開墾種草對(duì)高寒草甸土壤理化性質(zhì)的影響

張 濤，劉 陽，袁 航，張 巖，侯扶江

(蘭州大學(xué)草地與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

國家在草原牧區(qū)和半農(nóng)半牧區(qū)實(shí)施了退牧還草等重大生態(tài)工程，正在建立草原生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，草原生產(chǎn)方式正在發(fā)生最深刻的歷史變革，由放牧向舍飼或放牧與舍飼相結(jié)合轉(zhuǎn)變，將出現(xiàn)越來越多的栽培草地，形成家畜、飼草作物和天然草地互作的草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[1]。草地開墾導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化[2]，特別是土壤碳庫的改變，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。Mensah等[3]指出,退耕還草使土壤表層有機(jī)碳含量增加,而草地開墾則降低土壤有機(jī)碳含量。國內(nèi)學(xué)者對(duì)典型溫帶草原的研究[4]也表明，溫帶草原土地利用方式的改變對(duì)草原土壤全氮和有機(jī)碳含量變化影響明顯,其中貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草原經(jīng)28年農(nóng)墾,其0～100 cm土壤全氮和有機(jī)碳含量比未開墾草原分別減少8.8%和14.8%，而輪牧則增加了土壤碳和氮含量。喬有明等[5]研究指出，青海湖北岸封育和放牧草地土壤有機(jī)碳和全氮均高于耕地。在農(nóng)牧交錯(cuò)帶以種植小麥(Triticumaestivum)地為對(duì)照,退耕還草后,土壤0～20 cm速效磷、鉀含量均提高[6]；北方草地開墾6～8 年,有機(jī)質(zhì)含量減少50%[7]。

青藏高原是全球最獨(dú)特的生態(tài)區(qū)域之一，土壤對(duì)農(nóng)業(yè)措施響應(yīng)敏感。為此，研究高寒草甸開墾種植燕麥(Avenasativa)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，可為以牧區(qū)為反應(yīng)灶通過農(nóng)牧耦合發(fā)展草地農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 試驗(yàn)在蘭州大學(xué)瑪曲草地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于甘肅省瑪曲縣阿孜畜牧高科技園區(qū)，35°58′ N，101°53′ E，海拔3 500 m左右。年均氣溫1.2 ℃，1月平均氣溫-10 ℃,7月平均氣溫11.7 ℃，年日照時(shí)數(shù)約2 580 h，年平均霜日大于270 d，無絕對(duì)無霜期，只有冷暖季之分。年均降水量約為620 mm，主要集中在5-9月；土壤類型為亞高山草甸土[8-9]。植被以嵩草屬(Kobresia)、苔草屬(Carex)、針茅屬(Stipa)、羊茅屬(Festuca)、披堿草屬(Elymus)和早熟禾屬(Poa)等為主。牧草一般在4月中、下旬開始返青，8月中、下旬開始枯黃。

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇 以放牧的天然草地作為對(duì)照，處理分別為開墾后連續(xù)種植8年和20年的草地，主要種植燕麥(Avenasativa)。2010年6月播種，10月初收獲、調(diào)制干草。播種前施當(dāng)?shù)丶倚蠹S便等有機(jī)肥，施肥量20 t·hm-2，無灌溉。

1.2.2樣品分析 于2010年10月，在每個(gè)試驗(yàn)樣地用土鉆鉆取0～60 cm每10 cm的土壤樣品，10個(gè)點(diǎn)混合為一個(gè)土壤樣品，3次重復(fù)。

風(fēng)干土樣過0.25 mm篩待測(cè)，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,土壤含水量采用烘干法測(cè)定；土壤有機(jī)碳含量(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；全氮含量采用凱氏法測(cè)定；速效氮含量采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定，全磷含量采用FIAstar 5000全自動(dòng)流動(dòng)注射儀(瑞典FOSS公司)測(cè)定，速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.2.3數(shù)據(jù)處理 用SPSS 13.0進(jìn)行相關(guān)性分析和LSD差異顯著性分析，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤含水量和容重 0～60 cm土層含水量天然草地和開墾種草20年草地分別顯著高于開墾種草8年草地21.2%和21.0%(P<0.05)(圖1)，天然草地和開墾種草20年草地差異不顯著(P>0.05)。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層分別蓄積了38.4%、37.7%和38.4%的土壤水分。0～60 cm土層土壤容重各利用方式間差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

2.2土壤有機(jī)碳 天然草地、開墾種草8年和20年草地0～60 cm土層有機(jī)碳含量分別為21.6、15.6和15.6 kg·m-2，天然草地有機(jī)碳含量顯著高于開墾種草草地(P<0.05)(圖2)，說明草地開墾降低土壤有機(jī)碳，開墾種草8年和20年土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。天然草地、開墾種草8年和20年草地 0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量分別占0～60 cm 土層的51.8%、50.2%和46.3%，隨開墾種草年限增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，年均減少0.28%，顯示出開墾種草對(duì)表層土壤有機(jī)碳影響較大。

2.3土壤全氮及速效氮 0～60 cm土壤全氮含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地(圖3)，天然草地分別比開墾種草8年和20年草地高26.3%和40.1%(P<0.05)，草地開墾顯著降低土壤全氮含量，而且隨著開墾種草年限的增加，土壤全氮含量顯著下降(P<0.05)。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層土壤全氮含量分別占0～60 cm 土層的49.1%、49.5%和49.4%。

圖1 不同利用方式土壤物理性質(zhì)Fig.1 Soil physical properties under different land use conditions

圖2 不同利用方式土壤有機(jī)碳變化Fig.2 Soil organic carbon dynamics under different land use conditions

0～60 cm土壤速效氮含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地(圖3)，天然草地分別比開墾種草8年和20年草地高12.7%和35.6%(P<0.05)，與土壤全氮的變化趨勢(shì)相似。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層土壤速效氮含量分別占0～60 cm 土層的53.1%、55.6%和55.0%，比例均略高于土壤全氮(P<0.05)。植物根量主要集中在上層土壤，對(duì)土壤營養(yǎng)元素的利用較強(qiáng)，說明高寒牧區(qū)上層土壤中氮的礦化作用強(qiáng)于下層土壤。

2.4土壤全磷及速效磷 0～60 cm土壤全磷含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地(圖3)，天然草地分別比開墾種草8年和20年草地高22.9%和43.4%(P<0.05)，可見草地開墾后，隨種草年限的增加土壤全磷含量逐漸下降。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層全磷分別占0～60 cm土層的37.3%、35.9%和35.8%，表明高寒牧區(qū)土壤剖面上全磷的分布較為均勻。

0～60 cm土壤速效磷含量天然草地>開墾種草20年草地>開墾種草8年草地(圖3)，天然草地分別是開墾種草8年和20年草地的3.3和2.9倍(P<0.05)，結(jié)果表明草地開墾后速效磷含量顯著降低，但不同開墾種草年限之間差異不顯著(P>0.05)，耕地速效磷降低幅度遠(yuǎn)大于全磷，說明開墾種草顯著改變了磷的礦化和利用模式。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層速效磷分別占0～60 cm 土層的31.1%、36.0%和39.3%。

圖3 不同利用方式土壤化學(xué)性質(zhì)變化Fig.3 Soil chemical properties under different land use conditions

2.5土壤有機(jī)碳與氮、磷關(guān)系 土壤全氮、速效氮與有機(jī)碳均呈線性相關(guān)(圖4)(P<0.05)。各處理間土壤有機(jī)碳/全氮差異不顯著，為9.8～14.2。各處理有機(jī)碳/全磷均為表層土最高，其中天然草地顯著高于開墾種草8年草地18.5%(P<0.05)。

3 討論

土壤有機(jī)碳是土壤的主要養(yǎng)分指標(biāo)，也是形成土壤結(jié)構(gòu)的重要因素，直接影響土壤肥力、持水力和抗侵蝕能力等[10],而土壤氮素對(duì)作物產(chǎn)量具有重要影響[11]。草地利用格局的變化(開墾)和人類生產(chǎn)活動(dòng)(放牧)都會(huì)改變土壤元素循環(huán)。本研究中草地開墾種草后，0～60 cm土層土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量20年降低了27.88%、28.62%和30.25%；與孫志高等[12]和顏淑云等[13]的研究結(jié)果類似。原因可能是土壤中碳輸入的主要途徑是植物凋落物及根系分解[14]，燕麥大都齊地面刈割，地上植物基本沒有營養(yǎng)元素歸還；另外燕麥?zhǔn)崭詈?，耕地?0月至次年5月播種前一直處于裸露狀態(tài)，表層土壤有機(jī)質(zhì)充分暴露在空氣中，促進(jìn)了土壤呼吸，加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，使土壤中有機(jī)碳大量釋放[15-16]。另一方面，耕作使土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低了土壤物理保護(hù)作用，使土壤有機(jī)質(zhì)加速礦化分解[17]。青藏高原惡劣的氣候也加速了耕地的水土流失[18]。

圖4 不同利用方式土壤氮磷含量與有機(jī)碳關(guān)系Fig.4 Correlation of soil organic carbon with contents of soil nitrogen and phosphorus under different land use conditions

土壤全磷含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地，草地開墾種草20年后，土壤全磷含量顯著降低。土壤―植物系統(tǒng)磷素循環(huán)主要方式是植物對(duì)磷的吸收和歸還[12],收割減少土壤磷素歸還,隨著耕作時(shí)間的增加，其含量逐漸降低。天然草地速效磷含量顯著高于耕地，可能原因是青藏高原草地土壤pH值低于耕地[19]，利于Ca-P的轉(zhuǎn)化和溶解，而草地凋落物的歸還和根系分泌物對(duì)磷的活化[20]，也增加了草地速效磷含量。燕麥?zhǔn)崭顜ё叽罅克傩юB(yǎng)分；收獲后，地表裸露，可溶性磷因降雨、流水等淋溶損失較大。土壤速效磷含量還受土壤全磷和土壤微生物影響[21-22],而土壤微生物又受到植物群落、草地管理措施等影響。

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