農牧交錯帶人工種草對土壤磷素有效性的影響

郭彥軍,倪郁,韓建國

(1.西南大學動物科技學院,重慶400715;2.中國農業大學草地研究所,北京 100094;3.西南大學農學與生物技術學院,重慶 400715)

北方農牧交錯帶是我國溫帶地帶性草原區兼作農業生產的地區。天然草地和農田相間分布是農牧交錯帶的主要特征。在長期人類活動中,北方溫帶草原區草原開墾嚴重,土壤質量退化較為嚴重[1]。建國以來,我國現有草地面積4.8%左右被開墾為耕地,約占現有耕地的18.2%[2]。草地開墾改變了土地利用方式,高產一年生糧食作物從土壤中帶走大量營養物質,頻繁的翻耕改變了土壤C、N轉化速率[3]。開墾草原種植糧食作物8,16和41年后土壤有機磷分別下降8%,20%和36%[4]。大量資料表明北方地區的沙漠化與草地開墾有關[5]。

退耕地種草被認為是農牧交錯帶恢復草地生態、改善環境的主要措施之一[6]。退耕地種草后土壤有機碳含量增加、植被覆蓋度提高,在一定程度上取得了較好的效果[7,8]。但是,退耕地建植的人工草地往往因管理技術差、產量不穩定及品種適應性等問題,逐漸退化,農牧民復墾現象普遍。前期的研究發現北方農牧交錯帶土壤速效磷含量普遍在5 mg/kg以下,而土壤堿解氮、速效鉀達豐富水平,草地生態系統的生產力低下[9]。人工種草雖然能提高土壤氮素水平,但植物無法增加土壤中磷素水平。磷在土壤中的溶解性差、難以移動,加上植物不斷消耗,已成為該區植物生長主要的限制因子。土壤養分供應水平的不均衡可能是導致該區人工草地退化的主要原因。賈宇等[10]也認為提高紫花苜蓿人工草地產草量或延長草地高產年限,必須尋找增加土壤有效磷的途徑或方法。

磷作為植物主要的營養元素,在土壤中可以分為無機磷和有機磷兩大類。無機磷又可分級為Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Fe-P、Al-P和O-P。不同形態無機磷的有效性差異很大,其中Ca2-P生物有效性較高,Ca10-P和O-P的生物有效性最低。研究表明土壤利用方式顯著影響土壤無機磷組分間的相互轉化[11]。此外,牧草品種不同,對土壤磷素利用效率也有顯著差異[12]。因此,研究人工種草后土壤磷素有效性很有必要。本試驗選擇北方農牧交錯帶種植4年的多年生人工草地,分析測定了人工種草對土壤全磷、速效磷及無機磷各組分的影響規律,旨在為正確選擇適宜的退耕還草品種、為合理利用與管理草原提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于中國農業大學國家草地生態系統沽源野外觀測站。平均海拔1 400 m,年均溫1.4℃,大于10℃的年積溫為1 513.1℃,無霜期100 d左右,年平均降水量為300 mm(主要集中在7-9月份),年蒸發量為1 785 mm,年日照時數2 930.9 h。土壤類型為栗鈣土。由于受長期的人為干擾,草地開墾嚴重,屬典型的農牧交錯帶。

1.2 樣地選擇

本試驗選擇2002年退耕地建植的多年生人工草地,共5種,即扁穗冰草(Agropyron cristatum)草地、草地雀麥(Bromus riparius)草地、無芒雀麥(Bromus inermis)草地、羊草(Leymus chinensis)草地和紫花苜蓿(Medicago sativa)草地。除羊草草地植被分布較均勻外,其余草地均為條播,行距45 cm。人工草地每年刈割2次,依天氣情況統一進行噴灌,自2004年起,草地沒有施肥。根據地形,將各草地分為4個樣區,其中扁穗冰草和草地雀麥草地樣區大小在500 m2左右,其余草地樣區大小在800 m2左右。同時選擇草地植被相對一致的羊草草甸草原作為對照,按地形分成4個采樣區,每個樣區大小500 m2。草地利用方式以放牧奶牛為主,連續放牧,草地呈現一定的退化表現,7月草層平均高度30 cm左右,蓋度為85%～93%。對照天然草地樣地距人工草地100 m。土壤類型為沙質栗鈣土。

1.3 土壤采樣方法

于2006年7月,在天然草地每個樣區內,按點-四分法確定采樣點8個,分0～10和10～20 cm兩層采集土樣,每個點采集100 g土左右,8個點樣品混合后取500 g土。耕地和紫花苜蓿地按蛇形采樣法,距植株5 cm處采集0～10和10～20 cm土層土樣,每個樣區采8個點,混合后取500 g土。每個樣地取4個混合樣品。土樣晾干后,制樣(過1.00和0.25 mm 篩)。

1.4 測定指標及方法

參照蔣柏藩-顧益初石灰性土壤無機磷分級方法[13],用NaHCO3溶液測定Ca2-P,用NH4Ac溶液測定Ca8-P,用NH4F溶液測定 Al-P,用NaOH-Na2CO3溶液測定Fe-P,用檸檬酸納和 NaOH混合溶液測定O-P,用H2SO4溶液測定Ca10-P。土壤全磷含量測定采用HClO4-H2SO4消化法,速效磷磷含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3法。土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀滴定法。土壤pH值采用酸度計測定(水土比為5∶1)。

1.5 統計方法

采用單因素方差分析(SPSS13.01),比較不同草原類型、不同土層土壤全磷、速效磷、總有機碳、Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P和O-P含量,顯著水平為P=0.05(LSD 檢驗法)。

2 結果與分析

2.1 人工種草后土壤速效磷、全磷、總有機碳含量和pH值的變化

試驗區土壤速效磷含量均在4 mg/kg以下(表1),種植多年生牧草后土壤速效磷含量整體呈下降趨勢,且草地雀麥草地、無芒雀麥草地和羊草草地土壤速效磷含量顯著低于天然草地土壤(P<0.05)。人工草地間,無芒雀麥草地土壤速效磷含量顯著低于扁穗冰草草地(P<0.05)。人工草地0～10和10～20 cm土層土壤全磷含量均顯著低于天然草地土壤(P<0.05)。人工草地間,羊草草地和紫花苜蓿草地土壤全磷含量顯著高于無芒雀麥草地(P<0.05)。

人工種草也影響土壤總有機碳含量和土壤pH值。0～10 cm土層,天然草地土壤總有機碳含量顯著高于扁穗冰草、草地雀麥和無芒雀麥草地(P<0.05);10～20 cm土層,天然草地土壤有機碳含量顯著低于紫花苜蓿草地,與其他草地無顯著差異(P>0.05)。人工種草后土壤pH值均顯著下降,其中紫花苜蓿草地和扁穗冰草草地10～20 cm土層土壤pH值又顯著低于羊草草地(P<0.05)。

2.2 人工種草對土壤無機磷組分的影響

人工草地土壤Ca-P含量顯著低于天然草地土壤(P<0.05)(表2)。人工草地間,紫花苜蓿草地土壤0～10和10～20 cm土層土壤Ca2-P和Ca8-P含量均顯著高于其他人工草地(P<0.05);羊草草地土壤Ca10-P含量顯著高于其他人工草地(除0～10 cm的扁穗冰草草地和無芒雀麥草地)(P<0.05)。無芒雀麥草地和羊草草地土壤Ca2-P和Ca8-P含量極低,10～20 cm土層土壤不能測定出Ca2-P和Ca8-P含量。

人工種草后土壤Al-P含量的變化因牧草種類及土層深度的不同而不同。其中,0～10 cm土層,天然草地土壤Al-P含量除與紫花苜蓿草地土壤無顯著差異外,均顯著高于其他人工草地土壤(P<0.05);10～20 cm土層,天然草地土壤Al-P含量顯著低于紫花苜蓿草地土壤(P<0.05),而又高于草地雀麥草地、無芒雀麥草地和羊草草地土壤(P<0.05)。人工草地間,扁穗冰草草地和紫花苜蓿草地土壤Al-P含量顯著高于草地雀麥和無芒雀麥草地土壤(P<0.05)。

人工種草后土壤Fe-P含量有增加的趨勢。除與無芒雀麥草地和10～20 cm土層的羊草草地土壤無顯著差異外,天然草地土壤Fe-P含量顯著低于其他人工草地土壤(P<0.05)。人工草地間,無芒雀麥草地土壤Fe-P含量顯著低于扁穗冰草、草地雀麥和紫花苜蓿草地土壤(P<0.05)。

除天然草地和扁穗冰草草地土壤外,其他人工草地土壤中未能檢測出O-P含量。扁穗冰草草地土壤O-P含量顯著低于天然草地土壤(P<0.05)。

2.3 人工種草后土壤無機磷形態比例的變化

試驗區土壤磷素主要以有機磷形態存在,無機磷在全磷中所占的比重平均在19.34%～36.33%(0～10 cm)和18.61%～42.09%(10～20 cm)(表2)。多年生人工草地土壤無機磷所占比重顯著低于天然草地(除0～10 cm土層扁穗冰草草地外)(P<0.05)。人工草地中,扁穗冰草草地土壤無機磷所占比重顯著高于其他草地(P<0.05)。

表1 人工種草對土壤速效磷、全磷、有機碳含量及pH值的影響Table 1 The effects of planting perennial grasses on the contents of available phosphorus,total phosphorus,total organic carbon and pH value

表2 人工種草對土壤無機磷組分的影響Table 2 The effect of planting perennial grasses on inorganic phosphorus fractions

各無機磷形態中,以Ca-P為主,平均占無機磷總量的65.29%(0～10 cm)和68.62%(10～20 cm),其次是Fe-P和Al-P,分別占無機磷總量的18.45%(0～10 cm)和5.31%(0～10 cm)。3種 Ca-P形態中,以Ca10-P為主,占Ca-P總量的88%,Ca2-P和Ca8-P分別占4.5%和7.5%。

比較不同草地土壤無機磷各形態占無機磷總量的百分比(0～10 cm),紫花苜蓿草地和天然草地土壤Ca2-P、Ca8-P和Al-P所占比重高于其他草地;無芒雀麥草地Ca10-P比重最高,Al-P比重最低;天然草地土壤Fe-P和Ca10-P比重最低。

2.4 土壤無機磷形態、pH值、總有機碳含量與速效磷的關系

土壤速效磷含量與Ca2-P、Ca8-P、Al-P、O-P和Ca10-P含量均呈顯著正相關關系(表3)。除Fe-P外,其他各形態無機磷之間均呈顯著正相關關系(P<0.05)。土壤pH值與速效磷呈顯著正相關關系(P<0.05),與Fe-P呈極顯著的負相關關系(P<0.01),與Ca2-P、Ca8-P、O-P和Ca10-P均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。土壤總有機碳含量與Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量呈極顯著正相關關系,與速效磷含量之間無顯著相關關系(P>0.05)。

表3 速效磷與pH值、總有機碳含量和無機磷組分之間的相關性分析Table 3 Correlation analysis between available phosphorus and pH value,total organic carbon,inorganic phosphorus fractions

3 討論

本試驗結果表明,試驗區土壤磷素供應水平較低,速效磷含量在4 mg/kg以下,嚴重影響著植物的生長[14]。植物可以通過生物固氮作用將大氣中的氮素固定后補充到土壤中,但植物不能補充自身所消耗的磷素[10]。人工草地物種雖然單一,因有灌溉條件,產量高,需要的磷素也多。但因不存在施肥或家畜糞尿的還田,土壤磷素水平存在逐漸下降的趨勢。人工草地土壤的pH值顯著低于天然草地,這有利于提高鹽堿化土壤磷素的有效性。相關分析也表明土壤pH值與速效磷呈顯著正相關關系,與Ca2-P、Ca8-P、O-P和Ca10-P均呈極顯著正相關關系。但是人工草地土壤速效磷含量顯著低于天然草地土壤,原因可能在于所種植的幾種牧草所消耗磷素的能力要強于磷素礦化作用[15]。

本試驗各草地土壤無機磷組分均以Ca-P為主,其順序為Ca10-P>Fe-P>AI-P>Ca8-P>Ca2-P,說明該類型土壤中磷素的生物有效性低[16],這與土壤較低的速效磷含量是一致的。相關分析中,速效磷含量與土壤各形態無機磷均呈顯著正相關關系,說明在磷素較低的石灰性土壤中,各形態無機磷之間相互轉化迅速,它們都是植物所需磷素的重要來源,基本不存在無機磷的實質性固定問題。O-P僅在天然草地和扁穗中檢測出,原因可能在于石灰性土壤風化程度高,閉蓄態磷比重小,檢測比較困難[17]。

人工種草后土壤不同形態無機磷之間的比例發生變化,且這種變化因牧草品種的不同而不同,這可能與不同植物根系生長及根系分泌物不同有關[18]。退耕地種草后,土壤有機碳含量高于耕地[9],本試驗中部分草地有機碳含量接近天然草地水平,但是土壤磷素有效性很難達到天然草地水平。Mohanty等[19]認為土壤有機碳含量與土壤有效磷含量之間有一定的相關性。而本試驗中,土壤總有機碳含量與Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量呈極顯著正相關關系,與速效磷含量之間無顯著相關性。這可能與本試驗較低的有效磷水平有關。

不同植物利用磷素的能力是不同的,這就意味著磷素利用能力較低的植物在低磷土壤中很難取得較高的生物量[20]。而天然草地植物多樣性高,物種間在利用不同形態磷素方面有互補作用,草地產量相對穩定。從這一點上考慮,在退耕還草時建植多年生混播草地可能較為有利。綜合分析認為我國北方農牧交錯帶在選擇退耕還草品種時除考慮牧草產量外,還應考慮品種對低磷土壤的適應性,并加強對新建草地的施肥與生態安全評價[21,22]。

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