农牧交错带人工种草对土壤磷素有效性的影响

郭彦军,倪郁,韩建国

(1.西南大学动物科技学院,重庆400715;2.中国农业大学草地研究所,北京 100094;3.西南大学农学与生物技术学院,重庆 400715)

北方农牧交错带是我国温带地带性草原区兼作农业生产的地区。天然草地和农田相间分布是农牧交错带的主要特征。在长期人类活动中,北方温带草原区草原开垦严重,土壤质量退化较为严重[1]。建国以来,我国现有草地面积4.8%左右被开垦为耕地,约占现有耕地的18.2%[2]。草地开垦改变了土地利用方式,高产一年生粮食作物从土壤中带走大量营养物质,频繁的翻耕改变了土壤C、N转化速率[3]。开垦草原种植粮食作物8,16和41年后土壤有机磷分别下降8%,20%和36%[4]。大量资料表明北方地区的沙漠化与草地开垦有关[5]。

退耕地种草被认为是农牧交错带恢复草地生态、改善环境的主要措施之一[6]。退耕地种草后土壤有机碳含量增加、植被覆盖度提高,在一定程度上取得了较好的效果[7,8]。但是,退耕地建植的人工草地往往因管理技术差、产量不稳定及品种适应性等问题,逐渐退化,农牧民复垦现象普遍。前期的研究发现北方农牧交错带土壤速效磷含量普遍在5 mg/kg以下,而土壤碱解氮、速效钾达丰富水平,草地生态系统的生产力低下[9]。人工种草虽然能提高土壤氮素水平,但植物无法增加土壤中磷素水平。磷在土壤中的溶解性差、难以移动,加上植物不断消耗,已成为该区植物生长主要的限制因子。土壤养分供应水平的不均衡可能是导致该区人工草地退化的主要原因。贾宇等[10]也认为提高紫花苜蓿人工草地产草量或延长草地高产年限,必须寻找增加土壤有效磷的途径或方法。

磷作为植物主要的营养元素,在土壤中可以分为无机磷和有机磷两大类。无机磷又可分级为Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Fe-P、Al-P和O-P。不同形态无机磷的有效性差异很大,其中Ca2-P生物有效性较高,Ca10-P和O-P的生物有效性最低。研究表明土壤利用方式显著影响土壤无机磷组分间的相互转化[11]。此外,牧草品种不同,对土壤磷素利用效率也有显著差异[12]。因此,研究人工种草后土壤磷素有效性很有必要。本试验选择北方农牧交错带种植4年的多年生人工草地,分析测定了人工种草对土壤全磷、速效磷及无机磷各组分的影响规律,旨在为正确选择适宜的退耕还草品种、为合理利用与管理草原提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于中国农业大学国家草地生态系统沽源野外观测站。平均海拔1 400 m,年均温1.4℃,大于10℃的年积温为1 513.1℃,无霜期100 d左右,年平均降水量为300 mm(主要集中在7-9月份),年蒸发量为1 785 mm,年日照时数2 930.9 h。土壤类型为栗钙土。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。

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45 cm。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500 m2左右,其余草地样区大小在800 m2左右。同时选择草地植被相对一致的羊草草甸草原作为对照,按地形分成4个采样区,每个样区大小500 m2。草地利用方式以放牧奶牛为主,连续放牧,草地呈现一定的退化表现,7月草层平均高度30 cm左右,盖度为85%～93%。对照天然草地样地距人工草地100 m。土壤类型为沙质栗钙土。

1.3 土壤采样方法

于2006年7月,在天然草地每个样区内,按点-四分法确定采样点8个,分0～10和10～20 cm两层采集土样,每个点采集100 g土左右,8个点样品混合后取500 g土。耕地和紫花苜蓿地按蛇形采样法,距植株5 cm处采集0～10和10～20 cm土层土样,每个样区采8个点,混合后取500 g土。每个样地取4个混合样品。土样晾干后,制样(过1.00和0.25 mm 筛)。

1.4 测定指标及方法

参照蒋柏藩-顾益初石灰性土壤无机磷分级方法[13],用NaHCO3溶液测定Ca2-P,用NH4Ac溶液测定Ca8-P,用NH4F溶液测定 Al-P,用NaOH-Na2CO3溶液测定Fe-P,用柠檬酸纳和 NaOH混合溶液测定O-P,用H2SO4溶液测定Ca10-P。土壤全磷含量测定采用HClO4-H2SO4消化法,速效磷磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3法。土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾滴定法。土壤pH值采用酸度计测定(水土比为5∶1)。

1.5 统计方法

采用单因素方差分析(SPSS13.01),比较不同草原类型、不同土层土壤全磷、速效磷、总有机碳、Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P和O-P含量,显著水平为P=0.05(LSD 检验法)。

2 结果与分析

2.1 人工种草后土壤速效磷、全磷、总有机碳含量和pH值的变化

试验区土壤速效磷含量均在4 mg/kg以下(表1),种植多年生牧草后土壤速效磷含量整体呈下降趋势,且草地雀麦草地、无芒雀麦草地和羊草草地土壤速效磷含量显著低于天然草地土壤(P<0.05)。人工草地间,无芒雀麦草地土壤速效磷含量显著低于扁穗冰草草地(P<0.05)。人工草地0～10和10～20 cm土层土壤全磷含量均显著低于天然草地土壤(P<0.05)。人工草地间,羊草草地和紫花苜蓿草地土壤全磷含量显著高于无芒雀麦草地(P<0.05)。

人工种草也影响土壤总有机碳含量和土壤pH值。0～10 cm土层,天然草地土壤总有机碳含量显著高于扁穗冰草、草地雀麦和无芒雀麦草地(P<0.05);10～20 cm土层,天然草地土壤有机碳含量显著低于紫花苜蓿草地,与其他草地无显著差异(P>0.05)。人工种草后土壤pH值均显著下降,其中紫花苜蓿草地和扁穗冰草草地10～20 cm土层土壤pH值又显著低于羊草草地(P<0.05)。

2.2 人工种草对土壤无机磷组分的影响

人工草地土壤Ca-P含量显著低于天然草地土壤(P<0.05)(表2)。人工草地间,紫花苜蓿草地土壤0～10和10～20 cm土层土壤Ca2-P和Ca8-P含量均显著高于其他人工草地(P<0.05);羊草草地土壤Ca10-P含量显著高于其他人工草地(除0～10 cm的扁穗冰草草地和无芒雀麦草地)(P<0.05)。无芒雀麦草地和羊草草地土壤Ca2-P和Ca8-P含量极低,10～20 cm土层土壤不能测定出Ca2-P和Ca8-P含量。

人工种草后土壤Al-P含量的变化因牧草种类及土层深度的不同而不同。其中,0～10 cm土层,天然草地土壤Al-P含量除与紫花苜蓿草地土壤无显著差异外,均显著高于其他人工草地土壤(P<0.05);10～20 cm土层,天然草地土壤Al-P含量显著低于紫花苜蓿草地土壤(P<0.05),而又高于草地雀麦草地、无芒雀麦草地和羊草草地土壤(P<0.05)。人工草地间,扁穗冰草草地和紫花苜蓿草地土壤Al-P含量显著高于草地雀麦和无芒雀麦草地土壤(P<0.05)。

人工种草后土壤Fe-P含量有增加的趋势。除与无芒雀麦草地和10～20 cm土层的羊草草地土壤无显著差异外,天然草地土壤Fe-P含量显著低于其他人工草地土壤(P<0.05)。人工草地间,无芒雀麦草地土壤Fe-P含量显著低于扁穗冰草、草地雀麦和紫花苜蓿草地土壤(P<0.05)。

除天然草地和扁穗冰草草地土壤外,其他人工草地土壤中未能检测出O-P含量。扁穗冰草草地土壤O-P含量显著低于天然草地土壤(P<0.05)。

2.3 人工种草后土壤无机磷形态比例的变化

试验区土壤磷素主要以有机磷形态存在,无机磷在全磷中所占的比重平均在19.34%～36.33%(0～10 cm)和18.61%～42.09%(10～20 cm)(表2)。多年生人工草地土壤无机磷所占比重显著低于天然草地(除0～10 cm土层扁穗冰草草地外)(P<0.05)。人工草地中,扁穗冰草草地土壤无机磷所占比重显著高于其他草地(P<0.05)。

表1 人工种草对土壤速效磷、全磷、有机碳含量及pH值的影响Table 1 The effects of planting perennial grasses on the contents of available phosphorus,total phosphorus,total organic carbon and pH value

表2 人工种草对土壤无机磷组分的影响Table 2 The effect of planting perennial grasses on inorganic phosphorus fractions

各无机磷形态中,以Ca-P为主,平均占无机磷总量的65.29%(0～10 cm)和68.62%(10～20 cm),其次是Fe-P和Al-P,分别占无机磷总量的18.45%(0～10 cm)和5.31%(0～10 cm)。3种 Ca-P形态中,以Ca10-P为主,占Ca-P总量的88%,Ca2-P和Ca8-P分别占4.5%和7.5%。

比较不同草地土壤无机磷各形态占无机磷总量的百分比(0～10 cm),紫花苜蓿草地和天然草地土壤Ca2-P、Ca8-P和Al-P所占比重高于其他草地;无芒雀麦草地Ca10-P比重最高,Al-P比重最低;天然草地土壤Fe-P和Ca10-P比重最低。

2.4 土壤无机磷形态、pH值、总有机碳含量与速效磷的关系

土壤速效磷含量与Ca2-P、Ca8-P、Al-P、O-P和Ca10-P含量均呈显著正相关关系(表3)。除Fe-P外,其他各形态无机磷之间均呈显著正相关关系(P<0.05)。土壤pH值与速效磷呈显著正相关关系(P<0.05),与Fe-P呈极显著的负相关关系(P<0.01),与Ca2-P、Ca8-P、O-P和Ca10-P均呈极显著正相关关系(P<0.01)。土壤总有机碳含量与Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量呈极显著正相关关系,与速效磷含量之间无显著相关关系(P>0.05)。

表3 速效磷与pH值、总有机碳含量和无机磷组分之间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between available phosphorus and pH value,total organic carbon,inorganic phosphorus fractions

3 讨论

本试验结果表明,试验区土壤磷素供应水平较低,速效磷含量在4 mg/kg以下,严重影响着植物的生长[14]。植物可以通过生物固氮作用将大气中的氮素固定后补充到土壤中,但植物不能补充自身所消耗的磷素[10]。人工草地物种虽然单一,因有灌溉条件,产量高,需要的磷素也多。但因不存在施肥或家畜粪尿的还田,土壤磷素水平存在逐渐下降的趋势。人工草地土壤的pH值显著低于天然草地,这有利于提高盐碱化土壤磷素的有效性。相关分析也表明土壤pH值与速效磷呈显著正相关关系,与Ca2-P、Ca8-P、O-P和Ca10-P均呈极显著正相关关系。但是人工草地土壤速效磷含量显著低于天然草地土壤,原因可能在于所种植的几种牧草所消耗磷素的能力要强于磷素矿化作用[15]。

本试验各草地土壤无机磷组分均以Ca-P为主,其顺序为Ca10-P>Fe-P>AI-P>Ca8-P>Ca2-P,说明该类型土壤中磷素的生物有效性低[16],这与土壤较低的速效磷含量是一致的。相关分析中,速效磷含量与土壤各形态无机磷均呈显著正相关关系,说明在磷素较低的石灰性土壤中,各形态无机磷之间相互转化迅速,它们都是植物所需磷素的重要来源,基本不存在无机磷的实质性固定问题。O-P仅在天然草地和扁穗中检测出,原因可能在于石灰性土壤风化程度高,闭蓄态磷比重小,检测比较困难[17]。

人工种草后土壤不同形态无机磷之间的比例发生变化,且这种变化因牧草品种的不同而不同,这可能与不同植物根系生长及根系分泌物不同有关[18]。退耕地种草后,土壤有机碳含量高于耕地[9],本试验中部分草地有机碳含量接近天然草地水平,但是土壤磷素有效性很难达到天然草地水平。Mohanty等[19]认为土壤有机碳含量与土壤有效磷含量之间有一定的相关性。而本试验中,土壤总有机碳含量与Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量呈极显著正相关关系,与速效磷含量之间无显著相关性。这可能与本试验较低的有效磷水平有关。

不同植物利用磷素的能力是不同的,这就意味着磷素利用能力较低的植物在低磷土壤中很难取得较高的生物量[20]。而天然草地植物多样性高,物种间在利用不同形态磷素方面有互补作用,草地产量相对稳定。从这一点上考虑,在退耕还草时建植多年生混播草地可能较为有利。综合分析认为我国北方农牧交错带在选择退耕还草品种时除考虑牧草产量外,还应考虑品种对低磷土壤的适应性,并加强对新建草地的施肥与生态安全评价[21,22]。

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