引用本文
吴芳, 李玉珠, 师尚礼, 张贞明, 高永勇. 西北荒漠灌区覆膜条件下苜蓿草地土壤理化性质的时空变化. 草业科学, 2017,34(4):665-672
Wu Fang, Li Yu-zhu, Shi Shang-li, Zhang Zhen-ming, Gao Yong-yong. Temporal and spatial variation of soil physical properties in alfalfa grassland under film mulching in northwest desert irrigation region. Pratacultural Science,2017,34(4): 665-672  
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西北荒漠灌区覆膜条件下苜蓿草地土壤理化性质的时空变化
吴芳, 李玉珠, 师尚礼, 张贞明, 高永勇
草业生态系统教育部重点实验室 甘肃农业大学草业学院
通信作者：李玉珠(1979-),女,陕西宁强人,副教授,博士,研究方向为牧草种质资源与育种。E-mail:Liyz@gsau.edu.cn

第一作者:吴芳(1991-),女,甘肃定西人,在读硕士生,研究方向为草种质资源及育种。E-mail:1152269219@qq.com

收稿日期: 2016-09-07
基金: 基金项目:西北荒漠灌区提高苜蓿出苗保苗技术研究(2014030488); 国家牧草产业体系(CARS-35)； 苜蓿产业化新技术研究与集成示范推广项目; 省农牧厅苜蓿种植技术研究
摘要

覆膜种植是一种增温保墒、增加速效养分的栽培措施,被人们广泛应用在作物栽培上,并取得了丰硕的成果。本研究以不覆盖地膜为对照(CK),研究覆膜(FM)处理对种植紫花苜蓿( Medicago sativa)第2年、第3年和第4年土壤理化性质的影响。结果表明,FM显著降低了第2年和第4年0-20 cm土层的年平均pH( P<0.05),分别较CK降低了2.7%和2.6%。FM的水溶性盐含量年均值、Na+含量年均值在不同采样年份,不同土层深度的变化趋势均是先升高后下降,且FM均小于CK,FM显著降低了第2年5月的0-20 cm土层水溶性盐含量( P<0.05),较CK降低了62.9%。FM显著降低了第4年8月、10月0-20 cm土层和第2年8月20-40 cm土层的Na+含量( P<0.05),较CK分别降低了36%、37%和39.5%。FM 在一定程度上增加了不同采样年份不同土层速效氮、速效磷、速效钾及有机质含量,但未达到显著水平( P>0.05)。

关键词: 紫花苜蓿; 覆膜; pH; 土壤Na+含量; 水溶性盐含量
中图分类号:S812.2 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)04-0665-08 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0231
Temporal and spatial variation of soil physical properties in alfalfa grassland under film mulching in northwest desert irrigation region
Wu Fang, Li Yu-zhu, Shi Shang-li, Zhang Zhen-ming, Gao Yong-yong
Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education, Pratacultural College,Gansu Agricultural University
Corresponding author: Li Yu-zhu E-mail:Liyz@gsau.edu.cn
Abstract

As a measure to increase soil temperature, conserve soil moisture, and increase available nutrients, film mulching (FM) has been generally and successfully used for crop cultivation. In this paper, using a crop without FM as a control (CK), the effects of FM on soil physical properties in an alfalfa field were studied in the second, third, and fourth year of the crop. The annual means of soil pH in the second and fourth year in the 0 to 20 cm depth soil layer in FM treatment were significantly decreased, and were 2.7% and 2.6% lower than those in CK. The annual mean values of water-soluble salt and Na+ content in FM treatment increased at first and then decreased over time, as they did in each soil layer depths. Both of the values in FM treatment were inferior to those in CK. FM significantly decreased the water-soluble salt content in May of the second year in the 0 to 20 cm depth soil layer by 62.9% compared with CK. The Na+ content in August and October of the fourth year in the 0 to 20 cm depth soil layer and in August of the second year in the 20 to 40 cm depth soil layer in FM dropped by 36%, 37%, and 39.5%, respectively, compared with that in CK. To a certain but statistically insignificant degree, FM increased the available nitrogen, available phosphorus, available potassium, and organic matter content in different years and in different soil layer depths.

Keyword: alfalfa; film mulching; pH; soil Na+; water-soluble salt value

地膜覆盖技术在西北干旱半干旱地区得到了大面积的推广与应用, 已经成为提高作物产量和品质的重要途径[1]。同时, 地膜覆盖改变了土壤的生态环境, 使土壤的水分、养分含量和生物学性状均有明显的变化[2]。有研究表明, 覆膜后由于土壤养分条件和作物生长状况的改善, 有利于增加作物产量, 提高养分利用效率[3]; 覆膜亦能保持耕层土壤疏松、阻止土壤淋溶、增加速效养分; 覆膜能通过改善土壤的理化性状, 明显促进地上部分的生长[4]; 盐碱土覆膜种植能抑制盐分向地表积聚、加速盐分向下淋洗等[5]。目前, 覆膜种植主要应用于蔬菜、水果、粮食作物、经济作物、花草和树苗等[6], 相关研究主要集中在覆膜条件下土壤蓄水供水[7]、农田水热环境[8]、水肥效应[9]等对作物生长和品质的影响, 对苜蓿草地土壤理化性质时空变化的研究报道较少[10]。

甘肃省金昌市永昌县杨柳青公司苜蓿种植基地位于河西走廊, 该地区地势平坦, 土壤瘠薄, 盐碱地多, 植被少, 风沙大; 气候恶劣, 年降水量在350 mm以下, 多集中在5-9月, 且降水年际变化大, 但祁连山冰雪融水丰富, 引水灌溉条件好, 是西北荒漠灌区主要的分布地。2012年杨柳青公司采用地膜覆盖技术种植紫花苜蓿, 经过3年的田间观察, 发现覆膜处理下紫花苜蓿的长势优于不覆膜地, 产量明显提高, 并取得了可观的经济效益, 但关于覆膜种植对该地区苜蓿草地土壤理化性质时空变化方面的研究未见报道。因此, 本研究以紫花苜蓿三得利(Medicago sativa cv. Sanditi)为试验材料, 不覆盖地膜为对照(CK), 研究覆膜(FM)处理对紫花苜蓿种植第2年(2013年)、第3年(2014年)和第4年(2015年)的土壤理化性质的影响, 以期明确覆膜条件下种植紫花苜蓿对土壤理化性质的影响, 为金昌地区牧草种植和饲草料的生产及土壤处理和施肥提供科学的理论依据和技术参考, 对西北荒漠灌区发展草地植被和改善生态环境具有一定的实践指导意义。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

研究地点位于甘肃省金昌市永昌县水源镇杨柳青公司试验地, 水源镇位于永昌县城东部, 境内以山地、平原为主, 平均海拔1 519 m。气候属温带大陆性气候, 年平均气温4.8 ℃, 平均降水量185.1 mm, 无霜期134 d, 平均日照2 884.2 h, 日照率65%, 年蒸发量2 000.6 mm, 具有干旱、多风、蒸发量大等特点。

1.2 供试材料

国外引进紫花苜蓿品种三得利。

1.3 试验设计

试验地土壤肥力状况相近, 播种前施足基肥, 同时施过磷酸钙1 500 kg· hm-2、尿素150 kg· hm-2、腐殖酸铵450~600 kg· hm-2。苜蓿播种量为18 kg· hm-2, 播种深度1~2 cm, 间距15 cm穴播, 行距30 cm。覆膜试验地选用幅宽145 cm地膜, 铺成宽120 cm的播带, 带间距30 cm。本试验以种植紫花苜蓿品种三得利覆膜土壤(FM)为试验材料, 以不覆膜土壤(CK)为对照, 覆膜种植面积2 000 m2, 未覆膜的对照种植2 000 m2。

采样时间为苜蓿初花期刈割(第2年、第3年、第4年的5月、 8月、10月), 各处理内按S型设置3个点分层取样, 土层深度分别为0-20、20-40 cm, 将相同土层土样均匀混合使成为1个混合样, 装入自封袋带回实验室自然风干研磨, 剔除杂物, 分别进行化学性质指标的测定。

1.4 测定指标与方法

土样分析在甘肃农业大学草业学院草业生态系统教育部重点实验室进行, 土壤pH的测定用水土比2.5∶ 1法, pH计测定; 水溶性盐含量的测定采用残渣烘干法测定; Na+和K+ 的测定采用火焰光度法测定; 碱解性氮测定采用碱解扩散法测定; 速效磷的测定采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法; 速效钾的测定采用NH4OAc-火焰光度计测定; 有机质的测定采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定[11, 12]。

1.5 数据统计方法

采用Excel 2007进行数据处理和图表绘制, 并采用SPSS 16.0软件进行方差统计分析。

2 结果与分析
2.1 土壤pH

不同采样年份, 不同土层深度FM与CK的年平均pH均降低, 变化范围分别为7.23~7.91和7.36~8.13, 且FM的年平均pH小于CK。0-20 cm土层第2年、第4年FM的年平均pH显著低于CK(P< 0.05), 较CK分别降低了2.7%和2.6%(图1)。0-20cm土层第2年和第3年在不同采样时间FM与CK的pH差异均显著(P< 0.05); 第4年8月FM的 pH显著低于CK(P< 0.05), FM为7.09, 较CK降低了3.1%。20-40 cm土层第2年与第4年在不同采样时间FM与CK的pH差异均显著(P< 0.05), 第3年后两次采样FM的pH显著低于CK(P< 0.05), 较CK分别降低了1.2%和2.5%。

图1 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤pH的影响
注:同一月份不同小写字母表示覆膜和对照间差异显著(P< 0.05)。Fig. 1 Effect of film mulching on soil pH in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm
Note: Different lowercase letters on a single date indicate significant differences between treatments at the 0.05 level.

2.2 土壤水溶性盐含量

不同采样年份, 不同土层深度FM与CK的水溶性盐含量年均值变化趋势均是先升高后下降, 且FM的水溶性盐含量年均值均小于CK。0-40 cm土层FM的均值为1.26 g· kg-1, 较CK降低了22.2%, 浅层土壤FM与CK的水溶性盐含量年均值均高于深层(图2)。0-20 cm土层在第2年5月和第3年10月的FM的水溶性盐含量显著低于CK(P< 0.05), 分别为0.33和0.96 g· kg-1, 分别较CK降低了62.9%和29.9%。20-40 cm土层在第2年8月、10月FM的水溶性盐含量显著低于CK(P< 0.05), 分别为0.53和0.49 g· kg-1, 分别较CK降低了55.1%和65.2%。

图2 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤水溶性盐的影响Fig. 2 Effect of film mulching on soil water-soluble salt in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.3 土壤Na+含量

土壤水溶性盐中的阳离子包括Ca2+、Mg2+、K+和N a+13。本研究测定了K+和Na+, 结果表明该土壤不含K+。不同采样年份, 不同土层深度FM与CK的土壤Na+含量年均值变化趋势均是先升高后下降, 且FM的Na+含量年均值均小于CK(图3)。0-20 cm土层第2年5月、8月FM的Na+含量与CK的差异显著(P< 0.05), 8月FM的Na+含量最低, 为0.11 g· kg-1, 比CK降低了42.1%, 第3年5月、10月和第4年8月、10月FM的Na+含量显著低于CK(P< 0.05), 分别较CK降低了31.8%、27.0%、36.0%和37.0%。20-40 cm土层第2年8月和第3年10月FM的Na+含量显著低于CK(P< 0.05), 分别较CK降低了39.5%和34.1%。

图3 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤Na+的影响Fig. 3 Effect of film mulching on soil Na+ in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.4 土壤碱解氮

土壤碱解性氮含量的高低, 反映土壤中有机质含量的多少、熟化程度的高低以及对牧草生长所需氮素供应的状况[14, 15]。不同采样年份, 0-20 cm土层FM与CK的土壤碱解氮含量年均值均呈先增后降的趋势, 20-40 cm土层FM的碱解氮含量年均值呈下降趋势, 而CK的碱解氮含量年均值呈先增后降的趋势(图4)。0-20 cm土层在第2年的10月和第4年5月、8月FM的碱解氮含量显著高于CK (P< 0.05), 分别为29.13、30.33和32.67 mg· kg-1, 分别较CK增加了177.69%、18.2%和21.7%。20-40 cm土层在第3年8月FM的碱解氮含量显著低于CK (P< 0.05), 较CK降低了11.7%。

图4 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤碱解氮的影响Fig. 4 Effect of film mulching on soil available nitrogen in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.5 土壤速效磷

不同采样年份, 0-20 cm土层FM与CK的土壤速效磷含量年均值均呈先增后降的趋势, 20-40 cm土层FM的速效磷含量年均值呈下降趋势, 而CK的速效磷含量年均值呈先增后降的趋势(图5)。0-20 cm土层在第2年的8月、10月和第4年8月FM的土壤速效磷含量均显著高于CK(P< 0.05), 分别为1.91、1.77和3.38 mg· kg-1, 分别较CK增加了21.7%、65.4%和26.1%。20-40 cm土层在第2年8月、第3年10月、第4年8月FM的土壤速效磷含量显著高于 CK(P< 0.05), 分别为1.88、1.51和1.97 mg· kg-1, 分别较CK增加了79.0%、65.9%和52.7%。

图5 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤速效磷的影响Fig. 5 Effect of film mulching on soil available phosphorus in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.6 土壤速效钾

不同采样年份, 0-20 cm土层FM的土壤速效钾含量年均值呈下降趋势, 而CK的土壤速效钾含量年均值呈先增后降的趋势, 20-40 cm土层FM与CK的速效钾含量年均值均呈下降趋势(图6)。0-20 cm在第2年的5月、8月和第3年5月FM的土壤速效钾含量均显著高于CK(P< 0.05), 分别为189.14、182.56和156.73 mg· kg-1, 分别较CK增加了23.6%、16.8%和12.2%。20-40 cm土层在第2年5月、8月和第4年5月FM的土壤速效钾含量显著高于CK(P< 0.05), 分别较CK增加了19.8%、13.5%和46.2%。

图6 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤速效钾的影响Fig. 6 Effect of film mulching on soil available potassium in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

2.7 土壤有机质

不同采样年份, 在0-20 cm土层FM与CK的土壤有机质含量年均值均呈增加趋势, 而20-40 cm土层FM的土壤有机质含量年均值呈增加趋势, CK的有机质含量年均值呈先增后降的趋势(图7)。0-20 cm在第2年不同采样时间FM的土壤有机质含量均显著高于CK(P< 0.05), 分别为0.72、0.50和0.58 g· kg-1, 分别较CK增加了24.1%、108.3%和18.4%。20-40 cm在第2年不同采样时间和第4年8月FM的土壤有机质含量均显著高于CK(P< 0.05), 第4年5月FM的值最高, 为1.68 g· kg-1, 较CK增加了43.6%。

图7 覆膜对0-20和20-40 cm处土壤有机质的影响Fig. 7 Effect of film mulching on soil organic matter in soil depth 0 to 20 and 20 to 40 cm

3 讨论与结论

土壤为植物提供了必不可少的水分和营养, 还与植物体之间进行着频繁的物质交换, 彼此有着强烈的影响, 而地膜覆盖改善耕层土壤的水热状况, 活化土壤养分[16, 17, 18]。土壤pH与速效养分是最易变的土壤肥力指标, 直接影响当季作物的生长, 土壤pH也影响着养分的转化与有效性[19, 20, 21]。本研究证明, 随着紫花苜蓿种植年限的增加, 不同土层深度FM与CK的年平均pH均降低, 且覆膜可显著降低浅层土壤第2年、第4年的pH年均值(P< 0.05), 说明覆膜在一定程度上降低了浅层土壤的酸碱性。土壤水溶性盐含量会阻碍作物的生长和发育, 其中, Na+是造成植物盐害及产生盐渍生境的主要离子[22, 23]。本研究表明, 覆膜显著降低了第2年深层土壤的水溶性盐含量年均值(P< 0.05)。

土壤速效养分包括碱解氮、速效磷、速效钾。土壤碱解氮又称水解氮或有效氮, 有研究表明, 即使在使用大量氮肥的情况下, 作物积累的氮素仍有50%左右来自土壤[24, 25]。本研究证明, 覆膜在一定程度上增加了浅层土壤碱解氮含量, 但不同采样年份, 不同土层深度FM与CK的碱解氮含量年均值差异不显著。土壤速效磷是表征土壤供磷能力、确定磷肥用量的重要指标[26, 27]。本研究证明, 覆膜对深层土壤速效磷的增加效果优于浅层土壤, 但随着土层深度的增加, FM与CK土壤速效磷含量均呈下降趋势, 这与夏方山等[28]的研究结论一致。土壤速效钾包括水溶性钾及交换性钾, 一般将其作为当季土壤供钾能力的衡量标准[29]。本研究证明, 覆膜在一定程度上可增加不同土层土壤速效钾的含量, 但随着种植年限的延长, FM的速效钾含量年均值呈降低趋势, 这与夏方山等[28]的研究结论一致。

土壤有机质与土壤理化性质的改善、肥力水平的高低是密切相关的[30, 31], 而且土壤有机质含量的减少将直接导致土壤质量降低。本研究证明, 覆膜可以显著增加不同土层土壤有机质的含量, 但浅层土壤FM与CK的有机质含量年均值呈增加趋势, 说明连年种植紫花苜蓿可提高土壤有机质含量, 培肥土壤, 这与刘磊等[32]的研究结论一致。由于大田试验周期长, 土壤的盐碱化和养分容易受自然和人为等多种因素的影响和制约, 还与当地的土壤质地、机械条件、作物品种等诸多因素有关。因此, 关于在西北荒漠灌区地膜覆盖栽培紫花苜蓿对土壤理化性质影响的机制有待继续深入研究。

因此, 覆膜对降低浅层土壤pH有明显作用, 对深层土壤的水溶性盐含量有一定的抑制作用, 同时, 覆膜对Na+含量、速效养分和有机质含量的影响不显著。本研究对西北荒漠灌区覆膜种植紫花苜蓿提供了数据基础, 对合理施肥具有重要意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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