播种方式对人工草地土壤有机碳氧化稳定性和化学结合形态的影响

杨恒山,邰继承,范富

(内蒙古民族大学农学院,内蒙古 通辽028042)

温室效应导致的全球气候变暖及其对陆地生态系统的影响问题是近年来科学界研究的热点。土壤有机碳库(SOC pool)是地球表层系统中的主要碳库,在全球碳循环中占有重要地位。据估计,全球土壤有机碳库1 500～2 000 Pg,为大气碳库的3倍,约是陆地生物量碳库的2.5倍[1]。土壤有机碳库的微小变化就会显著影响大气CO2水平,与全球气候变暖密切相关。由于工业CO2排放日益加剧,目前又没找到有效的替代技术途径,寻求将能源消耗中排放的碳在农业中重新收集与固定成为国际上共同努力的趋势。这种通过陆地生态系统对大气中碳的固定作为一种减排的替代也得到了各国政府和科学家的认同。Schlesinger[2]在20世纪末就曾组织了一个关于“土壤碳固定”的政策论坛,其宗旨就是推动社会对土壤碳固定研究的关注,美国土壤学会也将“土壤碳固定”的研究列为近期主要目标[3]。国内关于土壤有机碳的研究近年也日益增多,但关于其氧化稳定性和固存机制的研究大多数是针对农业土壤[4,5],特别是对南方稻田土壤有机碳固存机制认识相对较深入[6-11]。关于天然草地的研究则主要是针对人类活动影响下植被覆盖变化对土壤有机碳的影响以及不同土地利用方式间的比较[12-17],而关于人工栽培草地土壤有机碳研究甚少。

科尔沁地区是我国北方典型的半干旱农牧交错区域,由于不合理开垦、樵柴和过度放牧,致使该区生态环境恶化,农牧业生产受到严重影响[18]。在全社会提倡减排和可持续发展的背景下,如何建立低碳、高产、优质的人工草地是解决该地区草畜供求矛盾、促进草地畜牧业持续发展和逐步恢复生态的关键措施之一[19]。本研究以该地区不同播种方式下紫花苜蓿(Medicago sativa)+无芒雀麦(Bromus inermis)人工栽培草地土壤为对象,探讨了在精细管理、高频刈割条件下牧草生长期间不同播种方式对土壤有机碳(质)氧化稳定性及化学结合形态的影响,以期为指导建立理想人工草地、充分发挥退耕还草和固碳减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该研究于2007年9月在内蒙古民族大学农学院试验农场进行(北纬43°36′,东经 122°22′,海拔178 m)。研究区近50年平均气温6.8℃,≥10℃年活动积温为3 220℃,无霜期154 d;年平均降水量398 mm,生长季内(4-9月)降水量占全年降水量的89%。土壤为灰色草甸土,耕层有机质含量15.50 g/kg,碱解氮58.45 mg/kg,速效磷48.32 mg/kg,速效钾163.67 mg/kg,pH 8.20,有灌溉条件。

1.2 试验材料

试验材料为紫花苜蓿阿尔冈金(M.sativa cv.Algonquin),由美国引进,无芒雀麦(B.innermis cv.Carton)由中国农业科学院引进。

1.3 试验设计

试验设单播紫花苜蓿(DZ)、单播无芒雀麦(DW)、同行混播(TH)和隔行混播(GH)4个处理,3次重复,小区面积为6.0 m×5.4 m,行距30 cm。2006年5月6日播种,基施磷酸二铵150 kg/hm2,尿素 75 kg/hm2,硫酸钾150 kg/hm2;翌年返青后不施用任何肥料。单播紫花苜蓿播量为15 kg/hm2,单播无芒雀麦播量为22.5 kg/hm2,混播播量均为对应单播播量的1/2。第1年刈割2次,翌年刈割4次,留茬高度均为5～6 cm,栽培管理条件一致。于2007年秋季最后一次刈割后取样测定。以S形取样法在垄间用土钻按0～10,10～20,20～30,30～40 cm分层采集10采样点的混合样,风干、过筛备用,用于测定土壤总有机碳、易氧化有机碳、钙键结合有机碳、铁铝键结合有机碳等指标。

1.4 测定项目与方法

土壤总有机碳含量、易氧化有机碳含量、有机碳氧化稳定性描述采用袁可能[20,21]的方法,即用0.4 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4(1∶1)170～180℃煮沸5 min,测定土壤总有机碳(b);用 0.2 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4(1∶3)130～140℃煮沸5 min,测定易氧化有机碳(a);其中(b-a)为难氧化有机碳;有机碳氧化稳定性采用氧化稳定系数Kos表示,Kos=(b-a)/a。

钙键结合的有机碳(简称Ca-SOC)的提取与测定[22]:称取2 g过0.25 mm筛的土壤样品,加入20 mL 0.5 mol/L Na2SO4溶液振荡2 h,放置24 h,以3 000 r/min离心10 min,收集上清液,土壤再加入0.5 mol/L Na2SO4溶液,洗涤数次,至溶液无Ca2+,再用1%Na2SO4洗至上清液无色为止。所有液体集中于250 mL塑料瓶中,离心除去粘粒,定容到250 mL容量瓶中。用总有机碳分析仪(TOC-5000A Shimadiu)测定溶液有机碳。

铁铝键结合的有机碳[简称Fe(Al)-SOC]的提取与测定[22]:上述剩余土壤中加入20 mL 0.1 mol/L NaOH和混合溶液,放置过夜,次日以3 000 r/min离心10 min,收集上清液,反复数次,至溶液近无色为止。所有液体集中于250 mL塑料瓶中,离心除去粘粒,定容到250 mL容量瓶中。用总有机碳分析仪(TOC-5000A Shimadiu)测定溶液有机碳。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2003和JMP5.0.1软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 播种方式对土壤总有机碳含量的影响

单播无芒雀麦、同行混播和隔行混播草地土壤总有机碳含量在0～40 cm各土层内呈随深度增加而降低的趋势,而单播紫花苜蓿草地则表现为波动式下降,各处理均以0～10 cm土层土壤有机碳含量最高(表1)。0～40 cm土层土壤有机碳含量的平均值以单播紫花苜蓿草地最高,其次为隔行混播草地,二者无显著差异(P>0.05),但与同行混播和单播无芒雀麦草地间差异极显著(P<0.01)。0～10 cm土层内,单播无芒雀麦、隔行混播、同行混播草地土壤有机碳含量均显著高于单播紫花苜蓿草地(P<0.05);10～20 cm土层内,混播草地土壤有机碳含量显著高于单播紫花苜蓿草地;而在20～30和30～40 cm土层单播紫花苜蓿草地有机碳含量则明显增加,特别是30～40 cm土层单播紫花苜蓿草地极显著高于其他播种方式,分别是隔行混播、同行混播和单播无芒雀麦草地的1.17,2.01和1.92倍。

2.2 播种方式对土壤易氧化有机碳含量的影响

各处理方式下,土壤易氧化有机碳含量在0～40 cm各土层内随深度增加均表现为降低的变化趋势(表2),以0～10 cm土层含量最高,这与总有机碳含量随深度的变化趋势基本相同。0～10 cm土层,单播无芒雀麦草地易氧化有机碳含量最高,且与其他处理间差异极显著(P<0.01);10～20 cm土层各处理间差异不显著;20～30和30～40 cm土层单播紫花苜蓿草地含量最高,并与其他处理间差异极显著(P<0.01);0～40 cm土层土壤易氧化有机碳含量的平均值以单播紫花苜蓿草地最高,其次为单播无芒雀麦草地,同行混播草地最低;紫花苜蓿草地与其他处理间差异极显著(P<0.01)。

2.3 播种方式对土壤有机碳氧化稳定系数的影响

0～40 cm土层土壤有机碳(质)氧化稳定系数的平均值以隔行混播草地最高(表3),其次为同行混播草地,二者与单播草地间差异均达极显著水平(P<0.01),这说明混播条件下有利于土壤有机碳的稳定;隔行混播亦显著高于同行混播草地(P<0.05)。各处理土壤有机碳氧化稳定性在0～40 cm各土层内随深度增加变化的趋势不一,但除同行混播草地30～40 cm土层最高外,其他均以20～30 cm土层最高。同层不同处理间,除20～30 cm土层外,其他均为单播无芒雀麦最低,特别是在0～10 cm土层,其他3个处理均显著高于单播无芒雀麦草地(P<0.05),说明来源于无芒雀麦的有机物质相对于来源于紫花苜蓿的更易于分解。

表1 不同播种方式土壤总有机碳含量比较Table 1 Comparison of soil organic carbon content in different sowing ways g/kg

表2 不同播种方式土壤易氧化有机碳含量比较Table 2 Comparison of the content of soil easy oxidation organic carbon in different sowing ways g/kg

表3 不同播种方式土壤有机碳氧化稳定系数比较Table 3 Comparison of oxidation stability coefficient of soil organic carbon in different sowing ways

2.4 播种方式对土壤钙键结合有机碳含量的影响

0～40 cm土层内,单播无芒雀麦、同行混播和隔行混播草地土壤钙键结合有机碳含量随深度增加表现为降低的变化趋势(表4),单播紫花苜蓿则是波动式上升;单播无芒雀麦、同行混播、隔行混播草地0～10 cm土层土壤钙键结合有机碳含量最高,单播紫花苜蓿草地10～20 cm土层含量最高。0～40 cm土层土壤钙键结合有机碳含量的平均值以单播紫花苜蓿草地最高,其次为隔行混播草地,同行混播草地最低;各处理间差异不显著(P>0.05)。10～20 cm土层,单播紫花苜蓿草地钙键结合有机碳含量显著高于同行、隔行混播草地(P<0.05);0～10,20～30和30～40 cm土层各处理间差异不显著(P>0.05)。钙键结合有机碳占总有机碳的比例是反映钙键饱和程度的指标。单播无芒雀麦、同行混播、隔行混播草地随着深度的增加,钙键结合有机碳的比例增加(表5),这与钙键结合有机碳含量的变化正好相反;单播紫花苜蓿草地钙键结合有机碳占总有机碳的比例亦与其含量变化相反,这是由于有机碳含量增加所起到的稀释作用所致。

表4 不同播种方式土壤钙键结合有机碳含量比较Table 4 Comparison of the content of Ca-bound organic carbon in different sowing ways g/kg

表5 不同播种方式土壤钙键结合有机碳占总有机碳比例Table 5 Comparison of the proportion of Ca-bound organic carbon accounting for total organic carbon in different sowing ways%

2.5 播种方式对土壤铁铝键结合有机碳含量的影响

0～40 cm土层内,各处理土壤铁铝键结合有机碳含量随深度增加表现不一(表6),单播紫花苜蓿草地是先降后升;单播无芒雀麦、隔行混播草地是先升后降;同行混播草地则是逐渐降低。铁铝键结合有机碳占总有机碳的比例随着深度的增加各处理均表现为增加(表7)。0～40 cm土层土壤铁铝键结合有机碳含量的平均值以隔行混播草地最高,其次为单播紫花苜蓿草地,二者均极显著高于单播无芒雀麦和同行混播草地(P<0.01)。0～10 cm土层各处理土壤铁铝键结合有机碳含量差异不显著(P>0.05);10～20和20～30 cm土层,隔行混播草地铁铝键结合有机碳含量均显著高于其他处理(P<0.05);30～40 cm土层隔行混播与单播紫花苜蓿处理间差异不显著(P>0.05),但二者极显著高于同行混播和单播无芒雀麦处理。

表6 不同播种方式土壤铁铝键结合有机碳含量比较Table 6 Comparison of the content of Fe(Al)-bound organic carbon in different sowing ways g/kg

表7 不同播种方式土壤铁铝键结合有机碳占总有机碳比例Table 7 Comparison of the proportion of Fe(Al)-bound organic carbon accounting for total organic carbon in different sowing ways %

3 讨论

随着畜牧业的发展和我国农业产业结构调整的不断推进,牧草的作用已经越来越被广大农民所重视,大力发展牧草产业已经逐步成为提高农业综合效益的重要手段。发展农区草业将酝酿一次对耕地农业的革命,不仅为改进农业系统提供最初的动力,发掘农区草地资源,解放巨大食物资源潜力,保证粮食安全[23];而且可以通过土地利用方式的改变达到固碳增汇的目的。

土壤有机碳含量是土壤管理、气候、植被覆盖等各种因素综合影响下有机碳输入与输出之间动态平衡的结果[24,25]。牧草地上部分由于收割而移出土壤系统,地下部分进入土壤的量和分布深度及地上掉落物则可能成为影响土壤总有机碳含量的主要因素。本研究表明无芒雀麦对表层有机碳的积累影响显著,而紫花苜蓿对深层有机碳积累显著。0～20 cm土层其他处理均高于单播紫花苜蓿处理正是由于无芒雀麦大量的浅层须根及凋落物腐烂归还所致;20～40 cm土层单播紫花苜蓿草地有机碳明显增加则是由于紫花苜蓿根系入土较深,相应归还土壤的植物残体量较大;而混播条件下由于紫花苜蓿与无芒雀麦间相互竞争从而抑制了其对深层生物量的贡献率,最终使有机碳归还量降低,这也佐证了植物根系的分布是影响深层土壤中有机碳垂直分布的主要因素。同期试验表明,混播下紫花苜蓿地上部分由于种间竞争亦受到显著影响,紫花苜蓿的株高隔行混播与同行混播均低于单播草地[26]。各处理在0～40 cm土层内总有机碳平均值以单播紫花苜蓿草地最大,为9.05 g/kg,隔行混播草地次之(9.04 g/kg),二者无显著差异(P>0.05);它们均极显著高于单播无芒雀麦草地和同行混播草地(P<0.01)。可以看出不同的混播方式对土壤有机碳含量有较大影响,隔行混播有利于有机碳的累积,而同行混播则不利于有机碳的累积。

土壤有机碳稳定性指土壤有机碳在一定条件下抵抗外界因素干扰水平的能力。土壤有机碳的氧化稳定性关系到其分解的难易,是评价土壤有机碳的动态质量指标[15]。土壤有机碳稳定性取决于土壤有机碳不同组分的构成及其与环境的相互作用,不同的有机碳组分有着不同的来源,且对影响因素有着不同的响应机制。研究土壤有机碳稳定性的理论意义在于找出能维持和提高土壤有机碳储量的经营措施和调控因子。本试验隔行混播草地有机碳氧化稳定系数最大,其次为同行混播草地,二者与单播草地差异显著(P<0.05),可以说明合理混播条件有利于土壤有机碳的稳定,更能发挥退耕还草固碳减排的积极作用。以往的研究表明土壤有机碳与无机矿物结合而形成的有机无机复合体是构成肥力的物质基础,也是肥力的核心,它们在保肥供肥过程中起着重要的作用,这一点已被大多数学者所证实[27]。而有机碳在土壤中的固定机制则十分复杂,前人研究认为通过钙键或铁铝键结合是重要的存在形式,钙键结合有机碳是外圈配合产物,铁铝键结合有机碳是内圈配合产物,其稳定性不同,而且形成环境也不同[28]。水热条件不同的地带性土壤中存在着不同类型和比例的有机矿质复合体,从南往北,随着钙饱和度的增加主要形成钙键结合有机矿质复合体,而南方酸性土壤中存在丰富的铁铝氧化物,主要形成铁铝键有机矿质复合体[29]。但在本试验中发现,虽然地处盐基饱和度很高的石灰性土壤带,但土壤有机碳化学结合方式上并非以钙键结合为主,而是仍以铁铝键结合为主,各处理不同层次铁铝键有机碳含量均显著高于相应钙键结合有机碳,一般高出3～5倍。这可能与多年的土地利用消耗大量钙素营养(除有机肥外也无钙肥施入),从而降低钙键结合有机碳含量有关,其原因还有待于进一步研究。

[1]潘根兴,李恋卿,张旭辉.土壤有机碳库与全球变化研究的若干前沿问题-兼开展中国水稻土有机碳固定研究的建议[J].南京农业大学学报,2002,25(3):100-109.

[2]Schlesinger W H.Carbon sequestration in soils[J].Science,1999,284(25):2095.

[3]Soil Science Society of America,Ad Hoc Committee S893.Carbon Sequestration:Position of the Soil Science Society of America[ED/OL].http//www.SSSA.Org,2001-11.

[4]张春霞,郝明德,魏孝荣,等.黑垆土长期轮作培肥土壤有机质氧化稳定性的研究[J].土壤肥料,2004,(3):10-12.

[5]张爱君,张明普.长期施用有机和无机肥料对黄潮土有机质含量及组成的影响[J].江苏农业研究,2001,22(3):30-33.

[6]黄欠如,胡锋,袁颖红,等.长期施肥对红壤性水稻土团聚体特征的影响[J].土壤,2007,39(4):608-613.

[7]李江涛,张斌,彭新华,等.施肥对红壤性水稻土颗粒有机物形成及团聚体稳定性的影响[J].土壤学报,2004,41(6):912-917.

[8]李忠佩,吴大付.红壤水稻土有机碳库的平衡值确定及固碳潜力分析[J].土壤学报,2006,43(1):46-52.

[9]唐晓红,邵景安,高明,等.保护性耕作对紫色水稻土团聚体组成和有机碳储量的影响[J].应用生态学报,2007,18(5):1029-1034.

[10]袁颖红,李辉信,黄欠如,等.不同施肥处理对红壤性水稻土微团聚体有机碳汇的影响[J].生态学报,2004,24(12):2961-2966.

[11]郭菊花,陈小云,刘满强,等.不同施肥处理对红壤性水稻土团聚体的分布及有机碳、氮含量的影响[J].土壤,2007,39(5):787-793.

[12]李凌浩.土地利用变化对草原生态系统土壤碳贮量的影响[J].植物生态学报,1998,22(4):300-302.

[13]乔有明,王振群,段中华.青海湖北岸土地利用方式对土壤碳氮含量的影响[J].草业学报,2009,18(6):105-112.

[14]王艳芬,陈佐忠,Tieszen L T.人类活动对锡林郭勒地区主要草原土壤有机碳分布的影响[J].植物生态学报,1998,22(6):545-551.

[15]文海燕,赵哈林,傅华.开垦和封育年限对退化沙质草地土壤性状的影响[J].草业学报,2005,14(1):31-37.

[16]王明君,韩国栋,赵萌莉,等.草甸草原不同放牧强度对土壤有机碳含量的影响[J].草业科学,2007,24(10):6-10.

[17]刘楠,张英俊.放牧对典型草原土壤有机碳及全氮的影响[J].草业科学,2010,27(4):11-14.

[18]左小安,赵哈林,赵学勇,等.科尔沁沙地不同恢复年限退化植被的物种多样性[J].草业学报,2009,18(4):9-16.

[19]霍成君,韩建国,戎郁萍.刈割期和留茬高度对混播草地产量及品质的影响[J].草地学报,2001,9(4):257-264.

[20]袁可能.土壤有机矿质复合体中腐殖质氧化稳定性的初步研究[J].土壤学报,1963,11(3):286-292.

[21]袁可能,张友全.土壤腐殖质氧化稳定性的研究[J].浙江农业科学,1964,7:345-349.

[22]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,1999:123-124.

[23]任继周,林慧龙.农区种草是改进农业系统、保证粮食安全的重大步骤[J].草业学报,2009,18(5):1-9.

[24]辛刚,颜丽,汪景宽,等.不同开垦年限黑土有机质变化的研究[J].土壤通报,2002,33(5):332-335.

[25]Solomon D,Lehmann J,Kinyangi J,et al.Long-term impacts of anthropogenic perturbations on dynamics and speciation of organic carbon in tropical forest and subtropical grassland ecosystems[J].Global Change Biology,2007,13:511-530.

[26]张宏宇,杨恒山,李春辉,等.不同混播方式下苜蓿+无芒雀麦人工草地生产力动态研究[J].内蒙古民族大学学报,2008,23(1):55-58.

[27]刘树庆,杜孟庸,周健学,等.不同肥力土壤有机无机复合度及腐殖质结合形态及其与肥力关系研究[J].土壤通报,1989,6:267-270.

[28]徐建民,赛夫,袁可能.土壤有机矿质复合体研究IX钙键复合体和铁率键复合体中腐殖质的性状特征[J].土壤学报,1999,36(2):168-169.

[29]徐建明,袁可能.我国土壤中有机矿质复合体地带性分布的研究[J].中国农业科学,1993,26(4):65-67.