深松淺旋對半干旱區退化紫花苜蓿人工草地改良效果研究

發布時間：2022-02-15所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：針對半干旱區退化紫花苜蓿人工草地飼草產量低、品質差問題，試驗采用單因素隨機區組設計，研究了不同深松淺旋程度：深松 30 cm+淺旋 5 cm(S1Q1 )，深松 30 cm+淺旋 10 cm(S1Q2 )，深松 40 cm+淺旋 5 cm(S2Q1 )，深松 40 cm+淺旋 10 cm(S2Q2 )，深松 50 cm+淺旋 5

　　摘要：針對半干旱區退化紫花苜蓿人工草地飼草產量低、品質差問題，試驗采用單因素隨機區組設計，研究了不同深松淺旋程度：深松 30 cm+淺旋 5 cm(S1Q1 )，深松 30 cm+淺旋 10 cm(S1Q2 )，深松 40 cm+淺旋 5 cm(S2Q1 )，深松 40 cm+淺旋 10 cm(S2Q2 )，深松 50 cm+淺旋 5 cm(S3Q1 )，深松 50 cm+淺旋 10 cm(S3Q2 )以及不做處理(CK)對半干旱區退化紫花苜蓿草地土壤理化性質、生產性能及飼草品質的影響，并利用主成分分析(PCA)方法評價其改良效果。 3 年試驗結果表明，深松淺旋能夠不同程度降低紫花苜蓿草地土壤容重，增加土壤孔隙度，顯著提高紫花苜蓿株高、分枝數和葉莖比。其中，S2Q1處理可降低 0~40 cm 土層土壤容重，S2Q2處理可提高紫花苜蓿分枝數、干草產量和粗蛋白含量，降低中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維含量。經 PCA 綜合分析，紫花苜蓿干草產量、葉莖比和粗蛋白貢獻率較大，牧草相對飼喂價值和中性洗滌纖維貢獻率較小;深松淺旋 S2Q2 處理能夠獲得較高的紫花苜蓿干草產量(6505. 44 kg·hm-2)和粗蛋白含量(20. 74%);綜合性狀排名由高到低依次為 S2Q2，S1Q2，S2Q1，S3Q2，S1Q1，S3Q1，CK。由此說明，深松 40 cm+淺旋 10 cm 對半干旱區退化紫花苜蓿草地改良效果最優。

　　關鍵詞：深松淺旋;退化苜蓿草地;產量;品質

　　紫花苜蓿(Medicago sativa)作為一種優良的多年生豆科牧草，因其產草量高、營養豐富、適口性好，被譽為 “牧草之王”[1-2]。寧夏是我國重要的畜牧業基地之一，紫花苜蓿是其重要的飼草來源，目前寧夏紫花苜蓿人工草地約 40. 0 萬 hm2 ，其中半干旱區達 25. 3 萬 hm2 ，但受該地區自然條件、管理水平等因素的影響，6~7 年后紫花苜蓿草地土壤緊實，含水量低，苜蓿生長受阻，植株低矮，分枝數少，植被稀疏，顯現退化跡象。經調查，寧夏半干旱區 7 齡以上紫花苜蓿草地超過 70%，產量不足 3000 kg·hm-2。對于退化紫花苜蓿草地，一方面可通過翻耕后重新建植，另一方面可通過耕作措施進行改良。而深松淺旋是改良退化草地的有效措施之一，可以打破犁底層，疏松土壤，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度，提高蓄水能力，能夠促進苜蓿根系對養分和水分的吸收利用，提高草地生產性能[3-6]，實現退化紫花苜蓿草地更新復壯。因此，研究深松淺旋對退化紫花苜蓿草地改良具有重要意義。

　　近年來，我國為使耕地可持續利用，促進農業綜合生產力穩定發展，實現“藏糧于地、藏糧于技”目標，提出了要全面推進農機深松作業[7-8]。關于深松淺旋的研究大多集中在耕作方式如何改良土壤理化性狀[9-11]、改善作物根系特征[12-15]以及提高作物產量[16]等方面。趙亞麗等[17]、白偉等[18]認為深松可構造出虛實相間的耕層結構，降低土壤緊實度，促進作物根系生長發育，提高水分利用效率和作物產量。張凱等[19]研究深松程度對豫北農田土壤水分與作物耗水的影響時發現，深松深度為 40 cm 時效果最好，顯著增加了作物的穗數和穗粒數。魏歡歡等[20]研究表明深松能夠顯著提高黃土高原東南部和西北部的冬小麥(Triticum aestivum)產量和水分利用效率�？讜悦竦萚21]研究發現，較免耕相比，深松可降低 0~35 cm 土壤容重和緊實度，尤其以 16~25 cm 土層降幅最為明顯。也有研究證明，淺旋可提高土壤含水量、氮吸收量，減少硝態氮[22]，促進作物產量提升�；�于以上綜述，鮮見深松淺旋在退化紫花苜蓿草地上的報道，此外，前人的改良措施多以單一的深松或淺旋技術為主，只能在一定時間或一定區域內發揮優勢。鑒于此，研究深松淺旋不同耕作組合對退化紫花苜蓿草地土壤理化性質、生產性能及飼草品質的影響，探討該區域退化紫花苜蓿草地適宜的深松淺旋程度，可為改良退化苜蓿草地提供技術支撐。

　　1 材料與方法

　　1. 1 試驗地概況

　　試驗在寧夏隆德縣神林鄉觀音村(35°21′N，106°15′E，海拔 2100 m)進行，該區域屬中溫帶季風氣候區。試驗期間 2018、2019、2020 年降水量分別為 646、576、688 mm，但多集中在夏秋 7、8 兩個月。年平均氣溫 5. 8 ℃，年均日照時數 2303. 5 h，無霜期 125 d。試驗地為“隴東”苜蓿(M. sativa cv. Longdong)草地，2011 年條播，播種量 22. 5 kg·hm-2，行距為 15 cm，播種深度 2~3 cm;2018 年紫花苜蓿的覆蓋度為 60%~70%。土壤為黑壚土，pH 值 7. 7，有機質含量 5. 88 g·kg-1，堿解氮含量 29. 75 mg·kg-1，速效磷含量 18. 89 mg·kg-1，速效鉀含量 118. 08 mg·kg-1。

　　1. 2 試驗設計

　　試驗于 2018 年 4 月至 2020 年 9 月進行，試驗地無施肥灌溉措施。試驗采用單因素隨機區組設計，設 7 個處理，分別為：深松 30 cm+淺旋 5 cm(S1Q1 )，深松 30 cm+淺旋 10 cm(S1Q2 )，深松 40 cm+淺旋 5 cm(S2Q1 )，深松 40 cm+淺旋 10 cm(S2Q2 )，深松 50 cm+淺旋 5 cm(S3Q1 )，深松 50 cm+淺旋 10 cm(S3Q2 )，不做處理(CK);每個處理 3 個重復，總計 21 個小區，小區面積 60 m(2 10 m×6 m)。2018 年 4 月 14 日順著苜蓿行進行深松和淺旋作業。每年刈割兩茬，時間分別為：2018 年 6 月 20 日和 9 月 2 日，2019 年 6 月 3 日和 8 月 22 日，2020 年 6 月 5 日和 8 月 25 日。

　　試驗用具：青島魯耕­310B 深松機;1GQN-150 立軸式淺旋機(將淺旋機刀片頂端部分弧度調整為 160°，以免對紫花苜蓿根頸造成過度傷害)。

　　1. 3 測定指標及方法

　　以下各農藝性狀指標均在紫花苜蓿初花期測定：

　　株高：每個小區隨機選取 20 株紫花苜蓿測量垂直高度，取平均值。

　　分枝數：每個小區隨機取 20 株紫花苜蓿從根頸處，數其一級分枝數，取平均值。

　　葉莖比：每個小區隨機選取 20 株紫花苜蓿將莖和葉分離，于 105 ℃殺青 1 h，65 ℃烘干 48 h 至恒重后冷卻，稱量干重，葉莖比=葉片干重/莖稈干重。

　　鮮草產量：在每個小區垂直行向取 6 m2 樣方，留茬高度 4~5 cm，刈割后稱量為鮮草產量，每個小區重復 6 次，換算為每 hm2 鮮草產量。

　　干草產量：將所采集的紫花苜蓿鮮草風干至恒重后稱量干草重量，換算為每 hm2 干草產量。

　　營養品質測定：在每個小區內隨機取 500 g 的鮮草樣品，剪為 4~5 cm 長，于烘箱中 105 ℃下殺青 0. 5 h 左右， 65 ℃烘干 48 h 至恒重。將烘干的紫花苜蓿草樣粉碎，過 0. 45 mm 篩。根據《飼料分析及飼料質量檢測技術》[23]測定粗蛋白(crude protein，CP)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber， ADF)含量。計算飼料相對飼喂價值(relative feeding value，RFV)[24]：

　　RFV = ( 88.9- 0.779× ADF )×( 120/NDF ) /1.29

　　土壤容重：采用環刀法測定，深度分別為 0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm，逐層取土樣，每個點 6 次重復;根據土壤容重，計算土壤孔隙度(soil porosity)：總孔隙度 = ( 1- 容重 ÷ 比重 )× 100% 式中：比重取 2. 65 g·cm-3[25]。

　　1. 4 數據統計分析

　　采用 Excel 2013 軟件整理數據(干草產量為每年 2 茬累加，其余指標均為 2 茬平均)，利用 SPSS Statistics 25. 0 軟件進行方差分析，多重比較，用 Origin 2018 作圖，并用 SAS 9. 4 軟件對株高(X1 )、分枝數(X2 )、葉莖比(X3 )、干草產量(X4 )、粗蛋白(X5 )、中性洗滌纖維(X6 )、酸性洗滌纖維(X7 )、相對飼喂價值(X8 )3 年平均值進行主成分分析(principal component analysis，PCA)。

　　2 結果與分析

　　2. 1 深松淺旋對紫花苜蓿株高和一級分枝數的影響

　　由圖 1 可知，2018-2020 年紫花苜蓿株高的變化范圍分別為 57. 34~75. 23 cm、54. 17~74. 03 cm、52. 00~ 72. 71 cm;相同深松淺旋方式下，除 S2Q2處理外，2018 年株高整體高于 2019 和 2020 年;其中 2018 年株高在 S3Q2處理下最高，達到 75. 23 cm，CK 處理最低，僅為 57. 34 cm;2019 和 2020 年株高均在 S2Q2 處理下最高，分別達到 74. 03 和 72. 71 cm，與 CK 相差 19. 86 和 22. 71 cm。一級分枝數在 2018-2020 年變化范圍分別是 17~26 個、19~ 22 個、18~32 個;其中，2018 年一級分枝數最多的處理是 S1Q2，達到 26 個，顯著高于其他處理(P<0. 05);2019 和 2020 年一級分枝數最多的均為 S2Q2處理，分別達到 22 和 32 個，較 CK 增加了 3 和 14 個。

　　2. 2 深松淺旋對紫花苜蓿葉莖比和干草產量的影響

　　由圖 2 可知，2018-2020 年葉莖比變化范圍分別為 0. 65~1. 03、0. 60~1. 05、0. 62~1. 03，且在這 3 年內，深松淺旋處理的葉莖比均顯著高于 CK(P<0. 05);其中 2018 年葉莖比較高的處理分別是 S3Q2、S2Q1，較 CK 增加了 0. 38 和 0. 36。2019 和 2020 年葉莖比均在 S2Q2處理下達最大值，為 1. 05 和 1. 03，較 CK 提高了 0. 35 和 0. 31。干草產量在 2018-2020 年的變化范圍分別是 1921. 26~6965. 03 kg·hm-2、1889. 79~6807. 12 kg·hm-2、1863. 13~ 8064. 37 kg·hm-2，整體來看，除 S3Q2處理外，2020 年干草產量高于 2018 和 2019 年;3 年深松淺旋處理的干草產量均顯著高于 CK(P<0. 05)，其中 2018 年干草產量最高的處理是 S3Q2，其次是 S1Q2，分別為 6965. 03 和 5169. 18 kg·hm-2，2019 和 2020 年干草產量最高的處理均是 S2Q2，分別達到 6807. 12 和 8064. 37 kg·hm-2，而 CK 分別僅有 1889. 79 和 1863. 13 kg·hm-2。

　　2. 3 深松淺旋對紫花苜蓿粗蛋白(CP)含量和相對飼喂價值(RFV)的影響

　　由圖 3 可知，CP 含量在 2018-2020 年的變化范圍分別為 17. 23%~21. 83%、16. 55%~22. 24%、17. 69%~ 19. 65%，相同深松淺旋方式下，2020 年 CP 含量整體低于 2018 和 2019 年，且 2018 和 2019 年各深松淺旋處理的 CP 含量均顯著高于 CK(P<0. 05)。其中 2018 年 CP 含量在 S3Q2處理下達最高，而 2019 和 2020 年 CP 含量均在 S2Q2處理下最高，分別達到 22. 64% 和 19. 95%，較 CK 分別提高了 34. 38% 和 9. 97%。2018-2020 年 RFV 的變化范圍為 150. 92~189. 74、150. 72~175. 56、122. 19~160. 53，整體來看，2018 和 2019 年 RFV 高于 2020 年，其中 2018 年 RFV 最高的處理是 S1Q2，其次是 S3Q2，分別達到 189. 74、171. 33;2019 和 2020 年的 RFV 最高的處理均是 S2Q2，分別為 175. 56、160. 53，顯著高于 CK(P<0. 05)。

　　2. 4 深松淺旋對紫花苜蓿中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量的影響

　　由 圖 4 可 知 ，NDF 含 量 在 2018-2020 年 的 變 化 范 圍 分 別 為 32. 81%~39. 93%、35. 45%~39. 35%、 38. 79%~46. 87%，從 3 年數據來看，2018 年 NDF 含量整體低于 2019 和 2020 年;其中 2018 年 NDF 含量最低的處理是 S1Q2，顯著低于其他處理(P<0. 05)，2019 年 NDF 含量最低的是 S2Q2處理，為 35. 45%，2020 年 NDF 含量在 S1Q2 處 理 下 最 低 ，與 CK 相 差 8. 08%。 ADF 含 量 在 2018-2020 年 的 變 化 范 圍 分 別 是 27. 43%~31. 64%、 28. 25%~34. 45%、27. 79%~35. 09%;其中 2018 年 ADF 含量最低的是 S3Q2處理，為 27. 43%，顯著低于除 S1Q2 處理外的其他處理(P<0. 05)，2019 和 2020 年 ADF 含量最低的均是 S2Q2處理，較 CK 分別低 5. 42% 和 7. 30%。

　　2. 5 深松淺旋對退化紫花苜蓿草地土壤容重的影響

　　由圖 5 可知，適宜的深松淺旋處理可以顯著降低土壤容重(P<0. 05)。整體來看，S2Q2處理的 0~20 cm 土層土壤容重逐年降低，而 S1Q2、S2Q1和 S3Q2處理的 0~20 cm 土層土壤容重均逐年增加，其中 2018-2020 年的土壤容重在 S2Q1處理下均達到最低，較 CK 分別降低 0. 24、0. 24、0. 19 g·cm-3。對于 20~40 cm 土壤容重而言，2018 年土壤容重在 S3Q1處理下最低，僅有 1. 36 g·cm-3。而 2019 和 2020 年土壤容重均在 S2Q1處理下最低，與 CK 分別相差 0. 10、0. 12 g·cm-3。2018、2019 和 2020 年的 40~60 cm 土層土壤容重均在 S3Q1處理下達到最低，分別為 1. 31、 1. 42、1. 45 g·cm-3，較 CK 降低了 0. 28、0. 09、0. 07 g·cm-3。

　　2. 6 深松淺旋對退化紫花苜蓿草地土壤孔隙度的影響

　　由圖 6 可知，2018 和 2019 年 0~20 cm 土層土壤孔隙度均在 S2Q1處理下最高，分別達到 45. 31%、46. 42%; 2020 年 0~20 cm 土層在 S3Q1處理下最高，達到 46. 29%，較 CK 高 3. 23%。2018 年 20~40 cm 土層土壤孔隙度在 S3Q1處理下最高，達到 46. 89%;2019 和 2020 年 20~40 cm 土層均在 S2Q1處理下最高，達到 46. 29% 和 46. 13%，較CK 分別高 2. 27% 和 4. 24%。2018 年 40~60 cm 土層土壤孔隙度在 S2Q2處理下最高，達到 50. 26%;2019 和 2020 年 40~60 cm 土層均在 S3Q1處理下最高，分別達到 46. 29% 和 45. 38%，較 CK 分 別 高 3. 27% 和 2. 86%。

　　2. 7 綜合分析

　　主成分分析能夠降低數據維數以消除重疊信息的不利影響，近年來，PCA 綜合評價方法在作物栽培以及牧草選育方面成為熱點[26]。在對不同深松淺旋處理進行評價時，不能只考慮某 1 個或幾個指標的優劣，而應該科學、綜合的評價其所有指標。特征值和方差貢獻率如表 1，根據特征值大于 1 原則，可提取 2 個主成分，累積方差貢獻率達到 97. 171%，解釋了總體信息的 97. 171%。

　　主成分對應的特征向量和載荷矩陣如表 2 所示，第 1 主成分主要綜合了干草產量(X4 )、葉莖比(X3 )、粗蛋白(X5 )、酸性洗滌纖維(X7 )，其載荷較大，權重系數分別為 0. 978、0. 954、0. 951、-0. 883，可稱為復合因子。第 2 主成分主要綜合了中性洗滌纖維(X6 )、相對飼喂價值(X8 )，其載荷較大，權重系數分別為 0. 740、-0. 617。

　　3 討論

　　3. 1 深松淺旋對紫花苜蓿生產性能的影響

　　深松淺旋可以不同程度提高草地生產力。本研究發現，深松淺旋對紫花苜蓿株高、一級分枝數有顯著影響，主要是由于深松淺旋能夠構建疏松的土層結構，降低土壤緊實度和土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤持水能力，為紫花苜蓿生長發育提供良好的土壤環境，有利于根系吸收水分和養分[27-28]，進而增加紫花苜蓿植株高度和促進分枝。馮倩倩等[29]在耕作方式對冬小麥-夏玉米(Zea mays)產量影響的研究中指出，深松能夠有效促進耕層土壤保水性能和提高有機質積累，增加作物的產量構成要素(有效穗數、穗粒數、千粒重)。李明等[30]研究表明，淺旋能夠提高土壤含水量，有利于小麥根系吸收水分和養分，提高籽粒產量。本研究表明，深松淺旋處理較對照顯著提高了紫花苜蓿產量，與前人研究結果一致，主要是因為深松提高了深層土壤苜蓿根系活性，從而延緩地上部分衰老，改善了紫花苜蓿葉片光合特性，進一步提高了單位面積產量[29，31]。同時，深松淺旋還可改善土壤理化性狀，活化深層土壤資源，促進紫花苜蓿根系吸收養分和水分，最終直接影響紫花苜蓿產量的形成。從本研究結果來看，隨著深松淺旋后年限的延長，大部分耕作處理的紫花苜蓿產量逐年增加，僅深松 50 cm 和淺旋 10 cm 的苜蓿產量有所下降，但也顯著高于對照組，由此逐步顯現了耕作改良的正效應，至于改良效果持久性如何，還需進一步研究。

　　3. 2 深松淺旋對紫花苜蓿品質的影響

　　牧草中的粗蛋白、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量是評定其營養品質的重要指標。本研究發現，深松淺旋可提高紫花苜蓿的粗蛋白含量，這是因為深松淺旋對紫花苜蓿生育期有不同程度的延長，能夠延緩植物葉片衰老[32-34]，增加了紫花苜蓿葉片數量;從本試驗的結果來分析，深松淺旋處理顯著提高了紫花苜蓿葉莖比，而紫花苜蓿中 70% 的粗蛋白來源于葉片，且葉片中粗蛋白含量遠遠高于莖[35]，葉莖比越大，紫花苜蓿的粗蛋白含量就越高，因此處理組紫花苜蓿的粗蛋白含量高于對照組。深松淺旋處理第 1 年(2018 年)和第 2 年(2019 年)的紫花苜蓿 粗 蛋 白 含 量 整 體 高 于 第 3 年(2020 年)，原 因 可 能 是 在 退 化 苜 蓿 草 地 有 大 量 的 裸 露 斑 塊 ，給 賴 草(Leymus secalinus)等雜草提供了生長空間，在 2018 年通過深松淺旋后，大部分地表雜草減少，地下根系受到破壞，生長緩慢，在紫花苜蓿收獲時，只有極少數的雜草會和苜蓿一起被收割;到第 3 年(2020 年)，雜草數量增多，收割苜蓿時會有大量的雜草摻雜，降低了收獲物粗蛋白含量。

　　牧草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量主要影響家畜的采食量和消化率，其主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成[36]。本研究發現，中性洗滌纖維含量表現為 2020 年高于 2018 與 2019 年，主要原因是 2020 年紫花苜蓿葉莖比低于前兩年，且紫花苜蓿葉片中的中性洗滌纖維、木質素和半纖維素含量均低于莖中[37]，因此，紫花苜蓿中性洗滌纖維含量高。

　　3. 3 深松淺旋對土壤容重和孔隙度的影響

　　深松淺旋對退化紫花苜蓿草地土壤容重起到至關重要的作用。研究發現，科學合理的深松淺旋能夠顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促進作物生長。李小飛等[38]研究表明，深松可不同程度降低茶(Camellia sinensis)園土壤容重，尤其在深松 30 cm 時 0~30 cm 土層降幅最為明顯。梁金鳳等[39]研究發現，深松深度為 30、35、45 cm 時均可降低土壤容重。張凱等[19]以豫北農田為研究對象，試驗發現深松深度為 35 和 40 cm 處理的土壤容重較對照顯著降低。本研究表明，深松淺旋降低了 0~60 cm 土層的土壤容重，與前人研究結果一致。深松有效打破了土壤犁底層，進而降低土壤容重，改善退化苜蓿草地土壤結構。另外，在深松淺旋第 1 年(2018 年)，S1Q1、S1Q2、 S2Q1、S3Q1和 S3Q2處理下 0~20 cm 土層土壤容重整體低于 2019 和 2020 年，主要原因可能是深松處理后又對土壤進行了淺旋處理，淺層土壤受到擾動，土壤結構穩定性下降，土壤容重降低[40]。

　　土壤孔隙結構與土壤通氣和持水性能緊密相關，土壤孔隙度越大越有利于植物根系伸展和吸收養分。 Blazewiczwozniak 等[41]研究發現，深松淺旋能降低土壤緊實度，增加土壤孔隙度。劉衛玲等[42]為探明深松方式對砂姜黑土耕層改良的影響時發現，深松可以改善土壤孔隙結構，增加孔隙體積和大孔隙數量。本研究發現，不同程度深松淺旋較對照顯著提高了土壤孔隙度，與前人研究結果一致，深松淺旋打破了土壤耕作層，增加了土壤孔隙度。 ——論文作者：王斌 1 ，李滿有 1 ，王欣盼 1 ，董秀 2 ，龐軍寶 3 ，蘭劍 1*