張 濤，劉 陽，袁 航，張 巖，侯扶江

(蘭州大學草地與農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

國家在草原牧區(qū)和半農(nóng)半牧區(qū)實施了退牧還草等重大生態(tài)工程，正在建立草原生態(tài)補償機制，草原生產(chǎn)方式正在發(fā)生最深刻的歷史變革，由放牧向舍飼或放牧與舍飼相結(jié)合轉(zhuǎn)變，將出現(xiàn)越來越多的栽培草地，形成家畜、飼草作物和天然草地互作的草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[1]。草地開墾導致土壤性質(zhì)的變化[2]，特別是土壤碳庫的改變，對全球氣候變化產(chǎn)生深遠影響。Mensah等[3]指出,退耕還草使土壤表層有機碳含量增加,而草地開墾則降低土壤有機碳含量。國內(nèi)學者對典型溫帶草原的研究[4]也表明，溫帶草原土地利用方式的改變對草原土壤全氮和有機碳含量變化影響明顯,其中貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草原經(jīng)28年農(nóng)墾,其0～100 cm土壤全氮和有機碳含量比未開墾草原分別減少8.8%和14.8%，而輪牧則增加了土壤碳和氮含量。喬有明等[5]研究指出，青海湖北岸封育和放牧草地土壤有機碳和全氮均高于耕地。在農(nóng)牧交錯帶以種植小麥(Triticumaestivum)地為對照,退耕還草后,土壤0～20 cm速效磷、鉀含量均提高[6]；北方草地開墾6～8 年,有機質(zhì)含量減少50%[7]。

青藏高原是全球最獨特的生態(tài)區(qū)域之一，土壤對農(nóng)業(yè)措施響應敏感。為此，研究高寒草甸開墾種植燕麥(Avenasativa)對土壤理化性質(zhì)的影響，可為以牧區(qū)為反應灶通過農(nóng)牧耦合發(fā)展草地農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 試驗在蘭州大學瑪曲草地農(nóng)業(yè)試驗站進行，該站位于甘肅省瑪曲縣阿孜畜牧高科技園區(qū)，35°58′ N，101°53′ E，海拔3 500 m左右。年均氣溫1.2 ℃，1月平均氣溫-10 ℃,7月平均氣溫11.7 ℃，年日照時數(shù)約2 580 h，年平均霜日大于270 d，無絕對無霜期，只有冷暖季之分。年均降水量約為620 mm，主要集中在5-9月；土壤類型為亞高山草甸土[8-9]。植被以嵩草屬(Kobresia)、苔草屬(Carex)、針茅屬(Stipa)、羊茅屬(Festuca)、披堿草屬(Elymus)和早熟禾屬(Poa)等為主。牧草一般在4月中、下旬開始返青，8月中、下旬開始枯黃。

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇 以放牧的天然草地作為對照，處理分別為開墾后連續(xù)種植8年和20年的草地，主要種植燕麥(Avenasativa)。2010年6月播種，10月初收獲、調(diào)制干草。播種前施當?shù)丶倚蠹S便等有機肥，施肥量20 t·hm-2，無灌溉。

1.2.2樣品分析 于2010年10月，在每個試驗樣地用土鉆鉆取0～60 cm每10 cm的土壤樣品，10個點混合為一個土壤樣品，3次重復。

風干土樣過0.25 mm篩待測，土壤容重采用環(huán)刀法測定,土壤含水量采用烘干法測定；土壤有機碳含量(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；全氮含量采用凱氏法測定；速效氮含量采用堿解-擴散法測定，全磷含量采用FIAstar 5000全自動流動注射儀(瑞典FOSS公司)測定，速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定。

1.2.3數(shù)據(jù)處理 用SPSS 13.0進行相關(guān)性分析和LSD差異顯著性分析，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤含水量和容重 0～60 cm土層含水量天然草地和開墾種草20年草地分別顯著高于開墾種草8年草地21.2%和21.0%(P<0.05)(圖1)，天然草地和開墾種草20年草地差異不顯著(P>0.05)。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層分別蓄積了38.4%、37.7%和38.4%的土壤水分。0～60 cm土層土壤容重各利用方式間差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

2.2土壤有機碳 天然草地、開墾種草8年和20年草地0～60 cm土層有機碳含量分別為21.6、15.6和15.6 kg·m-2，天然草地有機碳含量顯著高于開墾種草草地(P<0.05)(圖2)，說明草地開墾降低土壤有機碳，開墾種草8年和20年土壤有機碳含量差異不顯著(P>0.05)。天然草地、開墾種草8年和20年草地 0～20 cm土層土壤有機碳含量分別占0～60 cm 土層的51.8%、50.2%和46.3%，隨開墾種草年限增加呈現(xiàn)降低的趨勢，年均減少0.28%，顯示出開墾種草對表層土壤有機碳影響較大。

2.3土壤全氮及速效氮 0～60 cm土壤全氮含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地(圖3)，天然草地分別比開墾種草8年和20年草地高26.3%和40.1%(P<0.05)，草地開墾顯著降低土壤全氮含量，而且隨著開墾種草年限的增加，土壤全氮含量顯著下降(P<0.05)。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層土壤全氮含量分別占0～60 cm 土層的49.1%、49.5%和49.4%。

圖1 不同利用方式土壤物理性質(zhì)Fig.1 Soil physical properties under different land use conditions

圖2 不同利用方式土壤有機碳變化Fig.2 Soil organic carbon dynamics under different land use conditions

0～60 cm土壤速效氮含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地(圖3)，天然草地分別比開墾種草8年和20年草地高12.7%和35.6%(P<0.05)，與土壤全氮的變化趨勢相似。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層土壤速效氮含量分別占0～60 cm 土層的53.1%、55.6%和55.0%，比例均略高于土壤全氮(P<0.05)。植物根量主要集中在上層土壤，對土壤營養(yǎng)元素的利用較強，說明高寒牧區(qū)上層土壤中氮的礦化作用強于下層土壤。

2.4土壤全磷及速效磷 0～60 cm土壤全磷含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地(圖3)，天然草地分別比開墾種草8年和20年草地高22.9%和43.4%(P<0.05)，可見草地開墾后，隨種草年限的增加土壤全磷含量逐漸下降。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層全磷分別占0～60 cm土層的37.3%、35.9%和35.8%，表明高寒牧區(qū)土壤剖面上全磷的分布較為均勻。

0～60 cm土壤速效磷含量天然草地>開墾種草20年草地>開墾種草8年草地(圖3)，天然草地分別是開墾種草8年和20年草地的3.3和2.9倍(P<0.05)，結(jié)果表明草地開墾后速效磷含量顯著降低，但不同開墾種草年限之間差異不顯著(P>0.05)，耕地速效磷降低幅度遠大于全磷，說明開墾種草顯著改變了磷的礦化和利用模式。天然草地、開墾種草8年和20年草地0～20 cm土層速效磷分別占0～60 cm 土層的31.1%、36.0%和39.3%。

圖3 不同利用方式土壤化學性質(zhì)變化Fig.3 Soil chemical properties under different land use conditions

2.5土壤有機碳與氮、磷關(guān)系 土壤全氮、速效氮與有機碳均呈線性相關(guān)(圖4)(P<0.05)。各處理間土壤有機碳/全氮差異不顯著，為9.8～14.2。各處理有機碳/全磷均為表層土最高，其中天然草地顯著高于開墾種草8年草地18.5%(P<0.05)。

3 討論

土壤有機碳是土壤的主要養(yǎng)分指標，也是形成土壤結(jié)構(gòu)的重要因素，直接影響土壤肥力、持水力和抗侵蝕能力等[10],而土壤氮素對作物產(chǎn)量具有重要影響[11]。草地利用格局的變化(開墾)和人類生產(chǎn)活動(放牧)都會改變土壤元素循環(huán)。本研究中草地開墾種草后，0～60 cm土層土壤有機碳、全氮和全磷含量20年降低了27.88%、28.62%和30.25%；與孫志高等[12]和顏淑云等[13]的研究結(jié)果類似。原因可能是土壤中碳輸入的主要途徑是植物凋落物及根系分解[14]，燕麥大都齊地面刈割，地上植物基本沒有營養(yǎng)元素歸還；另外燕麥收割后，耕地從10月至次年5月播種前一直處于裸露狀態(tài)，表層土壤有機質(zhì)充分暴露在空氣中，促進了土壤呼吸，加快了土壤有機質(zhì)的分解，使土壤中有機碳大量釋放[15-16]。另一方面，耕作使土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低了土壤物理保護作用，使土壤有機質(zhì)加速礦化分解[17]。青藏高原惡劣的氣候也加速了耕地的水土流失[18]。

圖4 不同利用方式土壤氮磷含量與有機碳關(guān)系Fig.4 Correlation of soil organic carbon with contents of soil nitrogen and phosphorus under different land use conditions

土壤全磷含量天然草地>開墾種草8年草地>開墾種草20年草地，草地開墾種草20年后，土壤全磷含量顯著降低。土壤―植物系統(tǒng)磷素循環(huán)主要方式是植物對磷的吸收和歸還[12],收割減少土壤磷素歸還,隨著耕作時間的增加，其含量逐漸降低。天然草地速效磷含量顯著高于耕地，可能原因是青藏高原草地土壤pH值低于耕地[19]，利于Ca-P的轉(zhuǎn)化和溶解，而草地凋落物的歸還和根系分泌物對磷的活化[20]，也增加了草地速效磷含量。燕麥收割帶走大量速效養(yǎng)分；收獲后，地表裸露，可溶性磷因降雨、流水等淋溶損失較大。土壤速效磷含量還受土壤全磷和土壤微生物影響[21-22],而土壤微生物又受到植物群落、草地管理措施等影響。

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