紫花苜蓿草地土壤碳密度年际变化研究

田福平，师尚礼

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所/农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，甘肃 兰州 730050)

紫花苜蓿草地土壤碳密度年际变化研究

田福平1，2，师尚礼1

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所/农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，甘肃 兰州 730050)

为了阐明紫花苜蓿草地土壤碳密度的年际变化规律，以长期定位试验的紫花苜蓿(Medicagosativa)草地为研究对象，通过大田测定和实验室分析，研究了不同生长年限紫花苜蓿草地土壤碳密度。结果表明：随着紫花苜蓿生长年限的增加，土壤有机碳含量增加，土壤碳密度提高。不同生长年限的苜蓿草地土壤有机碳含量、土壤有机碳密度在0～100 cm土层的分布规律为随土层深度的增加而降低。不同年限的苜蓿草地土壤有机碳含量均为0～10 cm表层最高，其土壤有机碳含量大小顺序为：1年龄(6.39 g/kg)<2年龄(6.75 g/kg)<3年龄(7.52 g/kg)<4年龄(8.76 g/kg)<5年龄(9.16 g/kg)。不同年限的紫花苜蓿草地土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)，随着生长年限的增加，土壤有机碳密度显著提高，其中100 cm的土壤有机碳密度平均值5年龄最高(8.38 kg/m2)，比1年龄、2年龄、3年龄和4年龄分别增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

紫花苜蓿；年际变化；土壤有机碳；土壤碳密度

土壤碳库是陆地生态系统最大的有机碳库[1]，与植被碳储量相比，土壤碳储量十分巨大，其较小幅度的变化就可能影响到整个生态系统碳循环的变化[2]。草地生态系统作为陆地生态系统最重要、分布最广的生态系统类型之一，其土壤碳储量在全球碳循环和气候调节中起着重要作用[3,4]。土壤有机碳是土壤碳库最基本的部分，也是决定生态系统生产力及其稳定性的土壤关键组分[5-7]。因此，国内外有关土壤有机碳已经开展了大量研究[7-10]。目前，我国草地生态系统土壤碳储存过程以及相关研究还处于起步阶段，前期科研力量不足，国家针对性政策出台较晚[11]。因此，大量积累人工草地土壤碳储量数据，深入开展草地土壤的固碳机制对准确评估草地在我国乃至全球陆地生态系统碳循环中的地位有深远意义。

紫花苜蓿草地是我国栽培面积最大的人工草地，也是目前世界分布最广的豆科牧草[12]。到2011年全国苜蓿种植面积达到377.5万hm2[13]，苜蓿草地作为黄土高原地区主要的人工草地生态系统，长期种植苜蓿能够起到固碳和提高土壤养分的作用[14,15]。该研究以黄土高原不同生长年限的紫花苜蓿人工草地为研究对象，分析不同生长年限紫花苜蓿草地土壤碳密度，为黄土高原地区紫花苜蓿人工草地碳储量的准确评估及其管理利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站进行，该站位于甘肃省兰州市七里河区彭家坪乡龚家湾村大洼山，地理位置E 103°45′，N 36°01′，海拔1 750 m，属于兰州盆地黄河南岸三级阶地。年均降水量324.5 mm，主要集中在7、8、9 月，年蒸发量1 450.0 mm，日照时数2 751.4 h；年均温9.3℃，极端最高温39.1℃，最低温-23.1℃。≥0℃的年活动积温3 700℃，≥10℃的活动积温1 900～2 300℃，无霜期135～167 d，年相对湿度61%～66%，干燥度1.25～1.58。属于黄土高原半干旱丘陵沟壑区，主要为梁状丘陵地貌，土壤母质为第四纪风成黄土，土壤类型为灰钙土。

1.2 试验设计

设长期的苜蓿大田定位试验，供试的紫花苜蓿品种为中兰1号紫花苜蓿(Medicagosativacv.ZhongLan No.1)，于2008年4月17日按条播方式播种，行距33.3 cm，播种量12.0 kg/hm2，播种面积为360 m2(24 m×15 m)，播前样地为高粱地，播种前0～50 cm，试验地播种和播后均不施肥，只进行人工除草。以不同生长年龄的苜蓿地作为试验处理：(1)1年龄，2008年测定；(2)2年龄，2009年测定；(3)3年龄，2010年测定；(4)4年龄，2011年测定；(5)5年龄，2012年测定。不同生长年限均采用统一的田间管理方式，每年4月初采用漫灌方式浇水1次，10月中下旬采用漫灌方式浇足冬灌水。试验地初期土壤的基本理化性状(表1)。

表1 试验地初期土壤的基本理化性状Table1 Basic soil properties of preliminary stage experiment

1.3 测定方法

1.3.1 容重测定及土壤样品采集 采用挖掘土壤剖面法[16]，在每年最后一茬苜蓿草刈割后立即测定，选取代表性样地内3个50 cm×50 cm的样方挖取100 cm的土层，采用环刀法测定土壤容重[17]。用环刀按照0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50～60，60～70，70～80，80～90，90～100 cm的深度从上至下依次取样，分装并写好标签，分层取一部分土样用烘干法测定土壤含水量；另取一部分土样带回室内风干，研磨细，0.5 mm过筛，用于土壤碳含量和养分的测定。

1.3.2 测定指标与方法 土壤有机碳采用重铬酸钾容量-外加热法测定[18,19]。

1.3.3 土壤碳密度计算 100 cm土层有机碳密度为各层有机碳密度之和，计算各样方土壤有机碳密度[20]：

SCDi=∑(Ci×di×Di)

式中：SCDi表示不同单播人工草地一定土层土壤中有机碳的总量，即土壤有机碳密度(kg/m2)，Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg)，di为第i层土壤容重(g/cm3)，Di为第i个土层的深度(cm)。

1.4 数据处理和分析方法

绘图采用Office Excel 2007，数据统计分析使用SPSS 17.1。

2 结果与分析

2.1 苜蓿草地土壤容重的年际变化

根据不同土层测定的土壤容重，来计算不同生长年限紫花苜蓿草地0～100 cm的土壤碳密度。随着紫花苜蓿生长年限的增加，土壤容重逐渐变小。在30～70 cm土层，1年龄的苜蓿土壤容重均大于其他生长年限的，且与其他年限的差异显著(P<0.05)。不同生长年限的紫花苜蓿0～30 cm的土壤容重均小于1.35 g/cm3，30～60 cm土壤容重较大，70～100 cm又降低。这与表层前期的人工扰动、土壤质地及苜蓿生长均有关(图1)。

2.2 苜蓿草地土壤有机碳含量的年际变化

土壤有机碳含量的多少是土壤肥力高低的重要标志，也是土壤碳密度计算的主要测定指标。在0～50 cm的土层，不同生长年限的苜蓿草地土壤有机碳含量差异均显著(P<0.05)，随着土层深度的增加差异逐渐不显著。土壤有机碳含量为0～10 cm最高，不同生长年限0～10 cm的土壤有机碳含量为：1年龄(6.39 g/kg)<2年龄(6.75 g//kg)<3年龄(7.52 g/kg)<4年龄(8.76 g/kg)<5年龄(9.16 g/kg)，其他土层也基本符合随生长年限增加，土壤有机碳含量提高的规律(图2～6)。土壤有机碳含量土壤剖面分布特征为随着土层深度增加依次减少，但不同生长年限土壤有机碳含量随深度增加而减少的程度不同。1年龄、2年龄、3年龄的土壤有机碳含量在80～90 cm的土层差异均不显著(P<0.05)，但4年龄和5年龄差异显著(P<0.05)。土壤有机碳含量的垂直分布中，总体上呈自上向下逐渐降低的趋势。

2.3 苜蓿草地土壤碳密度的年际变化

图1 不同生长年限紫花苜蓿人工草地土壤容重Fig.1 The soil bulk density of alfalfa with different growth years

土壤碳密度在剖面的分布情况为：不同生长年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在同一土层存在显著差异，但4年龄和5年龄在0～90 cm每一土层的差异均不显著(P<0.05)(表2)。同一土层均为5年龄的土壤碳密度最高，从1年龄到5年龄均持续增加，土壤有机碳密度在不同年限不同土层表现为：5年龄>4年龄>3年龄>2年龄>1年龄，且同一土层5年龄的土壤碳密度与1年龄、2年龄和3年龄的土壤碳密度差异均显著(P<0.05)。不同生长年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在剖面呈规律性分布，均随着土层深度的增加而减少。

图2 第1年生苜蓿草地土壤有机碳含量Fig.2 Soil carbon content of 1-year-alfalfa grassland

图5 第4年生苜蓿草地土壤有机碳含量Fig.5 Soil carbon content of 4-year-alfalfa grassland

图6 第5年生苜蓿草地土壤有机碳含量Fig.6 Soil carbon content of 4-year-alfalfa grassland

草地土壤碳密度通常是指单位面积单位深度土体中土壤有机碳质量，是指100 cm深度的土壤有机碳总质量。不同生长年限紫花苜蓿草地在100 cm的平均土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)，且随着生长年限的增加100 cm的土壤有机碳密度也在显著增加，5年龄均高于其他年限(图7)，大小依次为：5年龄(8.38 kg/m2)>4年龄(7.75 kg/m2)>3年龄(6.32 kg/m2)>2年龄(5.37 kg/m2)>1年龄(4.38 kg/m2)。其中，100 cm的土壤有机碳密度5年龄比1年龄、2年龄、3年龄和4年龄分别增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

表2 不同生长年限紫花苜蓿(0～100 cm)土壤碳密度Table2 Soil organic carbon density(0～100cm)of alfalfa grassland with different growth years

注：数据为平均值±标准差；同行不同小写字母表示相同土层不同生长年限的土壤碳密度差异显著(P<0.05)，下同

图7 不同生长年限紫花苜蓿0～100 cm土壤碳密度Fig.7 Soil carbon density of 0～100 cm layer of alfalfa grassland with different growth years

3 讨论

土壤容重很大程度上决定着土壤的物理特性，表现在土壤含水量、通气性以及矿质元素的运移等方面[21]。研究表明，土壤容重与蚕豆幼苗的根、茎干质量均呈显著负相关[22]。容重与植物根系的穿透阻力及生长有关[23]。研究表明，随着生长年限的增加，土壤容重在0～100 cm土层整体表现为逐渐变小，这和苜蓿强大的根系生长有关，随着苜蓿根系的生长，土壤容重降低。

苜蓿在促进土壤有机质积累和培肥土壤方面具有很强的能力[24]。不同植物群落对土壤有机碳的影响不同，何亚龙等[25]的研究表明，在0～10 cm土层，种植苜蓿比农田的土壤有机碳含量提高了135.5%。这说明种植苜蓿可提高土壤有机碳含量，苜蓿具有固碳作用[26]。该研究表明不同年限的苜蓿草地土壤有机碳含量存在差异，随生长年限增加，土壤有机碳含量显著提高。

魏巍等[27]在高寒草甸的研究表明，随土壤深度的增加，土壤碳密度降低。陈芙蓉等[28]对黄土高原典型草原土壤有机碳含量的研究表明，垂直分布中，黄土高原典型草原土壤有机碳含量总体上呈自上向下逐渐降低的趋势，这与此次研究的结果一致。该结果表明不同生长年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在剖面呈规律性分布，均随着土层深度的增加而减少。当土地利用方式由农田转变为人工草地，土壤有机碳密度均有不同程度的增加，土壤表现为明显的碳汇[29]。研究结果显示，随着生长年限的增加，土壤有机碳密度也在显著增加，说明在1年龄至5年龄苜蓿草地土壤也表现为碳汇功能。

4 小结

在应对气候变化过程中，由于天然草地面积巨大，对草地土壤有机碳密度的大量研究主要集中天然草地[30,31]，近年来，由于人工草地高效的固碳效果，研究者逐渐开始关注有关牧草[32]和草坪草的固碳[33,34]效应和固碳机制[35]。试验结果表明，紫花苜蓿随着生长年限的增加，土壤有机碳含量增加，土壤碳密度提高。不同年限的苜蓿草地土壤有机碳含量、土壤有机碳密度剖面分布规律均为随着土层深度的增加而降低。在0～10 cm的土层，土壤有机碳含量最高。不同年限间的紫花苜蓿草地的土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)，且随生长年限的增加土壤有机碳密度也在显著增加， 5年龄最高，为8.38 kg/m2，比1年龄、2年龄、3年龄和4年龄分别增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

[1] 张旭辉，李典友，潘根兴，等.中国湿地土壤碳库保护与气候变化问题[J].气候变化研究进展，2008，4(4)：202-207.

[2] 傅华，陈亚明，王彦荣，等.阿拉善主要草地类型土壤有机碳特征及其影响因素[J].生态学报，2004，24(3)：469-476.

[3] Scurlock J M O，Hall D O.The global carbon sink：a grassland perspective[J].Global Change Biol，1998(4)：229-233.

[4] 张凡，祁彪，温飞，等.不同利用程度高寒干旱草地碳储量的变化特征分析[J].草业学报，2011，20(4)：11-18.

[5] 潘根兴，赵其国，蔡祖聪.《京都议定书》生效后我国耕地土壤碳循环研究若干问题[J].中国基础科学，2005(2)：12-18.

[6] Zhiqun Huang，Murray R Davis，Leo M Condron，Peter W.Clinton.Soil carbon pools，plant biomarkers and mean carbon residence time after afforestation of grassland with three tree species[J].Soil Biology & Biochemistry，2011，43：1341-1349.

[7] Xueyun Yang，Weidong Ren，Benhua Sun，etal.Effects of contrasting soil management regimes on total and labile soil organic carbon fractions in a loess soil in China[J].Geoderma，2012，177-178：49-56.

[8] 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．

[9] Wei Jie，Liu Weiguo， Cheng Jimin，etal.Dynamics of soil organic carbon storage following restoration of grassland on Yunwu Mountain [J].Acta Ecologica Sinica，2011，31：271-275.

[10] Zhang J H，Li F C，Wang Y，etal.Soil organic carbon stock and distribution in cultivated land converted to grassland in a subtropical region of China[J].Environmental Management，2014，53：274-283.

[11] 杨红飞，穆少杰，孙成明，等.草地生态系统土壤有机碳估算研究综述[J].中国草地学报，2011，33(5)：107-117.

[12] 孙铁军，滕文军，王淑琴，等.紫花苜蓿种植对山地荒沟客土理化性质的影响[J].山地学报，2007，25(5)：596-601.

[13] 孙启忠，玉柱，马春晖，等.我国苜蓿产业过去10年发展成就与未来10年发展重点[J].草业科学，2013，30(3)：471-477.

[14] 王振，王子煜，韩清芳，等.黄土高原苜蓿草地土壤碳、氮变化特征研究[J].草地学报，2013，21(6)：1073-1079.

[15] 苏永中，刘文杰，杨荣，等.河西走廊中段绿洲退化土地退耕种植苜蓿的固碳效应[J].生态学报，2009，29(12)：6385-6391.

[16] 陈宝书.草原学与牧草学实验指导书[M].兰州：甘肃科学技术出版社，1991：76-78.

[17] 林大仪.土壤学实验指导[M].北京：中国林业出版，2004：66-68.

[18] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000：30-108

[19] 张甘霖，龚子同.土壤调查实验室分析方法[M].北京：科学出版社，2012.38-39.

[20] 郭小伟，韩道瑞，张法伟，等.青藏高原高寒草原碳增贮潜力的初步研究[J].草地学报，2011，19(5)：740-745.

[21] 郑存德，依艳丽，张大庚，等.土壤容重对高产玉米根系生长的影响及调控研究[J].华北农学报，2012，27( 3) :142-149.

[22] 南志标，赵红洋，聂斌.黄土高原土壤紧实度对蚕豆生长的影响[J].应用生态学报，2002，13(8):935-938.

[23] 李潮海，李胜利，王群，等.下层土壤容重对玉米根系生长及吸收活力的影响[J].中国农业科学，2005，38(8):1706-1711.

[24] 崔星，师尚礼.绿洲灌溉区与旱作区多龄首蓓地土壤有机碳、氮及物理特性分析[J].草原与草坪，2015，35(1)：68-72.

[25] 何亚龙，李刚，龙凌云，等.黄土丘陵沟壑区不同群落类型对土壤特性及生物量的影响[J].西北林学院学报，2011，26(6)：1-7.

[26] 李文静，王振，韩清芳，等．黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估[J].生态学报，2013，33(23)：7467-7477．

[27] 魏巍，曹文侠，张小娇.3种高寒草甸土壤CO2通量及碳密度差异变化[J].草原与草坪，2013，33(3)：31-35.

[28] 陈芙蓉，程积民，刘伟，等.不同干扰对黄土高原典型草原土壤有机碳的影响[J].草地学报，2012，20(2)：298-304，311.

[29] 李裕元，邵明安，郑纪勇，等.黄土高原北部草地的恢复与重建对土壤有机碳的影响[J].生态学报，2006，27(6)：2279-2287.

[30] 范月君，侯向阳，石红霄，等.封育与放牧对三江源区高寒草甸植物和土壤碳储量的影响[J].草原与草坪，2012，32(5)：41-46，52.

[31] 刘伟，程积民，陈芙蓉，等.黄上高原中部草地土壤有机碳密度特征及碳储量[J].草地学报，2011，19(3)：425-431.

[32] 赵锦梅，刘长仲，张德罡.土地利用方式对东祁连山土壤表层有机碳的影响[J].干旱地区农业研究，2012，30(4)：82-85.

[33] 勾玉莹，苏德荣，陈思佳，等.基于生物量的高尔夫球场草坪固碳释氧量分析[J].草原与草坪，2013，33(2)：41-45.

[34] 侯国华，濮阳雪华，韩烈保.低碳环保球场的认证与管理[J].草原与草坪，2013，33(5)：115-118.

[35] 于贵瑞，何念鹏，王秋凤等.中国生态系统碳收支及碳汇功能：理论基础与综合评估[M].北京：科学出版社，2013：1-2，125-127.

Interannual change of soil organic carbon density on alfalfa grassland

TIAN Fu-ping1，2，SHI Shang-li1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.LanzhouInstituteofHusbandryandPharmaceuticalSciencesofCAAS/ThelanzhouScientificObservationandExperimentFieldStationofMinistryofAgricultureforEcologicalSysteminLoessPlateauAreas，Lanzhou730050,China)

The soil organic carbon density of alfalfa grassland growing 1-5 years was investigated in order to explore the characteristics of interannual variations.Based on the long-term field experiment，the soil organic carbon density of alfalfa grassland were determined by quadrate method.The results indicated that soil organic carbon content and soil organic carbon density increased from 1-year to 5-year,but with soil layer depth increasing,the soil organic carbon content and soil organic carbon density decreased.The soil organic carbon content at 0～10 cm soil depth level were the highest on all alfalfa grassland,and the rank of the soil organic carbon content in different growth years was:1-year(6.39 g/kg)< 2-year(6.75 g/kg) <3-year(7.52 g/kg) < 4-year(8.76 g/kg)< 5-year(9.16 g/kg).Soil organic carbon density of alfalfa grassland in different growth years were significantly differences(P<0.05).The soil carbon density in 100 cm soil depth was significantly improved with growing years.The average soil organic carbon density of 5-year grassland was the highest(8.38 kg/m),as 5-year grassland increased by 91.3%,56.1%,32.4% and 8.1% than 1-year,2-year,3-year and 4-year grassland,respectively.

alfalfa;interannual change;soil organic carbon;soil carbon density

2015-04-23；

2015-05-18

国家现代牧草产业技术体系建设专项(CARA-35)；国家自然科学基金面上项目(31372368)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(1610322014009)

田福平(1978-)，男，甘肃武山人，副研究员，主要从事草地生态及草种质资源与育种的研究。 E-mail：tianfp@163.com 师尚礼为通讯作者。

S 543

A

1009-5500(2015)06-0008-06