楊恒山,邰繼承,范富

(內蒙古民族大學農學院,內蒙古 通遼028042)

溫室效應導致的全球氣候變暖及其對陸地生態(tài)系統的影響問題是近年來科學界研究的熱點。土壤有機碳庫(SOC pool)是地球表層系統中的主要碳庫,在全球碳循環(huán)中占有重要地位。據估計,全球土壤有機碳庫1 500～2 000 Pg,為大氣碳庫的3倍,約是陸地生物量碳庫的2.5倍[1]。土壤有機碳庫的微小變化就會顯著影響大氣CO2水平,與全球氣候變暖密切相關。由于工業(yè)CO2排放日益加劇,目前又沒找到有效的替代技術途徑,尋求將能源消耗中排放的碳在農業(yè)中重新收集與固定成為國際上共同努力的趨勢。這種通過陸地生態(tài)系統對大氣中碳的固定作為一種減排的替代也得到了各國政府和科學家的認同。Schlesinger[2]在20世紀末就曾組織了一個關于“土壤碳固定”的政策論壇,其宗旨就是推動社會對土壤碳固定研究的關注,美國土壤學會也將“土壤碳固定”的研究列為近期主要目標[3]。國內關于土壤有機碳的研究近年也日益增多,但關于其氧化穩(wěn)定性和固存機制的研究大多數是針對農業(yè)土壤[4,5],特別是對南方稻田土壤有機碳固存機制認識相對較深入[6-11]。關于天然草地的研究則主要是針對人類活動影響下植被覆蓋變化對土壤有機碳的影響以及不同土地利用方式間的比較[12-17],而關于人工栽培草地土壤有機碳研究甚少。

科爾沁地區(qū)是我國北方典型的半干旱農牧交錯區(qū)域,由于不合理開墾、樵柴和過度放牧,致使該區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化,農牧業(yè)生產受到嚴重影響[18]。在全社會提倡減排和可持續(xù)發(fā)展的背景下,如何建立低碳、高產、優(yōu)質的人工草地是解決該地區(qū)草畜供求矛盾、促進草地畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展和逐步恢復生態(tài)的關鍵措施之一[19]。本研究以該地區(qū)不同播種方式下紫花苜蓿(Medicago sativa)+無芒雀麥(Bromus inermis)人工栽培草地土壤為對象,探討了在精細管理、高頻刈割條件下牧草生長期間不同播種方式對土壤有機碳(質)氧化穩(wěn)定性及化學結合形態(tài)的影響,以期為指導建立理想人工草地、充分發(fā)揮退耕還草和固碳減排提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該研究于2007年9月在內蒙古民族大學農學院試驗農場進行(北緯43°36′,東經 122°22′,海拔178 m)。研究區(qū)近50年平均氣溫6.8℃,≥10℃年活動積溫為3 220℃,無霜期154 d;年平均降水量398 mm,生長季內(4-9月)降水量占全年降水量的89%。土壤為灰色草甸土,耕層有機質含量15.50 g/kg,堿解氮58.45 mg/kg,速效磷48.32 mg/kg,速效鉀163.67 mg/kg,pH 8.20,有灌溉條件。

1.2 試驗材料

試驗材料為紫花苜蓿阿爾岡金(M.sativa cv.Algonquin),由美國引進,無芒雀麥(B.innermis cv.Carton)由中國農業(yè)科學院引進。

1.3 試驗設計

試驗設單播紫花苜蓿(DZ)、單播無芒雀麥(DW)、同行混播(TH)和隔行混播(GH)4個處理,3次重復,小區(qū)面積為6.0 m×5.4 m,行距30 cm。2006年5月6日播種,基施磷酸二銨150 kg/hm2,尿素 75 kg/hm2,硫酸鉀150 kg/hm2;翌年返青后不施用任何肥料。單播紫花苜蓿播量為15 kg/hm2,單播無芒雀麥播量為22.5 kg/hm2,混播播量均為對應單播播量的1/2。第1年刈割2次,翌年刈割4次,留茬高度均為5～6 cm,栽培管理條件一致。于2007年秋季最后一次刈割后取樣測定。以S形取樣法在壟間用土鉆按0～10,10～20,20～30,30～40 cm分層采集10采樣點的混合樣,風干、過篩備用,用于測定土壤總有機碳、易氧化有機碳、鈣鍵結合有機碳、鐵鋁鍵結合有機碳等指標。

1.4 測定項目與方法

土壤總有機碳含量、易氧化有機碳含量、有機碳氧化穩(wěn)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,測定土壤總有機碳(b);用 0.2 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4(1∶3)130～140℃煮沸5 min,測定易氧化有機碳(a);其中(b-a)為難氧化有機碳;有機碳氧化穩(wěn)定性采用氧化穩(wěn)定系數Kos表示,Kos=(b-a)/a。

鈣鍵結合的有機碳(簡稱Ca-SOC)的提取與測定[22]:稱取2 g過0.25 mm篩的土壤樣品,加入20 mL 0.5 mol/L Na2SO4溶液振蕩2 h,放置24 h,以3 000 r/min離心10 min,收集上清液,土壤再加入0.5 mol/L Na2SO4溶液,洗滌數次,至溶液無Ca2+,再用1%Na2SO4洗至上清液無色為止。所有液體集中于250 mL塑料瓶中,離心除去粘粒,定容到250 mL容量瓶中。用總有機碳分析儀(TOC-5000A Shimadiu)測定溶液有機碳。

鐵鋁鍵結合的有機碳[簡稱Fe(Al)-SOC]的提取與測定[22]:上述剩余土壤中加入20 mL 0.1 mol/L NaOH和混合溶液,放置過夜,次日以3 000 r/min離心10 min,收集上清液,反復數次,至溶液近無色為止。所有液體集中于250 mL塑料瓶中,離心除去粘粒,定容到250 mL容量瓶中。用總有機碳分析儀(TOC-5000A Shimadiu)測定溶液有機碳。

1.5 統計分析

采用Microsoft Excel 2003和JMP5.0.1軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 播種方式對土壤總有機碳含量的影響

單播無芒雀麥、同行混播和隔行混播草地土壤總有機碳含量在0～40 cm各土層內呈隨深度增加而降低的趨勢,而單播紫花苜蓿草地則表現為波動式下降,各處理均以0～10 cm土層土壤有機碳含量最高(表1)。0～40 cm土層土壤有機碳含量的平均值以單播紫花苜蓿草地最高,其次為隔行混播草地,二者無顯著差異(P>0.05),但與同行混播和單播無芒雀麥草地間差異極顯著(P<0.01)。0～10 cm土層內,單播無芒雀麥、隔行混播、同行混播草地土壤有機碳含量均顯著高于單播紫花苜蓿草地(P<0.05);10～20 cm土層內,混播草地土壤有機碳含量顯著高于單播紫花苜蓿草地;而在20～30和30～40 cm土層單播紫花苜蓿草地有機碳含量則明顯增加,特別是30～40 cm土層單播紫花苜蓿草地極顯著高于其他播種方式,分別是隔行混播、同行混播和單播無芒雀麥草地的1.17,2.01和1.92倍。

2.2 播種方式對土壤易氧化有機碳含量的影響

各處理方式下,土壤易氧化有機碳含量在0～40 cm各土層內隨深度增加均表現為降低的變化趨勢(表2),以0～10 cm土層含量最高,這與總有機碳含量隨深度的變化趨勢基本相同。0～10 cm土層,單播無芒雀麥草地易氧化有機碳含量最高,且與其他處理間差異極顯著(P<0.01);10～20 cm土層各處理間差異不顯著;20～30和30～40 cm土層單播紫花苜蓿草地含量最高,并與其他處理間差異極顯著(P<0.01);0～40 cm土層土壤易氧化有機碳含量的平均值以單播紫花苜蓿草地最高,其次為單播無芒雀麥草地,同行混播草地最低;紫花苜蓿草地與其他處理間差異極顯著(P<0.01)。

2.3 播種方式對土壤有機碳氧化穩(wěn)定系數的影響

0～40 cm土層土壤有機碳(質)氧化穩(wěn)定系數的平均值以隔行混播草地最高(表3),其次為同行混播草地,二者與單播草地間差異均達極顯著水平(P<0.01),這說明混播條件下有利于土壤有機碳的穩(wěn)定;隔行混播亦顯著高于同行混播草地(P<0.05)。各處理土壤有機碳氧化穩(wěn)定性在0～40 cm各土層內隨深度增加變化的趨勢不一,但除同行混播草地30～40 cm土層最高外,其他均以20～30 cm土層最高。同層不同處理間,除20～30 cm土層外,其他均為單播無芒雀麥最低,特別是在0～10 cm土層,其他3個處理均顯著高于單播無芒雀麥草地(P<0.05),說明來源于無芒雀麥的有機物質相對于來源于紫花苜蓿的更易于分解。

表1 不同播種方式土壤總有機碳含量比較Table 1 Comparison of soil organic carbon content in different sowing ways g/kg

表2 不同播種方式土壤易氧化有機碳含量比較Table 2 Comparison of the content of soil easy oxidation organic carbon in different sowing ways g/kg

表3 不同播種方式土壤有機碳氧化穩(wěn)定系數比較Table 3 Comparison of oxidation stability coefficient of soil organic carbon in different sowing ways

2.4 播種方式對土壤鈣鍵結合有機碳含量的影響

0～40 cm土層內,單播無芒雀麥、同行混播和隔行混播草地土壤鈣鍵結合有機碳含量隨深度增加表現為降低的變化趨勢(表4),單播紫花苜蓿則是波動式上升;單播無芒雀麥、同行混播、隔行混播草地0～10 cm土層土壤鈣鍵結合有機碳含量最高,單播紫花苜蓿草地10～20 cm土層含量最高。0～40 cm土層土壤鈣鍵結合有機碳含量的平均值以單播紫花苜蓿草地最高,其次為隔行混播草地,同行混播草地最低;各處理間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層,單播紫花苜蓿草地鈣鍵結合有機碳含量顯著高于同行、隔行混播草地(P<0.05);0～10,20～30和30～40 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)。鈣鍵結合有機碳占總有機碳的比例是反映鈣鍵飽和程度的指標。單播無芒雀麥、同行混播、隔行混播草地隨著深度的增加,鈣鍵結合有機碳的比例增加(表5),這與鈣鍵結合有機碳含量的變化正好相反;單播紫花苜蓿草地鈣鍵結合有機碳占總有機碳的比例亦與其含量變化相反,這是由于有機碳含量增加所起到的稀釋作用所致。

表4 不同播種方式土壤鈣鍵結合有機碳含量比較Table 4 Comparison of the content of Ca-bound organic carbon in different sowing ways g/kg

表5 不同播種方式土壤鈣鍵結合有機碳占總有機碳比例Table 5 Comparison of the proportion of Ca-bound organic carbon accounting for total organic carbon in different sowing ways%

2.5 播種方式對土壤鐵鋁鍵結合有機碳含量的影響

0～40 cm土層內,各處理土壤鐵鋁鍵結合有機碳含量隨深度增加表現不一(表6),單播紫花苜蓿草地是先降后升;單播無芒雀麥、隔行混播草地是先升后降;同行混播草地則是逐漸降低。鐵鋁鍵結合有機碳占總有機碳的比例隨著深度的增加各處理均表現為增加(表7)。0～40 cm土層土壤鐵鋁鍵結合有機碳含量的平均值以隔行混播草地最高,其次為單播紫花苜蓿草地,二者均極顯著高于單播無芒雀麥和同行混播草地(P<0.01)。0～10 cm土層各處理土壤鐵鋁鍵結合有機碳含量差異不顯著(P>0.05);10～20和20～30 cm土層,隔行混播草地鐵鋁鍵結合有機碳含量均顯著高于其他處理(P<0.05);30～40 cm土層隔行混播與單播紫花苜蓿處理間差異不顯著(P>0.05),但二者極顯著高于同行混播和單播無芒雀麥處理。

表6 不同播種方式土壤鐵鋁鍵結合有機碳含量比較Table 6 Comparison of the content of Fe(Al)-bound organic carbon in different sowing ways g/kg

表7 不同播種方式土壤鐵鋁鍵結合有機碳占總有機碳比例Table 7 Comparison of the proportion of Fe(Al)-bound organic carbon accounting for total organic carbon in different sowing ways %

3 討論

隨著畜牧業(yè)的發(fā)展和我國農業(yè)產業(yè)結構調整的不斷推進,牧草的作用已經越來越被廣大農民所重視,大力發(fā)展牧草產業(yè)已經逐步成為提高農業(yè)綜合效益的重要手段。發(fā)展農區(qū)草業(yè)將醞釀一次對耕地農業(yè)的革命,不僅為改進農業(yè)系統提供最初的動力,發(fā)掘農區(qū)草地資源,解放巨大食物資源潛力,保證糧食安全[23];而且可以通過土地利用方式的改變達到固碳增匯的目的。

土壤有機碳含量是土壤管理、氣候、植被覆蓋等各種因素綜合影響下有機碳輸入與輸出之間動態(tài)平衡的結果[24,25]。牧草地上部分由于收割而移出土壤系統,地下部分進入土壤的量和分布深度及地上掉落物則可能成為影響土壤總有機碳含量的主要因素。本研究表明無芒雀麥對表層有機碳的積累影響顯著,而紫花苜蓿對深層有機碳積累顯著。0～20 cm土層其他處理均高于單播紫花苜蓿處理正是由于無芒雀麥大量的淺層須根及凋落物腐爛歸還所致;20～40 cm土層單播紫花苜蓿草地有機碳明顯增加則是由于紫花苜蓿根系入土較深,相應歸還土壤的植物殘體量較大;而混播條件下由于紫花苜蓿與無芒雀麥間相互競爭從而抑制了其對深層生物量的貢獻率,最終使有機碳歸還量降低,這也佐證了植物根系的分布是影響深層土壤中有機碳垂直分布的主要因素。同期試驗表明,混播下紫花苜蓿地上部分由于種間競爭亦受到顯著影響,紫花苜蓿的株高隔行混播與同行混播均低于單播草地[26]。各處理在0～40 cm土層內總有機碳平均值以單播紫花苜蓿草地最大,為9.05 g/kg,隔行混播草地次之(9.04 g/kg),二者無顯著差異(P>0.05);它們均極顯著高于單播無芒雀麥草地和同行混播草地(P<0.01)?？梢钥闯霾煌幕觳シ绞綄ν寥烙袡C碳含量有較大影響,隔行混播有利于有機碳的累積,而同行混播則不利于有機碳的累積。

土壤有機碳穩(wěn)定性指土壤有機碳在一定條件下抵抗外界因素干擾水平的能力。土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性關系到其分解的難易,是評價土壤有機碳的動態(tài)質量指標[15]。土壤有機碳穩(wěn)定性取決于土壤有機碳不同組分的構成及其與環(huán)境的相互作用,不同的有機碳組分有著不同的來源,且對影響因素有著不同的響應機制。研究土壤有機碳穩(wěn)定性的理論意義在于找出能維持和提高土壤有機碳儲量的經營措施和調控因子。本試驗隔行混播草地有機碳氧化穩(wěn)定系數最大,其次為同行混播草地,二者與單播草地差異顯著(P<0.05),可以說明合理混播條件有利于土壤有機碳的穩(wěn)定,更能發(fā)揮退耕還草固碳減排的積極作用。以往的研究表明土壤有機碳與無機礦物結合而形成的有機無機復合體是構成肥力的物質基礎,也是肥力的核心,它們在保肥供肥過程中起著重要的作用,這一點已被大多數學者所證實[27]。而有機碳在土壤中的固定機制則十分復雜,前人研究認為通過鈣鍵或鐵鋁鍵結合是重要的存在形式,鈣鍵結合有機碳是外圈配合產物,鐵鋁鍵結合有機碳是內圈配合產物,其穩(wěn)定性不同,而且形成環(huán)境也不同[28]。水熱條件不同的地帶性土壤中存在著不同類型和比例的有機礦質復合體,從南往北,隨著鈣飽和度的增加主要形成鈣鍵結合有機礦質復合體,而南方酸性土壤中存在豐富的鐵鋁氧化物,主要形成鐵鋁鍵有機礦質復合體[29]。但在本試驗中發(fā)現,雖然地處鹽基飽和度很高的石灰性土壤帶,但土壤有機碳化學結合方式上并非以鈣鍵結合為主,而是仍以鐵鋁鍵結合為主,各處理不同層次鐵鋁鍵有機碳含量均顯著高于相應鈣鍵結合有機碳,一般高出3～5倍。這可能與多年的土地利用消耗大量鈣素營養(yǎng)(除有機肥外也無鈣肥施入),從而降低鈣鍵結合有機碳含量有關,其原因還有待于進一步研究。

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