綠洲灌溉區(qū)與旱作區(qū)多齡苜蓿地土壤有機(jī)碳、氮及物理特性分析

崔 星，師尚禮

(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)

綠洲灌溉區(qū)與旱作區(qū)多齡苜蓿地土壤有機(jī)碳、氮及物理特性分析

崔 星，師尚禮

(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)

以甘肅灌區(qū)和旱作區(qū)苜蓿(Medicagosativa)地土壤為研究對象，對不同地域的苜蓿地土壤全氮(TSN)、有機(jī)碳(SOC)、容重、含水量進(jìn)行測定，結(jié)果表明：灌區(qū)SOC含量均高于旱作區(qū)，在90～100 cm土層其含量與旱作區(qū)差值最大，達(dá)3.41 g/kg。在0～100 cm灌區(qū)SOC含量為6.81～12.49 g/kg，均值為9.25 g/kg，比旱作區(qū)高22%。旱作區(qū)TSN含量隨土壤深度的增加而減小，含量在(1.03±0.01)～(0.44±0.04) g/kg。在0～30 cm灌區(qū)TSN含量相對較穩(wěn)定，差異不顯著(P>0.05)，在30～60 cm剖面全氮含量急劇下降，70～100 cm含量變化較為穩(wěn)定，TSN含量維持在(0.66±0.01)g/kg。 旱作苜蓿地土壤含水量在0～60 cm變化不顯著(P<0.05)，0～100 cm土壤含水量均值為(14.437±1.124)%,灌區(qū)苜蓿地土壤含水量均值為(16.025±2.029)%。隨著土壤深度的增加，旱作區(qū)和灌區(qū)苜蓿地土壤容重均呈現(xiàn)依次增大的分布規(guī)律，旱作區(qū)最大值為(1.421±0.034)g/cm，比最小值高出17.5%，灌區(qū)最大值(1.332±0.017)g/cm，比最小值高出11.3%.

苜蓿地土壤；全氮；有機(jī)碳；灌區(qū)；旱作區(qū)

土壤碳、氮是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，也是表征土壤質(zhì)量的重要化學(xué)指標(biāo)[2]，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[3]。沈禹穎、趙鴻、蘇永中、王俊、陳芳[4-8]等，在苜蓿地土壤研究中系統(tǒng)闡述了不同土地利用方式、不同的灌溉水平下土壤化學(xué)組分的分布規(guī)律，這些研究表明土壤碳推動了氮的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，而且碳也成為氮元素最重要的“庫”和“源”，碳、氮是評價(jià)土壤肥力的重要化學(xué)指標(biāo)。

苜蓿地土壤碳研究多集中在0～30 cm的表層土壤,并指出表層土壤具有顯著的碳匯效應(yīng)[9-12]，而對30 cm以下的研究較少。選取甘肅地理和氣候差異明顯的旱作區(qū)與灌區(qū)苜蓿地土壤為研究材料，以土壤主要的化學(xué)和物理指標(biāo)為對象，對比旱作和灌區(qū)苜蓿地土壤的差異，評價(jià)不同氣候和地域條件下苜蓿地土壤質(zhì)量的差異，為評價(jià)甘肅土壤質(zhì)量，同時(shí)也為旱作與灌區(qū)耕作的土地利用及調(diào)控管理提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地自然概況

試驗(yàn)地分別位于張掖市甘州區(qū)堿灘鄉(xiāng)和白銀市會寧縣新莊鄉(xiāng)，2個試驗(yàn)地分別代表了典型的灌區(qū)農(nóng)業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)。堿灘鄉(xiāng)地處甘肅西部，祁連山區(qū)北部，黑河上游中上部，海拔1 108 m，年平均降水量118 mm，年蒸發(fā)量2 002 mm，年平均氣溫6～7 ℃，≥10 ℃年積溫2 984 ℃，地下水源極為豐富，屬溫帶大陸性氣候；新莊鄉(xiāng)地處西北黃土高原和青藏高原交接地帶，海拔1 997 m，年平均降水量340 mm，年蒸發(fā)量1 899 mm，年平均氣溫7～9 ℃，≥10 ℃年積溫3 111 ℃，干旱少雨，氣候干燥，屬溫帶季風(fēng)性氣候。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 選擇連作5年苜蓿地土壤為研究對象。2011 年10月取張掖地區(qū)、白銀地區(qū)為采樣點(diǎn)，在每一地區(qū)分別選擇苜蓿地采集土樣，在樣地上隨機(jī)選5個樣點(diǎn)，按照0～10,10～20,20～30,30～40,40～50,50～60,60～70,70～80,80～90,90～100 cm共10層分層采集土樣,并將5個樣點(diǎn)相同土層的土樣等比例混合，除去殘根和石塊，用四分法取土500 g分層裝塑封袋密封，帶回實(shí)驗(yàn)室稱重，過40目篩后裝袋待測。

1.2.2 試驗(yàn)方法 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤氮采用凱氏定氮法；土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測定。

采用SPSS 16.0軟件包中的Regression回歸分析法、Compare Means均值比較法和EXCEL軟件對測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用SPSS、EXCEL軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化指標(biāo)分析

2.1.1 苜蓿地土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律 灌區(qū)、旱作區(qū)連作苜蓿地土壤有機(jī)碳含量隨土層加深變化規(guī)律不同(表1)，土壤有機(jī)碳含量均隨土壤深度的增加而降低，這與前人研究結(jié)果一致[21,22]。灌區(qū)SOC含量均高于旱作區(qū)，但不同深度SOC的提高幅度不同。在90～100 cm土層，灌區(qū)與旱作區(qū)SOC含量差值最大，達(dá)到3.41 g/kg，其次是30～40 cm土層，為2.69 g/kg。旱作區(qū)0～100 cm土層SOC含量在3.40～10.29 g/kg，均值為7.56 g/kg，灌區(qū)0～100 cm土層SOC含量在6.81～12.49 g/kg，均值為9.25 g/kg，比旱作區(qū)高22%。旱作區(qū)SOC呈現(xiàn)連續(xù)下降狀態(tài)，灌區(qū)SOC含量在0～60 cm土層變化明顯，60～70與70～80 cm的差異顯著(P<0.05)。0～60 cm、80～100 cm土壤，灌區(qū)和旱作區(qū)同層土壤SOC差異顯著(P<0.05)，60～80 cm同層差異不顯著(P>0.05)。

表1 不同地域和不同土層苜蓿地土壤有機(jī)碳含量Table1 SOC in different regions g/kg

注：同列不同小寫字母和同行不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

試驗(yàn)結(jié)果表明，灌區(qū)各土層SOC含量最高，剖面上部均存在一定厚度的土壤有機(jī)碳富集層(0～30 cm)，中部 (30～60 cm) SOC含量迅速下降，灌區(qū)下部(70～100 cm)SOC含量穩(wěn)定，不同土層間的SOC含量差異不顯著(P>0.05)，旱作區(qū)下部(70～100 cm)SOC的含量繼續(xù)迅速下降，且土層之間SOC含量差異顯著(P<0.05)。

2.1.2 苜蓿地土壤全氮的分布規(guī)律 2種氣候區(qū)的苜蓿地土壤TSN含量在0～100 cm剖面上的變化規(guī)律不同(表2)。旱作區(qū)TSN含量隨土壤深度的增加而減小，其含量為1.03～0.44 g/kg，均值為(0.74±0.02) g/kg，其變化幅度較大，并且在60～80 cm土層下降最快。在灌區(qū)，0～30 cm土層TSN含量相對較穩(wěn)定，差異不顯著(P>0.05)，TSN含量在30～60 cm剖面呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，在70～100 cm較為穩(wěn)定。灌區(qū)TSN含量在每層土壤含量均高于旱作區(qū)，且在0～100 cm土層全氮均值，灌區(qū)比旱作區(qū)高16%。2種氣候區(qū)，全氮含量差異性表現(xiàn)不同，在0～50 cm、80～100 cm差異不顯著(P>0.05)，60～80 cm差異顯著(P<0.05)。灌區(qū)和旱作區(qū)域苜蓿地土壤TSN含量峰值均出現(xiàn)在0～30 cm，且此范圍為全氮的富含層。

表2 不同地域和不同土層苜蓿地土壤全氮含量Table2 Changes of soil total N in different regions g/kg

2.2 物理指標(biāo)分析

2.2.1 灌區(qū)和旱作區(qū)苜蓿地土壤容重變化特征 隨著土壤深度的增加，旱作區(qū)和灌區(qū)苜蓿土壤容重均呈現(xiàn)依次增大的分布規(guī)律，旱作區(qū)最大值為1.421±0.034，比最小值高出17.5%，灌區(qū)最大值為1.332±0.017，比最小值高出11.3%(表1)，并且在0～100 cm旱區(qū)苜蓿土壤容重值均高于灌區(qū)苜蓿土壤，這說明旱區(qū)苜蓿土壤密度大，土壤緊實(shí)，不利于土壤氣體和液體的交換，阻礙土壤物質(zhì)流動。灌區(qū)和旱區(qū)土壤容重在0～100 cm土層分布規(guī)律相似，并且旱區(qū)苜蓿土壤容重在0～100 cm土層差異顯著(P<0.05)，灌區(qū)苜蓿在40～100 cm土層差異不顯著(P>0.05)。

表3 灌區(qū)與旱作區(qū)土壤容重Table3 Soil bulk in irrigation region and dry farimg land g/cm

2.2.2 灌區(qū)與旱區(qū)苜蓿地土壤含水量變化特征 旱作苜蓿地土壤水分在80～100 cm土層下降到較低的值(9.499±0.24),土壤含水量在20～40 cm土層達(dá)到最大值(16.764±1.079)，比最底層含水量高出76%，在0～60 cm土層變化不顯著(P<0.05),0～100 cm土壤含水量均值為14.437±1.124,灌區(qū)土壤含水量均值為16.025±2.029(表4)。旱作區(qū)在0～60 cm土層含水量最高，隨土層垂直深度的增加，含水量發(fā)生先增加后降低的變化，并且在0～60 cm土層含水量差異不顯著(P>0.05)。灌區(qū)土壤含水量呈現(xiàn)先增加后降低，最后再增加的一個變化過程。在0～60 cm土層土壤含水量依次增大，最大值達(dá)到16.871±0.319，在60～80 cm急劇下降，含水量下降到13.343±1.09，下降了22.9%，在80～100 cm土層含水量上升到16.811±1.021，表明灌區(qū)苜蓿地土壤，0～60 cm土層水分含量高,60～80 cm土層含水量下降到較低值,80～100 cm土層土壤水分恢復(fù)。

表4 灌區(qū)與旱作區(qū)土壤含水量Table4 Soil moisture n irrigation region and dry farimg land %

3 討論與結(jié)論

通過對甘肅綠洲灌溉區(qū)和旱作農(nóng)業(yè)區(qū)苜蓿土壤碳氮的研究得出，區(qū)內(nèi)的苜蓿土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著土壤灌溉水平的差異呈現(xiàn)明顯的變化。苜蓿土壤全氮和有機(jī)碳含量與土壤所處灌溉水平有直接關(guān)系，水分和地表植物影響了有機(jī)質(zhì)和氮素的累積及分布規(guī)律。文啟孝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在濕潤地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)累積相對較快，土壤全氮含量在剖面上的分布規(guī)律與土壤植物殘?bào)w在土層中的分布關(guān)系密切，土壤全氮來自土壤腐殖物分解所形成的有機(jī)質(zhì)，植物腐殖物隨深度增加而減少。在灌區(qū)和旱作區(qū)，苜蓿土壤有機(jī)碳的變化趨勢與全氮的變化相同。原因?yàn)橥寥赖貎Υ嬗谕寥烙袡C(jī)質(zhì)中，相同的土壤處理，如：氮肥施用、耕作方式及農(nóng)田管理措施都會影響土壤有機(jī)碳的變化，也必然引起土壤氮的變化，這與上述的研究結(jié)果一致，同時(shí)也能夠很好的揭示碳氮之間的“庫”“源”關(guān)系。在垂直分布上，碳氮富含層主要集中在0～30 cm土層，原因在于苜蓿根系也主要分布在0～30 cm土層，較多的根系腐殖物促進(jìn)氮和有機(jī)碳的積累，又由于灌溉水平的差異，水分加速了碳氮的積累與轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出灌溉區(qū)碳氮含量均高于旱作區(qū)的分布。土壤全氮的大小反映了土壤供氮水平，而影響土壤全氮含量的因素也是多方面的，苜蓿作為典型的固氮植物，它在生長發(fā)育過程中對于土壤氮素有明顯的促進(jìn)作用，雖然生物固氮的根瘤并不直接向土壤釋放氮素，但是它脫落的根瘤遺留在土壤中，能增加土壤氮素，生物固氮的植物地下生物量較普通植物大，其較大的地下生物量在土壤能培肥土壤，重要的表現(xiàn)就是氮素的升高，顯然豆科作物的根瘤是土壤氮素較高的主要原因。不管是在旱作區(qū)還是灌區(qū),不同作物之間的耕作制度改變會顯著影響土壤有機(jī)碳和全氮的含量變化。

土壤含水量也是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要物理指標(biāo)，其大小通常能反映土壤透水性、通氣性和根系伸展時(shí)的阻力狀況[14-24]。通過比較灌區(qū)與旱作區(qū)苜蓿土壤水分變化發(fā)現(xiàn)，2個區(qū)域的連作苜蓿土壤在熟土層保水性都較好，并且兩者含水量差異不顯著(P>0.05)，說明0～30 cm土層苜蓿地土壤并沒有因?yàn)榈乩砗蜌夂虻牟町惗鹣鄳?yīng)的變化，原因在于苜蓿根系在此范圍較密集，密集的根系很好的保持了水土，使得兩區(qū)含水量差異不顯著，但是在旱作區(qū)，深層苜蓿地土壤含水量非常少，這從側(cè)面說明連作苜蓿具有較強(qiáng)的抗旱性，能在水分缺乏的地區(qū)仍然保持0～30 cm土層有較高的含水量，但多齡苜蓿是否對深層土壤水分造成虧缺還有待于進(jìn)一步研究。

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中國草學(xué)會關(guān)于開展第二屆中國草業(yè)科技獎申報(bào)、推薦工作的通知

“中國草業(yè)科技獎”于2010年3月由中華人民共和國科技部國家獎勵工作辦公室審批通過，并頒發(fā)登記證書，是已在中華人民共和國民政部備案成立的社會力量設(shè)立獎項(xiàng)，是草業(yè)界的最高學(xué)術(shù)獎勵，也是學(xué)會承接政府轉(zhuǎn)移職能的一個重要體現(xiàn)。草業(yè)科技獎每兩年評選一次，評選內(nèi)容涉及草業(yè)領(lǐng)域的新產(chǎn)品、新技術(shù)和新理論等。第一屆草業(yè)科技獎(2012至2013年度)已圓滿完成授獎，得到各位老師、專家學(xué)者的充分肯定，反響很好，同時(shí)我們也在不斷地完善草業(yè)科技獎獎勵辦法。為進(jìn)一步調(diào)動廣大草業(yè)科技工作者的積極性，促進(jìn)草業(yè)科技創(chuàng)新，推進(jìn)現(xiàn)代草業(yè)建設(shè)，經(jīng)研究決定，現(xiàn)將啟動第二屆草業(yè)科技獎(2014至2015年度)的評選工作，具體評選辦法將另行通知或登錄中國草學(xué)會網(wǎng)站查詢(http://www.chinagrass.org.cn)。我們將秉承公平公正、認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度對申報(bào)項(xiàng)目進(jìn)行評選，歡迎各位草業(yè)科技工作者積極申報(bào)。

中國草學(xué)會

2014年10月22日

Analysis of the organic carbon,total nitrogen and physical property in the soil of alfalfa land in oasis irrigating region and dry farming regions

CUI Xing,SHI Shang-li

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

The soil of alfalfa land in the irrigating and dry farimg regions was sampled and the soil organic carbon (SOC),soil total nitrogen (STN),soil bulk (SB) and soil moisture (SM) were measured.The resulted showed that the SOC in the irrigating regions (IR) were higher than that in the dry farming regions (DFR),there was a biggest difference (3.41 g/kg)in l depth from 90 to 100 cm between IR and DFR.The value of SOC in depth from 0 to 100 cm in IR was 6.81～12.49 g/kg,the mean was 9.25 g/kg,which was higher than that in DFR.The content of STN was decreased with increasing of the soil depth,the scale of STN content in the soil was from 0.44±0.04 g/kg to 1.03±0.01 g/kg.The content of STN in depth from 0 to 30 cm was relative stability,which no significant difference (P>0.05).The content of STN was decreased from 30 to 60 cm,however,the value of TSN (0.66±0.01 g/kg) was kept stability from 70 to 100 cm.There was no significant difference in the conten of SM from 0 to 60 cm in the soil of DFR(P<0.05).The mean value of the soil from 0 to 100 cm was 14.437 ± 1.124. The mean vaue of the soil in the alfalfa land in IR was 16.025±2.029.With increasing of soil depth,the SB in IR and DFR was increasesd the maximum value in DRF was 1.421±0.034,which was 17.5% higher than the minimum value in the soil.The maximum value in IR was 1.332±0.017,which was 11.3% higher than the minimum value in the soil.

alfalfa soil;nitrogen;organic carbon;irrigation;arid area

2014-05-09；

2014-09-03

國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)( CARS-35)資助

崔星(1982-)，男，甘肅臨夏人，博士研究生。 E-mail：59097942@qq.com 師尚禮為通訊作者。

S 541；S 15

A

1009-5500(2015)01-0068-05