劉 暢,周明華,張博文,3,王興靈,3,任 兵,彭 韜,羅維均 ,谷 豐
(1.中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所,貴州 貴陽(yáng) 550081; 2.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
土壤健康是指在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用的范圍內(nèi),土壤能持續(xù)作為有生命的系統(tǒng)維持生物生產(chǎn)力,保持空氣和水環(huán)境質(zhì)量,促進(jìn)植物、動(dòng)物和人類健康的能力[1]。土壤理化性質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤健康程度的重要指標(biāo)[2],影響土壤持水能力和養(yǎng)分利用[3]。土壤容重、顆粒組成等物理性質(zhì)直接影響土壤持水性能和植被根系生長(zhǎng)[4]。碳氮磷元素作為表征土壤肥力的重要指標(biāo),其缺乏不僅導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,也會(huì)限制植物生長(zhǎng)[5]。土壤有效態(tài)微量元素如有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅等指標(biāo)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的光合作用、呼吸作用、生長(zhǎng)素的合成及枝葉健康成長(zhǎng)等至關(guān)重要[6-7]。
土地利用類型是人類活動(dòng)和自然條件共同作用的綜合反映,對(duì)土壤理化性質(zhì)具有重要影響。不同土地利用方式下地表植被類型、物種豐富度及土壤微生物活性不同,不僅改變土壤理化性質(zhì),也對(duì)養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響[8-9],最終影響土壤理化性質(zhì)。王興靈等[10]對(duì)于華北土石山區(qū)的研究表明,耕作會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),使土壤有機(jī)碳(SOC)極易遭受風(fēng)和徑流侵蝕而損失,導(dǎo)致土壤的持水性和保肥能力下降。耕地長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能夠提高土壤SOC和總氮(TN)含量[11],含鋅肥料、農(nóng)藥及牲畜糞便能夠提高土壤銅和鋅含量[12-13]。但耕地長(zhǎng)期施肥也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[14],長(zhǎng)期耕作會(huì)壓實(shí)土壤,影響土壤的水分滲透和作物根系生長(zhǎng)[15]。研究表明,當(dāng)耕地轉(zhuǎn)化為森林時(shí),物種豐富度會(huì)提高,表層土壤的水分蒸發(fā)量減少,細(xì)小根系和凋落物的分解以及微生物的殘留,會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu),使土壤中SOC和TN含量增加[16-17]。與人工林地相比,草地植被覆蓋度高,草本植物枯死后生物歸還量高于林地,為草地土壤提供氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素[18]。而土壤微量元素主要受到人類活動(dòng)的影響,因此其在森林和草地中的分布與耕地不同[19]。研究不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì),有助于了解土地利用變化對(duì)土壤健康的影響,從而為制定合理的土地管理措施,實(shí)現(xiàn)土地利用的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。
張家口壩上地區(qū)處于內(nèi)蒙高原和華北平原過(guò)渡區(qū),是典型的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶,也是“三北”防護(hù)林工程實(shí)施的重點(diǎn)縣[20]。張家口處于首都經(jīng)濟(jì)圈內(nèi),近年來(lái)隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,加速了土地利用方式轉(zhuǎn)變[21],特別是蔬菜地(水澆地)占比逐漸升高[22]。因此,研究新形勢(shì)下土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響十分必要。本文以張家口壩上地區(qū)的張北縣為研究區(qū)域,研究草地、林地、菜地和耕地等4種典型土地利用方式對(duì)土壤顆粒組成、容重、土壤SOC、TN、總磷(TP)、微量元素鐵、錳、銅和鋅的有效態(tài)含量的影響,闡明張家口壩上地區(qū)不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的差異及其影響因素,為該地區(qū)土地利用方式的優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。
研究區(qū)地處河北省張家口市張北縣內(nèi)(40°57′N~41°37′N,114°10′E~115°27′E,海拔1 300~2 128 m),全區(qū)總面積4 185 km2,總?cè)丝?7.2萬(wàn)。張北縣位于內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū),是離京津地區(qū)最近的高原地區(qū)。研究區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年降水量為300~400 mm,四季分明,晝夜溫差大,陽(yáng)光充足。研究區(qū)土地利用類型主要為耕地、草地和林地,3類土地利用類型占比分別為40%、29.15%和17.84%。氣候條件使研究區(qū)成為農(nóng)產(chǎn)品、畜產(chǎn)品的生產(chǎn)基地,農(nóng)產(chǎn)品主要有甜菜、馬鈴薯等蔬菜,畜產(chǎn)品主要有牛肉、羊肉和乳品。
研究選定張家口市張北縣草地(114.58°E,41.11°N)、人工林地(114.58°E,41.12°N)、集約化菜地(114.676°E,41.128°N)和常規(guī)耕地(114.58°E,41.10°N)等4種典型的土地利用類型為研究對(duì)象,進(jìn)行了野外調(diào)查,并在實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定土壤樣品。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,草地的植被類型以羊草(Leymuschinensis)為主,人工林地的主要植被類型為楊樹(shù)(PopulusL),集約化菜地主要種植娃娃菜(BabyChineseCabbage),常規(guī)耕地為莜麥(Avenachinensis)-玉米(ZeamaysL.)輪作。集約化菜地已連續(xù)種菜8年,春季施有機(jī)肥1次,翻地15~20 cm;常規(guī)耕地,僅施用化肥。2018年6月對(duì)草地、人工林地、集約化菜地和常規(guī)耕地等典型土地利用類型區(qū)域內(nèi)土壤進(jìn)行采樣,每種土地利用類型選取了4個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)(10 m×10 m),每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)挖掘3個(gè)土壤剖面進(jìn)行分層采樣(0~15 cm和15~30 cm)。先采集環(huán)刀樣品,之后采集土層樣品,并將2個(gè)土層的3個(gè)剖面樣品分層混合。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后仔細(xì)去除雜物,進(jìn)行自然風(fēng)干,風(fēng)干后研磨,分別過(guò)20目和100目的篩。野外環(huán)刀采集的土樣,在回到實(shí)驗(yàn)室后,立即稱取鋁盒與濕土的總重量,然后,在105℃恒溫的烘箱中烘干24h,稱重。
試驗(yàn)分析指標(biāo)包括土壤容重、土壤顆粒組成等土壤物理指標(biāo)和土壤pH、SOC、TN、總磷(TP)、有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅等土壤化學(xué)指標(biāo)。
樣品的分析測(cè)試方法參照《土壤農(nóng)化分析》[23]。采用吸管法進(jìn)行測(cè)定土壤顆粒組成;土壤pH經(jīng)1∶2.5的土水比浸提后采用pH計(jì)(PHS-3C,上海儀電公司)測(cè)定;采用元素分析儀(vario TOC cube,Elementar,德國(guó))測(cè)定SOC和TN;TP含量使用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定(TU-1900,北京普析);采用三乙三胺乙酸(DTPA)浸提-ICP法測(cè)定有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅。
利用Excel 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,使用SPSS 24.0軟件中的單因素方差分析-最小顯著性差異法(LSD)分析不同土地利用類型間的顯著性差異,以獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)法來(lái)檢驗(yàn)同一土地利用方式不同土壤指標(biāo)之間的顯著性差異。使用Person相關(guān)分析法進(jìn)行土壤參數(shù)之間的相關(guān)性分析;使用origin2021軟件進(jìn)行主成分分析(PCA)及繪圖。
不同土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響不同(表1)。4種不同土地利用方式下,0~15 cm的土層深度pH值為7.79~8.25,15~30 cm深度的pH值為8.04~8.49,均為堿性。0~30 cm土層土壤中,pH值最高的都為草地,最低的都為菜地,菜地和耕地pH之間無(wú)顯著差異,但均顯著低于草地和林地(P< 0.05),草地和林地之間pH值無(wú)顯著差異。0~15 cm土層土壤容重變幅為1.37~1.55 g·cm-3,4種土地利用類型之間無(wú)顯著性差異。15~30 cm土層土壤容重變幅為1.37~1.62 g·cm-3,菜地和耕地容重最高,顯著高于草地(P<0.05)。不同土地利用方式下,土壤顆粒組成在0~15 cm、15~30 cm土壤剖面上無(wú)顯著差異。而草地和菜地土壤中,下層土壤pH和土壤容重顯著高于表層。
4種土地利用方式下,0~15 cm土層,菜地土壤SOC含量最高(25.2 g·kg-1),分別比草地(13.8 g·kg-1)、林地(7.98 g·kg-1)和耕地(7.35 g·kg-1)高82%、215%和242%(表2);菜地土壤TN含量(2.62 g·kg-1)顯著高于其余三種土地利用方式(P<0.05),耕地和林地的TN含量無(wú)顯著差異;林地和菜地土壤C/N最高,且二者之間差異不顯著;菜地和草地土壤TP含量都顯著高于林地和耕地(P<0.05),但兩處理間土壤TP含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。15~30 cm土層,菜地土壤SOC含量(18.8 g·kg-1)分別比草地(12.4 g·kg-1)、耕地(7.41 g·kg-1)和林地(4.53 g·kg-1)高51%、153%和314%;草地和菜地15~30 cm土層TN含量顯著高于林地和耕地(P<0.05);土壤TP含量表現(xiàn)為草地>菜地>耕地和林地(P<0.05),耕地和林地土壤TP含量無(wú)顯著差異。
表2 4種土地利用類型不同深度土層土壤有機(jī)碳、總氮和總磷含量Table 2 SOC,TN and TP contents with different soil depths in 4 land use patterns
不同土地利用方式下土壤SOC、TN、C/N和TP在0~15 cm、15~30 cm土壤剖面上差異較小。除菜地土壤SOC及林地C/N在不同土層間存在顯著差異外,其余各土地利用方式下的表層和下層土壤SOC、TN、C/N和TP差異均不顯著。即菜地0~15 cm土層SOC含量顯著大于15~30 cm土層土壤(P<0.05),林地土壤0~15 cm 土壤C/N顯著高于15~30 cm土層(P<0.05)。
4種不同土地利用類型下,0~15 cm土層,不同土地利用方式間土壤有效鐵含量變幅為7.35~11.5 mg·kg-1,其中,菜地土壤有效鐵含量顯著高于林地(P<0.05),其他土地利用方式間無(wú)顯著差異(表3);不同土地利用方式間土壤有效錳含量變幅為9.63~15.2 mg·kg-1,其中,菜地土壤有效錳含量顯著高于耕地(P<0.05),其他土地利用方式間無(wú)顯著差異(P>0.05);土壤有效銅、有效鋅含量在不同土地利用方式間變幅為0.14~0.59 mg·kg-1、0.44~2.04 mg·kg-1,菜地土壤有效銅、有效鋅含量顯著高于其他三種土地利用方式(P<0.05)。
表3 4種土地利用類型不同深度土層土壤微量元素有效態(tài)含量Table 3 Trace elements contents with different soil depths in 4 land use patterns
15~30 cm土層,不同土地利用方式間土壤有效鐵含量變幅為5.92~10.2 mg·kg-1,其中菜地土壤有效鐵含量顯著高于林地(P<0.05),其他土地利用方式間無(wú)顯著差異;不同土地利用方式間土壤有效錳含量變幅為8.00~11.7 mg·kg-1,草地、林地、菜地和耕地之間均無(wú)顯著差異;土壤有效銅、有效鋅含量在不同土地利用方式間變幅為0.12~0.64 mg·kg-1、0.27~1.26 mg·kg-1,菜地土壤有效銅、有效鋅含量顯著高于其他三種土地利用方式(P<0.05)。
不同土地利用方式下土壤微量元素含量在0~15 cm、15~30 cm土壤剖面上差異較小。草地和耕地在0~15 cm、15~30 cm土壤剖面上的有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅含量差異不顯著;林地和菜地土壤有效鋅含量在0~15 cm土壤剖面上有效鋅含量顯著高于15~30 cm土壤剖面,有效鐵、有效錳和有效銅含量差異不顯著(P>0.05)。
土壤的理化性質(zhì)之間多數(shù)表現(xiàn)出極顯著和顯著的相關(guān)性(表4、圖1):SOC、TN和TP含量?jī)蓛芍g均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且三者均與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與粘粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);SOC和TN均與有效鐵含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與有效錳和有效銅呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。
表4 研究區(qū)土壤指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between soil indices in the study area
有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅含量之間除有效銅與有效鋅含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),其余有效態(tài)微量元素兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);除有效銅外,其余三種有效態(tài)微量元素均與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01);有效銅含量與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與土壤粉粒和粘粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。
利用主成分分析(PCA)對(duì)不同土地利用方式的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行排序(圖1和表5)。分析表明,前2個(gè)PCA軸的累積解釋方差比例達(dá)79%,特征值分別為6.05和3.30。其中第一主成分(PC1)對(duì)土壤理化性質(zhì)的貢獻(xiàn)率為46%,SOC、TN和有效銅的主成分荷載特征值分別為0.93、0.91和0.90;第二主成分(PC2)對(duì)土壤理化性質(zhì)的貢獻(xiàn)率為25%,粉粒和砂粒的主成分荷載特征值為0.88和0.82。2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為71%,代表了采樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)71%的信息量。菜地的C/N、有效鐵、有效錳和有效鋅與其他土地利用方式離散,草地的粉粒含量明顯與其他土地利用方式離散。
注: FL:林地;GL:草地;VL:菜地;CL:常規(guī)耕地; PC1:主成分1; PC2:主成分2。Note:FL:forestland; GL:grassland; VL:vegetable land; CL:cropland; PC1:principal component 1;PC2:principal component 2.圖1 不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)主成分分析 Fig.1 Principal component analysis of soil physical and chemical properties with different land use patterns
土壤pH是表征土壤性質(zhì)及影響土壤物質(zhì)循環(huán)的重要因子之一[24],研究區(qū)地處我國(guó)華北壩上地區(qū),土壤均呈現(xiàn)一定的石灰性。土地利用方式對(duì)土壤pH影響顯著,在長(zhǎng)期耕作的菜地和耕地中,土壤pH均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),原因可能是長(zhǎng)期的化肥施用導(dǎo)致的土壤酸化[25],特別是施肥量較高的菜地,其表層土壤酸化現(xiàn)象明顯,較下層土壤降低了0.24個(gè)單位。土壤容重主要受土地利用方式和耕作模式的影響,容重對(duì)植物根系生長(zhǎng)具有重要影響[26]。研究區(qū)表層土壤容重?zé)o顯著差異,下層土壤中,草地容重最低(1.37 g·cm-3),略低于其表層土壤,這可能是和草地植被的根系分布有關(guān),在當(dāng)?shù)剌^為干旱的氣候背景下,植物根系下扎明顯,根系腐爛后,會(huì)增加土壤孔隙度降低下層土壤土壤容重[27]。菜地和耕地下層土壤容重較表層增加18%和12%,其主要原因是長(zhǎng)期耕作對(duì)犁底層土壤的壓實(shí)作用。研究表明,農(nóng)田犁底層土壤板結(jié)會(huì)極大影響土壤的水汽滲透和作物根系生長(zhǎng)[18]。因此,在后期的耕作中應(yīng)考慮適時(shí)深翻,打破犁底層,或推行免耕少耕措施,減少土壤壓實(shí)。
土壤碳庫(kù)不僅對(duì)固碳減排至關(guān)重要,還對(duì)土壤其他理化性質(zhì)有重要影響[28]。土地利用方式由林地或草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾螅芊绊?,?huì)加速土壤侵蝕作用和SOC的礦化作用,降低土壤SOC含量[10]。而研究區(qū)菜地土壤SOC含量顯著高于草地、林地和常規(guī)耕地,菜地SOC含量分別比草地、林地和耕地高67%、251%和197%,說(shuō)明長(zhǎng)期有機(jī)肥的施用會(huì)顯著增加土壤SOC含量,提高土壤肥力,而長(zhǎng)期化肥施用,會(huì)對(duì)土壤SOC造成耗竭[29]。除了土地利用方式外,土壤的SOC還受土壤粘粒含量影響。本研究發(fā)現(xiàn),SOC含量與土壤粘粒含量顯著正相關(guān),與Araujo等[30]研究結(jié)果一致。因?yàn)檎沉V械母鞣N礦物具有較大比表面積,能夠與有機(jī)質(zhì)形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體或者團(tuán)聚體進(jìn)而影響SOC的固存[31-34]。
不同土地利用方式下,土壤TN和TP含量均隨土層加深而有降低趨勢(shì),這與葛楠楠等[35]的研究結(jié)果一致。4種土地利用方式下,菜地土壤TN和TP含量均最高,這是因?yàn)橛袡C(jī)肥的施用不僅能夠提高SOC的含量,并且能夠向土壤中輸入氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素[36]。另外,植被類型也是影響土壤TN和TP含量的因素。草地在0~30 cm土層土壤TN和TP含量顯著高于林地,這與劉志祥等[37]在縉云山地區(qū)的研究結(jié)果一致。此外,植物根系的生長(zhǎng)、腐解以及根系分泌物的產(chǎn)生都能提高根區(qū)土壤磷元素的含量[16]。與人工林地相比,草地物種豐富度高,植被覆蓋度高,草本植物枯死后生物歸還量高于林地,為草地土壤提供了碳、氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[38-39]。人工林地植被類型較為單一,地表覆蓋程度較差,受風(fēng)力侵蝕影響,土壤呈裸露狀態(tài),枯落物難以原地腐解歸還土壤,導(dǎo)致林地土壤氮磷含量較低[40]。
鐵、錳、銅和鋅是參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要微量元素。本研究中菜地有效鐵、錳、銅、鋅含量均最高,其次為草地、耕地和林地。其原因主要是菜地每年有大量含有微量元素的有機(jī)無(wú)機(jī)肥施入,從而使得其有效態(tài)微量元素含量高于其它3種土地利用類型。菜地中有機(jī)肥的施用還增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量,而有機(jī)質(zhì)富含有機(jī)酸,能夠溶解部分結(jié)合態(tài)微量元素,從而增加微量元素的有效性[26,41],本研究中有效鐵、錳、銅和鋅均與SOC呈顯著正相關(guān),間接表明了菜地較高的有效態(tài)微量元素含量與其高SOC含量有關(guān)。pH也是影響土壤微量元素有效性的重要因素[42]。本研究中有效錳及有效鐵與均土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.05),且有效鋅與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.01),這是因?yàn)閜H升高能夠促進(jìn)錳、鋅和銅與SOC中含氧官能團(tuán)的結(jié)合,從而降低有效態(tài)微量元素含量[35];高pH環(huán)境下,亞鐵離子更易被氧化成三價(jià)鐵離子,從而使土壤中有效鐵的含量降低[43]。有研究表明,隨著耕地種植年限的延長(zhǎng),土壤pH值有下降的趨勢(shì),并且有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅含量不斷增加,特別是種植5年以上的菜地,有效態(tài)增加速度加快[40]。本研究除菜地和林地0~15 cm土層有效鋅含量顯著高于15~30 cm土層外,其它土地利用方式不同土層間有效態(tài)微量元素含量均沒(méi)有顯著差異性。菜地由于翻土深度較淺以及該地區(qū)淋溶水平總體較弱,因此表層具有較高含量有效態(tài)鋅[26];林地表層具有較厚的有機(jī)質(zhì)層,其在吸附鋅的同時(shí),改善了堿性土壤中碳酸鈣的力度,增強(qiáng)了對(duì)鋅的吸附[44],因此,0~15 cm土層土壤有效鋅含量顯著高于15~30 cm土層土壤。另外值得注意的是,土壤中的銅和鋅是作物可吸收利用的微量元素,同時(shí)也是重要的土壤重金屬污染物之一,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥提高了土壤有效銅鋅含量的同時(shí),也增大了其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
本文以張家口市壩上地區(qū)4種土地利用類型為例,研究了土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,研究發(fā)現(xiàn):
(1)農(nóng)業(yè)用地類型下的菜地和常規(guī)耕地,相比人工林地和草地,土壤pH均有所降低,下層土壤容重顯著增加;與林地、草地和常規(guī)耕地相比,菜地土壤長(zhǎng)期有機(jī)肥施用可顯著提高土壤SOC、TN、TP及微量元素含量,提高土壤肥力,而只施用化肥的常規(guī)耕地肥力出現(xiàn)耗竭,但同時(shí)應(yīng)考慮長(zhǎng)期施用有機(jī)肥帶來(lái)的重金屬超標(biāo)等潛在的危害。
(2)自然草地的SOC、TN、TP含量高于人工林地,自然草地土壤除有效銅含量顯著高于林地外,兩種土地利用方式的微量元素含量并無(wú)顯著差異。
(3)林地SOC含量、有效鋅含量和菜地的有效鋅含量在不同土層上差異顯著,其他土地利用方式土壤SOC、TN、TP和其他有效態(tài)微量元素在垂直分布無(wú)顯著差異。