引用本文
徐坤, 李世忠. 不同种植年限苜蓿地土壤理化性状. 草业科学, 2015,32(11):1767-1773
XU Kun, LI Shi-zhong. Physical and chemical properties of soil in alfalfa field for different cultivated years. Pratacultural Science,2015,32(11): 1767-1773  
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《草业科学》编辑部
不同种植年限苜蓿地土壤理化性状
徐坤1,2, 李世忠3
1.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地,宁夏 银川 750021
2.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021
3.宁夏农业勘查设计院,宁夏 银川 750002
通讯作者:徐坤(1979-),女,宁夏银川人,副研究员,博士,主要从事草地生态、资源与环境领域的研究。E-mail:akong129@126.com
收稿日期: 2015-08-20
基金: 宁夏高校项目——宁夏绿洲边缘地区农田退耕还草对土壤碳库和土壤碳通量的影响
摘要

本研究分析了半干旱区不同种植年限苜蓿( Medicago sativa)地土壤理化性状。结果表明,随着苜蓿种植年限的增加,0-100 cm土层土壤容重出现不规律的波动,苜蓿地土壤容重值整体偏大;土壤有机质随种植年限的增加而增大,随土层深度增加而显著减小( P<0.01),并且在种植5年的苜蓿地中提高最明显,在种植8年的苜蓿地中最低。各年限苜蓿地均表现出土壤有机质的“表聚性”。在一定的种植年限范围内,种植苜蓿对土壤有机质具有累积作用;土壤全氮含量随苜蓿种植年限的增长表现为先增大后减小的趋势,随土层深度的加深而逐渐减小,种植苜蓿4年时土壤全氮含量最大,8年时苜蓿地土壤全氮含量最低,并且土壤全氮含量主要集中于0-40 cm土层,全氮显著累积作用于表层土壤;土壤硝态氮随着苜蓿种植年限的增加而先增加后减小,随着土层的加深而逐渐降低,表层土壤对土壤硝态氮有累积作用,并且与苜蓿种植时间长短有显著相关性( P<0.05)。而铵态氮含量在剖面上变化不大,与苜蓿生长年限没有显著相关性( P>0.05)。今后需从栽培苜蓿草地的管理措施上深入探讨栽培苜蓿地的最佳种植和利用年限。

关键词: 种植年限; 栽培苜蓿地; 土壤容重; 土壤化学性状; 土壤剖面
中图分类号:S151.9 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2015)11-1767-07 doi: 10.11829\j.issn.1001-0629.2015-0140
Physical and chemical properties of soil in alfalfa field for different cultivated years
XU Kun1,2, LI Shi-zhong3
1.Breeding Base of State Key Laboratory for Preventing Land Degradation and Ecological Restoration, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
2. Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwest China of Ministry of Education, Ningxia University, Yinchuan 750002, China
3.Ningxia Institute of Agricultural Survey and Design, Yinchuan 750002, China
Corresponding author: XU Kun E-mail:akong129@126.com
Abstract

The present study evaluated soil physical and chemical properties in alfalfa field for different cultivated years in semiarid region. The results showed that with the cultivated period increasing, the soil bulk density changed irregularly with relative high values. Soil organic matter increased with the alfalfa’s growing years, while decreased significantly withthe increased depth of soil ( P<0.01). Soil organic matter in five years alfalfa field had the highest increase whereas it was the lowest in the eight years alfalfa field. There was characteristic of soil organic matter surface accumulation for each experiment site and there were accumulation only in range of cultivated period. Soil total nitrogen content firstly increased and then decreased with the cultivated period increasing, but decreased with the soil depth increased. Soil total nitrogen content reached the peak in four years alfalfa field and reached the minimum in eight years alfalfa field. And soil total nitrogen content mainly accumulated in 0-40 cm of soil layer which suggested that soil total nitrogen significantly accumulated in the surface soils. Soil nitrate nitrogen content firstly increased and then decreased with the cultivated period increasing, but decreased with the soil depth increased. Soil nitrate nitrogen content accumulated in the surface soil of 0-5 cm. There was significant correlation between soil nitrate nitrogen content and the growing time of alfalf ( P<0.05). Soil ammonium nitrogen did not changed a lot in the soil profile which had no significant correlation with the growing time of alfalfa. The management measures to improve the best cultivation and utilization year in cultivated alfalfa field need be further studied.

Keyword: planting years; alfalfa pasture; soil bulk density; soil chemical properties; soil profile

苜蓿(Medicago sativa)作为我国目前栽培面积最大的牧草, 在生态和经济中的作用十分重要。关于苜蓿的研究主要集中在苜蓿的生理形态、产量及其与环境的关系等方面, 且重点集中在苜蓿种植多年的产量变化及苜蓿地土壤各组分的研究。种植苜蓿对土壤理化性状具有显著影响[1], 且因种植年限的不同而差异明显[2]。随着苜蓿生长年限的增加, 苜蓿地土壤容重在减小[3, 4], 土壤pH值的变化不明显[5, 6], 土壤深层水分亏缺[7], 出现土壤干层现象, 必须要通过草地的自然恢复以提高土壤水分含量[8]。任晶晶等[9]研究也表明, 生长6年的苜蓿草地土壤水分开始亏缺。另外, 种植年限对苜蓿地土壤化学性状也产生影响。土壤有机质和全氮含量都是因苜蓿种植年限的延长而明显提高[10], 但是两者的增长率是随着年限的增加而降低的[11], 说明这一增长趋势具有一定的期限。苜蓿地土壤养分增加达到峰值的年限因研究区域不同而异, 黄土高原区的紫花苜蓿地土壤有机质、全氮的变化是从种植5年到种植10年为增长期, 生长到15年以后养分含量就开始降低[12]; 干旱区沙地过渡带的生长4年的栽培苜蓿草地养分含量最高, 并且土壤养分还出现了“ 表聚” 现象[13]。对“ 黑土滩” 不同建植年限栽培草地的研究中发现, 2龄草地由于建植初期牧草生长条件较好, 故土壤养分含量最高, 但随着牧草生长年限增长, 到4龄时生长逐渐衰退, 但到6龄时草地各土层土壤有机质含量又逐步升高[14]。而且苜蓿的固氮作用使得苜蓿地土壤中的氮素积累, 尤其是苜蓿对土壤氮素的利用能力要比一般其他作物高[15]。在种植苜蓿的第3年固氮作用开始体现[16], 随着种植年限的延长苜蓿的固氮量增加[17]。另外, 研究表明, 5年苜蓿地土壤0-40 cm土层的平均碱解氮含量要高于3年和10年苜蓿地, 而且3年以上的苜蓿草地土壤浅层的硝态氮含量较高[18]。苜蓿还能较好地利用土壤深层的硝态氮[19]。另外, 有人还建议种植苜蓿的年限不能超过5年[20]。因此, 种植年限对栽培草地土壤理化性状产生了不同程度的影响, 但因研究区域和对象的不同所得出的结论又不尽不同。本研究对我国半干旱区不同种植年限的栽培苜蓿地在土壤剖面1 m范围内的土壤容重及化学性状指标进行系统地研究, 以期完善我国在同类地区的研究, 为准确地科学评价生态脆弱区苜蓿地的生态效应和苜蓿栽培草地的种植和利用年限、轮作更新种植提供科学支撑。

1 材料和方法
1.1 研究区概况

试验地位于宁夏北部扬黄灌区贺兰山农牧场的苜蓿基地, 地理坐标是38° 32' N, 106° 05' E。该试验区昼夜温差较大, ≥ 10 ℃的有效积温为3 765 ℃· d, 年平均气温在8.0~9.0 ℃, 年平均降水量在200 mm左右, 该地区年日照时数3 030 h, 无霜期150 d左右。当地土壤类型主要是淡灰钙土。该基地栽培苜蓿地的利用年限为1~8年, 全部采用扬黄灌溉等进行统一管理, 苜蓿平均1年内刈割4次, 平均施40 kg· hm-2尿素, 12 kg· hm-2磷酸二铵, 3.5 kg· hm-2硫酸钾。

1.2 研究方法

1.2.1 试验地布设与样品采集 选择立地条件相近的苜蓿地作为最终的试验地, 主要以不同生长年限同一品种的紫花苜蓿地为研究对象, 选择生长1年的栽培苜蓿地作为对照(CK), 并选择生长年限为3年、4年、5年和8年的苜蓿地作为供试样地。在选取的每块样地上随机选取5个面积为30~50 m2的采样点, 每个采样点按“ S” 形布点取样, 用剖面法按0-10、10-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm分6层取样, 将分层所取的新鲜土样带回室内自然风干后, 过0.25 mm的钢筛后, 再进一步处理, 测定土壤容重、土壤有机质含量、土壤全氮含量。另外过1 mm钢筛的土壤样品用于土壤硝态氮、土壤铵态氮的测定。于2012年4月中旬进行本试验土壤样品的采集工作, 之后在实验室进行土壤样品各种含量的分析测定工作。

1.2.2 测定指标及方法 土壤容重测定[21]:采用环刀法进行测定。在不同年限样地的采样点中, 用剖面法分0-10、10-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm总共6层进行采样。每层进行3次重复, 最终取3次的平均值用于各类分析。土壤容重计算公式:

土壤容重(g· cm-3)=环刀内干土的质量/环刀容积。

土壤有机质(SOM)含量通过测定土壤有机碳含量来计算[21]。土壤有机碳含量的测定用重铬酸钾容量法即外加热法[21]。

土壤有机质(SOM)=土壤有机碳× 1.724。

土壤全氮(STN)采用半微量开氏法测定[21]。土壤硝态氮采用还原蒸馏法测定[21], 铵态氮采用2 mol· L-1 KCl浸提-蒸馏法测定[21]。

1.3 数据处理

采用 SAS 8.2 软件对不同种植年限及不同土层的土壤容重值、土壤有机质含量、土壤全氮含量、土壤硝态氮和铵态氮含量进行方差分析(LSD法)。

2 结果与分析
2.1 不同种植年限苜蓿草地土壤容重的垂直分布特征

土壤容重值介于1.547~1.862 g· cm-3(表1), 大于正常土壤容重值(1.0~1.5 g· cm-3)[22], 表明试验区苜蓿栽培草地土壤容重偏大。尤其是表土层土壤容重值较偏大, 接近于机械夯实后的土壤容重(1.8~2.0 g· cm-3)[22]。随着苜蓿种植年限增加, 各土层土壤容重呈不规律波动, 生长3~8年苜蓿地的土壤容重在0-100 cm的不同土层中均出现一定程度的差异, 不同年限间也存在一定的差异。另外, 种植3~8年苜蓿地表土层(0-10 cm)土壤容重与心土层(40-60 cm)土壤容重及深土层(80-100 cm)土壤容重间存在较大差异, 0-20 cm耕层土壤容重以生长4年的苜蓿地最小。

表1 不同种植年限苜蓿草地土壤容重的垂直分布 Table 1 Vertical distribution of soil bulk density in cultivated alfalfa field of different years g· cm-3
表2 不同种植年限苜蓿草地土壤有机质的垂直分布 Table 2 Vertical distribution of soil organic matter content in cultivated alfalfa field of different years g· kg-1
表3 不同种植年限苜蓿草地土壤全氮的垂直分布 Table 3 Vertical distribution of soil TN content in cultivated alfalfa field of different years g· kg-1
2.2 不同种植年限苜蓿草地土壤有机质含量的垂直分布特征

土壤有机质随苜蓿种植年限的延长表现为先增大后减小的趋势, 随土层深度的增加而降低(表2)。具体表现为:在0-100 cm的土层内, 生长5年的苜蓿栽培地土壤有机质含量均值最高, 顺序依次为5年(9.219 g· kg-1)> 4年(8.828 g· kg-1)> 3年(8.386 g· kg-1)> 1年(7.792 g· kg-1)> 8年(5.747 g· kg-1), 并且各种植年限苜蓿地土壤有机质含量在垂直剖面上相差很大, 均达到极显著水平(P< 0.01)。而0-10 cm土层土壤有机质含量在不同种植年限间也存在显著差异(P< 0.05)。不同年限苜蓿地0-40 cm土层土壤有机质极显著高于其他土层有机质含量, 呈“ 表聚性” 垂直分布特征, 且这种“ 表聚性” 分布在生长4年的苜蓿地中最为明显。然后从40 cm土层往深土层, 各样地土壤有机质含量急剧下降。另外, 同一深度不同年限的土壤有机质含量大体是随着苜蓿种植年限的延长到5年的时候达到最大, 部分是到4年的时候就达最大值了, 而到8年的时候总体在减小。这表明种植年限对土壤有机质的影响很明显, 苜蓿在一定的种植年限范围内对土壤有机质具有一定的累积作用, 但一旦超出这个年限范围, 苜蓿生长到更长的年限后, 此时其对土壤有机质的累积作用就明显减弱了。

2.3 不同种植年限苜蓿草地土壤全氮含量的垂直分布特征

苜蓿种植年限也影响土壤全氮含量, 其总体表现为随年限先增大后减小的趋势(表3)。其中生长4年的苜蓿地土壤全氮含量在垂直剖面上的均值达到最大, 除生长4年的苜蓿地外, 0-80 cm土层土壤全氮含量随土层加深而逐渐减小, 到80-100 cm土层时又增大。在垂直层面上, 表土层0-20 cm土壤全氮与心土层20-60 cm及底土层60-100 cm土壤全氮间存在极显著差异(P< 0.01)。在种植苜蓿3年、4年、5年和8年后, 各样地0-100 cm土壤剖面全氮含量主要集中在0-40 cm的土层深度内, 0-40 cm土层的土壤氮含量分别占0-100 cm土层土壤氮含量的66.91%、65.89%、66.78%和67.13%。然后, 各种植年限土壤氮含量在40 cm深度以下则明显下降。

2.4 不同种植年限苜蓿草地土壤硝态氮和铵态氮含量的垂直分布特征

0-20cm土层土壤硝态氮含量随着苜蓿草地种植年限的延长先增加后减小, 随着土层的加深而逐渐降低(表4)。在0-20 cm土层中, 土壤硝态氮含量在0-5 cm土层分布最高, 且在不同苜蓿生长年限间具有显著差异(P< 0.05), 说明硝态氮的累积作用充分体现在表层土壤中。并且土壤硝态氮含量与苜蓿种植时间长短有显著相关性, 苜蓿种植4年和5年的0-20 cm土壤硝态氮的平均含量分别比种植1年增加了4.73%和5.62%, 同时0-5、5-10和10-20 cm的硝态氮含量在不同种植年限间均存在显著差异。各年限土壤铵态氮含量随着土层深度的增加呈小幅下降, 0-5 cm土层的铵态氮含量要高于其他各层, 各年限间0-5和5-10 cm土层铵态氮含量无明显差异(P> 0.05)。因此, 种植苜蓿能够显著增加土壤表层的硝态氮含量, 并对表层土壤硝态氮具有一定的累积效应, 但苜蓿生长年限对铵态氮无明显的影响。

表4 不同种植年限苜蓿草地0-20 cm土层土壤硝态氮和铵态氮的含量 Table 4 Contents of N O3--N and N H4+-N with soil depth in 0-20 cm in cultivated alfalfa field of different years g· cm-3
3 讨论与结论

本研究通过分析不同种植年限苜蓿草地的土壤理化性状后发现, 土壤理化性质受到种植年限的明显影响, 尤其是土壤化学性质受到的影响更大。尽管不同生长年限苜蓿草地的土壤结构发生了一定程度的变化, 但种植年限对土壤有机质的提高有积极作用, 随着土壤有机质的增加, 表层改变的土壤结构也会逐步恢复。研究表明, 种植年限对有些土层的土壤有机质、全氮、硝态氮有一定的累积作用, 不同土层的土壤养分间存在一定差异。

在对土壤容重的研究中, 多种因素诸如土壤结构、土壤质地、土壤养分、自然因素与人工管理措施的综合作用对土壤容重产生影响[23], 而其中使土壤呈现疏松又多孔状态的时候, 土壤容重值就偏小, 相反情况下, 使得土壤呈现紧实又少孔状态的时候, 容重值就偏大。而且在土壤发生层上表现为:表层土壤容重较小, 而心土层和底土层容重值较大, 但在土壤有机质改善的情况下, 表土层的土壤容重值会逐渐改善。本研究从各年限苜蓿地土壤容重值垂直分布及其各年限的差异性比较发现, 随着苜蓿种植年限的增加, 在0-100 cm各土层土壤容重出现不规律的波动, 并且土壤容重值偏大, 土壤紧实。但生长4年的苜蓿地土壤表层容重值显著小于其他样地表层土壤容重值, 说明种植苜蓿4年后, 表层土壤容重得到改善。陈志怡和李金月[24]的研究表明, 土壤容重值随生长年限先降低后增大。而该地区土壤容重偏大主要与土壤质地有关, 试验地土壤基本属于冲积扇与黄河冲积后形成的淡灰钙土, 在粗放灌溉措施下, 由于淋溶作用导致土壤钙基层出现, 从而影响土壤容重; 另外, 由于该试验区苜蓿草地为全机械化耕作与刈割管理, 犁耕和刈割过程中, 由于机械的行走对土壤有压实作用, 导致土壤容重增大, 而且导致土壤表层的团聚体可能被压碎, 土壤结构进一步被破坏。

本研究中由于苜蓿根系的固氮作用, 促进了土壤有机质在土壤表层的积累, 生长年限的延长使得苜蓿地土壤有机质含量增长, 这与杨玉海[22]的研究结论基本一致。对不同种植年限的苜蓿地土壤有机质垂直分布特征分析看出, 在种植苜蓿3、4、5年之后, 苜蓿地土壤的有机质含量普遍得到了不同程度的提高, 尤其是当苜蓿种植到第5年的时候增幅较大, 并且种植年限对土壤有机质含量垂直分布的格局和有机质含量在同一个土层内的分布也产生了影响; 而苜蓿地土壤有机质含量都呈现出了表层土壤大于底层土壤的一个垂直分布规律, 并且土壤有机质的“ 表聚性” 也出现在不同种植年限的苜蓿地中[25]。在一定种植年限范围内, 土壤有机质含量的提高也会改善土壤结构, 同时也表明在一定时间范围内, 种植苜蓿对土壤有机质的累积、土壤改良以及土壤肥力都有一定的影响。但苜蓿根系的固氮促使土壤有机质的提高仅是苜蓿土壤有机质来源的一方面, 大量的苜蓿枯枝和落叶实际上才是苜蓿土壤有机质的重要来源, 并且这部分土壤有机质同样受种植年限的影响, 4、5年的苜蓿地因正处于旺盛生长期, 平均盖度与地上生物量都较大, 故而土壤有机质含量较高, 但随着种植年限的延长, 这种情况发生了变化, 8年的苜蓿地土壤有机质含量是所有种植年限中最低的, 说明此时的苜蓿地已经进入衰败期, 开始老化, 苜蓿地平均盖度与地上生物量均较低, 尽管苜蓿根系也向土壤输送有机质, 但总体上土壤有机质含量还是较低的, 再加上在刈割时又损失了一部分生物量, 大大减少了植被对土壤的归还量, 因而生长8年的苜蓿地土壤有机质含量呈最低状态正是这些因子多重作用的结果。同时也说明了此时有必要对8年苜蓿地进行轮作倒茬, 从而保证苜蓿草地的可持续利用。那么这部分研究也说明了种植年限是影响苜蓿草地土壤有机质垂直分布格局的一个主要因素。

评价土壤肥力状况的一个重要指标就是土壤的氮素营养。本研究发现, 土壤全氮含量随苜蓿种植年限的增长表现为先增大后减小的趋势, 并随土层深度的加深而逐渐减小, 而且表层土壤对全氮表现出显著的累积作用, 并且氮固存效应与苜蓿生长年限也有一定的相关性[25]。另外, 生长4年的苜蓿地土壤全氮含量在垂直剖面上的均值达到最大, 在垂直层面上, 各样地表土层土壤全氮与心土层及底土层土壤全氮间存在极显著差异(P< 0.01), 在种植苜蓿3年、4年、5年和8年后, 0-40 cm土壤氮含量分别占0-100 cm土壤氮含量的66.91%、65.89%、66.78%和67.13%, 各年限土壤氮含量在40 cm深度以下明显下降。这与常书娟和张英俊[26]的研究结论有相似之处。当苜蓿种植年限在1~4年时, 40-80 cm土层土壤的含氮量相对较高, 是因为除了地上生物量随着年限增大外, 通过苜蓿的枯枝落叶及根系返还到土壤中的有机碳较多, 再加上根系分布层次相对较浅, 因而对深层土壤的氮素利用较少, 但随种植年限的延长, 由于根系逐渐向深处延伸, 这时对深层土壤的氮素吸收利用较多, 从而导致种植5年、8年的苜蓿地40-80 cm土层土壤的全氮含量逐渐降低, 尤其是种植8年的苜蓿地降低更多。而种植8年的苜蓿地心土层土壤全氮含量低于表层和其他年限苜蓿地, 这与苜蓿老化, 地上生物量减小, 根系固氮能力较弱有关。以上分析证明, 试验区种植年限可显著影响土壤全氮含量, 同时也表明了种植年限影响了苜蓿地土壤对氮素的利用, 显著影响了淡灰钙土表层土壤的固氮能力, 也说明了本研究中苜蓿地土壤对氮素的利用从而改善了土壤肥力, 为苜蓿生长提供了养分基础。

本研究通过测定0-20 cm土层土壤硝态氮和铵态氮的含量, 结果发现, 土壤硝态氮含量随着苜蓿种植年限的增加而先增加后减小, 随着土层的加深而逐渐降低, 而铵态氮含量在剖面上变化不大, 与苜蓿生长年限没有显著相关性。土壤硝态氮含量主要集中在0-5 cm土层, 说明表层土壤对土壤硝态氮有累积作用, 与张冈等[27]观点类似, 而且土壤硝态氮与苜蓿种植时间有显著相关性(P< 0.05)。种植苜蓿能够显著增加土壤表层的硝态氮含量, 对表层土壤硝态氮具有一定的累积效应, 而对铵态氮含量无明显的影响。这是由于土壤硝态氮较铵态氮容易被淋洗, 随着渗漏水的增加, 矿化作用形成的硝态氮经淋洗作用垂直分布在土壤各土层上, 而生长4年苜蓿地由于苜蓿生长旺盛, 地上生物量高, 土壤根系密集, 吸氮强烈, 即使在灌溉条件下, 氮的淋失也较弱。由于该地区降水偏少, 蒸发量较大, 有限灌溉导致土壤干湿交替, 这样更有利于铵态氮的硝化, 同时有利于硝态氮的累积。

综上所述, 可以认为苜蓿地土壤容重值主要受到土壤本身性状和苜蓿地全机械化耕作与刈割管理的影响; 苜蓿地土壤有机质、全氮、硝态氮含量都受到苜蓿种植年限长短的影响, 并在垂直层面上普遍呈现“ 表聚性” 的特征, 土壤有机质、全氮、硝态氮含量大体都随着土层深度增加而减少。在一定的种植年限范围内, 种植苜蓿对土壤有机质、全氮、硝态氮具有累积作用, 但往往在表层累积。

今后还需从栽培苜蓿草地的管理措施上深入探讨栽培苜蓿地的最佳种植和利用年限, 进一步为栽培草地生态系统的合理利用提供依据, 从而最终对栽培草地经济生产过程起到重要的指导作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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