烏蘭布和東北部典型土地利用的土壤養(yǎng)分特征

黃雅茹，馬迎賓，郝玉光，辛智鳴，徐 軍，董 雪,劉禹廷，趙英銘

(中國林業(yè)科學研究院 沙漠林業(yè)實驗中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200；內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 磴口 015200)

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環(huán)境變化的重要組成部分，其變化可導致生態(tài)系統(tǒng)結構的改變，能夠引起土壤管理措施的變化，因而對土壤質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，還可引起地表景觀結構的巨大變化，其對區(qū)域生物多樣性和重要生態(tài)過程影響深刻[1-5]。土地利用/土地覆蓋變化主要通過影響土壤養(yǎng)分與土壤水分進而改變土壤性質(zhì)和土地生產(chǎn)力[6-7]。大量研究結果表明，土壤養(yǎng)分的含量、形態(tài)、分布和遷移轉(zhuǎn)化不僅受土壤質(zhì)地、氣候、成土母質(zhì)以及成土過程影響，同時還與土地利用方式、耕作制度等人為因素有關[8-10]。土地利用類型的變化可以引起許多自然要素和生態(tài)過程的變化[11]。

馬志敏等[12]研究表明人類長期的耕作活動以及耕地面積的擴大是導致土地生產(chǎn)力退化和鹽堿化風險的主要原因。張曉東等[13]對新疆艾比湖地區(qū)不同土地利用方式土壤養(yǎng)分進行研究，結果表明不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分具有較大影響。王雪梅等[14]與張淑娟等[15]的研究進一步證實不同方式的土地利用對土壤養(yǎng)分含量有顯著影響。張新榮等[16]研究顯示不合理的土地利用方式，可造成土壤理化性質(zhì)變化和土壤養(yǎng)分的遷移，從而使土壤質(zhì)量發(fā)生改變，導致土地退化。謝瑾等、李生等[18]的研究也認為合理的土地利用方式是抑制土壤退化，提高土壤質(zhì)量的有效措施。綜上分析認為，合理的土地利用方式能改善土壤肥力水平，改良土壤結構，提高土壤抗蝕能力，進而改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。反之，不合理的土地利用方式會造成土壤結構破壞，導致土壤質(zhì)量下降，最終使土地嚴重退化，對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全產(chǎn)生重大影響[19-20]。

烏蘭布和沙漠是我國的主要沙漠之一，地處我國華北和西北的結合部，位于我國西北干旱荒漠區(qū)的東緣，屬于草原化荒漠地帶，植被生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱[21]。由于受社會經(jīng)濟發(fā)展等因素的影響，人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾強度日益增大，烏蘭布和沙漠東北緣綠洲土地利用/覆蓋發(fā)生了劇烈的變化，出現(xiàn)了土壤鹽漬化、沙漠化、貧瘠化等局部生態(tài)環(huán)境惡化問題[22]。由于土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要標志，土壤養(yǎng)分的分配格局對土壤肥力及土地生產(chǎn)力有著重要影響。因此，深入研究不同土地利用方式的土壤養(yǎng)分特征對區(qū)域土地利用方式的合理選擇、施肥的合理性、養(yǎng)分流失量的減少、土地生產(chǎn)力的提高及農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義，對于該區(qū)合理利用土地和有效開發(fā)土地資源均具有積極作用。只有清楚地認識和把握土壤養(yǎng)分特征及其變化規(guī)律，才會使土地資源的科學合理利用成為可能，才能實現(xiàn)沙漠地區(qū)土壤的可持續(xù)利用。

因此，以烏蘭布和沙漠東北部為研究區(qū)，對區(qū)域內(nèi)耕地、林地、荒漠灌叢3種土地利用方式土壤養(yǎng)分特征進行分析，并對3種土地的土壤肥力進行綜合評價，旨在探討荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式對土壤特征的影響，對了解該區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境安全尤為重要，可為區(qū)域土地資源的合理利用及植被恢復與重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏蘭布和沙漠地理位置介于N39°40′-41°00′，E106°00′-107°20′，屬于草原化荒漠地帶。沙漠北部與狼山的西端相毗鄰，向西進入阿拉善典型荒漠區(qū)，東側(cè)瀕臨黃河，與著名的河套平原接壤。行政區(qū)劃包括阿拉善左旗、烏海市、磴口縣、杭錦后旗與烏拉特后旗的部分地區(qū)。地形起伏不大，主要為10 m以下的圓錐形沙丘或新月形沙丘。烏蘭布和沙漠東北緣屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，氣候干旱，雨量稀少，分配不均，溫濕同期，光照充足，熱量豐富，多年平均降水量約140.3 mm(1954-2005年)，全年降水季節(jié)分配不均，降水多集中于6-9月，研究區(qū)多年平均氣溫7.8℃，晝夜溫差大，年日照時間為3 229.9 h，是我國日照時數(shù)最多的地區(qū)之一，光、熱、水同期，地下水源充足。風沙季節(jié)在11月至翌年5月之間，主風為西風和西北風，起沙風次數(shù)每年200～250次以上。地帶性土壤為灰漠土和棕鈣土，土壤形成的主要過程包括土地沙漠化過程、土壤鹽漬化過程、草甸化和沼澤化過程以及人為綠洲化過程，這些地理過程形成了不同的土地類型，主要有灰漠土、灌淤土、草甸土、沼澤土、鹽堿土、風沙土等。天然植被以旱生、超旱生類型的荒漠植被為主，如白刺(NitrariatangutorumBobr.)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)等，綠洲防護體系主要以新疆楊(Populusalbavar.pyramidalisBge.)、二白楊(Populusgansuensis)、小葉楊(PopulussimoniiCarr.)等楊樹為主，農(nóng)作物主要以向日葵(HelianthusannuusL.)、玉米(ZeamaysL.)等為主。

2 研究方法

2.1 測定項目及方法

野外采樣時間為2015年7月下旬，在研究區(qū)選擇3種主要的土地利用方式(耕地、林地、荒漠灌叢)，見表1。每種土地利用方式選擇3塊標準樣地，每個樣地按照梅花狀選擇5個采樣點，每個采樣點設置2個重復，在每個取樣點對土壤進行取樣，取樣深度依次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，共取得土壤樣品450份。風干，除去礫石和枯落物，過2 mm篩。測定的指標有：土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)、pH值。

表1 樣地基本情況

全氮的測定用半微量開氏蒸餾法；全磷的測定用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；全鉀的測定用NaOH 熔融火焰光度法；堿解氮的測定用堿解擴散法；速效磷的測定用分光光度計法；速效鉀的測定用火焰光度計法；土壤有機質(zhì)的測定用重鉻酸鉀容量法；pH值測定用電位法[23]。

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft excel和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)結果以平均數(shù)±標準誤表示。采用單因素方差分析(ANOVE)進行多重比較，顯著水平為P<0.05。

土壤肥力是受多種因素影響的一個較為復雜的綜合情況，不能只從一個指標單方面進行評價。為此本文選取了土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全鉀、全磷、pH值8個指標，采取隸屬函數(shù)[23]及土壤綜合質(zhì)量指數(shù)進行綜合評價[24]。

首先運用隸屬函數(shù)將8個土壤養(yǎng)分指標數(shù)據(jù)進行標準化，應用公式(1)。

(1)

式中，μ(Xij)為各土壤養(yǎng)分指標的隸屬度值,Xij為土壤養(yǎng)分指標值,Xj,max、Xj,min分別為第j項土壤養(yǎng)分指標的最大值和最小值。

然后，土壤各個養(yǎng)分指標對土壤綜合質(zhì)量指數(shù)H的重要性與貢獻不同，通常用權重Wj來表示各個養(yǎng)分指標的重要性。各個養(yǎng)分指標的權重確定采用標準差系數(shù)法，首先用公式(2)計算標準差系數(shù)Vj，將公式歸一化后得到各指標的權重Wj，然后通過公式(4)求出土壤綜合質(zhì)量指數(shù)，H越大，土壤質(zhì)量越高[24]。

(2)

(3)

(4)

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分總體特征

將所有土樣的8項養(yǎng)分指標分別進行算術平均(表3)，全氮、全磷、全鉀分別為0.34±0.14、0.37±0.09、16.10±2.04 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀分別為18.48±8.27、3.76±0.89、135.04±83.35 mg·kg-1，有機質(zhì)含量為8.02±4.35 g·kg-1，pH值為8.8±0.20。一般認為變異系數(shù)>100%為強變異，10%～100%為中等變異，<10%為弱變異[14]。土壤各養(yǎng)分指標均屬于弱變異，其中pH值變異系數(shù)僅為2.27%，變異性非常小。

3.2 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分狀況

由表3 可見，耕地、林地及荒漠灌叢三種土地利用方式土壤養(yǎng)分指標存在不同程度的差異。全氮含量大小順序依次為荒漠灌叢>林地>耕地，差異不顯著(P>0.05)，即不同土地利用方式下土壤全氮含量差異不大，其大小順序與有機質(zhì)變化順序一致。由表4可知，隨著土層深度的增加全氮含量呈下降趨勢，耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的全氮含量分別是80～100 cm土層的3.5、1.4、4.4倍。堿解氮由于受全氮的影響較大，故其含量的排序同全氮一致，堿解氮含量從高到低為荒漠灌叢>林地>耕地，差異顯著(P<0.05)。由表4可知，隨著土層深度的增加堿解氮含量呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的堿解氮含量分別是80～100 cm土層的1.3、1.5、5.4倍。就表層0～20 cm堿解氮含量來看，荒漠灌叢分別是林地、耕地的1.5、2.5倍。

全磷含量從高到低為耕地>林地>荒漠灌叢，差異顯著(P<0.05)。由表4可知，三種土地利用類型隨著土層深度的增加，全磷含量大致呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的全磷含量分別是80～100 cm土層的1.9、1.4、1.2倍。就表層0～20 cm全磷含量來看，耕地分別是林地、荒漠灌叢的1.1、1.5倍。速效磷含量從高到低為耕地>林地>荒漠灌叢，耕地與林地差異不顯著(P>0.05)，荒漠灌叢分別與耕地、林地差異顯著(P<0.05)。由表4可知，三種土地利用類型隨著土層深度的增加，速效磷含量呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的速效磷含量分別是80～100 cm土層的1.5、1.2、2.3倍。就表層0～20 cm速效磷含量來看，耕地分別是林地、荒漠灌叢的1.2、1.2倍。

全鉀含量從高到低為耕地>林地>荒漠灌叢，差異不顯著(P>0.05)，速效鉀含量從高到低為耕地>荒漠灌叢>林地，差異顯著(P<0.05)。土壤全鉀含量和速效鉀含量隨著土層深度的增加呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的全鉀含量分別是80～100 cm土層的1.4、1.2、1.7倍。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的速效鉀含量分別是80～100 cm土層的15.6、3.1、3.8倍。就表層0～20 cm速效鉀含量來看，林地分別是荒漠灌叢、耕地的1.4、2.6倍。

有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，在一定程度上能夠改良土壤結構，提高土壤的保肥性，是土壤微生物生命活動的能源，因此，土壤有機質(zhì)的含量在一定程度上反映著土壤健康狀況[25]。由表3可知，有機質(zhì)含量從高到低為荒漠灌叢>林地>耕地，荒漠灌叢與林地、荒漠灌叢與耕地均差異顯著(P<0.05)，耕地與林地差異不顯著(P>0.05)。由表4可知，土壤有機質(zhì)隨著土層深度的增加呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的有機質(zhì)含量分別是80～100 cm土層的1.5、5.3、6.5倍。就表層0～20 cm有機質(zhì)含量來看，荒漠灌叢分別是林地、耕地的1.5、2.3倍。

土壤pH值是非常重要的土壤化學性質(zhì)之一，直接影響土壤養(yǎng)分元素的存在形態(tài)及生物有效性[26]。土壤酸堿性對土壤微生物的活性、礦物質(zhì)及有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化起著非常重要的作用，并影響?zhàn)B分及農(nóng)藥等在土壤中的利用、轉(zhuǎn)化和降解[27]。由表3可以看出，耕地、林地、荒漠灌叢的土壤 pH值均大于8.697，均屬于堿性土壤，從高到低為荒漠灌叢>林地>耕地，荒漠灌叢與耕地、林地差異顯著(P<0.05)，耕地與林地兩者差異不顯著(P>0.05)。由表4可以看出，每種土地利用方式土壤pH值在不同土層深度變化幅度都較小。

3.3 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價

本研究選了8項土壤養(yǎng)分指標，通過公式(1)～(4)分別計算出不同土地利用方式土壤肥力綜合評價值，如表5所示，土壤肥力順序為荒漠灌叢>林地>耕地。前人采用等間距法將土壤肥力綜合評價值劃分為5級水平(>0.8為極高等級、0.6～0.8為高等級、0.4～0.6為中等級、0.2～0.4為低等級和<0.2為極低等級)[28-29]。由此可知，本文中研究區(qū)的土壤肥力處于中等級(0.443，0.409)和低等級(0.312)兩個水平?？傮w而言，研究區(qū)土壤肥力水平比較低。

4 討論與結論

4.1 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分變化

本研究3種土地利用方式下有機質(zhì)、全氮、堿解氮、pH值大小順序依次為荒漠灌叢>林地>耕地?；哪鄥灿袡C質(zhì)含量最高，主要是因為灌叢的植被覆蓋度較大、群落結構較復雜，枯落物量大，凋落物保存較好，人為干擾較少，從而使土壤的有機質(zhì)含量較高；林地因植被結構單一、林下植被較少，導致地上部分枯落物少，因此有機質(zhì)含量相對較低；耕地因經(jīng)常施氮肥和磷肥，很少施有機肥，加上玉米和向日葵收獲后基本沒有枯落物還回耕地，不利于有機碳積累，所以耕地的有機質(zhì)含量最低?；哪鄥踩c堿解氮含量高于林地，林地高于耕地，主要原因是土壤腐殖質(zhì)、動植物和微生物殘體、施入土壤中的有機肥料均是全氮的主要來源，全氮與有機質(zhì)存在極大的相關性，一般而言，土壤全氮的95%來源于有機質(zhì)[30]，荒漠灌叢與林地枯落物數(shù)量較多，土壤中有機質(zhì)含量也就隨之有所增加，雖然耕地有人為施肥作用，但農(nóng)作物生長也需要吸收氮素，堿解氮含量也就相對較低。研究區(qū)pH值空間變異性很小，比較均衡。影響土壤pH值變化的因素較多，如土壤利用方式、地下水鹽類的成分和含量、蒸發(fā)量、降雨量、植物生長狀況等[31]。本研究中可能是因為研究區(qū)降雨量少而蒸發(fā)量大，使得區(qū)域水資源短缺，因而地下水位及其鹽類成分對土壤pH值的影響較小。

表2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況

表3 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征

注：表中數(shù)據(jù)均為均值±標準差，同行不同字母表示同一養(yǎng)分指標不同樣地的差異顯著(P<0.05)。

Note: values are in format of means ±SD; different letters within same row indicate significant differences at 0.05 level among different plots.

表4 不同土地利用方式下不同土層深度土壤養(yǎng)分變化

表5 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價

本研究中全磷、速效磷、全鉀含量大小順序為耕地>林地>荒漠灌叢。土壤母質(zhì)和成土作用影響著土壤全磷含量，農(nóng)田耕作施肥等一系列的人為干擾活動對其也產(chǎn)生一定程度的影響[32]，不同土地利用方式全磷含量差異顯著(P<0.05)，其主要原因是耕地土壤磷含量主要受施肥以及植物生長吸收等影響，速效磷的含量主要受人為活動影響，馬琨等[33]認為受大量磷肥施加的影響，農(nóng)耕地土壤速效磷含量高于林地等自然植被土壤。由此可見，不同土地利用方式土壤速效磷含量與農(nóng)牧業(yè)活動密切相關，農(nóng)耕地長期施用農(nóng)家肥及主要農(nóng)作物需磷少是造成其磷含量高于林地的主要原因。全鉀含量主要受母質(zhì)中礦物成分影響[34]，故其含量在各樣地之間差異不顯著(P>0.05)。

三種土地利用方式土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀隨著土層深度的增加呈下降趨勢。這與趙心苗等[35]、魏強等[36]、王海燕等[26]及馬和平等[37]的研究結果相同?；哪貐^(qū)隨著植被恢復，有助于土壤有機質(zhì)的形成，但是腐殖化作用局限在表層，對下層土壤影響較小[38]。凋落物及植物根系分解形成的有機碳首先進入表層，而土壤氮素和磷素主要來源于植被枯落物的歸還與分解[39]，土壤鉀素的表聚性可能與土壤蒸發(fā)和植被根系的吸收作用有關[40]。

4.2 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價

土壤肥力高低受土壤養(yǎng)分含量變化的影響，而且土壤肥力的高低同時還受植物本身對養(yǎng)分的吸收能力的影響，但更取決于各因子的協(xié)調(diào)程度，是諸多肥力因素綜合作用的反映[41-42]。本文結果顯示，耕地、林地、荒漠灌叢的土壤肥力綜合評價值分別為0.312，0.409，0.443。本研究所得出的土壤肥力評價值能夠反映出該區(qū)不同林地當前的土壤肥力狀況，即荒漠灌叢土壤肥力優(yōu)于林地，林地土壤肥力優(yōu)于耕地。

多數(shù)學者研究表明，沙區(qū)灌叢具有良好的自肥能力[43-46]，這與本研究結果一致。灌叢可捕獲周圍風蝕物質(zhì)，簇狀樹冠對凋落物亦有較好的保護作用，可明顯改善土壤結構和養(yǎng)分狀況[44]，而喬木樹干通直，對林木周邊的土壤肥力保護作用較差。本研究中，灌叢土壤肥力優(yōu)于林地和耕地。灌叢遮蔭不僅降低了植物發(fā)育受干旱脅迫的程度，灌叢密集或帶刺的枝條還可減少動物啃食，保護其林下草本植被[45]。有學者對根系的研究表明，就整個根系的年周轉(zhuǎn)速率而言，灌木的周轉(zhuǎn)率高于喬木，當然不同的植被類型也會表現(xiàn)出一定的差異[31]。所以，荒漠灌叢土壤肥力高于林地。

在不同的土地利用方式下，土壤養(yǎng)分會隨著人為干擾程度的增加而降低[42]，耕地因人為活動影響較大，耕作頻繁，對土壤養(yǎng)分的輸入及輸出有較大的影響，其人為干擾程度遠遠大于自然、半自然狀態(tài)利用方式下的荒漠灌叢及林地，這與洪暢[47]的研究結果相似。頻繁的耕作會導致有機質(zhì)分解過快而損耗有效養(yǎng)分，并且不平衡的施肥方式不利于改善土壤中養(yǎng)分物質(zhì)的循環(huán)過程，植被恢復對土壤養(yǎng)分的影響等方面研究成果較多，且得出結論相對比較一致，即植被恢復后土壤各養(yǎng)分會逐漸積累，林地因為植被覆蓋度較大，凋落物和死亡的根系使土壤中有機質(zhì)相對豐富，通過這些有機質(zhì)的積累和分解，土壤的物理和化學特性逐漸得到改善，因而林地土壤肥力高于耕地[48]。

不同土地利用類型的土壤肥力質(zhì)量隨土層深度的增加而變差，表層土壤肥力質(zhì)量較好，這與其他學者的研究結果一致[49-50]。這可能是因為表層土壤受凋落物的影響較大[51]。凋落物對地表土壤的熟化作用使得土壤養(yǎng)分在表層聚集，土壤結構也得到改善，有機質(zhì)含量和其他養(yǎng)分含量提高[52]。