绿洲灌溉区与旱作区多龄苜蓿地土壤有机碳、氮及物理特性分析

崔 星，师尚礼

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070)

绿洲灌溉区与旱作区多龄苜蓿地土壤有机碳、氮及物理特性分析

崔 星，师尚礼

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070)

以甘肃灌区和旱作区苜蓿(Medicagosativa)地土壤为研究对象，对不同地域的苜蓿地土壤全氮(TSN)、有机碳(SOC)、容重、含水量进行测定，结果表明：灌区SOC含量均高于旱作区，在90～100 cm土层其含量与旱作区差值最大，达3.41 g/kg。在0～100 cm灌区SOC含量为6.81～12.49 g/kg，均值为9.25 g/kg，比旱作区高22%。旱作区TSN含量随土壤深度的增加而减小，含量在(1.03±0.01)～(0.44±0.04) g/kg。在0～30 cm灌区TSN含量相对较稳定，差异不显著(P>0.05)，在30～60 cm剖面全氮含量急剧下降，70～100 cm含量变化较为稳定，TSN含量维持在(0.66±0.01)g/kg。 旱作苜蓿地土壤含水量在0～60 cm变化不显著(P<0.05)，0～100 cm土壤含水量均值为(14.437±1.124)%,灌区苜蓿地土壤含水量均值为(16.025±2.029)%。随着土壤深度的增加，旱作区和灌区苜蓿地土壤容重均呈现依次增大的分布规律，旱作区最大值为(1.421±0.034)g/cm，比最小值高出17.5%，灌区最大值(1.332±0.017)g/cm，比最小值高出11.3%.

苜蓿地土壤；全氮；有机碳；灌区；旱作区

土壤碳、氮是土壤肥力的物质基础[1]，也是表征土壤质量的重要化学指标[2]，苜蓿在促进土壤有机质积累和培肥土壤方面具有很强的能力[3]。沈禹颖、赵鸿、苏永中、王俊、陈芳[4-8]等，在苜蓿地土壤研究中系统阐述了不同土地利用方式、不同的灌溉水平下土壤化学组分的分布规律，这些研究表明土壤碳推动了氮的循环和转化，而且碳也成为氮元素最重要的“库”和“源”，碳、氮是评价土壤肥力的重要化学指标。

苜蓿地土壤碳研究多集中在0～30 cm的表层土壤,并指出表层土壤具有显著的碳汇效应[9-12]，而对30 cm以下的研究较少。选取甘肃地理和气候差异明显的旱作区与灌区苜蓿地土壤为研究材料，以土壤主要的化学和物理指标为对象，对比旱作和灌区苜蓿地土壤的差异，评价不同气候和地域条件下苜蓿地土壤质量的差异，为评价甘肃土壤质量，同时也为旱作与灌区耕作的土地利用及调控管理提供理论依据与数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地自然概况

试验地分别位于张掖市甘州区碱滩乡和白银市会宁县新庄乡，2个试验地分别代表了典型的灌区农业和旱作农业。碱滩乡地处甘肃西部，祁连山区北部，黑河上游中上部，海拔1 108 m，年平均降水量118 mm，年蒸发量2 002 mm，年平均气温6～7 ℃，≥10 ℃年积温2 984 ℃，地下水源极为丰富，属温带大陆性气候；新庄乡地处西北黄土高原和青藏高原交接地带，海拔1 997 m，年平均降水量340 mm，年蒸发量1 899 mm，年平均气温7～9 ℃，≥10 ℃年积温3 111 ℃，干旱少雨，气候干燥，属温带季风性气候。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择 选择连作5年苜蓿地土壤为研究对象。2011 年10月取张掖地区、白银地区为采样点，在每一地区分别选择苜蓿地采集土样，在样地上随机选5个样点，按照0～10,10～20,20～30,30～40,40～50,50～60,60～70,70～80,80～90,90～100 cm共10层分层采集土样,并将5个样点相同土层的土样等比例混合，除去残根和石块，用四分法取土500 g分层装塑封袋密封，带回实验室称重，过40目筛后装袋待测。

1.2.2 试验方法 土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法；土壤氮采用凯氏定氮法；土壤容重采用环刀法进行测定。

采用SPSS 16.0软件包中的Regression回归分析法、Compare Means均值比较法和EXCEL软件对测定结果进行统计分析，用SPSS、EXCEL软件作图。

2 结果与分析

2.1 理化指标分析

2.1.1 苜蓿地土壤有机碳的分布规律 灌区、旱作区连作苜蓿地土壤有机碳含量随土层加深变化规律不同(表1)，土壤有机碳含量均随土壤深度的增加而降低，这与前人研究结果一致[21,22]。灌区SOC含量均高于旱作区，但不同深度SOC的提高幅度不同。在90～100 cm土层，灌区与旱作区SOC含量差值最大，达到3.41 g/kg，其次是30～40 cm土层，为2.69 g/kg。旱作区0～100 cm土层SOC含量在3.40～10.29 g/kg，均值为7.56 g/kg，灌区0～100 cm土层SOC含量在6.81～12.49 g/kg，均值为9.25 g/kg，比旱作区高22%。旱作区SOC呈现连续下降状态，灌区SOC含量在0～60 cm土层变化明显，60～70与70～80 cm的差异显著(P<0.05)。0～60 cm、80～100 cm土壤，灌区和旱作区同层土壤SOC差异显著(P<0.05)，60～80 cm同层差异不显著(P>0.05)。

表1 不同地域和不同土层苜蓿地土壤有机碳含量Table1 SOC in different regions g/kg

注：同列不同小写字母和同行不同大写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

试验结果表明，灌区各土层SOC含量最高，剖面上部均存在一定厚度的土壤有机碳富集层(0～30 cm)，中部 (30～60 cm) SOC含量迅速下降，灌区下部(70～100 cm)SOC含量稳定，不同土层间的SOC含量差异不显著(P>0.05)，旱作区下部(70～100 cm)SOC的含量继续迅速下降，且土层之间SOC含量差异显著(P<0.05)。

2.1.2 苜蓿地土壤全氮的分布规律 2种气候区的苜蓿地土壤TSN含量在0～100 cm剖面上的变化规律不同(表2)。旱作区TSN含量随土壤深度的增加而减小，其含量为1.03～0.44 g/kg，均值为(0.74±0.02) g/kg，其变化幅度较大，并且在60～80 cm土层下降最快。在灌区，0～30 cm土层TSN含量相对较稳定，差异不显著(P>0.05)，TSN含量在30～60 cm剖面呈现急剧下降的趋势，在70～100 cm较为稳定。灌区TSN含量在每层土壤含量均高于旱作区，且在0～100 cm土层全氮均值，灌区比旱作区高16%。2种气候区，全氮含量差异性表现不同，在0～50 cm、80～100 cm差异不显著(P>0.05)，60～80 cm差异显著(P<0.05)。灌区和旱作区域苜蓿地土壤TSN含量峰值均出现在0～30 cm，且此范围为全氮的富含层。

表2 不同地域和不同土层苜蓿地土壤全氮含量Table2 Changes of soil total N in different regions g/kg

2.2 物理指标分析

2.2.1 灌区和旱作区苜蓿地土壤容重变化特征 随着土壤深度的增加，旱作区和灌区苜蓿土壤容重均呈现依次增大的分布规律，旱作区最大值为1.421±0.034，比最小值高出17.5%，灌区最大值为1.332±0.017，比最小值高出11.3%(表1)，并且在0～100 cm旱区苜蓿土壤容重值均高于灌区苜蓿土壤，这说明旱区苜蓿土壤密度大，土壤紧实，不利于土壤气体和液体的交换，阻碍土壤物质流动。灌区和旱区土壤容重在0～100 cm土层分布规律相似，并且旱区苜蓿土壤容重在0～100 cm土层差异显著(P<0.05)，灌区苜蓿在40～100 cm土层差异不显著(P>0.05)。

表3 灌区与旱作区土壤容重Table3 Soil bulk in irrigation region and dry farimg land g/cm

2.2.2 灌区与旱区苜蓿地土壤含水量变化特征 旱作苜蓿地土壤水分在80～100 cm土层下降到较低的值(9.499±0.24),土壤含水量在20～40 cm土层达到最大值(16.764±1.079)，比最底层含水量高出76%，在0～60 cm土层变化不显著(P<0.05),0～100 cm土壤含水量均值为14.437±1.124,灌区土壤含水量均值为16.025±2.029(表4)。旱作区在0～60 cm土层含水量最高，随土层垂直深度的增加，含水量发生先增加后降低的变化，并且在0～60 cm土层含水量差异不显著(P>0.05)。灌区土壤含水量呈现先增加后降低，最后再增加的一个变化过程。在0～60 cm土层土壤含水量依次增大，最大值达到16.871±0.319，在60～80 cm急剧下降，含水量下降到13.343±1.09，下降了22.9%，在80～100 cm土层含水量上升到16.811±1.021，表明灌区苜蓿地土壤，0～60 cm土层水分含量高,60～80 cm土层含水量下降到较低值,80～100 cm土层土壤水分恢复。

表4 灌区与旱作区土壤含水量Table4 Soil moisture n irrigation region and dry farimg land %

3 讨论与结论

通过对甘肃绿洲灌溉区和旱作农业区苜蓿土壤碳氮的研究得出，区内的苜蓿土壤有机碳和全氮含量随着土壤灌溉水平的差异呈现明显的变化。苜蓿土壤全氮和有机碳含量与土壤所处灌溉水平有直接关系，水分和地表植物影响了有机质和氮素的累积及分布规律。文启孝等[13]研究发现，在湿润地区土壤有机质累积相对较快，土壤全氮含量在剖面上的分布规律与土壤植物残体在土层中的分布关系密切，土壤全氮来自土壤腐殖物分解所形成的有机质，植物腐殖物随深度增加而减少。在灌区和旱作区，苜蓿土壤有机碳的变化趋势与全氮的变化相同。原因为土壤氮素储存于土壤有机质中，相同的土壤处理，如：氮肥施用、耕作方式及农田管理措施都会影响土壤有机碳的变化，也必然引起土壤氮的变化，这与上述的研究结果一致，同时也能够很好的揭示碳氮之间的“库”“源”关系。在垂直分布上，碳氮富含层主要集中在0～30 cm土层，原因在于苜蓿根系也主要分布在0～30 cm土层，较多的根系腐殖物促进氮和有机碳的积累，又由于灌溉水平的差异，水分加速了碳氮的积累与转化，呈现出灌溉区碳氮含量均高于旱作区的分布。土壤全氮的大小反映了土壤供氮水平，而影响土壤全氮含量的因素也是多方面的，苜蓿作为典型的固氮植物，它在生长发育过程中对于土壤氮素有明显的促进作用，虽然生物固氮的根瘤并不直接向土壤释放氮素，但是它脱落的根瘤遗留在土壤中，能增加土壤氮素，生物固氮的植物地下生物量较普通植物大，其较大的地下生物量在土壤能培肥土壤，重要的表现就是氮素的升高，显然豆科作物的根瘤是土壤氮素较高的主要原因。不管是在旱作区还是灌区,不同作物之间的耕作制度改变会显著影响土壤有机碳和全氮的含量变化。

土壤含水量也是评价土壤质量的重要物理指标，其大小通常能反映土壤透水性、通气性和根系伸展时的阻力状况[14-24]。通过比较灌区与旱作区苜蓿土壤水分变化发现，2个区域的连作苜蓿土壤在熟土层保水性都较好，并且两者含水量差异不显著(P>0.05)，说明0～30 cm土层苜蓿地土壤并没有因为地理和气候的差异而引起相应的变化，原因在于苜蓿根系在此范围较密集，密集的根系很好的保持了水土，使得两区含水量差异不显著，但是在旱作区，深层苜蓿地土壤含水量非常少，这从侧面说明连作苜蓿具有较强的抗旱性，能在水分缺乏的地区仍然保持0～30 cm土层有较高的含水量，但多龄苜蓿是否对深层土壤水分造成亏缺还有待于进一步研究。

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中国草学会关于开展第二届中国草业科技奖申报、推荐工作的通知

“中国草业科技奖”于2010年3月由中华人民共和国科技部国家奖励工作办公室审批通过，并颁发登记证书，是已在中华人民共和国民政部备案成立的社会力量设立奖项，是草业界的最高学术奖励，也是学会承接政府转移职能的一个重要体现。草业科技奖每两年评选一次，评选内容涉及草业领域的新产品、新技术和新理论等。第一届草业科技奖(2012至2013年度)已圆满完成授奖，得到各位老师、专家学者的充分肯定，反响很好，同时我们也在不断地完善草业科技奖奖励办法。为进一步调动广大草业科技工作者的积极性，促进草业科技创新，推进现代草业建设，经研究决定，现将启动第二届草业科技奖(2014至2015年度)的评选工作，具体评选办法将另行通知或登录中国草学会网站查询(http://www.chinagrass.org.cn)。我们将秉承公平公正、认真负责的态度对申报项目进行评选，欢迎各位草业科技工作者积极申报。

中国草学会

2014年10月22日

Analysis of the organic carbon,total nitrogen and physical property in the soil of alfalfa land in oasis irrigating region and dry farming regions

CUI Xing,SHI Shang-li

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

The soil of alfalfa land in the irrigating and dry farimg regions was sampled and the soil organic carbon (SOC),soil total nitrogen (STN),soil bulk (SB) and soil moisture (SM) were measured.The resulted showed that the SOC in the irrigating regions (IR) were higher than that in the dry farming regions (DFR),there was a biggest difference (3.41 g/kg)in l depth from 90 to 100 cm between IR and DFR.The value of SOC in depth from 0 to 100 cm in IR was 6.81～12.49 g/kg,the mean was 9.25 g/kg,which was higher than that in DFR.The content of STN was decreased with increasing of the soil depth,the scale of STN content in the soil was from 0.44±0.04 g/kg to 1.03±0.01 g/kg.The content of STN in depth from 0 to 30 cm was relative stability,which no significant difference (P>0.05).The content of STN was decreased from 30 to 60 cm,however,the value of TSN (0.66±0.01 g/kg) was kept stability from 70 to 100 cm.There was no significant difference in the conten of SM from 0 to 60 cm in the soil of DFR(P<0.05).The mean value of the soil from 0 to 100 cm was 14.437 ± 1.124. The mean vaue of the soil in the alfalfa land in IR was 16.025±2.029.With increasing of soil depth,the SB in IR and DFR was increasesd the maximum value in DRF was 1.421±0.034,which was 17.5% higher than the minimum value in the soil.The maximum value in IR was 1.332±0.017,which was 11.3% higher than the minimum value in the soil.

alfalfa soil;nitrogen;organic carbon;irrigation;arid area

2014-05-09；

2014-09-03

国家牧草产业技术体系专项( CARS-35)资助

崔星(1982-)，男，甘肃临夏人，博士研究生。 E-mail：59097942@qq.com 师尚礼为通讯作者。

S 541；S 15

A

1009-5500(2015)01-0068-05