原高寒地區，降雨主要集中于7，8和9月份，5，6月份降雨較少。但各月份土壤水分的含量均可以顯示：FMRF處理能夠更有效地減少蒸發，提高土壤的含水量。

3.3 種植方式對苜蓿草地土壤氮含量的影響

堿解氮包括無機態氮和結構簡單能為作物直接吸收利用的有機態氮，它可供作物快速吸收利用，故又稱速效氮。本研究覆膜處理下的堿解氮含量高于不覆膜處理，且壟上高于溝下。MPG處理和FMRF壟上和溝下的堿解氮含量隨土層深度增加而降低，RF壟土和溝土的堿解氮均隨土層深度增加而增加。這主要是由于堿解氮在土壤中的含量不夠穩定，易受土壤水熱和生物活動的影響而發生變化。覆膜提高了土壤溫度，使微生物活動加劇，促進養分釋放[41]，使堿解氮的含量增加，并且覆膜提高表層溫度的效果高于深層，使表層的堿解氮含量遠遠高于深層。

土壤全氮是土壤中各種形態的氮素之和，包括有機態的氮和無機態的氮[40]。本研究各處理土壤全氮含量均為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，但在相同的土層各處理間差異不顯著。出現此結果的原因可能是因為土壤中的氮素處于動態平衡中[42]。覆膜能夠在促進氮素的積累轉換的同時，增加土壤氮庫積累效率，天祝高寒地區中土壤呈堿性，土壤中的無機氮以硝態氮為主，硝化效率較高，有利于無機氮的保持[43]。

3.4 種植方式對土壤有機質含量和酶活性的影響

土壤酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物，是一種具有高度催化作用的蛋白質[44]，能夠快速地響應土壤養分和水熱等條件。土壤脲酶活性與土壤中氮素代謝相關，是土壤中有機氮與無機氮之間轉換能力強弱的指標，反映土壤中無機態氮的供應能力，蔗糖酶活性的高低是衡量土壤中碳素轉化效率及土壤呼吸強度高低的指標，過氧化氫酶與土壤中腐殖質和有機質的轉化速率密切相關[26]。本研究發現，各土層土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶含量均為FMRF-R>FMRF-F>MPG>RF-R>RF-F，且FMRF壟土和溝土蔗糖酶和脲酶含量顯著高于RF壟土和溝土。可能是覆膜處理提高了土壤中的溫度和含水量，提升了微生物活動，活化了酶活性，這與李旺霞等[45]的研究結果一致。試驗還發現，隨土層的加深，各處理土壤酶活性降低，說明酶活性在空間分布上來說，具有明顯的分層現象，即隨土壤深度的增加，酶活性越小，這與溫曉霞等[44]的研究結果一致。

土壤肥力的基礎和土壤主要碳庫的代表物質均是有機質，有機質含量的高低不僅對土壤的物理和化學性質有巨大影響，還對植物生長及土壤微生物活性有重要作用。本試驗各土層土壤有機質含量均為FMRF>MPG>RF，且壟上高于溝土。FMRF和MPG有效的提高了土壤溫度和水分，增加了微生物活動和土壤酶活性，促進了有機質的分解，但同時也加速了轉化。RF處理在相對較低的土壤溫度和土壤含水量下，雖然有機質轉化較慢，但也具有較慢的分解速度。這使得處理間的有機質含量差異不顯著。但從酶活性的角度分析，覆膜的確促進了微生物的活動，使各種酶活性增強，加速了養分的循環，這也證實了本試驗中，覆膜對土壤氮素的的影響，即加快對有效氮的利用和形態氮素的轉化。無論覆膜與否，壟土的有機質含量高于溝土，是由于起壟減少了風蝕和水蝕，抑制了土壤中有機質的分解作用，而FMRF處理對土壤有機質含量的抑制作用高于RF處理，與寇江濤等[47]的結論相一致。各處理有機質的含量均為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，這是因為表層土壤水熱條件較好，微生物和酶活性較好，促進了有機質轉化[48]。

4 結論

本研究表明2種覆膜方式可以顯著提高苜蓿生長和建植當年的越冬率，平作覆膜具有較強的增溫作用，壟溝覆膜處理具有較強的集雨作用。本試驗0～30 cm的各土層下的土壤硝態氮、銨態氮、堿解氮、全氮、有機質、蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶含量均表現為：壟溝覆膜>平作覆膜>壟溝。覆膜處理可以通過提升土壤溫度和水分，促進微生物活動，使土壤酶活性增加，進而促進土壤氮素的循環，促進苜蓿種植當年生長和越冬，為高寒區苜蓿建植提供了理論依據。