吳旭東，張曉娟，謝應(yīng)忠，2＊，徐坤，楊菁

（1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學草業(yè)科學研究所，寧夏 銀川750021；3.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川750021）

紫花苜蓿（Medicagosativa）是我國人工草地種植面積最大的草種，對于西北生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)修復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤肥力增強有著重要作用。另外，苜蓿的根瘤能夠固定空氣中的游離態(tài)氮，能增加土壤有機質(zhì)與氮素的含量［1］。

土壤表層（0～1m土層）有機碳庫大約有1 550Pg（1Pg＝1015g），其儲量大約是大氣碳庫的3倍，生物有機體碳庫的3.8倍，為地球表層最大的有機碳庫［2－5］。土壤有機碳會受到人為干擾形成不同的土壤有機質(zhì)的輸入和輸出方式，進而影響土壤碳儲量的變化［6］。在過去的幾個世紀中，土地利用和植被變化改變了陸地面積的1/3～1/2土壤有機碳儲量［7］，使得土壤有機碳發(fā)生顯著變化。目前研究較多的是森林、草地、濕地和農(nóng)田以及它們之間的轉(zhuǎn)換對土壤有機碳的影響。高亞琴等［8］研究發(fā)現(xiàn)隴中黃土高原地區(qū)人工種植苜蓿3年、5年和8年生后對0～20cm土壤有機碳平均固存率有一定提高。但不同種植年限和不同地域的研究結(jié)果不同，Post和Kwon［9］對全球范圍研究結(jié)果的綜述表明，人工種植草地的平均碳固存率為0.332mg/（hm2·a）。由此可見，土壤有機碳基礎(chǔ)含量很低的貧瘠土壤種植人工草地后表現(xiàn)出明顯的碳固存效應(yīng)，有很強碳固存潛力。

土壤酶（soil enzyme）在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動方面扮演著重要角色，是生態(tài)系統(tǒng)的生物催化劑，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。土壤酶活性反映了土壤中各種生物化學過程的強度和方向，可以作為評價土壤肥力狀況的指標，也是反映土壤質(zhì)量的生物活性指標［10］。

苜蓿改良土壤的作用已得到許多研究的肯定，但大多是研究苜蓿地土壤理化性質(zhì)［11］。本試驗主要通過比較不同種植年限紫花苜蓿人工草地土壤有機碳及其碳密度和土壤酶活性的垂直分布差異，研究種植年限對紫花苜蓿人工草地土壤碳庫及土壤酶活性的影響，為合理評價人工種植苜蓿對土壤的碳匯效應(yīng)及對土壤的改良與管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)為典型的溫帶半干旱氣候，年平均氣溫8.5～9.0℃，≥10℃年有效積溫3 135～3 272℃，晝夜溫差10～15℃，年平均降水量在180～200mm，無霜期150d左右，年日照時數(shù)3 030h，日照率67%，為賀蘭山東麓沖積扇與黃河沖積平原之間的寬闊地帶。試驗在賀蘭山農(nóng)牧場進行，地理坐標為38°32′N，106°05′E，土壤為淡灰鈣土，為當?shù)刂饕寥李愋?。土壤全鹽含量0.76g/kg，全氮含量0.84g/kg，有機質(zhì)含量11.04g/kg，堿解氮73.68 mg/kg，速效磷13.80mg/kg，速效鉀111.76mg/kg，pH 8.42。農(nóng)場目前種植苜蓿面積約2.7萬hm2，栽培年齡最長的為8年，最短的為1年，均年內(nèi)刈割4次，全部采用揚黃灌溉，均年苜蓿地施40kg/hm2尿素，12kg/hm2磷肥，3.5kg/hm2鉀肥。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的選取 于2012年4月選取賀蘭山農(nóng)牧場不同種植年限的紫花苜蓿地（1，3，4，5，8年），供試紫花苜蓿品種為阿爾岡金（Algonquin），由美國引進。試驗田為2004，2007，2008，2009，2011年春播的紫花苜蓿地，地力及栽培管理一致。

1.2.2 樣品采集與處理 2012年4月下旬在各個樣地內(nèi)（表1），采用土鉆法，按“S”形取土壤樣品，每塊樣地3個重復(fù)，取樣深度為0～100cm，0～20cm每10cm一層，20～80cm每20cm一層。每層均為5點混合樣，每個采樣點取樣3個重復(fù)。同時挖取土壤剖面，每塊樣地為3個重復(fù)，用環(huán)刀法測定每層土壤容重，剖面內(nèi)各取3個重復(fù)。土壤樣品自然風干后，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，風干后過1.00和0.25mm篩。過1mm篩的土樣用于測定土壤酶活性，過0.25mm篩的土樣用于測定土壤有機碳，每一測定項目做3個重復(fù)。土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定［12］，過氧化氫酶的測定是基于過氧化氫與土壤相互作用時，用高錳酸鉀滴定酶促反應(yīng)前后過氧化氫的量，由二者之間的差求出分解過氧化氫的量，以此來表示酶的活性，以單位土重的0.1 mol高錳酸鉀mL數(shù)表示土壤過氧化氫酶活性［13］。蔗糖酶的測定用3，5－二硝基水楊酸比色法。土壤的蔗糖酶活性，以24h后1g土壤葡萄糖的mg數(shù)表示［13］。脲酶的測定用靛酚蘭比色法，以24h后每100g土的NH3－N的mg數(shù)表示土壤的脲酶活性［13］。

表1 土壤采樣點基本信息Table 1 Characteristics of soil sampling sites

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用軟件SAS 8.0和Microsoft Excel 2003進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和繪圖。

有機碳密度（kg/m2）的計算式為：有機碳密度＝有機碳含量×土壤容重×土層厚度，100cm土層有機碳密度為各層有機碳密度之和。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限苜蓿地土壤有機碳含量及其碳密度垂直分布特征

不同種植年限紫花苜蓿地土壤有機碳含量及其碳密度垂直分布存在顯著差異（P＜0.05）（圖1，表2）。表現(xiàn)為：1～8年0～100cm土壤平均SOC含量分別為4.519，4.865，5.120，5.348和3.334g/kg，各土壤剖面SOC含量主要集中在0～40cm深度內(nèi)，分別占0～100cm土壤有機碳含量的69.7%，65.8%，73.8%，70.0%和67.2%，SOC含量自40cm以下急劇下降，但不同年限下降程度不同。根據(jù)測定的土壤容重（表1）進行土壤有機碳密度計算（表2），結(jié)果表明，1～8年0～100 cm土壤平均SOC密度分別為1.148，1.217，1.231，1.398和0.840kg/m2，0～40cm 表層約占54.8%～61.8%。對整個0～100cm土層不同年限苜蓿地土壤碳密度與有機碳含量表現(xiàn)的規(guī)律性一致，0～100cm土壤有機碳含量及其碳密度均以5年苜蓿地最高，依次為8年（19.9g/kg和5.04kg/m2）＜1年（27.7 g/kg和 6.77kg/m2）＜3 年 （29.7g/kg 和 7.26 kg/m2）＜4 年 （30.4g/kg 和 7.38kg/m2）＜5 年（32.2g/kg和8.53kg/m2）。

圖1 不同種植年限苜蓿地（0～100cm）土壤有機碳含量及其碳密度Fig.1 The concentration of soil organic carbon（SOC）and soil organic carbon density（SOCd）（0－100cm）of alfalfa with different plantation time

由以上分析可知，隨種植年限的增加，土壤有機碳含量及其碳密度都有所提高，不同年限苜蓿地土壤有機碳及其碳密度垂直分布均為表層大于底層。土壤有機碳含量主要決定于植被每年的歸還量和分解速率，歸還量大、分解速率緩慢會造成土壤積累較多有機碳［12］。由于受種植年限及刈割頻率的影響，不同年限苜蓿地枯落物總量、土壤容重及枯落物分解程度不同，導(dǎo)致同一區(qū)域不同年限苜蓿土壤有機碳含量及其碳密度也會有差異變化，相比之下，表層土壤容重小，土壤通氣性、結(jié)構(gòu)性好、枯落物多，微生物較多，利于有機碳的積累；而隨著土層加深有機物輸入量減少，土壤通氣性明顯下降，微生物較少，養(yǎng)分循環(huán)較慢，因而深層土壤有機碳含量顯著低于表層。

綜合上述結(jié)果，不同種植年限苜蓿地土壤有機碳含量的垂直分布格局及其在同一土層內(nèi)的分布表現(xiàn)出差異性。這可能是不同種植年限苜蓿地的凋落物量、根系分布及其活動特點及土壤微生物環(huán)境綜合作用的結(jié)果。土壤有機碳含量較低，是由于刈割頻率高，地上部分被帶走使得枯枝落物少，土壤有機碳的補充較少，而且耕作會使有機質(zhì)暴露，加速其分解；同時耕作過程能夠增加土壤中微生物的數(shù)量，增強其活性，加快有機質(zhì)的降解速度。

2.2 不同種植年限苜蓿地土壤酶活性垂直分布特征

3種土壤酶活性都隨著土層加深和種植年限的增加而呈降低趨勢，表層及次表層酶活性顯著降低（表3）。具體為，隨種植年限的延長，土壤脲酶活性在各個層次上都顯著減少，表層（0～10cm）和次表層（10～20cm）尤其顯著；土壤脲酶活性主要集中在0～20cm深度，且1年（18.5mg/kg·24h）和3年生（17.4mg/kg·24h）苜蓿地明顯高于8年生（14.2mg/kg·24h）苜蓿地，4年（9.3mg/kg·24h）和5年生（6.7mg/kg·24h）苜蓿地最低；0～100cm土壤平均脲酶活性表現(xiàn)為5年（2.85mg/kg·24h）＜4年（2.91mg/kg·24h）＜8年（4.37mg/kg·24h）＜1年（4.45mg/kg·24h）＜3年（6.85mg/kg·24h）。1～8年平均過氧化氫酶分別為2.51，2.68，2.64，1.78和1.75mL/g，隨種植年限延長呈現(xiàn)顯著下降趨勢；各土壤剖面過氧化氫酶在各土層分布基本均勻，但土壤表層0～20cm土壤過氧化氫酶隨苜蓿生長延長顯著增加，1～8年過氧化氫酶分別為4.49，3.19，5.00，5.84和5.66mL/g。土壤平均蔗糖酶活性4年生苜蓿地最高（0.175mg/kg·24h），以后依次為1年（0.16mg/kg·24 h）＞5年（0.13mg/kg·24h）＞3年（0.10mg/kg·24h）＞8年（0.07mg/kg·24h）生苜蓿地，各土壤剖面蔗糖酶活性主要集中在0～20cm深度內(nèi)，自20cm以下逐漸下降，但下降水平在不同剖面差異性不顯著（P＞0.05）。

3 結(jié)論與討論

土壤有機碳含量及其碳密度的提高，主要來源于動植物殘體和植物枯落物，對不同種植時間苜蓿地土壤有機碳及其碳密度垂直分布特征分析表明，隨生長時間增長，不同種植年限苜蓿地土壤有機碳含量的垂直分布格局及其在同一土層內(nèi)的分布表現(xiàn)出差異性。隨種植年限的增加，土壤有機碳含量及其碳密度都有所提高，在苜蓿種植5年增加最明顯；苜蓿地土壤有機碳及其碳密度垂直分布均為表層大于底層，1～8年苜蓿地都表現(xiàn)出土壤有機碳含量及其碳密度的表聚性，種植3，4，5年的苜蓿地與種植1年苜蓿地相比較，土壤有機碳含量及其碳密度水平都得到了不同程度的提高，土壤結(jié)構(gòu)也將得到改善，這表明種植苜蓿對土壤有機碳有累積作用，能夠改良土壤，提高土壤肥力。然而，大量的苜蓿落葉和落枝才是苜蓿人工草地土壤有機碳重要來源，根系也可通過向土壤輸送有機碳，但生長年限長的苜蓿平均蓋度較低；另外，種植年限和刈割是影響土壤有機碳含量及其碳密度垂直分布差異的主要原因，可以通過不斷進行補種更新和減少刈割次數(shù)，使土壤有機碳儲量保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。種植8年的苜蓿地的土壤有機碳含量及其碳密度較低的原因是由于刈割時地上部分被大量帶走，大大減少了植被對土壤的歸還量；還有一方面是由于該地區(qū)5－10月氣溫偏高，加之有足夠的灌水量，使土壤溫度和濕度得到改善，好氧微生物活動頻繁，在一定程度上促進了土壤呼吸作用，加速了土壤有機碳的分解［14］，這些因素綜合作用，使得8年生苜蓿地土壤有機碳密度、平均土壤有機碳含量水平低于其他各年份。因此認為種植年限和刈割是影響土壤有機碳垂直分布格局的主要因素。

3種土壤酶活性都隨著土層加深和種植年限的增加而呈降低趨勢，表層及次表層酶活性顯著降低，這與邰繼承等［15］及馬云華等［16］的研究結(jié)果相似，邰繼承等［15］研究發(fā)現(xiàn)0～40cm 土層內(nèi)，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性2年生紫花苜蓿地均相應(yīng)高于5年生紫花苜蓿地，且各土壤酶活性均隨土層深度的增加而遞減。以上分析反映出，土壤脲酶活性與土壤剖面深度有直接的關(guān)系，脲酶活性隨剖面深度的增加而顯著減小，隨苜蓿種植年限的延長，土壤脲酶活性在各個層次上都顯著減少，表層和次表層尤其顯著，這反映了苜蓿根系在土壤下層逐漸衰退和土壤下層比較緊實而導(dǎo)致苜蓿根系無法深入。因此，脲酶活性的增加與各層次苜蓿根系的固氮水平的高低是同步的［17－20］。與脲酶相似，土壤蔗糖酶的活性可以反映土壤中有機質(zhì)、氮、磷含量、微生物數(shù)量及土壤呼吸強度。人們常用土壤的蔗糖酶活性來表征土壤的熟化程度和肥力水平［14］。表3反映了蔗糖酶的活性隨剖面深度的加深而減小，但隨種植年限的延長而減少，在表層則達到顯著的差異水平。這一趨勢與土壤有機碳的表聚性相一致，因為植物殘體的補充以表層為主，表層很高的蔗糖酶水平促進了碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的活化，會刺激苜蓿根系向表層擴展。同樣，土壤過氧化氫酶隨種植年限延長呈現(xiàn)顯著下降趨勢，但土壤表層0～20cm過氧化氫酶隨苜蓿生長延長顯著增加，表明表層土壤環(huán)境因種植年限的影響而趨于不穩(wěn)定。通過本試驗揭示了土壤脲酶、過氧

化氫酶和蔗糖酶活性主要積累在表層，酶分解釋放的營養(yǎng)元素對從本質(zhì)上改善深根系的營養(yǎng)狀況所起的作用受到限制。所以，在寧夏賀蘭山東麓淡灰鈣土區(qū)，應(yīng)該保護好凋落物是增加土壤有機碳，增強土壤酶活性，促進土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和提高土壤肥力。

表3 不同種植年限苜蓿地土壤剖面土壤酶活性Table 3 Soil enzyme activity of alfalfa with different plantation time

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