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Soil Composition of Carbon、Nitrogen and Phosphorus after Successive Years of Alfalfa Planting in the Gullies of the Loess Plateau

黄土高原沟壑区苜蓿地土壤碳、氮、磷组分的变化



全 文 :文章编号: 1007-0435( 2005) 01-0066-05
黄土高原沟壑区苜蓿地土壤碳、氮、磷组分的变化
张春霞1 , 郝明德1* , 李丽霞2
( 1.
中国科学院
水 利 部水土保持研究所; 2.西北农林科技大学资环学院, 陕西杨凌 712100)
摘要: 对黄土高原沟壑区不同种植年限苜蓿( Med icag o sativa)地土壤碳、氮、磷组分的分析结果表明:连续种植 5年, 土
壤碳、氮各组分含量最低,而年限延长含量则有所提高; 15年生苜蓿生长已进入衰退期, 各组分含量远低于土壤肥力得
到一定程度恢复的 23 年生苜蓿地。P 与 C、N 组分的变化不同, Ca2-P 和 Fe-P 含量随年限延长逐渐降低, 到 23 年时又有
升高趋势, 而 Ca8-P、Al-P、O-P 变化趋势则与之相反, 5 年生苜蓿地以中活性有机磷为主, 10 年、15 年、23 年生苜蓿土壤
有机磷组分的变化表现为: 中稳性有机磷 ( MROP ) > 中活性有机磷 ( M LOP ) > 高稳性有机磷 ( HROP ) > 活性有机磷
( LOP)。
关键词: 有机碳;有机氮; 无机磷;有机磷
中图分类号: S 155. 47   文献标识码: A
Soil Composition of Carbon、Nitrogen and Phosphorus after Successive Years
of Alfalfa Planting in the Gullies of the Loess Plateau
ZHANG Chun-x ia1 , HAO M ing-de1 , LI Li-x ia2
( 1. Institute of So il and Water Conser va tion, Chinese Academ y of Sciences and M inistry of Water Resour ces,
Yang ling Shaanxi Pr ov ince 712100, China;
2. Notherwestern Sci-technolog y Univer sity o f Agr icult ur e and Forestry Yang ling, Shaanx i P r ovince 712100, China )
Abstract: A study of the soil composition of Carbon、Nitrog en and Phosphor us in a plot o f successiv e years of
plant ing alfalfa crops show s that the content of compounds of so il C and N reaches the lowest leavel in 5th year.
Hereaf ter , the soil content of the tw o elements begins to rise. A 15-year-old alfalfa crop entered its declining
stage, and the soil in w hich the crop is g row ing contains far less C and N contents than the soil cult ivat ing a 23-
year-old alfalfa crop, in w hich the nutr ient contents o f C and N have restored to a certain extent. How ever , the
phosphor us content in the same plo t increases and reduces in a contrary way . The content of Ca2-P and Fe-P
decr ease w ith the plant g row th years unt il it is 23-year-old w hen contents of these elements begin to increase;
w hile the increase and reduct ion of Ca8-P、Al-P and O-P, contents mov ing a contrary w ay-the soil grow ing a 5-
year-old alfalfa crop is impregnate with moderate l iable org anic phosphorus; w hile in the soil g row ing a 10-
year, a 15-year, and a 23-year-old al falfa crop, the change of fr act ionat ion of org anic P is in the fo llow ing order:
moderate reliable o rganic phosphorous > moderate liable org anic phosphorous > high rel iable o rganic
phosphor ous> liable org anic pho spho rous.
Key words : Organic mat ter; Org anic nitr ogen; Inor ganic phospho r; Organic phosphor
  苜蓿(M edicago sativa)是西北地区常见的豆科植
物,在传统农业中发挥着提供饲草和培肥土壤的作用。
长期以来人们对苜蓿的营养价值和产草量等方面进行
了大量的研究 [ 1~3] , 主要集中在苜蓿植株营养元素的
分配上,而对苜蓿在生长过程对碳、氮、磷的吸收造成
土壤养分亏缺的研究并不多。
收稿日期: 2003-11-13; 修回日期: 2004-05-12
基金项目:中国科学院知识创新工程项目( KZCX2-413) ;国家科技攻关项目( 2001BA 508B18)
作者简介: 张春霞( 1977-) ,女,河南开封人,硕士,主要从事土壤肥力与生态环境建设研究, E-mail: zhangcx 2@ etang. com ; * 通讯作者 Author
for correspondence
第 13卷 第 1期
 Vo l. 13  No. 1
草 地 学 报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
 2005 年 3月
 M arch  2005
1 材料与方法
1. 1 样地自然概况
样地位于甘肃省陇东地区镇原县上肖乡旱塬地,
属黄土高原沟壑区典型区。海拔 1297 m ,年均降水量
502 mm, 年均蒸发量 1638. 3 mm ,无霜期 160 d,年日
照 2473. 7 h, 年均气温 9. 5℃, > 10℃积温3191. 1℃,
干燥度 1. 00~1. 39。供试土壤为覆盖黑垆土,耕性良
好,蓄水保墒能力强,土壤容重 1. 2~1. 4 g / cm 3, 田间
持水量 20%~23% ,凋萎湿度 6%~7% ,在 0~2. 8 m
作物根系吸水层内, 可容纳 480~500 mm 的降水, 地
下水位在 60 m 以下,不参加生物循环,是典型旱作雨
养农业区。所选地块均未施肥。紫花苜蓿每年刈割 2
次, 5龄苜蓿产草量 59. 1 kg / hm 2, 覆盖度较大, 10 龄
和 15龄苜蓿地产草量分别为44. 5和 38. 5 kg / hm 2, 覆
盖度低于 5龄, 且有较多的杂草生长, 23龄苜蓿产草
量为 16. 8 kg/ hm 2,出现大面积地表裸露。
1. 2 测定内容与方法
1. 2. 1 取样方法 2003年 4月下旬用土钻采集土
样,选取 500 m 范围内的 4个不同生长年限的苜蓿地
块,取样深度为 40 cm ,每 20 cm 为一层,土样风干后,
分别过 0. 25 mm 和 1 mm 筛备用。
1. 2. 2 有机碳( OM ) 重铬酸钾-硫酸外加热氧化
法[ 4] ;
1. 2. 3 活性有机碳( CL) 稀释热法 [ 5] ;
碳库活度( L ) = 活性有机碳/非活性有机碳, 非活
性有机碳= 总有机碳-活性有机碳;
1. 2. 4 胡敏酸的光学腐殖质性质 721型分光光度
计测定,将制备的胡敏酸溶液分别在波长 465nm、665
nm 处测其光密度 E, E4/ E 6= E465/ E665;
1. 2. 5 有机碳的分组 焦磷酸钠提取-重铬酸钾氧化
法[ 6] ;
1. 2. 6 结合态腐殖质分组 傅积平改进法 [ 7] ;
1. 2. 7 有机氮分组测定 Bremne 法[ 8] ;
1. 2. 8 无机磷分组测定 顾益初-蒋柏藩法 [ 9] ;
1. 2. 9 有机磷分组测定 Bowman-Cole法 [ 10]。
2 结果与分析
2. 1 各龄苜蓿地土壤有机碳变化
2. 1. 1 活性有机碳变化
活性有机碳是土壤中活性较高的有机碳部分, 可
在一定程度上反映有机质的有效性, 指示土壤有机质
或土壤质量[ 11]。对不同年龄苜蓿地土壤活性有机碳与
总有机碳的结果分析表明, 二者之间呈显著正相关( r
= 0. 99) ,表现出 10龄高于 5龄, 15龄则有所下降, 23
龄又呈上升趋势。这与李玉山[ 3]的研究相吻合, 该研究
指出,在无肥(单纯依靠土地背景肥力)条件下, 苜蓿生
长 9年后的绝对产草量低于盛期,生长出现衰退。据此
可以把苜蓿的生长过程分为生长盛期和生长衰退期两
个较大的时段, 5龄苜蓿处于生长盛期的最高峰 [ 12] , 对
土地耗竭最严重,土壤肥力较低; 10年龄是生长盛期
的后期,生长比较平稳;而 15龄和 23龄都属于生长衰
退期,不同的是 15龄处于衰退的前期, 23龄为衰退后
期,土地肥力得到了一定程度的恢复。
图 1 各龄苜蓿地土壤碳含量变化
F ig . 1 The change of t he cont ent of carbon
in differ ent g rowt h years
图 2 各龄苜蓿地土壤碳库活度变化
F ig . 1 T he change of L in differnt g r ow th year s
碳库活度( L )表示土壤碳的不稳定性,从 10年龄
苜蓿开始, 土壤碳库活度逐年升高(图 2) ,其变化幅度
为: 2. 59~2. 99, L 值的升高表示随种植年限延长, 所
增加的有机碳主要是以活性有机碳的形式增加, 这是
由于苜蓿进入衰退期后,土壤中凋落物的增加培肥了
地力。
2. 1. 2 土壤腐殖质的组成与特性
土壤腐殖酸碳由胡敏酸碳( HA)、富里酸碳( FA )
67第 1期 张春霞等:黄土高原沟壑区苜蓿地土壤碳、氮、磷组分的变化
及残留在土壤中的残渣碳组成, 从相对含量上看,残渣
碳所占比例较大, HA 和 FA 的比重因生长年限而不
同(表 1) , 5年龄以 HA 为主, 15龄苜蓿表土层以 HA
含量为主, 20~40 cm 土层以 FA 为主, 10龄和 23 龄
以 FA 比重较大; 5龄表层土壤的 HA/ FA 值为 1. 44,
大于 1. 0, 其他年限及土层 HA/ FA 值在0. 43~0. 60
范围变化,且均小于 1. 0, HA 的含量占12. 85%~15.
35%,下层土壤 HA/ FA 值较上层低,说明随土层深度
增加有机质含量逐渐减小, 胡敏酸的芳构化度降低。
表 1 各龄苜蓿地土壤腐殖质组成及特性
Table 1 Composition and proper ties of so il humus beneat h differ ent gr ow th years
年限
Years
土层
Depth
( cm)
有机碳
OM
( g/ k g)
腐殖酸碳
Humic acid
carbon
g/ kg
胡敏酸碳 HA
含量
Content
g/ kg
占总有机碳
In total C
%
富里酸碳 FA
含量
Content
g/ k g
占总有机碳
In total C
%
残渣碳 Res idue
含量
Conten t
g/ kg
占总有机碳
In total C
%
HA/ FA
HA 光密度值
Light den sity of HA
E4 E4/ E6
5年 0~20 7. 45 3. 02 2. 09 28. 08 0. 92 12. 4 4. 44 59. 57 1. 44 0. 15 5. 73
5 years 20~40 4. 27 1. 24 0. 74 17. 34 0. 5 11. 76 3. 03 70. 9 0. 6 0. 08 11. 29
10年 0~20 9. 88 2. 94 1. 27 12. 85 1. 67 16. 94 6. 94 70. 22 0. 43 0. 21 5. 06
10 years 20~40 5. 84 1. 99 0. 85 14. 51 1. 14 19. 6 3. 85 65. 89 0. 43 0. 19 4. 79
15年 0~20 8. 49 2. 47 1. 3 15. 35 1. 17 13. 72 6. 02 70. 93 0. 53 0. 19 5. 57
15 years 20~40 6. 53 1. 99 0. 91 14. 01 1. 08 16. 51 4. 54 69. 49 0. 46 0. 16 5. 49
23年 0~20 9. 93 2. 86 1. 34 13. 52 1. 52 15. 3 7. 07 71. 18 0. 47 0. 21 4. 80
23 years 20~40 7. 25 2. 59 1. 11 15. 3 1. 48 20. 42 4. 66 64. 28 0. 43 0. 2 4. 99
  10龄苜蓿地表土的 E4值高于5和 15龄, 而与 23
龄相当, Chen[ 1 3]和文启孝 [ 14]等人的研究指出, E4值的
大小与胡敏酸芳构化度的高低和胡敏酸颗粒分子量的
大小呈正相关, E4/ E6与分子量大小呈负相关, E4 值
愈大, 胡敏酸芳构化度愈高,颗粒分子量愈大,胡敏酸
结构愈复杂, 反之则相反。结果表明,在苜蓿的生长过
程中, 土壤胡敏酸的结构是在简单和复杂间波动变
化的。
2. 1. 3 有机碳结合形态的变化
土壤中的有机无机复合体对水分养分的供给有影
响,松结合态来源于土壤中新鲜的有机物质, 易氧化,
活性高,对土壤中有效养分的供给有一定的作用,紧结
合态与 N、P 全量养分的供应关系密切, 在养分的稳定
与释放方面有重要作用。各龄苜蓿地土壤的结合态碳
主要是以紧结合态和稳结合态形式存在于土壤中, 松
结合态含量较低, 随年限延长,三种结合态碳的变化趋
势与土壤总有机碳的变化相同,但含碳比例变化则不
同(表 2)。
表 2 各龄苜蓿地土壤腐殖质结合形态
Table 2 Combined forms of so il humus under differ ent gr owths yea rs
年限
Years
土层( cm)
Depth( cm )
三种结合态含碳量( g/ kg)
C in th ree combined forms
三种结合态含碳比例( % )
Percent of C in three com bined forms
松有机碳
Loose combin ed
form
稳有机碳
S table comb ined
form
紧有机碳
Dense combined
form
松有机碳
Loose combin ed
form
稳有机碳
S table comb ined
form
紧有机碳
Dense com bined
form
 
松/紧
L/ D
5年 0~20 1. 11 2. 59 3. 76 14. 87 34. 75 50. 38 0. 30
5 years 20~40 0. 44 1. 76 2. 07 10. 26 41. 26 48. 49 0. 21
10年 0~20 1. 67 2. 71 5. 50 16. 92 27. 40 55. 67 0. 30
10 years 20~40 0. 76 1. 74 3. 35 12. 95 29. 71 57. 33 0. 23
15年 0~20 1. 26 1. 93 5. 30 14. 86 22. 77 62. 38 0. 24
15 years 20~40 0. 83 1. 47 4. 23 12. 70 22. 45 64. 85 0. 20
23年 0~20 1. 73 2. 79 5. 42 17. 37 28. 06 54. 57 0. 32
23 years 20~40 0. 66 1. 49 5. 09 9. 16 20. 59 70. 25 0. 13
  对于 23龄苜蓿地,松/紧值和紧结合态腐殖质含
量都高于其他年限, 结果与恢复过程中土壤残存的调
落物和植被数量及质量差异有关,年限延长腐殖质的
活化度升高土壤结构得到改善, 土壤肥力逐渐恢复。
2. 2 各龄苜蓿地土壤有机氮组分的变化
土壤中的氮素主要是以有机氮形态存在,大部分
的有机氮通过矿化作用转化为无机氮供植物利用。苜
蓿在生长过程中固定的氮素, 经过一系列的生物化学
过程转化为植株可以吸收的氮形态, 在长期的生化和
矿化过程中, 有机氮各组分的含量变化存在着一定的
差异(图 3)。
土壤酸解总氮与土壤全氮极显著相关( r= 0. 98) ,不
同生长年限土壤酸解总氮占土壤全氮约为 72. 4%~
68 草 地 学 报 第 13卷
85. 2% ;氨基酸态氮占土壤全氮 38. 6%~41. 6%、占土
壤酸解总氮48. 8%~53. 7% ;氨态氮和氨基糖氮比氨基
酸氮含量低,分别占全氮的 14. 6%~20. 6%和4. 8%~
13. 9% ,且土壤氨态氮含量普遍高于氨基糖氮含量。酸解
未知态氮的形态和性质均较复杂, 但对土壤矿质态氮的
贡献仅次于氨基酸态氮, 其含量占土壤酸解总氮的
11. 6%~19. 9%。
图 3 各龄苜蓿地土壤氮组分的比较
F ig . 3 The content o f so il or ganic
nitr o gen compounds ( mg/ kg)
  15龄苜蓿地表层土壤酸解总氮、氨基酸、氨态氮、
氨基糖和酸解未知氮比 10龄苜蓿地分别降低29. 1%、
22. 0%、15. 8%、38. 2%和 58. 6% ,尤其氨基糖和酸解
未知氮含量变化较大, 23 龄较 15龄分别增加 1. 4 倍
和 49% ,增加幅度较大, 这是因为随年限延长土壤中
凋落物增多, 未腐解的含氮有机物质也随之增多。
2. 3 各龄苜蓿地 0~20 cm 土壤磷素含量变化
2. 3. 1 无机磷各组分的变化
黄土旱塬区属石灰性土壤,土壤中无机磷以 Ca-P
为主, 占无机磷总量的 75%以上, 且三级磷酸钙盐的
含磷量表现为 Ca10-P 型含磷量远远高于 Ca8-P 型和
Ca2-P 型 (表 3)。O-P 含磷量平均占无机磷总量的
12. 12% , Al-P 和 Fe-P 含磷量较低, 分别占无机磷总
量的 3. 1%和 4. 2%。
各龄苜蓿地土壤无机磷各组分含量的比较可以看
出, Ca2-P 和 Fe-P 变化趋势相同, 随年限延长含量逐
渐降低,到 23年时又呈上升趋势。Ca8-P、Al-P 和 O-P
变化趋势则相反, 其含量随种植年限延长而增加,年限
再延长又有降低的趋势,尤其是 Al-P 在 10和 15龄的
含量相当。含量较高的 Ca10-P 型磷变化与其他几种磷
有所不同, 10龄较 5龄降低, 15龄含量提高, 23 龄又
急剧下降。
表 3 各龄苜蓿地土壤无机磷各组分的变化(mg/ kg)
T able 3 T he var iation of fr actions o f inor ganic P
in alfalfa field o f different g row th year s
年限 Years Ca2-P Ca8-P Al-P Fe-P O-P Ca10-P
5龄( 5 years ) 3. 2 30. 7 15. 6 22. 3 65. 6 405. 7
10龄( 10 years ) 2. 81 42. 4 17. 2 17. 6 68. 9 384. 2
15龄( 15 years ) 2. 1 33. 7 17. 2 14. 0 117. 9 397. 5
23龄( 23 years ) 2. 3 31. 0 15. 0 16. 1 33. 1 326. 2
2. 3. 2 有机磷各组分的变化
土壤中的有机磷可矿化为速效磷, 供植物吸收利
用,其活性大小和含量高低对土壤的供磷作用不容忽
视[ 15 ]。不同活性的有机磷组分在土壤有机磷总量中所
占比重不同(表 4) ,种植年限不同, 4种有机磷含量相
差也较大。
表 4 苜蓿地土壤有机磷组成的变化(mg/ kg)
T able 4 The change of t he fr actionation o r ganic P in alfalfa field
年限
Years
活性有机磷
L iable organ ic
phosphor( LOP)
中活性有机磷
Moderate liable
organic phosph or
( M LOP)
中稳性有机磷
Moderate reliable
organic ph osphor
( MROP)
高稳性有机磷
High reliable
organic phosph or
( HROP)
含量 C on tent % 含量 Conten t %  含量 C on tent %  含量 Conten t %
机磷总量
Total organ ic
phosph or ( OP)
5龄 5 years 1. 3 0. 25 469. 3 91. 67 16. 8 3. 28 24. 6 4. 80 511. 9
10龄 10 years 1. 8 1. 37 56. 9 43. 51 62. 2 47. 61 9. 8 7. 52 130. 7
15龄 15 years 1. 7 1. 83 39. 2 42. 36 44. 2 47. 83 7. 4 7. 98 92. 4
23龄 23 years 2. 2 1. 56 36. 5 25. 41 71. 3 49. 65 33. 6 23. 39 143. 6
  比较土壤有机磷含量, 5龄苜蓿生长旺盛对土壤
磷的需求量较大,活性有机磷比例为 0. 25%, 中活性
有机磷为 92%, 中稳性和高稳性有机磷相差不大, 而
随年限的延长,苜蓿生长加强对磷素的吸收而使土壤
有机磷各组分的含量发生了变化, 10年、15年和 23年
苜蓿土壤有机磷组分的变化均表现为: 中稳性有机磷
> 中活性有机磷> 高稳性有机磷> 活性有机磷, 活性
和中活性有机磷含量与速效磷呈正相关关系,中稳性
有机磷则没有,活性有机磷虽然含量较少, 但对土壤供
磷有较大的作用。分析不同年限苜蓿土壤有机磷总量,
可以看出,随年限增加,土壤有机磷含量出现减少的趋
势,但到 23龄含量突然增加, 较 15龄苜蓿地增加了
55%。
69第 1期 张春霞等:黄土高原沟壑区苜蓿地土壤碳、氮、磷组分的变化
3 结论与建议
3. 1 土壤 C、N养分
苜蓿地土壤 C、N 各组分随种植年限的延长,变化
趋势相同:连续种植 5年, 苜蓿生长达到高峰期, 土壤
养分消耗较严重, C、N 组分含量最低, 随年限延长生
长趋于平稳, 各组分含量有所提高,种植 10年后,苜蓿
生长开始衰退,处于衰退初期的 15龄苜蓿各组分含量
有所提高,而 23龄苜蓿地土壤肥力达到一定程度的恢
复,各组分含量较其他年限高。
3. 2 土壤 P养分
土壤 P 组分的变化与 C、N 有所不同, Ca2-P 和
Fe-P 含量随年限延长逐渐降低,到 23年时又呈升高
趋势, Ca8-P、Al-P 和 O-P 变化趋势则相反; Ca10-P 型
磷变化与其他几种磷不同, 10 龄较 5龄降低, 15龄含
量提高, 23龄急剧下降; 5龄苜蓿地以中活性有机磷为
主, 10、15和 23龄苜蓿地土壤有机磷组分的变化均表
现为: 中稳性有机磷> 中活性有机磷> 高稳性有机磷
> 活性有机磷。
3. 3 建议
为了保持高原沟壑区苜蓿地稳定的产草量, 在苜
蓿利用第 4~5年,实施粮草轮作,种植 3~5年粮食作
物,即在苜蓿未发生衰退之前,种植禾本科作物, 恢复
土壤水分, 缩短苜蓿生长年限; 在连作苜蓿中增施化
肥,以培肥地力、提高苜蓿产草量。
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