基于粮草轮作的苜蓿地土壤水氮耦合机理研究

The Loess Plateau is the serious water losses and soil erosion area. Wheat-maize rotation system was the main traditional farming system in the region. For the natural resource shortage and soil degraded, peoples always overuse the resource result in the environment damaged. Low water resource and more variation of annual/seasonal rainfall made the crop production output lower and input higher. Introduce legume crop into the current farming system could improve soil structure and increase soil nutrition through the nitrogen fixation. Lucerne (Medicago sativa L.), is the most nutritious perennial plant with the highest nutrient value as a forage, which played an important role in industrial structure adjustment and ecological environment construction in loess plateau.However, perennial pastures reduce soil moisture content to very low levels and it is difficult to restore soil moisture of desiccated soil layers for a long time. Based on a long-term field experiments conducted in Dingxi City and Qingyang City, Gansu Province, the study investigate and analyze soil water consumption characteristics and nitrogeon movment of deep soil profile on different growth age lucerne grasslands at different precipitation amount.The study aims to anasysis soil water and nitrogeon coupling mechanism for alfalfa pasture and improve utilization rate of soil water and nitrogen in rainfed cropping systems where lucerne grown in rotation with annual crops. As a result, it could give a theoretical base for sustainable utilization of Lucerne grasslands and stable yields of dryland cereal crop in semi-arid areas of loess plateau.

西部黄土高原区是中国乃至世界上水土流失最严重的区域。以小麦和玉米轮作为主的传统农业措施和资源过度开发利用是导致水土流失的主要原因之一，加之降水变率大，气候条件恶劣，导致农业生产产量低而不稳，农业系统稳定性差。在传统的农业系统中，引入豆科牧草，通过豆科牧草的固氮功能，可有效地提高系统氮素利用效率并改善土壤结构。紫花苜蓿作为优良豆科牧草，在该区生态环境建设和产业结构调整中发挥着重要的作用。因此，本研究以苜蓿草地深层土壤水分和氮素为主要研究对象，以时间和空间的变化为研究尺度，对苜蓿在不同降雨区的生态恢复功能和农业系统中的作用进行研究，探索基于粮草轮作的苜蓿草地水氮耦合机理，以促进苜蓿-粮食作物轮作系统和黄土高原生态恢复进程中土壤水分和氮素的高效利用，为黄土高原半干旱区苜蓿草地可持续利用和旱地作物稳产提供科学依据。

西部黄土高原小麦和玉米为主的传统农业导致农业系统稳定性差。传统的农业系统中引入豆科牧草可有效地提高系统氮素利用效率并改善土壤质量。因此，本研究以苜蓿地土壤水分和氮素为主要研究对象，探索基于粮草轮作的苜蓿地土壤水氮耦合机理。黄土高原半湿润区研究表明，不同种植年限苜蓿土壤均出现土壤干燥化现象，但5年生苜蓿年总产量最高（36941.30 kg/ha），6年和8年生次之，超过10年产量显著下降。 9年和12年生苜蓿草地翻耕轮作2年后可恢复0～500cm土层水分，其中苜蓿-休闲-谷子处理水分恢复效果最好。确定了区域适宜的苜蓿种植年限为5～6年，优化出合理的轮作方式为6-9年的苜蓿-4年谷子+秸秆覆盖。黄土高原半干旱区的研究表明，0～50cm土层易受降水和地面蒸发影响，50～200cm土层水分主要被作物利用，而200～300cm土层水分相对稳定。种植1年苜蓿土壤50～110cm剖面水分低于土壤SSM(14.17%)，呈现轻度干燥化；种植3年苜蓿土壤110～200cm和200～300cm剖面水分低于作物CLL（11.72%和13.50%），呈现重度干燥化。长期种植苜蓿后土壤剖面很干，粮草轮作3年可以恢复50～200cm土层水分，但对200cm以下土层水分并无恢复作用。苜蓿-玉米轮作可充分利用有限的降水资源，土壤水分恢复较好，且作物产量和水分利用效率均较高（38976.84 kg/ha 和21.38 kg/ha·mm）。苜蓿翻耕轮作显著降低了耕层土壤酸解氮组分，其中氨基酸态氮降低了10.29%～37.83%，酸解氨态氮降低了24.11%～39.73%，酸解未知态氮含量降低 9.34%～65.18%，说明苜蓿连作可以保持土壤有机氮的有效态组分。苜蓿翻耕轮作作物显著增加了0～300cm土壤剖面NO3--N含量，且存在明显的积累高峰层，其中苜蓿-马铃薯和苜蓿-谷子处理NO3--N积累峰值位于0～80cm土层，苜蓿-小麦处理位于30～170cm土层，苜蓿-玉米处理位于110～170cm土层。黄土高原半干旱雨养区土壤剖面 NO3--N移动与土壤水分入渗基本一致，土壤NO3--N积累深度反映了轮作系统的降水入渗特征，但土壤剖面NH4+-N含量不受降水、轮作和和施肥的影响。本研究丰富了粮草轮作系统的基础理论，为黄土高原雨养区苜蓿土壤水分和氮素的高效利用及调控提供了理论依据。