黃土高原半干旱區紫花苜蓿覆膜壟溝和施肥效應研究

孟宣辰， 馬鵬程, 馬 杰， 段 珍， 韓陽陽， 張吉宇

(草地農業生態系統國家重點實驗室， 農業農村部草牧業創新重點實驗室， 蘭州大學草地農業科技學院， 甘肅 蘭州 730020)

在黃土高原半干旱地區，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是農牧系統重要的豆科牧草，營養價值高，并且能控制水土流失，改善生態環境[1-3]；然而，由于降水和土壤瘠薄的限制，草產量通常很低[4]。因此，改善土壤水分和養分狀況對提高苜蓿產量至關重要。

壟溝集雨覆蓋種植技術已成為全球干旱和半干旱區農田生態系統的一項重要農業種植模式[5-6]。溝壟耕作、壟面覆膜，溝內種植作物的方式，具有集雨、水、保墑和增溫等效果[7]，能夠實現對自然降水的資源化和高效化，并對降水的時空錯位可通過人工行為進行一定程度的調整和分配，既能促進農田土壤對有限降水的蓄存，又能有效抑制土壤水分的無效蒸發，同時能夠提高土壤溫度，進而提高作物水分利用效率和產量[8-11]。壟溝覆膜技術已在農作物上得到廣泛應用，如：小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)和馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)等[12-14]，且大多數研究集中于土壤水熱[15-17]和集雨效率[18-19]等方面，并最終解釋產量增加的原因，但有關苜蓿的研究較少。合理的施肥是獲得高產穩產優質的關鍵[20]。適當的氮、磷、鉀配比施肥可以有效的提高紫花苜蓿鮮草產量，對營養品質有顯著的提高，同時也可以有效改善土壤的理化性狀[21-22]。“3414”施肥試驗方案能夠獲得作物最佳施肥比例和施肥量，是農業部推薦的測土配方施肥田間試驗方案之一，并有處理少和效率高等優點[23]，但在壟溝覆膜條件下苜蓿的“3414”施肥試驗研究鮮有報道。

本研究在黃土高原半干旱區，以露地平播(No mulching，NM)、全地面覆膜平播(Full film，FF)、半覆蓋平播(Half full film，HF)、覆膜壟溝播(Mulching ridge，MR)、土壟溝播(Soil ridge，SR)五個處理，研究了不同覆膜和壟溝技術對土壤水熱的影響，進而揭示提高苜蓿產量和品質的原因；并參照“3414”施肥試驗設計，在覆膜壟溝件下，研究了氮、磷、鉀不同肥料配比對苜蓿產量和品質、土壤肥力的影響，以期為黃土高原旱作區紫花苜蓿提供科學有效的種植技術和施肥指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

試驗品種為隴東紫花苜蓿。試驗地點在隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區的定西市李家堡鎮麻子川村，2014—2015年連續測定2年。圖1為2014和2015年試驗區3—9月降雨量及平均氣溫。

圖1 2014和2015年試驗區3—9月降雨量及平均氣溫

1.2 試驗設計

1.2.1覆膜處理 試驗采用隨機區組設計，共設5個處理(圖2)，試驗小區面積為4 m×5 m，每個處理重復3次，播量22.5 kg·hm-2：

(1)露地平播：不覆蓋地膜，采用條播方式，行距30 cm

(2)全地面覆膜平播：用700 mm寬的黑色地膜平鋪覆膜，膜與膜間不留空隙，采用條播方式，行距30 cm

(3)半覆膜平播：用700 mm寬的黑色地膜覆蓋，凈膜50 cm，膜間留20 cm的空隙，采用條播方式膜下播2行，行距50 cm；播種后膜間用小麥秸稈覆蓋

(4) 覆膜壟溝播：用寬700 mm薄膜覆蓋壟。壟高25 cm，溝壟比為60∶60 cm，播種后溝內用小麥秸稈覆蓋，苜蓿開始出苗時去掉秸稈。溝內種4行，行距15 cm

(5) 土壟溝播：不覆蓋地膜,其他同MR。

1.2.2不同施肥處理 在采用覆膜壟溝播條件下，施肥參照“3414”施肥方案，并進行改良，各試驗處理及其施肥量詳見表1，共設置16個施肥處理，每個處理重復3次；第一年在播種期施入，第二年在返青期施入。

表1 試驗處理及施肥量

1.3 測定指標

1.3.1土壤水分測定 使用土鉆在溝內0～200 cm深度內采取土樣，設置了0～5，5～10，10～30，30～50，50～80，80～110，110～140，140～170和170～200 cm總9個梯度，每個小區設定三個重復，采用烘干法測定土壤含水量[24]。

1.3.2土壤溫度測定 每個處理安裝一組土壤溫度計，深度為5 cm，10 cm，15 cm，測定時間，從8∶00—18∶00，每隔2個小時記錄1次，每種處理重復3次。

1.3.3干草產量的測定 2014年收獲一茬，2015年收獲兩茬，于現蕾到初花期刈割，在各小區遠離邊行隨機選取3個1 m的樣段，留茬3～5 cm，稱鮮重，隨機抽取各處理的鮮草200 g左右，帶回試驗室殺青后置于80℃烘箱烘干至恒重，測重量。用此干鮮比換算出干草產量，然后計算單位面積的草產量(kg·hm-2)。將干草樣用粉草機粉碎，用1 mm篩過篩，置于自封袋中，用作牧草品質分析。

1.3.4苜蓿品質的測定 粗蛋白質(Crude protein，CP)采用半微量凱氏定氮法測定；粗纖維(Crude fibre，CF)用酸堿分次水解法測定；粗脂肪(Ether extract，EE)采用索氏浸提法測定；粗灰分(Crude ash，Ash)用灼燒干重法測定。所有品質數據為2014和2015年的平均值。

1.3.5土壤元素測定 在2015年收獲后進行了土壤元素的測定，速效氮用2 mol·L-1KCl浸提，采用流動注射分析法；速效磷用 0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提，采用分光光度計法；速效鉀用 1.0 mol·L-1KCl醋酸氨浸提，采用火焰光度法；有機碳(有機質)測定采用重鉻酸鉀加熱氧化法(K2Cr2O7·H2SO4氧化法)進行測定。

1.4 數據分析

利用SPSS Statistics 9.0軟件采用單因素方差分析(ANOVA)的方法對所有數據進行分析，處理間的差異顯著性分析采用LSD多重比較和Duncan’s檢驗，最小差異顯著性水平為P=0.05，用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 覆膜處理對土壤溫度的影響

覆膜技術影響0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm深度的土壤溫度，各個處理隨著時間的變化土壤溫度均先升高后降低(圖3a,圖3b,圖3c)。在返青初期，三個土壤深度中處理HF，FF，MR的土壤溫度均大于對照NM。返青后94天(第一次刈割)、返青后132天、返青后140天(第二次刈割)和在返青后172天(第二次刈割后一月)，不同深度MR土壤溫度明顯低于其他處理。MR在苜蓿生長前期可以提高土壤溫度，在生長中后期降低土壤溫度。

圖3 不同時期覆膜壟和土壟、半平膜、全平膜、露地處理0～15 cm土層土壤溫度變化

2.2 覆膜處理對土壤水分的影響

覆膜處理對不同時期不同土層(0～200 cm)土壤水分的影響(圖4)。建植第2年的紫花苜蓿返青期0～200 cm的土壤水分，MR，SR，HF，FF土壤含水量均隨土層加深呈先增加后降低趨勢；對照NM含水量均隨土層加深緩慢上升；在0～110 cm，土壤含水量FF>MR>HF>SR>NM，說明在苜蓿越冬期，覆膜和壟溝技術能夠提高0～110 cm土層含水量(圖4a)。第1茬苜蓿于盛花期刈割后，在0～80 cm土層，MR>SR>HF>FF>NM，且MR和SR處理0～20 cm土層平均含水量較返青前增幅明顯(圖4b)。苜蓿第2茬生長期，試驗區降雨量較第1茬生長期有所增加，而HF和FF處理在第一茬苜蓿生長過程覆蓋的地膜破壞，土壤保持水分能力下降，在0～80 cm，土壤含水量MR>SR>HF>FF>NM(圖4c)。第2次刈割后一個月再次測定水分含量，中間有降雨，MR在0～140 cm土層深度平均水分含量高于其他處理(圖4d)。表明試驗區覆膜和壟溝技術較其他處理具有較好的降水收集能力。

圖4 0～200 cm土層不同時期覆膜壟和土壟、半平膜、全平膜、露地處理的土壤水分含量

2.3 覆膜處理對苜蓿產量、品質的影響

覆膜種植顯著提高了紫花苜蓿的產量和品質(表2)。2014年各處理干草產量FF，HF，MR三者產量為最高，均高于NM和SR處理。2015年各處理干草產量MR最高，為4 999.5 kg·hm-2，相比NM增加了81.8%，且差異顯著(P<0.05)；SR和HF也顯著高于NM(P<0.05)。MR、SR和FF處理的粗蛋白含量顯著高于對照NM(P<0.05)；MR和SR的粗脂肪含量顯著高于對照NM(P<0.05)；中性洗滌纖維含量MR和SR顯著低于NM(P<0.05)；酸性洗滌纖維和粗灰分含量各處理之間無顯著差異(P<0.05)。結果表明覆膜和壟溝能夠提高紫花苜蓿的產量和品質。

表2 覆膜和壟溝處理對苜蓿產量和品質的影響

2.4 不同施肥處理對苜蓿產量和品質的影響

由表3可知，2014年干草產量最高處理是P2K1N2，為4 119 kg·hm-2，相比對照P0K0N0增加了92.4%，差異顯著(P<0.05)。2015年全年干草產量最高為P2K2N3，為6 366 kg·hm-2，顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)，增幅為45.9%。粗蛋白和粗脂肪含量最高的處理分別是P2K1N2和P2K2N3，都顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)；中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量最低的處理均是P2K1N2，顯著低于對照處理P0K0N0(P<0.05)；各處理粗灰分含量無顯著性差異。

表3 施肥處理對苜蓿品質和產量的影響

2.5 不同施肥處理對土壤肥力的影響

試驗前土壤速效氮、速效磷、速效鉀的含量都很低，有機質的含量較高。在2015年第二次刈割后，對不同處理下0～30 cm，30～60 cm深度取土進行土壤肥力測定(表4，表5)。除了有機質外，0～30 cm的土壤肥力高于30～60 cm。在土壤深度0～30 cm中，氨態氮和硝態氮最高處理均為P2K2N3，顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)，增幅為115.1%和76.5%；速效磷和速效鉀最高處理是P3K3N2和P2K2N3，相比對照P0K0N0增加了75.6%和48.3%，差異顯著(P<0.05)；有機質P2K2N0處理最高，并顯著高于對照P0K0N0(P<0.05)(表4)。在土壤深度30～60 cm中，氨態氮和硝態氮最高的處理為P3K2N2和P3K3N2，相比對照P0K0N0增加了263.6%和188.4%，差異顯著(P<0.05)，速效磷和速效鉀最高的是P3K2N2和P1K2N2，相比對照P0K0N0提高了66.2%和33.9%，差異顯著(P<0.05)；有機質P0K0N0處理最高(表5)。

表4 土壤肥力質量評價指標及不同處理下各指標的測定值(0～30 cm)

表5 土壤肥力質量評價指標及不同處理下各指標的測定值(30～60 cm)

3 討論

3.1 覆膜技術對苜蓿干草產量、品質、土壤水分和土壤溫度的影響

苜蓿在農業、畜牧業以及經濟發展等方面具有不可替代的價值和作用，高效種植和栽培技術對于生產苜蓿十分重要[25]。水分是影響作物生產的首要因素，水分短缺會導致牧草的生長受到抑制，嚴重制約牧草的正常生長，從而影響牧草生長[26]。研究表明壟溝種植可以通過壟面徑流，并將自然降水聚集在溝中，產生較小雨量的疊加，促進降雨的滲透[19,27,28]。同時溝壟耕作、壟面覆膜溝內種植作物的方式，對降水的時空錯位進行一定程度的調整和分配，既能促進農田土壤對有限自然降水的蓄存，又能有效抑制土壤水分的無效蒸發[8-11,29]，使得覆膜壟溝技術能夠促進苜蓿生長，提高干草產量[3]；也可以有效改善苜蓿干草的品質，最終實現高產、優質的雙重目標[30-31]。也有研究表明覆膜還可以提高玉米、柑桔果實的產量和品質[32-33]。本試驗表明覆膜壟溝處理可以顯著提高了0～80 cm淺層土壤水分；尤其是試驗區冬季溫度低，多風，苜蓿越冬期內，覆膜和壟溝技術能夠有效的減少土壤水分損耗，提高了返青期土壤水分，使得第1茬苜蓿長勢更為良好，植株密度更高，可減小地面風速和減少地表水分蒸發；同時壟溝還可以集雨，故第1茬苜蓿時MR和SR處理0～20 cm土層平均含水量較返青前增幅明顯。表明覆膜和壟溝技術表明覆膜和壟溝技術減少了土壤蒸發，比不覆膜有更好的集水效率，可以較好利用黃土高原有限的天然降水，還可以有效促進苜蓿生長。

溫度是影響植物生長的關鍵因素之一，土壤溫度對作物生長發育的影響大于氣溫[34]。Zhou等[35-36]研究表明在黃土高原玉米覆膜處理與不覆膜處理相比，增溫最明顯的時期在生長前期，最終提高玉米產量。這一點在本試驗中也得到了良好的驗證，在苜蓿返青期，HF和FF處理土壤溫度高于其他處理，說明覆膜技術可以在紫花苜蓿生長前期提高土壤溫度，促進其生長。同時Jia等[32,37]研究指出覆膜壟溝技術有更好的集雨效果能夠更好的改善土壤水分，使得植株快速建立最佳冠層以捕獲光和水資源，遮陰效果強。本試驗也得到相似結果，相比于對照，覆膜壟溝處理生長的更快，使得較早的形成最佳冠層，遮陰效果顯著，使得MR處理在苜蓿生長中后期不同時間段土壤深度5 cm，10 cm，15 cm處溫度均顯著低于其他處理。

3.2 施肥對苜蓿干草產量、品質和土壤肥力的影響

施肥是提高紫花苜蓿產量和品質的關鍵栽培措施之一。而牧草的產量、粗蛋白、粗脂肪和中性洗滌纖維等的高低是反映牧草料營養價值的重要指標[38]。大量的研究表明，氮、磷、鉀肥單施或者配比施肥都對苜蓿的產量和品質有一定的影響[39]，也可以改善土壤的理化性狀。在生產實踐中合理的施肥配比是較優的施肥模式，可實現經濟效益和生態效益雙贏[40]。本研究表明，在壟溝覆膜條件下氮、磷、鉀配比施肥可以提高紫花苜蓿干草產量和品質，并在施肥處理P2K2N3(P2O2:60 kg·hm-2，K2O:45 kg·hm-2,N:92 kg·hm-2)干草產量最高，為6366 kg·hm-2，粗蛋白、粗脂肪含量最高的處理分別是P2K1N2，P2K2N3；P2K1N2處理的中性洗滌和酸性洗滌纖維含量最低，這可能是適宜的氮磷鉀配比通過加強自身的碳氮代謝能力促進對氮素的吸收和同化[22]。這與張鐵軍等[41]的結果一致，在黃淮海地區用中苜3號進行了施肥試驗，研究發現適當的氮、磷、鉀組合可以顯著提高產量，鮮草產量最高可達23918.2 kg·hm-2，并可以提高紫花苜蓿的品質；且單施氮、磷、鉀在一定范圍內可以提高產量。但本研究集中在對現象的分析比較上,對肥料如何影響紫花苜蓿產量和品質的內在機理性尚不清楚，今后研究應探索揭示其內在的機理。

施肥是影響土壤質量演替及其可持續利用最為深刻的農業措施之一[42-43]。研究表明在玉米地長期均衡地施氮磷鉀肥或氮磷鉀肥與有機肥配施,可顯著提高土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀等肥力指標，提高土壤微量元素的含量[44]。高義民等[45]研究表明施氮磷鉀肥增加了果園土壤的有效氮、磷、鉀含量，其累積量在不同土層中的分布差異較大；與對照(CK)相比較，速效氮，速效磷，速效鉀含量0～20 cm大于20～40 cm，20～40 cm大于40～60 cm土層。本試驗表明，不同的氮、磷、鉀配比施肥處理，可以提高土壤中銨態氮，硝態氮、速效磷、速效鉀含量，且0～30 cm大于30～60 cm土層；在所有的施肥處理中，P2K2N3處理提高了土壤氨態氮、硝態氮、速效磷和速效鉀的含量，改善土壤肥力效果最好。但由于試驗的時間有限，確定最佳氮磷鉀處理，還需進行長期的試驗進行驗證。

4 結論

在黃土高原半干旱區，覆膜壟溝處理相對露地處理在返青期、第一次和第二次刈割后提高了0～80 cm土壤含水量，在生長前期(返青初期)可以提高土壤溫度，并顯著提高紫花苜蓿干草產量和品質。施肥處理P2K2N3(P2O260 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2，N 92 kg·hm-2)的紫花苜蓿干草產量高，達6 366 kg·hm-2，粗脂肪含量最高，也有效提高了土壤肥力，因此，是該地區最佳的施肥方案。