黃土丘陵區人工草地牧草營養元素累積及土壤有機碳與養分特征

王百群,姜峻,都全勝,曹慶玉

(1.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西楊陵712100;2.西北農林科技大學水土保持研究所,陜西楊陵712100;3.陜西省富縣氣象局,陜西富縣727500)

干旱與土壤侵蝕是黃土高原丘陵溝壑區主要的農業生態環境問題。劇烈的土壤侵蝕導致嚴重的水土流失,引起土壤水分與養分流失及土壤退化,對土地資源與土壤肥力及其生產力產生明顯的影響,另外,泥沙與徑流進入地表水中,對水質產生一定的影響。植被可以有效地防控土壤侵蝕與水土流失,因此,通過植物自然恢復或人工種植植被對減少土壤養分流失具有重要的作用。黃土高原丘陵溝壑區為森林與草原植被帶,適宜多種草本植物生長。在黃土丘陵溝壑區,隨著“退耕還林還草”生態恢復工程的實施,除自然草地外,人工草地也是重要的草地類型,得到了快速發展。人工草地建設對于增加土壤有機質、改善土壤肥力具有一定的驅動作用。許多研究者對不同植被類型對土壤養分的影響進行了一系列研究,明確了植被影響土壤有機質及營養元素的過程,揭示出了在植被恢復過程中,土壤有機碳與養分對植被變化的響應[1-5]。土壤水分條件對植被恢復過程中的植物群落物種構成及植物生產力具有明顯的影響作用,同時植物生長也引起土壤水分及養分的變化,所以,植物群落與土壤水分及養分的相互關系受到了研究者的關注[6]。隨著人們對全球氣候變化關注,土壤-植被系統的固碳能力研究已成為陸地生態系統碳循環研究的重要方面[7-10]。在草地生態系統中,土壤植物營養循環過程受到了許多研究者的重視,草地生態系統養分循環研究已成為土壤生態學研究的重要領域,對于不同管理措施下草地植物主要器官中營養元素的含量變化進行了調查研究,明確了影響植物營養元素的主要因素[11-12]。一些研究者對林草地營養元素循環過程與特征進行大量的研究,取得了重要的進展[13-16]。

在黃土丘陵溝壑區人工種植豆科和禾本科草。廣泛種植的豆科人工草種包括紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、沙打旺(Astragalusadsurgens Pall.)、紅豆草(Onobrychisviciaef olia Scop.)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica Schindl.)等,禾本科有白羊草(Bothriochloa ischaemun L.)、柳枝稷(Panicum virgatum)及無芒雀麥(Bromus inermis Leyss.)等。

紫花苜蓿是分布最廣的栽培牧草,抗逆性強,適應范圍廣,能在多種類型的氣候、土壤環境下生長。沙打旺也稱直立黃芪,為豆科黃芪屬多年生草本植物,是飼草、綠肥作物。紅豆草是豆科紅豆草屬多年生草本植物,為深根型牧草。達烏里胡枝子為草本狀半灌木,是耐旱耐瘠薄土壤的優良牧草。

柳枝稷為多年生叢生型禾草,由于其生物量高,被稱為能源植物。白羊草為禾本科孔穎草屬,多年生疏叢型禾草,須根特別發達,耐踐踏,固土保水能力強。無芒雀麥多分布于山坡、道旁、河岸,是北方地區一種很有栽培價值的禾本科牧草。

本文以黃土高原丘陵溝壑區的安塞川地及山坡的豆科和禾本科草地為對象,研究人工草地的土壤有機碳及土壤養分變化、草地植物營養元素吸收與循環特征,從而揭示人工草地對土壤有機碳及養分變化的驅動作用,為加強草地土壤肥力管理、提高人工草地生產力與品質提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗是在陜西省安塞縣墩灘、中國科學院安塞水土保持綜合試驗站的試驗區內完成的。該站位于陜西省延安市安塞縣境內,位于黃土高原中部,屬典型的梁峁狀丘陵溝壑區。在氣候上處于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區;植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原區,同時又是典型受人類活動影響的水土流失嚴重區。

試驗區地理位置為北緯 36°43′-36°46′,東經109°14′-109°16′,海拔 1 013 ～ 1 309 m 。土壤類型為黃綿土,年平均氣溫9.11℃。從1986年有極溫統計以來,極端最高溫為2005年6月的39.9℃,極端最低溫為1994年1月的-27.0℃。多年平均降水量503.99 mm,降雨變幅從最低的 1997年的大旱年275 mm到1983年的豐水年688.9 mm。年日照時數為2 375.5 h,日照百分率達54%,全年無霜期159 d,干燥度1.46。

1.2 草地試驗小區布設

田間試驗小區分別布設在安塞站長期監測區的山坡地與川地。山地坡面人工草地與灌木小區6個,規格為5 m×20 m,坡向為東北方向,坡度為33°～34°,人工草地種植的牧草行距為40 cm。川地建立人工草地小區8個,規格為7 m×10 m。人工草地種植的牧草行距為30 cm。在本文研究中,選擇了山地與川地的部分試驗小區作為研究對象。選取的山坡地的3個草地小區分別為自然草地、達烏里胡枝子草地和白羊草草地;選取的川地6個小區種植的牧草分別為苜蓿、沙打旺、紅豆草、達烏里胡枝子、柳枝稷和無芒雀麥。

2.3 草地植物生物量的測定及土壤和植物樣品采集

在植物生長季末(11月初),采集所選擇的小區中的土壤和植物樣品。用直徑為9 cm土鉆取樣,取樣深度0-20 cm,在每個小區中,采用S型多點采樣,將多點重復土樣混合后,裝入土樣袋。將土樣帶回室內,去除根土樣中的植物殘體風干,用于土壤測定。在小區中選擇1 m×1 m的樣方,收獲測定牧草地上生物量,并采集植物樣品,用于養分測定。應用土鉆法測定牧草根系生物量,并取根系樣品,用于養分測定。

1.4 土壤有機碳及土壤植物養分元素測定

測定土壤中的有機碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等,測定植物樣品的全氮、全磷和全鉀。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機碳[17];采用開氏法測定土壤全氮,采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定土壤全磷,采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷,采用醋酸銨浸提土壤速效鉀,應用原子發射光譜法測定浸提液中的鉀[17]。植物氮、磷、鉀營養元素的測定,應用硫酸-雙氧水消化植物樣品,應用開氏法定氮,鉬銻抗比色法測定磷,原子發射光譜法測定鉀[18]。

2 結果與分析

2.1 川地人工草地植物養分累積與歸還特征

從表1可以看出,在各個人工草地的當年生長牧草的莖葉、立枯物及凋落物中所累積的營養元素中,氮素累積量最高,其次為鉀,磷的累積量最少。各種牧草當年莖葉中所累積營養元素的量取決于草的種類。苜蓿當年莖葉中所累積的氮磷鉀元素最多,其次為紅豆草、達烏里胡枝子和柳枝稷,氮磷鉀在沙打旺莖葉中累積的最少。各種人工草地凋落物中氮磷鉀元素累積量的順序與莖葉中累積量順序一致。各個草地中,草本植物通過凋落物歸還到土壤中的氮素最多、其次為鉀素,磷的歸還量最少,草本植物對這三種營養元素的歸還量多少與草的種類有關。

從各種草的根系中累積的氮磷鉀元素的累積量可知(表1),根系中累積的氮素最多,其次為鉀,磷的累積量最低。苜蓿和柳枝稷根系中累積的氮磷鉀量較高,其次為紅豆草、達烏里胡枝子和沙打旺。草本植物根系中營養元素累積量也與草的種類及其生長狀況有關。

各類草本植物的地上部氮、磷、鉀3種元素累積量高于根系中的累積量。苜蓿的地上部與根系中氮、磷、鉀元素總的累積量最高,其次為紅豆草、柳枝稷和達烏里胡枝子,沙打旺的地上部與根系中累積的氮、磷、鉀總量最少。

表1 安塞川地人工草地養分吸收累積量及歸還量 kg/hm2

2.2 人工牧草對草地土壤有機碳累積的效應

植物通過光合作用固定大氣中的CO2,合成含碳有機物,存儲植物體中,作為植物生長所需的物質,這些有機物成為植物體構成的物質基礎。植物殘體及地下根系歸還到土壤中,成為土壤中有機碳的來源。這些有機物通過分解轉化,轉變為土壤有機碳庫的組成部分。地表植被對土壤有機碳的累積及有機碳庫的構成具有重要的驅動作用。由表2可以看出,與川地中的裸地土壤有機碳相比,種植和生長人工牧草后,促進了土壤有機碳含量提高、有機碳儲量與有機碳固定量的增加,其中苜蓿顯著地促進土壤有機碳的含量增加,達烏里胡枝子促進土壤有機含量提高的作用次之、柳枝稷和無芒雀麥提高土壤有機碳含量的能力較弱,沙打旺對土壤有機碳含量提高的作用最小。因此,苜蓿草地土壤0-20 cm土層有機碳儲量最高,達烏里胡枝子、柳枝稷及無芒雀麥草地的有機碳儲量次之,而沙打旺草地土壤有機碳的儲量最低(表2)。從表2中可以出,苜蓿地土壤有機碳的固定量最高,固定量為4 239.7 kg/hm2,約為達烏里胡枝子草地土壤固定量的2倍,約為柳枝稷和無芒雀麥草地土壤固碳量的2.8倍。從表3中可以看出,在山坡草地中,與山坡裸地相比,在生長草本植物條件下,土壤有機碳庫中有機碳的量呈現增加的趨勢。在3種類型草地中,山坡白羊草草地土壤有機碳含量最高,自然草地與達烏里胡枝子草地的土壤有機碳的含量次之,且二者的含量相近。白羊草草地土壤0-20 cm土層中的有機碳儲量高于自然草地和達烏里胡枝子草地的儲量(表3)。白羊草草地土壤有機碳固定量為4 769.5 kg/hm2,為自然草地和達烏里胡枝子草地土壤固定量的1.9倍(表3)。由此也表明了草本植被可以有效地促進土壤有機碳庫中有機碳的進一步累積。

表2 安塞川地草地土壤有機碳儲量與固定量(0-20 cm土層)

從以上的結果可知,土壤有機碳庫變化對草的種類具有明顯的響應,植物促進土壤碳庫中有機碳累積的能力取植物種類及其生長狀況。在川地種植苜蓿有利于土壤有機碳的累積,而在山坡地生長白羊草有助于土壤碳庫中有機碳的增加。

表3 安塞山坡草地土壤有機碳儲量與固定量(0-20 cm)

2.3 人工草地對土壤養分的效應

川地種植豆科及禾本科草對土壤養分產生一定的影響。表4的結果表明,在川地中生長人工草后,土壤全氮含量提高。苜蓿地土壤全氮含量最高,是裸地全氮含量的1.4倍,紅豆草草地土壤全氮的含量次之,為裸地土壤全氮的1.2倍,沙打旺草地、達烏里胡枝子草及柳枝稷草等3類草地土壤全氮含量相近,且低于紅豆草草地土壤全氮含量,僅為裸地土壤全氮的1.06～1.14倍。生長草本植物后,各個草地土壤全磷與裸地土壤全磷含量接近,表明了種植人工草后,對土壤全磷的效應不明顯。種植人工草后,與裸地土壤相比,人工草地土壤堿解氮、速效磷及速效鉀含量明顯提高,說明了由于生長植物后,根植物根系分泌的有機酸等物質,促進了土壤養分的有效化,從而提高土壤氮、磷、鉀養分的有效性。

在山坡草地中(表4),與山坡祼地比較,生長草本植物后,土壤全氮增加。草地土壤全氮含量為裸地土壤全氮的1.2～1.5倍。生長人工牧草后的土壤全磷含量與裸地土壤接近,表明了山坡地生長人工草后,不能增加土壤全磷的含量,這與川地生長人工牧草后對土壤全磷的效應一致。山坡草地土壤堿解氮與速效鉀的含量高于裸地土壤的含量,分別為裸地的2.3～2.6倍和1.4～1.6倍,而山坡草地土壤的速效磷則略高于祼地的含量,說明了生長人工草明顯的促進山坡草地有效氮與速效鉀的增加,而對土壤速效磷變化的貢獻較小。

比較川地與山坡草地土壤全量養分與速效養分(表4),可以看出,在不施肥的條件下,山坡草地土壤養分含量低于川地的含量。這可能主要是由于山坡地易于發生土壤侵蝕,導致表層土壤養分流失,而且也引起歸還到地表的植物凋落物隨徑流而移出坡面;而川地草地土壤沒養分流失,植物凋落物歸還保留在草地。

3 討 論

氮、磷、鉀是植物所必需的大量營養元素。氮、磷是植物中有機化合物的重要成分,參與植物的生理活動和代射過程。鉀素對于調節植物細胞滲透壓和氣孔開放具有直接的作用,同時,鉀也是植物細胞內多種酶的活化劑,在植物碳水化合物代謝、蛋白質代謝及呼吸作用中起作用。這三種元素與植物生理代謝和生長發育具有密切的關系。植物體中,不同元素含量的差別取決于植物對其的生理需求、選擇性吸收、土壤營養元素的供應能力等因素。已有研究表明,植物體中氮、磷、鉀含量的順序為氮＞鉀＞磷[11-12]。植物體中營養元素累積量與植物生物量及其營養元素的含量有關。在本項研究中,這些牧草地上部和根系中營養元素累積量的順序為氮＞鉀＞磷,這與以前的研究結果相一致。由于這幾種牧草生物量具有一定的差別,因而,這些牧草的氮、磷和鉀累積量不同。牧草中氮的含量是衡量牧草品質的重要指標之一[19-20],與其他牧草相比,苜蓿地上氮素累積量最多(表1),因此,苜蓿是良好的牧草。另外,牧草對于土壤中元素的生物地球化學循環具有一定的影響作用。

在陸地生態系統有機碳循環中,土壤是重要有機碳庫,植被對土壤有機碳庫變化具有明顯的驅動作用。在牧草地中,由于牧草根系及其分泌和地上部有機殘體歸還到土壤,因此,種植牧草是引起土壤有碳變化的主要因素。不同種類牧草歸還到土壤中有機物的數量與質量具有差異性,所以,對土壤有機碳累積的效應不同。本研究結果顯示,不同種類牧草土壤有機碳庫影響作用明顯不同,其他研究也表明了土壤有機碳變化程度與植被類型具有密切的關系[21]。種植牧草有助于將大氣中的二氧化碳固定在土壤中,從而豐富土壤碳庫,促進牧草地土壤成為有機碳的匯。

表4 安塞川地草地土壤養分

表5 安塞山坡草地土壤養分

種植豆科和禾本科牧草后,豆科牧草具有固氮作用,牧草根系及地上凋落物進入土壤中,促進表層土壤氮素養分含量的增加。牧草從土壤中吸收磷素,但是其吸收累積量遠小于氮素的量,雖然牧草凋落物歸還到土壤中,但對表層土壤全磷的影響不明顯。另外,牧草根系分泌有機物,促進土壤中微生物活動,從而使土壤中氮磷鉀養分的有效性提高。

除植被因素外,土壤所處的地貌條件對土壤有機碳和養分含量具有一定的影響。在本研究中,山坡草地土壤經常受到侵蝕的影響,牧草生長易受水分脅迫,生物量較小,因此,相對于川地土壤,山坡草地土壤有機碳累積和養分增加緩慢。

在黃土丘陵溝壑區,種植牧草后,雖然土壤有效養分得到一定的提高,但是磷素有效性相對較低[2],限制牧草生長。在這一區域,根據土壤水分環境條件,進行人工草地施肥,特別是施用磷肥,有望提高該區人工草地牧草的產量與品質和促進穩定人工草地建設與可持續發展[22]。

4 結論

(1)苜蓿、沙打旺、紅豆草、達烏里胡枝子和柳技稷等5種牧草當年生長的莖葉、立枯物、凋落物及人工草本根系中所累積的營養元素中,氮素累積量最高,其次為鉀,磷的累積量最少;牧草通過凋落物歸還到土壤中的氮素最多、其次為鉀素,磷的歸還量最少;草的地上部氮、磷、鉀3種元素累積量高于根系。苜蓿的地上部和根系中氮、磷、鉀總的累積量最高,其次為紅豆草、柳枝稷和達烏里胡枝子,沙打旺的地上部與根系中累積的氮、磷、鉀總量最少。

(2)在川地與山坡地人工種植草后,土壤有機碳含量與有機碳儲量及有機碳固定量增加,川地人工草地土壤有機碳含量與儲量高于山坡草地土壤,而川地人工草地土壤有機碳固定量低于山坡地土壤的固定量。

(3)川地與山坡地生長牧草后,使土壤全氮的含量明顯地增加。川地人工草地土壤全氮含量高于山坡地的含量,川地苜蓿對土壤全氮增加的作用明顯,山坡地白羊草對土壤全氮的提高具有明顯的效果。種植牧草對于促進川地與山坡地土壤全磷的增加作用較小。川地種植牧草后,顯著地提高土壤氮磷鉀的有效性;山坡地生長人工草后,明顯地提高土壤氮與鉀的有效性,而對磷的有效性影響甚微。川地人工草地土壤養分含量高于山坡地的含量。

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