鄭 偉，加娜爾古麗，唐高溶，朱進(jìn)忠

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.新疆維吾爾自治區(qū)草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830052)

多年生豆禾混播草地與單播禾草或豆科牧草草地相比，往往具有較高的牧草產(chǎn)量［1］、較好的牧草品質(zhì)［2-3］、提高土壤養(yǎng)分利用效率［4］與改善土壤肥力［5］等優(yōu)勢。這種優(yōu)勢的產(chǎn)生與豆科牧草的加入有著重要關(guān)聯(lián)［6］。15N 同位素標(biāo)記試驗(yàn)表明，豆科與禾本科植物間作系統(tǒng)中豆科植物氮素轉(zhuǎn)移量的大致范圍為25 ～155 kg·hm－2［7］，而混播系統(tǒng)中豆科牧草向禾草轉(zhuǎn)移的氮素可占禾草氮產(chǎn)量的5% ～24%［8］，甚至更高［9］。而且提高豆科牧草的比例，有利于增加氮素轉(zhuǎn)移到禾草的量［10］。豆科牧草這種氮轉(zhuǎn)移主要是通過根接觸轉(zhuǎn)移或生物體死亡分解后釋放到土壤中，再由相鄰禾草吸收利用等途徑實(shí)現(xiàn)的［11］。與此同時(shí)，豆科與禾本科植物間作顯著促進(jìn)了豆科與禾本科植物的生長以及磷的吸收［12-13］，這種促進(jìn)作用主要通過分泌有機(jī)酸和質(zhì)子活化土壤中難溶性的磷源來實(shí)現(xiàn)的［14-15］。由此可見，土壤是混播體系中豆科牧草與禾草形成相互促進(jìn)作用的重要場所。因此，豆禾混播草地土壤氮、磷等養(yǎng)分的改善是其牧草產(chǎn)量與牧草品質(zhì)提高的重要基礎(chǔ)，也是豆禾混播草地混播優(yōu)勢的重要體現(xiàn)。目前，關(guān)于豆禾混播草地的研究主要集中在混播后(與單播草地相比)牧草產(chǎn)量、牧草品質(zhì)或生產(chǎn)性能的改善［16-20］，穩(wěn)定性的提高［21-22］，種間競爭過程［23-25］，以及土壤氮、磷、碳等養(yǎng)分的變化上［5，26-28］，而對于混播群落自身結(jié)構(gòu)對土壤養(yǎng)分影響的差異關(guān)注較少［29-30］。本研究通過對不同混播種類、豆禾混播比例構(gòu)建的混播群落結(jié)構(gòu)中土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分動態(tài)的分析，探索增加群落中豆科牧草比例有利于土壤養(yǎng)分積累這種現(xiàn)象在試驗(yàn)地區(qū)是否存在，以期為多年生豆禾混播草地持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)管理提供土壤養(yǎng)分方面的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆伊犁哈薩克自治州昭蘇盆地腹內(nèi)的昭蘇馬場(81°03' －81°05' E，42°38' －43°15'N)，該地區(qū)屬溫帶半濕潤半干旱冷涼山區(qū)氣候類型。年均溫度2. 7 ℃，≥10 ℃年積溫1 416. 8℃·d，無霜期85 ～100 d，年均降水量512 mm，年均蒸發(fā)量1 261.6 mm，是降水量的2.5 倍，積雪期158 d，積雪厚度20 ～60 cm。試驗(yàn)小區(qū)所處地段原為山地草甸草地，2008 年開墾為多年生栽培草地。植被由鴨茅(Dactylis glomerata)、無芒雀麥(Bromus inermis)、新疆鵝觀草(Roegneria sinkiangensis)、貓尾草(Phleum pratense)、草原糙蘇(Phlomis pratensis)、草原老鸛草(Geranium pratense)、大葉橐吾(Ligularia macrophylla)等組成。蓋度65% ～100%，草層高25～85 cm，鮮草產(chǎn)量103 905 kg·hm－2。土壤為黑鈣土，播種前0 －10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.18%，全氮、全磷、全鉀量分別為8.56、2. 40、9. 09 g·kg－1，堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為421.05、22.37、481.65 mg·kg ;10 －20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.07%，全氮、全磷、全鉀量分別為7.56、2.22、9.74 g·kg－1，堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為390.08、10.29、471.56 mg·kg－1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，a 因素為混播種類(a =7)，分別設(shè)3 種牧草混播的兩個(gè)處理、4 種牧草混播的兩個(gè)處理、5 種牧草混播的兩個(gè)處理和6 種豆禾牧草混播;b 因素為混播比例(b=3)，分別為豆禾比5∶ 5、4∶ 6 和3∶ 7;6 種牧草每種各設(shè)單播作為對照(CK=6);3 次重復(fù)(n =3)，共81 個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積均為3 m ×4 m，行距30 cm。紫花苜蓿(Medicago sativa)、紅三葉(Trifolium pratense)、貓尾草單播的播量為15 kg·hm－2，鴨茅、無芒雀麥單播的播量為30 kg·hm－2，紅豆草(Onobrychis viciifolia)單播的播量為60 kg·hm ;混播比例按種子占單播重量的實(shí)際用價(jià)來計(jì)算，混播與單播密度相同，混播播量及播種比例見表1。2008 年5 月4 日播種，播種當(dāng)年在8 月20 日刈割1 次，2009 －2010 年每年刈割兩次，分別為禾草抽穗期/豆科牧草現(xiàn)蕾期(6 月中旬)與再生草抽穗期/現(xiàn)蕾期(8 月下旬)，留茬高度5 cm。試驗(yàn)期間不施用任何肥料，不灌溉，中耕松土1 次，每年人工除雜草兩次。

1.3 取樣時(shí)間和樣品處理

2008 年牧草刈割后、2009 －2010 年第2 次牧草刈割后對每個(gè)混播組合進(jìn)行土壤樣品采集。以S 形取樣法在每個(gè)小區(qū)內(nèi)用土鉆按0 －10、10 －20 cm 分層采集5 個(gè)樣點(diǎn)的混合土樣，3 次重復(fù)，測定其全量與速效氮、磷、鉀和土壤有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分。土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法－外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用氫氧化鈉堿熔－鉬銻抗比色法，全鉀采用氫氧化鈉堿熔－火焰光度法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度計(jì)法，具體參見鮑士旦的方法［31］。

表1 豆禾混播草地混播比例與播量Table 1 Mixed sowing ratio and sowing rate in legume-grass mixture

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用IBM SPSS Statistics 21 中的Two-way ANOVA 對不同混播種類和豆禾混播比例下的各指標(biāo)進(jìn)行方差分析、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差;利用一般線性模型中的方差分量估計(jì)對各土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)在混播種類、混播比例及其交互效應(yīng)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，并利用LSD 對各指標(biāo)進(jìn)行不同混播種類和豆禾混播比例間的比較，差異顯著性水平P ＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)的變化

2.1.1 混播種類對土壤有機(jī)質(zhì)的影響 各混播種類處理之間，0 －10 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異(P ＞0.05)，但混3 －1、混3 －2 的0 －10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量較高(圖1)。10 －20 cm 土層，混3 －1、混3 －2 土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于混4 －2(P ＜0.05)。與單播禾草相比，各混播種類0 －10 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)最高增長了7.07%;混3 －1、混3 －2、混6、混4 －1 的10 －20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)增加，而其他混播種類土壤有機(jī)質(zhì)則減少。與單播豆科牧草相比，各混播種類0 －10、10 －20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)均下降，分別下降1.62% ～8.73%、5.23% ～12.99%。

2.1.2 豆禾混播比例對土壤有機(jī)質(zhì)的影響 各豆禾混播比例之間，0 －10、10 －20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量均無顯著差異(P ＞0.05)，但豆禾比5∶ 5 在兩個(gè)土壤層均高于其他豆禾混播比例(圖2)。與單播禾草相比，豆禾比5∶ 5 在兩個(gè)土層土壤有機(jī)質(zhì)均增加，而豆禾比4∶ 6 在兩個(gè)土層均減少;與單播豆科牧草相比，所有混播比例土壤有機(jī)質(zhì)均下降，下降幅度在3.08% ～10.05%。

2.2 土壤氮素養(yǎng)分的變化

2.2.1 混播種類對氮素養(yǎng)分的影響 混6、混5 －1、混3 －2 的0 －10 cm 土壤全氮含量顯著高于其他混播種類(P ＜0.05)，混3 －2 的10 －20 cm 土壤全氮含量顯著高于混6 和混4 －1;混4 －2、混3 －1、混3 －2 的0 －10 cm 土壤堿解氮含量則顯著低于混4 －1，混5 －2 的10 －20 cm 土壤堿解氮含量顯著高于混3 －1 和混3 －2(圖3)。與單播禾草相比，所有混播種類0 －10 cm 土壤全氮含量均下降，下降幅度達(dá)19.59% ～52.85%;混6、混4 －1 和混4 －2 的10－20 cm 土壤全氮含量下降，其他混播種類則增加，增加幅度在12.23% ～25.71%;除混4 －2 外，其他混播種類0 －10cm土壤堿解氮含量均增加，增加幅度為4.19% ～22.14%;所有混播種類10 －20 cm土壤堿解氮含量均增加，增加幅度在23. 27% ～40.13%。與單播豆科牧草相比，除混5 －2 外，其他混播種類0 －10 cm 土壤全氮含量均增加，其中混6、混5 －1、混3 －2 的增加幅度在60.00%以上;混5 －1、混5 －2、混4 －1 的0 －10 cm 土壤堿解氮含量增加，增加幅度為1.83% ～3.87%，其他混播種類則下降;所有混播種類10 －20 cm 土壤全氮、土壤堿解氮含量均下降，其中土壤全氮含量下降幅度在15.96% ～72.22%，土壤堿解氮含量下降幅度在3.02% ～14.70%。

圖1 不同混播種類下0 －10、10 －20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.1 Soil organic matters content under different mixed species of 0 －10，10 －20 cm soil layers

圖2 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Soil organic matters content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

圖3 不同混播種類0 －10、10 －20 cm 土壤氮素養(yǎng)分含量Fig.3 Soil nitrogen content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed species

2.2.2 豆禾混播比例對氮素養(yǎng)分的影響 豆禾比3∶ 7的0 －10 cm 土壤全氮含量顯著高于豆禾比4∶6(P ＜0.05)，豆禾比3∶ 7 的10 －20 cm 土壤全氮含量高于其他混播比例(P ＞0.05);豆禾比3∶ 7 的0 －10 cm 土壤堿解氮含量則顯著低于豆禾比5∶ 5，而豆禾比5∶ 5 的10 －20 cm 土壤堿解氮含量高于其他混播比例(P ＞0.05)(圖4)。與單播禾草相比，所有混播比例0 －10 cm 土壤全氮含量均下降，下降幅度達(dá)25.69% ～47.45%;豆禾比3∶ 7 的10－20 cm 土壤全氮含量增加，其他混播比例則下降;所有混播比例0 －10、10 －20 cm 土壤堿解氮含量均增加，增加幅度分別為11.26% ～13.19%、28.31%～34.28%。與單播豆科牧草相比，所有混播比例0－10 cm 土壤全氮含量均增加，增加幅度為10.72%～56.56%;所有混播比例10 －20 cm 土壤全氮含量均下降，下降幅度為16.63% ～47.51%;所有混播比例0 －10、10 －20 cm 土壤堿解氮含量均下降，下降幅度分別為3.74% ～5.39%、7.07% ～11.20%。方差分析表明，混播比例對0 －10 cm 土壤全氮、土壤堿解氮含量有顯著影響;而混播比例對10 －20 cm 土壤全氮、土壤堿解氮含量無顯著影響。

2.3 土壤磷素養(yǎng)分的變化

2.3.1 混播種類對土壤磷素養(yǎng)分的影響 混3 －1的0 －10 cm 土壤全磷含量顯著高于其他混播種類(P ＜0.05)，混6、混4 －2 的10 －20 cm 土壤全磷含量顯著高于混5 －1 和混3 －1;混5 －2、混4 －1、混4 －2、混3 －1 的0 －10 cm 土壤有效磷含量顯著高于混6 和混3 －2，混3 －1、混3 －2 的10 －20 cm 土壤有效磷含量顯著高于其他混播種類處理(圖5)。與單播禾草相比，所有混播種類處理0 －10 cm 土壤全磷含量均增加，增加幅度為0.43% ～86.41%;混5 －1、混3 －1 的10 －20 cm 土壤全磷含量下降，其他混播種類處理則增加，增加幅度在3. 50% ～39.90%;與單播豆科牧草相比，除混3 －1 外，其他混播種類0 －10 cm 土壤全磷含量均下降，下降幅度為7.97% ～39.32%;所有混播種類處理10 －20cm土壤全磷含量均下降，下降幅度在18.31% ～64.41%。除混6、混3 －2 外，其他混播種類0 －10 cm 土壤有效磷含量均比單播增加，增加幅度為48.56% ～107.63%;除混5 －1、混5 －2 外，其他混播種類10 －20 cm 土壤有效磷含量均比單播增加，增加幅度為1.38% ～25.97%。

圖4 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤氮素養(yǎng)分含量Fig.4 Soil nitrogen content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

圖5 不同混播種類下0 －10、10 －20 cm 土壤磷素養(yǎng)分含量Fig.5 Soil phosphorus nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed species

2.3.2 豆禾混播比例對土壤磷素養(yǎng)分的影響 豆禾比5∶ 5 的0 －10 cm 土壤全磷含量顯著高于其他混播比例(P ＜0.05)，豆禾比5∶ 5 的0 －10 cm 土壤有效磷含量也高于其他混播比例，但差異不顯著(P ＞0.05);豆禾比5∶ 5 的10 －20 cm 土壤全磷、土壤有效磷含量均顯著高于其他混播比例(圖6)。與單播禾草相比，所有混播比例0 －10 cm 土壤全磷含量均增加，增加幅度為9.71% ～59.45%;豆禾比3∶ 7的10－20 cm 土壤全磷含量下降，其他混播比例則增加。與單播豆科牧草相比，所有混播比例0－10、10 －20 cm 土壤全磷含量均下降，下降幅度分別為3.66% ～33.71%、26.59% ～51.49%。所有混播比例0－10、10－20 cm 土壤有效磷含量均比單播豆科牧草增加，增加幅度分別為39.06% ～78.41%、0.70% ～15.19%。方差分析表明，混播比例對0 －10 cm、10 －20 cm 土壤全磷含量有顯著影響。而混播比例對0 －10、10－20 cm 土壤有效磷含量無顯著影響。

2.4 土壤鉀素養(yǎng)分的變化

2.4.1 混播種類對土壤鉀素養(yǎng)分的影響 混6 的0 －10 cm 土壤全鉀含量顯著高于混5 －1、混5 －2、混4 －1、混4 －2(P ＜0.05)，混3 －2 的10 －20 cm土壤全鉀含量顯著高于混6、混5 －1 和混3 －1;混5－2 的0 －10 cm 土壤速效鉀含量顯著低于混5 －1和混3 －2，混6、混5 －1 的10 －20 cm 土壤速效鉀含量顯著高于其他混播種類。除混6 外，所有混播種類0 －10 cm 土壤全鉀含量均比單播下降，下降幅度為2.53% ～11.51%。與單播禾草相比，除混5－1外，其他混播種類0－10 cm 土壤速效鉀含量均下降，下降幅度為0.75% ～12.61%;混5 －1、混3 －1 的10－20 cm 土壤全鉀含量下降，其他混播種類則增加，增加幅度在0.11% ～9.63%;除混6、混5－1 外，其他混播種類10－20 cm 土壤速效鉀含量均下降，下降幅度為4.62% ～13.42%。與單播豆科牧草相比，而所有混播種類0－10 cm、10－20 cm 土壤速效鉀含量均下降，下降幅度分別為8.07% ～22.77%、15.06% ～32.01%;所有混播種類10 －20 cm 土壤全鉀含量均下降，下降幅度在6.05% ～18.10%。

圖6 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤磷素養(yǎng)分含量Fig.6 Soil phosphorus nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

圖7 不同混播種類下0 －10、10 －20 cm 土壤鉀素養(yǎng)分含量Fig.7 Soil potassium nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed species

2.4.2 豆禾混播比例對土壤鉀素養(yǎng)分的影響 豆禾比3∶ 7 的0 －10 cm 土壤全鉀含量顯著高于豆禾比5∶ 5(P ＜0.05)，豆禾比4∶ 6 的10 －20 cm 土壤全鉀含量均顯著高于其他混播比例;豆禾比4∶ 6 的0 －10 cm 土壤速效鉀含量高于其他混播比例，但差異不顯著(P ＞0.05)，豆禾比3∶ 7 的10 －20 cm 土壤速效鉀含量顯著高于豆禾比5∶ 5(圖8)。所有混播比例0－10 cm 土壤全鉀、土壤速效鉀含量均比單播下降，下降幅度為0.03% ～18.54%。與單播禾草相比，豆禾比3∶ 7 的10 －20 cm 土壤全鉀含量下降，其他混播比例則增加;所有混播比例10 －20 cm土壤速效鉀含量均下降，下降幅度為1. 30% ～9.99%。與單播豆科牧草相比，所有混播比例10 －20 cm 土壤全鉀、土壤速效鉀含量均下降，下降幅度為8.58% ～29.32%。方差分析表明，混播比例對0 －10、10 －20 cm 土壤全鉀含量有顯著影響。而混播比例對0 －10、10 －20 cm 土壤速效鉀含量無顯著影響。

圖8 不同豆禾混播比例下0 －10、10 －20 cm 土壤鉀素養(yǎng)分含量Fig.8 Soil potassium nutrients content of 0 －10，10 －20 cm soil layers under different mixed ratios of legume to grass

3 討論

3.1 豆禾混播體系中土壤養(yǎng)分的競爭

豆禾牧草混播后禾草與豆科牧草間存在著對氮元素的競爭權(quán)衡，只有當(dāng)土壤氮含量通過氮循環(huán)達(dá)到禾草與豆科牧草各自競爭優(yōu)勢平衡的水平時(shí)，兩者才可以共存［32］。但豆禾混播體系中存在空間上或時(shí)間上根系分布差異所導(dǎo)致的生態(tài)位分離，以及禾草、豆科牧草在養(yǎng)分利用方式上差異所導(dǎo)致的生態(tài)位分離，這些均能有效地降低豆禾牧草對土壤養(yǎng)分的競爭［33］。本研究的3 年試驗(yàn)期內(nèi)，單播豆科牧草在土壤淺層(0 －20 cm)具有較高的土壤有機(jī)質(zhì)、可利用氮素養(yǎng)分(堿解氮)與可利用鉀素養(yǎng)分(速效鉀);而單播禾草則具有較低的土壤有機(jī)質(zhì)、可利用氮素養(yǎng)分;兩種單播草地均具有較低的土壤可利用磷素養(yǎng)分(有效磷)。豆禾牧草混播后，土壤可利用氮素養(yǎng)分較單播禾草增加，土壤可利用磷素養(yǎng)分則較兩種單播草地大部分混播種類均增加。這與張永亮等［5］、邰繼承等［30］的研究結(jié)果一致。因此，豆禾牧草混播既有利于土壤氮、磷養(yǎng)分的增加，又有利于禾草與豆科牧草達(dá)到各自地下競爭優(yōu)勢的平衡，為豆禾混播草地的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3.2 混播方式對豆禾混播草地土壤養(yǎng)分的影響

豆禾牧草混播后，豆科牧草固定的氮素轉(zhuǎn)移到禾草體內(nèi)，起氮素肥料的作用［34-36］;豆禾牧草在根際可同時(shí)形成磷養(yǎng)分利用空間優(yōu)勢、磷源利用差異及相互促進(jìn)吸收，因此土壤磷素供應(yīng)也得到了改善［12］。但是由于混播方式的不同，土壤養(yǎng)分的分布與積累規(guī)律是有差異的［30］。邰繼承等［30］認(rèn)為，隔行混播相對于同行混播來說，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀的積累，而同行混播則具有較高的有效磷含量。本研究的3 年試驗(yàn)期內(nèi)，隨著豆科牧草的比例減少，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷和有效磷含量呈減少趨勢，而豆禾比4∶ 6 具有較高的全鉀和速效鉀含量;方差分析也表明，混播比例僅對土壤全磷、全鉀含量造成了顯著影響。由此可見，增加豆科牧草比例可能減少了自身對土壤氮素的消耗，同時(shí)殘留了較多土壤氮供禾草利用，與禾草相互作用促進(jìn)了磷素養(yǎng)分的供應(yīng)，但無法顯著增加土壤養(yǎng)分(特別是氮素)的供給。物種種類數(shù)量及各物種的搭配對土壤養(yǎng)分的影響更為復(fù)雜:混播種類較少時(shí)(混3 －1、混3 －2、混4 －1、混4 －2)，其土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、全鉀含量較高，而土壤堿解氮、速效鉀含量較低;混播種類較多時(shí)(混6、混5 －1、混5－2)，其土壤堿解氮、速效鉀含量較高，而土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷含量較低。方差分析則表明，混播種類是造成不同混播方式下土壤養(yǎng)分差異的主導(dǎo)因素。因此，在豆禾混播草地中簡單增加豆科牧草的比例，可能并不能顯著增加土壤養(yǎng)分供給(特別是氮素)，只有合理的豆禾比例與種類搭配才能顯著改善土壤養(yǎng)分的供給。

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