播種方式對(duì)人工草地土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性和化學(xué)結(jié)合形態(tài)的影響

楊恒山,邰繼承,范富

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古 通遼028042)

溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球氣候變暖及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響問(wèn)題是近年來(lái)科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。土壤有機(jī)碳庫(kù)(SOC pool)是地球表層系統(tǒng)中的主要碳庫(kù),在全球碳循環(huán)中占有重要地位。據(jù)估計(jì),全球土壤有機(jī)碳庫(kù)1 500～2 000 Pg,為大氣碳庫(kù)的3倍,約是陸地生物量碳庫(kù)的2.5倍[1]。土壤有機(jī)碳庫(kù)的微小變化就會(huì)顯著影響大氣CO2水平,與全球氣候變暖密切相關(guān)。由于工業(yè)CO2排放日益加劇,目前又沒(méi)找到有效的替代技術(shù)途徑,尋求將能源消耗中排放的碳在農(nóng)業(yè)中重新收集與固定成為國(guó)際上共同努力的趨勢(shì)。這種通過(guò)陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣中碳的固定作為一種減排的替代也得到了各國(guó)政府和科學(xué)家的認(rèn)同。Schlesinger[2]在20世紀(jì)末就曾組織了一個(gè)關(guān)于“土壤碳固定”的政策論壇,其宗旨就是推動(dòng)社會(huì)對(duì)土壤碳固定研究的關(guān)注,美國(guó)土壤學(xué)會(huì)也將“土壤碳固定”的研究列為近期主要目標(biāo)[3]。國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤有機(jī)碳的研究近年也日益增多,但關(guān)于其氧化穩(wěn)定性和固存機(jī)制的研究大多數(shù)是針對(duì)農(nóng)業(yè)土壤[4,5],特別是對(duì)南方稻田土壤有機(jī)碳固存機(jī)制認(rèn)識(shí)相對(duì)較深入[6-11]。關(guān)于天然草地的研究則主要是針對(duì)人類活動(dòng)影響下植被覆蓋變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響以及不同土地利用方式間的比較[12-17],而關(guān)于人工栽培草地土壤有機(jī)碳研究甚少。

科爾沁地區(qū)是我國(guó)北方典型的半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)域,由于不合理開(kāi)墾、樵柴和過(guò)度放牧,致使該區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化,農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響[18]。在全社會(huì)提倡減排和可持續(xù)發(fā)展的背景下,如何建立低碳、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的人工草地是解決該地區(qū)草畜供求矛盾、促進(jìn)草地畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展和逐步恢復(fù)生態(tài)的關(guān)鍵措施之一[19]。本研究以該地區(qū)不同播種方式下紫花苜蓿(Medicago sativa)+無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)人工栽培草地土壤為對(duì)象,探討了在精細(xì)管理、高頻刈割條件下牧草生長(zhǎng)期間不同播種方式對(duì)土壤有機(jī)碳(質(zhì))氧化穩(wěn)定性及化學(xué)結(jié)合形態(tài)的影響,以期為指導(dǎo)建立理想人工草地、充分發(fā)揮退耕還草和固碳減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

該研究于2007年9月在內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行(北緯43°36′,東經(jīng) 122°22′,海拔178 m)。研究區(qū)近50年平均氣溫6.8℃,≥10℃年活動(dòng)積溫為3 220℃,無(wú)霜期154 d;年平均降水量398 mm,生長(zhǎng)季內(nèi)(4-9月)降水量占全年降水量的89%。土壤為灰色草甸土,耕層有機(jī)質(zhì)含量15.50 g/kg,堿解氮58.45 mg/kg,速效磷48.32 mg/kg,速效鉀163.67 mg/kg,pH 8.20,有灌溉條件。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為紫花苜蓿阿爾岡金(M.sativa cv.Algonquin),由美國(guó)引進(jìn),無(wú)芒雀麥(B.innermis cv.Carton)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)單播紫花苜蓿(DZ)、單播無(wú)芒雀麥(DW)、同行混播(TH)和隔行混播(GH)4個(gè)處理,3次重復(fù),小區(qū)面積為6.0 m×5.4 m,行距30 cm。2006年5月6日播種,基施磷酸二銨150 kg/hm2,尿素 75 kg/hm2,硫酸鉀150 kg/hm2;翌年返青后不施用任何肥料。單播紫花苜蓿播量為15 kg/hm2,單播無(wú)芒雀麥播量為22.5 kg/hm2,混播播量均為對(duì)應(yīng)單播播量的1/2。第1年刈割2次,翌年刈割4次,留茬高度均為5～6 cm,栽培管理?xiàng)l件一致。于2007年秋季最后一次刈割后取樣測(cè)定。以S形取樣法在壟間用土鉆按0～10,10～20,20～30,30～40 cm分層采集10采樣點(diǎn)的混合樣,風(fēng)干、過(guò)篩備用,用于測(cè)定土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳、鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳等指標(biāo)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量、有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性描述采用袁可能[20,21]的方法,即用0.4 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4(1∶1)170～180℃煮沸5 min,測(cè)定土壤總有機(jī)碳(b);用 0.2 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4(1∶3)130～140℃煮沸5 min,測(cè)定易氧化有機(jī)碳(a);其中(b-a)為難氧化有機(jī)碳;有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性采用氧化穩(wěn)定系數(shù)Kos表示,Kos=(b-a)/a。

鈣鍵結(jié)合的有機(jī)碳(簡(jiǎn)稱Ca-SOC)的提取與測(cè)定[22]:稱取2 g過(guò)0.25 mm篩的土壤樣品,加入20 mL 0.5 mol/L Na2SO4溶液振蕩2 h,放置24 h,以3 000 r/min離心10 min,收集上清液,土壤再加入0.5 mol/L Na2SO4溶液,洗滌數(shù)次,至溶液無(wú)Ca2+,再用1%Na2SO4洗至上清液無(wú)色為止。所有液體集中于250 mL塑料瓶中,離心除去粘粒,定容到250 mL容量瓶中。用總有機(jī)碳分析儀(TOC-5000A Shimadiu)測(cè)定溶液有機(jī)碳。

鐵鋁鍵結(jié)合的有機(jī)碳[簡(jiǎn)稱Fe(Al)-SOC]的提取與測(cè)定[22]:上述剩余土壤中加入20 mL 0.1 mol/L NaOH和混合溶液,放置過(guò)夜,次日以3 000 r/min離心10 min,收集上清液,反復(fù)數(shù)次,至溶液近無(wú)色為止。所有液體集中于250 mL塑料瓶中,離心除去粘粒,定容到250 mL容量瓶中。用總有機(jī)碳分析儀(TOC-5000A Shimadiu)測(cè)定溶液有機(jī)碳。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003和JMP5.0.1軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種方式對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的影響

單播無(wú)芒雀麥、同行混播和隔行混播草地土壤總有機(jī)碳含量在0～40 cm各土層內(nèi)呈隨深度增加而降低的趨勢(shì),而單播紫花苜蓿草地則表現(xiàn)為波動(dòng)式下降,各處理均以0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量最高(表1)。0～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量的平均值以單播紫花苜蓿草地最高,其次為隔行混播草地,二者無(wú)顯著差異(P>0.05),但與同行混播和單播無(wú)芒雀麥草地間差異極顯著(P<0.01)。0～10 cm土層內(nèi),單播無(wú)芒雀麥、隔行混播、同行混播草地土壤有機(jī)碳含量均顯著高于單播紫花苜蓿草地(P<0.05);10～20 cm土層內(nèi),混播草地土壤有機(jī)碳含量顯著高于單播紫花苜蓿草地;而在20～30和30～40 cm土層單播紫花苜蓿草地有機(jī)碳含量則明顯增加,特別是30～40 cm土層單播紫花苜蓿草地極顯著高于其他播種方式,分別是隔行混播、同行混播和單播無(wú)芒雀麥草地的1.17,2.01和1.92倍。

2.2 播種方式對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳含量的影響

各處理方式下,土壤易氧化有機(jī)碳含量在0～40 cm各土層內(nèi)隨深度增加均表現(xiàn)為降低的變化趨勢(shì)(表2),以0～10 cm土層含量最高,這與總有機(jī)碳含量隨深度的變化趨勢(shì)基本相同。0～10 cm土層,單播無(wú)芒雀麥草地易氧化有機(jī)碳含量最高,且與其他處理間差異極顯著(P<0.01);10～20 cm土層各處理間差異不顯著;20～30和30～40 cm土層單播紫花苜蓿草地含量最高,并與其他處理間差異極顯著(P<0.01);0～40 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳含量的平均值以單播紫花苜蓿草地最高,其次為單播無(wú)芒雀麥草地,同行混播草地最低;紫花苜蓿草地與其他處理間差異極顯著(P<0.01)。

2.3 播種方式對(duì)土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)的影響

0～40 cm土層土壤有機(jī)碳(質(zhì))氧化穩(wěn)定系數(shù)的平均值以隔行混播草地最高(表3),其次為同行混播草地,二者與單播草地間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01),這說(shuō)明混播條件下有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定;隔行混播亦顯著高于同行混播草地(P<0.05)。各處理土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性在0～40 cm各土層內(nèi)隨深度增加變化的趨勢(shì)不一,但除同行混播草地30～40 cm土層最高外,其他均以20～30 cm土層最高。同層不同處理間,除20～30 cm土層外,其他均為單播無(wú)芒雀麥最低,特別是在0～10 cm土層,其他3個(gè)處理均顯著高于單播無(wú)芒雀麥草地(P<0.05),說(shuō)明來(lái)源于無(wú)芒雀麥的有機(jī)物質(zhì)相對(duì)于來(lái)源于紫花苜蓿的更易于分解。

表1 不同播種方式土壤總有機(jī)碳含量比較Table 1 Comparison of soil organic carbon content in different sowing ways g/kg

表2 不同播種方式土壤易氧化有機(jī)碳含量比較Table 2 Comparison of the content of soil easy oxidation organic carbon in different sowing ways g/kg

表3 不同播種方式土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)比較Table 3 Comparison of oxidation stability coefficient of soil organic carbon in different sowing ways

2.4 播種方式對(duì)土壤鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量的影響

0～40 cm土層內(nèi),單播無(wú)芒雀麥、同行混播和隔行混播草地土壤鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量隨深度增加表現(xiàn)為降低的變化趨勢(shì)(表4),單播紫花苜蓿則是波動(dòng)式上升;單播無(wú)芒雀麥、同行混播、隔行混播草地0～10 cm土層土壤鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量最高,單播紫花苜蓿草地10～20 cm土層含量最高。0～40 cm土層土壤鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量的平均值以單播紫花苜蓿草地最高,其次為隔行混播草地,同行混播草地最低;各處理間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層,單播紫花苜蓿草地鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量顯著高于同行、隔行混播草地(P<0.05);0～10,20～30和30～40 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)。鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例是反映鈣鍵飽和程度的指標(biāo)。單播無(wú)芒雀麥、同行混播、隔行混播草地隨著深度的增加,鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳的比例增加(表5),這與鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量的變化正好相反;單播紫花苜蓿草地鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例亦與其含量變化相反,這是由于有機(jī)碳含量增加所起到的稀釋作用所致。

表4 不同播種方式土壤鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量比較Table 4 Comparison of the content of Ca-bound organic carbon in different sowing ways g/kg

表5 不同播種方式土壤鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例Table 5 Comparison of the proportion of Ca-bound organic carbon accounting for total organic carbon in different sowing ways%

2.5 播種方式對(duì)土壤鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳含量的影響

0～40 cm土層內(nèi),各處理土壤鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳含量隨深度增加表現(xiàn)不一(表6),單播紫花苜蓿草地是先降后升;單播無(wú)芒雀麥、隔行混播草地是先升后降;同行混播草地則是逐漸降低。鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例隨著深度的增加各處理均表現(xiàn)為增加(表7)。0～40 cm土層土壤鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳含量的平均值以隔行混播草地最高,其次為單播紫花苜蓿草地,二者均極顯著高于單播無(wú)芒雀麥和同行混播草地(P<0.01)。0～10 cm土層各處理土壤鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05);10～20和20～30 cm土層,隔行混播草地鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳含量均顯著高于其他處理(P<0.05);30～40 cm土層隔行混播與單播紫花苜蓿處理間差異不顯著(P>0.05),但二者極顯著高于同行混播和單播無(wú)芒雀麥處理。

表6 不同播種方式土壤鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳含量比較Table 6 Comparison of the content of Fe(Al)-bound organic carbon in different sowing ways g/kg

表7 不同播種方式土壤鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例Table 7 Comparison of the proportion of Fe(Al)-bound organic carbon accounting for total organic carbon in different sowing ways %

3 討論

隨著畜牧業(yè)的發(fā)展和我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷推進(jìn),牧草的作用已經(jīng)越來(lái)越被廣大農(nóng)民所重視,大力發(fā)展牧草產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步成為提高農(nóng)業(yè)綜合效益的重要手段。發(fā)展農(nóng)區(qū)草業(yè)將醞釀一次對(duì)耕地農(nóng)業(yè)的革命,不僅為改進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供最初的動(dòng)力,發(fā)掘農(nóng)區(qū)草地資源,解放巨大食物資源潛力,保證糧食安全[23];而且可以通過(guò)土地利用方式的改變達(dá)到固碳增匯的目的。

土壤有機(jī)碳含量是土壤管理、氣候、植被覆蓋等各種因素綜合影響下有機(jī)碳輸入與輸出之間動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果[24,25]。牧草地上部分由于收割而移出土壤系統(tǒng),地下部分進(jìn)入土壤的量和分布深度及地上掉落物則可能成為影響土壤總有機(jī)碳含量的主要因素。本研究表明無(wú)芒雀麥對(duì)表層有機(jī)碳的積累影響顯著,而紫花苜蓿對(duì)深層有機(jī)碳積累顯著。0～20 cm土層其他處理均高于單播紫花苜蓿處理正是由于無(wú)芒雀麥大量的淺層須根及凋落物腐爛歸還所致;20～40 cm土層單播紫花苜蓿草地有機(jī)碳明顯增加則是由于紫花苜蓿根系入土較深,相應(yīng)歸還土壤的植物殘?bào)w量較大;而混播條件下由于紫花苜蓿與無(wú)芒雀麥間相互競(jìng)爭(zhēng)從而抑制了其對(duì)深層生物量的貢獻(xiàn)率,最終使有機(jī)碳?xì)w還量降低,這也佐證了植物根系的分布是影響深層土壤中有機(jī)碳垂直分布的主要因素。同期試驗(yàn)表明,混播下紫花苜蓿地上部分由于種間競(jìng)爭(zhēng)亦受到顯著影響,紫花苜蓿的株高隔行混播與同行混播均低于單播草地[26]。各處理在0～40 cm土層內(nèi)總有機(jī)碳平均值以單播紫花苜蓿草地最大,為9.05 g/kg,隔行混播草地次之(9.04 g/kg),二者無(wú)顯著差異(P>0.05);它們均極顯著高于單播無(wú)芒雀麥草地和同行混播草地(P<0.01)?？梢钥闯霾煌幕觳シ绞綄?duì)土壤有機(jī)碳含量有較大影響,隔行混播有利于有機(jī)碳的累積,而同行混播則不利于有機(jī)碳的累積。

土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性指土壤有機(jī)碳在一定條件下抵抗外界因素干擾水平的能力。土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性關(guān)系到其分解的難易,是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)[15]。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性取決于土壤有機(jī)碳不同組分的構(gòu)成及其與環(huán)境的相互作用,不同的有機(jī)碳組分有著不同的來(lái)源,且對(duì)影響因素有著不同的響應(yīng)機(jī)制。研究土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的理論意義在于找出能維持和提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的經(jīng)營(yíng)措施和調(diào)控因子。本試驗(yàn)隔行混播草地有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)最大,其次為同行混播草地,二者與單播草地差異顯著(P<0.05),可以說(shuō)明合理混播條件有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定,更能發(fā)揮退耕還草固碳減排的積極作用。以往的研究表明土壤有機(jī)碳與無(wú)機(jī)礦物結(jié)合而形成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體是構(gòu)成肥力的物質(zhì)基礎(chǔ),也是肥力的核心,它們?cè)诒７使┓蔬^(guò)程中起著重要的作用,這一點(diǎn)已被大多數(shù)學(xué)者所證實(shí)[27]。而有機(jī)碳在土壤中的固定機(jī)制則十分復(fù)雜,前人研究認(rèn)為通過(guò)鈣鍵或鐵鋁鍵結(jié)合是重要的存在形式,鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳是外圈配合產(chǎn)物,鐵鋁鍵結(jié)合有機(jī)碳是內(nèi)圈配合產(chǎn)物,其穩(wěn)定性不同,而且形成環(huán)境也不同[28]。水熱條件不同的地帶性土壤中存在著不同類型和比例的有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體,從南往北,隨著鈣飽和度的增加主要形成鈣鍵結(jié)合有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體,而南方酸性土壤中存在豐富的鐵鋁氧化物,主要形成鐵鋁鍵有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體[29]。但在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),雖然地處鹽基飽和度很高的石灰性土壤帶,但土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)合方式上并非以鈣鍵結(jié)合為主,而是仍以鐵鋁鍵結(jié)合為主,各處理不同層次鐵鋁鍵有機(jī)碳含量均顯著高于相應(yīng)鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳,一般高出3～5倍。這可能與多年的土地利用消耗大量鈣素營(yíng)養(yǎng)(除有機(jī)肥外也無(wú)鈣肥施入),從而降低鈣鍵結(jié)合有機(jī)碳含量有關(guān),其原因還有待于進(jìn)一步研究。

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