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Effects of manual sowing methods of Medicago sativa and Bromus inermis on the distribution and content of soil organic carbon and nitrogen

播种方式对紫花苜蓿+无芒雀麦人工草地浅剖面土壤C、N分布及储量的影响



全 文 :书播种方式对紫花苜蓿+无芒雀麦人工草地
浅剖面土壤犆、犖分布及储量的影响
邰继承,杨恒山,范富,张庆国,宋桂云,苏雅乐
(内蒙古民族大学农学院,内蒙古 通辽028042)
摘要:采用分层取样法研究了两年生单播紫花苜蓿、单播无芒雀麦、隔行混播和同行混播人工栽培草地土壤碳、氮
含量及分布状况。结果表明,在牧草生长时期,单播紫花苜蓿草地土壤容重最大,单播无芒雀麦草地容重最小;0~
40cm土层土壤有机碳含量以单播紫花苜蓿草地最大,其次为隔行混播草地,二者与单播无芒雀麦草地、同行混播
草地间差异达极显著水平(犘<0.01);土壤全氮含量为单播无芒雀麦草地最低,其他处理间无显著差异(犘>
0.05);在0~40cm全剖面,单播紫花苜蓿草地有机碳储量最大,为46.98t/hm2,隔行混播草地次之,为44.77
t/hm2,二者显著高于同行混播草地(38.75t/hm2)及单播无芒雀麦草地(36.37t/hm2)(犘<0.05)。
关键词:紫花苜蓿;无芒雀麦;隔行混播;同行混播
中图分类号:S344.16;S158.3  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)06004105
  科尔沁地区是典型的半干旱农牧交错地区,长期以来,由于不合理利用草地资源造成该地区生态环境恶化,
农牧业生产受到严重影响[1]。历史上各国开发半干旱地区取得的一个共同成功的经验就是实行农业与牧业的结
合,而人工草地是畜牧业集约化经营的基础[2,3]。建立高产、优质的人工草地是解决该地区草畜供求矛盾、促进
草地畜牧业持续发展的关键措施之一[4]。建立豆科+禾本科混播草地是提高草地生产力的基本方法,苜蓿
(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)与无芒雀麦(犅狉狅犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊)则是建植人工草地的理想组合[5]。
土壤有机质(碳)含量是土壤质量的一个极其重要的属性,它不但是土壤肥力的重要物质基础,影响土壤物
理、化学和生物学性质与过程[69],而且更重要的是关系着在全球气候变化和生物多样性发育上的服务功
能[10,11]。它的含量和质量是评价管理措施可持续性的重要因子。合理调节其积累与分解,是维持和提高耕地质
量、促进农业可持续发展的一项重要任务[12,13]。草地生态系统是全球陆地生态系统的重要组成部分,碳储量约
占整个陆地生态系统的15%,而且90%的碳储存在土壤中,由于其丰富的碳储量和独特的生物地球化学过程而
成为了碳循环领域研究的一个热点[14]。关于草地生态系统土壤碳、氮的研究,前人已进行了一些工作,但其研究
内容主要是针对天然草地在不同草原类型、不同管理措施及退化演替过程中或土地利用方式改变后土壤有机碳、
氮的变化等[1519]。本试验是在科尔沁地区农田改种牧草基础上,以不同播种方式的紫花苜蓿+无芒雀麦人工栽
培草地土壤为对象,研究其在精细管理、高频刈割条件下牧草生长期间土壤有机碳、氮的变化,以其为在全球气候
变化背景下指导建立理想人工草地和科学培肥提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
该研究于2007年9月在内蒙古民族大学农学院试验农场进行(43°36′N,122°22′E,海拔178m)。研究区近
50年平均气温6.8℃,≥10℃年活动积温为3220℃,无霜期154d;年平均降水量398mm,生长季内(4-9月)降
水量占全年降水量的89%。土壤为灰色草甸土,耕层有机质含量15.50g/kg,碱解氮58.45mg/kg,速效磷
48.32mg/kg,速效钾163.67mg/kg,pH8.20,有灌溉条件。
1.2 试验材料
试验材料为紫花苜蓿阿尔冈金(犕.狊犪狋犻狏犪cv.犃犾犵狅狀狇狌犻狀)由美国引进,无芒雀麦(犅.犻狀犲狉犿犻狊cv.犆犪狉狋狅狀)由
第19卷 第6期
Vol.19,No.6
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
41-45
2010年12月
 收稿日期:20100114;改回日期:20100311
基金项目:内蒙古民族大学科研创新团队建设计划项目(NMD1003)资助。
作者简介:邰继承(1977),男,蒙古族,内蒙古阿荣旗人,讲师,硕士。Email:taijicheng19771013@126.com
中国农业科学院引进。
1.3 试验设计
试验设单播紫花苜蓿(DZ)、单播无芒雀麦(DW)、同行混播(TH)和隔行混播(GH)4个处理,3次重复,小区
面积为32.4m2,行距30cm。2006年5月6日播种,基施磷酸二铵150kg/hm2,尿素75kg/hm2,硫酸钾150
kg/hm2;翌年返青后不施用任何肥料。单播紫花苜蓿播量为15kg/hm2,单播无芒雀麦播量为22.5kg/hm2,混
播播量均为对应单播播量的50%。第1年刈割2次,翌年刈割4次,留茬高度均为5~6cm,栽培管理条件一致。
于2007年秋季最后1次刈割后取样测定。采用环刀法按0~10,10~20,20~30,30~40cm分层采集原状土壤,
用于测定土壤容重;以S形取样法在垄间用土钻按0~10,10~20,20~30,30~40cm分层采集10个采样点的混
合样,用于测定土壤有机碳、全氮等指标。
1.4 测定项目与方法
土壤有机碳测定采用重铬酸钾容量法-外加热法[20];全氮测定采用半微量凯氏法[20];容重采用环刀法[21]。
有机碳储量计算见下式:
犕=∑

犻=1
(犖犻×狔犻×犎犻)×(1-犌犻)
10
式中,犕 为有机碳储量(tC/hm2);犖犻为犻层有机碳含量(g/kg);狔犻为犻层容重(g/cm3);犎犻为犻层厚度(cm);犌犻
为直径≥2mm的石砾所占体积百分比(%);狀为土层数。
1.5 数据处理与统计分析
数据处理与统计分析采用 MicrosoftExcel2003和JMP5.0.1软件。
2 结果与分析
2.1 不同播种方式下土壤容重的比较
土壤容重从0~40cm土层的平均值来看,单播紫花苜蓿草地最大,为1.30g/cm3,其次分别为同行混播草
地1.27g/cm3、隔行混播草地1.24g/cm3,单播无芒雀麦草地土壤容重最小,为1.20g/cm3(图1)。单播紫花苜
蓿草地土壤容重随土层深度的增加而依次增加,土层间差异不显著;隔行混播、同行混播和单播无芒雀麦草地土
壤容重随土层深度增加而呈先降低后增加的趋势,均为10~20cm土层最低;0~40cm范围内各层均表现为单
播紫花苜蓿草地土壤容重最大,其中10~20cm土层明显,与其他处理差异达显著水平(犘<0.05)。
2.2 不同播种方式下土壤有机碳含量的比较
单播无芒雀麦、同行混播和隔行混播草地土壤有机碳含量在0~40cm各土层内呈随深度增加而降低的趋
势,而单播紫花苜蓿草地则呈波动式下降,20~30cm土层含量高于相邻土层(图2)。各处理均以0~10cm土层
土壤有机碳含量最高,数学模拟表明其有机碳的深度变化均符合直线方程,其中单播无芒雀麦草地狔=
-2.3716狓+13.670,犚2=0.9965;同行混播草地狔=-2.5355狓+14.076,犚2=0.9771;隔行混播草地狔=
-1.5684狓+12.958,犚2=0.9957;而单播紫花苜蓿草地狔=-0.6449狓+10.659,犚2=0.5917;说明单播紫花
苜蓿草地有机碳剖面分布与其他处理间有一定差异。0~40cm土层土壤有机碳含量的平均值以单播紫花苜蓿
草地最高,为9.05g/kg,其次为隔行混播草地,为9.04g/kg,二者均极显著高于同行混播草地(7.74g/kg)和单
播无芒雀麦草地(7.74g/kg)(犘<0.01)。0~20cm土层内,其他处理有机碳含量高于单播紫花苜蓿草地;而在
20~40cm土层单播紫花苜蓿草地有机碳含量则明显增加,并与其他处理间差异达到极显著水平(犘<0.01)。
2.3 不同播种方式下土壤全氮含量的比较
0~10cm土层内,单播无芒雀麦草地土壤全氮含量极显著低于其他处理(犘<0.01)(图3);0~40cm土层土
壤全氮含量的平均值分别为单播紫花苜蓿草地0.75g/kg、隔行混播草地0.75g/kg和同行混播草地0.74g/kg,
三者差异不显著(犘>0.05),但都极显著高于单播无芒雀麦草地0.45g/kg(犘<0.01)。各处理全氮含量随深度
增加变化不同,单播紫花苜蓿草地20~30cm土层全氮含量最高,单播无芒雀麦草地以10~20cm土层全氮含量
最高,同行混播和隔行混播草地全氮则表现为表层含量最高。
24 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
2.4 不同播种方式下土壤C/N及C、N相关性
4种处理方式下其他土层土壤C/N基本均在10~15变化,而单播无芒雀麦草地0~10cm的C/N却为
35.89,显著高于其他土层(犘<0.05)(图4)。一般认为,当土壤的C/N大于30时,会产生土壤有效氮素的微生
物同化固定,使植物的缺氮现象更为严重;当C/N小于15时,其矿化作用一开始提供的有效氮量就可以供应植
物的生长需要[22]。也就是说,本研究各处理、各土层中除单播无芒雀麦草地0~10cm土层外,其余土壤矿化分
解过程均可为牧草生长提供氮素营养,而单播无芒雀麦草地0~10cm土层则表现为微生物与牧草对氮素营养的
竞争关系。土壤全氮含量和有机碳含量是土壤养分诸因素中最重要的2个因素,数学模型可定量模拟出它们之
间的相关程度,本研究运用线性回归分析,利用15个样本(单播无芒雀麦草地0~10cm土层除外,图中阴影点)
的有机碳与总氮数据,建立了它们之间的回归方程(图5)。犛犗犆=0.0923犜犖-0.0647,犚2=0.8785,可见关联
度很高,揭示出土壤氮水平与有机碳含量有显著的正相关效应。
图1 不同播种方式下土壤容重比较
犉犻犵.1 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狊狅犻犾犫狌犾犽犱犲狀狊犻狋狔狑犻狋犺狊狅犻犾
犱犲狆狋犺狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狅狑犻狀犵犿犲狋犺狅犱狊
图2 不同播种方式土壤总有机碳含量比较
犉犻犵.2 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀犮狅狀狋犲狀狋
狑犻狋犺狊狅犻犾犱犲狆狋犺狊犻狀犿犻狓犲犱狊狅狑犻狀犵犿犲狋犺狅犱狊
图3 不同播种方式土壤全氮含量比较
犉犻犵.3 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狊狅犻犾狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犮狅狀狋犲狀狋狑犻狋犺狊狅犻犾
犱犲狆狋犺狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狅狑犻狀犵犿犲狋犺狅犱狊
图4 不同播种方式土壤犆/犖比较
犉犻犵.4 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狊狅犻犾犆/犖狑犻狋犺狊狅犻犾犱犲狆狋犺狊
犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狅狑犻狀犵犿犲狋犺狅犱狊
2.5 不同播种方式下土壤有机碳储量的比较
不同牧草类型及不同混播方式下的有机碳储量存在较大差异(图6)。就整个0~40cm全剖面土体而言,单
播紫花苜蓿草地土壤有机碳储量最大,为46.98t/hm2,隔行混播草地次之,为44.77t/hm2,二者无显著差异(犘
>0.05),但均显著高于同行混播草地的38.75t/hm2 及单播无芒雀麦草地的36.37t/hm2(犘<0.05)。可见,由
于群落结构与组成不同,在各种类型植被-土壤系统综合作用下,各处理土壤环境产生较大分异,相应的导致各
34第19卷第6期 草业学报2010年
处理土壤有机碳状况亦发生显著差异。各处理均为0~10cm土层有机碳储量最大,其中单播无芒雀麦草地、同
行混播草地和隔行混播草地随土层深度加深而递减,而单播紫花苜蓿草地则是先降后升再降,20~30cm土层储
量高于相邻土层,这与土壤有机碳含量随深度的变化规律一致。
图5 土壤有机碳与全氮的关系
犉犻犵.5 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狊犫犲狋狑犲犲狀狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱
狊狅犻犾狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犮狅狀狋犲狀狋狌狀犱犲狉犳狅狌狉犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊
图6 不同播种方式下土壤有机碳储量的比较
犉犻犵.6 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀狊狋狅狉犪犵犲
犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狅狑犻狀犵犿犲狋犺狅犱狊
3 讨论
随着畜牧业的发展和我国农业产业结构调整的不断推进,牧草的作用已经越来越被广大农民所重视,大力发
展牧草产业已经逐步成为提高农业综合效益的重要手段。发展农区草业将酝酿一次对耕地农业的革命,不仅为
改进农业系统提供最初的动力,而且可发掘农区草地资源,解放巨大食物资源潜力,实现人-畜分粮,是保证粮食
安全的重大步骤[23]。土壤有机碳含量及其动态平衡不仅是反映土壤质量和草地健康的重要指标,直接影响着土
壤肥力和草地生产力,而且由于土壤有机碳库储量巨大,其较小幅度的变化就可能影响到大气CO2 浓度的变化,
从而以其温室效应影响全球气候变化。
土壤有机碳含量是土壤管理、气候、植被覆盖等各种因素综合影响下有机碳输入与输出之间动态平衡的结
果[24,25]。牧草地上部分由于收割而移出土壤系统,地下部分进入土壤的量和分布深度及地上凋落物则可能成为
影响土壤总有机碳含量的主要因素。本研究表明无芒雀麦对表层有机碳的积累影响显著,而紫花苜蓿对深层有
机碳积累显著。0~20cm土层其他处理土壤有机碳含量均高于单播紫花苜蓿处理,正是由于无芒雀麦大量的浅
层须根及凋落物腐烂归还所致;20~40cm土层单播紫花苜蓿草地有机碳明显增加则是由于紫花苜蓿根系入土
较深,相应归还土壤的植物残体量较大;而混播条件下由于紫花苜蓿与无芒雀麦的种间竞争从而减少其深层生物
量,最终使深层有机碳归还量降低,这也佐证了植物根系的分布是影响深层土壤中有机碳垂直分布的主要因素。
各处理在0~40cm土层内总有机碳平均值以单播紫花苜蓿草地最大,为9.05g/kg,隔行混播草地次之,为
9.04g/kg,二者无显著差异(犘>0.05);它们均极显著高于单播无芒雀麦草地和同行混播草地(犘<0.01)。可以
看出,不同的混播方式对土壤有机碳含量亦有较大影响,隔行混播有利于有机碳的累积,而同行混播则不利于有
机碳的累积。从单纯增加土壤有机碳的角度来看,单播紫花苜蓿和隔行混播方式为优;如从增汇减排的角度则隔
行混播方式最为理想,因为二者结合除可更好地利用上下土层养分资源外,同期试验还表明隔行混播草地有机碳
氧化稳定系数最大,其次为同行混播草地,二者与单播草地间也达到了显著差异水平(犘<0.05)[26],可以说明合
理混播条件下既有利于土壤增碳,同时又有利于土壤固碳,更能发挥退耕还草的积极作用。
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犈犳犳犲犮狋狊狅犳犿犪狀狌犪犾狊狅狑犻狀犵犿犲狋犺狅犱狊狅犳犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪犪狀犱犅狉狅犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊狅狀狋犺犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀
犪狀犱犮狅狀狋犲狀狋狅犳狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀犪狀犱狀犻狋狉狅犵犲狀
TAIJicheng,YANGHengshan,FANFu,ZHANGQingguo,SONGGuiyun,SUYale
(AgriculturalColege,InnerMongoliaUniversityforNationalities,Tongliao028042,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Amultilayersamplingmethodwasusedtostudythedistributionandcontentofsoilorganiccarbon
(SOC)andnitrogenundertwoyearoldsingleandmixedsowingsof犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪and犅狉狅犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊.The
soilbulkdensitywasgreatestunderthesinglysown犕.狊犪狋犻狏犪andleastunderthesinglyseeded犅.犻狀犲狉犿犻狊.
SOCcontentwashighestundersinglyseeded犕.狊犪狋犻狏犪,folowedbytheinterlacedmixedmethodsduringthe
growthofpasture.Therewasasignificantdifferenceofthelasttwomethodscomparedwiththeothermethods
(犘<0.01).Thelowestsoiltotalnitrogencontentwasinthesinglyseeded犅.犻狀犲狉犿犻狊treatmentandtherewas
nosignificantdifferenceamongtheothertreatments.Intheentire0-40cmsoilprofile,theSOCcontentsin
thesinglyseeded犕.狊犪狋犻狏犪(46.98t/ha)andinterlacedmixedpasture(44.77t/ha)weresignificantlygreater
thanintheothermixedpasture(38.75t/ha)andinsinglyseeded犅.犻狀犲狉犿犻狊(36.37t/ha)(犘<0.05).
犓犲狔狑狅狉犱狊:犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪;犅狉狅犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊;interlacedmixed;peermixed
54第19卷第6期 草业学报2010年