全 文 ：中国生态农业学报　2008年 7月　第 16卷　第 4期ChineseJournalofEco-Agriculture, July2008, 16(4):810-817 　　
DOI:10.3724/SP.J.1011.2008.00810
　＊＊
黄土塬区三种豆科牧草的土壤养分剖面分布特征与平衡＊ ＊
张晓红 1, 2 徐炳成 1 李凤民 1, 3＊＊
(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室　杨凌　712100;
2.山西师范大学城市环境学院　临汾　041004;3.兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室　兰州　730000)
摘　要　为了解豆科牧草短期种植对土壤养分环境影响的进程和规律 ,通过田间试验对沙打旺 、苜蓿和胡枝
子等 3种豆科牧草以不同密度单播 、混播对土壤有机质 、全氮 、全磷剖面分布和平衡输出的影响进行了定性和
定量分析 。所有处理土壤全氮和有机质含量在土壤剖面 2 m深度范围内均呈典型的 “S”形分布 ,全磷呈抛物
线形分布 。单播牧草固氮能力与播种密度呈正相关;苜蓿固氮能力最强 ,高密度下表观生物固氮量达 507.5
kg·hm-2 。沙打旺生长 1年可使土壤有机质平均净增 3.51%。沙打旺和苜蓿全磷平均输出比率分别为
43.14%和 40.24%,显著高于胡枝子(23.74%);胡枝子与沙打旺 、苜蓿的两两混播处理和 3种牧草混播处理
平均全磷输出比率分别为 20.73%、26.33%、25.83%。试验结果表明 , 3种豆科牧草均可显著提高土壤有机质
累积 ,沙打旺和苜蓿对土壤全氮和全磷的消耗显著大于胡枝子 ,但前两者的固氮能力也强于后者。以适当密
度进行的不同牧草混播处理由于种间良性竞争和共生协调作用可优化混播群体对土壤养分的消耗利用。
关键词　黄土旱塬　豆科牧草　播种方式　播种密度　土壤养分剖面分布　土壤养分平衡
中图分类号:S153.6;S352;S504　　文献标识码:A　　文章编号:1671-3990(2008)04-0810-08
Nutrientequilibriumanddistributionalongsoilprofileof
threelegumesonhighlandLoessPlateau
ZHANGXiao-Hong1, 2 , XUBing-Cheng1 , LIFeng-Min1, 3
(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau, InstituteofSoiland
WaterConservation, ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources, Yangling712100, China;
2.ColegeofUrbanandEnvironmentSciences, ShanxiNormalUniversity, Linfen041004, China;
3.KeyLaboratoryofAridandGraslandEcology, MinistryofEducation, LanzhouUniversity, Lanzhou730000, China)
Abstract　Inordertounderstandtheshort-termimpactoflegumesonsoilnutrientcondition, threetypesoflegumes:Astragelus
adsurgens(A), Medicagosativa(B)andLespedezadavurica(C)wereseededatdiferentdensitieseitheraloneormixed, and
thedistributionandequilibriumofsoilorganicmater(SOM), totalnitrogen(STN)andtotalphosphorus(STP)werequalitative-
lyandquantitativelyanalyzedalongsoilprofileandtreatmenttypes.SOMandSTNofaltreatmentsexhibitanS-shapedcurve
within2 mdepthsoilprofilewhileSTPfolowsaparaboliccurve.Nfixationabilityofthethreelegumesseededaloneimproves
withincreasingseedingdensity, andtheApparentBiologicalNitrogenFixation(ABNF)ofM.sativais507.5 kg·hm-2— the
highestforthemonoculturetreatment.Afterayearofgrowth, A.adsurgensSOMaveragelyincreasesby3.51%.AverageSTP
outputratiosofA.adsurgensandM.sativaare43.14% and40.24%, significantlyhigherthanthatofL.davurica(23.74%),
andthoseofmixureofA.adsurgensandL.davurica, mixtureofM.sativaandL.davurica, andmixtureofA.adsurgens, M.sa-
tivaandL.davuricaare20.73%, 26.33% and25.83% respectively.AlthethreelegumessignificantlyenhanceSOM.Though
A.adsurgensandM.sativaconsumemuchmoreSTNandSTPthanL.davurica, theyhaveastrongernitrogenfixationability.
Utilizationofsoilresourcesbymixedlegumecommunitycanbeoptimizedbyappropriateseedingdensityduetoincreasedcompeti-
tionandsymbiosisamongthediferentspeciesofthecommunity.
Keywords　HighlandLoesPlateau, legume, Seedingmode, Seedingdensity, Nutrientdistributionalongsoilprofile, Nutrient
equilibrium
(ReceivedMarch22, 2007;acceptedJuly11, 2007)
＊中国科学院百人计划择优支持项目(C23013500)资助
通讯作者:李凤民(1962～ ),男 ,汉 ,研究员 ,主要从事植物 /作物生态学研究。 E-mail:fmli@lzu.edu.cn
张晓红(1976～ ),女 ,满 ,在读博士 ,主要从事农业生态与土壤学研究。 E-mail:zhx 1976@163.com
收稿日期:2007-03-22　接受日期:2007-07-11
第 4期 张晓红等:黄土塬区三种豆科牧草的土壤养分剖面分布特征与平衡
　　豆科植物与根瘤菌共生具有很强的固氮能
力 [ 1] ,因此多年生豆科牧草不仅能够和土壤微生物
相互作用 ,促进土壤特性改善 ,增加地表覆盖度 ,减
少风季和雨季土壤侵蚀 ,而且能够显著增加土壤
碳 、氮 、磷等养分含量和有效性 [ 2-5] 。利用豆科牧
草 -作物轮作进行土壤改良 ,推行草田轮作制度 ,
对我国黄土高原半干旱地区的生态恢复和重建 ,实
现农业可持续发展具有重要意义[ 6] 。在草 -田轮
作系统中 ,牧草种植年限不宜过长 ,李玉山 [ 7]曾指
出多年生牧草生长期过长不仅生产力下降 ,且多年
连续种植会导致土壤干燥化 ,形成生物性土壤下伏
干层甚而对陆地水分循环发生影响 ,并提出黄土高
原草地生产要改高产目标为适度生产 ,缩短草地生
长年限 。近年在黄土高原地区对苜蓿 、沙打旺等多
年生牧草的研究很多 ,主要集中在连续多年生长的
牧草对土壤水分和养分消耗与影响 、草地施肥管理
效果 、退化草地恢复及草 -田轮作的土壤效果等方
面 [ 8, 9-13] ,缺乏对中短期草地的研究。本研究特在
典型黄土塬区设立了苜蓿 、沙打旺和达乌里胡枝子
3种豆科牧草以不同密度和单播 、混播的定位试验 ,
以系统了解短期种植豆科牧草对土壤养分环境影
响的进程和规律 ,以期为黄土高原半干旱地区草 -
田轮作系统中更好地发挥豆科牧草的作用提供科
学依据 。
1　材料与方法
1.1　试验区自然条件
试验在中国科学院水利部水土保持研究所长
武农业生态试验站进行 。该站位于黄土高原中南
部的陕甘交界处 , 地处 N35°12′, E107°40′, 海拔
1 200 m。暖温带半湿润大陆性季风气候 , 年均降
水 584 mm,平均气温 9.1 ℃,无霜期 171 d,地下水
埋深 50 ～ 80 m,属典型旱作农业区 。试验田土壤基
本性质见表 1。
1.2　供试材料
供试的沙打旺 (AstragelusadsurgensPal)为中
国科学院水利部水土保持研究所培种的 “彭阳早熟
表 1　试点土壤养分基本状况
Tab.1　Soilnutrientsofexperimentalsite
土层
Soillayer(cm)
全氮
TotalN(g·kg-1)
全磷
TotalP(g·kg-1)
有机质
Organicmater(g·kg-1)
速效磷
AvailableP(mg·kg-1)
pH
0.01 mol·L-1 CaCl2(1∶1)
0 ～ 30 1.01±0.04 0.73±0.01 14.40 ±0.41 5.85 ±0.62 7.57±0.07
30 ～ 60 0.70±0.05 0.61±0.01 9.10 ±0.63 2.65 ±0.25 7.63±0.09
60 ～ 100 0.57±0.04 0.52±0.02 9.10 ±0.47 2.12 ±0.20 7.62±0.02
型 ”(千粒重 1.943 g),苜蓿(MedicagosativaL.)为
引自加拿大的 “阿尔冈金 ”(千粒重 1.285 g), 二者
在黄土高原地区均为典型牧草当家品种;达乌里胡
枝子(LespedezadavuricaSchind)为野生种(千粒重
1.874 g),属黄土高原森林草原地带的代表性群落
建群种之一 。
1.3　试验方法
试验设单播 (A:沙打旺 , B:苜蓿 , C:达乌里胡
枝子)和混播(AB、AC、BC、ABC)各 3个密度 (1:
7.5万株·hm-2 , 2:22.5万株·hm-2 , 3:67.5万株·
hm-2)共 21个处理和 1个裸地对照(CK),每个处理
3次重复 ,小区面积 4 m(EW)×2.5 m(SN),完全
随机区组排列 。撒播播种(与干土混和播种 ,出苗
后去杂苗),播深 2 ～ 3 cm;2004年 5月 27日播种 ,
当年保苗为主 ,冬前刈割 1次不计产 ,次年 4月中旬
返青后开始每月定期观测土壤水分 ,测量株高 ,分
别于 5月 、7月 、9月中下旬牧草生长盛期刈割 ,称
鲜重 ,烘干法测干鲜比 ,计算牧草的干 、鲜生产力;10
月份冬前刈割后用土钻分取 0 ～ 30 cm、30 ～ 60 cm、
60 ～ 100 cm、100 ～ 150 cm、150 ～ 200 cm的土壤样
品 ,风干后过 1 mm和 0.25 mm筛 ,进行室内化学分
析 。整个试验过程不施用任何肥料 , 适时去除
杂草。
土壤全磷用 H2SO4-HClO4消煮 ,钼兰比色 , UV-
2300 spectrophotometer测定;土壤全氮用 H2SO4 +
(Cu-Se)催化剂消煮 , 2300 KjeltecAnalyzerUnit定
氮仪测定;土壤有机质测定采用 H2SO4 -K2Cr7O4外
加热容量法 [ 14] 。
数据用 SAS统计分析软件和 Excel2000进行
分析处理。
2　结果分析
2.1　不同处理土壤有机质的剖面分布与平衡
2.1.1　土壤有机质剖面分布
所有处理 3个密度下土壤有机质剖面分布与
对照裸地相同 ,在 2 m深度范围内均呈典型的 “S”
形分布(图 1)。这与该地区土壤形成条件及多年土
地利用方式有关。试验开始前作物种植以冬小麦 -
夏玉米轮作为主 ,连续多年很少施用有机肥 ,土壤
811
中国生态农业学报 2008 第 16卷
有机质的来源主要为归还的植物根茬和枯落物 。
60 cm以上由于根茬输入较多 ,土壤有机质处于向
上相对积累状态;60 ～ 150 cm根系相对上层较少 ,
土壤有机养分的物质循环在这一深度范围内处于
相对稳定平衡状态;150 cm以下随着根生物量补充
的减少 ,土壤有机质基本上处于不断消耗状态 ,这
与彭令发等的长期定位试验结果[ 18]相符。
低密度种植时(图 1a),单播 、混播处理上层0 ～
30 cm土壤有机质均高于对照 ,胡枝子草地有机质
含量最高(16.30 g·kg-1),比对照高 16%;底层 200
cm除胡枝子外各处理土壤有机质含量均比对照高;
图 1　低密度(a)、中密度(b)和高密度(c)下不同牧草
播种方式对土壤有机质剖面分布的影响
Fig.1　Soilorganicmater(SOM)distributionalongsoil
profileunderdiferentseedingmodeswithlow(a),
medium(b)andhigh(c)seedingdensities
A沙打旺AstragelusadsurgensPal;B苜蓿 MedicagosativaL.;
C达乌里胡枝子 LespedezadavuricaSchind.下同Thesamebelow.
60 ～ 150 cm苜蓿与沙打旺混播(AB)及与胡枝子混
播(BC)土壤有机质含量均比对照低 ,单播沙打旺
(A)、胡枝子(C)与对照相近 ,单播苜蓿(B)含量偏
高 。中等密度(图 1b)下 3种牧草混播(ABC)处理
土壤有机质含量在整个剖面均较高 , 单播沙打旺
(A)和苜蓿(B)在 60 cm深度以下高于对照 ,其他
混播处理变化趋势与低密度相似 ,即在中部土层比
对照低 。高密度(图 1c)下所有处理底层和 60 cm
以上土层有机质含量均高于对照 ,但中部土层偏
低 ,只有混播 AB、ABC有机质含量高于对照。结果
表明 3种豆科牧草在上层和底层由于枯落物和根
茬的输入对土壤有机质的积累作用均很明显 , 在
60 ～ 150 cm深度范围内受种类 、播种密度和播种方
式的影响较大 。苜蓿对土壤有机质的累积贡献作
用高于沙打旺和胡枝子 ,与后两者混播后这种作用
可得到加强 。
2.1.2　土壤有机质平衡与输出
以对照为基础 ,计算了 3种牧草在不同密度下
单播 、混播时对 2 m内土壤有机质累积的影响(表
2)。无论单播还是混播 , 3种牧草土壤有机质累积
量均随播种密度增加而增大 ,但单播和 3种牧草混
播(ABC)高密度与中密度差异不显著 , 两两混播
(AB、AC、BC)低密度与中密度相差也不显著 。低
密度处理沙打旺单播(A)和 3种牧草混播(ABC)有
机质累积最多 ,净增均达 2.18%;其次为苜蓿与沙
打旺和胡枝子混播(AB、BC),分别净增 1.47%和
1.95%;胡枝子对土壤有机质累积贡献最小 , 只有
242 kg·hm-2 ,净增比率为 0.11%。中密度下仍是
单播 A和混播 ABC土壤有机质净增最多 ,不同的
是单播苜蓿(B)和胡枝子(C)土壤有机质净增率都
提高到 2%以上 ,接近甚至超过混播 BC和 AB,而
AC的累积依旧不多。高密度下所有处理土壤有机
质累积量都较大 ,最小净增比率为 2.07%,最大达
4.52%。不同播种方式下 3种牧草的地上干生物量
输出差异极显著 ,各处理土壤有机质的累积量也不
同 ,但地上干物质量与土壤有机质累积量无显著相
关关系 。从土壤有机质累积角度看 ,沙打旺无论播
种密度大小均能显著提高土壤有机质的积累 ,生长
1年可以使土壤有机质平均净增 3.51%;苜蓿较差 ,
单播时土壤有机质平均净增只有 1.61%,但加大种
植密度或与胡枝子 、沙打旺混播 ,苜蓿对土壤有机
质积累的贡献有所提高 ,而据报道 7年生苜蓿可使
土壤有机碳含量增加 25%[ 17] 。
812
第 4期 张晓红等:黄土塬区三种豆科牧草的土壤养分剖面分布特征与平衡
表 2　3种豆科牧草以不同密度单播 、混播土壤有机质的累积与消耗
Tab.2　Accumulationandconsumptionofsoilorganicmatter(SOM)withthreelegumesseededaloneormixedindifferentdensities
项目
Item
密度
Density
(万株·hm-2)
处理 Treatment
A B C AB AC BC ABC CK
总累积量 7.5 235.18a(b) 231.64c(b) 230.38c(b) 233.53b(b) 231.56c(b) 234.62ab(b) 235.14a(b) 230.14
TotalSOM 22.5 240.19a(a) 234.98d(a) 235.20d(a) 233.29e(b) 231.79f(b) 236.74c(ab) 238.37b(a) -
(t·hm-2) 67.5 239.30ab(a) 234.91c(a) 236.32c(a) 238.61b(a) 235.95c(a) 237.84b(a) 240.55a(a) -
净增量 7.5 5 039 1 495 242 3 388 1 422 4 477 5 000 0
Netincrement 22.5 10 043 4 840 5 058 3 146 1 651 6 595 8 228 0
(kg·hm-2) 67.5 9 153 4 772 6 181 8 470 5 808 7 701 10 406 0
净增比率 7.5 2.18 0.65 0.11 1.47 0.62 1.95 2.18 0
Increment 22.5 4.36 2.10 2.20 1.37 0.72 2.87 3.58 0
percent(%) 67.5 3.98 2.07 2.69 3.68 2.52 3.35 4.52 0
地上干物质量 7.5 7.98bc(c) 15.35a(b) 2.41d(c) 11.92ab(b) 5.07cd(c) 10.30ab(b) 12.35ab(b) 0
Overgroundpartdry 22.5 16.44ab(b) 20.63a(a) 5.27c(b) 19.00a(a) 10.09b(b) 21.80a(a) 15.72ab(ab) 0
mater(t·hm-2) 67.5 21.05a(a) 21.53a(a) 7.01b(a) 20.72a(a) 16.89ab(a) 22.11a(a) 21.06a(a) 0
　　括号外不同小写字母表示同行内数据在P=0.05水平上差异显著 ,括号内不同小写字母表示同列内数据在 P=0.05水平上差异显著 ,下
同。 DiferentletersoutsideparenthesesmeansignificantdiferenceatP=0.05amongonerowdata, andthoseinparenthesesmeansignificantdiference
atP=0.05 amongonecolumndata.Thesamebelow.
2.2　不同处理土壤全氮的剖面分布与平衡
2.2.1　土壤全氮剖面分布
土壤全氮剖面分布与有机质相似 ,呈典型的
“S”变化(图 2)。土壤有机质和氮素的消长主要取
决于生物积累和分解作用的强弱 、气候 、植被 、耕作
制度等 ,尤其是水热条件。试验所在的黄土塬区属
干旱半湿润气候 ,蒸发大于降水 ,淋溶作用不强 ,
土层深厚 ,地下水不参与土壤水分循环 [ 15] ,这样的
自然条件加上多年农业利用 ,使得 2 m深度范围内
土壤有机质和全氮的 “ S”形剖面变化较为
典型[ 17, 18] 。
试验期间没有施肥 ,土壤氮素变化主要受植物
生长和利用的影响。豆科植物均有固氮作用 ,对土
壤氮素的影响与其生长需求和固氮能力的相对强
弱有关 。 3种密度下 ,单播沙打旺和苜蓿底层土壤
氮含量均极显著低于对照和其他处理 , 1 m以上含
量明显偏高 ,说明这两种牧草上层根系固氮能力强
于下层 ,原因可能是下层根系多为当年的新生根 ,
根瘤菌形成较少 ,固氮能力较弱 ,主要起吸收水分
和养分的作用。胡枝子草地土壤剖面含氮量与对
照接近 ,说明胡枝子生物固定的氮素与其本身的生
长消耗量大致相抵 ,仅低密度下略有剩余(图 2a)。
混播处理土壤含氮量均为上层偏高 , 在中层 60 ～
150 cm深度范围内显著低于单播和对照 ,这可能与
混播种群的竞争生长有关 。竞争的存在可能导致
竞争个体对资源的抢夺性消耗 ,在资源紧张时 ,种
群密度越大这种竞争表现越明显 ,这可能也是中 、
高密度时 1 m以下各处理土壤含氮量低于对照的
主要原因 。上层土壤混播草地含氮量偏高说明混
播种群的生物固氮能力较单播种群高。土壤氮素
过高对根瘤固氮有明显的抑制作用 [ 19] ,上层土壤本
底氮素含量最高 ,可能对 3种牧草的固氮作用起到
了某种程度的抑制 ,而混播情况下这种抑制可能得
到缓解 ,有利于混播草地固氮能力的提高 。
2.2.2　土壤全氮平衡与输出
在未施用任何肥料情况下 ,试验系统内土壤氮
素循环主要在土壤 -植物 -微生物间进行 ,土壤全
氮的消耗去向可以归为随地上收获生物量的支出
与枯落物和地下根茬回归 、土壤微生物的地下有机
转化贮存两大部分 。由于地下根系生物量和微生
物量难以准确测量 ,故只根据地上生物量和植株含
氮量计算地上支出部分 ,把这部分支出与土壤全氮
消耗量的差值定义为表观生物固氮量(ABNF, Ap-
parentBiologyNitrogenFixation),以此来比较 3种豆
科牧草对土壤全氮的消耗及其固氮能力 。
从表 3可以看出 ,各牧草单播 2 m土体全氮累
积量在 3个密度下变化一致 ,胡枝子显著高于沙打
旺和苜蓿(P=0.05);混播处理中 ,沙打旺与苜蓿的
混播处理(AB)偏少 。各处理全氮累积量与对照之
差所得土壤全氮消耗量因密度和播种方式而异 。单
813
中国生态农业学报 2008 第 16卷
图 2　低密度(a)、中密度(b)和高密度下不同牧草
播种方式对土壤全氮剖面分布的影响
Fig.2　Soiltotalnitrogen(STN)distributionalong
soilprofileunderdiferentseedingmodeswithlow(a),
medium(b)andhigh(c)seedingdensities
播时沙打旺高密度处理显著(P=0.05)高于中密度
和低密度;苜蓿随密度加大而减小;胡枝子中密度
最多 ,高密度最小 。混播下全氮消耗量随密度变化
复杂 , ABC、AC、BC高密度最多 , AB却是中密度最
多 。单播 、混播处理间比较 ,单播沙打旺和苜蓿对
土壤全氮消耗量较多 ,其中沙打旺 3个密度下均在
200 kg·hm-2以上 ,苜蓿低密度和高密度下全氮消
耗量达 300 ～ 400 kg·hm-2 ,胡枝子在所有处理中全
氮消耗量最少 ,高密度与对照相比甚至还增加 71.1
kg·hm-2;混播处理土壤全氮消耗量在低密度下显
著低于单播苜蓿和沙打旺 ,但中密度和高密度情
况下这种趋势不明显 。氮素地上支出量与干生物
量显著相关(P<0.05),胡枝子生产力最低 ,氮素支
出在 3个密度下均为最低值 (74.3 ～ 218.7 kg·
hm-2);其他各处理高密度下差异不明显 ,其中 AC
支出最少(552.7 kg·hm-2), BC最多(707.6 kg·
hm-2),其余在 650 ～ 700 kg·hm-2不等 。从表观生
物固氮量来看 ,单播牧草固氮能力与播种密度呈正
相关 ,其中苜蓿固氮能力最强 ,高密度下表观生物
固氮量达 507.5 kg·hm-2。苜蓿与沙打旺和胡枝子
混播的处理 ABC、BC和 AB在 3种密度下均有较高
的固氮能力 ,平均表观固氮量分别为 320.1 kg·
hm-2、388.9 kg·hm-2和 314.6 kg·hm-2。
图 3　低密度(a)、中密度(b)和高密度(c)下不同
牧草播种方式对土壤全磷剖面分布的影响
Fig.3　Soiltotalphosphorus(STP)distributionalong
soilprofileunderdiferentseedingmodeswithlow(a),
medium(b)andhigh(c)seedingdensities
2.3　不同处理土壤全磷的剖面分布与平衡
2.3.1　土壤全磷剖面分布
图 3为 3种密度下 3种牧草单 、混播时土壤全
814
第 4期 张晓红等:黄土塬区三种豆科牧草的土壤养分剖面分布特征与平衡
磷剖面分布情况。所有处理变化趋势相同 , 上层
0 ～ 30 cm全磷含量最高 ,平均 0.70 ～ 0.72 g·kg-1;
最低含量出现在 1 m深度上 ,平均 0.52 g·kg-1;向
下随深度增加全磷含量有所回升 , 150 cm处增加到
0.60 g·kg-1左右后又开始下降。沿剖面土壤全磷
含量的整体变化呈抛物线形。总体来说 , 各处理土
壤剖面全磷含量均略低于对照 ,但不显著 ,且混播
比单播表现明显 ,高密度比低密度明显。在无外加
磷情况下 ,土壤磷素循环主要在土壤 、植物和微生
物间进行[ 20] ,其过程为植物吸收土壤有效磷 ,动植
物残体磷返回土壤再循环以及土壤有机磷和各种
形态无机磷之间的转换 。由于测定指标为全磷 ,无
法反映系统内发生的活跃循环过程 ,但可以很好地
反映循环结果。全磷剖面分布结果表明各处理上层
土壤磷库变化微小 , 中下层库存均有不同程度减
少 ,说明牧草在无外加磷源情况下吸收了下层土壤
磷素 ,并对土壤磷有表聚作用。杨玉海等 [ 4]也曾报
道 ,连续 4年种植苜蓿且没有任何施肥情况下 0 ～
30 cm耕层土壤全磷含量比每年施肥的传统耕作土
壤高。这可能是深根性豆科牧草的又一优势 ,即在
不施肥情况下可以吸收利用深层土壤养分并通过
生物表聚改善耕层土壤养分条件;而在传统耕作模
式小麦 -玉米轮作中 ,尤其是长期施肥情况下 ,作
物吸磷量 90%来自 0 ～ 20 cm土壤 [ 21] 。
2.3.2　土壤全磷平衡与输出
各处理 2 m土体土壤全磷累积量随密度增大
而减小 ,且高密度与低密度差异显著(P=0.05),但
不同密度下各单播 、混播处理间差异不显著(P=
0.05, 表 4)。全磷消耗量随密度变化特征与全磷
累积量相反 ,各处理均随密度增大而显著升高(P=
表 3　3种豆科牧草以不同密度单播 、混播土壤全氮的累积与消耗
Tab.3　Accumulationandconsumptionofsoiltotalnitrogen(STN)withthreelegumesseededaloneormixedindiferentdensities
项目
Item
密度
Density
(万株·hm-2)
处理 Treatment
A B C AB AC BC ABC CK
总累积量 7.5 16 903.4b 16 722.2b 17 154.1a 16 964.2b 17 067.1ab 17 073.1ab 17 141.6ab 17 157.8
Totalaccumulation 22.5 16 915.8b 16 782.7b 17 121.5a 16 867.4b 17 102.1ab 16 916.4ab 17 136.0ab -
(kg·hm-2) 67.5 16 867.4b 16 976.3b 17 228.9a 16 964.2b 16 879.5ab 16 916.4ab 16 789.0ab -
消耗量 7.5 254.4b(b) 435.6a(a) 3.7f(b) 193.6c(b) 90.8d(b) 84.7d(b) 16.2f(c) 0
Totalconsumption 22.5 242.0c(b) 375.1a(b) 36.3e(a) 290.4b(a) 55.7e(c) 241.4c(a) 229.9c(b) 0
(kg·hm-2) 67.5 290.4b(a) 181.5d(c) -71.1e(c) 193.6d(b) 278.3c(a) 241.4b(a) 368.8a(a) 0
地上支出 7.5 262.5d(c) 491.2a(b) 74.3f(c) 382.6b(c) 165.9e(c) 329.2c(b) 396.1b(c) 0
Overground 22.5 540.9b(b) 660.3a(a) 162.3d(b) 575.2b(b) 329.9c(b) 697.4a(a) 503.9b(b) 0
output(kg·hm-2) 67.5 692.7ab(a) 689.0ab(a) 218.7c(a) 663.6ab(a) 552.7b(a) 707.6a(a) 675.3ab(a) 0
表观生物固氮量 7.5 8.1f(c) 55.6e(c) 70.6e(c) 189.0c(c) 110.2d(b) 244.5b(b) 379.9a(b) 0
ABNF 22.5 298.9b(b) 285.2b(b) 126.0d(b) 284.8b(b) 239.1c(a) 456.0a(a) 274.0bc(a) 0
(kg·hm-2) 67.5 402.3b(a) 507.5a(a) 289.8c(a) 470.0a(a) 274.4c(a) 466.3a(a) 306.5c(c) 0
表 4　3种豆科牧草以不同密度单播 、混播土壤全磷的累积与消耗
Tab.4　Accumulationandconsumptionofsoiltotalphosphorusofthreelegumesseededaloneormixedindiferentdensities
项目
Item
密度
Density
(万株·hm-2)
处理 Treatment
A B C AB AC BC ABC CK
总累积量 7.5 14 347.2(a) 14 318.6(a) 14 354.4(a) 14 302.2(a) 14 315.3(a) 14 285.5(a) 14 278.0(a) 14 380.8
Totalaccumulation 22.5 14 309.7(ab)14 217.4(ab)14 321.6(a) 14 241.7(a) 14 278.0(ab)14 181.2(ab)14 217.5(ab) -
(kg·hm-2) 67.5 14 205.4(b) 14 144.9(b) 14 181.2(b) 14 108.6(b) 14 205.4(b) 14 120.7(b) 14 132.8(b) -
消耗量 7.5 33.5d(c) 62.1c(b) 26.3d(c) 78.6b(c) 65.5c(c) 95.3a(c) 102.8a(c) 0
Consumption 22.5 71.1e(b) 163.3b(a) 59.1e(b) 139.1c(b) 102.8d(b) 199.6a(b) 163.3b(b) 0
(kg·hm-2) 67.5 175.3b(a) 235.8b(a) 199.5b(a) 272.2a(a) 176.4b(a) 260.1a(a) 248.0a(a) 0
地上支出 7.5 17.6d(c) 39.9a(b) 8.0f(b) 30.5b(b) 11.6e(c) 27.1c(b) 31.7b(c) 0
Overground 22.5 36.2b(b) 53.6a(a) 17.4d(ab) 54.3a(a) 23.3c(b) 56.8a(a) 40.5b(b) 0
output(kg·hm-2) 67.5 46.3b(a) 56.0a(a) 23.4d(a) 53.4a(a) 38.3c(a) 57.5a(a) 54.2a(a) 0
输出比率 7.5 52.54 64.23 30.41 38.85 17.74 28.47 30.87 0
Outputratio 22.5 50.91 32.82 29.44 39.06 22.69 28.47 24.82 0
(%) 67.5 26.80 23.75 11.73 19.63 21.85 22.12 21.86 0
815
中国生态农业学报 2008 第 16卷
0.05)。不同处理间比较 ,低密度和中密度下单播
土壤全磷消耗量为苜蓿(B)>沙打旺(A)>胡枝子
(C),但沙打旺和胡枝子间差异不显著;高密度时单
播胡枝子耗磷量略高 ,但与沙打旺和苜蓿的差异不
显著;低密度和高密度下苜蓿与沙打旺和胡枝子的
混播处理(AB、BC、ABC)全磷消耗量均显著高于各
牧草单播处理 ,但中密度下 ABC消耗量与单播苜蓿
(B)差异不显著 , AB全磷消耗量显著低于单播苜蓿
(B, P=0.05);沙打旺与胡枝子混播处理(AC)在低
密度和中密度下全磷消耗量显著高于单播沙打旺
(A)和胡枝子(C),但高密度时与单播沙打旺(A)
差异不显著(P=0.05)。
各单播 、混播处理全磷地上支出量随密度增加
而增大 。其中苜蓿较多 ,平均为 49.8 kg·hm-2;沙
打旺平均 33.4 kg·hm-2 ,居中;胡枝子最少 ,为 16.3
kg·hm-2。沙打旺与胡枝子混播处理(AC)支出较
少 ,平均 24.4 kg·hm-2 ,苜蓿与沙打旺和胡枝子的
混播处理(AB、BC、ABC)支出较接近单播苜蓿 ,分
别为 46.1 kg·hm-2 、47.1 kg·hm-2 、和 42.1 kg·
hm-2。输出比率是地上支出与土壤全磷消耗量之
比 ,其值越大表明土壤全磷损失越多 ,而根茬残留
返还部分越少。计算结果表明 , 3种豆科牧草单播
时输出比率均随播种密度加大而减小 ,沙打旺和苜
蓿平均输出比率分别为 43.14%和 40.24%,显著高
于胡枝子(23.74%)。混播时 ,除 ABC处理输出比
率随密度增加而减少外 ,其他混播处理均为中密度
最大;总体而言 ,混播输出比率较小 , AC、BC和 ABC
平均为 20.73%、26.33%、25.83%,与胡枝子较接
近 , AB略大些 ,平均 32.47%,但也显著低于苜蓿和
沙打旺单播 。结果表明沙打旺和苜蓿耗磷量较高 ,
根茬返还率低 ,胡枝子生产力低 ,但耗磷量也少 。 3
种牧草以适当的密度混播时 ,种间的良性竞争和协
调作用可使混播群体对土壤磷的消耗减少 ,相反 ,
密度过大或过小却很可能导致混播群体对土壤磷
的争夺浪费。加大种植密度或者混播可降低土壤
全磷输出比率 ,提高根茬枯落物残留返还率 。与无
机磷相比 ,有机磷在土壤中具有较大的移动性 ,被
土壤无机矿物的固定程度低 ,即使是难溶于水的有
机磷 ,经矿化后可持续释放出无机磷 ,对作物生长
也极为有利 [ 21, 22] ,因此提高根茬返还率实际上对土
壤磷库的活化具有重要意义。
3　结论
3种牧草在不同密度下单播 、混播处理土壤剖
面有机质和全氮含量均呈典型的 “S”形分布 ,全磷
呈抛物线形分布 。各处理土壤有机质在上层均不
同程度的累积 ,底层含量除胡枝子外也均比对照
高;在 60 ～ 150 cm之间土壤有机质累积与分解变化
受不同种群生长利用的影响很复杂 ,与单 、混播方
式和密度关系密切 。土壤全氮含量受不同处理种
群生长对氮素的需求和本身固氮能力双重影响 ,土
壤上层混播固氮能力强于单播 ,土壤含氮量偏高;
单播沙打旺和苜蓿在 60 ～ 100 cm的中上层土壤固
氮能力最强 ,底层较弱;胡枝子剖面全氮含量与对
照较接近 。各处理土壤全磷含量全剖面均比对照
略低 ,混播比单播降低明显 ,高密度比低密度突出 。
土壤有机质的累积与种植密度呈正相关 ,不同
牧草对其贡献不同 ,沙打旺表现最好 , 3种密度下均
能显著提高土壤有机质的累积量 ,苜蓿和胡枝子低
密度种植对土壤有机质的积累作用不明显;混播有
利于提高有机质的累积 。混播处理不仅能够降低
对土壤氮素的消耗 ,还能显著提高群体固氮能力 。
3种牧草以适当的密度混播时 ,种间的良性竞争和
协调作用可使混播群体对土壤磷的消耗减少 , 相
反 ,密度过大或过小却很可能导致混播群体对土壤
磷的争夺浪费;提高种植密度或混播可降低土壤磷
输出比率 ,有利于土壤磷素的活化和有效利用 。
致谢　诚挚感谢试验共同完成人王会梅的合作;感
谢长武实验站站长刘文兆老师以及站上工作人员
的支持和帮助;感谢中国科学院水利部水土保持研
究所及黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实
验室提供的良好科研环境条件 。
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