田福平，師尚禮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站，甘肅 蘭州 730050)

紫花苜蓿草地土壤碳密度年際變化研究

田福平1，2，師尚禮1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站，甘肅 蘭州 730050)

為了闡明紫花苜蓿草地土壤碳密度的年際變化規(guī)律，以長期定位試驗的紫花苜蓿(Medicagosativa)草地為研究對象，通過大田測定和實驗室分析，研究了不同生長年限紫花苜蓿草地土壤碳密度。結(jié)果表明：隨著紫花苜蓿生長年限的增加，土壤有機(jī)碳含量增加，土壤碳密度提高。不同生長年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度在0～100 cm土層的分布規(guī)律為隨土層深度的增加而降低。不同年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量均為0～10 cm表層最高，其土壤有機(jī)碳含量大小順序為：1年齡(6.39 g/kg)<2年齡(6.75 g/kg)<3年齡(7.52 g/kg)<4年齡(8.76 g/kg)<5年齡(9.16 g/kg)。不同年限的紫花苜蓿草地土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，隨著生長年限的增加，土壤有機(jī)碳密度顯著提高，其中100 cm的土壤有機(jī)碳密度平均值5年齡最高(8.38 kg/m2)，比1年齡、2年齡、3年齡和4年齡分別增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

紫花苜蓿；年際變化；土壤有機(jī)碳；土壤碳密度

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫[1]，與植被碳儲量相比，土壤碳儲量十分巨大，其較小幅度的變化就可能影響到整個生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的變化[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，其土壤碳儲量在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起著重要作用[3,4]。土壤有機(jī)碳是土壤碳庫最基本的部分，也是決定生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性的土壤關(guān)鍵組分[5-7]。因此，國內(nèi)外有關(guān)土壤有機(jī)碳已經(jīng)開展了大量研究[7-10]。目前，我國草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲存過程以及相關(guān)研究還處于起步階段，前期科研力量不足，國家針對性政策出臺較晚[11]。因此，大量積累人工草地土壤碳儲量數(shù)據(jù)，深入開展草地土壤的固碳機(jī)制對準(zhǔn)確評估草地在我國乃至全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的地位有深遠(yuǎn)意義。

紫花苜蓿草地是我國栽培面積最大的人工草地，也是目前世界分布最廣的豆科牧草[12]。到2011年全國苜蓿種植面積達(dá)到377.5萬hm2[13]，苜蓿草地作為黃土高原地區(qū)主要的人工草地生態(tài)系統(tǒng)，長期種植苜蓿能夠起到固碳和提高土壤養(yǎng)分的作用[14,15]。該研究以黃土高原不同生長年限的紫花苜蓿人工草地為研究對象，分析不同生長年限紫花苜蓿草地土壤碳密度，為黃土高原地區(qū)紫花苜蓿人工草地碳儲量的準(zhǔn)確評估及其管理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站進(jìn)行，該站位于甘肅省蘭州市七里河區(qū)彭家坪鄉(xiāng)龔家灣村大洼山，地理位置E 103°45′，N 36°01′，海拔1 750 m，屬于蘭州盆地黃河南岸三級階地。年均降水量324.5 mm，主要集中在7、8、9 月，年蒸發(fā)量1 450.0 mm，日照時數(shù)2 751.4 h；年均溫9.3℃，極端最高溫39.1℃，最低溫-23.1℃?！?℃的年活動積溫3 700℃，≥10℃的活動積溫1 900～2 300℃，無霜期135～167 d，年相對濕度61%～66%，干燥度1.25～1.58。屬于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)，主要為梁狀丘陵地貌，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)風(fēng)成黃土，土壤類型為灰鈣土。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)長期的苜蓿大田定位試驗，供試的紫花苜蓿品種為中蘭1號紫花苜蓿(Medicagosativacv.ZhongLan No.1)，于2008年4月17日按條播方式播種，行距33.3 cm，播種量12.0 kg/hm2，播種面積為360 m2(24 m×15 m)，播前樣地為高粱地，播種前0～50 cm，試驗地播種和播后均不施肥，只進(jìn)行人工除草。以不同生長年齡的苜蓿地作為試驗處理：(1)1年齡，2008年測定；(2)2年齡，2009年測定；(3)3年齡，2010年測定；(4)4年齡，2011年測定；(5)5年齡，2012年測定。不同生長年限均采用統(tǒng)一的田間管理方式，每年4月初采用漫灌方式澆水1次，10月中下旬采用漫灌方式澆足冬灌水。試驗地初期土壤的基本理化性狀(表1)。

表1 試驗地初期土壤的基本理化性狀Table1 Basic soil properties of preliminary stage experiment

1.3 測定方法

1.3.1 容重測定及土壤樣品采集 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測定，選取代表性樣地內(nèi)3個50 cm×50 cm的樣方挖取100 cm的土層，采用環(huán)刀法測定土壤容重[17]。用環(huán)刀按照0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50～60，60～70，70～80，80～90，90～100 cm的深度從上至下依次取樣，分裝并寫好標(biāo)簽，分層取一部分土樣用烘干法測定土壤含水量；另取一部分土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干，研磨細(xì)，0.5 mm過篩，用于土壤碳含量和養(yǎng)分的測定。

1.3.2 測定指標(biāo)與方法 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定[18,19]。

1.3.3 土壤碳密度計算 100 cm土層有機(jī)碳密度為各層有機(jī)碳密度之和，計算各樣方土壤有機(jī)碳密度[20]：

SCDi=∑(Ci×di×Di)

式中：SCDi表示不同單播人工草地一定土層土壤中有機(jī)碳的總量，即土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，di為第i層土壤容重(g/cm3)，Di為第i個土層的深度(cm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析方法

繪圖采用Office Excel 2007，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS 17.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿草地土壤容重的年際變化

根據(jù)不同土層測定的土壤容重，來計算不同生長年限紫花苜蓿草地0～100 cm的土壤碳密度。隨著紫花苜蓿生長年限的增加，土壤容重逐漸變小。在30～70 cm土層，1年齡的苜蓿土壤容重均大于其他生長年限的，且與其他年限的差異顯著(P<0.05)。不同生長年限的紫花苜蓿0～30 cm的土壤容重均小于1.35 g/cm3，30～60 cm土壤容重較大，70～100 cm又降低。這與表層前期的人工擾動、土壤質(zhì)地及苜蓿生長均有關(guān)(圖1)。

2.2 苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量的年際變化

土壤有機(jī)碳含量的多少是土壤肥力高低的重要標(biāo)志，也是土壤碳密度計算的主要測定指標(biāo)。在0～50 cm的土層，不同生長年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量差異均顯著(P<0.05)，隨著土層深度的增加差異逐漸不顯著。土壤有機(jī)碳含量為0～10 cm最高，不同生長年限0～10 cm的土壤有機(jī)碳含量為：1年齡(6.39 g/kg)<2年齡(6.75 g//kg)<3年齡(7.52 g/kg)<4年齡(8.76 g/kg)<5年齡(9.16 g/kg)，其他土層也基本符合隨生長年限增加，土壤有機(jī)碳含量提高的規(guī)律(圖2～6)。土壤有機(jī)碳含量土壤剖面分布特征為隨著土層深度增加依次減少，但不同生長年限土壤有機(jī)碳含量隨深度增加而減少的程度不同。1年齡、2年齡、3年齡的土壤有機(jī)碳含量在80～90 cm的土層差異均不顯著(P<0.05)，但4年齡和5年齡差異顯著(P<0.05)。土壤有機(jī)碳含量的垂直分布中，總體上呈自上向下逐漸降低的趨勢。

2.3 苜蓿草地土壤碳密度的年際變化

圖1 不同生長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況為：不同生長年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在同一土層存在顯著差異，但4年齡和5年齡在0～90 cm每一土層的差異均不顯著(P<0.05)(表2)。同一土層均為5年齡的土壤碳密度最高，從1年齡到5年齡均持續(xù)增加，土壤有機(jī)碳密度在不同年限不同土層表現(xiàn)為：5年齡>4年齡>3年齡>2年齡>1年齡，且同一土層5年齡的土壤碳密度與1年齡、2年齡和3年齡的土壤碳密度差異均顯著(P<0.05)。不同生長年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在剖面呈規(guī)律性分布，均隨著土層深度的增加而減少。

圖2 第1年生苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量Fig.2 Soil carbon content of 1-year-alfalfa grassland

圖5 第4年生苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量Fig.5 Soil carbon content of 4-year-alfalfa grassland

圖6 第5年生苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量Fig.6 Soil carbon content of 4-year-alfalfa grassland

草地土壤碳密度通常是指單位面積單位深度土體中土壤有機(jī)碳質(zhì)量，是指100 cm深度的土壤有機(jī)碳總質(zhì)量。不同生長年限紫花苜蓿草地在100 cm的平均土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，且隨著生長年限的增加100 cm的土壤有機(jī)碳密度也在顯著增加，5年齡均高于其他年限(圖7)，大小依次為：5年齡(8.38 kg/m2)>4年齡(7.75 kg/m2)>3年齡(6.32 kg/m2)>2年齡(5.37 kg/m2)>1年齡(4.38 kg/m2)。其中，100 cm的土壤有機(jī)碳密度5年齡比1年齡、2年齡、3年齡和4年齡分別增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

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

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同行不同小寫字母表示相同土層不同生長年限的土壤碳密度差異顯著(P<0.05)，下同

圖7 不同生長年限紫花苜蓿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 討論

土壤容重很大程度上決定著土壤的物理特性，表現(xiàn)在土壤含水量、通氣性以及礦質(zhì)元素的運(yùn)移等方面[21]。研究表明，土壤容重與蠶豆幼苗的根、莖干質(zhì)量均呈顯著負(fù)相關(guān)[22]。容重與植物根系的穿透阻力及生長有關(guān)[23]。研究表明，隨著生長年限的增加，土壤容重在0～100 cm土層整體表現(xiàn)為逐漸變小，這和苜蓿強(qiáng)大的根系生長有關(guān)，隨著苜蓿根系的生長，土壤容重降低。

苜蓿在促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累和培肥土壤方面具有很強(qiáng)的能力[24]。不同植物群落對土壤有機(jī)碳的影響不同，何亞龍等[25]的研究表明，在0～10 cm土層，種植苜蓿比農(nóng)田的土壤有機(jī)碳含量提高了135.5%。這說明種植苜蓿可提高土壤有機(jī)碳含量，苜蓿具有固碳作用[26]。該研究表明不同年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量存在差異，隨生長年限增加，土壤有機(jī)碳含量顯著提高。

魏巍等[27]在高寒草甸的研究表明，隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低。陳芙蓉等[28]對黃土高原典型草原土壤有機(jī)碳含量的研究表明，垂直分布中，黃土高原典型草原土壤有機(jī)碳含量總體上呈自上向下逐漸降低的趨勢，這與此次研究的結(jié)果一致。該結(jié)果表明不同生長年限的紫花苜蓿草地土壤碳密度在剖面呈規(guī)律性分布，均隨著土層深度的增加而減少。當(dāng)土地利用方式由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯げ莸?，土壤有機(jī)碳密度均有不同程度的增加，土壤表現(xiàn)為明顯的碳匯[29]。研究結(jié)果顯示，隨著生長年限的增加，土壤有機(jī)碳密度也在顯著增加，說明在1年齡至5年齡苜蓿草地土壤也表現(xiàn)為碳匯功能。

4 小結(jié)

在應(yīng)對氣候變化過程中，由于天然草地面積巨大，對草地土壤有機(jī)碳密度的大量研究主要集中天然草地[30,31]，近年來，由于人工草地高效的固碳效果，研究者逐漸開始關(guān)注有關(guān)牧草[32]和草坪草的固碳[33,34]效應(yīng)和固碳機(jī)制[35]。試驗結(jié)果表明，紫花苜蓿隨著生長年限的增加，土壤有機(jī)碳含量增加，土壤碳密度提高。不同年限的苜蓿草地土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度剖面分布規(guī)律均為隨著土層深度的增加而降低。在0～10 cm的土層，土壤有機(jī)碳含量最高。不同年限間的紫花苜蓿草地的土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，且隨生長年限的增加土壤有機(jī)碳密度也在顯著增加， 5年齡最高，為8.38 kg/m2，比1年齡、2年齡、3年齡和4年齡分別增加了91.3%、56.1%、32.4 %和8.1%。

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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

國家現(xiàn)代牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARA-35)；國家自然科學(xué)基金面上項目(31372368)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目(1610322014009)

田福平(1978-)，男，甘肅武山人，副研究員，主要從事草地生態(tài)及草種質(zhì)資源與育種的研究。 E-mail：tianfp@163.com 師尚禮為通訊作者。

S 543

A

1009-5500(2015)06-0008-06