苜蓿對旱地土壤有機(jī)碳氮變化的驅(qū)動作用

楊 洋，王百群，2，3，李玉進(jìn)

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌7121001；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，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 楊凌712100；3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

苜蓿（Medicago sativa L.）是一種多年生豆科飼草及綠肥植物。苜蓿根系具有固氮能力，在生物培肥土壤中具有重要的貢獻(xiàn)，可以有效地改善土壤質(zhì)量［1－3］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過苜蓿與作物輪作，改善土壤肥力和提高作物產(chǎn)量［4］。苜蓿的適應(yīng)性較強(qiáng)，具有持久和較高的生產(chǎn)能力，營養(yǎng)豐富，是優(yōu)質(zhì)的牧草。因此，苜蓿在家畜養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用［5］。

在黃土高原地區(qū)，苜蓿分布比較廣泛。自20世紀(jì)80年代，由于對糧食生產(chǎn)的重視、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改變及化肥的廣泛施用，使得苜蓿的種植面積下降，而且種植苜蓿的土地類型也隨之發(fā)生了變化［6］。但近年來，隨著退耕還林還草生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的實(shí)施、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在一些地區(qū)，苜蓿種植又受到了重視，苜蓿種植面積有所增加。在干旱半干旱條件下，苜蓿生產(chǎn)的可持續(xù)性及其對土壤水分條件的影響得到了研究者的關(guān)注，提出了促進(jìn)苜蓿生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展的技術(shù)對策［6－7］。苜蓿對旱地土壤有機(jī)碳及氮素變化的影響，也是表征苜蓿對土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要方面［8－11］。本文根據(jù)旱地進(jìn)行長期定位試驗(yàn)，研究長期生長苜蓿對土壤有機(jī)碳庫及全氮變化的驅(qū)動作用，揭示苜蓿促進(jìn)土壤有機(jī)碳、氮累積的能力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于陜西省長武縣丁家鄉(xiāng)十里鋪村，所在的區(qū)域?yàn)辄S土高原溝壑區(qū)，該區(qū)海拔為1 200m，年均降水量為584mm，年內(nèi)分布不均，7—9月的降雨量約占年降水的60%左右。年均溫為9.3℃，≥10℃的積溫為3 029℃，屬于暖溫濕帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該區(qū)作物生長所需的水分主要來自天然降水，為典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤類型為中壤質(zhì)黑壚土［6］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)于1984年布設(shè)在十里鋪村的塬面平地中。該定位試驗(yàn)包括10種作物輪作方式和7種施肥模式，共36個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，區(qū)組隨機(jī)排列，共108個(gè)小區(qū)。小區(qū)長10.26m，寬6.5m，面積為666.9m2。本研究選取其中的4個(gè)處理作為研究對象，4個(gè)處理分別為：（1）裸地，不施肥；（2）小麥連作，不施肥；（3）苜蓿，不施肥；（4）苜蓿，施有機(jī)肥量75 000kg／hm2，施氮量120kg／hm2，施磷量60 kg／hm2（用M75N120P60表示該施肥處理）。試驗(yàn)中施用的有機(jī)肥為農(nóng)家肥，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣或三料磷肥。試驗(yàn)開始前土壤有機(jī)碳含量為6.09g／kg，全氮含量為0.57g／kg，土壤pH值為8.4［12］。土壤田間持水量為21%～24%，凋萎濕度為7%～8%［6］。

1.3 樣品采集

于2000年9月在所選的4個(gè)處理試驗(yàn)小區(qū)中，用土鉆隨機(jī)多點(diǎn)采集土壤樣品，采樣深度為0—20cm，將多點(diǎn)樣品充分混勻，組成一個(gè)混合樣品，除去土壤中殘留的植物根系及植物殘?bào)w，將樣品風(fēng)干備用。

1.4 測定方法

（1）土壤微粒有機(jī)質(zhì)的分離［13］。稱取10g過2 mm篩的風(fēng)干土樣，放入塑料瓶中，加入30ml的0.5%的六偏磷酸鈉溶液，在振蕩機(jī)上振蕩15h。將塑料瓶中的土壤懸液過0.053mm篩，用去離子水洗滌篩中的殘留物3～4次。殘留于篩中的有機(jī)物為微粒有機(jī)質(zhì)。將殘留在篩上的殘留物轉(zhuǎn)入燒杯中，在50℃烘箱中烘干24h。將過篩的土壤懸液放入50℃烘箱中，啟動鼓風(fēng)進(jìn)行烘干。烘干后分別稱重，然后磨細(xì)，過0.25mm篩。待測定其中的有機(jī)碳和全氮含量。

（2）土壤有機(jī)碳及微粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳的測定。應(yīng)用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱氧化法。

（3）土壤全氮及微粒有機(jī)質(zhì)中全氮的測定。采用開氏法消化樣品，自動定氮儀測定氮含量。

（4）土壤容重的測定。采用環(huán)刀法，在各小區(qū)中測定0—20cm土層土壤容重。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿對土壤有機(jī)碳、全氮的影響

在長期生長苜蓿條件下，通過根系分泌物、根系殘?bào)w及地下殘?bào)w向土壤中輸入有機(jī)物，從而引起土壤有機(jī)碳含量發(fā)生一定的變化（表1）。在不施肥條件下，苜蓿地土壤有機(jī)碳含量顯著高于裸地及小麥連作土壤中的含量，表明了連續(xù)生長苜蓿比小麥連作更能有效地提高土壤有機(jī)碳的含量。在有機(jī)肥與氮、磷化肥配施條件，苜蓿地土壤有機(jī)碳含量提高更加顯著，土壤中增加的有機(jī)碳來源于有機(jī)肥的碳及苜蓿輸入的有機(jī)碳。由此說明，種植苜蓿并施肥的土壤比種植農(nóng)作物更有利于提高土壤有機(jī)碳含量。

表1 長期生長苜蓿對土壤有機(jī)碳和全氮的影響

不施肥小麥連作及生長苜蓿地對土壤全氮的變化具有不同的影響（表1），小麥連作土壤全氮與裸地土壤全氮的含量相近，沒有明顯的差別，而苜蓿地土壤全氮含量顯著地高于小麥連作土壤的含量，這主要是由于苜蓿根系可以固氮，從而使土壤全氮含量增加。在有機(jī)肥與氮、磷化肥配施條件下，苜蓿地土壤全氮大幅度提高，這是苜蓿生物固氮及施用有機(jī)肥和氮素化肥共同作用的結(jié)果。

｀根據(jù)長期不施肥與施肥條件下，苜蓿地土壤有機(jī)碳及全氮含量的變化，可以看出，種植苜蓿能夠顯著提高旱地土壤有機(jī)碳與全氮的含量水平，因而能夠有效地培肥旱地土壤。為了進(jìn)一步明確生長苜蓿提高土壤有機(jī)碳和全氮的過程與機(jī)理，有必要對土壤有機(jī)碳庫和氮庫的構(gòu)成進(jìn)行解析。

2.2 苜蓿對土壤微粒有機(jī)碳、全氮的影響

應(yīng)用化學(xué)分散與物理分離相結(jié)合的方法，可以將土壤有機(jī)質(zhì)分為微粒有機(jī)質(zhì)和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)兩個(gè)組成部分。微粒有機(jī)質(zhì)是指粒徑＞0.053mm的有機(jī)質(zhì)組分。微粒有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳和全氮分別稱為微粒有機(jī)碳和微粒全氮。微粒有機(jī)碳主要由一些處于分解或半分解狀態(tài)的有機(jī)物碎屑構(gòu)成，這些有機(jī)物中的有機(jī)碳具有中等的分解速率。礦物結(jié)合有機(jī)碳具有緩慢的分解速率，是土壤有機(jī)碳庫中較為穩(wěn)定的有機(jī)碳組分。微粒有機(jī)碳和全氮的變化對土壤利用方式與土壤管理措施具有敏感的響應(yīng)［13］，通過微粒有機(jī)碳、氮的動態(tài)可以表征土壤有機(jī)碳和全氮變化特點(diǎn)。

從兩個(gè)方面來分析長期生長苜蓿對土壤微粒有機(jī)碳、氮和礦物結(jié)合有機(jī)碳、氮的影響，一方面比較微粒有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳，另一方面比較以原土為基礎(chǔ)的有機(jī)碳的含量。從表2中可以看出，不施肥條件下，種植苜蓿土壤中微粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳的含量與裸地和小麥連作土壤中的沒有明顯的差異；在施用有機(jī)肥及氮、磷化肥條件下，苜蓿地土壤中微粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳的含量顯著提高。以原土為基礎(chǔ)計(jì)算的土壤微粒有機(jī)碳的含量也顯示出同樣的趨勢，說明在種植苜蓿和施肥的共同作用下，有益于土壤中的微粒有機(jī)碳累積。比較礦物結(jié)合有機(jī)碳的含量（表2），可以看出，裸地土壤與小麥連作土壤中礦物結(jié)合有機(jī)碳的含量沒有明顯的差別；不施肥條件下，生長苜蓿的土壤中礦物結(jié)合有機(jī)碳的含量明顯高于裸地土壤中的含量；施肥條件下，苜蓿地土壤中礦物結(jié)合有機(jī)碳的含量顯著提高。由此可見，不施肥條件下，微粒有機(jī)碳累積不明顯，而累積的有機(jī)碳主要分布在礦物結(jié)合有機(jī)碳組分中，成為相對穩(wěn)定的有機(jī)碳組分；而在施肥條件下，與裸地土壤相比，苜蓿土壤有機(jī)碳庫中微粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳含量的增量相近，這兩個(gè)組分中的有機(jī)碳同步增加。

微粒的全氮變化與土壤管理措施有著密切的聯(lián)系。表3顯示，不施肥條件下裸地和小麥連作及生長苜蓿土壤的微粒全氮含量沒有明顯的差別。但在有機(jī)肥與氮、磷配施條件下，苜蓿地土壤微粒全氮含量顯著提高，微粒土壤全氮含量的增加是苜蓿固氮及施用有機(jī)肥和氮素化肥共同作用定的結(jié)果。不施肥條件下，裸地與小麥連作土壤中的礦物結(jié)合全氮的含量相近，苜蓿地土壤礦物結(jié)合全氮高于小麥連作土壤中的含量。有機(jī)肥與氮、磷配施條件下苜蓿地土壤礦物結(jié)合全氮的含量顯著地高于不施肥苜蓿地土壤的含量。結(jié)果表明，不施肥條件下，生長苜蓿對土壤微粒全氮沒有明顯的影響，苜蓿固氮而增加的氮素主要存在于礦物結(jié)合全氮組分中；種植苜蓿并施肥條件下，土壤中增加的氮素，幾乎平均地分布在土壤微粒全氮和礦物結(jié)合全氮組分中，以上即為苜蓿施肥引起土壤氮庫變化的內(nèi)在特征。生長苜蓿驅(qū)動土壤氮素變化的特點(diǎn)與其對土壤有機(jī)碳庫變化驅(qū)動的特點(diǎn)相似。

表2 長期生長苜蓿對土壤微粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳的影響

2.3 苜蓿對土壤有機(jī)碳固定的影響

以上分析對比了不施肥和施肥條件下，長期生長苜蓿與裸地和小麥連作條件下土壤有機(jī)碳、全氮及其構(gòu)成組分中含量的差異。為了進(jìn)一步揭示長期生長苜蓿驅(qū)動土壤有機(jī)碳庫變化的能力，對苜蓿地土壤與裸地及小麥連作土壤中有機(jī)碳的固定量和固定率進(jìn)行比較。從表4可以看出，長期保持裸地導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失，不施肥小麥連作土壤有機(jī)碳基本能夠維持平衡，不施肥長期生長苜蓿土壤固定有機(jī)碳，施肥和連續(xù)生長苜蓿條件下，土壤能夠相對快速地固定有機(jī)碳，說明了多年生牧草比農(nóng)作物更能有效地促進(jìn)土壤固定有機(jī)碳。

表3 長期生長苜蓿對土壤微粒有機(jī)氮和礦物結(jié)合有機(jī)氮的影響

表4 長期生長苜蓿對土壤有機(jī)碳儲量與固定儲量的影響

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳、氮的變化與土壤耕作制度及土壤利用方式等因素有著密切的關(guān)系。研究表明，當(dāng)農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾?，由于地上及地下植物有機(jī)殘?bào)w輸入到土壤中，而且與農(nóng)地不同的是，草地土壤處于免耕狀態(tài)，使土壤免受擾動，有助于土壤對有機(jī)碳的保護(hù)［13］，這些因素就有利于草地土壤中有機(jī)碳及氮素的積累［14－15］。草地土壤中有機(jī)碳和氮素累積的強(qiáng)度主要取決于草的根系及地上有機(jī)殘?bào)w向土壤中的輸入量及其在土壤中分解與轉(zhuǎn)化等因素。在本試驗(yàn)研究結(jié)果中，不施肥條件下，苜蓿地土壤有機(jī)碳與氮素含量高于小麥連作土壤中的含量，其主要原因是，苜蓿具有固氮能力，而且苜蓿地土壤處于免耕狀態(tài)，對土壤有機(jī)碳具有保護(hù)作用。本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿地上部分常被收獲，而且不進(jìn)行土壤翻耕，地上部有機(jī)物殘?bào)w很少且不易進(jìn)入到土壤中，所以，苜蓿地土壤微粒有機(jī)碳變化不明顯。進(jìn)入到土壤中的有機(jī)碳主要來源于根系分泌的有機(jī)物及死亡的根系，這些有機(jī)物在微生物的作用下，其分解和轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物與細(xì)土壤礦物顆粒結(jié)合，成為礦物結(jié)合有機(jī)碳，累積有機(jī)碳、氮主要分布在礦物結(jié)合的有機(jī)碳、氮組分中。在本試驗(yàn)中，在施用有機(jī)肥及氮、磷化肥條件下，苜蓿地土壤增加的有機(jī)碳、氮幾乎平均地分布在微粒有機(jī)碳、氮和礦物結(jié)合的有機(jī)碳、氮組分中，說明了進(jìn)入到土壤的中的有機(jī)碳、氮逐步轉(zhuǎn)為土壤有機(jī)碳、氮庫中相對穩(wěn)定的組分。這表明了在有機(jī)肥與化肥配施條件下，苜蓿的生物量提高［11，15］，輸入到土壤中有機(jī)物量高于不施條件，土壤中增加的微粒有機(jī)碳、全氮及礦物結(jié)合有機(jī)碳、氮主要來源于施入的有機(jī)肥，其次是苜蓿的貢獻(xiàn)，顯示了種植苜蓿與施肥對土壤有機(jī)碳、氮庫的驅(qū)動作用。在半干旱條件下，保持適度苜蓿生產(chǎn)力，才能使土壤水分環(huán)境條件維持苜蓿多年生長［6］。因此，在旱地土壤中，長期適度生長苜蓿并施肥，有助于提高土壤氮素的積累，促進(jìn)土壤對有機(jī)碳的固定。

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