金星娜，裴亞斌，田新會(huì)，杜文華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

近年來甘南高寒牧區(qū)草地面積逐年減少，牧民為了減少經(jīng)濟(jì)效益的損失,在資源有限的情況下采取了過度放牧等方式[1]，造成草地土壤養(yǎng)分不均衡、土壤肥力嚴(yán)重下降[2]。耕種模式、種植作物和肥料利用等人為活動(dòng)均可影響土壤養(yǎng)分的分布、含量和有效性[3]，合理的耕作模式可以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的循環(huán)與平衡，提高土壤肥力[4]。由于甘南高寒牧區(qū)地處青藏高原東北緣，冬春季氣候寒冷，適應(yīng)種植的飼草種類較少。小黑麥(×Triticosecale)是一年生禾本科飼草作物，由于抗寒性強(qiáng)，甘南高寒牧區(qū)秋季播種后不僅能夠安全越冬，而且可以很好地利用冬春光熱資源發(fā)揮出高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢[5]。復(fù)種是指同一塊土地上在一年內(nèi)連續(xù)種植超過一熟(茬)作物的種植制度[6]，包括平作式復(fù)種和套作式復(fù)種[7]。復(fù)種能提高土地產(chǎn)出效益，同時(shí)能夠充分利用冬春光熱資源，增加植被覆蓋率，提高土地、熱能的利用率[8]。復(fù)種較單播可有效提高水分利用率、土地生產(chǎn)力及效益[9]。復(fù)種作物中引入具有固氮特性的豆科飼草，可以有效減少氮肥的使用量[10]。裴亞斌等[11]研究表明甘南高寒牧區(qū)秋播小黑麥套作式復(fù)種箭筈豌豆和50%春播小黑麥×50%箭筈豌豆混播的干草產(chǎn)量和純收益均顯著高于3種作物單播模式，且土壤的全氮含量顯著提高；孫愛華等[12]研究結(jié)果顯示，在高寒陰濕地區(qū)燕麥與箭筈豌豆1∶1混播復(fù)種較燕麥單播增產(chǎn)明顯(40.78%)；王富強(qiáng)等[13]在拉薩河谷區(qū)研究了箭筈豌豆和黑麥混、間播的建植方式，結(jié)果表明混播更有利于增產(chǎn)，并可以改善混播牧草的飼用品質(zhì)。本試驗(yàn)通過研究秋播小黑麥套作式復(fù)種不同作物后對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響，以篩選有利于改良土壤的復(fù)種模式，為甘南高寒牧區(qū)土壤改良和飼草復(fù)種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在合作市蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站進(jìn)行。地理位置N 34°57′136″，E 102°53′54″，海拔2 950 m，屬高寒陰濕氣候類型，年平均溫度3.2℃，年最高溫度30.4℃，年最低溫度-27.9℃，年有效積溫1231.1℃，無霜期113 d，年降水量671.7 mm。土壤類型為亞高山草甸土，試驗(yàn)地?zé)o灌溉條件(表1)。

表1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為甘農(nóng)7號(hào)小黑麥(Triticosecalecv.Gannong No.7)，簡稱小黑麥，澳洲燕麥(Avenasativacv.Longyan No.3)，簡稱燕麥，甘農(nóng)3號(hào)黑麥(Secalecerealcv.Gannong No.3)，簡稱黑麥。均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。前茬作物為秋播小黑麥，復(fù)種作物設(shè)7個(gè)處理，分別為復(fù)種混播處理：50%小黑麥×50%箭筈豌豆混播(T1)，40%黑麥×60%箭筈豌豆混播(T2)，50%燕麥×50%箭筈豌豆混播(T3)，復(fù)種單播處理：小黑麥單播(T4)，黑麥單播(T5)，燕麥單播(T6)，箭筈豌豆單播(T7)。各復(fù)種處理具體播種量見表2。小區(qū)面積為13.5 m2(=2.7 m×5 m)，3次重復(fù)，共計(jì)21個(gè)小區(qū)。2018年9月22日種植前茬作物，條播，行距為15 cm，每種植3行小黑麥預(yù)留60 cm空行用于次年種植2行復(fù)種作物。2019年6月4日種植復(fù)種作物，條播，行距為20 cm。播種前整理試驗(yàn)地，施羊糞30 t/hm2。秋播小黑麥第2年返青后，于下雨前在每個(gè)小區(qū)撒施磷酸二胺300 kg/hm2，人工防除雜草。拔節(jié)期和抽穗期分別施尿素225 kg/hm2。復(fù)種作物在出苗期和拔節(jié)期分別施尿素90 kg/hm2。2019年7月14日刈割前茬作物，2019年9月22日刈割后茬作物。

1.4 測定指標(biāo)及方法

土壤樣品采集：2018年9月22日秋播小黑麥，于播種前進(jìn)行大田基礎(chǔ)土樣的采集(A1)，2019年6月4日，復(fù)種作物種植前在預(yù)留空行間采集基礎(chǔ)土樣(S1)。2019年9月22日，復(fù)種作物刈割(開花期)后在每個(gè)小區(qū)采集土樣，采集過程中，剔除土樣中雜物(包括明顯的根系)，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，放置陰涼處自然風(fēng)干，研磨，過篩，用于土壤各指標(biāo)的測定[14]。禾本科牧草為須根系，箭筈豌豆根系較淺，根系用土鉆采集0～20 cm的土層，土壤的取樣采用五點(diǎn)取樣法[16]，將采樣點(diǎn)的土樣混合，按照四分法取部分土樣。用于土壤養(yǎng)分的測定。

表2 作物播種量

土壤養(yǎng)分：參照《土壤農(nóng)化分析》[15]，進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量測定。其中，土壤pH采用電位法(水∶土=2.5∶1)；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法―外加熱法測定；土壤全氮含量用凱氏定氮法測定；土壤全磷含量用硫酸―高氯酸消煮，鉬銻抗顯色法測定；土壤全鉀用硫酸―高氯酸消煮，火焰光度計(jì)測定；速效磷含量用碳酸氫鈉浸提―鉬藍(lán)比色法測定；速效鉀含量用乙酸胺浸提―火焰光度法測定。

1.5 綜合評(píng)價(jià)

土壤肥力綜合評(píng)價(jià)根據(jù)以下步驟進(jìn)行計(jì)算[16]。

運(yùn)用公式(1)將7個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算。

(1)

式中，μ(Xij)為各復(fù)種處理土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值；Xij為i個(gè)處理下第j項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定值值；Ximin為所有復(fù)種處理下第j項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的最小值；Ximax為所有復(fù)種處理下第j項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的最大值。

土壤肥力綜合評(píng)價(jià)時(shí)，由于各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)程度不同，需要對(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)分配權(quán)重，利用公式(2)(3)計(jì)算各養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重。

(2)

(3)

式中，Vj代表標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；Wj代表土壤養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重。

求出權(quán)重后，利用公式(4)求出土壤綜合質(zhì)量指數(shù)(H)，H值越大表示土壤質(zhì)量越好。

(4)

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖，在SPSS 20.0中用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)各處理土壤養(yǎng)分進(jìn)行方差分析，F(xiàn)檢驗(yàn)顯著時(shí)用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響

A1土壤pH值最高(7.61)，S1次之(7.60)，各復(fù)種處理土壤pH值均低于A1和S1。其中，T3處理土壤pH值最低(7.39)，顯著低于T2(7.56)和T5處理(7.56)(P<0.05)；其余處理間土壤pH值無顯著差異(P>0.05)(圖1)。

圖1 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合的土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量Fig.1 Soil pH and organic matter content in the autumn-sown triticale double cropped with different crops

各復(fù)種處理有機(jī)質(zhì)含量均高于A1(32.04 g/kg)和S1(37.13 g/kg)，T3處理最高(75.67 g/kg)，T1次之(65.37 g/kg)，T3處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于除T1外的其他處理(P<0.05)；T1處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于T5處理(P<0.05)，與其余處理無顯著差異(P>0.05)；其余處理間無顯著差異(P>0.05)。測定數(shù)據(jù)表明，T3處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比T1、T2處理高15.76%、27.05%。各混播處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著或不顯著高于各自的單播處理，其中T1較T4提高了30.56%，T2較T5提高了22.43%，T3處理較T6提高了31.03%。

2.2 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤全量養(yǎng)分含量的影響

T1、T2、T3、T7處理全氮含量比A1增加了8.63%～27.92%，比S1增加了9.18%～28.57%，而T4、T5、T6處理略微降低。T7處理最高(2.52 g/kg)，顯著高于其他各處理(P<0.05)。混播處理T1、T2、T3間的全氮含量無顯著差異，單播處理T4、T5、T6間無顯著差異(P>0.05)。各混播處理的全氮含量顯著高于各自的禾本科單播處理(P<0.05)(圖2)。T1較T4增加了11.46%，T2較T5增加了13.09%，T3較T6增加了12.82%。

各復(fù)種處理的全磷含量與A1和S1相比均有增加，其中T3處理最高(1.23 g/kg)，顯著高于除T1、T2外的其他處理(P<0.05)，T1處理顯著高于T4、T5處理(P<0.05)，其余處理間無顯著差異?；觳ヌ幚鞹3全磷含量分別比T1、T2高3.36%、13.89%。各混播處理的全磷含量均顯著高于各自的禾本科單播處理，其中T1較T4增加了19%，T2較T5增加了10.20%，T3較T6增加了20.59%，各復(fù)種處理全鉀含量與A1和S1相比均有所降低，各處理間無顯著差異(P>0.05)。T7處理的全鉀含量最高(8.77 g/kg)，T4次之(8.76 g/kg)，T5最低(8.31 g/kg)(圖2)。

圖2 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合的土壤全量養(yǎng)分含量Fig.2 Soil total nutrient content for the autumn-sown triticale double cropped with different crops

2.3 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

各處理的速效磷含量均比A1和S1高，但各處理間無顯著差異(P>0.05)。T7處理速效磷含量最高(23.06 mg/kg)，T3次之(18.21 mg/kg)，T4最低(13.45 mg/kg)。各混播處理速效磷含量高于相應(yīng)單播處理，T1較T4提高了26.99%，T2較T5提高了12.36%，T3較T6提高了20.12%。

各處理速效鉀含量均較A1和S1低，但各處理間速效鉀含量無顯著差異(P>0.05)。T3處理速效鉀含量最高(127.73 mg/kg)，T2次之(126.85 mg/kg)，T4最低(122.22 mg/kg)(表3)。

表3 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合的土壤速效養(yǎng)分含量

2.4 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量是各養(yǎng)分指標(biāo)共同作用的結(jié)果[17]，綜合評(píng)價(jià)值不僅可以用數(shù)字直觀表達(dá)復(fù)雜多變的土壤肥力，而且還能夠較好地反映研究區(qū)土壤養(yǎng)分水平的基本狀況[16]。本研究中將7項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)通過公式(1)-(4)計(jì)算出土壤肥力綜合評(píng)價(jià)值(表3)。

(表3)。根據(jù)前人的等間距法[18-19]將各復(fù)種處理土壤肥力劃分為高等級(jí)(0.739、0.645)、中等級(jí)(0.482、0.471)和極低等級(jí)(0.150、0.148、0.074 )3個(gè)水平。其中，T3的土壤土壤肥力水平最高(0.739)，T1次之(0.645)，T5最低(0.074)(表4)。

表4 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

3 討論

3.1 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)的影響及原因

土壤中的養(yǎng)分含量反映了土壤對(duì)植物所需營養(yǎng)的供給能力[20]，有研究表明，套作式復(fù)種在提高水肥資源的利用率的同時(shí)，還可以改良土壤微環(huán)境[21]。土壤pH值會(huì)影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)、存在形式和有效性[22]。本研究表明，0～20 cm土層，各復(fù)種處理與秋播前、春播前相比，土壤pH值均有所降低，這是因?yàn)橹参锔瞪扉L過程會(huì)釋放有機(jī)酸和質(zhì)子，可在一定程度上中和土壤pH[23]；復(fù)種燕麥處理土壤pH值顯著降低，可能是由于該處理中枝條數(shù)較多，根系部分分泌的有機(jī)酸和呼吸作用釋放的CO2增加的結(jié)果[24]。

土壤有機(jī)質(zhì)可以體現(xiàn)土壤供肥能力，在疏松土壤結(jié)構(gòu)和改良土壤理化性質(zhì)方面具有重要作用[25]。孫丹平[26]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)種和輪作種植模式對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著作用。本研究發(fā)現(xiàn)，各復(fù)種處理與秋播前、春播前相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，這是因?yàn)槟敛莞翟谖胀寥鲤B(yǎng)分的同時(shí)，也會(huì)向土壤中釋放大量有機(jī)物質(zhì)[24]，植物殘?bào)w作為養(yǎng)分回歸土壤、根際土壤根系增多，都作為土壤中有機(jī)物的輸入途徑，使土壤有機(jī)質(zhì)積累隨之增多[27]。復(fù)種燕麥與箭筈豌豆處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，而且各復(fù)種混播處理高于各復(fù)種單播處理，可能是禾本科牧草中纖維素含量高、碳氮比值較大[28]，而且混播處理中牧草根系較多[11]，豆科牧草的根系死亡之后直接增加土壤中腐殖質(zhì)含量[29]，所以復(fù)種混播處理中有機(jī)質(zhì)積累量均高于相應(yīng)單播處理。包興國等[30]研究也表明禾-豆混播可種間相互促進(jìn)，是土壤有機(jī)質(zhì)積累的有效措施。

3.2 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤氮素的影響及原因

本試驗(yàn)中，復(fù)種箭筈豌豆時(shí)的土壤全氮含量最高，這是由于豆科牧草與根瘤菌共生固氮，可將土壤中游離態(tài)的氮固定為化合態(tài)氮，從而提高土壤全氮含量[31]；禾-豆混播草地可利用箭筈豌豆根際固定的氮素，減少對(duì)土壤中氮素的消耗[32]，因此本試驗(yàn)禾-豆混播處理的全氮含量高于秋播前和春播前。禾本科單播處理與秋播前和春播前相比，土壤全氮含量略有降低，這是由于禾本科牧草地上莖葉在生長期內(nèi)需要從土壤中吸收大量氮素合成自身有機(jī)物所致[33]。

3.3 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤磷素的影響及原因

本研究中，各復(fù)種處理土壤速效磷含量均比秋播、春播前高，且各復(fù)種混播處理高于各相應(yīng)單播處理，表明混播能夠提高土壤磷含量，這與危慶等[34]研究結(jié)果一致。其中，箭筈豌豆處理的速效磷含量最高，燕麥與箭筈豌豆混播處理的土壤全磷含量最高、速效磷含量次之，這是因?yàn)槎箍浦参锔翟诹姿厍啡钡那闆r下分泌能夠有機(jī)酸和質(zhì)子，提高土壤中磷酸化合物的溶解度[35]，而且禾-豆混播種間相互抑制和促進(jìn)增強(qiáng)了豆科牧草共生固氮及有機(jī)酸分泌能力，在根際土壤營造磷素空間優(yōu)勢，使得土壤磷含量顯著增加，這與來幸樑等[36]研究結(jié)論相似。

3.4 秋播小黑麥與復(fù)種作物耦合對(duì)土壤鉀素的影響及原因

各復(fù)種處理與秋播前、春播前相比，土壤全鉀、速效鉀含量均降低。其中，T7處理的全鉀含量與T3處理的速效鉀含量最高，說明這兩種處理對(duì)土壤中鉀素的消耗較少。

4 結(jié)論

7個(gè)復(fù)種處理，秋播小黑麥復(fù)種50%小黑麥×50%箭筈豌豆混播、50%燕麥×50%箭筈豌豆混處理的耦合效應(yīng)較好，有利于降低土壤pH、提高有機(jī)質(zhì)和氮素含量，可為甘南高寒牧區(qū)飼草復(fù)種模式進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。