松嫩平原苜蓿和羊草栽培草地土壤氮素动态分析

高 超王，张建月丽学，康，陈昕积彤山，张，邸 强桂俐，钟， 潘鹏多锋，

(1.黑龙江省农业科学院草业研究所，黑龙江 哈尔滨150086;2.黑龙江省农业科学院大豆研究所，黑龙江 哈尔滨150086)

土壤是植物生存的重要基础条件之一，土壤养分直接影响植物的生长［1］。氮素是植物生长和发育所必需的营养元素，在草地生态系统中氮素至关重要，在调节草地生态系统生产力、结构和功能方面起着关键作用［2-4］，是草地生态系统物质循环的重要环节［5-6］，既限制着草地的生产力又是衡量草地生产能力的重要指标［7-8］。在草地生态系统中，土壤全氮含量是主要的土壤肥力指标之一，能够给土壤提供基础肥力，同时又受植被生长状况、环境因子和草地利用情况等的影响。土壤的全氮含量与土壤理化特征、土地利用方式和植被特征等密切相关［9］。

松嫩草地是我国重要畜牧业和商品饲草生产基地。近年来，全球气候的变暖以及人们对草地的不合理利用，致使草地发生大面积植被退化和土壤盐碱化［10-12］，而且草地盐碱化程度逐渐加重。其中，重度盐碱化土地面积仍以每年1. 4% 的速度扩展［10］。草地退化引起土壤氮素流失，已经成为限制草地生产力的最重要因素之一［13］。栽培草地不仅能缓解草畜供需矛盾，而且是解决草地生态系统恢复的重要部分［14］，有利于当地自然植被和土壤的恢复与重建［15］。已有研究表明，种植苜蓿(Medicago sativa)可显著提高黄土高原苜蓿草地的土壤有机质、全氮和速效氮含量［16］;在三江源区建植栽培草地，土壤有机质、氮素和磷素随年限增加呈“V”字型变化［17］;高山草甸垂穗披碱草(Elymus nutans)栽培草地速效氮的含量明显高于重度退化草地［18］;在松嫩盐碱草地上星星草(Puccinellia tenuiflora)栽培草地有利于土壤氮素的积累［19］;在黄土高原云雾山草地研究中发现，栽培草地土壤有机碳和全氮含量随种植年限的增长而增加［20］。

本研究以松嫩平原(重度盐碱化草地)栽培种植的羊草(Leymus chinensis)和苜蓿草地为研究对象，以围栏封育自然恢复草地为对照，分析比较两种栽培草地土壤氮素季节动态特征，旨在为松嫩平原重度盐碱化退化草地的植被栽培恢复与管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省绥化市兰西县远大乡，地处松嫩平原西部。126°08' E、46°12' N，平均海拔160 m。年平均气温－5.9 ℃，极端最高气温37.6℃，极端最低气温－ 39 ℃，≥0 ℃年积温2 760℃·d，年均日照时数2 900 h，无霜期平均139 d，年平均降水量469.7 mm。属温带大陆性气候。草地类型为盐碱化草地，土壤为盐碱化草甸土。

1.2 样地选设及取样

本试验选取的苜蓿栽培草地和羊草栽培草地均为2008 年5 月建植，未进行施肥处理，建植后草地围栏禁牧，其中，苜蓿栽培草地面积为250 亩(约合16.67 hm2)，羊草栽培草地面积为200 亩(约合13.33 hm2)。建植前草地属重度盐碱化草地，地表裸露面积大，春夏以一年生或多年生的藜科、蓼科、菊科和蔷薇科植物为优势种，如灰绿藜(Chenopodium glaucum)、两栖蓼(Polygonum amphibium)、欧亚旋覆花(Inula britanica)、伪泥胡菜(Serratula coronata)、蒲公英(Herba taraxaci)和翻白委陵菜(Potentilla discolor)等;夏末秋初主要为一年生的禾本科植物，如谷莠子(Setaria viridis)、虎尾草(Chloris virgata)等。碱斑面积在60%以上，土壤pH 在8.25 ～10.14，土壤表层含盐量0.136% ～0.405%。围栏封育进行自然恢复的重度盐碱化草地(对照)面积150亩(约合10 hm2)。2010 年土壤取样时，苜蓿栽培草地主要以苜蓿为建群种，总盖度在85%左右，主要伴生种为羊草、翻白委陵菜、谷莠子、苦荬菜(Ixeris denticulata)、田旋花(Convolvulus arvensis)等;羊草栽培草地以羊草为建群种，群落总盖度在95%左右，主要伴生种为野大麦(Hordeaum brevisubulatum)、翻白委陵菜、菖蒲草(Typha angustifolia)等;围栏封育草地(对照)以翻白委陵菜为建群种，群落总盖度在70%左右，主要伴生种有羊草、欧亚旋覆花、东北牡蒿(Artemisia manshurica)、灰绿藜、两栖蓼、野大麦、菖蒲草等。

试验于2010 年6 月开始，每月的15 日在苜蓿栽培草地、羊草栽培草地和对照样地上进行土壤取样，至10 月份结束，共取5 次土样。在每个样地上沿对角线方向设置两条样线(每条样线长度约250 m)，在每条样线上每隔约50 m 用土钻取一次土样(分0 －10、10 －20 和20 －30 cm 深度)，共取12 钻，即12 次重复。将同一样地同层的土样混合并自然风干，过0.15 和1.0 mm 筛用于测定土壤全氮、速效氮和有机质。

1.3 测定项目与方法

土壤全氮采用全自动定氮仪(FOSS 2300)测定;土壤速效氮采用碱解扩散法测定;土壤有机质采用重铬酸钾容量法－外加热法［21］。土壤0 －30 cm土层数据为各土层数据相加后的平均值［22-24］。

1.4 数据分析

数据利用SPSS 13.0 系统软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同草地土壤氮素动态

2.1.1 不同草地类型不同土层土壤全氮季节动态

土壤全氮含量能够反映土壤氮素的储量与供应能力，氮素含量直接影响着植物的生长，而植被覆盖度和植被类型也影响着氮素的动态［25］。本研究中，苜蓿栽培草地各土层土壤全氮含量月动态变化一致，均表现为随月份增加呈降低－升高－降低的趋势(表1)。7 月份土壤全氮含量最低，均显著低于其他4 个月份(P ＜0.05)，最高值出现在9 月份0－10 cm土层，为0.342%。

表1 不同草地类型不同土层土壤全氮含量季节动态变化Table 1 Seasonal change of soil total nitrogen content in different grassland types %

羊草栽培草地土壤全氮含量月动态变化因土层深度而异(表1)。0 －10 cm 土层是先降低后增加然后 再 降 低，6 月 最 高(0. 325%)，10 月 最 低(0.147%);10 －20 和20 －30 cm 土层随着月份的增加呈先升高后降低的趋势，都在8 月份达到最高值，分别为0.281%和0.276%。3 个土层10 月份土壤全氮含量都最低，大多与其他4 个月份间差异显著(P ＜0.05)，只有20 －30 cm 土层，10 月份与9 月份差异不显著，这可能是因为9 月份时此土层的全氮累积量较土壤表层凋落物少的同时羊草营养繁殖芽又需要一定的氮素，所以此土层全氮含量在9 月份时下降明显，与10 月份差异不显著。

围栏封育草地各土层土壤全氮含量月份间的变化幅度较平缓，差异不显著(P ＞0.05)。0 －10 cm土层土壤全氮含量表现为随月份增加先升高后降低的趋势，10 －20 和20 －30 cm 土层土壤全氮含量随月份增加呈现“M”型趋势。

7 月份植物生长旺季，0 －30 cm 土层土壤全氮含量表现为羊草栽培草地＞围栏封育草地＞苜蓿栽培草地，苜蓿栽培草地全氮含量最低(0.184%)，显著低于羊草栽培草地和围栏封育草地(P ＜0.05)。除7 月份外，其他月份均以苜蓿栽培草地土壤全氮含量最高。

2.1.2 不同草地类型不同土层土壤速效氮季节动态 土壤速效氮是植物从土壤中吸收氮素的主要形态［26］，苜蓿栽培草地各土层土壤速效氮含量变化与土壤全氮基本相似，随着月份的增加呈降低－ 升高－降低的趋势(表2)。土壤表层速效氮含量8 月份达最高(140.916 mg·kg－1)，在7 月份最低，为68.815 mg·kg－1，与其他月份间差异显著(P ＜0.05)，这可能因为7 月份是苜蓿生殖生长旺盛期，根系大量吸收氮素以保证种子的成熟。

羊草栽培草地0 －10 cm 土层土壤速效氮含量随着月份的增加呈降低－升高－降低趋势，8 月份最高，为133.022 mg·kg－1，10 月份最低，为57.702 mg·kg－1，显著低于其他月份(P ＜0.05);10 －20和20 －30 cm 土层随月份增加呈先增加后降低的趋势，8 月份均最高，除20 －30 cm 土层的6 月份和10月份土壤速效氮含量差异不显著外，10 月份显著低于其他月份。生长季末期9 －10 月份是营养繁殖芽生长的旺盛时期，羊草种群将通过营养繁殖芽进行种群的补充和更新［27］，此时羊草根系大量吸收土壤中的氮素提供羊草根芽所需的养分，所以，土壤速效氮含量此时降至最低。

围栏封育草地各土层土壤速效氮含量与苜蓿栽培草地变化趋势基本一致，呈降低－升高－降低的趋势。各土层土壤速效氮含量均在7 月份最低，与8、9 和10 月差异显著(P ＜0.05)，这可能是因为7月份草地生物量最大，植物需从土壤中吸收足量的氮素，以维持其生长所需的能量;0 －10 和10 －20 cm 土层土壤速效氮含量均在8 月份最高。

表2 不同草地类型不同土层土壤速效氮含量季节动态变化Table 2 Seasonal change of soil available nitrogen content in different grassland types mg·kg －1

7 月份植物生长旺季，0 －30 cm 土层土壤速效氮含量也表现出同全氮含量相同的趋势:羊草栽培草地＞围栏封育草地＞苜蓿栽培草地，苜蓿栽培草地最低(42.920 mg·kg－1)，显著低于羊草栽培草地和围栏封育草地(P ＜0.05)。除7 月份外，其他月份均以苜蓿栽培草地土壤速效氮含量最高。

2.2 不同草地类型土壤有机质季节动态

苜蓿栽培草地和羊草栽培草地土壤有机质的月动态变化相似:均表现出随着月份的增加呈降低－升高－降低的趋势，且最低值都出现在7 月份;围栏封育草地土壤有机质的月动态变化为随着月份的增加呈先降低后升高的趋势，其他土层呈升高趋势，总体上6、7 月份土壤有机质含量较低(表3)。3 个样地有机质含量峰值出现时期不同:苜蓿栽培草地在8、9 月份，羊草栽培草地大多出现在9 月份，围栏封育草地是10 月份。这可能是因为8 月份，苜蓿植株从大气中吸收和固定的碳素增加，此外，8 月份雨热充足，土壤有机质的腐殖质化程度最强，为土壤养分的积累尤其是碳素积累提供了有利条件［28］;9 月份，羊草栽培草地土壤微生物活动较弱，土壤有机质矿化度极低，有机物补给大于分解［29］，所以此时期土壤有机质最高;10 月份，在围栏封育样地内，包括翻白委陵菜、欧亚旋覆花等阔叶植物已经枯萎，此时草地枯落物生物量最大，这可能是围栏封育样地该月份土壤有机质值最大的原因。

3 个样地土壤有机质含量最高月份的值均显著高于最低值月份。苜蓿栽培草地与围栏封育样地的0 －30 cm 有机质平均值在测定时期内除7 月外均差异显著(P ＜0.05)，与羊草栽培草地除6 月和9月无显著差异外(P ＞0.05)，其他3 个月均有显著差异;羊草栽培草地与围栏封育样地相比，只有8 月份没有显著差异，其余4 个月均有显著差异。

表3 不同草地类型不同土层土壤有机质含量季节动态变化Table 3 Seasonal change of soil organic matter content in different grassland types %

3 讨论与结论

不同草地类型土壤氮素含量不同，同类型草地不同植被下土壤氮素变化也不同。陈开华等［30］研究了高寒草甸不同植被类型土壤全氮含量变化动态，得出退化草地和栽培草地的土壤全氮含量最高值均出现在8 月份而且变化规律相似，至9 月份和10 月份有所下降。张宏等［31］研究了川西北高寒草甸生长季土壤氮素动态，结果表明浅丘山地灌丛和丘前阶地草甸的土壤全氮在5、7 和9 月份是先减少后缓慢增加，而浅丘山地草甸土壤全氮则是逐渐增加;土壤速效氮表现为浅丘山地灌丛随月份增加逐渐下降，丘前阶地草甸呈现“V”字型变化，浅丘山地草甸随月份增加逐渐升高。

本研究得出，苜蓿栽培草地各土层全氮含量和速效氮含量随季节变化规律基本相似，随着月份的增加呈降低－升高－下降的趋势;羊草栽培草地0 －10 cm 土层土壤全氮含量随月份增加也呈先降低－升高－降低的趋势，10 －30 cm 则表现为随月份的增加先升高后降低的趋势，该样地土壤速效氮含量季节变化规律与土壤全氮含量变化规律相似;围栏封育草地土壤全氮含量随季节变化较平缓，土壤速效氮含量季节变化规律总体表现为降低－升高－降低的趋势。

植被在不同生长季节对氮素的需求量不同，因此，对土壤氮素累积的影响也不同［32-33］。在松嫩平原6 月和7 月气候较暖，土壤微生物活动频繁，土壤中有机质降解加快，促进氮的矿化作用，植物对速效氮的吸收逐渐增强，随着温度的升高，速效氮含量开始逐渐积累［34］。苜蓿栽培草地各层和羊草栽培草地表层土壤全氮含量下降，围栏封育草地各层土壤全氮升高，苜蓿栽培草地和围栏封育草地土壤速效氮降低，而羊草栽培草地植物对速效氮的消耗低于速效氮的累积，所以出现氮沉降现象。

在8 月份，雨热条件充足，土壤有机质的矿化加强，同时凋落物的分解使土壤全氮出现累积，苜蓿栽培草地各土层全氮均出现累积，这可能与苜蓿根系固氮能力增加土壤氮素含量有关;而羊草栽培草地则表现为土壤表层全氮下降，20 －30 cm 土层全氮升高;围栏封育草地土壤表层全氮升高，向表层聚集明显，但20 －30 cm 土层全氮下降，这应该与羊草栽培草地和围栏封育草地植被根系具有表聚性有关，土壤表层羊草根系消耗氮素高于底层根系，围栏草地以阔叶植物为主，对氮素的消耗低于累积。同时，该时期也有利于有机氮的矿化分解，3 个样地各层土壤速效氮含量均出现累积现象。9 月份，植物进入枯黄期，植被生长对氮素需求量降低，而凋落物归还量的增加使土壤全氮含量增加，但是羊草栽培草地和围栏封育草地中羊草所占比例较高，此时，羊草营养繁殖芽旺盛，仍需要大量的氮，所以土壤速效氮含量持续降低，尤其在10 月份降低幅度较大。

综上所述，3 个草地类型的土壤全氮含量变化规律不同，在整个生长季中，苜蓿栽培草地、羊草栽培草地的0 －10 cm 土层和围栏封育草地的土壤速效氮含量总体变化规律基本相似，呈降低－升高－降低的趋势。

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