農(nóng)牧交錯(cuò)帶人工種草對(duì)土壤磷素有效性的影響

郭彥軍,倪郁,韓建國(guó)

(1.西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,重慶400715;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所,北京 100094;3.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,重慶 400715)

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)溫帶地帶性草原區(qū)兼作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)。天然草地和農(nóng)田相間分布是農(nóng)牧交錯(cuò)帶的主要特征。在長(zhǎng)期人類活動(dòng)中,北方溫帶草原區(qū)草原開墾嚴(yán)重,土壤質(zhì)量退化較為嚴(yán)重[1]。建國(guó)以來,我國(guó)現(xiàn)有草地面積4.8%左右被開墾為耕地,約占現(xiàn)有耕地的18.2%[2]。草地開墾改變了土地利用方式,高產(chǎn)一年生糧食作物從土壤中帶走大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),頻繁的翻耕改變了土壤C、N轉(zhuǎn)化速率[3]。開墾草原種植糧食作物8,16和41年后土壤有機(jī)磷分別下降8%,20%和36%[4]。大量資料表明北方地區(qū)的沙漠化與草地開墾有關(guān)[5]。

退耕地種草被認(rèn)為是農(nóng)牧交錯(cuò)帶恢復(fù)草地生態(tài)、改善環(huán)境的主要措施之一[6]。退耕地種草后土壤有機(jī)碳含量增加、植被覆蓋度提高,在一定程度上取得了較好的效果[7,8]。但是,退耕地建植的人工草地往往因管理技術(shù)差、產(chǎn)量不穩(wěn)定及品種適應(yīng)性等問題,逐漸退化,農(nóng)牧民復(fù)墾現(xiàn)象普遍。前期的研究發(fā)現(xiàn)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤速效磷含量普遍在5 mg/kg以下,而土壤堿解氮、速效鉀達(dá)豐富水平,草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力低下[9]。人工種草雖然能提高土壤氮素水平,但植物無法增加土壤中磷素水平。磷在土壤中的溶解性差、難以移動(dòng),加上植物不斷消耗,已成為該區(qū)植物生長(zhǎng)主要的限制因子。土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的不均衡可能是導(dǎo)致該區(qū)人工草地退化的主要原因。賈宇等[10]也認(rèn)為提高紫花苜蓿人工草地產(chǎn)草量或延長(zhǎng)草地高產(chǎn)年限,必須尋找增加土壤有效磷的途徑或方法。

磷作為植物主要的營(yíng)養(yǎng)元素,在土壤中可以分為無機(jī)磷和有機(jī)磷兩大類。無機(jī)磷又可分級(jí)為Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Fe-P、Al-P和O-P。不同形態(tài)無機(jī)磷的有效性差異很大,其中Ca2-P生物有效性較高,Ca10-P和O-P的生物有效性最低。研究表明土壤利用方式顯著影響土壤無機(jī)磷組分間的相互轉(zhuǎn)化[11]。此外,牧草品種不同,對(duì)土壤磷素利用效率也有顯著差異[12]。因此,研究人工種草后土壤磷素有效性很有必要。本試驗(yàn)選擇北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶種植4年的多年生人工草地,分析測(cè)定了人工種草對(duì)土壤全磷、速效磷及無機(jī)磷各組分的影響規(guī)律,旨在為正確選擇適宜的退耕還草品種、為合理利用與管理草原提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家草地生態(tài)系統(tǒng)沽源野外觀測(cè)站。平均海拔1 400 m,年均溫1.4℃,大于10℃的年積溫為1 513.1℃,無霜期100 d左右,年平均降水量為300 mm(主要集中在7-9月份),年蒸發(fā)量為1 785 mm,年日照時(shí)數(shù)2 930.9 h。土壤類型為栗鈣土。由于受長(zhǎng)期的人為干擾,草地開墾嚴(yán)重,屬典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶。

1.2 樣地選擇

本試驗(yàn)選擇2002年退耕地建植的多年生人工草地,共5種,即扁穗冰草(Agropyron cristatum)草地、草地雀麥(Bromus riparius)草地、無芒雀麥(Bromus inermis)草地、羊草(Leymus chinensis)草地和紫花苜蓿(Medicago sativa)草地。除羊草草地植被分布較均勻外,其余草地均為條播,行距45 cm。人工草地每年刈割2次,依天氣情況統(tǒng)一進(jìn)行噴灌,自2004年起,草地沒有施肥。根據(jù)地形,將各草地分為4個(gè)樣區(qū),其中扁穗冰草和草地雀麥草地樣區(qū)大小在500 m2左右,其余草地樣區(qū)大小在800 m2左右。同時(shí)選擇草地植被相對(duì)一致的羊草草甸草原作為對(duì)照,按地形分成4個(gè)采樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)大小500 m2。草地利用方式以放牧奶牛為主,連續(xù)放牧,草地呈現(xiàn)一定的退化表現(xiàn),7月草層平均高度30 cm左右,蓋度為85%～93%。對(duì)照天然草地樣地距人工草地100 m。土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土。

1.3 土壤采樣方法

于2006年7月,在天然草地每個(gè)樣區(qū)內(nèi),按點(diǎn)-四分法確定采樣點(diǎn)8個(gè),分0～10和10～20 cm兩層采集土樣,每個(gè)點(diǎn)采集100 g土左右,8個(gè)點(diǎn)樣品混合后取500 g土。耕地和紫花苜蓿地按蛇形采樣法,距植株5 cm處采集0～10和10～20 cm土層土樣,每個(gè)樣區(qū)采8個(gè)點(diǎn),混合后取500 g土。每個(gè)樣地取4個(gè)混合樣品。土樣晾干后,制樣(過1.00和0.25 mm 篩)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

參照蔣柏藩-顧益初石灰性土壤無機(jī)磷分級(jí)方法[13],用NaHCO3溶液測(cè)定Ca2-P,用NH4Ac溶液測(cè)定Ca8-P,用NH4F溶液測(cè)定 Al-P,用NaOH-Na2CO3溶液測(cè)定Fe-P,用檸檬酸納和 NaOH混合溶液測(cè)定O-P,用H2SO4溶液測(cè)定Ca10-P。土壤全磷含量測(cè)定采用HClO4-H2SO4消化法,速效磷磷含量測(cè)定采用0.5 mol/L NaHCO3法。土壤有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀滴定法。土壤pH值采用酸度計(jì)測(cè)定(水土比為5∶1)。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用單因素方差分析(SPSS13.01),比較不同草原類型、不同土層土壤全磷、速效磷、總有機(jī)碳、Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P和O-P含量,顯著水平為P=0.05(LSD 檢驗(yàn)法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工種草后土壤速效磷、全磷、總有機(jī)碳含量和pH值的變化

試驗(yàn)區(qū)土壤速效磷含量均在4 mg/kg以下(表1),種植多年生牧草后土壤速效磷含量整體呈下降趨勢(shì),且草地雀麥草地、無芒雀麥草地和羊草草地土壤速效磷含量顯著低于天然草地土壤(P<0.05)。人工草地間,無芒雀麥草地土壤速效磷含量顯著低于扁穗冰草草地(P<0.05)。人工草地0～10和10～20 cm土層土壤全磷含量均顯著低于天然草地土壤(P<0.05)。人工草地間,羊草草地和紫花苜蓿草地土壤全磷含量顯著高于無芒雀麥草地(P<0.05)。

人工種草也影響土壤總有機(jī)碳含量和土壤pH值。0～10 cm土層,天然草地土壤總有機(jī)碳含量顯著高于扁穗冰草、草地雀麥和無芒雀麥草地(P<0.05);10～20 cm土層,天然草地土壤有機(jī)碳含量顯著低于紫花苜蓿草地,與其他草地?zé)o顯著差異(P>0.05)。人工種草后土壤pH值均顯著下降,其中紫花苜蓿草地和扁穗冰草草地10～20 cm土層土壤pH值又顯著低于羊草草地(P<0.05)。

2.2 人工種草對(duì)土壤無機(jī)磷組分的影響

人工草地土壤Ca-P含量顯著低于天然草地土壤(P<0.05)(表2)。人工草地間,紫花苜蓿草地土壤0～10和10～20 cm土層土壤Ca2-P和Ca8-P含量均顯著高于其他人工草地(P<0.05);羊草草地土壤Ca10-P含量顯著高于其他人工草地(除0～10 cm的扁穗冰草草地和無芒雀麥草地)(P<0.05)。無芒雀麥草地和羊草草地土壤Ca2-P和Ca8-P含量極低,10～20 cm土層土壤不能測(cè)定出Ca2-P和Ca8-P含量。

人工種草后土壤Al-P含量的變化因牧草種類及土層深度的不同而不同。其中,0～10 cm土層,天然草地土壤Al-P含量除與紫花苜蓿草地土壤無顯著差異外,均顯著高于其他人工草地土壤(P<0.05);10～20 cm土層,天然草地土壤Al-P含量顯著低于紫花苜蓿草地土壤(P<0.05),而又高于草地雀麥草地、無芒雀麥草地和羊草草地土壤(P<0.05)。人工草地間,扁穗冰草草地和紫花苜蓿草地土壤Al-P含量顯著高于草地雀麥和無芒雀麥草地土壤(P<0.05)。

人工種草后土壤Fe-P含量有增加的趨勢(shì)。除與無芒雀麥草地和10～20 cm土層的羊草草地土壤無顯著差異外,天然草地土壤Fe-P含量顯著低于其他人工草地土壤(P<0.05)。人工草地間,無芒雀麥草地土壤Fe-P含量顯著低于扁穗冰草、草地雀麥和紫花苜蓿草地土壤(P<0.05)。

除天然草地和扁穗冰草草地土壤外,其他人工草地土壤中未能檢測(cè)出O-P含量。扁穗冰草草地土壤O-P含量顯著低于天然草地土壤(P<0.05)。

2.3 人工種草后土壤無機(jī)磷形態(tài)比例的變化

試驗(yàn)區(qū)土壤磷素主要以有機(jī)磷形態(tài)存在,無機(jī)磷在全磷中所占的比重平均在19.34%～36.33%(0～10 cm)和18.61%～42.09%(10～20 cm)(表2)。多年生人工草地土壤無機(jī)磷所占比重顯著低于天然草地(除0～10 cm土層扁穗冰草草地外)(P<0.05)。人工草地中,扁穗冰草草地土壤無機(jī)磷所占比重顯著高于其他草地(P<0.05)。

表1 人工種草對(duì)土壤速效磷、全磷、有機(jī)碳含量及pH值的影響Table 1 The effects of planting perennial grasses on the contents of available phosphorus,total phosphorus,total organic carbon and pH value

表2 人工種草對(duì)土壤無機(jī)磷組分的影響Table 2 The effect of planting perennial grasses on inorganic phosphorus fractions

各無機(jī)磷形態(tài)中,以Ca-P為主,平均占無機(jī)磷總量的65.29%(0～10 cm)和68.62%(10～20 cm),其次是Fe-P和Al-P,分別占無機(jī)磷總量的18.45%(0～10 cm)和5.31%(0～10 cm)。3種 Ca-P形態(tài)中,以Ca10-P為主,占Ca-P總量的88%,Ca2-P和Ca8-P分別占4.5%和7.5%。

比較不同草地土壤無機(jī)磷各形態(tài)占無機(jī)磷總量的百分比(0～10 cm),紫花苜蓿草地和天然草地土壤Ca2-P、Ca8-P和Al-P所占比重高于其他草地;無芒雀麥草地Ca10-P比重最高,Al-P比重最低;天然草地土壤Fe-P和Ca10-P比重最低。

2.4 土壤無機(jī)磷形態(tài)、pH值、總有機(jī)碳含量與速效磷的關(guān)系

土壤速效磷含量與Ca2-P、Ca8-P、Al-P、O-P和Ca10-P含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表3)。除Fe-P外,其他各形態(tài)無機(jī)磷之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤pH值與速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與Fe-P呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與Ca2-P、Ca8-P、O-P和Ca10-P均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。土壤總有機(jī)碳含量與Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與速效磷含量之間無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

表3 速效磷與pH值、總有機(jī)碳含量和無機(jī)磷組分之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between available phosphorus and pH value,total organic carbon,inorganic phosphorus fractions

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)區(qū)土壤磷素供應(yīng)水平較低,速效磷含量在4 mg/kg以下,嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)[14]。植物可以通過生物固氮作用將大氣中的氮素固定后補(bǔ)充到土壤中,但植物不能補(bǔ)充自身所消耗的磷素[10]。人工草地物種雖然單一,因有灌溉條件,產(chǎn)量高,需要的磷素也多。但因不存在施肥或家畜糞尿的還田,土壤磷素水平存在逐漸下降的趨勢(shì)。人工草地土壤的pH值顯著低于天然草地,這有利于提高鹽堿化土壤磷素的有效性。相關(guān)分析也表明土壤pH值與速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與Ca2-P、Ca8-P、O-P和Ca10-P均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。但是人工草地土壤速效磷含量顯著低于天然草地土壤,原因可能在于所種植的幾種牧草所消耗磷素的能力要強(qiáng)于磷素礦化作用[15]。

本試驗(yàn)各草地土壤無機(jī)磷組分均以Ca-P為主,其順序?yàn)镃a10-P>Fe-P>AI-P>Ca8-P>Ca2-P,說明該類型土壤中磷素的生物有效性低[16],這與土壤較低的速效磷含量是一致的。相關(guān)分析中,速效磷含量與土壤各形態(tài)無機(jī)磷均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明在磷素較低的石灰性土壤中,各形態(tài)無機(jī)磷之間相互轉(zhuǎn)化迅速,它們都是植物所需磷素的重要來源,基本不存在無機(jī)磷的實(shí)質(zhì)性固定問題。O-P僅在天然草地和扁穗中檢測(cè)出,原因可能在于石灰性土壤風(fēng)化程度高,閉蓄態(tài)磷比重小,檢測(cè)比較困難[17]。

人工種草后土壤不同形態(tài)無機(jī)磷之間的比例發(fā)生變化,且這種變化因牧草品種的不同而不同,這可能與不同植物根系生長(zhǎng)及根系分泌物不同有關(guān)[18]。退耕地種草后,土壤有機(jī)碳含量高于耕地[9],本試驗(yàn)中部分草地有機(jī)碳含量接近天然草地水平,但是土壤磷素有效性很難達(dá)到天然草地水平。Mohanty等[19]認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量與土壤有效磷含量之間有一定的相關(guān)性。而本試驗(yàn)中,土壤總有機(jī)碳含量與Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與速效磷含量之間無顯著相關(guān)性。這可能與本試驗(yàn)較低的有效磷水平有關(guān)。

不同植物利用磷素的能力是不同的,這就意味著磷素利用能力較低的植物在低磷土壤中很難取得較高的生物量[20]。而天然草地植物多樣性高,物種間在利用不同形態(tài)磷素方面有互補(bǔ)作用,草地產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定。從這一點(diǎn)上考慮,在退耕還草時(shí)建植多年生混播草地可能較為有利。綜合分析認(rèn)為我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶在選擇退耕還草品種時(shí)除考慮牧草產(chǎn)量外,還應(yīng)考慮品種對(duì)低磷土壤的適應(yīng)性,并加強(qiáng)對(duì)新建草地的施肥與生態(tài)安全評(píng)價(jià)[21,22]。

[1]田洪艷,郭平,周道瑋.草原開墾對(duì)草原土壤及植被的擾動(dòng)生態(tài)學(xué)作用[J].干旱區(qū)研究,2001,18(3):67-71.

[2]樊江文,鐘華平,員旭疆.50年來我國(guó)草地開墾狀況及其生態(tài)影響[J].中國(guó)草地,2002,24(5):69-72.

[3]Lal R.Soil carbon dynamics in cropland and rangeland[J].Environmental Pollution,2002,116:353-362.

[4]吳榮貴,林葆,Tiessen H.農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤磷素動(dòng)態(tài)研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2003,9(2):131-138.

[5]趙立祥.開墾草原導(dǎo)致荒漠化的物理過程[J].中國(guó)草地,2004,26(2):68-69,75.

[6]王寶山,任玉英,屈海林,等.湟源山坡地梯田退耕還林還草效果研究初報(bào)[J].草業(yè)科學(xué),2008,25(10):139-143.

[7]韓建國(guó),韓永偉,孫鐵軍,等.農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還草對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2004,13(4):21-28.

[8]郭彥軍,韓建國(guó).農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還草對(duì)土壤酶活性的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(5):23-29.

[9]郭彥軍,韓建國(guó).農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還草對(duì)土壤化學(xué)指標(biāo)的影響[J].草地學(xué)報(bào),2008,16(4):386-391.

[10]賈宇,徐炳成,李鳳民,等.半干旱黃土丘陵區(qū)苜蓿人工草地土壤磷素有效性及對(duì)生產(chǎn)力的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(1):42-47.

[11]Styles D,Coxon C.Meteorological and management influences on seasonal variation in phosphorus fractions extracted from soils in western Ireland[J].Geoderma,2007,142:152-164.

[12]郝建朝,吳沿友,連賓,等.不同植物下濕地土壤磷狀況與植物脫磷效應(yīng)[J].地球與環(huán)境,2006,34(1):44-48.

[13]鮑士旦主編.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005.

[14]全國(guó)土壤普查辦公室編.中國(guó)土壤[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1998:878,909.

[15]Otani T,Ae N.The status of inorganic and organic phosphorus in some soils in relation to plant availability[J].Soil Science and Plant Nutrition,1997,43:419-429.

[16]郭智芬,涂書新,李曉華,等.石灰性土壤不同形態(tài)無機(jī)磷對(duì)作物磷營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1997,30(1):26-32.

[17]張素霞,呂家瓏,楊瑜琪,等.黃土高原不同植被坡地土壤無機(jī)磷形態(tài)分布研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,26(1):29-32.

[18]Ae N,Arihara J,Okada K,et al.Uptake mechanism of iron-associated phosphorus in pigeonpea growing in Indian alfisol and its significance to phosphorus availability in cropping systems[J].Transactions of the 14th International Congress of Soil Science,1990,2:164.

[19]Mohanty S,Paikaray N K,Rajan A R.Availability and uptake of phosphorus from organic manures in groundnut(Arachis hypogea L.)-corn(Zea mays L.)sequence using radio tracer technique[J].Geoderma,2006,133:225-230.

[20]柏棟陰,馮國(guó)華,張會(huì)云,等.低磷脅迫下磷高效基因型小麥的篩選[J].麥類作物學(xué)報(bào),2007,27(3):407-410.

[21]胡宗達(dá),葉充,胡庭興,等.扁穗牛鞭草對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(3):17-22.

[22]趙有益,龍瑞軍,林慧龍,等.草地生態(tài)系統(tǒng)安全及其評(píng)價(jià)研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(2):143-150.