土壤理化性状.doc

农牧交错带退耕还草对土壤理化性质的影响郭彦军 韩建国*（1 中国农业大学草地研究所，北京100094；2 西南大学动物科技学院，重庆400715）摘要: 在北方农牧交错带以马铃薯地为对照，研究了退耕地建植多年生人工草地对土壤理化性质的影响。研究结果表明，退耕地种草可提高土壤的有机碳含量，增加表层土壤的全氮含量。人工草地0-10cm土层有机碳含量较耕地平均高20.84%，土壤氮素含量平均高18.21%。退耕地种草对土壤有效磷含量、电导率和pH水平无显著影响。土壤氨态氮和硝态氮含量的变化因季节不同差异较大。耕地与人工草地土壤理化指标之间的差异在很大程度上受生长季节的影响。在评价退耕地种草效果时，选择适宜的采样季节可能更为关键。关键词：农牧交错带；人工草地；耕地；理化性质 Effects of returning cultivated land to artificial grassland on soil physical and chemical properties in the agro-pastoral transitional zone of north ChinaGUO Yan-jun HAN Jian-guo*(1 Institute of Grassland Science, China Agricultural University, 100094, Beijing; 2 College of Animal Science and Technology, Southwest University, 400715, Chongqing)Abstract: A study was carried out to analyze the effect of returning cultivated land to perennial artificial grassland on soil physical and chemical properties in agro-pastoral transitional zone of north China. The cultivated land was for potato plantation with one year fallowness. The results showed that contents of soil organic carbon and total nitrogen increased by 20.84% and 18.21% in 0-10 soil layer after returning potato lands to grasslands. Artificial grassland had no significant influence on soil available phosphorus content, electric conductivity and pH levels. Soil ammonia nitrogen and nitrate nitrogen contents changed significantly with seasons. The differences of physical and chemical indexes between cultivated land and grasslands depended upon growing seasons. It was suggested that suitable sampling season might be more important in evaluating the efficiency of artificial grasslands.Keywords: agro-pastoral transitional zone; artificial grassland; cultivated land; physical and chemical properties北方农牧交错带是我国长期人类活动所形成的传统农业与传统牧业镶嵌结合区域，约占国土面积的30%。人口数量的不断增加，加剧了当地草地土壤的开垦力度，土壤物理、化学及生物学质量严重下降1，土壤碳、氮循环发生改变2，对环境造成严重不良影响3。自国家施行退耕还草政策以来，北方农牧交错带人工草地面积不断扩大。退耕地种草被认基金项目：国家十一五专项（2006BAD16B01）作者简介：郭彦军（1974-），男，青海人，副教授，博士, 主要从事牧草营养与草地管理的教学与科研工作,email: ,* 通讯作者为是提高土壤肥力、恢复草地生态系统服务功能的有效手段之一4。在农牧交错带建植多年生人工草地可以提高土壤有机质含量5，改善土壤团聚体结构6，改善当地生态环境7。但是，退耕地种草的效果在很大程度上受制于当地水热条件和土壤本身的肥力条件8。且选择草种的不同，也会产生不同的效果9。本试验选择农牧交错带草甸草原区为研究对象，以当地较常见的农业种植模式，马铃薯休耕1年马铃薯，为参照对象，比较分析了几种人工草地对土壤碳、氮、磷及土壤电导率和pH水平的影响规律，旨在为科学合理评价人工草地在生态环境建设中的作用提供坚实的理论基础。1材料与方法1.1 试验地概况试验地位于河北省张家口市北部坝上高原塞北管理区（原沽源牧场），中国农业大学国家草地生态系统沽源野外观测站，地处内蒙古锡林郭勒草原南缘，河北省沽源县北部，东经11551，北纬4152，属高寒大陆性季风气候，一年内除夏季受东南暖湿气流影响外，较长时间受蒙古高压寒冷干旱气候控制。平均海拔1400米，年均温1.4，大于10的年积温为1513.1，无霜期100天左右，年平均降水量为300毫米（主要集中在7-9月份），年蒸发量为1785毫米，年日照时数2930.9小时。由于受长期的人为干扰，草地开垦严重，属典型的农牧交错带。试验期间及1985-2004年月平均降雨量与月平均温度见图1。1.2 样地选择本试验选择2002年退耕地建植的多年生人工草地，共5种，即扁穗冰草（Agropyron cristatum）草地、草地雀麦（Bromus riparius）草地、无芒雀麦（Bromus inermis）草地、羊草（Leymus chinensis）草地和紫花苜蓿（Medicago sativa）草地。除羊草草地植被分布较均匀外，其余草地均为条播，行距45cm。人工草地每年刈割2次，依天气情况统一进行喷灌，自2004年起，草地没有施肥。根据地形，将各草地分为4个样区，其中扁穗冰草和草地雀麦草地样区大小在500m2左右，其余草地样区大小在800m2左右。同时选择该区主要的农耕方式，马铃薯休闲1年马铃薯（10年以上），将当季休闲耕地作为对照。休闲耕地杂草植物种类有羊草、米果芹、糜子、猪毛蒿、大籽蒿和太阳花，7月盖度大小为45%。也按地形分4个样区，样区大小为800m2。休闲耕地距人工草地400m左右。草地土壤类型为沙质栗钙土。1.3 测试项目及方法2006年6月至9月，按蛇形采样法，距植株5cm处（羊草草地和休闲耕地随机采集）采集0-10cm和10-20cm土层土样，每个样区采8个点，混合后取500g土装入自封袋带到实验室。土样晾干后，制样（过1mm和0.25mm筛），贮藏于4冷藏室待测。土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾滴定法；全氮含量采用凯氏定氮法；有效磷含量采用0.5mol/L NaHCO3法；电导率和pH值测定分别采用电导法和pH计法（土水比为1：5，25）；用1 mol/L KCl 以101 的比例浸提土样，所得浸提液在流动分析仪上测定土壤硝态氮和氨态氮浓度。1.3 数据分析数据分析采用SPSS13.01统计软件，显著水平为p=0.05和p=0.01。2 结果与分析2.1人工种草对土壤有机碳的影响退耕地人工种草有增加表层土壤有机碳含量的趋势（见图2）。耕地土壤0-10cm土壤有机碳含量在16.02-18.07 g/kg之间，而人工草地土壤有机碳含量均在18.68 g/kg以上（除6月份无芒雀麦样地）。其中，草地雀麦和羊草草地土壤有机碳含量在整个生长季均显著高于耕地（p0.05），紫花苜蓿样地除6月份差异不显著外，其余月份也显著高于耕地（p0.05）。7月份所有人工草地土壤的有机碳含量均显著高于耕地（p0.05）。人工草地之间比较，无芒雀麦草地土壤有机碳含量显著低于羊草和紫花苜蓿草地（除6月份的紫花苜蓿样地和9月份的羊草草地）。10-20cm土层有机碳含量整体上低于0-10cm 土层，且人工草地与耕地之间有机碳含量的差异变小。除7月份的羊草和紫花苜蓿草地及8月份的紫花苜蓿草地土壤有机碳含量显著高于耕地外，其余均不显著。人工草地之间也只有7月份的羊草和紫花苜蓿草地有机碳含量显著高于其它草地。说明认为干扰对土壤有机碳的影响主要发生在0-10cm 的土层。图2 退耕地种草对土壤有机碳含量的影响Fig 2 The effect of artificial grassland on concentrations of soil organic carbon注(Note) ： 扁穗冰草草地(A. cristatum) 草地雀麦草地(B. riparius) 无芒雀麦草地(B. inermis) 羊草草地(L. chinensis) 紫花苜蓿草地(M. sativa) 耕地(Cultivated land)2.2人工种草对土壤全氮含量的影响退耕地人工种草显著影响表层土壤全氮含量（见图3）。耕地土壤0-10cm土壤全氮含量在1.53-1.99 g/kg之间，人工草地在1.39-2.46 g/kg之间。其中，草地雀麦、羊草和紫花苜蓿草地土壤全氮含量在整个生长季均显著高于耕地（p0.05）（除6月份羊草草地）。6月和7月的扁穗冰草草地土壤全氮含量也显著高于耕地（p0.05）。人工草地之间比较，无芒雀麦草地土壤全氮含量显著低于6、7、8月份的紫花苜蓿草地；低于7、8月份的羊草草地；低于6月份的扁穗冰草和9月份的草地雀麦草地。而8、9月份的扁穗冰草草地全氮含量又显著低于草地雀麦、羊草和紫花苜蓿草地。耕地10-20cm土层全氮含量除显著低于7月和8月的羊草和8月的紫花苜蓿草地外，其余草地没有显著增加土壤全氮含量。人工草地之间，羊草和紫花苜蓿草地6月份的土壤全氮含量显著高于草地雀麦，7月份的全氮含量高于草地雀麦和无芒雀麦，其余均无显著差异。图3 退耕地种草对土壤全氮含量的影响Fig 3 The effect of artificial grassland on concentrations of soil total nitrogen2.3人工种草对土壤硝态氮、氨态氮含量的影响硝态氮和氨态氮是土壤速效氮的主要存在形式。由图4可见，6月份耕地0-10cm土壤氨态氮含量达到10.52 mg/kg，显著高于所有人工草地（p0.05）。随着气温的逐渐升高，7月时耕地土壤氨态氮含量显著下降至5.14mg/kg。方差分析表明，耕地土壤氨态氮含量7月份显著低于草地雀麦和无芒雀麦草地，8月和9月显著低于扁穗冰草、草地雀麦和紫花苜蓿草地。人工草地之间，6月和8月土壤氨态氮含量无显著差异；7月草地雀麦氨态氮含量显著高于扁穗冰草、羊草和紫花苜蓿草地；9月扁穗冰草和紫花苜蓿草地氨态氮含量又显著高于草地雀麦、无芒雀麦和羊草草地。10-20cm土层氨态氮含量变化规律，基本与0-10cm相似。6月份耕地土壤的氨态氮含量显著高于人工草地，后期显著下降。7月和8月耕地土壤氨态氮含量显著低于人工草地（除7月份的羊草草地和8月份的无芒雀麦草地），而9月时无显著差异。从测定结果看，试验区土壤硝态氮含量整体上低于氨态氮含量（见图5）。说明土壤消化作用较弱。0-10cm 土层，耕地土壤6月份的硝态氮含量显著低于紫花苜蓿草地，7月份显著低于草地雀麦和无芒雀麦，8月显著低于无芒雀麦，9月时显著高于所有人工草地。整体上，耕地土壤0-10cm 土层硝态氮含量有逐渐增加的趋势。10-20cm土层硝态氮含量变化规律不同于0-10cm土层。耕地土壤6月份土壤硝态氮含量显著低于羊草草地，7月份显著低于草地雀麦草地，8月份显著低于草地雀麦和紫花苜蓿草地，9月份又显著高于扁穗冰草、无芒雀麦和紫花苜蓿草地。人工草地之间土壤硝态氮含量的差异随着生长季节的不同而不同。图4 退耕地种草对土壤氨态氮含量的影响Fig 4 The effect of artificial grassland on concentrations of NH4-N in soil图5 退耕地种草对土壤硝态氮含量的影响Fig 5 The effect of artificial grassland on the concentrations of soil NO3N2.4人工种草对有效磷含量的影响由图6可见，试验区土壤有效磷含量非常低，均在4mg/kg 以下。0-10cm土层，耕地土壤有效磷含量除显著高于9月份的无芒雀麦草地外，其余情况均不显著。而10-20cm土层，6月份，耕地土壤有效磷含量显著高于扁穗冰草和紫花苜蓿（p0.05）；7月时，情况刚好相反，即耕地土壤有效磷含量显著低于扁穗冰草和紫花苜蓿；8月和9月无显著差异。人工草地间，无芒雀麦草地7月和9月土层有效磷含量均显著低于扁穗冰草和紫花苜蓿（9月10-20cm土层只显著于扁穗冰草），6月和8月无显著差异。图6 退耕地种草对土壤有效磷含量的影响Fig 6 The effect of artificial grassland on the concentrations of available phosphorus in soil2.5人工种草对土壤电导率与pH水平的影响电导率是反映土壤溶液中离子成分总浓度的指标。从测定结果看，试验区土壤0-10cm土层电导率在0.20-0.29 ds/cm之间，10-20cm土层在0.21-0.34 ds/cm之间（见图7）。其中，耕地土壤6月份的电导率显著高于所有人工草地（除10-20cm紫花苜蓿草地）。随着时间的推移耕地土壤电导率逐渐降低，7月时显著低于草地雀麦，9月时显著低于紫花苜蓿，8月无显著差异。人工草地之间比较，6月份紫花苜蓿草地10-20cm土层电导率显著高于其它草地，7月时羊草草地上下两层土壤的电导率均低于草地雀麦和紫花苜蓿草地，8月无显著差异，9月时紫花苜蓿草地显著高于其它草地。由图8可见，该试验区土壤整体呈碱性反应，土壤pH值在7.79-8.09之间。退耕地种草对土壤pH有一定的影响，但这种变化因生长季节的不同而不同。6月份耕地土壤pH值较高，显著于扁穗冰草和羊草草地；7月时0-10cm土层显著高于扁穗冰草、草地雀麦和无芒雀麦；8月无显著差异；9月时显著高于紫花苜蓿而低于羊草草地。人工草地土壤pH水平变化较大，整体而言，紫花苜蓿草地土壤pH水平随着季节的推移有下降的趋势，9月时紫花苜蓿草地上下两层土壤pH水平显著低于其它所有人工草地。图7 退耕地种草对土壤电导率的影响Fig 7 The effect of artificial grassland on soil electric conductivity图8 退耕地种草对土壤pH水平的影响Fig 8 The effect of artificial grassland on soil pH levels2.6 土壤理化指标之间的相关性相关分析表明，土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著正相关关系。土壤有效磷含量与电导率、土壤氨态氮含量与电导率之间也呈极显著正相关关系（见表1）。其余指标间均无显著相关性。表1 土壤理化指标之间的相关性（0-10cm）Table 1 Correlation analysis among soil physical and chemical properties有效磷AP有机碳OC全氮TN氨态氮NH4+-N硝态氮NO3-N电导率EC酸度pH有效磷 Available phosphorus (AP)1有机碳 Organic C(OC)0.14171全氮 Total N (TN)-0.08460.7955*1氨态氮NH4+-N0.13520.0495-0.03471硝态氮 NO3-N0.03770.19660.1020-0.09371电导率 Electric conductivity(EC)0.22960.0596-0.00500.7187*-0.04461酸度 pH -0.3749*-0.2192-0.21590.1946-0.1972-0.08051注： *表示在p=0.01水平上差异显著。Note: * represents significance at p=0.01 level.3 讨论退耕地种草是恢复土壤肥力、提高土壤质量、改善生态环境的重要方式之一。退耕地种草，减少了对土壤的耕作压力，植物根系及地表枯落物可增加土壤有机物质的含量，而土壤有机物质的分解作用又减缓，这势必会提高土壤对碳的固持能力10。从本试验结果看，人工种草显著增加了土壤有机碳含量，人工草地0-10cm土层有机碳含量较农耕地平均高20.84%。且草地类型不同，对土壤有机碳的影响作用也不同。其中，无芒雀麦效果较差，羊草和紫花苜蓿较好。原因可能在于不同植物残体进入土壤的数量是不同的，或它们的根系分泌有机物质的能力存在差异11。我们前期的研究也表明无芒雀麦、老芒麦和冰草草地土壤有机质含量存在显著差异5。通常情况下，土壤有机质含量高，土壤氮素含量也高，二者呈线性关系12。本试验结果也表明，0-10cm和10-20cm 土层氮素含量与有机碳含量均呈极显著的正相关关系。人工种草后，表层（0-10cm）土壤氮素含量整体上提高18.21%。几种人工草地中，无芒雀麦对土壤氮素的改善效果也是最差的，这与对土壤有机碳的影响效果是一致的。从所测定的两种速效氮含量分析，耕地土壤氨态氮含量随着植物的生长有逐渐降低的趋势，硝态氮含量有逐渐增加的趋势，且整体上氨态氮含量高于硝态氮含量。说明土壤消化作用相对较弱。这与旱地土壤硝态氮含量占优势不一致。人工草地间土壤速效氮含量存在显著差异，这可能与不同植物根系吸收利用土壤硝态氮和氨态氮的效率不同有关13。就土壤有效磷含量而言，试验区样地严重缺磷14。这可能也是限制当地农业生产的主要因素之一。而且土壤有效磷含量变化较大，整个生长季没有规律性。这除与不同牧草生长规律不同有关外，可能更多地受制于当地的水分条件15。就耕地而言，施入土壤的磷肥除部分被马铃薯吸收利用外，大部分磷素被土壤固定，变成不容易吸收部分。而相对于有效磷含量，土壤全氮含量和有机质含量均达到丰富水平14。这种不均衡的土壤养分供应状况，势必限制植物生产。在满足水分需要的前提下，定期供应磷肥可能是提高当地植物生产的主要措施之一。土壤电导率高低在一定程度上反映了土壤盐碱化程度16。耕地种草并没有降低土壤的电导率和pH水平。试验区土壤呈碱性反应，但土壤pH水平与电导率之间并无显著的正相关关系。如紫花苜蓿草地电导率相对要高于其它草地，但其土壤pH水平又较低，且随着生长季有逐渐下降的趋势。一方面，这与土壤水分变化有关17，另一方面可能与豆科植物根系分泌有机酸有关18。4 结论农牧交错带退耕地种草可提高土壤的碳储量，增加表层土壤的全氮含量。其中，紫花苜蓿和羊草效果较好，无芒雀麦效果较差。试验区土壤呈碱性反应，有效磷含量偏低，全氮含量又达丰富水平，养分供应处于严重不平衡状态。整体上，人工种草对土壤有效磷含量没有显著影响。退耕地种草也没有降低土壤电导率和pH水平。耕地与人工草地土壤理化指标之间的差异在很大程度上受生长季节的影响。因此，在评价退耕地种草效果时，最好对整个生长季节均进行分析。参考文献1 Nael M., Khademi H., Hajabbasi M A. 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