黃土高原人工苜蓿草地固碳效應(yīng)評估

李文靜，王 振，韓清芳，* ，任曾輝，閆明科，張 鵬，賈志寬，楊寶平

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院∕農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，楊凌 712100)

溫室氣體引起的全球變暖是21世紀(jì)人類生存環(huán)境面對的巨大挑戰(zhàn)，如何應(yīng)對氣候變化，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是目前世界各國重點關(guān)注的問題。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為人類的居住環(huán)境和人類活動的主要場所，其碳貯存量約為大氣碳庫的2倍［1］，是全球碳循環(huán)的重要組成部分，因此探究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的動態(tài)機(jī)制對全面理解全球碳循環(huán)、正確預(yù)測未來氣候變化具有重要意義。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作用是增加碳蓄積量行之有效的方法［2］。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫［2］，當(dāng)前對其碳循環(huán)已開展了眾多研究，從總體上對我國森林碳儲量進(jìn)行了估算和和潛力分析［3-5］，而且對不同區(qū)域和不同尺度的森林碳儲量和碳循環(huán)機(jī)制也進(jìn)行了研究［6-10］。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)展開的研究多集中在分析農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量變化［11-14］，以及耕作方式、種植制度等栽培措施對農(nóng)田碳排放的影響［15-19］。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占十分重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有不同類型草地面積約4億m2，約占我國土地總面積的40%以上，其面積約為我國耕地面積的4倍，森林面積的3.6倍，是我國陸地最大的生態(tài)系統(tǒng)［20］。進(jìn)行草地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫及其年際變化的準(zhǔn)確評估，對正確評估我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。當(dāng)前眾多學(xué)者對我國草地碳儲量進(jìn)行了研究［20-25］。方精云等［21］綜合當(dāng)前中國草地碳庫的研究進(jìn)展，研究認(rèn)為中國草地生物量碳密度在215.8—348.1g C/m2之間波動，土壤有機(jī)碳密度一般不會超過8.5 kg C/m2，草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫約為29.1 Pg C。Ni等［22］應(yīng)用Olson等的碳密度數(shù)據(jù)估算了中國草地的總碳儲量為44.09 Pg，其中植被層為3.06 Pg，土壤層為41.03 Pg。鐘華平等［24］研究認(rèn)為，草原中土壤碳主要集中于0—20 cm的表層土壤中。劉偉等［26］分析了不同草地類型土壤有機(jī)碳的分布特征及其影響因素，并認(rèn)為在0—100 cm土層深度內(nèi)，0—20 cm土壤有機(jī)碳含量與其他土層差異顯著。程積民等［27-28］通過對植物活體、凋落物和根系密度研究認(rèn)為，黃土高原不同植被類型草地碳密度存在顯著差異。由于資料來源和估算方法不同，得到的碳儲量有所差異。針對不同區(qū)域的的草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量學(xué)者也展開了許多研究［26-31］，進(jìn)一步加深了對中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的認(rèn)識。

在全球氣候變暖的背景下，保護(hù)草地資源，合理開發(fā)草業(yè)，是發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)的一個重要途徑［32］。苜蓿(Medicago sativa L.)作為一種優(yōu)良的豆科多年生牧草，在世界范圍廣為種植，且一直被作為我國人工草地建設(shè)的首選草種。苜蓿能夠持續(xù)高產(chǎn)，通過其自身地上有機(jī)體固定大量的大氣CO2，并且以根瘤菌和大量的根系給土壤留下豐富的腐殖質(zhì)來增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，種植苜蓿具有顯著的土壤固碳效應(yīng)［33］。黃土高原是我國草地的重要分布區(qū)域，苜蓿草地作為黃土高原重要的草地生態(tài)系統(tǒng)，其碳儲量的研究對黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的評估以及區(qū)域大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的固碳減排具有重要意義，但當(dāng)前對其碳儲量的研究較少。本研究通過對不同年限的苜蓿草地地上生物量、地下不同空間根系和土壤固碳量特征進(jìn)行分析，對不同年限苜蓿草地的固碳效應(yīng)作出評價，并對整個黃土高原苜蓿草地的固碳效應(yīng)進(jìn)行估算，對科學(xué)建植和合理利用草地資源，發(fā)展區(qū)域低碳大農(nóng)業(yè)具有重要的理論意義與實踐參考價值。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗設(shè)置在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作試驗一站(北緯34°21'，東經(jīng)108°10'，海拔454.8m)，該站位于秦嶺北麓、渭河平原西部的頭道塬上，平均日照時數(shù)2150h，年平均氣溫12—14℃，極端最低氣溫－21—－15℃，年平均降水量580.5mm，春季降雨偏少，雨量主要集中在7、8、9三個月，屬暖溫帶半濕潤易旱氣候。試驗地土壤為塿土，土層深厚，通氣良好。研究選取1年生、3年生、5年生和10年生4個不同生長年限的紫花苜蓿草地，苜蓿品種為巨人201，不同年限草地均為秋播，播種量7.5 kg/hm2，行距30 cm，田間管理條件相同，從建植開始均不施肥和灌溉，適時人工除草和噴灑農(nóng)藥。每個年限苜蓿草地種植面積234m2(18m×13m)。

1.2 取樣及分析方法

1.2.1 生物量測定和土壤取樣

地上生物量分別于5月18—19日、6月22—23日、8月11—12日和10月28—29日對各年限四茬苜蓿初花期測定其產(chǎn)草量。取樣方面積2.0 m2，齊地刈割，稱鮮重，重復(fù)3次。取鮮樣600g左右于105℃殺青15 min，65℃烘干24 h至恒重，計算苜蓿的鮮干比，換算干草產(chǎn)量，并留取烘干樣品備作植物碳測定用。

土壤及根系使用內(nèi)徑7.9 cm(鉆頭筒徑高12cm)的根鉆同時對土壤和地下生物量進(jìn)行取樣，取樣時間為11月4—5日。1、3、5、10a各年限苜蓿地均隨機(jī)選取3個重復(fù)，每個重復(fù)20 cm分層，0—300 cm土層分為15層，從苜蓿行中向行間依次相鄰各取3點土樣混合，每層土樣總體積為2939.4 cm3，記為Vt。先分離出其中體積較大的可見根段水洗干凈后陰干，稱重記為mC。將土樣帶回實驗室過孔徑1 mm的土篩水洗出細(xì)根，陰干，稱重記為mX，總地下生物質(zhì)量為mZ=mC+mX。收集洗出的土樣1.5 kg左右，室內(nèi)陰干。土樣和根樣均留作碳含量測定用。

1.2.2 碳含量測定

將土樣磨細(xì)，過1.0 mm篩，風(fēng)干;根樣和地上部植物樣粉碎、磨細(xì)，過0.15 mm篩，烘干。采用重鉻酸鉀油浴外加熱法分別測定其碳含量。試驗中土樣取0.5 g，植物樣均取0.015 g，以石英砂作為對照。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對所測定的數(shù)據(jù)采用Excel處理后，利用SAS8.0軟件進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)，顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 不同年限苜蓿草地地上生物固碳量

不同年限苜蓿草地地上生物量差異顯著，但各年限苜蓿地上植株含碳量無顯著差異(表1)。苜蓿生長第3年進(jìn)入盛產(chǎn)期，地上生物產(chǎn)量顯著高于其他年限，5年生苜蓿處于穩(wěn)產(chǎn)期，地上生物量次之，1年生生物產(chǎn)量顯著低于其他年限。根據(jù)地上生物量和植株含碳量計算，3年生和5年生苜蓿單位面積植株固碳量都處于最高水平，且二者無顯著差異，10年生苜蓿已處于衰敗期，其地上生物產(chǎn)量和植株固碳量都有所下降，導(dǎo)致其單位面積植株固碳量較3年生和5年生明顯降低。

表1 不同年限苜蓿草地地上生物年固碳量Table 1 Carbon sequestration amount of above-ground vegetation of alfalfa pastures with different planting ages

2.2 不同年限苜蓿草地地下生物固碳量

2.2.1 不同年限苜蓿草地地下生物含碳量

同一年限不同土層深度苜蓿地下生物含碳量存在差異(表2)，1年生在140—160 cm含碳量高，3年生在160—260 cm土層深度內(nèi)地下生物含碳量都較其他土層深度高，5年生在140—300cm土層深度內(nèi)含碳量也都處于較高水平。10年生碳含量各土層深度內(nèi)雖無顯著差異，但在140—160 cm土層深度內(nèi)含碳量也處于較高水平，說明140—160 cm土層深度內(nèi)各年限地下生物固碳能力都較強。

同一土層深度，不同年限苜蓿地下生物含碳量也有差異。在0—160 cm土層深度內(nèi)，10年生含碳量基本處于最高水平，且在60—80 cm土層深度內(nèi)顯著高于其它各年限(P＜0.05);1年生含碳量始終處于最低水平，且在20—40cm土層深度內(nèi)顯著低于其他年限(P＜0.05);3年生和5年生含碳量在0—160cm土層深度內(nèi)差異不顯著。160—200 cm，3年生和5年生含碳量較高，1年生含碳量仍最低，且在180—200cm土層深度顯著低于其它各年限(P＜0.05)。200—300 cm土層深度內(nèi)，1年生苜蓿幾乎不見地下生物，3年生和5年生含碳量仍處于較高水平，且在240—260 cm土層深度內(nèi)顯著高于10年生含碳量(P＜0.05)。

表2 不同年限苜蓿草地不同土層深度地下生物含碳量Table 2 Below-ground vegetation carbon content of alfalfa pastures with different planting ages

2.2.2 不同年限苜蓿草地地下生物量

各年限苜蓿草地0—300 cm土層深度單位體積內(nèi)地下生物量比較可看出(表3)，各年限苜蓿地下生物均主要分布在0—100 cm土層內(nèi)，且0—20 cm土層分布最多，分別占0—300 cm總量的43.64%、52.99%、55.14%和40.59%。100—300 cm土層深度內(nèi)，同一年限不同土層間苜蓿地下生物分布量差異不大。

在不同土層深度內(nèi)，不同年限地下生物量基本都以10年生分布最多，3年生次之，1年生始終處于最低水平，10年生地下生物質(zhì)量在40—60cm、80—120cm、140—180cm和200—220cm土層深度內(nèi)顯著高于其他年限(P＜0.05)。

表3 不同年限苜蓿草地單位體積地下生物質(zhì)量/(kg/m3)Table 3 Below-ground biomass of alfalfa pastures with different planting ages per unit volume

2.2.3 不同年限苜蓿草地地下生物固碳量

根據(jù)不同土層地下生物含碳量和生長量，計算各年限不同土層深度的地下生物固碳量(圖1)。不同年限苜蓿草地0—300cm土層深度地下生物固碳量差異顯著。由于10年生苜蓿地下生物含碳量和分布量都較高，在0—300cm土層深度內(nèi)地下生物固碳量基本處于最高水平，且在 20—60cm、80—120cm、140—180cm 和200—240cm土層內(nèi)顯著高于其他年限(P＜0.05)，3年生次之，1年生始終處于最低水平。

同一年限的苜蓿草地，在不同土層深度內(nèi)地下生物固碳量均以0—20 cm最高，1年生、3年生、5年生、10年生苜蓿0—20 cm土層地下生物固碳量分別占到地下生物0—300 cm 固碳量的 45.74%、55.68%、53.12%和43.28%，各年限0—300cm土層深度內(nèi)單位面積地下生物固碳量分別為 39.98、131.66 、69.51 g/m2和 175.67 g/m2，10年生顯著高于其他年限。

2.3 不同年限苜蓿草地土壤固碳量

2.3.1 不同年限苜蓿草地土壤含碳量

對各年限苜蓿草地每20 cm土層土壤含碳量進(jìn)行分析的結(jié)果表明(表4)，在0—80 cm土層各年限苜蓿草地土壤含碳量無顯著差異。80—180 cm土層深度內(nèi)，10年生苜蓿地土壤含碳量始終處于最高水平，3年生次之，5年生和1年生在該土層深度內(nèi)均無顯著差異，10年生含碳量在80—100cm、120—140cm和140—160 cm土層深度內(nèi)均顯著高于其它年限(P＜0.05)。180—300 cm土層深度各年限土壤含碳量差異不顯著。

圖1 不同年限苜蓿草地不同土層深度地下生物固碳量Fig.1 Below-ground vegetation carbon sequestration amount of alfalfa pastures with different planting ages in different soil layers

同一年限苜蓿草地，不同土層深度內(nèi)土壤含碳量均以0—20 cm土層最高，且顯著高于其它土層(P＜0.05)。0—160 cm土層深度內(nèi)，土壤含碳量基本隨著土層深度的增加而降低，160 cm以下土層深度內(nèi)土壤含碳量差異不顯著。

表4 不同年限苜蓿草地土壤含碳量Table 4 Soil carbon content of alfalfa pastures with different planting ages

2.3.2 不同年限苜蓿草地土壤固碳量

根據(jù)不同土層土壤容重［34］(表5)，計算各年限苜蓿草地土壤單位體積固碳量如圖2。不同年限苜蓿草地在0—80cm土層深度內(nèi)土壤固碳量無顯著差異，但在80—180cm土層深度內(nèi)差異較大，其中10年生始終處于最高水平，3年生次之，5年生和1年生無顯著差異，且10年生在80—100cm、120—160cm土層深度內(nèi)土壤固碳量顯著高于其它年限(P＜0.05)。

表5 不同土層深度土壤容重Table 5 Soil bulk density at different soil depth

同一年限不同土層深度的土壤固碳量的分析表明，各年限苜蓿草地土壤固碳量均以0—20 cm最高，且均顯著高于其他土層固碳量(P＜0.05)，這主要是由于苜蓿地下生物量在表層聚集以及土壤表層積累的凋落物使得土壤碳的生物化學(xué)循環(huán)主要發(fā)生在表層。同一年限苜蓿草地在0—80cm土層深度內(nèi)，土壤固碳量隨著土層深度的增加而降低，且0—80cm深度內(nèi)各土層土壤固碳量均顯著高于80cm以下土層，各年限0—80cm總固碳量分別占0—300cm 的41.02%、39.43%、41.56%、39.59%。80—300cm 土層深度內(nèi)土壤固碳量基本無顯著差異。

不同年限苜蓿草地0—300cm土層深度單位面積土壤固碳量以10年生顯著高于其它年限(P＜0.05)，而1年生、3年生、5年生3個年限間無顯著差異，說明苜蓿需要生長到一定年限土壤固碳量才會發(fā)生顯著變化。各年限平均單位面積土壤固碳量為 12.33、12.77、12.67、14.26 kg/m2。

2.4 黃土高原區(qū)域內(nèi)苜蓿草地固碳總量估算

1年生、3年生、5年生、10年生各年限苜蓿草地地上生物、地下生物及土壤總固碳量合計分別為12.69、13.49、13.31、14.83 kg/m2。黃土高原苜蓿草地總面積為105萬hm2［35］，經(jīng)實地調(diào)查與查閱統(tǒng)計資料表明，其草地面積結(jié)構(gòu)基本為1年生苜蓿草地占10%，3年生和5年生各占35%，10年生占20%。根據(jù)不同年限苜蓿草地地上植株部分固碳量、地下地下生物固碳量(深度為3 m)和土壤固碳量(深度為3 m)，估算出區(qū)域內(nèi)不同年限苜蓿草地固碳總量，進(jìn)而對黃土高原苜蓿草地固碳總量進(jìn)行估算(表6)。對比地上、地下不同部分以及土壤的固碳量可以看出，苜蓿草地固碳主要集中在土壤固碳，占總固碳量的95.79%。黃土高原1年生、3年生、5年生、10年生各年限苜蓿草地地上生物、地下生物及土壤總固碳量分別為 5.434×109、1.150×109及 1.364×1011，苜蓿草地固碳主要集中在3年生和5年生苜蓿草地，區(qū)域苜蓿草地固碳總量為143.0Tg。

圖2 不同年限苜蓿草地不同土層固碳量Fig.2 Soil carbon sequestration amount of alfalfa pastures with different planting ages in different soil layers

表6 區(qū)域內(nèi)苜蓿草地固碳總量Table 6 Total fixed carbon amount of different alfalfa pastures

3 結(jié)論與討論

苜蓿草地作為黃土高原草地的重要組成部分，在黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占有重要地位。同時由于苜蓿具有固氮和固碳的雙重作用，使它在低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展中具有重要意義。本文通過對不同年限苜蓿草地地上生物、地下生物和土壤固碳量進(jìn)行測定，對不同年限苜蓿草地的固碳效應(yīng)作出評價，進(jìn)而整個黃土高原苜蓿草地的固碳效應(yīng)進(jìn)行估算。

3.1 苜蓿草地地上生物固碳量

本研究結(jié)果表明，不同年限苜蓿草地植株碳含量無明顯差異，但是由于不同年限苜蓿草地植株生長能力不同，其生物產(chǎn)量有差異，因而導(dǎo)致其單位面積固碳量也有所差異，1年生、3年生、5年生和10年生的單位面積固碳量分別為315.99、587.78、573.75、396.73 g·m－2·a－1。

當(dāng)前對于中國草地生物量碳庫展開了較多研究，針對苜蓿草地生物碳庫的研究未見報道。樸世龍等［25］利用遙感影像得出我國草地植被單位面積地上生物量的平均值約為44.1g C/m2，F(xiàn)an等［23］通過對我國17種草地的生物量進(jìn)行測量，得出地上生物量密度為119 g C/m2，Ni［36］基于牧草產(chǎn)量對我國草地碳儲量進(jìn)行估算，得出地上生物碳密度為60 kg C/m2。本研究結(jié)果各年限苜蓿草地平均單位面積固碳量為468.6 g C/m2，遠(yuǎn)高于上述研究中的數(shù)據(jù)。這主要應(yīng)是由于苜蓿能夠持續(xù)高產(chǎn)，具有較強的地上生物固碳能力，因而高于我國草地地上生物固碳的平均水平。當(dāng)前對于地上生物碳密度研究多按照植物有機(jī)干物質(zhì)中碳占的比重轉(zhuǎn)換為碳量，而本研究對苜蓿的碳含量和生物產(chǎn)量都進(jìn)行實地測量得出其固碳量，方法更為精準(zhǔn)。

草地地上生物固碳主要受生物產(chǎn)量的影響。在黃土高原半干旱環(huán)境條件下，紫花苜蓿生長高峰期為第4—5年，生長到第6年，由于土壤水分過耗嚴(yán)重，生物產(chǎn)量逐年下降，草地開始衰敗［37］。本試驗在黃土高原半濕潤區(qū)測定的苜蓿地上生物量結(jié)果與半干旱區(qū)的結(jié)果較為一致，據(jù)此對區(qū)域苜蓿草地不同年限及總地上生物固碳量的估算結(jié)果，對分析我國草地固碳效應(yīng)具有重要參考價值。

3.2 苜蓿草地地下生物固碳量

當(dāng)前草地碳庫的研究中針對地下生物碳庫的研究比較少，主要是由于地下生物量數(shù)據(jù)難以測量。目前估算草地地下生物量常用的方法有利用根冠比(R∶S)和地下和地上部生物量的比例系數(shù)估算，但是由于不同類型的草地比例系數(shù)不同，這種方法可能會產(chǎn)生較大的誤差［21］。Fan等［23］利用地上和地下生物量之間的關(guān)系，估算出我國草地地下生物碳密度為883g C/m2，樸世龍等［25］和Ma等［38］也應(yīng)用同樣的方法得出我國草地和北方草地地下生物碳密度分別為271.14g C/m2和244.6g C/m2。本試驗結(jié)果各年限平均地下生物單位面積固碳量為104.21g C/m2，低于上述研究。這可能是因為測量方法不同。本試驗利用根鉆法，取樣深度3m實地測量，利用地下生物量和地下生物碳含量得出地下生物固碳量更為精確，但是由于抽樣取樣范圍限制，因而使得測量結(jié)果偏低。

本研究表明，各年限苜蓿草地地下生物量主要分布在0—20cm土層，地下生物固碳也主要集中在該土層深度內(nèi)，1年生、3年生、5年生、10年生苜蓿0—20 cm土層地下生物固碳量分別占到地下生物0—300 cm固碳量的45.74%、55.68%、53.12%和43.28%。不同年限0—300cm單位面積固碳量差異顯著，10年生(175.67 g/m2)＞3 年生(131.66 g/m2)＞5 年生(69.51 g/m2)＞1 年生(39.98g/m2)。對于草地地下生物量分布，黃德華等［46］人對內(nèi)蒙古多種草原進(jìn)行研究，表明地下生物量主要分布于土壤表層，土壤0—30cm土層地下生物量分別占全部刨面地下生物總量的 74.40%、71.18%、68.68%［42］，這與本試驗的結(jié)果較為一致。

3.3 苜蓿草地土壤固碳量

當(dāng)前針對草地土壤碳庫開展了許多工作［20-22，26-27，38-42］。方精云等［21］綜合當(dāng)前中國草地碳循環(huán)研究新進(jìn)展，認(rèn)為全國平均水平的土壤碳密度一般不會超過8.5 kg C/m2。本研究結(jié)果各年限單位面積土壤固碳量平均值為13.01 kg/m2，說明苜蓿草地土壤具有較高的固碳能力。經(jīng)分析應(yīng)是如下原因:(1)由于苜蓿的優(yōu)良固氮特性，使得其土壤中的有機(jī)碳含量也有所增加。許多研究表明土壤中有機(jī)碳與氮含量呈正相關(guān)［43-45］，因此，由于苜蓿較強的固氮能力，使得其能夠固定更多的碳。(2)苜蓿的固氮特性使土壤中有較適宜的C/N比，能夠加速凋落物層的分解，使得土壤中的有機(jī)碳含量增加。

目前苜蓿對土壤理化性質(zhì)影響的研究也進(jìn)行了許多工作［47-51］，已有研究表明，土壤在0—20cm土層有機(jī)碳含量最高［49，51］。本研究結(jié)果表明，各年限苜蓿草地土壤固碳量主要集中在0—80cm土層深度內(nèi)，且均在0—20cm 土層內(nèi)最高，各年限 0—80cm 固碳量分別占到 0—300cm 的 41.02%、39.43%、41.56%、39.59%。不同年限間以10年生土壤固碳量最高，其它年限間無顯著差異，各年限0—300cm單位體積固碳量分別為12.33、12.77、12.67、14.26 kg/m2。這應(yīng)是由于苜蓿地下生物量在0—20cm表層聚集以及凋落物在土壤表層積累，使得土壤碳的生物化學(xué)循環(huán)主要發(fā)生在土壤表層。同時也有許多研究表明紫花苜蓿對土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高只有達(dá)到一定的種植年限后才明顯［47-48，51］。本研究結(jié)果表明，1年生、3年生和5年生單位面積土壤固碳量無顯著差異，到10年生的時候才顯著提高，與上述結(jié)果一致。有關(guān)研究分析表明這是由于紫花苜蓿在生長初期需要消耗大量土壤養(yǎng)分，而這段時期其生理機(jī)能很弱，基本不能固氮。隨著植株生長發(fā)育，根部形成大量根瘤菌，具備了固氮能力，此時雖然植株還在繼續(xù)吸收土壤中的養(yǎng)分，但同時能將空氣中的氮素固定，且根部也產(chǎn)生一些有機(jī)分泌物，再加上部分地下生物死亡腐爛，可以增加土壤中的有機(jī)質(zhì)［50］。

邰繼承等［48］研究1年生到6年生苜蓿取樣深度50cm，表明隨著土層的加深，各種植年限紫花苜蓿地的有機(jī)質(zhì)含量大致呈先降后升趨勢。聞志彬［49］在種植苜蓿對土壤理化性質(zhì)影響的研究中取樣深度60cm，得出結(jié)果土壤0—20cm有機(jī)碳含量高于下層，但20—60cm土壤有機(jī)碳含量差異不大。本研究表明同一年限苜蓿草地在0—80cm土層深度內(nèi)，土壤固碳量隨著土層深度的增加而降低，80—300cm土層深度內(nèi)土壤固碳量基本無顯著差異，與上述結(jié)果有所差異，這主要可能是由于取樣深度不同所致。

3.3 黃土高原苜蓿草地固碳總量

根據(jù)不同年限苜蓿草地地上生物固碳量、地下生物固碳量和土壤固碳量，估算黃土高原苜蓿草地固碳總量為143.0Tg。程積民等［33］對黃土高原植被和土壤固碳量的研究表明黃土高原草地總固碳量為573.10 Tg，可見苜蓿草地在黃土高原草地固碳中發(fā)揮著重要作用。

根據(jù)本研究結(jié)果，10a固碳能力最強，但10年生苜蓿草地的植株已處于衰敗期，且植株的固碳能力已經(jīng)下降，而5年生苜蓿地上生物產(chǎn)量高，且固碳能力強，因此實行草田輪作的耕作制度，建議種植苜蓿5a后開始輪作換茬。

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