苜蓿對旱地土壤有機碳氮變化的驅動作用

楊 洋，王百群，2，3，李玉進

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌7121001；2.西北農林科技大學 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；3.中國科學院 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，可以有效地改善土壤質量［1－3］。在農業生產中，通過苜蓿與作物輪作，改善土壤肥力和提高作物產量［4］。苜蓿的適應性較強，具有持久和較高的生產能力，營養豐富，是優質的牧草。因此，苜蓿在家畜養殖和農業生產中起著重要的作用［5］。

在黃土高原地區，苜蓿分布比較廣泛。自20世紀80年代，由于對糧食生產的重視、農業生產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生了變化［6］。但近年來，隨著退耕還林還草生態環境建設工程的實施、農業產業結構的調整，在一些地區，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，苜蓿生產的可持續性及其對土壤水分條件的影響得到了研究者的關注，提出了促進苜蓿生產穩定發展的技術對策［6－7］。苜蓿對旱地土壤有機碳及氮素變化的影響，也是表征苜蓿對土壤生態環境效應的重要方面［8－11］。本文根據旱地進行長期定位試驗，研究長期生長苜蓿對土壤有機碳庫及全氮變化的驅動作用，揭示苜蓿促進土壤有機碳、氮累積的能力。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

研究區位于陜西省長武縣丁家鄉十里鋪村，所在的區域為黃土高原溝壑區，該區海拔為1 200m，年均降水量為584mm，年內分布不均，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氣候區。該區作物生長所需的水分主要來自天然降水，為典型的旱作雨養農業區。土壤類型為中壤質黑壚土［6］。

1.2 試驗設計

田間定位試驗于1984年布設在十里鋪村的塬面平地中。該定位試驗包括10種作物輪作方式和7種施肥模式，共36個處理，每個處理重復3次，區組隨機排列，共108個小區。小區長10.26m，寬6.5m，面積為666.9m2。本研究選取其中的4個處理作為研究對象，4個處理分別為：（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）。試驗中施用的有機肥為農家肥，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣或三料磷肥。試驗開始前土壤有機碳含量為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個處理試驗小區中，用土鉆隨機多點采集土壤樣品，采樣深度為0—20cm，將多點樣品充分混勻，組成一個混合樣品，除去土壤中殘留的植物根系及植物殘體，將樣品風干備用。

1.4 測定方法

（1）土壤微粒有機質的分離［13］。稱取10g過2 mm篩的風干土樣，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。殘留于篩中的有機物為微粒有機質。將殘留在篩上的殘留物轉入燒杯中，在50℃烘箱中烘干24h。將過篩的土壤懸液放入50℃烘箱中，啟動鼓風進行烘干。烘干后分別稱重，然后磨細，過0.25mm篩。待測定其中的有機碳和全氮含量。

（2）土壤有機碳及微粒有機質中有機碳的測定。應用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱氧化法。

（3）土壤全氮及微粒有機質中全氮的測定。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。采用環刀法，在各小區中測定0—20cm土層土壤容重。

2 結果與分析

2.1 苜蓿對土壤有機碳、全氮的影響

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

表1 長期生長苜蓿對土壤有機碳和全氮的影響

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肥和氮素化肥共同作用的結果。

｀根據長期不施肥與施肥條件下，苜蓿地土壤有機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。為了進一步明確生長苜蓿提高土壤有機碳和全氮的過程與機理，有必要對土壤有機碳庫和氮庫的構成進行解析。

2.2 苜蓿對土壤微粒有機碳、全氮的影響

應用化學分散與物理分離相結合的方法，可以將土壤有機質分為微粒有機質和礦物結合有機質兩個組成部分。微粒有機質是指粒徑＞0.053mm的有機質組分。微粒有機質中的有機碳和全氮分別稱為微粒有機碳和微粒全氮。微粒有機碳主要由一些處于分解或半分解狀態的有機物碎屑構成，這些有機物中的有機碳具有中等的分解速率。礦物結合有機碳具有緩慢的分解速率，是土壤有機碳庫中較為穩定的有機碳組分。微粒有機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［13］，通過微粒有機碳、氮的動態可以表征土壤有機碳和全氮變化特點。

從兩個方面來分析長期生長苜蓿對土壤微粒有機碳、氮和礦物結合有機碳、氮的影響，一方面比較微粒有機質中的有機碳，另一方面比較以原土為基礎的有機碳的含量。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質中有機碳的含量與裸地和小麥連作土壤中的沒有明顯的差異；在施用有機肥及氮、磷化肥條件下，苜蓿地土壤中微粒有機質中有機碳的含量顯著提高。以原土為基礎計算的土壤微粒有機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碳累積。比較礦物結合有機碳的含量（表2），可以看出，裸地土壤與小麥連作土壤中礦物結合有機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合有機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合有機碳的含量顯著提高。由此可見，不施肥條件下，微粒有機碳累積不明顯，而累積的有機碳主要分布在礦物結合有機碳組分中，成為相對穩定的有機碳組分；而在施肥條件下，與裸地土壤相比，苜蓿土壤有機碳庫中微粒有機碳和礦物結合有機碳含量的增量相近，這兩個組分中的有機碳同步增加。

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肥和氮素化肥共同作用定的結果。不施肥條件下，裸地與小麥連作土壤中的礦物結合全氮的含量相近，苜蓿地土壤礦物結合全氮高于小麥連作土壤中的含量。有機肥與氮、磷配施條件下苜蓿地土壤礦物結合全氮的含量顯著地高于不施肥苜蓿地土壤的含量。結果表明，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合全氮組分中，以上即為苜蓿施肥引起土壤氮庫變化的內在特征。生長苜蓿驅動土壤氮素變化的特點與其對土壤有機碳庫變化驅動的特點相似。

表2 長期生長苜蓿對土壤微粒有機碳和礦物結合有機碳的影響

2.3 苜蓿對土壤有機碳固定的影響

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碳、全氮及其構成組分中含量的差異。為了進一步揭示長期生長苜蓿驅動土壤有機碳庫變化的能力，對苜蓿地土壤與裸地及小麥連作土壤中有機碳的固定量和固定率進行比較。從表4可以看出，長期保持裸地導致土壤有機碳損失，不施肥小麥連作土壤有機碳基本能夠維持平衡，不施肥長期生長苜蓿土壤固定有機碳，施肥和連續生長苜蓿條件下，土壤能夠相對快速地固定有機碳，說明了多年生牧草比農作物更能有效地促進土壤固定有機碳。

表3 長期生長苜蓿對土壤微粒有機氮和礦物結合有機氮的影響

表4 長期生長苜蓿對土壤有機碳儲量與固定儲量的影響

3 討論與結論

土壤有機碳、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系。研究表明，當農地轉變為草地后，由于地上及地下植物有機殘體輸入到土壤中，而且與農地不同的是，草地土壤處于免耕狀態，使土壤免受擾動，有助于土壤對有機碳的保護［13］，這些因素就有利于草地土壤中有機碳及氮素的積累［14－15］。草地土壤中有機碳和氮素累積的強度主要取決于草的根系及地上有機殘體向土壤中的輸入量及其在土壤中分解與轉化等因素。在本試驗研究結果中，不施肥條件下，苜蓿地土壤有機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，對土壤有機碳具有保護作用。本研究發現，苜蓿地上部分常被收獲，而且不進行土壤翻耕，地上部有機物殘體很少且不易進入到土壤中，所以，苜蓿地土壤微粒有機碳變化不明顯。進入到土壤中的有機碳主要來源于根系分泌的有機物及死亡的根系，這些有機物在微生物的作用下，其分解和轉化后的產物與細土壤礦物顆粒結合，成為礦物結合有機碳，累積有機碳、氮主要分布在礦物結合的有機碳、氮組分中。在本試驗中，在施用有機肥及氮、磷化肥條件下，苜蓿地土壤增加的有機碳、氮幾乎平均地分布在微粒有機碳、氮和礦物結合的有機碳、氮組分中，說明了進入到土壤的中的有機碳、氮逐步轉為土壤有機碳、氮庫中相對穩定的組分。這表明了在有機肥與化肥配施條件下，苜蓿的生物量提高［11，15］，輸入到土壤中有機物量高于不施條件，土壤中增加的微粒有機碳、全氮及礦物結合有機碳、氮主要來源于施入的有機肥，其次是苜蓿的貢獻，顯示了種植苜蓿與施肥對土壤有機碳、氮庫的驅動作用。在半干旱條件下，保持適度苜蓿生產力，才能使土壤水分環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，促進土壤對有機碳的固定。

［1］ 儲國良，王全洪，丁劍英，等.丘陵地區發展苜蓿生產的前景與效益［J］.江蘇農業科學，1998（6）：58－60.

［2］ 劉東臣，蕭冰，王愛軍.鹽堿地人工草地土壤固氮作用強度的研究［J］.河北農業大學學報，1995，18（3）：43－46.

［3］ 張婉嫻，欒雙.紫花苜蓿培肥土壤及年固氮量的測定［J］.東北農學院學報，1987，18（1）：85－88.

［4］ 彭祥林，李玉山，朱顯謨.關中紅油土地區的輪作制［J］.土壤學報，1961，9（1／2）：42－55.

［5］ 李琪，曹致中.隴東紫花苜蓿現狀調查及分析［J］.草業科學，1992，9（5）：7－11.

［6］ 李玉山.苜蓿生產力動態及其水分生態環境效應［J］.土壤學報，2002，39（3）：404－411.

［7］ 聶慶華，宋桂琴.黃土高原溝壑區人工草地生產力研究［J］.水土保持通報，1993，13（5）：22－27.

［8］ 朱漢，王占升，邢新海，等.苜蓿對土壤生態環境的影響［J］.農村生態環境，1993（3）：20－22.

［9］ 于忠禾，宮玉芝，趙德林.苜蓿改良白漿土效果及農牧結合綜合效益的研究［J］.土壤肥料，1995（3）：8－12.

［10］ 邢新海，田魁樣.河北省黑龍港地區苜蓿發展與水土生態系統分析［J］.農業現代化研究，1992，13（4）：218－221.

［11］ 郝明德，張春霞，王旭剛，等.黃土高原地區施肥對苜蓿生產力的影響［J］.草地學報，2004，12（3）：195－198.

［12］ 黨廷輝，彭琳，楊平，等.從長期定位試驗看渭北旱塬小麥化肥的合理施用［J］.干旱地區農業研究，1993，11（2）：20－26.

［13］ Camberdella C A，Elliott E T.Particulate soil organicmatter changes across a grassland cultivation sequence［J］.Soil Sci.Soc.Am J.，1992，56（3）：777－783.

［14］ Lal R.Soil carbon dynamic in cropland and range land［J］.Environmental Pollution，2002，116（3）：353－362.

［15］ Angers D A.Changes in soil aggregation and organic carbon under corn and alfalfa［J］.Soil Sci.Soc.Am.J.，1992，56（5）：1244－1249.