在黄土高原半干旱地区,草田轮作被认为是推动农草畜结合、促进可持续发展的重要环节。由于紫花苜蓿草地带来的深层土壤干燥化及其可能造成后茬作物生产力持续低下的担忧,以苜蓿为主体的草田轮作体系一直未能得到广泛的认可与推行。因此,为了缓解苜蓿草地深层土壤干燥化,并促进后茬作物维持较高的产量水平,我们将生长30年,但由于管理较好未出现退化现象的苜蓿草地翻耕后农田,同邻近的常规农田相比较,分析土壤水分恢复、产量水平演变,以及土壤碳、氮、磷变化趋势。试验设4个处理:苜蓿草地翻耕后农田施肥(MF)、苜蓿草地翻耕后农田未施肥(MO)、常规农田施肥(NF)、常规农田未施肥(NO),所有处理均采用沟垄覆膜栽培方式。获取的主要结果如下:(1)立地30年的苜蓿草地产生了严重的土壤干燥化现象。0-500cm土壤剖面平均土壤含水量只有9.2%,最低可低至7.6%(该地区土壤永久萎蔫点:苜蓿草地约为6.5%,玉米农田约为9.0%)。虽然苜蓿草地翻耕后土壤有机碳和全氮含量显著高于常规农田,但是土壤全磷、速效磷和矿化氮含量都显著低于常规农田。特别是速效磷和矿化氮,其含量分别只有常规农田的39%和25%。(2)在不施肥情况下,苜蓿翻耕后农田在试验第三年就能达到常规农田产量水平(3401 Kg/ha),并且之后每年产量均与常规农田相当。在施肥条件下,苜蓿翻耕后农田在试验第四年也达到了常规农田产量水平(5115 Kg/ha),同样,之后每年产量也均与常规农田相当。试验7年间,常规农田施肥处理比不施肥处理平均提高产量35%,平均从5367 Kg/ha增加到7258 Kg/ha,净增产量为756-3022Kg/ha。苜蓿翻耕后农田施肥可平均提高作物产量32%,平均从4605 Kg/ha增加到6068 Kg/ha,净增产量为1117-2222Kg/ha。后者快于前者,具有明显增产优势。苜蓿翻耕后农田施肥显著提高作物产量主要是由于提高了水分利用效率,每年的水分消耗总量基本未变,因此,并不影响水分恢复。(3)苜蓿翻耕后农田土壤水分随着作物种植年限的增加逐渐恢复。前两年(2010.4-2012.4),恢复主要发生在0-100cm,该层土壤蓄水量在这两年内由106mm增加至170mm,增加量相当于常规农田同层土壤需水量的36%;在第二个两年(2012.4-2014.4),恢复主要发生在100-200cm,该层土壤蓄水量在这两年内由113mm增加至188mm,增加量相当于常规农田同层土壤需水量的41%;第三个两年(2014.4-2016.4),土壤水分恢复主要发生在200-360cm,该层土壤蓄水量在这两年内由155mm增加至247mm,增加量相当于常规农田同层土壤需水量的26%。试验6年后苜蓿翻耕农田施肥和不施肥处理0-500cm土壤蓄水量分别占常规农田施肥和不施肥处理的74%和72%,施肥完全没有影响土壤水分恢复进程。(4)土壤水分的恢复不仅发生在具有较多降水的生长季,也发生在降水稀少的农田休闲月份。在0-200cm土壤剖面水分快速恢复的前4年期间(2010至2014年),4个生长季的恢复总量为92mm(各个生长季结束与开始时蓄水量差值的总和),而4个非生长季(每年收获至来年播种的间期)的恢复总量则有143mm(各个农田休闲间期结束与开始时蓄水量差值的总和)。4年试验间,生长季和非生长季的平均降水储蓄效率分别为9.6%和65%,后者显著高于前者(降水储蓄效率=蓄水量增量与同期降水量的比值)。但是,2米以下的土壤层次并没有出现非生长季恢复总量大于生长季恢复总量的现象,该层土壤蓄水量在非生长季基本处于稳定状态。(5)苜蓿草地翻耕后农田0-15cm土层土壤全氮含量随着作物种植年限的延长而持续下降(施肥和不施肥),7年间共降低了5.6%,从0.9 g/Kg降低到了0.85g/Kg,但在7年试验期间全氮含量仍然一直都显著高于常规农田,而土壤矿化氮并没有因此而高于常规农田。施加氮肥能够显著提高苜蓿翻耕后农田和常规农田0-15cm土层土壤全氮和矿化氮含量。苜蓿翻耕后农田0-15cm土层土壤矿化氮含量在施肥处理中有上升趋势,且在试验第三年达到常规农田的水平,有时甚至显著高于常规农田施肥水平,但是苜蓿翻耕后农田不施肥处理和常规农田施肥与不施肥处理0-15cm土层土壤矿化氮含量均处于稳定状态。苜蓿翻耕后农田15-60cm土层土壤全氮含量显著高于常规农田,但是随着作物种植年限的推移,该层土壤全氮含量逐渐下降并逐渐趋同于常规农田。(6)苜蓿翻耕后农田土壤全磷含量随时间推移逐渐升高,但是在7年试验期间全磷含量仍然一直都显著低于常规农田,而且,土壤速效磷含量也一直显著低于常规农田,并随时间推移呈现下降趋势。但是,由于常规农田土壤速效磷下降的更快,所以苜蓿翻耕后农田与常规农田土壤速效磷含量的差值在不断减小,至2015年,两种土壤在施肥情况下速效磷含量已无显著差异。施肥处理在试验3年后均会显著提高苜蓿翻耕后农田和常规农田土壤的速效磷含量,同时会缓和土壤速效磷降低的速率和碳磷比增加的速率。(7)苜蓿翻耕农田0-15cm土层土壤有机碳含量呈现先增加(2010.4-2012.10)后降低(2013.4-2016.10)的趋势,试验7年后有机碳含量与试验开始时相比降低了4.5%(约0.4g/Kg),但整体上仍显著高于常规农田。施肥能够显著提高苜蓿翻耕后农田0-15cm土层土壤有机碳含量,但是不会提高常规农田的土壤有机碳含量。同土壤全氮一致,苜蓿翻耕农田15-60cm土层土壤有机碳含量也显著高于常规农田。随着作物种植年限的推移,该层土壤有机碳呈下降趋势,逐渐趋同于常规农田。综上所述,在沟垄覆膜栽培条件下,施加氮磷化肥可显著促进苜蓿翻耕后农田迅速获得与常规农田相当的作物产量,并能够有效改善土壤碳、氮、磷状态,从而具有维持和提高土壤质量的作用。