黄土高原半干旱地区撂荒地引入豆科植物后不同景观位置土壤碳氮磷的特征

摘要

黄土高原半干旱地区是我国乃至世界范围内水土流失最为严重的地区之一，恢复与增加植被覆盖是解决这一问题的有效途径。紫花苜蓿是黄土高原地区广泛种植的豆科植物，具有较高的生物量、较强的固氮能力、良好的环境适应性，已被广泛应用于该地区的植被重建中。 2003 年在兰州大学黄土高原旱地农业生态试验站，选取三个不同景观位置（半阴坡，阳坡和坡顶）的弃耕农田，以自然撂荒作为对照，在撂荒地上分别播种紫花苜蓿(Medicago sativa L.)和草木樨(Melilotus officinalis L.)作为促进植被恢复的2个处理，长期定位观测植被和土壤属性的变化。 在上述长期定位观测的基础上，本试验于2012-2016年生长季结束后（10月），对0-150c m土壤的碳、氮和磷分0-20 cm，20-60 cm，60-100 cm及100-150 cm进行测定，并得到以下结论： 1.试验初始阶段(2003年04月)，1.4-5.0 m的土壤含水量在三种景观位置之间差异显著，半阴坡>坡顶>阳坡；在时间序列上，0-1.4m土壤含水量年际波动大于下层土壤，土壤1.4-5.0m的含水量呈现下降的趋势，紫花苜蓿1.4-5.0 m含水量下降尤为明显。 2.在0-1.5m剖面范围内，土壤有机碳(SOC)，总氮(TN)，总磷(TP)，有效磷(AP)含量整体上随深度的增加而减少。 3.引入紫花苜蓿和草木樨多年后，土壤0-150cm的SOC表现为：在半阴坡，紫花苜蓿显著高于草木樨和自然撂荒；在阳坡，紫花苜蓿和自然撂荒显著高于草木樨，在坡顶，草木樨显著高于自然撂荒和紫花苜蓿。从剖面层次来分析，在半阴坡，不同豆科植物引入后，SOC在四个取样深度中均为紫花苜蓿显著高于其他两个处理，阳坡和坡顶的SOC差异主要体现在0-20cm和20-60cm，在100-150cm均无差异； 4. 引入紫花苜蓿和草木樨多年后，土壤0-150cm的TN表现为：在半阴坡，紫花苜蓿高于草木樨和自然撂荒；在阳坡，紫花苜蓿>自然撂荒>草木樨，在坡顶，草木樨显著高于自然撂荒和紫花苜蓿。从不同的土壤深度来看，在半阴坡，不同豆科植物引入后，TN在四个取样深度中均为紫花苜蓿显著高于其他两个处理；而在阳坡，紫花苜蓿和自然撂荒TN含量较高,在坡顶，草木樨TN含量较高。阳坡和坡顶的TN差异主要体现在0-20cm和20-60cm，在100-150cm均无差异； 5.引入紫花苜蓿和草木樨多年后，土壤0-150cm的TP表现为：在半阴坡，紫花苜蓿>草木樨>自然撂荒，且具有显著性；在阳坡，紫花苜蓿和自然撂荒略高于草木樨，在坡顶，草木樨略高于自然撂荒和紫花苜蓿。从不同的土壤深度来看，在半阴坡，不同豆科植物引入后，TP在四个取样深度中均为紫花苜蓿显著高于其他两个处理；而在阳坡和坡顶，不同的深度TP基本上无显著性差异。 6. 引入紫花苜蓿和草木樨多年后，土壤0-150cm的AP表现为：在半阴坡，紫花苜蓿显著高于草木樨和自然撂荒；在阳坡，2015年，紫花苜蓿显著较高，而在2016年，自然撂荒AP含量较高；在坡顶，草木樨AP含量高于自然撂荒和紫花苜蓿。 土壤表层0-20cm的AP含量年际间主要受到降水量和地上生物量的影响AP=0.10precipitation-0.13Aboveground biomass （R^2=0.14**)。生长季主要吸收利用了20cm以下的的AP，并且这部分AP在非生长季得到了恢复 ，同时，不同景观位置下不同处理间AP含量的差异也主要体现在20-60cm。 7. 将2012-2016年不同景观位置及恢复方式的地上生物量及土壤C、N和P指标为整体，灰色关联分析法结果表明：在半阴坡，20-60cm和60-100cm的SOC和TN与地上生物量的关联度最高；在阳坡，0-20cm和60-100cm TN以及20-60cm TP和60-100cm SOC与地上生物量的关联度最高；在坡顶，100-150cm TP，100-150cm AP，20-60cm AP 和100-150cm SOC与地上生物量的形成具有很强的关联度。土壤C和N在半阴坡和阳坡对地上生物量的成具有较大的作用，而在坡顶，土壤P素作用更大。 因此，基于0-150cm SOC,TN,TP和AP剖面数据分析结果，我们认为：由于不同景观位置的微环境存在差异，不同的植物对环境的适应性不同，在该地区植被恢复的策略不能一概而论：在半阴坡，紫花苜蓿的引入；阳坡，自然撂荒和紫花苜蓿引入；坡顶，草木樨的引入可以较好的恢复土壤C、N和P。

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