李小鹏， 赵宇星， 王永新， 李德颖， 董宽虎， 赵 祥*

(1. 山西农业大学动物科技学院， 山西 太谷 030801； 2. 北达科他州立大学植物科学系， 北达科他 法戈 58108)

套种作为一种复种系统，不仅可以提高作物的光合效率，而且增加水肥等资源的利用效率，并能够适度改良土壤根际的微环境、抑制杂草滋生和预防病虫害[1]。豆禾植物间套作不仅可以增加土壤和植物的氮素含量[2]，而且可以刺激C的相关功能变量，导致矿物氮释放增加，致使土壤内氮素增加，可以减少氮肥的用量[3]。间套作虽然会降低植物的生物量积累，但能够提高两种植物的氮素含量，提高品质[4]。研究表明，套作能够提高植物开花期吸氮量、成熟期的籽粒产量、地上部植株的总生物量[5]。大多数研究认为土壤有机碳是土壤养分变化的原动力[6]，土壤有机碳对土壤养分供应有着深刻的影响，单一作物会严重降低土壤有机碳(SOC)的含量，间套作与单作相比对土壤有机碳、氮(库)等特性均有积极的影响[7]，合理的间套作系统能够提高土壤根际微生物碳(MBC)含量[8]。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是重要的饲草，由于苜蓿的秋眠性使得进入秋季最后一茬苜蓿相对产量不高[9]，而我国北方进入8月下旬或9月上旬相对于春季有较充足的雨水和较高的热量，可以利用饲用燕麦(AvenasativaL.)生长季节短的特性在苜蓿最后一茬进行套作，目的是充分利用季节(时间)、土地来增加饲草总产量，但这种种植模式对苜蓿未来生长、产量、营养价值、土壤特性等方面均不清楚，因此本试验通过对最后一茬紫花苜蓿套种饲用燕麦的模式进行研究，比较模式间土壤养分的变化，揭示末茬紫花苜蓿套种饲用燕麦模式对土壤的影响，为选择合理的套作模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省晋中市太谷县山西农业大学草业科学系试验田(112°38′ E、37°42′ N)，位于山西晋中盆地东北部。属温带大陆性气候，海拔799 m，年降水量为450～573 mm，降水集中在6—8月份，年积温为3 900～4 100℃，年均温9.5～10.5℃，无霜期160～175 d。主要土壤类型为褐土，土壤pH 8.3，有机质18.56 g·kg-1，全氮0.76g·kg-1，碱解氮15.21 mg·kg-1，速效磷10.5 mg·kg-1，速效钾90.8 mg·kg-1。

1.2 试验材料

试验材料紫花苜蓿品种为美国培育品种‘WL366’，秋眠级3.9；燕麦品种‘领袖’为产草型早熟品种，为加拿大培育品种；燕麦品种‘贝勒’为兼用型中晚熟品种，为加拿大培育品种。3种供试材料均来自于北京正道生态科技有限公司。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，紫花苜蓿(WL366)行距(R)为主区，行距为30 cm(R1)和40 cm(R2)，燕麦播种日期(S)和品种(V)为副区，种植日期为苜蓿刈割第二茬后7天(S1)和11天(S2)；品种为早熟品种(领袖，V1)和中晚熟品种(贝勒，V2)，紫花苜蓿(CK1)、燕麦早熟品种(CK2)和中晚熟品种(CK3)单播为对照，对照样地行距为30 cm。行距、种植日期、品种组合8个复合模式及3个单播对照，共11个处理(表1)，重复3次，共33个小区，小区面积为15 m2(3 m×5 m)。紫花苜蓿播种2017年5月 10 日，苜蓿在初花期刈割，第一茬为2017年7月 15 日，第二茬为2017年8月 25 日，燕麦播种日期为2017年9月 1日和 5日。

表1 试验处理Table 1 Overview of different treatments

1.4 样品采集和测定指标

土样于饲草收获(套作模式中饲草于燕麦乳熟期至蜡熟期刈割)后及时采集，在每个小区中随机选取3个点，用直径5 cm的土钻分0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，去除根系等杂物带回实验室。一部分土样用于土壤含水量的测定，另一部分土样风干后用于土壤养分的测定。饲草产量(2018年)于苜蓿初花期、燕麦乳熟期至蜡熟期进行刈割，刈割前去除小区边行及两端50 cm，留茬5 cm，刈割后称鲜重，测定系统鲜草产量。

生长速率，在种植后第二年(2018年)，分别以不同种植模式内的10株苜蓿(种植燕麦前标记)作为观察对象，在牧草初花期测定植株高度。生长速率=(植株高度/天数)。

存活率，在种植后第二年(2018年)，分别选取不同种植模式内3段不同行的“50 cm”苜蓿作为观察对象，在燕麦种植前(植株总数)和刈割前(存活株数)测定苜蓿苗数。存活率=(存活株数/植株总数)×100%。

返青率，分别以不同种植模式内的10株苜蓿(在2017年入冬前标记)作为观察对象，在返青期(2018年3月25日)测定返青枝条。返青率=(返青枝条数/枝条总数)×100%。

土壤有机碳的测定采用重铬酸钾容量法，土壤全氮采用凯氏定氮法(KjeltectTM8200，瑞典FOSS Tecator公司)，土壤碱解氮采用扩散法，土壤全磷采用硫酸一高氯酸消煮法，土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—钼锑抗比色法，土壤速效钾采用乙酸铵提取法[10]，土壤pH以水为浸提液，使用酸度计测定[10]。

1.5 数据分析

所有试验数据均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行数据统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较不同处理间土壤养分和产量的差异显著性，使用相关分析法评价土壤养分各因子与有机碳之间的相关关系。使用SigmaPlot 13.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同套作模式对苜蓿生长的影响

如表2所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理的株高和生长速率在所有处理中最高，分别为71.98 cm和1.60 cm·d-1，与苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种处理和苜蓿行距30 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种种植模式处理存在显著差异外，与其它种植模式差异不显著(P>0.05)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理的存活率在所有处理中最高，为98.67%，与其它处理差异不显著(P>0.05)。苜蓿对照返青率在所有处理中最高，为83.04%，与苜蓿行距30 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种种植模式处理存在显著差异外，与其它种植模式差异不显著(P>0.05)。

2.2 不同套作模式对饲草产量的影响

如表3所示，在苜蓿产量中，苜蓿对照产量在所有处理中最高，为62 513.32 kg·hm-2，与苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种处理和苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种种植模式处理以及苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种处理不存在显著差异外，均显著高于其它种植模式(P<0.05)。在燕麦产量中，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种处理在所有处理中产量最高，为8 450.22 kg·hm-2，与苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种处理和苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种处理以及燕麦早晚熟对照处理差异不显著外，均显著高于其它种植模式(P<0.05)。

苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理的总产量在所有处理中最高，为70 486.70 kg·hm-2，均显著高于其它种植模式(P<0.05)。

表2 不同种植模式的苜蓿生长比较Table 2 Comparison of growth characteristics under different treatments

注：同列不同字母表示显著差异(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

表3 不同种植模式下的饲草产量Table 3 Comparison of forage yield in under different treatments

2.3 不同套作模式对土壤pH的影响

不同处理间各土层的土壤pH差异表现各异(图1)。苜蓿行距40 cm +刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理在0～10 cm，10～20 cm土层的pH值是所有处理中最低的，分别为8.18，8.25。苜蓿行距40 cm +刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理0～10 cm土壤pH极显著低于苜蓿行距30 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种、苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦晚熟品种种植模式(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式10～20 cm土壤pH极显著低于苜蓿对照(P<0.01)、苜蓿行距30 cm+刈割后7天播种燕麦早、晚熟品种(P<0.01)、苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种种植模式(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式20～30 cm土壤pH值为8.4，与其它处理差异不显著(P>0.05)。

图1 不同种植模式下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层pH的比较Fig.1 Comparison of pH in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments注：图中各处理间相同大写字母者表示彼此间不存在极显著差异(P<0.01)，相同小写字母表示彼此间不存在显著差异(P<0.05)，下同Note:Those with the same uppercase letters in each figure indicate that there is no significant difference between them (P<0.01),and those with the same lowercase letters indicate that there is no significant difference between them (P<0.05). The same as below

2.4 不同套作模式对土壤养分的影响

2.4.1不同套作模式对土壤全氮的影响 如图2所示，其中苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理的全氮量在所有模式中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30土壤全氮含量分别为1.34 g·kg-1，0.78 g·kg-1，0.67g·kg-1。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式0～10 cm土层全氮极显著高于其它种植模式(除了苜蓿行距30 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种外)(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式10～20 cm土壤全氮极显著高于燕麦早熟品种、苜蓿行距30 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式(P<0.01)。苜蓿行距为40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式20～30 cm土壤全氮极显著高于其它种植模式(除了燕麦早熟品种、苜蓿行距30 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种种植模式)(P<0.01)。

图2 不同处理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层全氮的比较Fig.2 Comparison of total N in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

2.4.2不同套作模式对全磷的影响 如图3所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式各个土层全磷含量在所有模式中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤全磷分别为0.67 g·kg-1，0.54 g·kg-1，0.56 g·kg-1。

2.4.3不同套作模式对碱解氮的影响 如图4所示，0～10 cm，10～20 cm土层，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理的碱解氮在所有处理中最高，分别为20.73 mg·kg-1，17.66 mg·kg-1。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式0～10 cm土壤碱解氮极显著(P<0.01)高于苜蓿对照及苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦早熟品种处理。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理10～20 cm土壤碱解氮极显著高于苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦晚熟熟品种处理(P<0.01)。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理20～30 cm土壤碱解氮在所有处理中最低，为14.66 mg·kg-1。

2.4.4不同套作模式对速效磷的影响 如图5所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理的速效磷含量在所有处理中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤速效磷分别为19.36 mg·kg-1，17.24mg·kg-1，15.25 mg·kg-1。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理0～10 cm速效磷极显著(P<0.01)高于苜蓿行距40 cm+刈割后11天播种燕麦早、晚熟品种种植模式处理。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理10～20 cm速效磷极显著(P<0.01)高于苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种。苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式20～30 cm速效磷极显著(P<0.01)高于其它种植模式(除燕麦早熟品种对照外)。

图3 不同处理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层全磷的比较Fig.3 Comparison of Total P in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

图4 不同处理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层碱解氮的比较Fig.4 Comparison of available N in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

图5 不同处理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层速效磷的比较Fig.5 Comparison of available P in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

2.4.5不同套作模式对速效钾的影响 如图6所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理土壤速效钾在所有处理中最高，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤速效钾分别为200.44 mg·kg-1，112.70 mg·kg-1，94.90 mg·kg-1，极显著(P<0.01)高于其它种植模式(除20～30 cm苜蓿行距30 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式外)。

图6 不同处理下土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层速效钾的比较Fig.6 Comparison of available K in 0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm soils under different treatments

2.5 不同套作模式对土壤有机碳的影响

如表4所示，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式处理土壤有机碳含量在所有处理中最高，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层有机碳含量分别为15.12 g·kg-1，11.03 g·kg-1，8.36 g·kg-1，显著(P<0.05)高于其它种植模式(除0～10 cm苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种、20～30 cm苜蓿行距30 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种、苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦晚熟品种种植模式外)。

表4 不同套作模式对土壤不同土层有机碳含量的影响Table 4 Effect of different treatments on soil organic carbon content in different soil layers

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level

2.6 土壤有机碳与土壤特性的相关性

土壤有机碳与养分存在明显的关系(表5)。0～10 cm土层中，有机碳与pH存在极显著负相关关系，与全氮、全磷、速效磷、速效钾呈极显著正相关关系，与碱解氮呈显著正相关关系。10～20 cm土层中，有机碳与与pH存在极显著负相关关系，与全氮、全磷、速效磷、碱解氮呈极显著正相关关系，与速效钾呈显著正相关关系。20～30 cm土层中，有机碳与全氮、全磷呈极显著正相关关系，与速效磷、速效钾呈显著正相关关系，与pH、碱解氮相关性不显著。

表5 土壤有机碳与土壤特性的相关性Table 5 Correlation Analysis between soil organic carbon and physical and chemical properties

注：**表示极显著相关，*表示显著相关

Note：** indicate significant correlated at the 0. 01 level;* indicate significant correlated at the 0.05 level

3 讨论

3.1 不同套种模式对苜蓿生长特性和产量的影响

合理的间套作种植系统对主作物的生长特性没有影响[11]，本试验的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的苜蓿株高、生长速率、存活率、返青率与苜蓿单作均没有显著性差异。其原因可能为合理的间套作模式再促进资源获取的生态相互作用，其中至少有利于一种植物，并且辅助使用资源，以改善低营养或低水资源利用环境中的植物生产和质量[12]，有研究表明，间套作可以显著提高植物的株高，主茎分枝数[13]。本试验的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的产量较单作明显增加，且通过控制种群的密度可以降低种群之间的竞争力，以达到增加产量的目的[12]，本试验的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的总产量较苜蓿行距30 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的产量明显增加，且该种植模式末茬苜蓿产量较高，因此合理的种植密度和复合群体结构是高产的关键[14]。

3.2 不同套种模式对土壤养分的影响

间套作种植系统对田间水分平衡没有影响，但是苜蓿套作与其单作相比较，土壤含水量明显提高[15]，本试验的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的土壤含水量较单作在各个土层的土壤含水量均明显增加，这与前人研究一致，其原因可能为该模式田间株丛密度茂密，能够有效的减少土壤水分蒸发和保持土壤的含水量。

间套作绿肥植物能够显著提升土壤的养分含量[16]。本试验的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的土壤全氮、碱解氮含量较单作0～10 cm明显增加，原因是豆科植物和禾本科植物间套作时，豆科和禾本科间套作植株生长靠近，导致根系紧密，禾本科吸收豆科根际的化合氮，排除豆科根瘤菌的氮阻碍，促使豆科更好的结瘤固氮，增加土壤的氮素[17]。间套作还可以提升土壤速效磷、速效钾、有机质的含量[16]，本试验的苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式的土壤氮、磷、钾含量、含水量均比其它处理要高，其原因可能为豆科植物与非豆科植物套种时，根际之间要有一定的距离，以避免竞争资源，如光和水[12]，以及早熟品种和播期在气候和季节上更加适宜[18]。与单作相比，合理的间套作可以显著提高产量[19-20]，因此，合理的种植密度和时间，以及品种，能够有效提高系统内植物的生长特性和土壤的特性，进而反映出牧草产量的增加。因此本文对紫花苜蓿末茬套种燕麦的研究结果是对以往研究的补充。

土壤有机碳是生态系统中极其重要的生态因子[21]，同时也是反映土壤质量状况的综合指标[22]。套种对土壤有机碳的影响显著，间套作豆科植物在一定程度上能够提高土壤有机碳的含量[23]，本试验中苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式各土层的有机碳含量均高于苜蓿、燕麦单作。有研究表明，间套作豆科作物的模式中，豆科的固氮作用可以降低土壤的C/N，使其加速分解，进而提高土壤有机碳含量[24]，这与本研究的结果一致。

有研究表明，土壤的有机碳与土壤的pH有着明显的负相关，即土壤有机碳随着pH的升高而降低[25]，这与本研究一致，土壤有机碳与pH在0～10 cm、10～20 cm存在极显著负相关关系，而20～30 cm土层呈不显著的负相关关系，可能原因是试验地土壤为碱性，土壤有机碳积累量较小。但也有研究表明土壤有机碳与pH存在显著正相关关系[26]，可能土壤有机碳与pH的关系需要将pH界定在一个范围之内[27]，其真实原因有待进一步研究。土壤有机碳与土壤全氮存在极显著正相关关系[28-29]，土壤有机碳与全磷、速效磷、速效钾均存在显著正相关[30]，土壤有机碳的增加，意味着土壤pH下降、氮磷钾含量增高[25]，因此在套种模式中，有机碳也可以作为评价土壤肥力的一个指标。

4 结论

苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式在不显著影响苜蓿生长特性的同时，极显著地降低耕作层(0～20 cm)的土壤pH值(P<0.01)，显著增加土壤含水量(P<0.05)、土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾、有机碳含量、显著增加套作系统产量(P<0.01)。土壤有机碳与pH在0～10，10～20 cm土层呈极显著负相关关系，与氮磷钾，含水量呈极显著正相关关系。从生长特性，产量、土壤养分的角度看，苜蓿行距40 cm+刈割后7天播种燕麦早熟品种种植模式最为适宜。