Combined ploughing and tilling to improve degraded alfalfa （Medicago sativa） stands in a semi-arid region

doi:10.11686/cyxb2021216

Abstract

Abstract:

Degraded alfalfa （Medicago sativa） stands in semi-arid regions have a low forage yield and poor forage quality， but may be improved by management methods such subsoiling. We conducted a 3-year field experiment with a single factor randomized block design to study the restorative effects on soil physical and chemical properties of subsoiling combined with shallow rotary tilling： plowing to 30 cm+tilling to 5 cm （S₁Q₁）， plowing to 30 cm+tilling to 10 cm （S₁Q₂）， plowing to 40 cm+tilling to 5 cm （S₂Q₁）， plowing to 40 cm+tilling to 10 cm （S₂Q₂）， plowing to 50 cm+tilling to 5 cm （S₃Q₁）， plowing to 50 cm+tilling to 10 cm （S₃Q₂） and control （CK）. Production performance and forage quality of degraded alfalfa grassland were determined， and a principal component analysis （PCA） was used to evaluate the improvement effects of the treatments. It was found that plowing with shallow rotary tilling reduced the soil bulk density， increased soil porosity， and led to significant increases in the plant height， branch number， and leaf∶stem ratio of alfalfa. Among the treatments， S₂Q₁ reduced the soil bulk density in the 0-40 cm soil layer， and S₂Q₂ increased the branch number， hay yield， and crude protein content in alfalfa， and reduced the neutral and acid detergent fiber contents. The results of the PCA indicated that the treatments had larger effects on alfalfa hay yield， leaf∶stem ratio， and crude protein content， and smaller effects on the forage relative feeding value and neutral detergent fiber content. The S₂Q₂ treatment with deep loosening by plowing and shallow tilling led to a high alfalfa hay yield （6505.44 kg·ha^-1） and crude protein content （20.74%）. The treatments were ranked， from largest effects on the multivariate performance score for alfalfa forage to smallest， as follows： S₂Q₂，S₁Q₂，S₂Q₁，S₃Q₂，S₁Q₁，S₃Q₁，CK. Therefore， plowing to 40 cm+tilling to 10 cm was found to be the most effective treatment for improving degraded alfalfa stands in this semi-arid area.

Key words: plowing and shallow rotary cultivation, degraded alfalfa stands, yield, quality

Bin WANG, Man-you LI, Xin-pan WANG, Xiu DONG, Jun-bao PANG, Jian LAN. Combined ploughing and tilling to improve degraded alfalfa （Medicago sativa） stands in a semi-arid region[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(1): 107-117.

Figures/Tables 9

References 42

1	Shen X H， Li J D， Feng P， et al. Root physiological traits and cold hardiness of alfalfa grown alone or mix-sowed with meadow fescue. Acta Agriculturae Scandinavica， 2017， 67（3）： 235-244.
2	Altinok S， Yurtseven E， Avci S， et al. The effects of different irrigation water salinities and leaching ratios on green and dry forage yields of alfalfa （Medicago sativa L.）. Agriculture & Forestry， 2015， 61（1）： 85-90.
3	Zhang Z Z， Qin S J， Li N， et al. Effects of subsoiling and N fertilizer application on dry matter accumulation， nitrogen use efficiency and yield of summer maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2013， 19（4）： 790-798.
	张总正，秦淑俊，李娜，等. 深松和施氮对夏玉米产量及氮素吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报， 2013， 19（4）： 790-798.
4	Wang X B， Hou H P， Zhou B Y， et al. Effect of strip subsoiling on population root spatial distribution of maize under different planting densities. Acta Agronomica Sinica， 2014， 40（12）： 2136-2148.
	王新兵，侯海鹏，周宝元，等. 条带深松对不同密度玉米群体根系空间分布的调节效应. 作物学报， 2014， 40（12）： 2136-2148.
5	Zhou B Y， Wang X B， Wang Z M， et al. Effect of slow-release fertilizer and tillage practice on grain yield and nitrogen efficiency of summer maize （Zea mays L.）. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2016， 22（3）： 821-829.
	周宝元，王新兵，王志敏，等. 不同耕作方式下缓释肥对夏玉米产量及氮素利用效率的影响. 植物营养与肥料学报， 2016， 22（3）： 821-829.
6	Huang G B， Chai Q， Feng F X， et al. Effects of different tillage systems on soil properties， root growth， grain yield， and water use efficiency of winter wheat （Triticum aestivum L.） in arid Northwest China. Journal of Integrative Agriculture， 2011， 11（8）： 1286-1296.
7	Yang J Y， Du Z R， Du Z B， et al. Well-facilitied capital farmland assignment based on land quality evaluation and LISA. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（6）： 109-115.
	杨建宇，杜贞容，杜振博，等. 基于耕地质量评价和局部空间自相关的高标准农田划定. 农业机械学报， 2017， 48（6）： 109-115.
8	Xiang H， Kong X B， Wu Z K， et al. Spatial distribution characteristics of potential productivity of arable land in main crop production area in China. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（24）： 235-244.
	相慧，孔祥斌，武兆坤，等. 中国粮食主产区耕地生产能力空间分布特征. 农业工程学报， 2012， 28（24）： 235-244.
9	Han W， Xu X X， Li D， et al. Effects of tillage methods on soil penetration resistance and its mechanism in the cinnamon soil area of western Liaoning Province. Journal of Soil and Water Conservation， 2020， 34（6）： 143-149.
	韩巍，徐晓旭，李冬，等. 耕作方式对辽西褐土区土壤穿透阻力的影响及机理. 水土保持学报， 2020， 34（6）： 143-149.
10	Li H， Jiang H C， Ren T Z， et al. Effects of deep rotary-subsoiling tillage method on brown physical properties and maize growth in Northeast of China. Scientia Agricultura Sinica， 2013， 46（3）： 647-656.
	李华，逄焕成，任天志，等. 深旋松耕作法对东北棕壤物理性状及春玉米生长的影响. 中国农业科学， 2013， 46（3）： 647-656.
11	Liu X， Feike T， Shao L， et al. Effects of different irrigation regimes on soil compaction in a winter wheat-summer maize cropping system in the North China Plain. Catena， 2016， 137： 70-76.
12	Zhang R F， Yang H S， Gao J L， et al. Effect of subsoiling on root morphological and physiological characteristics of spring maize. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（5）： 78-84.
	张瑞富，杨恒山，高聚林，等. 深松对春玉米根系形态特征和生理特性的影响. 农业工程学报， 2015， 31（5）： 78-84.
13	Yin B C， Zhen W C， Feng Y. Effects of subsoiling-seeding on root physiological indices， water-saving and yield-increasing behaviors in summer maize （Zea mays L.） in Haihe lowland plain of China. Acta Agronomica Sinica， 2015， 41（4）： 623-632.
	尹宝重，甄文超，冯悦. 海河低平原深松播种对夏玉米根系生理的影响及其节水增产效应. 作物学报， 2015， 41（4）： 623-632.
14	Li S， Han W， Zhang K， et al. Physical and chemical properties of high yield cinnamon soils and the main soil factors deciding maize yield in western Liaoning， China. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2020， 26（2）： 267-275.
	李嵩，韩巍，张凯，等. 辽西褐土区高产土壤理化性质及影响玉米产量的主要因子. 植物营养与肥料学报， 2020， 26（2）： 267-275.
15	Feng X， Hao Y， Latifmanesh H. Effects of subsoiling tillage on soil properties， maize root distribution， and grain yield on mollisols of Northeastern China. Agronomy Journal， 2018， 110（4）： 1607-1615.
16	Huang M， Wu J Z， Li Y J， et al. Effects of tillage pattern on the flag leaf senescence and grain yield of winter wheat under dry farming. Chinese Journal of Applied Ecology， 2009， 20（6）： 1355-1361.
	黄明，吴金芝，李友军，等. 不同耕作方式对旱作冬小麦旗叶衰老和籽粒产量的影响. 应用生态学报， 2009， 20（6）： 1355-1361.
17	Zhao Y L， Liu W L， Cheng S X， et al. Effects of pattern of deep tillage on topsoil features， yield and water use efficiency in lime concretion black soil. Scientia Agricultura Sinica， 2018， 51（13）： 2489-2503.
	赵亚丽，刘卫玲，程思贤，等. 深松（耕）方式对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响. 中国农业科学， 2018， 51（13）： 2489-2503.
18	Bai W， Sun Z Y， Zheng J M， et al. The influence mechanism of dry farmland plough layer structure on corn yield and water use efficiency， Proceedings of the 2014 National Youth Crop Cultivation and Physiology Symposium. Yangzhou： The Crop Science Society of China， 2014： 1.
	白伟，孙占样，郑家明，等. 旱作农田耕层构造对玉米产量及水分利用效率的影响机制//2014年全国青年作物栽培与生理学术研讨会论文集. 扬州：中国作物学会， 2014： 1.
19	Zhang K， Liu Z D， Qiang X M， et al. Effects of subsoiling on soil moisture and crop water consumption in farmland of Northern Henan Province. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2019， 50（10）： 251-258.
	张凯，刘战东，强小嫚，等. 深松处理对豫北农田土壤水分与作物耗水的影响. 农业机械学报， 2019， 50（10）： 251-258.
20	Wei H H， Wang S W， Yang W J， et al. Meta analysis on impact of no-tillage and subsoiling tillage on spring maize and winter wheat yield and water use efficiency on the Loess Plateau. Scientia Agricultura Sinica， 2017， 50（3）： 461-477.
	魏欢欢，王仕稳，杨文稼，等. 免耕及深松耕对黄土高原地区春玉米和冬小麦产量及水分利用效率影响的整合分析. 中国农业科学， 2017， 50（3）： 461-477.
21	Kong X M， Han C W， Zeng S M， et al. Effcets of different tillage managements on soil physical properties and maize yield. Journal of Maize Sciences， 2014， 22（1）： 108-113.
	孔晓民，韩成卫，曾苏明，等. 不同耕作方式对土壤物理性状及玉米产量的影响. 玉米科学， 2014， 22（1）： 108-113.
22	Zhang W H， Guan S Y， Li Y J， et al. Effect of different restoration measure on the moisture and nutrient of soil of degenerate grassland. Journal of Inner Mongolia Agricultural University （Natural Science Edition）， 2000（4）： 31-35.
	张伟华，关世英，李跃进，等. 不同恢复措施对退化草地土壤水分和养分的影响. 内蒙古农业大学学报（自然科学版）， 2000（4）： 31-35.
23	Zhang L Y. Feed analysis and feed quality inspection technology. Beijing： China Agricultural University Press， 2016.
	张丽英. 饲料分析及饲料质量检测技术. 北京：中国农业大学出版社， 2016.
24	Zhou D C， Shen Y Y， Wu H J， et al. Production performance of mixed grassland in the Loess Plateau of Longzhong. Pratacultural Science， 2021， 38（1）： 147-159.
	周栋昌，沈禹颖，武慧娟，等. 陇中黄土高原混播草地生产性能. 草业科学， 2021， 38（1）： 147-159.
25	Liu Z P， Xu J N， She D L， et al. Effects of biochar addition on thermal properties of loamy soil. Acta Pedologica Sinica， 2018， 55（4）： 933-944.
	刘志鹏，徐杰男，佘冬立，等. 添加生物质炭对土壤热性质影响机理研究. 土壤学报， 2018， 55（4）： 933-944.
26	Ren L J， Zhao L S， Chen Y K， et al. Comprehensive evaluation of silage quality of whole corn silage for different varieties in Northeast China based on principal component analysis and cluster analysis. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2020， 32（8）： 3856-3868.
	任丽娟，赵连生，陈雅坤，等. 基于主成分分析和聚类分析方法综合评价东北地区不同品种全株玉米青贮饲料的青贮品质. 动物营养学报， 2020， 32（8）： 3856-3868.
27	Zhou H， Zhang J M， Zhu Y H， et al. Design and test of the combined tillage machine for returning straw to the field， deep loosening and rotary burying. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2017， 33（22）： 17-26.
	周华，张居敏，祝英豪，等. 秸秆还田深松旋埋联合耕整机设计与试验. 农业工程学报， 2017， 33（22）： 17-26.
28	Ji B， Zhao Y， Mu X， et al. Effects of tillage on soil physical properties and root growth of maize in loam and clay in Central China. Plant Soil and Environment， 2013， 59（7）： 295-302.
29	Feng Q Q， Han H F， Zhang Y Y， et al. Effects of tillage methods on soil carbon sequestration and water holding capacity and yield in wheat-maize rotation. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2018， 24（4）： 869-879.
	冯倩倩，韩惠芳，张亚运，等. 耕作方式对麦-玉轮作农田固碳、保水性能及产量的影响.植物营养与肥料学报， 2018， 24（4）： 869-879.
30	Li M， Li C S， Liu M， et al. Effects of different tillage and sowing practices on root growth， soil moisture， and soil nitrate nitrogen content of wheat after rice. Chinese Journal of Applied Ecology， 2020， 31（5）： 1425-1434.
	李明，李朝苏，刘淼，等. 耕作播种方式对稻茬小麦根系发育、土壤水分和硝态氮含量的影响.应用生态学报， 2020， 31（5）： 1425-1434.
31	Li X L， Gao J L， Hu S P， et al. Effects of various cultivation approaches on the three-phase ratio of soil and root system structure of maize. Agricultural Research in the Arid Areas， 2015， 33（4）： 1-7.
	李晓龙，高聚林，胡树平，等. 不同深耕方式对土壤三相比及玉米根系构型的影响. 干旱地区农业研究， 2015， 33（4）： 1-7.
32	Yan X G， Li H. Effect of subsoiling timing on water utilization and grain yield of spring corn. Agricultural Research in the Arid Areas， 2014， 32（6）： 165-170.
	阎晓光，李洪. 不同深松时期对旱地春玉米水分利用状况及产量的影响. 干旱地区农业研究， 2014， 32（6）： 165-170.
33	Yu X F， Sun H L， Gao J L， et al. Regulating mechanism of subsoiling on densification and yield increase of spring maize with different density tolerance. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（13）： 35-46.
	于晓芳，孙洪利，高聚林，等. 深松对不同耐密性春玉米增密增产调控机制. 农业工程学报， 2019， 35（13）： 35-46.
34	Hu S P， Meng T T， Zhao H， et al. Effects of subsoiling on photosynthetic performance and yield of sunflower. Crops， 2019（1）： 116-120.
	胡树平，孟天天，赵卉，等. 深松对向日葵光合性能及产量的影响. 作物杂志， 2019（1）： 116-120.
35	Miao X R， Sun Y M， Yu L， et al. Effects of nitrogen and phosphorus fertilizer rate on hay yield and nutritional quality of alfalfa under drip irrigation. Acta Prataculturae Sinica， 2019， 28（9）： 55-66.
	苗晓茸，孙艳梅，于磊，等. 氮磷互作对不同茬次滴灌苜蓿生产性能及营养品质的影响. 草业学报， 2019， 28（9）： 55-66.
36	Tong Z， Li H， Zhang R， et al. Co-downregulation of the hydroxycinnamoyl-CoA： Shikimate hydroxycinnamoyl transferase and coumarate 3-hydroxylase significantly increases cellulose content in transgenic alfalfa （Medicago sativa L.）. Plant Science， 2015， 239： 230-237.
37	Lv H G， Kang J M， Long R C， et al. Effects of seeding rate and row spacing on the hay yield and quality of alfalfa in saline-alkali land. Acta Prataculturae Sinica， 2019， 28（3）： 164-174.
	吕会刚，康俊梅，龙瑞才，等. 播种量和行距配置对盐碱地紫花苜蓿草产量及品质的影响. 草业学报， 2019， 28（3）： 164-174.
38	Li X F， Sun Y M， Ye C， et al. Effects of various tillage depths on soil physical and chemical properties of tea plantation. Journal of Southern Agriculture， 2018， 49（5）： 877-883.
	李小飞，孙永明，叶川，等. 不同耕作深度对茶园土壤理化性状的影响. 南方农业学报， 2018， 49（5）： 877-883.
39	Liang J F， Qi Q Z， Jia X H， et al. Effects of different tillage managements on soil properties and corn growth. Ecology and Environmental Sciences， 2010， 19（4）： 945-950.
	梁金凤，齐庆振，贾小红，等. 不同耕作方式对土壤性质与玉米生长的影响研究. 生态环境学报， 2010， 19（4）： 945-950.
40	Jiang X， He D X， Ren H Z， et al. Effects of different patterns of rotational tillage on soil bulk density in wheat field and wheat root development. Journal of Triticeae Crops， 2012， 32（4）： 711-715.
	蒋向，贺德先，任洪志，等. 轮耕对麦田土壤容重和小麦根系发育的影响. 麦类作物学报， 2012， 32（4）： 711-715.
41	Blazewiczwozniak M， Konopinski M. Impact of cover crops and tillage on porosity of podzolic soil. International Agrophysics， 2013， 27（3）： 247-255.
42	Liu W L， Cheng S X， Li N， et al. Effects of time and pattern of deep tillage on topsoil nutrient content， yield of winter wheat and summer maize in lime concretion black soil. Journal of Henan Agricultural Sciences， 2020， 49（3）： 8-16.
	刘卫玲，程思贤，李娜，等. 深松（耕）时期与方式对砂姜黑土耕层养分和冬小麦、夏玉米产量的影响. 河南农业科学， 2020， 49（3）： 8-16.

项目 Items	初始特征值方差 Variance of initial eigenvalues
项目 Items	特征值 Eigenvalue	方差贡献率Variance contribution （%）	累积贡献率 Accumulative contribution （%）
主成分1 Principal component 1	6.074	75.920	75.920
主成分2 Principal component 2	1.700	21.251	97.171
主成分3 Principal component 3	0.173	2.157	99.328
主成分4 Principal component 4	0.028	0.350	99.677
主成分5 Principal component 5	0.025	0.312	99.990
主成分6 Principal component 6	0.001	0.010	100

项目 Items	初始特征值方差 Variance of initial eigenvalues
项目 Items	特征值 Eigenvalue	方差贡献率Variance contribution （%）	累积贡献率 Accumulative contribution （%）
主成分1 Principal component 1	6.074	75.920	75.920
主成分2 Principal component 2	1.700	21.251	97.171
主成分3 Principal component 3	0.173	2.157	99.328
主成分4 Principal component 4	0.028	0.350	99.677
主成分5 Principal component 5	0.025	0.312	99.990
主成分6 Principal component 6	0.001	0.010	100

项目 Items	主成分1 Principal component 1		主成分2 Principal component 2
项目 Items	特征向量Feature vector	载荷Load	特征向量Feature vector	载荷Load
株高Plant height	0.349	0.861	0.367	0.478
分枝数Branch number	0.349	0.861	0.367	0.478
叶茎比Leaf/stem	0.387	0.954	0.208	0.271
干草产量Hay yield	0.397	0.978	0.139	0.181
粗蛋白Crude protein	0.386	0.951	0.080	0.104
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber	-0.265	-0.654	0.568	0.740
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber	-0.358	-0.883	0.341	0.445
相对饲喂价值Relative feeding value	0.317	0.781	-0.473	-0.617

项目 Items	主成分1 Principal component 1		主成分2 Principal component 2
项目 Items	特征向量Feature vector	载荷Load	特征向量Feature vector	载荷Load
株高Plant height	0.349	0.861	0.367	0.478
分枝数Branch number	0.349	0.861	0.367	0.478
叶茎比Leaf/stem	0.387	0.954	0.208	0.271
干草产量Hay yield	0.397	0.978	0.139	0.181
粗蛋白Crude protein	0.386	0.951	0.080	0.104
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber	-0.265	-0.654	0.568	0.740
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber	-0.358	-0.883	0.341	0.445
相对饲喂价值Relative feeding value	0.317	0.781	-0.473	-0.617

处理 Treatment	主成分1 Principal component 1	主成分2 Principal component 2	综合得分 Comprehensive score	排序 Ranking
CK	-4.918	0.392	-3.757	7
S₁Q₁	0.124	0.647	0.238	5
S₁Q₂	1.805	-1.955	0.983	2
S₂Q₁	0.320	1.584	0.597	3
S₂Q₂	2.783	-0.747	2.011	1
S₃Q₁	-0.795	0.493	-0.513	6
S₃Q₂	0.681	-0.414	0.441	4