苜蓿对旱地土壤有机碳氮变化的驱动作用

杨 洋，王百群，2，3，李玉进

（1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌7121001；2.西北农林科技大学 水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100；3.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

苜蓿（Medicago sativa L.）是一种多年生豆科饲草及绿肥植物。苜蓿根系具有固氮能力，在生物培肥土壤中具有重要的贡献，可以有效地改善土壤质量［1－3］。在农业生产中，通过苜蓿与作物轮作，改善土壤肥力和提高作物产量［4］。苜蓿的适应性较强，具有持久和较高的生产能力，营养丰富，是优质的牧草。因此，苜蓿在家畜养殖和农业生产中起着重要的作用［5］。

在黄土高原地区，苜蓿分布比较广泛。自20世纪80年代，由于对粮食生产的重视、农业生产条件的改变及化肥的广泛施用，使得苜蓿的种植面积下降，而且种植苜蓿的土地类型也随之发生了变化［6］。但近年来，随着退耕还林还草生态环境建设工程的实施、农业产业结构的调整，在一些地区，苜蓿种植又受到了重视，苜蓿种植面积有所增加。在干旱半干旱条件下，苜蓿生产的可持续性及其对土壤水分条件的影响得到了研究者的关注，提出了促进苜蓿生产稳定发展的技术对策［6－7］。苜蓿对旱地土壤有机碳及氮素变化的影响，也是表征苜蓿对土壤生态环境效应的重要方面［8－11］。本文根据旱地进行长期定位试验，研究长期生长苜蓿对土壤有机碳库及全氮变化的驱动作用，揭示苜蓿促进土壤有机碳、氮累积的能力。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于陕西省长武县丁家乡十里铺村，所在的区域为黄土高原沟壑区，该区海拔为1 200m，年均降水量为584mm，年内分布不均，7—9月的降雨量约占年降水的60%左右。年均温为9.3℃，≥10℃的积温为3 029℃，属于暖温湿带半湿润大陆性季风气候区。该区作物生长所需的水分主要来自天然降水，为典型的旱作雨养农业区。土壤类型为中壤质黑垆土［6］。

1.2 试验设计

田间定位试验于1984年布设在十里铺村的塬面平地中。该定位试验包括10种作物轮作方式和7种施肥模式，共36个处理，每个处理重复3次，区组随机排列，共108个小区。小区长10.26m，宽6.5m，面积为666.9m2。本研究选取其中的4个处理作为研究对象，4个处理分别为：（1）裸地，不施肥；（2）小麦连作，不施肥；（3）苜蓿，不施肥；（4）苜蓿，施有机肥量75 000kg／hm2，施氮量120kg／hm2，施磷量60 kg／hm2（用M75N120P60表示该施肥处理）。试验中施用的有机肥为农家肥，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙或三料磷肥。试验开始前土壤有机碳含量为6.09g／kg，全氮含量为0.57g／kg，土壤pH值为8.4［12］。土壤田间持水量为21%～24%，凋萎湿度为7%～8%［6］。

1.3 样品采集

于2000年9月在所选的4个处理试验小区中，用土钻随机多点采集土壤样品，采样深度为0—20cm，将多点样品充分混匀，组成一个混合样品，除去土壤中残留的植物根系及植物残体，将样品风干备用。

1.4 测定方法

（1）土壤微粒有机质的分离［13］。称取10g过2 mm筛的风干土样，放入塑料瓶中，加入30ml的0.5%的六偏磷酸钠溶液，在振荡机上振荡15h。将塑料瓶中的土壤悬液过0.053mm筛，用去离子水洗涤筛中的残留物3～4次。残留于筛中的有机物为微粒有机质。将残留在筛上的残留物转入烧杯中，在50℃烘箱中烘干24h。将过筛的土壤悬液放入50℃烘箱中，启动鼓风进行烘干。烘干后分别称重，然后磨细，过0.25mm筛。待测定其中的有机碳和全氮含量。

（2）土壤有机碳及微粒有机质中有机碳的测定。应用浓硫酸—重铬酸钾外加热氧化法。

（3）土壤全氮及微粒有机质中全氮的测定。采用开氏法消化样品，自动定氮仪测定氮含量。

（4）土壤容重的测定。采用环刀法，在各小区中测定0—20cm土层土壤容重。

2 结果与分析

2.1 苜蓿对土壤有机碳、全氮的影响

在长期生长苜蓿条件下，通过根系分泌物、根系残体及地下残体向土壤中输入有机物，从而引起土壤有机碳含量发生一定的变化（表1）。在不施肥条件下，苜蓿地土壤有机碳含量显著高于裸地及小麦连作土壤中的含量，表明了连续生长苜蓿比小麦连作更能有效地提高土壤有机碳的含量。在有机肥与氮、磷化肥配施条件，苜蓿地土壤有机碳含量提高更加显著，土壤中增加的有机碳来源于有机肥的碳及苜蓿输入的有机碳。由此说明，种植苜蓿并施肥的土壤比种植农作物更有利于提高土壤有机碳含量。

表1 长期生长苜蓿对土壤有机碳和全氮的影响

不施肥小麦连作及生长苜蓿地对土壤全氮的变化具有不同的影响（表1），小麦连作土壤全氮与裸地土壤全氮的含量相近，没有明显的差别，而苜蓿地土壤全氮含量显著地高于小麦连作土壤的含量，这主要是由于苜蓿根系可以固氮，从而使土壤全氮含量增加。在有机肥与氮、磷化肥配施条件下，苜蓿地土壤全氮大幅度提高，这是苜蓿生物固氮及施用有机肥和氮素化肥共同作用的结果。

｀根据长期不施肥与施肥条件下，苜蓿地土壤有机碳及全氮含量的变化，可以看出，种植苜蓿能够显著提高旱地土壤有机碳与全氮的含量水平，因而能够有效地培肥旱地土壤。为了进一步明确生长苜蓿提高土壤有机碳和全氮的过程与机理，有必要对土壤有机碳库和氮库的构成进行解析。

2.2 苜蓿对土壤微粒有机碳、全氮的影响

应用化学分散与物理分离相结合的方法，可以将土壤有机质分为微粒有机质和矿物结合有机质两个组成部分。微粒有机质是指粒径＞0.053mm的有机质组分。微粒有机质中的有机碳和全氮分别称为微粒有机碳和微粒全氮。微粒有机碳主要由一些处于分解或半分解状态的有机物碎屑构成，这些有机物中的有机碳具有中等的分解速率。矿物结合有机碳具有缓慢的分解速率，是土壤有机碳库中较为稳定的有机碳组分。微粒有机碳和全氮的变化对土壤利用方式与土壤管理措施具有敏感的响应［13］，通过微粒有机碳、氮的动态可以表征土壤有机碳和全氮变化特点。

从两个方面来分析长期生长苜蓿对土壤微粒有机碳、氮和矿物结合有机碳、氮的影响，一方面比较微粒有机质中的有机碳，另一方面比较以原土为基础的有机碳的含量。从表2中可以看出，不施肥条件下，种植苜蓿土壤中微粒有机质中有机碳的含量与裸地和小麦连作土壤中的没有明显的差异；在施用有机肥及氮、磷化肥条件下，苜蓿地土壤中微粒有机质中有机碳的含量显著提高。以原土为基础计算的土壤微粒有机碳的含量也显示出同样的趋势，说明在种植苜蓿和施肥的共同作用下，有益于土壤中的微粒有机碳累积。比较矿物结合有机碳的含量（表2），可以看出，裸地土壤与小麦连作土壤中矿物结合有机碳的含量没有明显的差别；不施肥条件下，生长苜蓿的土壤中矿物结合有机碳的含量明显高于裸地土壤中的含量；施肥条件下，苜蓿地土壤中矿物结合有机碳的含量显著提高。由此可见，不施肥条件下，微粒有机碳累积不明显，而累积的有机碳主要分布在矿物结合有机碳组分中，成为相对稳定的有机碳组分；而在施肥条件下，与裸地土壤相比，苜蓿土壤有机碳库中微粒有机碳和矿物结合有机碳含量的增量相近，这两个组分中的有机碳同步增加。

微粒的全氮变化与土壤管理措施有着密切的联系。表3显示，不施肥条件下裸地和小麦连作及生长苜蓿土壤的微粒全氮含量没有明显的差别。但在有机肥与氮、磷配施条件下，苜蓿地土壤微粒全氮含量显著提高，微粒土壤全氮含量的增加是苜蓿固氮及施用有机肥和氮素化肥共同作用定的结果。不施肥条件下，裸地与小麦连作土壤中的矿物结合全氮的含量相近，苜蓿地土壤矿物结合全氮高于小麦连作土壤中的含量。有机肥与氮、磷配施条件下苜蓿地土壤矿物结合全氮的含量显著地高于不施肥苜蓿地土壤的含量。结果表明，不施肥条件下，生长苜蓿对土壤微粒全氮没有明显的影响，苜蓿固氮而增加的氮素主要存在于矿物结合全氮组分中；种植苜蓿并施肥条件下，土壤中增加的氮素，几乎平均地分布在土壤微粒全氮和矿物结合全氮组分中，以上即为苜蓿施肥引起土壤氮库变化的内在特征。生长苜蓿驱动土壤氮素变化的特点与其对土壤有机碳库变化驱动的特点相似。

表2 长期生长苜蓿对土壤微粒有机碳和矿物结合有机碳的影响

2.3 苜蓿对土壤有机碳固定的影响

以上分析对比了不施肥和施肥条件下，长期生长苜蓿与裸地和小麦连作条件下土壤有机碳、全氮及其构成组分中含量的差异。为了进一步揭示长期生长苜蓿驱动土壤有机碳库变化的能力，对苜蓿地土壤与裸地及小麦连作土壤中有机碳的固定量和固定率进行比较。从表4可以看出，长期保持裸地导致土壤有机碳损失，不施肥小麦连作土壤有机碳基本能够维持平衡，不施肥长期生长苜蓿土壤固定有机碳，施肥和连续生长苜蓿条件下，土壤能够相对快速地固定有机碳，说明了多年生牧草比农作物更能有效地促进土壤固定有机碳。

表3 长期生长苜蓿对土壤微粒有机氮和矿物结合有机氮的影响

表4 长期生长苜蓿对土壤有机碳储量与固定储量的影响

3 讨论与结论

土壤有机碳、氮的变化与土壤耕作制度及土壤利用方式等因素有着密切的关系。研究表明，当农地转变为草地后，由于地上及地下植物有机残体输入到土壤中，而且与农地不同的是，草地土壤处于免耕状态，使土壤免受扰动，有助于土壤对有机碳的保护［13］，这些因素就有利于草地土壤中有机碳及氮素的积累［14－15］。草地土壤中有机碳和氮素累积的强度主要取决于草的根系及地上有机残体向土壤中的输入量及其在土壤中分解与转化等因素。在本试验研究结果中，不施肥条件下，苜蓿地土壤有机碳与氮素含量高于小麦连作土壤中的含量，其主要原因是，苜蓿具有固氮能力，而且苜蓿地土壤处于免耕状态，对土壤有机碳具有保护作用。本研究发现，苜蓿地上部分常被收获，而且不进行土壤翻耕，地上部有机物残体很少且不易进入到土壤中，所以，苜蓿地土壤微粒有机碳变化不明显。进入到土壤中的有机碳主要来源于根系分泌的有机物及死亡的根系，这些有机物在微生物的作用下，其分解和转化后的产物与细土壤矿物颗粒结合，成为矿物结合有机碳，累积有机碳、氮主要分布在矿物结合的有机碳、氮组分中。在本试验中，在施用有机肥及氮、磷化肥条件下，苜蓿地土壤增加的有机碳、氮几乎平均地分布在微粒有机碳、氮和矿物结合的有机碳、氮组分中，说明了进入到土壤的中的有机碳、氮逐步转为土壤有机碳、氮库中相对稳定的组分。这表明了在有机肥与化肥配施条件下，苜蓿的生物量提高［11，15］，输入到土壤中有机物量高于不施条件，土壤中增加的微粒有机碳、全氮及矿物结合有机碳、氮主要来源于施入的有机肥，其次是苜蓿的贡献，显示了种植苜蓿与施肥对土壤有机碳、氮库的驱动作用。在半干旱条件下，保持适度苜蓿生产力，才能使土壤水分环境条件维持苜蓿多年生长［6］。因此，在旱地土壤中，长期适度生长苜蓿并施肥，有助于提高土壤氮素的积累，促进土壤对有机碳的固定。

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