綠洲灌溉區與旱作區多齡苜蓿地土壤有機碳、氮及物理特性分析

崔 星，師尚禮

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅 蘭州 730070)

綠洲灌溉區與旱作區多齡苜蓿地土壤有機碳、氮及物理特性分析

崔 星，師尚禮

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅 蘭州 730070)

以甘肅灌區和旱作區苜蓿(Medicagosativa)地土壤為研究對象，對不同地域的苜蓿地土壤全氮(TSN)、有機碳(SOC)、容重、含水量進行測定，結果表明：灌區SOC含量均高于旱作區，在90～100 cm土層其含量與旱作區差值最大，達3.41 g/kg。在0～100 cm灌區SOC含量為6.81～12.49 g/kg，均值為9.25 g/kg，比旱作區高22%。旱作區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TSN含量相對較穩定，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，旱作區和灌區苜蓿地土壤容重均呈現依次增大的分布規律，旱作區最大值為(1.421±0.034)g/cm，比最小值高出17.5%，灌區最大值(1.332±0.017)g/cm，比最小值高出11.3%.

苜蓿地土壤；全氮；有機碳；灌區；旱作區

土壤碳、氮是土壤肥力的物質基礎[1]，也是表征土壤質量的重要化學指標[2]，苜蓿在促進土壤有機質積累和培肥土壤方面具有很強的能力[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闡述了不同土地利用方式、不同的灌溉水平下土壤化學組分的分布規律，這些研究表明土壤碳推動了氮的循環和轉化，而且碳也成為氮元素最重要的“庫”和“源”，碳、氮是評價土壤肥力的重要化學指標。

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[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與灌區苜蓿地土壤為研究材料，以土壤主要的化學和物理指標為對象，對比旱作和灌區苜蓿地土壤的差異，評價不同氣候和地域條件下苜蓿地土壤質量的差異，為評價甘肅土壤質量，同時也為旱作與灌區耕作的土地利用及調控管理提供理論依據與數據支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地分別位于張掖市甘州區堿灘鄉和白銀市會寧縣新莊鄉，2個試驗地分別代表了典型的灌區農業和旱作農業。堿灘鄉地處甘肅西部，祁連山區北部，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、白銀地區為采樣點，在每一地區分別選擇苜蓿地采集土樣，在樣地上隨機選5個樣點，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，帶回實驗室稱重，過40目篩后裝袋待測。

1.2.2 試驗方法 土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤氮采用凱氏定氮法；土壤容重采用環刀法進行測定。

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軟件對測定結果進行統計分析，用SPSS、EXCEL軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 理化指標分析

2.1.1 苜蓿地土壤有機碳的分布規律 灌區、旱作區連作苜蓿地土壤有機碳含量隨土層加深變化規律不同(表1)，土壤有機碳含量均隨土壤深度的增加而降低，這與前人研究結果一致[21,22]。灌區SOC含量均高于旱作區，但不同深度SOC的提高幅度不同。在90～100 cm土層，灌區與旱作區SOC含量差值最大，達到3.41 g/kg，其次是30～40 cm土層，為2.69 g/kg。旱作區0～100 cm土層SOC含量在3.40～10.29 g/kg，均值為7.56 g/kg，灌區0～100 cm土層SOC含量在6.81～12.49 g/kg，均值為9.25 g/kg，比旱作區高22%。旱作區SOC呈現連續下降狀態，灌區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，灌區和旱作區同層土壤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

試驗結果表明，灌區各土層SOC含量最高，剖面上部均存在一定厚度的土壤有機碳富集層(0～30 cm)，中部 (30～60 cm) SOC含量迅速下降，灌區下部(70～100 cm)SOC含量穩定，不同土層間的SOC含量差異不顯著(P>0.05)，旱作區下部(70～100 cm)SOC的含量繼續迅速下降，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律 2種氣候區的苜蓿地土壤TSN含量在0～100 cm剖面上的變化規律不同(表2)。旱作區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，0～30 cm土層TSN含量相對較穩定，差異不顯著(P>0.05)，TSN含量在30～60 cm剖面呈現急劇下降的趨勢，在70～100 cm較為穩定。灌區TSN含量在每層土壤含量均高于旱作區，且在0～100 cm土層全氮均值，灌區比旱作區高16%。2種氣候區，全氮含量差異性表現不同，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)。灌區和旱作區域苜蓿地土壤TSN含量峰值均出現在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 物理指標分析

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

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

2.2.2 灌區與旱區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,灌區土壤含水量均值為16.025±2.029(表4)。旱作區在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)。灌區土壤含水量呈現先增加后降低，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。

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

3 討論與結論

通過對甘肅綠洲灌溉區和旱作農業區苜蓿土壤碳氮的研究得出，區內的苜蓿土壤有機碳和全氮含量隨著土壤灌溉水平的差異呈現明顯的變化。苜蓿土壤全氮和有機碳含量與土壤所處灌溉水平有直接關系，水分和地表植物影響了有機質和氮素的累積及分布規律。文啟孝等[13]研究發現，在濕潤地區土壤有機質累積相對較快，土壤全氮含量在剖面上的分布規律與土壤植物殘體在土層中的分布關系密切，土壤全氮來自土壤腐殖物分解所形成的有機質，植物腐殖物隨深度增加而減少。在灌區和旱作區，苜蓿土壤有機碳的變化趨勢與全氮的變化相同。原因為土壤氮素儲存于土壤有機質中，相同的土壤處理，如：氮肥施用、耕作方式及農田管理措施都會影響土壤有機碳的變化，也必然引起土壤氮的變化，這與上述的研究結果一致，同時也能夠很好的揭示碳氮之間的“庫”“源”關系。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氮和有機碳的積累，又由于灌溉水平的差異，水分加速了碳氮的積累與轉化，呈現出灌溉區碳氮含量均高于旱作區的分布。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，它在生長發育過程中對于土壤氮素有明顯的促進作用，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。不管是在旱作區還是灌區,不同作物之間的耕作制度改變會顯著影響土壤有機碳和全氮的含量變化。

土壤含水量也是評價土壤質量的重要物理指標，其大小通常能反映土壤透水性、通氣性和根系伸展時的阻力狀況[14-24]。通過比較灌區與旱作區苜蓿土壤水分變化發現，2個區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為地理和氣候的差異而引起相應的變化，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，使得兩區含水量差異不顯著，但是在旱作區，深層苜蓿地土壤含水量非常少，這從側面說明連作苜蓿具有較強的抗旱性，能在水分缺乏的地區仍然保持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一步研究。

[1] 黨亞愛.黃土高原南北主要類型土壤有機碳氮庫分布特征研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2008:25-27.

[2] 魏復盛.土壤元素近代分析方法[M].北京:中國環境科學出版社,1992:187-197.

[3] 石輝.轉移矩陣法評價土壤團聚體的穩定性[J].水土保持通報,2006,26(3):91-95.

[4] 沈禹穎.苜蓿后茬冬小麥對氮素的響應及土壤氮素動態研究[J].草業學報,2005,14(4):82-88.

[5] 趙鴻，李鳳民，能友才，等.土壤干旱對作物生長過程和產量影響的研究進展[J].干旱氣象,2008,26(3):67-71.

[6] 蘇永中.黑河中游邊緣綠洲農田退耕還草的土壤碳、氮固存效應[J].環境科學,2006,27(7):1312-1317.

[7] 王俊.半干旱黃土區苜蓿草地輪作農田土壤氮、磷和有機質變化[J].應用生態學報,2005,16(3):439-444.

[8] 陳芳.甘肅省土壤有機碳儲量及空間分布[J].干旱區資源與環境,2009,23(11):176-181.

[9] 鄒亞麗.溫度和濕度對紫花苜蓿土壤氮礦化的影響[J].草業學報,2010,19(4):101-107.

[10] 王曉凌.苜蓿草地與苜蓿-作物輪作系統土壤微生物量與土壤輕組碳氮研究[J].水土保持學報,2006,20(4):132-142.

[11] 楊萬禎，韋香，連兵,等.石羊河流域不同土地利用方式的土壤肥力特征[J].甘肅農業大學學報，2011,46(4):112-117.

[12] 張春霞.黃土高原溝壑區苜蓿地土壤碳、氮、磷組分的變化[J].草地學報,2005,13(1):66-70.

[13] 文啟孝,程勵勵,陳碧云.我國土壤中的固定態銨[J].土壤學報,2000,37(2):145-156.

[14] 馬效國.不同土地利用方式對苜蓿茬地土壤微生物生物量碳、氮的影響[J].草業科學,2005,22(10):12-17.

[15] 李兆麗.紅豆草與紫花苜蓿的培肥效果研究[J].草業科學,2008,25(7):65-68.

[16] 黨亞愛.黃土高原南北主要類型土壤有機碳氮庫分布特征研究[D].楊凌：西北農林科技大學,2008:28-29.

[17] 孫文義.天然次生林與人工林對黃土丘陵溝壑區深層土壤有機碳氮的影響[J].生態學報,2010,30(10):2611-2620.

[18] Amato,M.and Ladd J N.Decomposition of 14C:-labelled glucose and legume material inproperties influencing the accumulation of organic residue C and microbial biomass C[J].Soil Biochem,1992(24):455-464.

[19] Paul E A,Clark F E.Soil microbiology and biochemistry[M].New York：Academic Press Inc，1989:1-31,91-130.

[20] Post W M,Emanuel W R,Zinke P J,etal.Soil carbon pools and world life zones [J].Nature,1982,298(8):156-159.

[21] 李克讓,王紹強,曹明奎.中國植被和土壤碳儲量[J].中國科學(D輯),2003,33(1):72-80.

[22] 趙世偉,蘇靜.寧南黃土丘陵區植被恢復對土壤團聚體穩定性的影響[J].水土保持研究,2005,12(3):27-29.

[23] 龔偉,胡庭興,王景燕.川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤微團聚體分形特征研究[J].土壤學報,2007,44(3):571-575.

[24] 楊培嶺.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學通報,1993,38(20):1896-1899.

中國草學會關于開展第二屆中國草業科技獎申報、推薦工作的通知

“中國草業科技獎”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立獎項，是草業界的最高學術獎勵，也是學會承接政府轉移職能的一個重要體現。草業科技獎每兩年評選一次，評選內容涉及草業領域的新產品、新技術和新理論等。第一屆草業科技獎(2012至2013年度)已圓滿完成授獎，得到各位老師、專家學者的充分肯定，反響很好，同時我們也在不斷地完善草業科技獎獎勵辦法。為進一步調動廣大草業科技工作者的積極性，促進草業科技創新，推進現代草業建設，經研究決定，現將啟動第二屆草業科技獎(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會網站查詢(http://www.chinagrass.org.cn)。我們將秉承公平公正、認真負責的態度對申報項目進行評選，歡迎各位草業科技工作者積極申報。

中國草學會

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

國家牧草產業技術體系專項( 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