王振南，張清平，陸姣云，楊梅，楊惠敏(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州730020)

基于灰色關(guān)聯(lián)度法的不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力評價(jià)

王振南，張清平，陸姣云，楊梅，楊惠敏
(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州730020)

土壤肥力能反映植物的生長潛力和表現(xiàn)，但又受到植物的影響。在多年生草地系統(tǒng)中，利用年限(牧草年齡)對土壤肥力的影響還沒有準(zhǔn)確的闡述。采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，對6個(gè)年齡紫花苜蓿(Medicago sativa)草地土壤碳、氮、磷、鉀等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序?qū)Σ煌挲g草地土壤肥力進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，在不同土層，紫花苜蓿草地土壤有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷和全鉀含量隨年齡而變化的趨勢不一致。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析后發(fā)現(xiàn)，0－10和10－20 cm土壤肥力最好的年齡均為5齡草地，而20－30 cm土壤肥力最好的年齡為8齡，5齡草地次之。因此，從土壤肥力角度可確定黃土高原地區(qū)5齡紫花苜蓿草地利用最佳。

灰色關(guān)聯(lián)度;利用年限;苜蓿;土壤養(yǎng)分

王振南，張清平，陸姣云，楊梅，楊惠敏.基于灰色關(guān)聯(lián)度法的不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力評價(jià)［J］.草業(yè)科學(xué)，2015，32(8) : 1230-1236.

WANG Zhen-nan，ZHANG Qing-ping，LU Jiao-yun，YANG Mei，YANG Hui-min.Assessment of soil fertility in lucerne stands of different ages using grey correlative degree analysis［J］.Pratacultural Science，2015，32(8) : 1230-1236.

碳(C)、氮(N)、磷(P)和鉀(K)是植物生長的必需元素［1-2］，其在土壤中的含量反映了土壤肥力狀況。植物會(huì)通過凋落物分解和根系分泌等方式將營養(yǎng)元素返還到土壤中［3］，因此，土壤肥力受到植物自身營養(yǎng)狀況及生理生化特征的極大影響;另一方面，土壤肥力必然影響植物的生長和生物量積累(生產(chǎn))。在多年生草地(如紫花苜蓿草地)系統(tǒng)中，多年生牧草的生理功能的年際變化以及多次反復(fù)的地上部分的移除(主要為刈割和放牧)導(dǎo)致植物對土壤的影響更大，二者間的聯(lián)系也更復(fù)雜。

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有較高的營養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)等價(jià)值，已被世界各國廣泛利用［4］。雖然紫花苜蓿的平均壽命能夠超過20年［5-6］，但利用年限過長會(huì)導(dǎo)致飼草產(chǎn)量和品質(zhì)的降低［7-12］。紫花苜蓿植株的營養(yǎng)狀況與草地土壤肥力密切偶聯(lián)，土壤肥力能直接體現(xiàn)植物的生長潛力和表現(xiàn)。因此，紫花苜蓿飼草產(chǎn)量和品質(zhì)降低可能與草地土壤肥力的變化有關(guān)，但并沒有確定的解釋。已有研究表明，隨著紫花苜蓿年齡的增加，土壤全氮和堿解氮含量升高［13-14］，速效鉀、全鉀含量升高［13］或降低［14-15］，速效磷含量增加，全磷含量先增加后減小［14］。實(shí)際上，土壤肥力涉及到多種元素的復(fù)雜變化，僅根據(jù)氮元素或其他單一元素含量的變化并不能準(zhǔn)確而科學(xué)地判斷草地土壤肥力。采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法(Grey Correlative Degree Analysis，GRDA)［16］，對不同種植年限紫花苜蓿草地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷含量進(jìn)行了綜合分析，評價(jià)了不同年齡紫花苜蓿草地的土壤肥力狀況，以期為苜蓿的合理種植利用及確定最佳的利用年限提供一定的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在蘭州大學(xué)慶陽黃土高原試驗(yàn)站(107°51' E，35°39' N)進(jìn)行。該地位于隴東黃土高原中部，海拔1 298 m，年降水量480～660 mm，多年平均降水量561 mm［17］，全年降水的60%以上集中在7至9月，年蒸發(fā)量1 100～1 500 mm，年日照時(shí)數(shù)2 300～2 700 h，年均氣溫8～10℃，無霜期150～190 d，土壤類型為黑壚土。

1.2試驗(yàn)材料

2002年(取樣時(shí)11年齡)、2005年(8年齡)、2006年(7年齡)、2008年(5年齡)、2009年(4年齡)和2012年(1年齡)建植的隴東苜蓿(Medicago sativa cv.Longdong)草地，其前茬作物均為冬小麥(Triticum aestivum)，地力及栽培管理方式均一致。于2012年8月10日(第2茬初花期)進(jìn)行土壤樣品采集。各齡苜蓿地每次取樣設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)以五點(diǎn)取樣法在樣地中用土鉆分層(按0―10、10―20和20―30 cm)采集土樣，同層混合。土樣常溫風(fēng)干，過2 mm篩網(wǎng)，用于測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮［18］和速效磷含量;部分土樣過0.25 mm篩網(wǎng)，用于測定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量。

1.3測定指標(biāo)與方法

有機(jī)碳(Organic Carbon，OC)的測定采用重鉻酸鉀加熱氧化法［19］，全氮(Total Nitrogen，TN)的測定采用凱氏定氮法［20］，全磷(Total Phosphorus，TP)的測定采用NaOH－熔融―鉬銻抗比色法［19］，全鉀(Total Potassium，TK)的測定采用NaOH熔融―火焰光度法［19］，銨態(tài)氮(Ammonium Nitrogen，NH4+)和硝態(tài)氮(Nitrate Nitrogen，NO3－)采用FIASTAR 5000連續(xù)性流動(dòng)分析儀測定［18］，速效磷(Available Phosphorus，AP)采用0.5 mol·L－1NaHCO3浸提―分光光度法測定［19］。

1.4灰色關(guān)聯(lián)度分析

將上述6個(gè)年齡隴東苜蓿草地土壤的7種指標(biāo)作為一個(gè)灰色系統(tǒng)，則每個(gè)不同年齡草地土壤作為灰色系統(tǒng)的一個(gè)因素，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法［16］對不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力進(jìn)行綜合分析。

(1)參考數(shù)列

以各指標(biāo)的最優(yōu)值構(gòu)成理想的參考數(shù)列: X0(k)={ X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n) }，以各指標(biāo)的測定值構(gòu)成比較數(shù)列: Xi(k)={ Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n) }，其中，k=1，2，3，…，n，n為測定指標(biāo)數(shù)(此處為7)，i=1，2，3，…，m，m為測定不同年齡草地?cái)?shù)(此處為6)。

(2)指標(biāo)的無量綱化

將各指標(biāo)的測定值轉(zhuǎn)化為評價(jià)值，用Xi＇(k)=Xi(k)/X0(k)對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，使所有數(shù)據(jù)在［0，1］區(qū)間之內(nèi)。

(3)關(guān)聯(lián)系數(shù)

求比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0各對應(yīng)點(diǎn)的絕對差值，△i(k)=|X0(k)－Xi(k) |，此處△i(k)為i年齡的紫花苜蓿草地指標(biāo)測定值Xi與理想值X0在第k個(gè)指標(biāo)上的絕對差值。則理想數(shù)列X0和比較數(shù)列Xi在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)εi(k)為:式中，min min | X0(k)－Xi(k) |為二級最小差; max max|X0(k)－Xi(k) |為二級最大差;ρ為分辨系數(shù)，此處為0.5。

2　結(jié)果與分析

2.1不同年齡紫花苜蓿草地土壤元素含量

不同年齡紫花苜蓿草地土壤各元素含量在不同土層間有較大差異(表1)。在0―10 cm土層，11齡、8齡、5齡草地土壤OC含量顯著高于7齡和1齡草地土壤OC(P＜0.05) ; 8齡草地土壤TN和TP含量明顯高于7齡和4齡，但與其他齡草地土壤TN 和TP含量無顯著差異(P＞0.05) ; 7齡和5齡草地土壤AP含量顯著高于其他齡; 8齡和1齡草地土壤含量顯著高于其他齡; 7齡、5齡和4齡草地土壤含量顯著高于1齡，其他齡草地土壤間無顯著差異;土壤TK含量在各齡草地土壤間無顯著差異。在10－20 cm土層，5齡草地土壤OC含量顯著高于7齡，其他齡草地土壤OC含量無顯著差異; 1齡草地土壤TN含量顯著高于其他齡，并且其他齡草地土壤間無顯著差異; 1齡和8齡草地土壤含量顯著高于其他齡; 4齡草地土壤具有最高含量; 8齡和1齡草地土壤TP含量顯著高于11齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 8齡、7齡和5齡草地土壤AP含量明顯高于11齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 5齡草地土壤TK含量顯著高于7齡和1齡，其他齡草地土壤間無顯著差異。在20－30 cm土層，7齡草地土壤OC含量明顯低于其他齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 1齡草地土壤TN含量高于8齡，7齡和4齡，其他齡草地土壤間無顯著差異; 8齡和1齡草地土壤含量顯著高于其他齡草地土壤;土壤含量在4齡草地最高，8齡草地土壤最低，其他齡草地間無顯著差異; 11齡和5齡草地土壤TP含量顯著高于7齡、4齡和1齡; 8齡草地土壤AP含量顯著高于11齡和4齡，其他齡草地間無顯著差異; 11齡草地土壤TK含量明顯大于其他齡。

2.2測定指標(biāo)的無量綱化和關(guān)聯(lián)系數(shù)

對不同年齡紫花苜蓿草地土壤各測定指標(biāo)無量綱化后的結(jié)果(表2)表明，0―10 cm的理想的參考數(shù)列X0(k)={ 8.60，1.31，41.33，12.85，0.892，7.1，20.60}，10―20 cm的X0(k)={ 6.94，1.44，41.96，10.62，0.882，4.0，20.75}，20―30 cm的X0(k)={ 5.89，1.31，42.78，7.28，0.961，4.2，23.26}。各測定指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)如表3所示。

2.3土壤肥力評價(jià)

不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度和排序如表4所示。等權(quán)關(guān)聯(lián)度排序和加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序一致，在0－10和10－20 cm土層，土壤肥力最好的年齡均為5齡草地;在20－30 cm土層，土壤肥力最好的年齡為8齡草地，5齡草地土壤肥力僅次于8齡草地。所以綜合分析，5齡苜蓿草地土壤肥力最佳。

3　討論與結(jié)論

灰色關(guān)聯(lián)度分析法克服了單一元素不能準(zhǔn)確評價(jià)不同年齡草地土壤肥力的問題，能客觀反映出土壤肥力最佳的草地年齡，不會(huì)因?yàn)椴莸赝寥绬我辉乇憩F(xiàn)最佳而判斷相應(yīng)草地年齡為最佳，或者相反。目前，灰色關(guān)聯(lián)度分析方法已經(jīng)在玉米(Zea mays)［21-22］、大豆(Glycine max)［22］、小麥(Triticum aestivum)［23］、紫穗槐(Amorpha fruticosa)［24］、苜蓿［25］等的研究中得到應(yīng)用，用來評價(jià)其營養(yǎng)價(jià)值、生產(chǎn)性能、抗旱性等，而在土壤肥力的評價(jià)上主要應(yīng)用于森林生態(tài)系統(tǒng)［26］。本研究采用灰色關(guān)聯(lián)

表1　不同年齡紫花苜蓿草地土壤元素含量Table 1 Soil element contents of lucerne cultivated in different years　g·kg－1

表2　測定指標(biāo)的無量綱化Table 2 Dimensionlessness of measured indexes

表3　測定指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 3 Correlative coefficient of measured indexes

度分析法評價(jià)了不同年齡紫花苜蓿草地的土壤肥力，避免了單一元素評價(jià)可能造成的偏差。不同年齡紫花苜蓿草地土壤中不同元素表現(xiàn)不一，單一元素分析會(huì)得到不同結(jié)果。如，0－10 cm土層，8齡草地土壤TN和TP含量顯著高于7齡和4齡; 7齡和5齡草地土壤AP含量顯著高于其他齡; 8齡和1齡草地土壤含量明顯高于其他齡; 7齡、5齡和4齡草地土壤含量明顯高于1齡，其他齡草地土壤間無顯著差異;土壤TK含量在各齡草地土壤間無顯著差異。同樣，10－20和20－30 cm土層各元素含量變化不一致(表1)，因此，僅從碳、氮、磷或鉀等單一元素含量出發(fā)，不能得到一致而準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。

不同年齡紫花苜蓿自身的生長狀況及其生長的土壤環(huán)境均有差異。隨著紫花苜蓿種植年限的增加，牧草產(chǎn)量逐漸降低［14］，這可能與葉綠素a和b含量降低導(dǎo)致光合能力減弱、有機(jī)物積累減少有關(guān)［27］。也有研究表明，隨著種植年限的增加，紫花苜蓿的結(jié)瘤密度增加［28］，土壤全氮、堿解氮、速效鉀、全鉀含量升高［13］，土壤肥力增加［6，29］。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，在不同土層，單一元素含量隨紫花苜蓿年齡而變化的趨勢是不確定的，也就是說，前人發(fā)現(xiàn)的增加的趨勢往往并不是單向的。根據(jù)生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)、土壤水分狀況、土壤理化特性以及葉片的光合生理生態(tài)指標(biāo)等，萬素梅［30］、Li和Huang［31］提出苜蓿的利用年限不宜超過8年。而在本研究中，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法綜合評價(jià)了6個(gè)年齡紫花苜蓿草地土壤肥力，得出了5齡草地土壤肥力最佳的結(jié)果，從土壤肥力的角度確定黃土高原慶陽地區(qū)紫花苜蓿最佳利用年齡為5齡。

表4　不同年齡紫花苜蓿草地土壤肥力的等權(quán)關(guān)聯(lián)度(GCD)、加權(quán)關(guān)聯(lián)度(WGCD)和排序Table 4 Values and orders of grey correlative degree (GCD) and weighted GCD (WGCD) of soil fertility of lucerne cultivated in different years

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(責(zé)任編輯王芳)

Assessment of soil fertility in lucerne stands of different ages using grey correlative degree analysis

WANG Zhen-nan，ZHANG Qing-ping，LU Jiao-yun，YANG Mei，YANG Hui-min
(State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems; College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China)

Soil fertility reflects the performance and growth potential of plant which is easily affected by the plant.In the perennial grassland-ecosystem，the effect of forage age on the soil fertility has not been clearly elucidated yet.In the present study，the soil fertility in lucerne stands with six different ages were comprehensively analysed using grey correlative degree analysis to evaluate the effect of stand age on soil fertility.In different soil layers，the contents of organic carbon，total nitrogen，ammonium，nitrate，total phosphorus，available phosphorus and total potassium were different in different lucerne stands cultivated in different years，and they differently varied with stand age.Using grey correlative degree analysis，the best soil fertility was observed in 5-year old stands in 0－10 and 10 －20 cm soils，the best soil fertility was observed in 8-year old stands and the better soil fertility was observed in 5-year old stands in 20－30 cm soils.Conclusively，in the Loess Plateau，the optimal utilisation age of lucerne was 5-year old considering soil fertility.

grey correlative degree analysis; utilisation time; Medicago sativa; soil nutrient

YANG Hui-min E-mail: huimyang@lzu.edu.cn

S812.2; S541+.106.1

A

1001-0629(2015) 08-1230-07*

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0473

2014-10-23接受日期: 2015-01-12

國家自然科學(xué)基金(31172248) ;人力資源和社會(huì)保障部2012年度留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助經(jīng)費(fèi);甘肅省科技重大專項(xiàng)(1203FKDA035)

王振南(1988-)，男，山東臨沂人，在讀博士生，主要從事元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究。E-mail: wangzn11@lzu.edu.cn

楊惠敏(1978-)，男，湖北應(yīng)城人，博導(dǎo)，博士，主要從事草類植物逆境生物學(xué)研究。E-mail: huimyang@lzu.edu.cn