夏方山，閆慧芳，王明亞，汪 輝，朱艷喬，毛培勝

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，草業(yè)科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

紫花苜蓿連作對土壤理化性質(zhì)影響的研究進(jìn)展

夏方山，閆慧芳，王明亞，汪 輝，朱艷喬，毛培勝

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，草業(yè)科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

紫花苜蓿是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人工草地種植面積最大的草種。文章主要從土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)、水分、礦物質(zhì)元素、有機(jī)質(zhì)、呼吸及微生物方面，總結(jié)了近年來關(guān)于紫花苜蓿連作對土壤影響的研究進(jìn)展，認(rèn)為紫花苜蓿最適宜的連作年限為8年，若持續(xù)連作會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化，并建議通過實(shí)施苜蓿-作物輪作來改善草地生態(tài)環(huán)境，增加農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

紫花苜蓿;連作;輪作;土壤

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是具有世界栽培意義的多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草，產(chǎn)量高，品質(zhì)好，富含蛋白質(zhì)，素有“牧草之王”的美稱，還具有較強(qiáng)的耐旱、耐寒、耐貧瘠等生態(tài)適應(yīng)性，是現(xiàn)代草地畜牧業(yè)的當(dāng)家草種，其種植面積逐年擴(kuò)大［1-2］。土壤為紫花苜蓿的生長發(fā)育提供水分和養(yǎng)分，還與紫花苜蓿之間存在必需的物質(zhì)交換和能量流動(dòng)，科學(xué)種植紫花苜蓿也可培肥土壤，改善田間持水量。然而，連作多年后，深層土壤水分嚴(yán)重虧缺，土壤干燥化，形成干層，隨之造成養(yǎng)分缺乏，導(dǎo)致苜蓿地大面積衰退，因此，土壤干層及養(yǎng)分匱乏是連作苜蓿地面臨最為嚴(yán)峻的問題，也是草地重建與復(fù)壯過程的主要生態(tài)問題，研究苜蓿連作對土壤理化性質(zhì)的影響規(guī)律成為現(xiàn)代草地畜牧業(yè)亟需解決的問題。本文綜述了近年來關(guān)于苜蓿連作對土壤理化性質(zhì)的影響研究，旨在為苜蓿草地可持續(xù)利用及研究提供科學(xué)依據(jù)。

1　紫花苜蓿連作對土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)的影響

土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)是土壤重要的物理性質(zhì)之一，它直接影響土壤肥力狀況以及植物根系的發(fā)育。紫花苜蓿連作可以改變土壤荒灘地、鹽漬地以及荒溝客土的物理性質(zhì)，改善土壤肥力。連作3～4年苜蓿地土壤容重及緊實(shí)度降低，總孔隙度提高，顆粒的離散程度和黏粒含量增加，隨土層深度增加，土壤容重和田間持水增大，毛管孔隙度和土壤飽和導(dǎo)水率穩(wěn)定降低［3-4］。孫鐵軍等［5］研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿連作3年后，10～20 cm土層土壤容重降低達(dá)1.241 g/cm3，土壤總孔隙度提高達(dá)57.35%。胡發(fā)成［6］研究連作2～4年的苜蓿地發(fā)現(xiàn)，0～30 cm土層土壤容重分別下降了1.43%、5.71%和7.86%，孔隙度分別提高了1.59%、6.40%和8.80%；30～60 cm土層土壤容重分別下降了1.36%、6.12%和7.48%，孔隙度分別提高了1.68%、7.61%和9.32%。這是因?yàn)殡S著苜蓿生長年限的延長，苜蓿根頸增粗，側(cè)根數(shù)量增加，致使不同土層土壤容重下降，孔隙度增加，改善了土壤水分滲透性以及通氣狀況，提高了土壤的生產(chǎn)力。

2　紫花苜蓿連作對土壤水分的影響

近年來，紫花苜蓿與土壤水分的相互作用規(guī)律成為水文生態(tài)和水土保持領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。紫花苜蓿整個(gè)生育期總耗水量約382.9 mm，整個(gè)生育期內(nèi)日耗水量呈正弦曲線周期性波動(dòng)，苜蓿地土壤水分隨降水量的增大而增加，按周年變化分為3個(gè)時(shí)期，失墑期（春季）、波動(dòng)變化期（夏季）和增墑期（秋季）；按垂直變化分為3個(gè)層次，多變層（0～30 cm）、緩變層（30～100 cm）和穩(wěn)變層（100～200 cm）［7］。土壤水分在苜蓿種植初期會(huì)增加，由于紫花苜蓿根系龐大，連作年限越長，根系分布越深，土壤水分消耗越多，致使土壤水分虧缺量遠(yuǎn)大于年均降水量，引起140～600 cm土層干化，長時(shí)期內(nèi)較難恢復(fù)［8-9］。苜蓿連作12年，土層濕度僅7%～9%，干層范圍達(dá)500 cm土層，連作超過18年后，干層延伸至600 cm土層以下，此時(shí)紫花苜蓿根系主要分布在10～20 cm土層，根系體積和生物量隨土層加深而減少，土壤水分變異系數(shù)也隨土層加深而減小，深層土壤含水量趨于穩(wěn)定［10-11］。不同土壤濕度苜蓿地土壤水分變化也不盡相同。旱作紫花苜蓿地土壤干燥化程度最高，干層最深可達(dá)10 m，恢復(fù)也較難［12］。苜蓿地水分持續(xù)利用的合理年限為半濕潤區(qū)8～10年，半干旱區(qū)6～8年，半干旱偏旱區(qū)4～6年。因此，苜蓿連作6年后，應(yīng)實(shí)施草田輪作，分別需要6、11和18年以上才能恢復(fù)到當(dāng)?shù)赝寥婪€(wěn)定濕度［13-15］。

3　紫花苜蓿連作對土壤礦物質(zhì)元素的影響

苜蓿對氮素的吸收利用率較高，但種植苜蓿能增加土壤礦化氮和堿解氮，速效氮也改變?yōu)橐凿@態(tài)氮和硝態(tài)氮為主，并隨土層延伸呈先降后升的趨勢［16-19］。苜蓿連作一定年限后進(jìn)入衰退期，根系活力下降，生物量減少，對土壤氮素利用強(qiáng)度減少，上層土壤氮素緩慢恢復(fù)，但受土壤氮素總體消耗的影響，深層土壤氮素難以恢復(fù)，在200 cm以下土層，不同連作年限間土壤全氮、堿解氮含量差異不大［19-20］。苜蓿地速效氮含量隨連作年限增加呈先增后降的趨勢，第4年時(shí)達(dá)最大，第5年開始下降［21］。采用合理的施肥措施，保持適宜的苜蓿生產(chǎn)力，能有效驅(qū)動(dòng)連作苜蓿地土壤有機(jī)碳和氮素的固定［22］。但起始無機(jī)氮會(huì)抑制土壤氮礦化，去除起始無機(jī)氮后，氮凈礦化率每日提高0.05～0.07 mg/kg，施氮肥可使連作5年的苜蓿地硝態(tài)氮含量增加56倍，氮凈礦化率提高了200%，而連作9年的苜蓿地硝態(tài)氮含量僅增加2倍，氮凈礦化率卻降低了62.5%［23］。連作6年以上的苜蓿地僅靠合理施肥不足以恢復(fù)地力，應(yīng)實(shí)施草田輪作，保持土壤氮素平衡，提高土壤氮素的利用效率，維持良好的土壤肥力［24-25］。

苜蓿連作對表層土壤全磷和速效磷的消耗甚微，甚至可以積累速效磷，隨著苜蓿連作年限的延長，土壤全磷和速效磷含量呈下降趨勢，連作4年后，紫花苜蓿地土壤全磷含量由0.86 g/kg下降至0.76 g/kg，速效磷含量由14.00 mg/kg下降至9.27 mg/kg，其中0～20 cm土層中速效磷含量下降較多，而隨著土層深度的增加，土壤全磷和速效磷含量均下降，0～100 cm土壤全磷和速效磷均處于貧瘠狀態(tài)，生產(chǎn)中應(yīng)注意補(bǔ)施磷肥［11，16-18］。

隨著紫花苜蓿連作年限的增加，土壤全鉀和速效鉀含量均降低，就0～100 cm土層而言，連作7年時(shí)速效鉀含量為98.0 mg/kg，連作19年后速效鉀含量則降為67.0 mg/kg，隨著土層深度的增加，土壤速效鉀和全鉀含量均呈先下降后升高的趨勢，深層土壤全鉀含量最低［11，26］。紫花苜蓿連作過程中長期大量消耗速效鉀，使速效鉀含量得不到及時(shí)供應(yīng)，這是造成苜蓿地土壤速效鉀含量減少的最主要原因。因此，紫花苜蓿地追施鉀肥時(shí)，應(yīng)充分考慮第4茬苜蓿對鉀的需求和深層土壤鉀含量低的特點(diǎn)。

4　紫花苜蓿連作對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

苜蓿連作是增加土壤有機(jī)質(zhì)的最有效途徑，這種增效作用受連作年限的影響較大，即只有種植紫花苜蓿達(dá)到一定的年限后才表現(xiàn)明顯［27］。連作苜蓿對土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空與垂直分布影響存在差異。時(shí)空分布差異體現(xiàn)為隨連作年限的延長，苜蓿地土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，有機(jī)質(zhì)含量最高的是6年，這可能因?yàn)檫B作多年苜蓿就會(huì)衰退，地上生物量減少，對養(yǎng)分的吸收減少，而由枯落物和根系歸還到土壤中的有機(jī)質(zhì)增多，使有機(jī)質(zhì)含量得到恢復(fù)；垂直分布差異主要表現(xiàn)為隨土層加深，有機(jī)質(zhì)含量減少，主要體現(xiàn)在15 cm以上土層，其中有機(jī)碳、無機(jī)碳的增加主要在5 cm以上土層，這可能是表層土壤容重小，通氣性及結(jié)構(gòu)性好，枯落物和微生物較多，利于有機(jī)碳積累，隨土層加深，有機(jī)物輸入量減少，通氣性及結(jié)構(gòu)性下降，微生物減少，養(yǎng)分代謝慢，不利于有機(jī)碳積累［20，28-29］。苜蓿連作改善了土壤有機(jī)質(zhì)的品質(zhì)，提高了其有機(jī)碳官能團(tuán)及團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。隨著連作年限的延長，大團(tuán)聚體（>0.25 mm）穩(wěn)定性增強(qiáng)，分布于0.25～1.00 mm團(tuán)聚體中的飽和烷烴相對含量提高，土壤有機(jī)碳中易氧化官能團(tuán)（脂肪-C、醇-C）增幅大于芳香-C，化學(xué)穩(wěn)定性增強(qiáng)，尤其連作8年時(shí)效果最好，土壤有機(jī)碳中脂肪-C、醇-C及飽和烷烴不僅比例升高，而且最活躍，對增加土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)最大［30］。土壤松/緊比值越高，土壤腐殖化程度則越高，形成良好土壤結(jié)構(gòu)的能力越強(qiáng)，土壤肥力越高。連作苜蓿地土壤腐殖化程度及芳化度提高，各層含量均以松結(jié)態(tài)>穩(wěn)結(jié)態(tài)，土壤肥力由低到高演變，胡敏酸品質(zhì)向提高的方向演化，連作15年的苜蓿地土壤松結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均最高，繼續(xù)連作腐殖質(zhì)品質(zhì)降低，胡敏酸結(jié)構(gòu)老化，土壤有機(jī)碳、腐殖質(zhì)總量及各組分含量均下降，種植苜蓿主要對20～40cm土層肥力影響較大［31］。

5　紫花苜蓿連作對土壤微生物及土壤呼吸的影響

土壤呼吸是全球碳循環(huán)中重要的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，其釋放CO2的過程不僅受土壤溫度、濕度、有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)影響，還受植被類型、凈生產(chǎn)力、地上和地下生物量分配、種群和群落相互作用以及人類干擾等影響［32-34］。不同生長年限苜蓿草地的土壤呼吸速率，總體變化趨勢是4年生>2年生>1年生［35］；農(nóng)田轉(zhuǎn)化為苜蓿地9年后，土壤CO2排放量增加、有機(jī)碳含量下降［36］。種植苜蓿后土壤呼吸速率與土壤溫度、氣溫正相關(guān)，土壤溫度越高，原位土壤呼吸速率越大，與0～5 cm土壤含水量負(fù)相關(guān)，土壤水分對土壤呼吸的影響主要是通過調(diào)節(jié)植物和微生物的生理代謝、微生物的能量供應(yīng)與再分配、土壤通氣性及氣體擴(kuò)散等來實(shí)現(xiàn)［37-38］。

微生物參與土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化，是土壤中重要而又活躍的部分。土壤微生物生物量C、N隨生長年限不同存在顯著差異。土壤的微生物生物量C隨連作年限的延長而增加、土壤的微生物生物量N隨連作年限的延長呈現(xiàn)先升后降的趨勢，第4年最大，而且0～10 cm土層微生物的數(shù)量高于10～20 cm土層，這可能是生長4年的苜蓿地，植株生長旺盛，根系發(fā)達(dá)，土壤微生物數(shù)量多，其中固氮菌是豆科牧草的主要群落［21］。隨連作年限延長，紫花苜蓿根際土壤固氮力呈先上升后下降的趨勢。細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量均隨土層深度的增加而減小，這種分布規(guī)律既與根系的垂直分布有關(guān)，同時(shí)也與上層土壤溫度較高、通氣良好有關(guān)［39］。

6　結(jié)束語

苜蓿主要依靠深層根系吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，促進(jìn)礦化氮的轉(zhuǎn)化，連作多年以后，不僅土壤水分在短期內(nèi)會(huì)很難恢復(fù)，還會(huì)引起人工草地生長逐漸衰敗和農(nóng)田作物產(chǎn)量波動(dòng)性加劇。因此，紫花苜蓿生長的高峰期為種植第6年，最適宜的種植年限為8年。根據(jù)連作苜蓿草地引起的問題，苜蓿-作物輪作是保證草地適度生產(chǎn)力的最根本途徑。合理的輪作既有利于作物病、蟲和草害的防治，又可以在改善土壤的理化性狀及肥力的調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。苜蓿-作物輪作不僅解決了畜牧業(yè)對牧草的需求，還避免了苜蓿種植對生態(tài)環(huán)境的破壞，是當(dāng)前一種較合理的調(diào)控土壤干燥化和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展之間矛盾的有效途徑。然而，由于作物-土壤系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，易受自然和人為等多種因素的影響和制約，而且作物的生長變化趨勢具有一定的季節(jié)性和規(guī)律性，必然會(huì)形成苜蓿-作物輪作制度下特有的土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。因此，對輪作苜蓿的產(chǎn)草量和肥力特性還有待繼續(xù)深入研究。

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《中國草食動(dòng)物科學(xué)》征稿啟事

文稿力求語言精煉直入主題、論點(diǎn)明確、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能用文字表達(dá)清楚的盡量不用圖表。

1題名文題要簡潔、明了，概括全文，中文題名一般不超過20個(gè)字，英文題名應(yīng)與中文題名含義一致。

凡是研究性文稿（2000字以上）均應(yīng)編寫100～300字的摘要。摘要不加任何評(píng)論，也不進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，要采用第三人稱過去式寫法，不可用“本文”或“筆者”作句子的主語。一般不要將圖、表、化學(xué)結(jié)構(gòu)式、非公知公用的符號(hào)寫入摘要中去。

一般選取3～8個(gè)詞或詞組作為

，詞間用分號(hào)“；”分隔。

4正文要求

1）正文所有各級(jí)標(biāo)題序號(hào)均采用阿拉伯?dāng)?shù)字，左頂格排，格式如：1（大標(biāo)題）一級(jí)標(biāo)題，1.1（大標(biāo)題下面的小標(biāo)題）二級(jí)標(biāo)題，1.1.1（小標(biāo)題下面的標(biāo)題）三級(jí)標(biāo)題，依此類推。

2）在正文中凡是可用阿拉伯?dāng)?shù)字表示的均用阿拉伯?dāng)?shù)字。文中外文用印刷體書寫，大小寫、正斜體和文種應(yīng)標(biāo)注清楚。計(jì)量單位采用國家法定計(jì)量單位。

3）圖、表應(yīng)當(dāng)具有“自明性”，內(nèi)容不要與文字重復(fù)。需排斜體的外文字母應(yīng)在其下劃直線。

論文中所列參考文獻(xiàn)一般按論文中標(biāo)引的序碼（序碼應(yīng)在論文的相應(yīng)位置的右上角加方括號(hào)標(biāo)出）排列。參考文獻(xiàn)的作者，有3人以上者,需列出前3人,后加“等”字。不足3名時(shí)全部列出。其格式如下:

1）專著：［序號(hào)］作者.書名［M］.版次（第一版不標(biāo)注）.出版地:出版者，出版年:起止頁．

2）期刊:［序號(hào)］作者.題名［J］.期刊名稱（外文可縮寫,省略縮寫點(diǎn)），出版年，卷（期）：起止頁．

3）學(xué)位論文:［序號(hào)］作者.題名［D］.保存地點(diǎn):保存單位，年份.

4）論文集:［序號(hào)］作者.題名［C］//編者.論文集名.出版地:出版者，出版年:起止頁.

凡屬省部級(jí)以上科研基金資助項(xiàng)目的優(yōu)秀論文,本刊將優(yōu)先發(fā)表。

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Reviews on the Changes in Physical and Chemical Properties of Soil During Continuous Cropping of Alfalfa

Xia Fangshan，Yan Huifang，MaoPeisheng，et al
（College of Animal Science and Technology，China Agricultural University;Beijing Key Laboratory of Grassland Science，Beijing 100193，China）

alfalfa is the material basis on modern animal husbandry development，and has the largest cultivated area in artificial pasture.This review mainly aimed at the changes in soil texture and structure，moisture，mineral element，organic matter，respiration and microorganism to summarize the research on continuous cropping of alfalfa in recent years.The comprehensive analysis showed that the most suitable duration was 8 years for alfalfa during continuous cropping，thereafter，soil deterioration would be occurred.This article suggested that implementing rotation of alfalfa-crop could improve the grassland ecological environment，and increase the stability of the agricultural system.

alfalfa；continuous cropping；crop rotation；soil

S54

A

2095-3887（2015）02-0048-04

10.3969/j.issn.2095-3887.2015.02.015

2015-02-03

國家十二五科技支撐課題（2011BAD17B01-02）；草業(yè)科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共建項(xiàng)目資助

夏方山（1983-），男，在讀博士研究生。

毛培勝,Email:maops@cau.edu.cn。

簡介包括：姓名(出生年－)，性別，職稱，學(xué)歷，以及研究方向。

項(xiàng)目名稱按國家有關(guān)部門既定的正式名稱填寫,項(xiàng)目后給出編號(hào)。