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黄土高原半干旱区垄沟覆膜和施磷肥对紫花苜蓿产草量、土壤水分和养分有效性的影响

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紫花苜蓿（Medicago sativaL.）是黄土高原半干旱区农牧系统中重要的豆科牧草。然而，由于水分短缺和土壤磷素有效性低，苜蓿产草量通常很低。改善土壤水分状况和磷素有效性对提高苜蓿产草量至关重要。针对这一问题，我们在甘肃省榆中县中连川村（36°02′N，104°25′E，海拔2400 m）开展了为期6年（2011?2016年）的田间试验研究，探讨垄沟覆膜和施磷肥对苜蓿产草量及其构成、土壤水分和磷素有效性的影响，并结合苜蓿地上部分氮和磷浓度、土壤微生物量以及有机碳矿化（室内培养），以便理解产草量变化的原因。本研究采用裂区随机区组试验设计，设置平作不覆膜（NM）和垄沟覆膜（M）处理作为主区，4个磷肥水平作为裂区：0（P0），9.73（P1），19.3（P2）和28.9 kg P ha–1（P3）。每个处理设置三次重复，共计24个试验小区。 垄沟覆膜显著提高苜蓿产草量。垄沟覆膜对产草量提高的作用大于施磷肥，使垄沟覆膜不施磷处理（MP0）产草量高于平作不覆膜施高磷（NMP3）。平作不覆膜处理苜蓿产草量随磷肥施加量的增加而增加。垄沟覆膜处理中施低磷（MP1）产草量高于不施磷（MP0），但施高磷（MP2，MP3）产草量相比于施低磷（MP1）而逐渐降低，在中等施磷水平16.1kg P ha–1时达到最大值。苜蓿产草量构成中株高和单株生物量与产草量的关系比植株密度、分枝数和单枝生物量更密切。 垄沟覆膜处理2012?2016年4月和10月0?1 m土层储水量比平作不覆膜高20.4%，而1?5 m土层储水量低于平作不覆膜，尤其是不施磷和施低磷（P0和P1）。平作不覆膜处理1?5 m土层储水量随磷肥施加量的增加而降低。垄沟覆膜处理中施低磷（MP1）1?5 m土层储水量低于不施磷（MP0），但施高磷（MP2，MP3）1?5 m土层储水量相比于施低磷（MP1）而逐渐增加。垄沟覆膜和施磷肥都加剧了苜蓿对深层土壤水分的消耗，但垄沟覆膜施高磷处理得到较低的产草量，对深层土壤水分的消耗也相应减少。 2012?2016年10月苜蓿地上部分磷浓度低于7月，而地上部分氮浓度和氮磷比（氮浓度/磷浓度）高于7月，表明10月土壤磷素有效性低于7月，10月土壤磷素相对有效性低于氮素。垄沟覆膜对苜蓿地上部分氮、磷浓度和氮磷比无显著影响。苜蓿地上部分氮浓度在各磷肥水平间无显著差异，而地上部分磷浓度随磷肥施加量的增加而增加，导致地上部分氮磷比随磷肥施加量的增加而降低，表明土壤氮素有效性随磷肥施加量的增加而降低。 垄沟覆膜处理土壤pH值低于平作不覆膜，土壤pH值随磷肥施加量的增加而降低；垄沟覆膜（M）和施磷肥（P）对土壤pH值影响的回归方程为：pH =?0.37 M?0.46 P（R2= 0.35，P< 0.001），表明施磷肥降低土壤pH值的作用大于垄沟覆膜。土壤pH值与有效磷含量呈极显著负相关（R2= 0.17，P< 0.001），表明土壤pH值的降低提高了磷素有效性，因此土壤磷素有效性随磷肥施加量的增加而增加。垄沟覆膜处理较高的产草量使苜蓿从土壤中吸收的磷量高于平作不覆膜，土壤碳磷比（有机碳/有效磷）也高于平作不覆膜表明垄沟覆膜处理苜蓿和土壤微生物竞争有效磷，因此垄沟覆膜处理土壤有效磷含量低于平作不覆膜。平作不覆膜处理苜蓿未达到相对高产（90%最大产草量），垄沟覆膜处理苜蓿达到相对高产的关键土壤磷浓度为3.73 mg kg?1。垄沟覆膜处理苜蓿从相对高产到最高产草量的过程中磷肥利用效率下降9.92%。因此，土壤有效磷含量为3.73 mg kg?1时，垄沟覆膜种植苜蓿能够获得较高的产草量，磷肥利用效率也比较高。 垄沟覆膜处理中施高磷（MP2和MP3）土壤全氮和无机氮低于施低磷（MP1）。垄沟覆膜处理土壤微生物量碳、微生物量碳氮比和有机碳矿化量高于平作不覆膜。土壤微生物量碳、微生物量碳氮比和有机碳矿化量随磷肥施加量的增加而增加；但在垄沟覆膜处理中施高磷低于施低磷，说明垄沟覆膜施高磷抑制了土壤微生物活性和有机碳矿化。土壤微生物活性和有机碳矿化的下降影响土壤养分供应能力，结合苜蓿地上部分氮磷比的降低以及土壤微生物量氮的增加，表明垄沟覆膜施高磷（MP2 和 MP3）苜蓿地上部分氮吸收和产草量受到低土壤氮素有效性的限制。 总之，提高土壤磷素有效性和上层土壤水分状况、加强吸收深层土壤水分是垄沟覆膜和施磷肥提高苜蓿产草量的机制。垄沟覆膜条件下土壤有效磷含量维持在3.73 mg kg?1能够得到较高的苜蓿产草量和磷肥利用效率。而土壤氮素有效性的限制导致垄沟覆膜施高磷苜蓿产草量的下降，可能需要施氮肥或探究其他原因以进一步提高产草量。

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