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Cycle of Trace Elements among Soil, Forage and Animal in Pasture of Ryegrass and White Clover in Subtropical Region of China

亚热带黑麦草、白三叶草地土壤—牧草—家畜中微量元素循环规律



全 文 :第 3 卷 第 3 期 1 9 9 5
V o l
,
3 N o
.
3
草 地 学 报
A C T A A G R E S T IA S IN IC A
年 _
1 9 , 5
亚热带黑麦草 、 白三叶草地
土壤一牧草一家畜中微量元素循环规律 ‘
傅林谦 白静仁
(中国农业科学院畜牧研究所 , 北京 , 1 0 0 0 94)
余亚军
(湖北省宜昌县畜牧局 , 宜昌 , 44 3 1 0 0 )
摘要 : 鉴于我国亚热带人工草地多为酸性或微酸性土壤 , 势必影响微量元素的有效性及其
在土一草一畜间的转移和变化 。本文主要介绍 C O 、 C u 、 Z n 、和 Cr 四种微量元素在人工草地中各流
通库间的季节流通量 , 流通速率及年间循环特点 , 得出如下结论 : 1 . 不同微量元素在生态系统各
流通库间随着时间的不同其流通量和流通速率各异 。 2 . 微量元素在今后势必影响牧草的生产力 ,
进而造成家畜营养不良 。 3 . 此生态系统中四种微量元素的循环主要被阻碍在土壤库内 。 4 . 改良多
年生草地土壤 , 提高土壤速效量以及加快微量元素向牧草体内的转移是管理的关键 。
关键词 : 微量元素 ; 黑麦草 ; 白三叶 ; 人工草地 , 循环
1 前言
C 。 、 Cu 、 Z n 和 C r 四种微量元素在家畜和牧草的营养中都是非常重要的 , 如 C 。 对豆科
植物根瘤菌上的微生物是必须的 , 当缺乏时易引起绵羊消瘦症 ;有时牧草中微量元素营养充
分 ,但家畜体内表现出明显的缺乏症状 , 如 Z n ;还有些微量元素在不同种类牧草和家畜体内
的生理作用 尚未探明 。鉴于微量元素在草地中复杂的生理作用 , 从生态系统角度研究其在草
地生态系统内积累和循环是非常有意义的 。
亚热带人工草地土铱 禹江壤或山地黄壤 ,土壤呈微酸性 。对草地和土壤内微量元素含量
进行了动态观测 , 本文试就从系统动力学原理出发 , 探明这四种微量元素在人工草地土一草
一畜间的转移动态 、积累和循环特点 , 从宏观水平上了解这四种微量元素在系统中的流通状
况 , 对于提高草地的第一性和第二性生产力 , 维持草地相对营养平衡具有相当重要的作用 。
2 材料与方法
试验 区位于湖北 省宜昌县百里荒示范牧场 。 试区位于东经 1 10 “3 1‘~ 1 1 0 “ 3 2’ , 北纬 3c 。
5 1 ‘一 3 0 0 5 5 , , 海拔 1 2 0 0 m ,年降水量 1 2 3 8 m m ,年均气温 1 0 . Z oC , 极端最高气温 3 0 . 5 ℃ , 极端
最低气温一 10 . 5 ℃ , 土壤属山地黄壤 , pH S一 6 。 试验草地是 1 9 8 3 年全垦后建植的人工草地 ,
草种为黑麦草 (及址iu m Pe ren ne L . )和白三叶 (T r l’fo liu m re Pe n : L . ) , 混播比例为 4 : 1 。 草地
长期放牧罗姆尼羊 , 载畜量约 2 亩/ 只羊 。 试验区面积 约为 75 亩 , 取样面积 0 . 25 m 2 , 重复 9
次 , 取样时间为 1 9 9 2 年 3 月 ~ 1 9 92 年 n 月 , 每月取样一次 。 家畜采食量用差减法测定 , 土
, 本文得到东北师大草地研究所杨允菲教授的审阅及修改 , 特此致谢 。
第 3 期 傅林谦等 : 亚热带黑麦草 、白三叶草草地土壤一牧草一家畜中微量无素循环规律 1 9
壤取样方法为土壤农化取样方法 , 植物取样分为地上 , 地下两部分 ,地上按禾草 、豆科草和杂
草区分 , 并分出立枯体 , 依飘浮法 (沼 田真 , 1 9 8 6) 分出死根和活根 , 用烘箱烘至绝干后称重 。
元素分析均采用 IC G P一 9 0 0 0 离子光 谱仪 。
3 结果与分析
3
.
I C 。 、C u 、 Z n 和 C r 元素在土壤一牧草一家畜间的季节循环模型
微量元素在系统不同的流通库之间随着时间的变化其流通量和流通速度各异 。 因此将
参与循环的各部分看作流通库 , 用系统分析的方法探讨元素在各库间的流通量 (即单位时 间
内从一个库转移到另一个库的量 ) , 将元素循环划分为 7 个库 , 如 图 1 所示 :
伪 .⋯】‘
,..,, .口刀
图 1 黑麦草 、白三叶草地生态系统土一草一畜间微t 元素循环 (k g / ha · y )
F ig
.
1 Cy ele s o f t r a ee e le m e n ts a m o n g 5 0 11
,
fo r a g e
, a n im a l in th e
Pa s tu r e ec o s yst em o f rye g r a s a n d w h ite e lo v e r
2 0 0 草 地 学 报
X l一活根 ; X Z一牧草地上活体 ; X 3一牧草地上枯死体(立枯体凋落物 ) ; X 4一死根 ; X S一
土壤速效库 ; X 6一土壤不可利用库 ; X O一家畜库
其中 , F2 3 依据樊奋成 (1 9 9 3 )得到 , F 4 6 依据郭继勋 (1 9 8 3 )推得 , F Zo 为实测 。
首先建立一组差分方程 :
d x l / d t = F 5 1一 F 1 2 一F 1 4
d x Z/ d t= F 1 2一F 2 3 一 F 2 0
d x 3 / d t = F 2 3 一F 3 6
d x 4 / d t = F 1 4 一F 4 6
d x s/ d t = F 6 5 一F 5 1
d x 6 / d t = F 3 6 + F4 6 + F O6 一F 6 5
依据流通季节动态 , 设 t 时间间隔为一个月 , 求解得 FI J列入表 1 。
Fi j有二个层次的生物生态学意义 , a : 代表元素的流 向 , 为正值时 , 表示元素由 i库流往 j
库 , 为负值时表示 由 j库流往 i库 ; b : 其绝对值代表元素流通量的多少 。 从表 1 可以看 出 , 牧
草活根系对 Co 的吸收(F 5 1) 主要集中在 8 月份之前 , 以 6~ 7 月份为最大 , 之后向死根和土
壤转移 , 尽管活根内 C。 的贮量高峰出现在 9 月 ,但 9 月转移方向已趋于土壤 和地上部 。 活
根对 Cu 的吸收主要集中在 7一 9 月 , 但吸收过程在整个生长季节都进行 。 活根对 Z n 的吸收
高峰集中在 8一 9 月 ,春季 (3 月 )和牧草生长高峰期 (10 月 )对 Z n 的吸收较少 , 在 6 月向土壤
转移 , 秋季向死根转移 。 活根对 Cr 的吸收与地上生物量高峰期同步 ,分别在 3 月 、 6 月和 10
月 , 其它月份则向土壤转移 。
活根养分向地上部活体转移的程度可以直接反映其营养状况 。 C。 向地上部的转移高峰
与地上部生物量高峰吻合 , 春秋 C O 的转移也较强 , 活根内 C 。 向地上活体的转移在整个生
长季节都进行 。 Cu 的转移规律和 C。 相似 , 6 月是其转移高峰 , 8一 10 月转移量亦较大 。 Z n 和
Co 的转移规律相似 , 但 C r 在 10 月主要向活根系和枯死体内转移 。
同理可分析出地上枯死体中 C 。 的归还在 3 ~ 7 月 , 8~ n 月尽管仍在归还 , 但由于新枯
死体的增加 , C O 元素主要 向枯死体积累 , 积累量以 9 月最大 ;枯死体中 C u 的归还较多 , 9 月
出现积累的高峰 , 其中大部分向土壤归还 ; Z n 在 10 月之前始终处 于缓慢归还的过程 , 6 月
和 n 月出现积累的过程 , 其归还高峰集中在 8 ~ 10 月 。 Cr 的归还过程在整个生长季节进
行 , 归还高峰集中在 10 ~ n 月 。
活根中 Co 的归还主要集 中在 3 ~ 7 月 , 由于分解上一年的积累物 , C 。 的归还量较大 , 8
一 n 月向活根积累 。 当年死体分解的 C o 归还较少 。 死根中 C u 的归还量较大 , 除 9 月大量
积累外 , 其余时间都在 向土壤中归还 , 以 8 ~ 10 月为多 , 5一 6 月有一积累过程 。 死根中 Cr 元
素在整个生长季节缓慢地向土壤归还 , 其高峰集中在 9一n 月 。
由于 Fij= a ij · x i
所以 a ij一 Fi j/ xi , 如图 2 、 3 所示 。 表示由 i库流向j库的量占流出库贮量的比 , 因此其生
态学意义主要为流向和元素转移强度 。
活根吸收 Co (图 3 中 a sl )在 7 月之前为正 , 表示 Co 元素从土壤向根系转移 , 但转移量
占土壤中速效 Co 的量少 , 7 月之后主要是由活根向土壤渗透 , 由活根向土壤速效库转移 , 8
月从活根渗透到土壤中的量占土壤速效库的 2 . 5 % , n 月占 7 %以上 。 由此类推 , 在整个生
第 3 期 傅林谦等 : 亚热带黑麦草 、 白三叶草草地土壤一牧草一家畜中微量无素循环规律 2 01
表 1 黑麦草 、白三叶草地生态系统土一草一畜间微 t 元素流通t
(k g / h
a )的季节动态
T a b le x T h e se a s o n a l dy n a m ie e s o f flo w in g e a p a eitio n o f t r a e el e m en ts a m o n g 5 0 11
,
fo r a g e
,
a n im a l in th e p 扭stu r e e eo sy st r m o f ry e g r a s a n d w hite e lo v e r
项 目
Ite m s
月份
M
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.
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C r 0
.
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C o 0
.
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C u 0
.
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.
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.
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.
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0
.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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0
.
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.
0 0 0 4
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.
0 5 7 7 0

0
.
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0
.
1 3 8 0 0
.
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.
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.
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.
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.
0 0 0 1 7
0
.
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.
0 0 0 1 3 4
0
.
0 0 7 5 5 0
.
0 1 14 9
0
.
0 2 5 0 7 0
.
1 5 4 1 0
0
.
0 0 0 1 6 1
.
0 0 0 0 3
0
.
0 5 5 8

0
.
1 2 0 9
0
.
1 3 3 0 0
.
4 5 7 9
0
.
3 3 0 1 0
.
4 7 0

0
.
0 0 2 5

0

0 0 4 4
0
.
0 0 0 2 4 8 0
.
0 0 0 0 1 8
0
.
0 0 3 4 0 0 0
.
0 0 7 1 1 0
0
.
0 1 1 1 6 0
.
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0
.
0 0 0 1 4 0
.
0 0 0 0 0
0
.
0 0 6 0

0
.
0 0 0 6
0
.
0 0 3 6 0
.
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0
.
0 0 81 0
.
1 6 3 6

0
.
0 2 4 2

0
.
0 2 3 4
0
.
0 0 8 7 0
.
0 0 8 0
0
.
0 1 8 6 0
.
0 6 1 7
0
.
0 0 4 4 0
.
0 5 9 6
0
.
0 0 0 0 3

0
.
0 0 0 1 0
0
.
0 0 0 3 3 4 0
.
0 0 0 7 1 0 0
.
0 0 0 4 6 0
0
.
0 0 4 1 8 0
.
0 0 6 7 0 0
.
0 0 1 21
0
.
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.
0 2 7 0
.
0 1 1
0
.
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.
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.
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.
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.
0 0 1 5

0
.
0 0 2 1

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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0
.
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0
.
0 2 7 8 0

0
.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
0 0 1 1 0 0
.
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.
0 0 2 3 0
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.
0 0 1 8 7 4 0
.
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.
0 0 0 6 9 0
0
.
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.
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.
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0
.
1 1 3 9 0 0
.
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.
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.
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0
.
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.
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.
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0
.
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0
.
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0
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.
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.
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长季节活根 C u 元素均处于吸收状态 , 由 7 月起吸收强度加大 , 吸收强度最高为 n 月 , 吸收
量占土壤速效库量的 20 % ;活根在整个生长季节对 Z n 元素都处于吸收状态 , 7 月之前吸收
强度非常小 , 之后加大 , 8 月活根吸收的量最大 , 可占土壤速效库量的 16 % , 之后缓慢下降 ,
到秋末略具反渗透到土壤的现象 。 活根中 Cr 在 6 月之前处于吸收状态 , 约为土壤速效态的
10 %
, 7 月之后 C r 向土壤反渗的强度较大 , 10 月后更加增强 , n 月反渗量可占土壤速效库
量的 7 % 。
同理发现活根中元素 向地上部转移的规律 (图2 a1 2) 如下 : 整个生长季节C o 陆续向地
2 0 2 草 地 学 报
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图 2 黑麦草 、白三叶草地土一草一畜间微t 元素流通率
F19
.
2 F llo w in g r a t e s o f t r a e e ele m e n t s a m o n g 5 0 11
,
fo r a g e
, a n im a l in
th e p a s t u r e o f ry e g r a s s a n d w h ite e lo v e r
上 活体转移 , 其强度最高时转移量占活根 系 Co 量的 61 % (3 月 ) , 9 月份转移强度较小约
12 %左右 , 9 ~ n 月则有所增加 ; C u 的转移强度在 6 月和 9 月出现两个高峰 , 转移量分别古
活根量 35 %和 40 % , 秋末最低约 2 % 。 Z n 元素的转移强度在 3 月和 9 月较大 , 分别为 20 %
和 5 0 % , 5 月最低 ; C : 元素的转移在 8 月最强 , 转移量占根系总量的 1 6 5 7 % (16 倍之多 ) 。 此
时活根吸收土壤中的量最大 。
家畜对植物中元素的转移强度最大 (图 2 a 20 )为春季 (C 。 , C u , Z n) 和 7 月 (C r ) , 分别为
现存量的 1 2 1 、 4 1 6 、 5 9 0 和 1 0 9 1 % 。 因此可以认为在春季进行放牧采食对牧草 Co 、C u 和 Z n
营养元素的平衡影响最大 , 8 月对 C : 的影响最大 。
元素向枯死体转移的强度各异 (图 3 中 a 23 和 a1 4 ) , Z n 和 C r 在 6 月转移较强 , 分别为
植株现存量的 1 2 9 2 %和 2 0 4 5 % , Z n 和 C : 在 9 月和 10 月分别出现另一高峰 , 而 C。 在 8 月
最大 , C u 在 10 月最大 , 分别为植株现存量的 3 60 %和 3 8 % 。
C r 和 Z n 由活根向死根转移 (图 2 中 a 1 2) 的强度最大分别为 3 7 2 2 %和 4 78 % (3 月 ) , 8
月后 C r 和 Z n 则由死根向活体转移 , 而 C r 大部分是向活根转移 。 C u 和 Z n 的转移强度最大
第 3 期 傅林谦等 : 亚热带黑麦草 、白三叶草草地土壤一牧草一家畜中微量无素循环规律 2 0 3
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3 5 6 7 8 9 1 0
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图 3 黑麦草 、白三叶草地草一土间微t 元素流通率
F ig
.
3 F llo w in g r a te s o f t r a ee e le m e n ts a m o n g fo r a g e
,
50 11 i
n th e p a st u r e o f rye g r a s a n d w hite elo v e r
在 9 月分别为 1 4 2 7 %和 2 6 9 3 % 。
地上枯死体中元素的归还速度转快 , (图 2 中 a 36 )其中 Z n 在 8 月 , C。 在 6一 7 月 , C r 在
9~ 1 1 月 , C u 在 7一 8 月 。 死根 (图 2 中 a 4 6 )内归还速度最快的时间为 : C o 在 6一 7 月 , Cu 在
7 ~ 8 月 , Zn 在 7一 1 0 月 , C r 在 10 月左右 。
由于根系对不同元素吸收高峰出现的时间不同 , 因此在施肥管理时要注意施用时间 。
3
.
Z C 。 、Cu 、Z n 和 C r 在土一草一畜的年 间循环规律
将月份之间循 环量相加 , 其值即为每年循环库之间的流通量 。 如图 1 所示 : 土壤速效库
每年每公顷可以从土壤不可利用库中获得 0 . o o 3 k解。 、 0 . ossk g C u 和 0 . 3 3 zk g Z n 。 每年每公
顷土壤中固定速效 C r o . o o Zk g 。 活根每年每公顷从土壤中吸收 0 . o 4 sk g C u 、 0 . o z 7 lk g Z n , 同
时向土壤输送 。. 02 7k g C o 、 0 . lo g k g c r 。从图 1 中可以看出 , 由于供试草地为多年生草地业已
建植近 10 年 , 因此元素在根系中的积累 已经减少 , 其中多数转移到地上活体 , 进而移出系统
的量较多 ;Co 较特殊 , 在大多数循环库中其转移是逆向的 。 Z n 的分解归还量较大 , 尤其是死
根中归还 , 而且植株向枯死体每年输送的 C u 、 Z n 和 C r 都较大 , 从地下有机体的归还的微量
元素量较地上部归还的多 。
2 0 4 草 地 学 报
由此 从表 2 可推 出土壤 中 C 。 、 C u 、 Z n 和 C r 积 累量每年每公 顷分别为一 0 . 5 4 7 7 、 0.
1 8 6 1

1 7
.
8 5 7

0
.
3 5 1 8 kg ; 牧草群落 内的 积累量为 : 0 . 5 1 8 8 、 一 1 . 2 0 3 9 、 一 1 7 . 3 9 6 、 一 1 .
4 3 4 7k g / ha
·
y
. 地上活体内的年积累分别为 : 0 . 5 0 5 8 、 一 1 . 3 9 7 8 、 一 1 6 . 1 8 、 一 0 . 6 8 4 8k g / h a · y
(负值为亏损量 ) 。 经本研究尚未发表数据 , 认为 目前家畜 C 。 、C u 、 Z n 和 C r 的营养供应较 充
分 , 家畜并未呈现缺乏症状 , 牧草体内含量 , 土壤中全量和速效态量也与正常量接近 , 或微低
或微高 (秦礼让 , 1 98 0 ) , 但从以上数字可以看出微量元素除少部分向家畜体内输送外 , 大部
分以有机质分解形式积累在土壤内 ,而群落和牧草的营养体正在大量消耗自身体内积 累的
元素 , 呈亏空趋势 , 时间久了 , 势必会引起牧草和家畜体人的营养不 良 。
表 2 黑麦草、 白三叶草地生态系统土一草一畜间徽 t 元素积果 (k g / ha · y )
T a ble 2 T h e b u d g e ts o f tr a e e ele m e n ts a m o n g 50 11
,
fo r a g e
, a n im a l in th e
p a s tu r e e e o s yste m o f r ye g r a ss a n d w h ite elo v e r
项 目
It e m s
输入
In P u t
输出
O u tP u t
净积累
N e t b u d g e ts
牧草
F o r a g e
一 0 . 0 2 7
0
.
0 4 8
一 0 . 1 0 9
0
.
2 7 1
土壤
S 〕11
一 0 . 5 4 7 5
0
.
4 4 2 1
1 6
.
9 9 5 0
0
.
2 3 7 1
一 0 . 5 4 9 4
0
.
4 5 9 9
1 7
.
0 7 6 0
0
.
3 5 3 1
一 0 . 0 2 7
O
.
一 0.
O
.
0 4 8
1 0 9
2 7 1
0
.
5 1 88
一 1 . 2 0 3 9
一 1 7 . 3 9 6 0
一 1 . 4 3 4 7
一 0 . 5 4 7 7
0
.
1 8 6 1
1 7
.
8 5 7 0
0
.
3 5 1 8
植株
P la n t
0
.
5 0 8 8
一 1 . 3 9 7 8
一 1 6 . 1 8 0
一 0 . 6 84 8
根系
R 0 0 ts
0
.
0 1 3 0
0
.
1 9 3 9
一 1 . 2 1 6 0
一 0 . 7 4 9 9
Couznr一
ZnCr
为了解这四种微量元素在生态系统 内转移的活跃程度 , 特采用周转时间这个指标表示 。
周转时间为循环速率绝对值的倒数 , 其数值列于表 3 . 由表 3 可见 , 在地上活体内 C r 和 Z n
的周转较快 , 周转一次只需 0. 13 年和 0. 1 年 , 周转最慢的是 Co’ 为 0. 46 年 。 在活根 内的周
转时间以 Z n 最快 , 其它三种微量元素循环的时间相当 。 元素在地上活体归还时间最决的是
Z n
, 为 0 . 03 年 , 其次为 C u 和 C。 , C r 的归还时间为 7 . 9 年 。 在死根内的归还时间相对慢些 ,
Z n 为 o . n 年 , C o 为 0 . 18 年 , C u 为 1 . 23 年 , 而 C r 为 21 . 98 年 , 由此可见在速效库内的周转
时间以 Z n 为最快 , C。 为最慢 , 而可利用元素矿化非常慢 , C u 为 1 29 . 87 年 , 而 C r 达 5 0 0 0
年 。 由此可以看出 , 元素在植物体 内的转移时间非常快 , 地上枯死体内的循环较地下死根快 ,
土壤中最慢 。因此提高土壤向牧草体 内转移这一环节过程是至关重要的 , 探讨土一草间的转
移规律和微量元素的有效性是提高系统潜在生产力的关键基础 。
表 3 黑麦草 、 白三叶草地生态系统草一土间微t 元亲周转时间(年)
T a b le 3 T he tu r n o v er tim e o f t r ae e e le m e n ts in fo r a g e a n d 5 0 11 in th e
p a s t u r e e e o s yst em o f rye g r a s s a n d w h ite e lo v e r (Y e a r )
项 目
Ite m s
牧草
Fo r a g e
立枯
Lit te r
速效库
L a b ile
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J任孟0 0只”门bo曰
.⋯0工J才0 . 1 34 63 O
0
.
1 0
活根
R 。。 t
0
.
1 6
0
.
3 3
0
.
3 2
0
.
3 9
死根
D e a d r 《洲〕t
0
.
1 1
0
.
1 8
1
.
2 3
2 1
.
9 8
2 5
.
9 1
2 5 6
.
4 0
1 4 7
.
0 0
6 4
.
5 0
无机矿化
I n o r g a n i e
2 1 2
.
7 7
2 5 0 0
1 2 9
.
8 7
5 0 0 0
ZnCour
第 3 期 傅林谦等 : 亚热带黑麦草 、白三叶草草地土壤一牧草一家畜中微量无素循环规律 2 0 5
4 结论
4
.
1 不同微量元素在生态系统各流通库间随着时间的变化其流通量和流通速率各异 。
4
.
2 供试草地群落中微量元素的输 出大大高于输入 , 今后势必影响牧草的生产能力 , 进而
造成家畜营养不良 。
4
.
3 此生态系统中四种微量元素的循环主要被阻碍在土壤库 内 。
4
.
4 活体中周转时 间最快 , 土壤内最慢 。
4
.
5 改 良多年生草地的土壤 , 提高其速效量以便加快微量元素向牧草体内转移是今后管理
的关键 。
参考文献
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C yc le o f T r a c e E le m e n ts a m o n g 5 0 11
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Y ieh a n g
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A bstr c t
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T h e m o s t o f a r tifie ia l p a s tu r e 5 0 11 w e re r e d一 5 0 11 o r y ello w 一 5 0 11, a n d th e PH 15 a b o u t 5 . T he a e -
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re su lts w e r e th a t (a )
:
T h e flo w in g r a te s a n d e a p a e itie s w e r e d iffe r e n t in v a r io u s e lem e n ts d u rin g d iffe r e n t
g r o w in g st a g es
.
(b )
:
T h e p r o d u e t iv ity o f fo r a g e w ill b e lim it e d b y t r a e e e le m e n ts a n d a n im a lw ill a ls o be in flu
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.
(e )
:
T h e e ye le m a in ly w a s o b s t r u e t e d a t 5 0 11 po l
.
(d )
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s t o im p r o v e Pa s tu r e
,
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t r ae e e le m e n ts e y ele
.
K e y w o r d s
:
T r a e e e le m e n t s ; C ye le ; Pa st u r e ; R ye g r a ss ; W h it
e e lo v e r