內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)建設(shè)對(duì)淺層土壤養(yǎng)分的影響

馬 禮，梁利紅, 白 潔

(首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

農(nóng)牧交錯(cuò)帶在防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、防治水土流失方面具有特殊的生態(tài)地位,然而，由于長(zhǎng)期在農(nóng)牧交錯(cuò)帶大面積盲目開(kāi)墾草原種植農(nóng)作物，使其生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[1-4].自2000年開(kāi)始，中國(guó)實(shí)施了大規(guī)模的退耕還林草、禁牧休牧、基本農(nóng)田建設(shè)等生態(tài)建設(shè)工程，通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，林地、牧草地面積大幅增加，牧草地蓋度和高度有所提高，大風(fēng)日數(shù)明顯減少，土地沙化面積減少，沙化程度減輕，生態(tài)環(huán)境的惡化得到了初步遏制.0～20 cm的淺層土壤是作物、牧草及灌木吸收土壤養(yǎng)分最重要的土壤層，亦稱耕層，研究其土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化具有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值.近10多年，已有多位學(xué)者研究?jī)?nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還草還灌、人工種草對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)重建提供科學(xué)參考依據(jù)[5-9].但關(guān)于內(nèi)蒙古高原中部農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)建設(shè)對(duì)農(nóng)用地面積占比較大的主要類型農(nóng)用地的土壤養(yǎng)分影響，尚缺乏多年動(dòng)態(tài)變化研究.對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)最重要基礎(chǔ)的土壤，檢測(cè)其養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化，具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值[10].本文中，筆者通過(guò)研究2000年以來(lái)生態(tài)建設(shè)初(2000年)、生態(tài)建設(shè)后(2008,2013年)不同土地利用類型地塊0～20 cm淺層土壤養(yǎng)分含量動(dòng)態(tài)變化情況，分析生態(tài)建設(shè)對(duì)不同土地利用類型地塊淺層土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分的影響，進(jìn)一步探討農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用變化對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響，為當(dāng)?shù)睾侠砝猛恋刭Y源提供科學(xué)參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

研究區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市化德縣，位于內(nèi)蒙古高原東南緣，毗鄰內(nèi)蒙古商都縣、鑲黃旗、正鑲白旗和河北省康?？h，地處半干旱典型草原栗鈣土地帶，為典型的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)域.該縣位于41 °37 ′～42 °17 ′N，113 °32 ′～114 °48 ′ E(見(jiàn)圖1)，總面積2 568 km2，平均海拔高度1 500 m左右.該區(qū)域氣候具有熱量不足、干旱少雨、無(wú)霜期短、多風(fēng)沙等特點(diǎn)，屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候.近30 a年均≥10 ℃積溫2 090 ℃，無(wú)霜期105 d左右；多年平均年降水量約315 mm；多年平均最大可能蒸發(fā)量為2 080 mm，是年降水量的6.7倍；年均風(fēng)速4.8 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)約30 d，多發(fā)生于冬春兩季[11].由于近百余年人口的劇增、毀草種田、濫墾濫牧及濫樵采，草原退化和土地沙化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境日益惡化.21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家實(shí)施了大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)工程，生態(tài)環(huán)境有了明顯改善，但尚未達(dá)到根本好轉(zhuǎn)，恢復(fù)重建難度大.

圖1 化德縣地理位置示意圖Fig.1 Geographical Location Map of Huade County

研究區(qū)域土地資源豐富，人均占有土地1.57 hm2.土地利用率高達(dá)99 %，墾殖率高達(dá)28 %，農(nóng)用地面積占總土地面積的93 %.耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量較低，為14.3 g/kg，表明當(dāng)?shù)赝恋刭|(zhì)量較差，宜農(nóng)適宜性偏低，適宜耐寒耐旱牧草、灌木生長(zhǎng).

1.2 土壤采樣地域的選定

土壤采樣地位于化德縣東部七號(hào)鎮(zhèn)七號(hào)村，為典型的波狀高原地域，自然條件嚴(yán)酷，多年平均降雨量約300 mm，屬半干旱偏干氣候.地處伏沙帶，土壤中物理性沙粒多在70 %以上.當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)由農(nóng)田、牧草地、林地、居民及畜群5個(gè)子系統(tǒng)組合而成，農(nóng)牧業(yè)粗放經(jīng)營(yíng)、廣種薄收成為延續(xù)多年的旱作農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式[12-13].

1.3 研究方法

在典型地段選取農(nóng)田水澆地、旱灘地(旱作平坦耕地)、旱坡地(旱作坡耕地)、天然草地、檸條林地以及圍欄草地等當(dāng)?shù)刂饕?種不同農(nóng)業(yè)土地利用類型地塊[4].水澆地是淺層地下水較好的灘地(平地)，在耕地面積中的占比不足10 %，是重點(diǎn)建設(shè)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)田，以種植馬鈴薯為主，輪作倒茬作物有青玉米、向日葵等，采用滴灌方式灌溉；旱灘地是基本農(nóng)田的主體，約占耕地面積的70 %，主要輪作馬鈴薯、飼料作物青燕麥和青玉米、油料作物胡蔴和油菜；旱坡地是土地退化較輕的坡耕地，約占耕地面積的20 %，坡度約10 °左右，主要輪作耐瘠薄耐干旱作物胡蔴、油菜、馬鈴薯、莜麥；天然草地為退化程度相對(duì)較輕的牧草地；圍欄草地為退化程度相對(duì)較重的牧草地；檸條林地由土地退化較重的旱坡地退耕還灌木檸條而成.分別于2000年5月(春耕施肥后)、2008年4月底與2013年4月底(均為春耕施肥前)在上述各類地塊指定的同一位置定點(diǎn)淺層0～20 cm采土樣，牧草地和檸條林地由3～5個(gè)隨機(jī)分布的子樣混合均勻而成，耕地地塊取10個(gè)子樣，每個(gè)樣品1 kg.按照農(nóng)業(yè)部測(cè)定土壤養(yǎng)分的技術(shù)要求，在化驗(yàn)室測(cè)定有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀5種土壤養(yǎng)分含量，然后分別對(duì)不同土地利用類型地塊土壤養(yǎng)分年際變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比分析.

土壤養(yǎng)分的測(cè)定方法：有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法；全氮采用半微量凱式瓶蒸餾法；堿解氮采用1 mol/L氫氧化鈉堿解擴(kuò)散法(康衛(wèi)皿法)；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法[4].

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)質(zhì)含量年際變化對(duì)比分析

由表1可知，不同土地利用類型地塊淺層土壤有機(jī)質(zhì)含量為8.33～19.77 g/kg，3個(gè)年份平均值為13.17 g/kg.不同土地利用類型地塊淺層土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈波動(dòng)變化.2013年旱灘地和天然草地土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著差異;2013年旱灘地土壤淺層有機(jī)質(zhì)含量與2000,2008年相比明顯下降；2013年天然草地有機(jī)質(zhì)含量與2000,2008年相比明顯上升；其他土地利用類型地塊有機(jī)質(zhì)含量變化水平不顯著.

表1 不同土地利用類型地塊淺層土壤有機(jī)質(zhì)含量年際變化

2000年水澆地有機(jī)質(zhì)含量較高，是由于2000年5月采樣時(shí)該類地塊已施有機(jī)肥，2008,2013年采樣時(shí)均未施肥，故可用2008年與2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.2013年水澆地有機(jī)質(zhì)含量略高于2008年，因當(dāng)?shù)厮疂驳孛娣e占比較小，為質(zhì)量較高的耕地，且每隔3 a施一次足量的優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥(以羊糞為主，60 t/hm2)，因此有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)穩(wěn)定且略有增加.

旱灘地約每隔2～3 a施一次農(nóng)家肥(圈肥)，每年施有機(jī)復(fù)合肥75 kg/hm2.經(jīng)過(guò)10多年生態(tài)建設(shè)，土壤風(fēng)蝕明顯減輕.由于連年耕作利用強(qiáng)度大，而有機(jī)肥投入又嚴(yán)重不足，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量呈下降態(tài)勢(shì).

旱坡地因長(zhǎng)期土壤風(fēng)蝕而瘠薄，多種植耐瘠薄作物莜麥和油料作物，極少施農(nóng)家肥，每年僅施少量有機(jī)復(fù)合肥(75 kg/hm2)，每隔2～3 a休耕壓青，此方法可以使旱坡地休養(yǎng)生息、維持土壤養(yǎng)分，故有機(jī)質(zhì)含量隨休耕壓青時(shí)植被生物量多少呈波動(dòng)變化.

天然草地退化程度相對(duì)較輕，植被蓋度約40 %.自2000年采取禁牧、休牧措施以來(lái)，有機(jī)質(zhì)含量明顯增加.經(jīng)過(guò)10多年的禁牧、休牧，牧草地蓋度、牧草高度及生物量、生物多樣性均增加，草地較多的枯枝落葉轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，與牧草發(fā)達(dá)的根系和土壤微生物共同作用，較好地促進(jìn)土壤理化性質(zhì)的改善，有機(jī)質(zhì)含量增加[4].牧草地質(zhì)量提高，減少了土壤風(fēng)蝕，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的保存.

檸條林地為沙化坡耕地退耕還灌而得，在檸條帶之間的雜類草地進(jìn)行采樣.檸條帶寬3 m，帶間距2.5 m.可能是因?yàn)閹чg距偏小，種植密度大，而檸條經(jīng)過(guò)10多年生長(zhǎng)已高達(dá)80 cm左右，有機(jī)質(zhì)含量已不能滿足檸條生長(zhǎng)的需要，因此有機(jī)質(zhì)含量呈波動(dòng)變化且有下降的趨勢(shì)，研究認(rèn)為，當(dāng)?shù)貦帡l帶間距應(yīng)以6 m為宜[12].

圍欄草地是中重度退化、沙化草地，植被蓋度約30 %，生態(tài)退化嚴(yán)重，雖經(jīng)10多年圍欄封育，土壤有機(jī)質(zhì)含量仍變化不大，可見(jiàn)土壤生態(tài)恢復(fù)需要較長(zhǎng)時(shí)間.

綜上所述，耕地有機(jī)質(zhì)含量的決定性因素是施有機(jī)肥，其次是耕地利用方式；而天然草地有機(jī)質(zhì)含量提高得益于禁牧休牧、退牧還草，主要依靠自然修復(fù).

2.2 全氮含量與堿解氮含量年際變化對(duì)比分析

全氮主要來(lái)自土壤有機(jī)質(zhì).由表2可知，不同土地利用類型地塊淺層土壤全氮含量為0.50～1.30 g/kg，3個(gè)年份平均值為0.83 g/kg.不同類型地塊全氮含量動(dòng)態(tài)變化與其有機(jī)質(zhì)含量動(dòng)態(tài)變化大致相近.旱灘地與天然草地全氮含量組間差異顯著：自2000年以來(lái)，因旱灘地土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，使得旱灘地全氮含量呈下降態(tài)勢(shì)；因禁牧、休牧，草地土壤有機(jī)質(zhì)明顯增加,致使天然草地全氮含量有所增加.土壤全氮含量在水澆地、旱坡地、檸條林地和圍欄草地組間雖存在差異，但尚未達(dá)到顯著性水平.

表2 不同土地利用類型地塊全氮、堿解氮含量年際變化Tab.2 The Interannual Variability of Shallow Soil Total Nitrogen and Available Nitrogen Among Different Land Use Types

堿解氮是速效氮，來(lái)自全氮轉(zhuǎn)化，故其含量變化趨勢(shì)與全氮近似.堿解氮含量為27.60～89.33 mg/kg，3個(gè)年份平均值為50.10 mg/kg.旱灘地、天然草地與檸條林地堿解氮含量組間差異顯著.旱灘地堿解氮含量減少原因與其全氮含量減少原因相同;天然草地堿解氮含量增加原因與其全氮含量增加原因相同;檸條林地堿解氮減少主要是由于檸條帶間距小、種植過(guò)密所致，隨著檸條的生長(zhǎng)，堿解氮消耗過(guò)多.

2.3 速效磷與速效鉀含量年際變化對(duì)比分析

由表3可知，速效磷含量為1.96～21.93 mg/kg，不同類型地塊差距較大，水澆地、旱坡地、天然草地和圍欄草地組間差異顯著.因?yàn)樗疂驳厥┯袡C(jī)肥較多，且每年施磷肥，故2013年水澆地速效磷含量高于2008年.亦有研究表明，磷在土壤中以沉淀為主，磷的利用率在作物當(dāng)年一般不超過(guò)20 %，因此土壤磷含量主要受施肥活動(dòng)的影響[14].土壤速效磷含量與土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)肥施用水平呈正相關(guān)[9]，而旱灘地因連年耕作，用地強(qiáng)度大，且有機(jī)肥施用嚴(yán)重不足，又不施磷肥，致使其土壤速效磷含量呈減少態(tài)勢(shì).旱坡地極少施農(nóng)家肥，且不施磷肥，每年僅施有限的有機(jī)復(fù)合肥，約75 kg/hm2，每隔2～3 a休耕壓青，故其速效磷含量呈波動(dòng)變化.天然草地土壤速效磷含量呈增加態(tài)勢(shì)，因其植被有所恢復(fù)而使土壤有機(jī)質(zhì)明顯增加，多年生牧草能較好地提高土壤速效磷的含量[7，9].檸條林地土壤速效磷呈波動(dòng)變化，因當(dāng)?shù)啬杲邓兟蚀?，檸條林地灌草植被狀況隨年降水量情況而呈波動(dòng)變化，故檸條林地速效磷含量可能隨檸條林地植被生物量轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)以及其根系吸收土壤中磷的狀況而呈波動(dòng)變化.圍欄草地經(jīng)過(guò)10多年的圍欄封育，其生態(tài)有所恢復(fù)，因其土壤退化較重，故土壤速效磷含量可能隨上年牧草轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)的狀況而呈波動(dòng)變化.

表3 不同土地利用類型地塊速效磷、速效鉀含量年際變化Tab.3 The Interannual Variability of Shallow Soil Available Phosphorus and Available Potassium Among Different Land Use Types

速效鉀含量為53.33～335.8 3 mg/kg，不同地塊速效鉀含量差距較大，水澆地、旱坡地、天然草地組間差異顯著.2000年采樣時(shí)耕地已施有機(jī)肥，2008,2013年采樣時(shí)未施肥.水澆地每隔3 a施一次優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥(羊糞,約60 t/hm2)，且隔年種植喜鉀作物馬鈴薯，導(dǎo)致速效鉀含量呈波動(dòng)變化；旱灘地每隔2～3 a輪作喜鉀作物馬鈴薯，施農(nóng)家肥(圈肥,37.5 t/hm2)，輪作其他作物時(shí)不施農(nóng)家肥，每年施有機(jī)復(fù)合肥(75 kg/hm2)，施有機(jī)肥嚴(yán)重不足，故其速效鉀含量呈減少態(tài)勢(shì)；旱坡地因每隔2～3 a休耕壓青，雜類草壓青后可能提高土壤速效鉀含量[7-9]，故其速效鉀含量呈波動(dòng)有所增加；天然草地土壤速效鉀含量增加，因天然牧草地禁牧、休牧后植被恢復(fù)較好，多年生牧草可富集土壤中的速效鉀，故多年生牧草能較好地提高土壤速效鉀含量[7-9]；檸條林地和圍欄草地土壤速效鉀含量呈波動(dòng)變化，可能是這2種地塊土地沙化較重，且檸條林地種植密度偏大，土壤養(yǎng)分恢復(fù)較慢.

3 結(jié) 論

研究區(qū)生態(tài)建設(shè)10多年后不同土地利用類型地塊淺層土壤養(yǎng)分的變化表明：水澆地因定期施用較多的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥和磷肥，其有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量均有小幅變化，但未達(dá)到顯著性水平，速效磷含量呈上升態(tài)勢(shì)，因隔年種植喜鉀作物馬鈴薯，速效鉀含量呈波動(dòng)變化，土壤養(yǎng)分含量基本穩(wěn)定；旱灘地因施有機(jī)肥嚴(yán)重不足，且不施磷肥，又連年耕作利用強(qiáng)度大，其有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷含量呈下降態(tài)勢(shì)；旱坡地定期休耕壓青，維持土壤養(yǎng)分，其土壤養(yǎng)分含量呈波動(dòng)變化；天然草地通過(guò)禁牧、休牧等措施，植被有所恢復(fù)，其有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量均有所增加；檸條林地、圍欄草地因土地退化較重，生態(tài)恢復(fù)緩慢，其土壤養(yǎng)分含量呈波動(dòng)變化，組間差異不顯著.

4 討 論

為恢復(fù)、提高當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分含量，筆者提出如下建議.

1) 耕地應(yīng)增施農(nóng)家有機(jī)肥，配合施用復(fù)合有機(jī)肥，控制使用化肥，實(shí)施秸稈還田和測(cè)土施肥，重點(diǎn)發(fā)展有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)，推廣保護(hù)性耕作制度[15].水澆地應(yīng)科學(xué)施肥，使土壤養(yǎng)分平衡.旱灘地是基本農(nóng)田的主體，目前連年耕作，利用強(qiáng)度大，施用有機(jī)肥不足而消耗養(yǎng)分大，應(yīng)通過(guò)增施有機(jī)肥、實(shí)行草田輪作(種植苜蓿、草木樨等優(yōu)質(zhì)豆科牧草)、免耕、定期休耕等有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)措施提高土壤養(yǎng)分含量.旱坡地應(yīng)進(jìn)行梯田等高種植，采取草田輪作，種植綠肥壓青，有機(jī)肥與化肥結(jié)合施用，提高土壤養(yǎng)分.退化嚴(yán)重的坡耕地和大于10 °以上的坡耕地應(yīng)退耕還草灌.

2) 保護(hù)好天然草地，以自然恢復(fù)為主.采取補(bǔ)播多年生優(yōu)良牧草等措施改良天然草原，使其逐步恢復(fù)，視恢復(fù)程度進(jìn)行科學(xué)輪牧休牧，以草定畜，嚴(yán)禁超載過(guò)牧.圍欄草地應(yīng)繼續(xù)采取圍封禁牧措施，防止破壞圍封設(shè)施，使其休養(yǎng)生息.通過(guò)以上生態(tài)恢復(fù)重建措施，逐步提高牧草地土壤養(yǎng)分.

3) 提高以檸條為主的灌木林地經(jīng)營(yíng)管理水平，適時(shí)修整.鑒于當(dāng)?shù)貧夂蚋珊担瑱帡l灌木種植不宜過(guò)密.根據(jù)研究可知，當(dāng)?shù)貦帡l帶間距以6 m為宜，防止因種植密度過(guò)大而消耗較多的水分和土壤養(yǎng)分[16].

4) 建設(shè)好農(nóng)田、草場(chǎng)防護(hù)林體系(防護(hù)林建設(shè)見(jiàn)文獻(xiàn)[17])，防風(fēng)固土，防治土壤風(fēng)蝕，保護(hù)農(nóng)田、草場(chǎng).