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混播種類與混播比例對豆禾混播草地淺層土壤養(yǎng)分的影響

2015-04-08 06:50加娜爾古麗唐高溶朱進忠
草業(yè)科學(xué) 2015年3期
關(guān)鍵詞:單播豆科混播

鄭 偉,加娜爾古麗,唐高溶,朱進忠

(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)重點實驗室,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 同位素標記試驗表明,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現(xiàn)的[11]。與此同時,豆科與禾本科植物間作顯著促進了豆科與禾本科植物的生長以及磷的吸收[12-13],這種促進作用主要通過分泌有機酸和質(zhì)子活化土壤中難溶性的磷源來實現(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 試驗地概況

試驗地點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 試驗材料與設(shè)計

試驗為隨機區(qū)組設(shè)計,a 因素為混播種類(a =7),分別設(shè)3 種牧草混播的兩個處理、4 種牧草混播的兩個處理、5 種牧草混播的兩個處理和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 個小區(qū)。每個小區(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際用價來計算,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混播組合進行土壤樣品采集。以S 形取樣法在每個小區(qū)內(nèi)用土鉆按0 -10、10 -20 cm 分層采集5 個樣點的混合土樣,3 次重復(fù),測定其全量與速效氮、磷、鉀和土壤有機質(zhì)等土壤養(yǎng)分。土壤有機質(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,堿解氮采用堿解擴散法,有效磷采用鉬銻抗比色法,速效鉀采用火焰光度計法,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進行方差分析、計算標準差;利用一般線性模型中的方差分量估計對各土壤養(yǎng)分含量指標在混播種類、混播比例及其交互效應(yīng)進行差異顯著性檢驗,并利用LSD 對各指標進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 土壤有機質(zhì)的變化

2.1.1 混播種類對土壤有機質(zhì)的影響 各混播種類處理之間,0 -10 cm 土層土壤有機質(zhì)含量無顯著差異(P >0.05),但混3 -1、混3 -2 的0 -10 cm 土壤有機質(zhì)含量較高(圖1)。10 -20 cm 土層,混3 -1、混3 -2 土壤有機質(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 土壤有機質(zhì)增加,而其他混播種類土壤有機質(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質(zhì)的影響 各豆禾混播比例之間,0 -10、10 -20 cm 土壤有機質(zhì)含量均無顯著差異(P >0.05),但豆禾比5∶ 5 在兩個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 在兩個土層土壤有機質(zhì)均增加,而豆禾比4∶ 6 在兩個土層均減少;與單播豆科牧草相比,所有混播比例土壤有機質(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,只有當土壤氮含量通過氮循環(huán)達到禾草與豆科牧草各自競爭優(yōu)勢平衡的水平時,兩者才可以共存[32]。但豆禾混播體系中存在空間上或時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形成磷養(yǎng)分利用空間優(yōu)勢、磷源利用差異及相互促進吸收,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]認為,隔行混播相對于同行混播來說,更有利于土壤有機質(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 年試驗期內(nèi),隨著豆科牧草的比例減少,土壤有機質(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,同時殘留了較多土壤氮供禾草利用,與禾草相互作用促進了磷素養(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(混3 -1、混3 -2、混4 -1、混4 -2),其土壤有機質(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(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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