張薈薈，張學洲，梁維維，阿斯婭·曼力克，朱昊，熱娜，李學森

(新疆畜牧科學院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

北疆平原荒漠是新疆溫性荒漠的組成部分，占全疆草地可利用面積的29%，氣候極為干旱，多屬冷季草地，土壤質量整體偏低，但在畜牧業(yè)生產中占有十分重要的地位[1]。近年來，由于人類對水、草資源的過度開發(fā)利用，地下水位急速下降，平原荒漠區(qū)草地向鹽化、旱化和沙化發(fā)展，退化日益嚴重，部分已開墾草地出現(xiàn)撂荒。為了改善和提高現(xiàn)有生產水平，需優(yōu)化種植結構，引草入田，走保護生態(tài)、農牧結合之路，實現(xiàn)高效持續(xù)大農業(yè)發(fā)展。紫花苜蓿具有抗旱、耐鹽堿、耐瘠、保持水土等優(yōu)良的生態(tài)適應性[2]，其根瘤具有很強的生物固氮能力。據(jù)估算，當年生苜蓿固定到土壤中的N35～305 kg/hm2，是免費的氮肥資源[3]，種植后的根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質可增加土壤有機質[4]。因此，在糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿開展糧草輪作對土壤肥力的恢復極為重要[5]，也是減少氮肥投入、緩解能源壓力、降低生產成本、實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[6]。

不同土地耕作模式能夠改變土壤氮磷鉀等養(yǎng)分的含量[7]，已被學者證實。在鹽堿地上種植不同牧草可以不同程度地提高土壤有機質和堿解氮含量，其中以種植苜蓿的土壤各項理化指標改善顯著，土壤質量綜合指數(shù)較高[8]。在黃泛平原風沙化土地種植6種牧草均可使有機質含量、堿解氮、速效磷、速效鉀含量增加，且豆科牧草改良土壤養(yǎng)分的效應高于禾本科牧草的改良效應[9]。中度堿土進行糧-草輪作后，土壤理化性狀都得到改善，耕層土壤全鹽量明顯降低，pH值下降[10]。另外，苜蓿作為中等耐鹽植物，還可通過生物脫鹽和土壤淋溶降低土壤含鹽量，改良輕度鹽漬化土壤[11]。故在中低產田開展草-田輪作，特別是種植紫花苜蓿，對維護生態(tài)系統(tǒng)健康、提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能具有重要作用[12]。因此，以北疆平原荒漠區(qū)的中低產田為例，連續(xù)5年跟蹤調查小麥-苜蓿輪作模式下土壤全鹽量、pH值、有機質和氮磷鉀的動態(tài)變化，揭示糧草輪作過程中土壤鹽堿和養(yǎng)分的消耗規(guī)律，旨在為該地區(qū)種植結構的調整和農田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于新疆呼圖壁縣國家農業(yè)部旱生牧草種子基地，地處N 44°14′08.47″，E 86°37′41.32″，海拔高度495 m，年平均氣溫為6.7℃，1月和7月的平均氣溫分別為-16.9℃和25.6℃，無霜期170 d，≥10℃年積溫3 881℃，年平均降水量167 mm，年均蒸發(fā)量為2 361.1 mm。土壤類型為灰棕色荒漠土，有機質含量為7.0 g/kg，全氮0.54 g/kg、全磷1.01 g/kg、全鉀21 g/kg；水解性氮含量為57.2 mg/kg，有效磷含量為14.0 mg/kg，速效鉀含量為478 mg/kg，pH值8.8，全鹽量3.2 g/kg，土壤呈堿性，輕度鹽漬化，地勢較平坦。

1.2 試驗設計

試驗區(qū)面積4 hm2，參試苜蓿品種為WL343HQ，來自北京正道公司，冬小麥為新冬22號，為當?shù)刂魍破贩N。于2013年8月下旬播種冬小麥，2014年7月收獲籽粒后翻耕晾曬，8月中旬種植苜蓿，2015-2017年每年收獲4茬苜蓿，2018年收獲3茬苜蓿，生長期內未追肥。小麥和苜蓿播種時均施入底肥粒狀重過磷酸鈣(總磷≥46%)300 kg/hm2，小麥施追肥尿素(總氮≥46.4%)300 kg/hm2。

1.3 研究方法

1.3.1 土樣采集 采樣時間為2014-2018年的7-8月，在糧草作物收獲10 d后，采用“S”曲線法分別在苜蓿和小麥地選擇15個點用土鉆取土樣，土層深度設置為0～10，10～20，20～30 cm，重復3次?；靹蜃匀伙L干，過2 mm孔徑的土壤篩備用。

1.3.2 測定方法 土壤樣品送至新疆農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所進行檢測，各指標的測定依據(jù)分別為土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法(LY/T1237-1999)、pH值采用電位法(LY/T 1239-1999)、全鹽含量采用電導法(LY/T 1251-1999)、土壤氮采用凱氏定氮法和堿解擴散法(LY/T 1228-2015)、土壤磷采用酸溶法和鹽酸-硫酸浸提法(LY/T 1232-2015)、土壤全鉀采用堿熔-火焰光度計法(NY/T 87-1988)和土壤速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提-火焰光度計法(NY/T 889-2004)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 2016整理數(shù)據(jù)并繪圖，使用DPS7.05統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析處理。

2 結果與分析

2.1 土壤全鹽含量和pH值

隨著種植年限的增加，0～10 cm土壤全鹽量呈明顯下降趨勢，10～20 cm為先增加后降低最后趨于平穩(wěn)，20～30 cm呈現(xiàn)先緩慢增加而后降低最后升高的態(tài)勢，0～30 cm的土壤含鹽量整體呈現(xiàn)下降趨勢，到苜蓿生長第4 a(2018年)，土壤全鹽含量由輪作前0.79 g/kg降低到0.63 g/kg，降幅為21.12%；不同土層的pH值變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)先降低后增加最后降低的趨勢，4 a平均降幅為6.64%，其中，第4 a(2018年)0～30 cm土層的土壤pH值降幅最大，較小麥地降低了7.21%(圖1)。

圖1 土壤全鹽含量和pH值Fig.1 Dynamic changes of soil total salt content and pH value in different years

2.2 土壤有機質

小麥輪作苜蓿后，隨著種植年限的增加，土壤有機質含量呈波動性上升趨勢，4 a的年平均增幅為19.07%，在苜蓿收獲第1 a(2015年)，有機質含量由2014年的8.07 g/kg增加為9.96 g/kg，可能是由于小麥秸稈腐爛增加了土壤有機質含量，第2 a出現(xiàn)降低，之后逐漸升高，這是由于枯落物和土壤中苜蓿根系量增多，提高了有機質含量。在苜蓿生長第4 a土壤有機質含量較輪作前小麥地增加了27.12%(圖2)。

圖2 土壤有機質含量Fig.2 Dynamic change of soil organic matter in different years

2.3 土壤氮磷鉀

2014年的小麥倒茬后連作苜蓿的幾年，土壤全氮含量均有所增加，顯著高于小麥地(P<0.05)，由輪作前0.52 g/kg提高到0.65 g/kg，其中，0～20 cm土壤氮含量增幅較大，基本上都在20%以上，隨著苜蓿種植年限的增加，土壤的全氮含量呈上下波動，0～20 cm的土壤全氮量維持在0.62～0.73 g/kg，20～30 cm土壤中的全氮含量相對較低，介于0.55～0.59 g/kg，年際間差異不顯著(P>0.05)；土壤全磷含量在苜蓿收獲第1 a(2015年)較小麥地均有所增加，但差異不顯著(P>0.05)，隨后逐漸降低，在苜蓿收獲第4 a后(2018年)10～30 cm土壤全磷含量都顯著低于小麥地(P>0.05)，而0～10 cm則有所增加；土壤全鉀含量呈現(xiàn)出先增加后降低又增加的態(tài)勢，除2017年苜蓿收獲第3 a土壤全鉀含量低于小麥地，其余年份基本上均顯著高于小麥地(P<0.05)，在苜蓿收獲第4 a，土壤全鉀含量均達到最大值。

表1 土壤全氮、全磷和全鉀含量

小麥輪作苜蓿后，土壤水解性氮的含量均有所降低，顯著低于小麥地(P<0.05)。其中，0～10 cm土層中的水解性氮含量在苜蓿生長前3 a(2015～2017年)維持在34.87～36.57 mg/kg水平，且高于10～30 cm土層，但各年際間差異不顯著(P>0.05)，到第4 a(2018年)土壤水解性氮含量顯著降低(P<0.05)，在苜蓿生長全程中，10～30 cm土壤水解性氮含量介于25.95～29.87 mg/kg，不同年份間差異不顯著(P>0.05)；土壤有效磷含量呈現(xiàn)先降低后增加又降低的趨勢，隨著土層深度的增加，有效磷含量減少，在苜蓿收獲第1年(2015年)，土壤中有效磷含量顯著低于小麥地(P<0.05)，生長第2 a(2016年)時，10～30 cm土層的有效磷含量顯著增加(P<0.05)，隨后降低，收獲第4 a(2018年)后達到最低值，均顯著低于其他年份(P<0.05)；土壤速效鉀含量總體呈先降低最后增加的態(tài)勢，在0～10 cm的土層中呈上下波動，20～30 cm土層速效鉀含量呈現(xiàn)先降低后增加，且均顯著低于小麥地(P<0.05)，在苜蓿生長第3 a(2017年)對土壤中速效鉀的利用最大，其含量趨于最低值，到第4 a(2018年)均有所增加，土壤表層(0～10 cm)速效鉀積累較為顯著(P<0.05)(表2)。

表2 土壤水解氮、有效磷和速效鉀含量

3 討論

在中度鹽漬化土壤上實施糧-草輪作后，土壤物理、生物和化學狀況都得到明顯改善，pH值、總堿度、交換性鈉等指標下降較大，加速了耕層土體脫鹽熟化進程，改土培肥治堿效果較好[10]。本研究對象位于北疆平原荒漠區(qū)，土壤堿性，輕度鹽漬化，大部分為低產田，常年種植小麥和棉花等糧食和經(jīng)濟作物，土壤較為貧瘠。通過在連作3 a小麥的地塊上輪作苜蓿，連續(xù)5 a跟蹤調查土壤鹽堿動態(tài)變化，結果表明，輪作苜蓿后第4 a，0～30 cm的土壤含鹽量由輪作前0.79 g/kg降低到0.63 g/kg，降幅為21.12%，土壤pH值4年平均降幅為6.64%，說明小麥地輪作苜?？捎行Ы档屯寥篮}量和pH值，這可能是由于種植苜蓿可吸附土壤中的部分鹽分，改善土壤的酸堿度。王林娜[13]等研究苜蓿與棉花輪作可以降低土壤全鹽含量和pH值，且苜蓿種植時間越長，土壤全鹽含量降低越明顯，苜蓿種植第4年全鹽含量比第1年降低50.5%，本研究結果與其一致。地力的恢復與發(fā)展歸根到底還要靠土壤有機質，它是衡量土壤肥力的重要指標[14]，直接影響土壤的理化性狀，并反映土壤熟化程度[15]。魏凡等[16]在隴中旱作區(qū)種植豌豆后，土壤有機質提高了8.41%，馬倫蘭等[17]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿-小麥輪作能夠顯著提高0～10 cm、10～30 cm土層的土壤有機質含量，與小麥-小麥連作比較，小麥播種前，輪作體系中0～10 cm、0～30 cm土層的土壤有機質含量分別較小麥-小麥連作體系高出42.47%、47.17%。本研究結果表明小麥輪作苜蓿亦可增加土壤有機質含量，在苜蓿生長第4年增幅可達27.12%，分析原因可能是由于小麥秸稈、苜蓿根系和凋落物等進入土壤，提高了土壤中的腐殖質含量，但不同地區(qū)的土質存在差異，土壤肥力增加的幅度各異。在北疆平原荒漠區(qū)的糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿，實行糧草輪作，可調整優(yōu)化種植結構，改善土壤的鹽堿度，恢復土壤肥力，實現(xiàn)農牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

全氮作為一種大量且必要的營養(yǎng)元素，對土壤生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)起著重要作用[18]。有研究表明，種植苜蓿對耕層土壤氮素養(yǎng)分有明顯的累積作用，且隨著苜蓿種植年限的延長，土壤養(yǎng)分亦有逐年增加的趨勢[19]，苜蓿連作多年導致表層土壤全氮含量最高[20]。本研究發(fā)現(xiàn)小麥輪作苜蓿后，土壤中全氮含量增加，隨土層深度增加逐漸降低[21]，生長期內呈上下波動狀態(tài)，3～4 a時全氮總量維持在一定水平上，較小麥地提高了25.06%，但土壤中水解性氮含量較小麥地顯著降低，且隨著苜蓿種植年限的增加水解性氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這主要是由于小麥種植(2014年)過程中施用氮肥，使土壤中水解性氮含量相對較高，而輪作苜蓿過程中未施氮肥，加之前期苜蓿生長對氮的消耗量較大，致使水解性氮含量急劇減少。說明在糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿，可利用其根瘤的生物固氮能力，有效提高土壤中全氮的儲備量，減少氮肥的施入量[5]，但由于在北疆平原荒漠區(qū)土壤過于貧瘠，輪作后土壤中水解性氮含量最高僅為33.98 mg/kg，建議在苜蓿前期生長過程中可少量補充氮肥，提高干草產量。

磷以多種方式參與植物體內各種生理化學過程，對促進植物的生長發(fā)育和新陳代謝起重要作用[22]。土壤速效磷含量的高低決定土壤供磷能力，種植苜蓿的土壤全磷含量與苜蓿種植年限成反比，連續(xù)種植苜蓿年限越長，土壤全磷和速效磷的含量越小[23]。也有研究表明種植多年的苜蓿對于土壤深層速效磷含量有補充作用[25]，本研究結果與此不盡相同，北疆平原荒漠區(qū)土壤磷含量總體較低，五年內土壤有效磷含量最高僅為7.92 mg/kg，在小麥地輪作苜蓿后，土壤中全磷含量于苜蓿收獲第1a有所增加，之后降低，而有效磷含量呈現(xiàn)先降低后增加又降低的趨勢，這主要是由于苜蓿為需磷量較大的牧草，隨著苜蓿進入盛產期，土壤中大量磷素被吸收利用，到第1 a有效磷含量降至2.97 mg/kg，處于極低水平，潘占兵等[24]的研究也顯示，隨著苜蓿種植年限的增加，土壤速效磷呈下降的趨勢。因此，為了持續(xù)獲得高產，建議在苜蓿生長的第4 a需適當補充磷肥，以促進其生長。

土壤中的全鉀在不同地區(qū)、不同土壤類型和不同氣候條件下，含量相差很大，有研究表明，隨著紫花苜蓿連作年限的增加，土壤速效鉀含量降低[24]。種植第3 a的苜蓿對于土壤速效鉀的利用最大，到第5 a，苜蓿的種植對于土壤速效鉀含量有反補的趨勢[25]。本研究結果顯示，小麥地輪作苜蓿后，土壤全鉀和速效鉀含量在苜蓿種植第3 a均降至最低，隨后有所增加，表層積累較為顯著，說明苜蓿生長第3年對土壤中速效鉀的消耗最大，之后隨著根系活力下降，生物量減少，對土壤鉀素利用強度減少，土壤鉀素緩慢恢復，結果與劉磊等[25]的研究基本一致。研究還發(fā)現(xiàn)在種植苜蓿的4 a間土壤鉀含量雖有所降低，但速效鉀含量最低值仍為260.44 mg/kg，按照全國第二次土壤普查速效鉀含量分級標準，可將其歸為一級(極高)水平，處于極其豐富狀態(tài)，這主要是由于北疆平原荒漠區(qū)的土壤中富含鉀，因此，在該區(qū)域的糧食作物耕作系統(tǒng)中引入苜蓿進行短期輪作時無需施入鉀肥。

4 結論

小麥地輪作苜?？捎行Ы档屯寥篮}量和pH值，增加土壤有機質含量，在苜蓿生長第2 a土壤全鹽含量較小麥地可減少11.88%，對表層土壤鹽分的改良效果更為明顯；土壤中全氮含量增加，隨土層深度增加逐漸降低，水解性氮含量較小麥地顯著降低，但在苜蓿生長前3 a表層土壤水解性氮含量相對較穩(wěn)定；苜蓿收獲第1年土壤中全磷含量有所增加，而有效磷則降低；苜蓿生長第4 a土壤全鉀和速效鉀含量增加，表層積累較為顯著，但此時對土壤水解性氮和有效磷的消耗量則達到最大。在北疆平原荒漠區(qū)的糧食耕作系統(tǒng)中引入苜?？捎行岣咄寥婪柿?，增加全氮的儲備量，降低土壤鹽堿度。在苜蓿生長第4 a需適當補充氮肥和磷肥，無需施入鉀肥。