嘉陵江中游小流域不同土地利用對土壤理化特征的影響研究

文星躍，熊 泳，李衛(wèi)朋，吳 勇，諶 柯，沈小曉，張 淵，林葉彬

(西華師范大學 a.國土資源學院；b.區(qū)域環(huán)境演變與保護研究中心，四川 南充 637009)

0 引 言

土壤的理化性質是判斷土壤質量的重要指標，也是影響土壤肥力的內在因素。不同土地利用方式影響土壤性狀與肥力[1-3]，已有研究表明，不同土地利用類型土壤抗侵蝕能力[4]、有機質含量[5]、容重和含水量[6]、土壤呼吸[7]、顆粒組成[8-9]等性質存在差異，認識這些差異及其影響機理有助于開展土壤改良和生態(tài)環(huán)境保護工作。紫色土是一種潛在肥力較高的土壤，卻容易被侵蝕及退化，尤其是不合理利用下會產生肥力下降，可持續(xù)利用力低等問題[10]。嘉陵江流域侏羅系紅色地層廣泛出露，其上發(fā)育的紫色土是農業(yè)發(fā)展的重要基礎資源。目前對嘉陵江流域土壤研究主要是運用遙感和GIS技術在宏觀層面探討土壤侵蝕與輸沙[11-14]及植被多樣性與土壤微生物關系[15-16]等，未見基于同一母質背景下不同土地利用類型土壤理化性質的調查研究，缺乏該區(qū)微觀層次土壤性質差異及影響機理的認識。本文擬對嘉陵江支流西河流域不同土地類型下土壤基本理化性質開展初步調查，并探討其影響因素，期望為該區(qū)土壤質量評價和優(yōu)化農業(yè)生產管理提供基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于嘉陵江流域南充段支流西河流域(新復鄉(xiāng)—華鳳鎮(zhèn)段)，屬四川盆地東北部。西河又稱華灘河，起源于南充市西充縣青獅鄉(xiāng)苦竹埡，從西北方向進入南充市區(qū)，綿延至南充市南門壩匯入嘉陵江，流域面積658 km2。研究區(qū)侏羅系遂寧組紫紅或紅色砂、泥巖廣泛出露，第四系松散層分布在河流沿岸。地形較為平緩，以淺丘低山為主。氣候屬中亞熱帶濕潤季風性氣候，年均氣溫約17.5 ℃，年降水量在980～1 150 mm之間；植被類型屬亞熱帶常綠闊葉林，主要為次生林和人工植被，多柏木樹種，也見竹林和次生灌叢等[16]。人工栽培作物主要為水稻、小麥、玉米、紅苕、洋芋等。

1.2 樣品采集

樣品采集于2017年11—12月農作物收割后，按均勻性和代表性的原則，采用網(wǎng)格法布點，按“S”形采集表土層0～20 cm土壤，每個樣地采集7～8個表土均勻混合后按四分法取約1 kg為土樣，剔除根系和石塊，密封好帶回實驗室風干。本次共采31個土壤樣品和泥巖、砂巖樣品各2個，其中旱地10個、有林地7個、果園地2個、撂荒地3個、水田3個、灘涂地6個(表1)。需說明的是，盡管部分樣品為發(fā)育于河流沿岸第四系沉積物上的沖積土或黃壤，但其母質物源仍來自于流域內侏羅系紫紅或紅色砂、泥巖風化碎屑物，因此整體上看研究區(qū)土壤母質背景是一致的。

2 實驗方法

土壤顏色采用門賽爾土壤比色卡，在自然光的室內測定；pH值用酸度計測定，水土比為2.5∶1；有機質采用水合熱重鉻酸鉀-分光光度計比色法測定；顆粒組成采用貝克曼庫爾特LS 13 320型激光粒度儀測定，測試前分別用雙氧水和稀鹽酸去除有機質和碳酸鹽，并加入六偏磷酸鈉后用超聲波分散；磁化率采用B型雙頻探頭的BartingtonMS2磁化率儀，分別用低頻(XLF，O.47KHZ)和高頻(XHF,4.7KHZ)測試，并由公式XFD=(XLF-XHF)/XLF×100%計算出頻率磁化率。土壤銨態(tài)氮、速效鉀和速效磷含量采用土壤養(yǎng)分速測儀測試，碳酸鹽用氣量法測定[17]。

表1 土壤樣地基本情況

續(xù)表1

3 土壤理化特征及影響因素

3.1 土壤粒度

土壤粒度是土壤重要的理化性質之一，土壤顆粒作為土壤結構的主要成分，其粒徑大小及組成比例決定著土壤的孔隙大小、水分運動，肥力狀況等。土壤顆粒越小，比表面越大，吸附力越強，保水、保肥能力也越強[18]。土壤樣品粒徑頻率分布曲線表明果園、旱地、撂荒地、水田及有林地粒徑峰值在2～50 μm范圍，以粉砂為主，而灘涂土壤粒徑峰值出現(xiàn)在20～200 μm，顆粒大小相對偏粗。據(jù)美國制土壤質地分類標準，所有樣品除少許為壤土外，均為粉質壤土(圖1)，這類土壤兼具了砂質土和壤質土的優(yōu)點，具有較好的持水性、保肥性和透氣性，適于耕作。水田土壤(水稻土)顆粒大小相對最細，粘粒平均含量為18.02%，粘粒與粉砂含量比值達0.25。因蓄水需求水田地形相對平整，有利于細小顆粒的保持，而且因長期的翻耕作業(yè)對顆粒的摩擦作用，造成土壤質地相對較細。灘涂地土壤為沖積土，其砂粒平均含量為最高，達33.99%，粘粒與粉砂含量比值僅為0.17，原因是灘涂母質為流水搬運沉積物，土壤發(fā)育時間短且受耕作影響較弱所致。從樣品土壤類型來看，粘粒平均含量依次為水稻土(18.02%)>黃壤(16.26%)>紫色土(14.06%)>沖積土(13.35%)，砂粒平均含量依次為沖積土(33.99%)>紫色土(25.48%)>水稻土(10.30%)>黃壤(8.92%)，發(fā)育相對成熟的黃壤較初育或新成土的沖積土和紫色土的細顆粒組分明顯偏多，成壤作用對粒度組成發(fā)揮了作用。除此之外，旱地和有林地土壤粒徑分布具有明顯的粗尾(圖1A)，且在質地圖上相對水田、荒地、果園等土壤質地有向壤土和砂質壤土方向擴散的趨勢(圖1B)，表明研究區(qū)旱地和有林地可能具有水土流失加劇的風險，需引起重視。建議開展流域生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃及相應的實施工程，特別是針對坡耕地、林地邊坡地帶進行土壤侵蝕防治工作。

3.2 土壤磁化率

土壤磁化率可作為反映土壤發(fā)育程度甚至氣候、植被和環(huán)境污染的代用指標,受到廣泛運用[19-21]。土壤磁化率主要由土壤中的磁性礦物組成決定，其含量的高低不僅受到成土母質中磁性物質含量的影響，還隨土壤氧化還原環(huán)境而變化[22]。一些研究表明，受人類活動影響，不同土地利用方式下土壤磁學性質有明顯的差異[23-24]。研究區(qū)土壤樣品磁化率大體與泥巖相近(表2)，說明該區(qū)土壤磁化率受母質影響大，結合前述土壤以粉砂質為主的粒度特征，推測研究區(qū)農業(yè)用地土壤母質主要來源于易于風化的泥巖。

不同土地利用類型土壤磁化率存在差異，其中果園和旱地的土壤磁化率與頻率磁化率相對較高，而灘涂和水田較低(表2)。研究區(qū)果園主要由旱地轉變而來，有學者研究認為[25]，耕地轉變?yōu)楣麍@后可引起表層土壤磁化率增高，可能原因是植被類型、耕作管理方式的變化而引起土壤成土作用發(fā)生變化而引起。而旱地作物通常為玉米和蔬菜輪作，玉米收獲后秸稈大都直接燃燒還田，玉米的生長及其燃燒對土壤磁化率貢獻較大[26-27]。而且，旱地的墾耕所造成的土壤顆粒機械運動可提高土壤風化作用，進而產生較多的磁赤鐵礦等次生的磁性礦物[27]。通常，長期受耕作影響的土壤磁化率高于林地、撂荒地，這可能與耕作促進了成壤作用有關[28]。而水田和灘涂的特點是土壤長期被水淹沒，處于還原性條件，可引起亞鐵磁性礦物的破壞分解，進而降低了磁化率[20]。除此之外，黃壤磁化率明顯最高，說明土壤發(fā)育時間對磁化率貢獻也較大(表2)。值得一提的是，相對城市土壤或受污染土壤[29]，土壤樣品磁化率并不高，表明土壤并未受到嚴重污染，這可能跟樣地區(qū)域無交通要道和重工業(yè)有關。

表2 西河流域土壤與母巖磁化率

3.3 土壤pH和碳酸鹽

酸堿性是衡量土壤肥力的重要指標，它直接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、微生物的活動以及養(yǎng)分之間的轉化，進而影響植物生長發(fā)育[30]。土壤樣品pH值變化范圍為6.45～8.33，平均7.98。 pH值除2個灘涂樣品分別為6.45和7.04，以及1個有林地樣品為7.42外，其余均介于7.5～8.5間，且不同土地利用方式及不同土壤類型樣品間pH值差異較小(表1)，表明研究區(qū)土壤以堿性土壤為主。其成因很可能跟母質背景有關，野外考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)紅色地層中偶見成壤性鈣結核，說明土壤母質應有較多的碳酸鹽，前人研究也表明四川盆地紫色土區(qū)通常含有較高的碳酸鹽[10]。然而，樣品碳酸鹽含量介于0.04%～1.11%之間，平均為0.53%，相較中國北方土壤和西南巖溶區(qū)土壤，呈現(xiàn)較低碳酸鹽含量的特征，且不同土地利用下不同類型土壤碳酸鹽平均含量介于0.40%～0.69%間，并無明顯差異(表1)。樣品整體上表明出低碳酸鹽含量的特征很可能是受到氣候及農業(yè)活動雙重影響所致，研究區(qū)氣候濕潤，較多的降水會增強碳酸鹽淋溶，而人為耕作、施肥等活動會影響碳酸鹽含量的變化，如氮肥、磷肥可影響CaCO3轉化過程，有機肥會促進 CaCO3的溶解和再淀積過程[31]。研究區(qū)堿性土壤的特征對土壤改良和生態(tài)治理方面具有啟示意義，建議重點考慮耐堿性植物的栽培。

3.4 土壤有機質和養(yǎng)分

土壤有機質是土壤具有肥力的標志，不同土地利用方式及耕作模式的變化均會對土壤有機質含量產生影響[32-33]。研究區(qū)土壤樣品有機質含量介于0.91%～4.61%之間，平均1.66%，遠低于西南地區(qū)地帶性表層土壤平均含量4.04%[34]。不同土地利用方式下土壤有機質含量表現(xiàn)為水田>有林地和果園>撂荒地、灘涂及旱地，不同土壤類型有機質含量表現(xiàn)為水稻土>紫色土>黃壤>沖積土(表3)。水田土壤(水稻土)在淹育條件下，透氣性差，有機殘體不易于降解，使其土壤有機質利于積累；有林地由于多高大喬木生長，地表枯枝落葉和植物根系歸還量大，有機質含量僅次于水田。而旱地多種植蔬菜、玉米等，人為擾動頻繁，使得有機質暴露失去保護作用而分解；且人為擾動的過程中改變土壤原有溫度、濕度、孔性等相關條件，增強微生物的活性，促進土壤呼吸作用進行，加速有機質的礦化，使得旱地的土壤有機質含量最低[35]。影響撂荒地和灘涂地(沖積土)有機質含量偏低的原因很可能跟植被相對較少有關。整體上研究區(qū)土壤有機質處于全國第二次土壤普查分級標準的第四級，屬較低水平。

表3 西河流域土壤有機質和養(yǎng)分含量

氮、磷、鉀是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，對植物的生長發(fā)育有著十分重要的作用，同時也是土壤肥力的重要指標[36]。樣品銨態(tài)氮含量介于8.49 ～55.4 mg·kg-1之間，平均為29.47 mg·kg-1；速效磷含量介于12.02～33.82 mg·kg-1之間，平均為24.99 mg·kg-1；有效鉀含量介于124.17～391.37 mg·kg-1之間，平均為245.11 mg·kg-1(表3)。研究區(qū)不同土地利用方式下銨態(tài)氮含量存在土地利用方式的差異，表現(xiàn)為水田較高而撂荒地最低的特征，推測受水田耕作常施用氮肥的影響；土壤類型也表現(xiàn)出水稻土銨態(tài)氮含量最高，但沖積土、紫色土和黃壤銨態(tài)氮含量差異不明顯。不同土地利用方式下土壤有效鉀含量表現(xiàn)為果園和旱地較高，其次為荒地、水田和有林地，而灘涂地最低，從土壤分類看，紫色土有效鉀含量最高，其次為水稻土，而較低的為沖積土和黃壤(表3)。鉀元素較易淋溶，灘涂地(沖積土)盡管土壤發(fā)育程度低，但相對飽和的水分條件促使鉀元素的淋失，而黃壤成壤時間相對較長，鉀元素含量也最低。不同土地利用下土壤及不同土壤類型間的速效磷含量差異不明顯。據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，研究區(qū)土壤銨態(tài)氮含量為六級，速效磷含量為二級，有效鉀含量為一級。速效磷、有效鉀含量級別都很高，其原因應是西河流域內土壤磷、鉀元素繼承了母巖特性，且侏羅系紅色地層含有較高磷、鉀元素[10,37-38]。

此外，撂荒地土壤中有機質和銨態(tài)氮含量均處于較低的水平，表明撂荒后土壤肥力會出現(xiàn)降低的變化，需加強該類土地的耕作利用。而且，整體上研究區(qū)土壤有機質和銨態(tài)氮含量較低，建議提倡施用有機肥和實行桔桿還田等措施，適當施用氮肥，以提高土壤肥力和可持續(xù)利用水平。

4 結論與建議

通過對嘉陵江中游西河流域不同土地利用類型下土壤粒度、磁化率、pH、碳酸鹽、有機質和養(yǎng)分含量等指標特征及成因分析，得出以下主要認識及建議：

(1)不同土地利用類型土壤粒度組成差異性不顯著，均以粉砂含量為主，屬粉質壤土，具有較強的持水性、保肥性和透氣性特點。受耕作方式、地形及成壤作用的影響，水田土壤顆粒最細，而灘涂地顆粒較粗；旱地和有林地有砂粒增多的趨向。

(2)土壤磁化率與母質紅色泥巖相近，但不同土地利用方式下呈現(xiàn)差異，表現(xiàn)為果園和旱地磁化率值較高，而水田和灘涂地較低。農業(yè)利用方式的變化、風化作用以及環(huán)境污染均會對磁化率產生影響，磁化率表明研究區(qū)未產生嚴重的土壤污染。

(3)土壤pH值特征表明土壤呈堿性，不同土地利用類型土壤pH值和碳酸鹽含量差異不顯著。土壤酸堿性受控于碳酸鹽母質背景，碳酸鹽風化淋溶、淀積與轉化過程影響土壤的酸堿性。

(4)不同土地利用方式下土壤肥力特征存在差異。土壤有機質含量表現(xiàn)為水田最高，其次為有林地和果園，而撂荒地、灘涂和旱地含量較低。銨態(tài)氮含量受施肥方式的影響，出現(xiàn)水田土壤明顯偏高，撂荒地偏低的特點；土壤母質背景影響下，研究區(qū)鉀、磷元素含量較高，土壤有效鉀含量表現(xiàn)為果園和旱地最高而灘涂地最低，而土壤速效磷含量差異不明顯。

(5)根據(jù)西河流域土壤理化特征，應加強生態(tài)治理工作。重視坡地條件下林地和旱地的水土流失防護工程措施的投入；農業(yè)生產管理上應強調有機肥的施入，適當增加氮肥量，提高土壤肥力；重視撂荒地的利用，防止耕地質量繼續(xù)退化；因地制宜引入喜磷、鉀元素和耐堿性作物或植被，提高土壤資源的利用效率，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。