黃土丘陵區(qū)人工草地牧草營養(yǎng)元素累積及土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分特征

王百群,姜峻,都全勝,曹慶玉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊陵712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西楊陵712100;3.陜西省富縣氣象局,陜西富縣727500)

干旱與土壤侵蝕是黃土高原丘陵溝壑區(qū)主要的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題。劇烈的土壤侵蝕導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失,引起土壤水分與養(yǎng)分流失及土壤退化,對土地資源與土壤肥力及其生產(chǎn)力產(chǎn)生明顯的影響,另外,泥沙與徑流進(jìn)入地表水中,對水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。植被可以有效地防控土壤侵蝕與水土流失,因此,通過植物自然恢復(fù)或人工種植植被對減少土壤養(yǎng)分流失具有重要的作用。黃土高原丘陵溝壑區(qū)為森林與草原植被帶,適宜多種草本植物生長。在黃土丘陵溝壑區(qū),隨著“退耕還林還草”生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施,除自然草地外,人工草地也是重要的草地類型,得到了快速發(fā)展。人工草地建設(shè)對于增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤肥力具有一定的驅(qū)動(dòng)作用。許多研究者對不同植被類型對土壤養(yǎng)分的影響進(jìn)行了一系列研究,明確了植被影響土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素的過程,揭示出了在植被恢復(fù)過程中,土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分對植被變化的響應(yīng)[1-5]。土壤水分條件對植被恢復(fù)過程中的植物群落物種構(gòu)成及植物生產(chǎn)力具有明顯的影響作用,同時(shí)植物生長也引起土壤水分及養(yǎng)分的變化,所以,植物群落與土壤水分及養(yǎng)分的相互關(guān)系受到了研究者的關(guān)注[6]。隨著人們對全球氣候變化關(guān)注,土壤-植被系統(tǒng)的固碳能力研究已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重要方面[7-10]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤植物營養(yǎng)循環(huán)過程受到了許多研究者的重視,草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)研究已成為土壤生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域,對于不同管理措施下草地植物主要器官中營養(yǎng)元素的含量變化進(jìn)行了調(diào)查研究,明確了影響植物營養(yǎng)元素的主要因素[11-12]。一些研究者對林草地營養(yǎng)元素循環(huán)過程與特征進(jìn)行大量的研究,取得了重要的進(jìn)展[13-16]。

在黃土丘陵溝壑區(qū)人工種植豆科和禾本科草。廣泛種植的豆科人工草種包括紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、沙打旺(Astragalusadsurgens Pall.)、紅豆草(Onobrychisviciaef olia Scop.)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica Schindl.)等,禾本科有白羊草(Bothriochloa ischaemun L.)、柳枝稷(Panicum virgatum)及無芒雀麥(Bromus inermis Leyss.)等。

紫花苜蓿是分布最廣的栽培牧草,抗逆性強(qiáng),適應(yīng)范圍廣,能在多種類型的氣候、土壤環(huán)境下生長。沙打旺也稱直立黃芪,為豆科黃芪屬多年生草本植物,是飼草、綠肥作物。紅豆草是豆科紅豆草屬多年生草本植物,為深根型牧草。達(dá)烏里胡枝子為草本狀半灌木,是耐旱耐瘠薄土壤的優(yōu)良牧草。

柳枝稷為多年生叢生型禾草,由于其生物量高,被稱為能源植物。白羊草為禾本科孔穎草屬,多年生疏叢型禾草,須根特別發(fā)達(dá),耐踐踏,固土保水能力強(qiáng)。無芒雀麥多分布于山坡、道旁、河岸,是北方地區(qū)一種很有栽培價(jià)值的禾本科牧草。

本文以黃土高原丘陵溝壑區(qū)的安塞川地及山坡的豆科和禾本科草地為對象,研究人工草地的土壤有機(jī)碳及土壤養(yǎng)分變化、草地植物營養(yǎng)元素吸收與循環(huán)特征,從而揭示人工草地對土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分變化的驅(qū)動(dòng)作用,為加強(qiáng)草地土壤肥力管理、提高人工草地生產(chǎn)力與品質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)是在陜西省安塞縣墩灘、中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)完成的。該站位于陜西省延安市安塞縣境內(nèi),位于黃土高原中部,屬典型的梁峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)。在氣候上處于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區(qū);植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原區(qū),同時(shí)又是典型受人類活動(dòng)影響的水土流失嚴(yán)重區(qū)。

試驗(yàn)區(qū)地理位置為北緯 36°43′-36°46′,東經(jīng)109°14′-109°16′,海拔 1 013 ～ 1 309 m 。土壤類型為黃綿土,年平均氣溫9.11℃。從1986年有極溫統(tǒng)計(jì)以來,極端最高溫為2005年6月的39.9℃,極端最低溫為1994年1月的-27.0℃。多年平均降水量503.99 mm,降雨變幅從最低的 1997年的大旱年275 mm到1983年的豐水年688.9 mm。年日照時(shí)數(shù)為2 375.5 h,日照百分率達(dá)54%,全年無霜期159 d,干燥度1.46。

1.2 草地試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

田間試驗(yàn)小區(qū)分別布設(shè)在安塞站長期監(jiān)測區(qū)的山坡地與川地。山地坡面人工草地與灌木小區(qū)6個(gè),規(guī)格為5 m×20 m,坡向?yàn)闁|北方向,坡度為33°～34°,人工草地種植的牧草行距為40 cm。川地建立人工草地小區(qū)8個(gè),規(guī)格為7 m×10 m。人工草地種植的牧草行距為30 cm。在本文研究中,選擇了山地與川地的部分試驗(yàn)小區(qū)作為研究對象。選取的山坡地的3個(gè)草地小區(qū)分別為自然草地、達(dá)烏里胡枝子草地和白羊草草地;選取的川地6個(gè)小區(qū)種植的牧草分別為苜蓿、沙打旺、紅豆草、達(dá)烏里胡枝子、柳枝稷和無芒雀麥。

2.3 草地植物生物量的測定及土壤和植物樣品采集

在植物生長季末(11月初),采集所選擇的小區(qū)中的土壤和植物樣品。用直徑為9 cm土鉆取樣,取樣深度0-20 cm,在每個(gè)小區(qū)中,采用S型多點(diǎn)采樣,將多點(diǎn)重復(fù)土樣混合后,裝入土樣袋。將土樣帶回室內(nèi),去除根土樣中的植物殘?bào)w風(fēng)干,用于土壤測定。在小區(qū)中選擇1 m×1 m的樣方,收獲測定牧草地上生物量,并采集植物樣品,用于養(yǎng)分測定。應(yīng)用土鉆法測定牧草根系生物量,并取根系樣品,用于養(yǎng)分測定。

1.4 土壤有機(jī)碳及土壤植物養(yǎng)分元素測定

測定土壤中的有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等,測定植物樣品的全氮、全磷和全鉀。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)碳[17];采用開氏法測定土壤全氮,采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定土壤全磷,采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷,采用醋酸銨浸提土壤速效鉀,應(yīng)用原子發(fā)射光譜法測定浸提液中的鉀[17]。植物氮、磷、鉀營養(yǎng)元素的測定,應(yīng)用硫酸-雙氧水消化植物樣品,應(yīng)用開氏法定氮,鉬銻抗比色法測定磷,原子發(fā)射光譜法測定鉀[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 川地人工草地植物養(yǎng)分累積與歸還特征

從表1可以看出,在各個(gè)人工草地的當(dāng)年生長牧草的莖葉、立枯物及凋落物中所累積的營養(yǎng)元素中,氮素累積量最高,其次為鉀,磷的累積量最少。各種牧草當(dāng)年莖葉中所累積營養(yǎng)元素的量取決于草的種類。苜蓿當(dāng)年莖葉中所累積的氮磷鉀元素最多,其次為紅豆草、達(dá)烏里胡枝子和柳枝稷,氮磷鉀在沙打旺莖葉中累積的最少。各種人工草地凋落物中氮磷鉀元素累積量的順序與莖葉中累積量順序一致。各個(gè)草地中,草本植物通過凋落物歸還到土壤中的氮素最多、其次為鉀素,磷的歸還量最少,草本植物對這三種營養(yǎng)元素的歸還量多少與草的種類有關(guān)。

從各種草的根系中累積的氮磷鉀元素的累積量可知(表1),根系中累積的氮素最多,其次為鉀,磷的累積量最低。苜蓿和柳枝稷根系中累積的氮磷鉀量較高,其次為紅豆草、達(dá)烏里胡枝子和沙打旺。草本植物根系中營養(yǎng)元素累積量也與草的種類及其生長狀況有關(guān)。

各類草本植物的地上部氮、磷、鉀3種元素累積量高于根系中的累積量。苜蓿的地上部與根系中氮、磷、鉀元素總的累積量最高,其次為紅豆草、柳枝稷和達(dá)烏里胡枝子,沙打旺的地上部與根系中累積的氮、磷、鉀總量最少。

表1 安塞川地人工草地養(yǎng)分吸收累積量及歸還量 kg/hm2

2.2 人工牧草對草地土壤有機(jī)碳累積的效應(yīng)

植物通過光合作用固定大氣中的CO2,合成含碳有機(jī)物,存儲(chǔ)植物體中,作為植物生長所需的物質(zhì),這些有機(jī)物成為植物體構(gòu)成的物質(zhì)基礎(chǔ)。植物殘?bào)w及地下根系歸還到土壤中,成為土壤中有機(jī)碳的來源。這些有機(jī)物通過分解轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)碳庫的組成部分。地表植被對土壤有機(jī)碳的累積及有機(jī)碳庫的構(gòu)成具有重要的驅(qū)動(dòng)作用。由表2可以看出,與川地中的裸地土壤有機(jī)碳相比,種植和生長人工牧草后,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳含量提高、有機(jī)碳儲(chǔ)量與有機(jī)碳固定量的增加,其中苜蓿顯著地促進(jìn)土壤有機(jī)碳的含量增加,達(dá)烏里胡枝子促進(jìn)土壤有機(jī)含量提高的作用次之、柳枝稷和無芒雀麥提高土壤有機(jī)碳含量的能力較弱,沙打旺對土壤有機(jī)碳含量提高的作用最小。因此,苜蓿草地土壤0-20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量最高,達(dá)烏里胡枝子、柳枝稷及無芒雀麥草地的有機(jī)碳儲(chǔ)量次之,而沙打旺草地土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量最低(表2)。從表2中可以出,苜蓿地土壤有機(jī)碳的固定量最高,固定量為4 239.7 kg/hm2,約為達(dá)烏里胡枝子草地土壤固定量的2倍,約為柳枝稷和無芒雀麥草地土壤固碳量的2.8倍。從表3中可以看出,在山坡草地中,與山坡裸地相比,在生長草本植物條件下,土壤有機(jī)碳庫中有機(jī)碳的量呈現(xiàn)增加的趨勢。在3種類型草地中,山坡白羊草草地土壤有機(jī)碳含量最高,自然草地與達(dá)烏里胡枝子草地的土壤有機(jī)碳的含量次之,且二者的含量相近。白羊草草地土壤0-20 cm土層中的有機(jī)碳儲(chǔ)量高于自然草地和達(dá)烏里胡枝子草地的儲(chǔ)量(表3)。白羊草草地土壤有機(jī)碳固定量為4 769.5 kg/hm2,為自然草地和達(dá)烏里胡枝子草地土壤固定量的1.9倍(表3)。由此也表明了草本植被可以有效地促進(jìn)土壤有機(jī)碳庫中有機(jī)碳的進(jìn)一步累積。

表2 安塞川地草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與固定量(0-20 cm土層)

從以上的結(jié)果可知,土壤有機(jī)碳庫變化對草的種類具有明顯的響應(yīng),植物促進(jìn)土壤碳庫中有機(jī)碳累積的能力取植物種類及其生長狀況。在川地種植苜蓿有利于土壤有機(jī)碳的累積,而在山坡地生長白羊草有助于土壤碳庫中有機(jī)碳的增加。

表3 安塞山坡草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與固定量(0-20 cm)

2.3 人工草地對土壤養(yǎng)分的效應(yīng)

川地種植豆科及禾本科草對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響。表4的結(jié)果表明,在川地中生長人工草后,土壤全氮含量提高。苜蓿地土壤全氮含量最高,是裸地全氮含量的1.4倍,紅豆草草地土壤全氮的含量次之,為裸地土壤全氮的1.2倍,沙打旺草地、達(dá)烏里胡枝子草及柳枝稷草等3類草地土壤全氮含量相近,且低于紅豆草草地土壤全氮含量,僅為裸地土壤全氮的1.06～1.14倍。生長草本植物后,各個(gè)草地土壤全磷與裸地土壤全磷含量接近,表明了種植人工草后,對土壤全磷的效應(yīng)不明顯。種植人工草后,與裸地土壤相比,人工草地土壤堿解氮、速效磷及速效鉀含量明顯提高,說明了由于生長植物后,根植物根系分泌的有機(jī)酸等物質(zhì),促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的有效化,從而提高土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的有效性。

在山坡草地中(表4),與山坡祼地比較,生長草本植物后,土壤全氮增加。草地土壤全氮含量為裸地土壤全氮的1.2～1.5倍。生長人工牧草后的土壤全磷含量與裸地土壤接近,表明了山坡地生長人工草后,不能增加土壤全磷的含量,這與川地生長人工牧草后對土壤全磷的效應(yīng)一致。山坡草地土壤堿解氮與速效鉀的含量高于裸地土壤的含量,分別為裸地的2.3～2.6倍和1.4～1.6倍,而山坡草地土壤的速效磷則略高于祼地的含量,說明了生長人工草明顯的促進(jìn)山坡草地有效氮與速效鉀的增加,而對土壤速效磷變化的貢獻(xiàn)較小。

比較川地與山坡草地土壤全量養(yǎng)分與速效養(yǎng)分(表4),可以看出,在不施肥的條件下,山坡草地土壤養(yǎng)分含量低于川地的含量。這可能主要是由于山坡地易于發(fā)生土壤侵蝕,導(dǎo)致表層土壤養(yǎng)分流失,而且也引起歸還到地表的植物凋落物隨徑流而移出坡面;而川地草地土壤沒養(yǎng)分流失,植物凋落物歸還保留在草地。

3 討 論

氮、磷、鉀是植物所必需的大量營養(yǎng)元素。氮、磷是植物中有機(jī)化合物的重要成分,參與植物的生理活動(dòng)和代射過程。鉀素對于調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透壓和氣孔開放具有直接的作用,同時(shí),鉀也是植物細(xì)胞內(nèi)多種酶的活化劑,在植物碳水化合物代謝、蛋白質(zhì)代謝及呼吸作用中起作用。這三種元素與植物生理代謝和生長發(fā)育具有密切的關(guān)系。植物體中,不同元素含量的差別取決于植物對其的生理需求、選擇性吸收、土壤營養(yǎng)元素的供應(yīng)能力等因素。已有研究表明,植物體中氮、磷、鉀含量的順序?yàn)榈锯洠玖譡11-12]。植物體中營養(yǎng)元素累積量與植物生物量及其營養(yǎng)元素的含量有關(guān)。在本項(xiàng)研究中,這些牧草地上部和根系中營養(yǎng)元素累積量的順序?yàn)榈锯洠玖?這與以前的研究結(jié)果相一致。由于這幾種牧草生物量具有一定的差別,因而,這些牧草的氮、磷和鉀累積量不同。牧草中氮的含量是衡量牧草品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[19-20],與其他牧草相比,苜蓿地上氮素累積量最多(表1),因此,苜蓿是良好的牧草。另外,牧草對于土壤中元素的生物地球化學(xué)循環(huán)具有一定的影響作用。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳循環(huán)中,土壤是重要有機(jī)碳庫,植被對土壤有機(jī)碳庫變化具有明顯的驅(qū)動(dòng)作用。在牧草地中,由于牧草根系及其分泌和地上部有機(jī)殘?bào)w歸還到土壤,因此,種植牧草是引起土壤有碳變化的主要因素。不同種類牧草歸還到土壤中有機(jī)物的數(shù)量與質(zhì)量具有差異性,所以,對土壤有機(jī)碳累積的效應(yīng)不同。本研究結(jié)果顯示,不同種類牧草土壤有機(jī)碳庫影響作用明顯不同,其他研究也表明了土壤有機(jī)碳變化程度與植被類型具有密切的關(guān)系[21]。種植牧草有助于將大氣中的二氧化碳固定在土壤中,從而豐富土壤碳庫,促進(jìn)牧草地土壤成為有機(jī)碳的匯。

表4 安塞川地草地土壤養(yǎng)分

表5 安塞山坡草地土壤養(yǎng)分

種植豆科和禾本科牧草后,豆科牧草具有固氮作用,牧草根系及地上凋落物進(jìn)入土壤中,促進(jìn)表層土壤氮素養(yǎng)分含量的增加。牧草從土壤中吸收磷素,但是其吸收累積量遠(yuǎn)小于氮素的量,雖然牧草凋落物歸還到土壤中,但對表層土壤全磷的影響不明顯。另外,牧草根系分泌有機(jī)物,促進(jìn)土壤中微生物活動(dòng),從而使土壤中氮磷鉀養(yǎng)分的有效性提高。

除植被因素外,土壤所處的地貌條件對土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量具有一定的影響。在本研究中,山坡草地土壤經(jīng)常受到侵蝕的影響,牧草生長易受水分脅迫,生物量較小,因此,相對于川地土壤,山坡草地土壤有機(jī)碳累積和養(yǎng)分增加緩慢。

在黃土丘陵溝壑區(qū),種植牧草后,雖然土壤有效養(yǎng)分得到一定的提高,但是磷素有效性相對較低[2],限制牧草生長。在這一區(qū)域,根據(jù)土壤水分環(huán)境條件,進(jìn)行人工草地施肥,特別是施用磷肥,有望提高該區(qū)人工草地牧草的產(chǎn)量與品質(zhì)和促進(jìn)穩(wěn)定人工草地建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展[22]。

4 結(jié)論

(1)苜蓿、沙打旺、紅豆草、達(dá)烏里胡枝子和柳技稷等5種牧草當(dāng)年生長的莖葉、立枯物、凋落物及人工草本根系中所累積的營養(yǎng)元素中,氮素累積量最高,其次為鉀,磷的累積量最少;牧草通過凋落物歸還到土壤中的氮素最多、其次為鉀素,磷的歸還量最少;草的地上部氮、磷、鉀3種元素累積量高于根系。苜蓿的地上部和根系中氮、磷、鉀總的累積量最高,其次為紅豆草、柳枝稷和達(dá)烏里胡枝子,沙打旺的地上部與根系中累積的氮、磷、鉀總量最少。

(2)在川地與山坡地人工種植草后,土壤有機(jī)碳含量與有機(jī)碳儲(chǔ)量及有機(jī)碳固定量增加,川地人工草地土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量高于山坡草地土壤,而川地人工草地土壤有機(jī)碳固定量低于山坡地土壤的固定量。

(3)川地與山坡地生長牧草后,使土壤全氮的含量明顯地增加。川地人工草地土壤全氮含量高于山坡地的含量,川地苜蓿對土壤全氮增加的作用明顯,山坡地白羊草對土壤全氮的提高具有明顯的效果。種植牧草對于促進(jìn)川地與山坡地土壤全磷的增加作用較小。川地種植牧草后,顯著地提高土壤氮磷鉀的有效性;山坡地生長人工草后,明顯地提高土壤氮與鉀的有效性,而對磷的有效性影響甚微。川地人工草地土壤養(yǎng)分含量高于山坡地的含量。

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