本研究以3年、4年、6年、8年、12年、14年、18年、26年紫花苜蓿草地为研究对象,以麦田、荒地为对照,系统研究了0-1000cm土层的土壤水分、物理性质、化学性质的动态变化规律,分析了生长年限对苜蓿生物学特性、生产力动态、需水规律以及光合特性的影响,研究结果如下:1.苜蓿产量与植物学性状之间的相关关系表明,苜蓿各植物学性状与生物产量之间均为正相关关系。株高与节间长、株高与单茎重、株高与产量、节间数与分枝数、茎粗与单茎重达极显著正相关。3年、4年、6年、8年苜蓿构成产量的植物学性状突出,具有丰产的潜力;苜蓿生长超过8年,构成生物产量的植物学性状衰退,表现为节数少、节间短,植株矮小,单株分枝能力差,枝条数锐减,草地开始衰败;苜蓿生长至18年,草地衰败严重,构成生物产量的植物学性状最差。2006年、2007年两年的产量结果表明,在苜蓿生长的前6年,属于产量递增期,当苜蓿生长超过6年,产量呈现逐年下降的趋势。不同生长年限苜蓿根系生物量存在极显著差异。苜蓿生长年限越长,根系生物量越大。26年苜蓿根系生物量极显著地高于其余所有年限,6年、8年、12年、14年、18年之间差异不显著,但它们极显著地高于3年、4年。2.不同生长年限苜蓿株高生长进程呈“S”型曲线增长。生长年限为3年、4年、6年、8年、12年、14年的苜蓿,在6月30日左右进入株高旺盛生长期,7月底结束旺盛生长期,最快生长期持续一个月左右;苜蓿生长超过14年,株高旺盛生长期提前至6月18日-19日,最快生长期持续时间延长。从不同生长年限看,日生长速率最快的是6年苜蓿,为2.021cm/d,3年、4年、8年苜蓿株高生长速度也较快,超过1.55cm/d,苜蓿生长超过14年(含14年),株高生长速度低于0.85cm/d。3.相关分析表明,紫花苜蓿净光合速率日变化与光合有效辐射、气孔导度、叶绿素相对含量呈极显著正相关(r=0.8433**、0.8223**、0.8361**,P<0.01),与蒸腾速率呈显著正相关(r=0.6613*,P<0.05),与田间CO2浓度呈极显著负相关(r=-0.8125**,P<0.01),与其它环境因子相关性不显著。蒸腾速率与叶绿素相对含量呈极显著正相关(r=0.8361**)、与光合有效辐射呈显著正相关(r=0.6486*)、与大气温度有较高的正相关(r=0.5316),与田间CO2浓度呈极显著负相关(r=-0.8399**)。对Pn影响最大的因子是光合有效辐射(PAR),其次是叶绿素相对含量(Chl)、气孔导度(Gs)、田间CO2浓度(Ca)、蒸腾速率(Tr)、大气相对湿度(RH)、大气温度(Ta)与饱和蒸汽压差(VPD)。对蒸腾速率(Tr)影响最大的因子是田间CO2浓度(Ca),其次是叶绿素相对含量(Chl)、光合有效辐射(PAR)、大气温度(Ta)、气孔导度(Gs)、大气相对湿度(RH)与饱和蒸汽压差(VPD)。4.在所有生长年限中,6年苜蓿的净光合速率最高,表明苜蓿在第6年生长健壮,光合性能强,具有丰产的潜力。而26年苜蓿的净光合速率高于18年苜蓿,表明随着草地土壤水分和养分的恢复,苜蓿地上部的生长发育开有所恢复,但恢复较慢。因此,从苜蓿的净光合速率看,苜蓿的最佳利用期为6年。苜蓿叶片Ci的日平均值的大小表明,生长年限低于8年(含8年),表现出随着苜蓿生长年限的延长,Ci逐渐升高,苜蓿生长超过8年,Ci逐渐降低。说明3-8年生苜蓿,保持有较高的胞间CO2浓度,苜蓿生长超过8年,胞间CO2浓度迅速下降,当苜蓿生长至18年,胞间CO2浓度已降低很多,进一步影响到苜蓿的光合作用。这从一个方面反映了苜蓿的适宜利用期不宜超过8年。5.苜蓿草地0-1000cm土壤水分的垂直变化过程可分为四个层次:(1)0-40cm为土壤水分剧变层次。该层受降水、温度等外部水热条件的影响强烈,干湿变化剧烈,对表层土壤含水量影响最大,土壤含水量变动于6.97-13.05%;(2)40-100cm为活跃层。该层土壤水分变化较上层减弱,主要受蒸发、降水及苜蓿耗水的影响,土壤含水量变动于11.93-16.32%;(3)100-300cm为次活跃层。主要受苜蓿耗水的影响,土壤水分变化明显减弱,土壤含水量变动于9.76-13.41%;(4)300-1000cm为相对稳定层。该层水分变化相对稳定,土壤含水量变动于11.19-14.81%。6.根据试验区土壤凋萎湿度及苜蓿草地土壤水分状况,本研究认为土壤含水量低于11%,即视为形成干层,其下限为凋萎湿度(7%),并把土壤干层划分为三个等级:轻度干层(9%-11%)、中度干层(7%-9%)、重度干层(<7%)。在黄土高原地区,不同土地利用方式土壤干层出现的区域及发生的程度不同。麦田通体没有出现干层;荒地和苜蓿草地均出现土壤干层,荒地及生长年限低于8年(含8年)的苜蓿草地,出现轻度干层,生长年限超过8年,出现中度干层。4年、6年苜蓿草地由于生长年限较短,对土壤水分消耗相对少,在250-300cm、300-350cm土层分别出现轻度干层(土壤含水量为10.23-10.86 %);生长年限为8年的苜蓿草地在250cm土层,接近中度干层(土壤含水量为9.83%);生长年限超过8年,苜蓿草地出现中度干层:12年苜蓿草地在200-250cm土层,18年、26年在250-300cm土层,土壤含水量均低于9%,出现中度干层。紫花苜蓿生长超过一定年限,种群发生衰败,土壤含水量有一定恢复,但受土壤水分过耗和降水量较少的影响,恢复速度较慢,年均恢复1.49%。生长18年、26年的苜蓿已进入衰败期,生物量锐减,对土壤水分利用强度虽然逐步减少,但也只能使土壤上层的水分得到恢复,而深层土壤水分仍然难以恢复,深层土壤通体呈现干化。麦田、荒地、3年、4年、6年、8年苜蓿草地,对土壤水分环境不会产生大的影响;12年、18年、26年苜蓿草地,对土壤水分生态环境产生深刻的负面影响。7.根据0-1000cm土层水分含量变化情况,把8种生长年限苜蓿草地分为3组,3年、4年、6年苜蓿草地为第一组,土壤含水量分别为14.84%、14.22%、13.85%,土壤水分条件最好,土壤供水力强;8年苜蓿草地为第二组,土壤水分条件较好,土壤含水量为12.98%;12年、14年、18年、26年苜蓿草地为第三组,土壤含水量分别为11.25%、11.22%、10.27%、10.76%,土壤水分条件最差。8.从产量动态指数可以看出,紫花苜蓿生长超过一定年限,种群发生衰败。苜蓿生长超过6年,产量开始下降,超过8年,生长发生衰退,当苜蓿生长至18年,生长严重衰败。从产量波动区域(Fr)与平均产量(Ya)的差值可以看出,在苜蓿生长的前期(1-6年),产量表现相对稳定;苜蓿生长的中后期(生长超过6年),产量波动剧烈。不同生长年限苜蓿水分利用效率存在差异。随着苜蓿生长年限的延长,水分利用效率降低。4年、6年、8年苜蓿水分利用效率较高,超过50kg.mm-1.hm-2,苜蓿生长至12年、14年,水分利用效率为20kg.mm-1.hm-2左右,苜蓿生长超过18年,水分利用效率只有15kg.mm-1.hm-2左右。苜蓿干草产量与土壤水分呈极显著正相关(r = 0.8695**)。表明土壤水分条件是影响苜蓿产量的主要因子,改善土壤水分条件有利于苜蓿生产效率的发挥。9.苜蓿种植年限对土壤物理、化学性质产生影响。土壤孔隙度随生长年限的延长而增加,苜蓿连续种植18年后,土壤容重逐渐变小。有机碳与全氮、有机碳与碱解氮、全氮与碱解氮之间均呈极显著正相关关系,相关系数分别为0.9844、0.9262、0.9968,表明土壤有机质含量的提高,必然导致全氮、碱解氮的提高,这为苜蓿草田管理,合理施肥提供了理论依据。全磷含量表现出在土壤深层的聚集作用。苜蓿生长超过一定年限,根系活力下降,生物量减少,进入衰败期,对土壤氮素利用强度减少,土壤氮素有一定恢复,但受土壤氮素累计消耗的影响,恢复速度较慢,只能使土壤上层的氮素逐步得到恢复,而深层土壤氮素难以恢复。苜蓿生长6年以后,应对苜蓿草地进行合理施肥,以维持苜蓿草地土壤养分平衡。10.从苜蓿生产力动态、土壤水分状况、苜蓿草地土壤理化特性以及苜蓿叶片的光合生理生态综合分析,苜蓿最适宜种植的年限为6年,苜蓿种植不宜超过8年。在苜蓿生长6年后,应实施粮草轮作,或对苜蓿草地合理施肥,以恢复土壤水分与养分,持续提高土地生产力水平。