紫花苜蓿草地土壤碳密度年際變化研究

田福平，師尚禮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，甘肅 蘭州 730050)

紫花苜蓿草地土壤碳密度年際變化研究

田福平1，2，師尚禮1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，甘肅 蘭州 730050)

為了闡明紫花苜蓿草地土壤碳密度的年際變化規(guī)律，以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的紫花苜蓿(Medicagosativa)草地為研究對(duì)象，通過(guò)大田測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室分析，研究了不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿草地土壤碳密度。結(jié)果表明：隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)年限的增加，土壤有機(jī)碳含量增加，土壤碳密度提高。不同生長(zhǎng)年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度在0～100 cm土層的分布規(guī)律為隨土層深度的增加而降低。不同年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量均為0～10 cm表層最高，其土壤有機(jī)碳含量大小順序?yàn)椋?年齡(6.39 g/kg)<2年齡(6.75 g/kg)<3年齡(7.52 g/kg)<4年齡(8.76 g/kg)<5年齡(9.16 g/kg)。不同年限的紫花苜蓿草地土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，隨著生長(zhǎng)年限的增加，土壤有機(jī)碳密度顯著提高，其中100 cm的土壤有機(jī)碳密度平均值5年齡最高(8.38 kg/m2)，比1年齡、2年齡、3年齡和4年齡分別增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

紫花苜蓿；年際變化；土壤有機(jī)碳；土壤碳密度

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫(kù)[1]，與植被碳儲(chǔ)量相比，土壤碳儲(chǔ)量十分巨大，其較小幅度的變化就可能影響到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的變化[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，其土壤碳儲(chǔ)量在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起著重要作用[3,4]。土壤有機(jī)碳是土壤碳庫(kù)最基本的部分，也是決定生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性的土壤關(guān)鍵組分[5-7]。因此，國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤有機(jī)碳已經(jīng)開(kāi)展了大量研究[7-10]。目前，我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)存過(guò)程以及相關(guān)研究還處于起步階段，前期科研力量不足，國(guó)家針對(duì)性政策出臺(tái)較晚[11]。因此，大量積累人工草地土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，深入開(kāi)展草地土壤的固碳機(jī)制對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估草地在我國(guó)乃至全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的地位有深遠(yuǎn)意義。

紫花苜蓿草地是我國(guó)栽培面積最大的人工草地，也是目前世界分布最廣的豆科牧草[12]。到2011年全國(guó)苜蓿種植面積達(dá)到377.5萬(wàn)hm2[13]，苜蓿草地作為黃土高原地區(qū)主要的人工草地生態(tài)系統(tǒng)，長(zhǎng)期種植苜蓿能夠起到固碳和提高土壤養(yǎng)分的作用[14,15]。該研究以黃土高原不同生長(zhǎng)年限的紫花苜蓿人工草地為研究對(duì)象，分析不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿草地土壤碳密度，為黃土高原地區(qū)紫花苜蓿人工草地碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確評(píng)估及其管理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于甘肅省蘭州市七里河區(qū)彭家坪鄉(xiāng)龔家灣村大洼山，地理位置E 103°45′，N 36°01′，海拔1 750 m，屬于蘭州盆地黃河南岸三級(jí)階地。年均降水量324.5 mm，主要集中在7、8、9 月，年蒸發(fā)量1 450.0 mm，日照時(shí)數(shù)2 751.4 h；年均溫9.3℃，極端最高溫39.1℃，最低溫-23.1℃。≥0℃的年活動(dòng)積溫3 700℃，≥10℃的活動(dòng)積溫1 900～2 300℃，無(wú)霜期135～167 d，年相對(duì)濕度61%～66%，干燥度1.25～1.58。屬于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)，主要為梁狀丘陵地貌，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)風(fēng)成黃土，土壤類型為灰鈣土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)長(zhǎng)期的苜蓿大田定位試驗(yàn)，供試的紫花苜蓿品種為中蘭1號(hào)紫花苜蓿(Medicagosativacv.ZhongLan No.1)，于2008年4月17日按條播方式播種，行距33.3 cm，播種量12.0 kg/hm2，播種面積為360 m2(24 m×15 m)，播前樣地為高粱地，播種前0～50 cm，試驗(yàn)地播種和播后均不施肥，只進(jìn)行人工除草。以不同生長(zhǎng)年齡的苜蓿地作為試驗(yàn)處理：(1)1年齡，2008年測(cè)定；(2)2年齡，2009年測(cè)定；(3)3年齡，2010年測(cè)定；(4)4年齡，2011年測(cè)定；(5)5年齡，2012年測(cè)定。不同生長(zhǎng)年限均采用統(tǒng)一的田間管理方式，每年4月初采用漫灌方式澆水1次，10月中下旬采用漫灌方式澆足冬灌水。試驗(yàn)地初期土壤的基本理化性狀(表1)。

表1 試驗(yàn)地初期土壤的基本理化性狀Table1 Basic soil properties of preliminary stage experiment

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 容重測(cè)定及土壤樣品采集 采用挖掘土壤剖面法[16]，在每年最后一茬苜蓿草刈割后立即測(cè)定，選取代表性樣地內(nèi)3個(gè)50 cm×50 cm的樣方挖取100 cm的土層，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重[17]。用環(huán)刀按照0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50～60，60～70，70～80，80～90，90～100 cm的深度從上至下依次取樣，分裝并寫(xiě)好標(biāo)簽，分層取一部分土樣用烘干法測(cè)定土壤含水量；另取一部分土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干，研磨細(xì)，0.5 mm過(guò)篩，用于土壤碳含量和養(yǎng)分的測(cè)定。

1.3.2 測(cè)定指標(biāo)與方法 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測(cè)定[18,19]。

1.3.3 土壤碳密度計(jì)算 100 cm土層有機(jī)碳密度為各層有機(jī)碳密度之和，計(jì)算各樣方土壤有機(jī)碳密度[20]：

SCDi=∑(Ci×di×Di)

式中：SCDi表示不同單播人工草地一定土層土壤中有機(jī)碳的總量，即土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，di為第i層土壤容重(g/cm3)，Di為第i個(gè)土層的深度(cm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析方法

繪圖采用Office Excel 2007，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 17.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿草地土壤容重的年際變化

根據(jù)不同土層測(cè)定的土壤容重，來(lái)計(jì)算不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿草地0～100 cm的土壤碳密度。隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)年限的增加，土壤容重逐漸變小。在30～70 cm土層，1年齡的苜蓿土壤容重均大于其他生長(zhǎng)年限的，且與其他年限的差異顯著(P<0.05)。不同生長(zhǎng)年限的紫花苜蓿0～30 cm的土壤容重均小于1.35 g/cm3，30～60 cm土壤容重較大，70～100 cm又降低。這與表層前期的人工擾動(dòng)、土壤質(zhì)地及苜蓿生長(zhǎng)均有關(guān)(圖1)。

2.2 苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量的年際變化

土壤有機(jī)碳含量的多少是土壤肥力高低的重要標(biāo)志，也是土壤碳密度計(jì)算的主要測(cè)定指標(biāo)。在0～50 cm的土層，不同生長(zhǎng)年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量差異均顯著(P<0.05)，隨著土層深度的增加差異逐漸不顯著。土壤有機(jī)碳含量為0～10 cm最高，不同生長(zhǎng)年限0～10 cm的土壤有機(jī)碳含量為：1年齡(6.39 g/kg)<2年齡(6.75 g//kg)<3年齡(7.52 g/kg)<4年齡(8.76 g/kg)<5年齡(9.16 g/kg)，其他土層也基本符合隨生長(zhǎng)年限增加，土壤有機(jī)碳含量提高的規(guī)律(圖2～6)。土壤有機(jī)碳含量土壤剖面分布特征為隨著土層深度增加依次減少，但不同生長(zhǎng)年限土壤有機(jī)碳含量隨深度增加而減少的程度不同。1年齡、2年齡、3年齡的土壤有機(jī)碳含量在80～90 cm的土層差異均不顯著(P<0.05)，但4年齡和5年齡差異顯著(P<0.05)。土壤有機(jī)碳含量的垂直分布中，總體上呈自上向下逐漸降低的趨勢(shì)。

2.3 苜蓿草地土壤碳密度的年際變化

圖1 不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿人工草地土壤容重Fig.1 The soil bulk density of alfalfa with different growth years

土壤碳密度在剖面的分布情況為：不同生長(zhǎng)年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在同一土層存在顯著差異，但4年齡和5年齡在0～90 cm每一土層的差異均不顯著(P<0.05)(表2)。同一土層均為5年齡的土壤碳密度最高，從1年齡到5年齡均持續(xù)增加，土壤有機(jī)碳密度在不同年限不同土層表現(xiàn)為：5年齡>4年齡>3年齡>2年齡>1年齡，且同一土層5年齡的土壤碳密度與1年齡、2年齡和3年齡的土壤碳密度差異均顯著(P<0.05)。不同生長(zhǎng)年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在剖面呈規(guī)律性分布，均隨著土層深度的增加而減少。

圖2 第1年生苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量Fig.2 Soil carbon content of 1-year-alfalfa grassland

圖5 第4年生苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量Fig.5 Soil carbon content of 4-year-alfalfa grassland

圖6 第5年生苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量Fig.6 Soil carbon content of 4-year-alfalfa grassland

草地土壤碳密度通常是指單位面積單位深度土體中土壤有機(jī)碳質(zhì)量，是指100 cm深度的土壤有機(jī)碳總質(zhì)量。不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿草地在100 cm的平均土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，且隨著生長(zhǎng)年限的增加100 cm的土壤有機(jī)碳密度也在顯著增加，5年齡均高于其他年限(圖7)，大小依次為：5年齡(8.38 kg/m2)>4年齡(7.75 kg/m2)>3年齡(6.32 kg/m2)>2年齡(5.37 kg/m2)>1年齡(4.38 kg/m2)。其中，100 cm的土壤有機(jī)碳密度5年齡比1年齡、2年齡、3年齡和4年齡分別增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

表2 不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿(0～100 cm)土壤碳密度Table2 Soil organic carbon density(0～100cm)of alfalfa grassland with different growth years

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同行不同小寫(xiě)字母表示相同土層不同生長(zhǎng)年限的土壤碳密度差異顯著(P<0.05)，下同

圖7 不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿0～100 cm土壤碳密度Fig.7 Soil carbon density of 0～100 cm layer of alfalfa grassland with different growth years

3 討論

土壤容重很大程度上決定著土壤的物理特性，表現(xiàn)在土壤含水量、通氣性以及礦質(zhì)元素的運(yùn)移等方面[21]。研究表明，土壤容重與蠶豆幼苗的根、莖干質(zhì)量均呈顯著負(fù)相關(guān)[22]。容重與植物根系的穿透阻力及生長(zhǎng)有關(guān)[23]。研究表明，隨著生長(zhǎng)年限的增加，土壤容重在0～100 cm土層整體表現(xiàn)為逐漸變小，這和苜蓿強(qiáng)大的根系生長(zhǎng)有關(guān)，隨著苜蓿根系的生長(zhǎng)，土壤容重降低。

苜蓿在促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累和培肥土壤方面具有很強(qiáng)的能力[24]。不同植物群落對(duì)土壤有機(jī)碳的影響不同，何亞龍等[25]的研究表明，在0～10 cm土層，種植苜蓿比農(nóng)田的土壤有機(jī)碳含量提高了135.5%。這說(shuō)明種植苜?？商岣咄寥烙袡C(jī)碳含量，苜蓿具有固碳作用[26]。該研究表明不同年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量存在差異，隨生長(zhǎng)年限增加，土壤有機(jī)碳含量顯著提高。

魏巍等[27]在高寒草甸的研究表明，隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低。陳芙蓉等[28]對(duì)黃土高原典型草原土壤有機(jī)碳含量的研究表明，垂直分布中，黃土高原典型草原土壤有機(jī)碳含量總體上呈自上向下逐漸降低的趨勢(shì)，這與此次研究的結(jié)果一致。該結(jié)果表明不同生長(zhǎng)年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在剖面呈規(guī)律性分布，均隨著土層深度的增加而減少。當(dāng)土地利用方式由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯げ莸兀寥烙袡C(jī)碳密度均有不同程度的增加，土壤表現(xiàn)為明顯的碳匯[29]。研究結(jié)果顯示，隨著生長(zhǎng)年限的增加，土壤有機(jī)碳密度也在顯著增加，說(shuō)明在1年齡至5年齡苜蓿草地土壤也表現(xiàn)為碳匯功能。

4 小結(jié)

在應(yīng)對(duì)氣候變化過(guò)程中，由于天然草地面積巨大，對(duì)草地土壤有機(jī)碳密度的大量研究主要集中天然草地[30,31]，近年來(lái)，由于人工草地高效的固碳效果，研究者逐漸開(kāi)始關(guān)注有關(guān)牧草[32]和草坪草的固碳[33,34]效應(yīng)和固碳機(jī)制[35]。試驗(yàn)結(jié)果表明，紫花苜蓿隨著生長(zhǎng)年限的增加，土壤有機(jī)碳含量增加，土壤碳密度提高。不同年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度剖面分布規(guī)律均為隨著土層深度的增加而降低。在0～10 cm的土層，土壤有機(jī)碳含量最高。不同年限間的紫花苜蓿草地的土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，且隨生長(zhǎng)年限的增加土壤有機(jī)碳密度也在顯著增加， 5年齡最高，為8.38 kg/m2，比1年齡、2年齡、3年齡和4年齡分別增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

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Interannual change of soil organic carbon density on alfalfa grassland

TIAN Fu-ping1，2，SHI Shang-li1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.LanzhouInstituteofHusbandryandPharmaceuticalSciencesofCAAS/ThelanzhouScientificObservationandExperimentFieldStationofMinistryofAgricultureforEcologicalSysteminLoessPlateauAreas，Lanzhou730050,China)

The soil organic carbon density of alfalfa grassland growing 1-5 years was investigated in order to explore the characteristics of interannual variations.Based on the long-term field experiment，the soil organic carbon density of alfalfa grassland were determined by quadrate method.The results indicated that soil organic carbon content and soil organic carbon density increased from 1-year to 5-year,but with soil layer depth increasing,the soil organic carbon content and soil organic carbon density decreased.The soil organic carbon content at 0～10 cm soil depth level were the highest on all alfalfa grassland,and the rank of the soil organic carbon content in different growth years was:1-year(6.39 g/kg)< 2-year(6.75 g/kg) <3-year(7.52 g/kg) < 4-year(8.76 g/kg)< 5-year(9.16 g/kg).Soil organic carbon density of alfalfa grassland in different growth years were significantly differences(P<0.05).The soil carbon density in 100 cm soil depth was significantly improved with growing years.The average soil organic carbon density of 5-year grassland was the highest(8.38 kg/m),as 5-year grassland increased by 91.3%,56.1%,32.4% and 8.1% than 1-year,2-year,3-year and 4-year grassland,respectively.

alfalfa;interannual change;soil organic carbon;soil carbon density

2015-04-23；

2015-05-18

國(guó)家現(xiàn)代牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARA-35)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31372368)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(1610322014009)

田福平(1978-)，男，甘肅武山人，副研究員，主要從事草地生態(tài)及草種質(zhì)資源與育種的研究。 E-mail：tianfp@163.com 師尚禮為通訊作者。

S 543

A

1009-5500(2015)06-0008-06