開墾對(duì)退化沙質(zhì)草地土壤機(jī)械組成及有機(jī)碳分布的影響

李順江 ，胡 霞 ，劉連友

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京100097;2.北京師范大學(xué) 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京100875;3.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875)

天然草地開墾為農(nóng)田后，在沒有防護(hù)體系保護(hù)下表層土壤細(xì)顆粒物質(zhì)損失，土壤養(yǎng)分降低，在干擾繼續(xù)情況下，將形成流動(dòng)沙地[1]，尤以我國(guó)北方地區(qū)最為嚴(yán)重。據(jù)羅必良的研究，近15 a來我國(guó)北方草地中因?yàn)E墾改變而引起沙漠化占16%[2]。由此可見，草地濫墾造成的生態(tài)破壞是十分嚴(yán)重的。近年來，受人口壓力和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，土地開墾已向不適于耕作的一些邊緣沙質(zhì)退化草地?cái)U(kuò)展。植被破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的風(fēng)蝕，土壤進(jìn)一步粗化發(fā)展，肥力衰退，土地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。有關(guān)研究揭示了草原開墾導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分降低、質(zhì)地粗化等現(xiàn)象，并將沙化程度和肥力損失作為評(píng)價(jià)土壤退化程度的指標(biāo)[3-7]。目前對(duì)開墾造成的草原土壤退化的機(jī)理的定量研究還有待深入。本試驗(yàn)通過對(duì)不同開墾年限土壤粒度、養(yǎng)分觀測(cè)，分析不同開墾年限對(duì)土壤機(jī)械組成和有機(jī)碳的影響。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于渾善達(dá)克沙地南緣的太仆寺旗境內(nèi)，該區(qū)屬于半干旱大陸性氣候。根據(jù)太仆寺旗氣象站近1971-2000年的氣象觀測(cè)資料，太仆寺旗年均風(fēng)速 3.41 m/s，4 月風(fēng)速最大 ，平均 4.75 m/s，風(fēng)速最大值可達(dá)到10 m/s以上，而且受蒙古高壓氣團(tuán)的控制，全年多西北風(fēng)，且風(fēng)力強(qiáng)勁，年均大風(fēng)＞17 m/s的日數(shù)53.67 d，一般每年均有20 m/s的大風(fēng)出現(xiàn)。內(nèi)蒙古太仆寺旗年降水量較低，為407 mm，多集中在7-9月，占全年總降水量的65%，而年均蒸發(fā)量為1 900 mm。年平均氣溫較低，僅1.6℃，年平均地溫也較低，為3.66℃。研究區(qū)地帶性土壤為栗鈣土，該土壤有機(jī)質(zhì)含量較低(0.4%～3.3%)，土壤較貧瘠，質(zhì)地較粗，顆粒組成以中粗砂為主，占土壤顆粒的50%以上。

1.2 研究方法

(1)樣地描述。本研究選擇3種不同開墾年限的草地，同時(shí)在樣地附近以天然草地設(shè)置對(duì)照，見表1。

(2)土樣采集。研究區(qū)不同開墾年限的土地上選擇3個(gè)5 m×5 m的樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)均勻選擇3個(gè)點(diǎn)，按 0-2 ，2-4，4-10，10-20 cm 深度分層取樣進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的分析。

(3)分析方法。土壤機(jī)械組成用濕篩加吸管法，有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[8]。

表1 不同開墾年限土壤地表狀況

2 結(jié)果與分析

2.1 開墾對(duì)草原土壤機(jī)械組成的影響

表2是不同開墾年限土壤的機(jī)械組成。草地開墾6 a后，土壤粒級(jí)就發(fā)生了明顯變化，表現(xiàn)為0-2 cm表層土壤中＜0.02 mm機(jī)械組成含量顯著降低，＞2 mm和0.2～2 mm的機(jī)械組成顯著增加，土壤進(jìn)一步向粗粒化和單粒化的流沙狀演變;土壤中0-2 cm和2-4 cm深度土層中0.002～0.02 mm和＜0.002 mm的顆粒較對(duì)照草地分別降低了20%和8.70%;相應(yīng)地粒徑為0.02～0.2 mm的顆粒明顯增加;犁底層(10-20 cm)土壤粒級(jí)分布沒有明顯變化。隨著開墾年限的延長(zhǎng)，土壤中0.002～0.02 mm和＜0.002 mm顆粒含量逐漸降低，土壤粗化程度越來越嚴(yán)重。當(dāng)草地開墾15 a后，表層土壤中＜0.002 mm的顆粒比對(duì)照草地下降5.77%，而0.02～0.2 mm和0.002～0.02 mm的含量明顯下降。當(dāng)草地開墾耕作40 a后，0-2 cm和2-4 cm深度土壤中＜0.002 mm含量分別下降20%和17.40%，同時(shí)0.2～2 mm比對(duì)照草地增加了8.46%和8.48%。但是當(dāng)草地開墾為農(nóng)田后及時(shí)轉(zhuǎn)化為林地后，土壤質(zhì)地又會(huì)逐漸逆轉(zhuǎn)，林地中0-2 cm和2-4 cm深度土壤中＜0.002 mm的顆粒又會(huì)比開墾40 a的耕地增加5.0%和21.05%。

表2 不同開墾年限土壤機(jī)械組成

2.2 開墾對(duì)草原土壤有機(jī)碳的影響

沙質(zhì)草地開墾及其隨后短期的耕作，導(dǎo)致了嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕，也使得土壤有機(jī)碳大量喪失。整個(gè)剖面土壤有機(jī)碳(SOC)含量均有明顯下降，其中，開墾6 a土壤表層有機(jī)碳比對(duì)照草地下降0.3%，開墾15 a后土壤表層有機(jī)碳下降13.6%，開墾40 a后0-2 cm，2-4 cm，4-10 cm和10-20 cm土層有機(jī)碳分別下降了49.3%，53.9%，33.5%和49.18%，而開墾40 a還林5 a的土壤有機(jī)碳相對(duì)開墾40 a的土壤有所升高。隨著開墾年限的增加，土壤養(yǎng)分下降更多。

表3 不同開墾年限土壤有機(jī)碳分布

一般認(rèn)為草地開墾使SOC損失的主要因素是:開墾使土壤有機(jī)質(zhì)充分暴露在空氣中，土壤溫度和濕度條件得到改善，從而促進(jìn)了土壤呼吸作用，加速了有機(jī)質(zhì)的分解;多年生牧草被作物取代后使初級(jí)生產(chǎn)固定的碳素向土壤中分配比例降低，收割又減少了地上生物量中碳素向土壤的輸入。

在本項(xiàng)研究中，開墾導(dǎo)致的嚴(yán)重土壤風(fēng)蝕是SOC損失的主導(dǎo)因素。在養(yǎng)分貧瘠的沙質(zhì)土壤環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)對(duì)保存和吸持土壤養(yǎng)分有著極其重要的作用。草地開墾后，隨著有機(jī)質(zhì)的吹蝕，N、P養(yǎng)分隨之喪失。

3 結(jié)論

草原開墾會(huì)導(dǎo)致草原土壤養(yǎng)分降低、質(zhì)地粗化等現(xiàn)象。草地開墾6 a，土壤粒級(jí)就發(fā)生了明顯變化，土壤表層細(xì)顆粒含量顯著降低，粗顆粒含量顯著增加，下層機(jī)械組成變化不明顯，土壤表層向粗粒化和單粒化的流沙狀演變的趨勢(shì)。隨著開墾年限的延長(zhǎng)，土壤細(xì)顆粒0.002～0.02 mm和＜0.002 mm降低明顯，而粗顆粒0.2～2 mm增加顯著，而且下層土壤表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。但是當(dāng)草地開墾為農(nóng)田后及時(shí)轉(zhuǎn)化為林地后，土壤質(zhì)地又會(huì)逐漸逆轉(zhuǎn)，林地中0-2 cm和2-4 cm深度土壤中＜0.002 mm的顆粒又會(huì)增加。同時(shí)開墾還會(huì)導(dǎo)致 SOC下降，土壤肥力嚴(yán)重下降。

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