黑河中游荒漠綠洲區土地利用的土壤養分效應

馬志敏，呂一河，孫飛翔，王江磊

(中國科學院生態環境研究中心，北京 100085)

土地利用與土地覆被變化是全球環境變化的重要組成部分，是基于自然環境條件的人類活動的集中反映［1］，引起生態系統結構和過程的變化［2-3］，如地表植被變化影響植被凋落物量、生物多樣性、地表徑流和侵蝕過程、土壤養分和水分的變化以及生物地球化學循環［4-6］等。土地利用變化會引起土壤管理措施的改變，從而對土壤質量產生影響［7］。國內外學者就不同土地利用方式對土壤質量的影響做了大量工作，一致認為，不同土地利用方式的變化必然導致土壤性質和土地生產力的改變［8］。傅伯杰等在河北遵化縣對土地利用變化與土壤養分變化的關系進行了研究，指出河北遵化縣1980—1999年大量的旱地轉換為林草地后土壤養分(有機質、全氮、速效鉀、速效磷及速效氮)全面提高［9］。信忠保等在黃土丘陵溝壑區羅玉溝、呂二溝的研究表明，林地、坡耕地、梯田、果園和草地等五種土地利用方式中，草地土壤養分最差，坡耕地的土壤養分(有機質、全氮、全磷、全鉀、速效養分)都較草地的高［10］。土壤養分的變化不僅受到土地利用類型的影響，還因土地利用結構的不同而存在差異。在黃土丘陵區的研究表明，從梁底到梁頂的土地利用結構中，坡耕地—草地—林地、梯田—草地—林地的結構模式具有較好的土壤保持能力，其土壤養分的平均含量要高于其它土地利用結構［11-13］。此外，土壤養分變化受到多重因素(地表覆蓋類型、地形地勢、氣候、灌溉條件等)的影響，在不同地區地理氣候條件下土壤養分變化呈現多樣性特征［3］。

西北干旱區位于我國內陸，其面積較廣，生態環境脆弱，在高強度人類活動影響下存在較高的生態退化風險，并且生態系統一旦退化就難以恢復。甘肅省張掖市的甘州區和臨澤縣位于西北干旱區的河西走廊，是典型的荒漠綠洲交錯鑲嵌的生態結構，當荒漠開墾為農田綠洲后，土壤質量會隨之發生顯著變化［7］。劉文杰等對黑河中游綠洲農田土壤速效養分時空變化特征的研究表明，2008年土壤速效養分含量比1982年有顯著提高，尤其是速效磷增加了225.6%，認為土壤缺磷不再是臨澤農業生產中的主要限制因子［14］。合理評估土地利用對土壤養分的影響，對于揭示土地利用的生態效應具有重要意義;探討土壤養分動態變化的影響因子對于土壤養分和土壤碳庫的科學管理具有積極意義。

土壤養分的相關指標中，土壤有機質直接影響土壤的保肥性、緩沖性、通氣狀況和土壤溫度，氮、磷、鉀是植物生長的必須營養元素，是土壤肥力的重要基礎［15］。土壤酸堿度更是一項重要指標，反映土壤的酸堿平衡體系，是土壤養分循環的一個主控因子［16］。本文以黑河中游的張掖市甘州區和臨澤縣為典型區，研究土地利用對土壤養分變化的影響，從整體、土地利用、土地利用轉變或保持三個角度，分析土壤養分中有機質、全氮、全磷、全鉀以及土壤pH值對土地利用的響應特征，探討土地利用對土壤養分變化的影響特征及其潛在風險，為土地利用和管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區是位于甘肅省張掖市的甘州區和臨澤縣，地處甘肅省河西走廊中部，地理范圍為東經99°51'— 100°6'，北緯38°32'—39°42'，南依祁連山，北接合黎—龍首山系，黑河從境內貫穿而過，該區水資源較為豐富、農業發達。四季云量少，光照充足，年平均日照時數約為3050 h，年均降雨量約為120 mm，變動范圍多在80—140 mm，臨澤縣和甘州區的年均蒸發量分別為1830 mm和2047 mm，野外樣點調查海拔分布范圍1276—2300 m。張掖市改革開放以來經濟快速增長，1978年國民生產總值為2.52億元，2011年國民生產總值已經達到256.84億元，是原來的100多倍。研究區內農業經濟發達，是典型的綠洲農業和大型灌溉農業區，盛產玉米、小麥、豆類、紅棗及各種蔬菜，是全國重點商品糧基地和制種基地。自20世紀80年代以來，耕地面積持續擴大，土地利用格局發生了顯著改變，林地、草地、荒漠被持續地開墾為耕地，同時耕地、草地、荒漠、林地之間也發生相互轉換。

土地利用方式以耕地為主，絕大部分耕地種植玉米(Zea mays L.)，少量耕地用于小麥(Triticum aestivum L.)、溫室蔬菜、葡萄(Vitis vinifera)及藥材等的栽培。草地類型主要為山前荒漠草地和濱河濕地草地，受人為干擾和破壞程度較小，優勢種為蘆葦(Phragmites australis(cav.)Trin.ex Steud.)和苣荬菜(Sonchus arvensis Linn.)，其土壤類型以灌漠土、荒漠風沙土、灰棕漠土等為主。林地類型包括旱地林場、濱河樹林和人工種植的林地3種類型，旱地林場的主要樹種為小葉楊(Populus simonii Carr.)和沙棗(Elaeagnus angustifolia Linn.)，濱河樹林建群植被有紅柳(Tamarix ramosissima Ledeb.)、小葉楊和沙棗，人工種植林地則以小葉楊、新疆楊(Populus alba Linn.var.pyramdalis Bunge)為主。荒漠則多分布于綠洲周邊和龍首山周邊，前者植被稀少，地表多有少許石礫，后者分布海拔較高，在1700 m以上;荒漠典型特點是土壤較干，植被以珍珠豬毛菜(Salsola passerina Bunge)和合頭草(Sympegma regelii Bunge)為主。

1.2 數據來源與方法

圖1 研究區位置及樣地分布Fig．1 The location of study areas and distribution of sample plots

2011—2012年野外布點采集土樣，從南部的祁連山山前到北部的龍首—合黎山，在荒漠綠洲區選擇典型的耕地、林地、荒漠等類型布點采樣，共布設53個樣地(圖1)。每個樣地利用GPS記錄經緯度，收集表層0—20 cm的土壤，在樣地不同位置重復取土樣3次，裝入布袋，并做標記，帶回實驗室風干，過100目篩子，測定土壤全量養分，包括有機質、全氮、全磷、全鉀和pH值。

收集甘州區(1980)、臨澤縣(1982)的全國第二次土壤普查數據得到的黑河流域1∶100萬土壤類型數據集，該1∶100萬土壤數據圖編制工作始于1986年，其中屬性表里的土壤表層養分屬性包括有機質、全氮、全鉀、全磷和酸堿度。全國第二次土壤普查時，土壤有機質采用重鉻酸鉀法測定，采用的介質是液體石蠟油，在高溫185—190℃ 條件下，用過量的標準重鉻酸鉀-濃硫酸溶液氧化土壤中有機碳，加鄰菲羅啉指示劑后，用硫酸亞鐵溶液滴定多余重鉻酸鉀;土壤全氮采用的是高氯酸-濃硫酸硝化后，光電比色測定;土壤全磷同樣采用高氯酸-濃硫酸消解體系，外加鉬銻抗顯色劑，光電比色測定;土壤全鉀采用CaCO3-NH4CL焙燒，用火焰光度計測定其水浸提液;土壤酸堿度用5∶1水土比與永久色階進行比色測定或通過電位法測定［17］。收集黑河中游1986年1∶10萬土地利用數據集中的矢量數據，采用中國科學院土地利用分類標準，該數據集剪裁于1986年中國1∶10萬土地利用數據集，同時收集黑河中游2000、2005、2007年三期的土地利用矢量數據。

1.3 土壤樣品測試方法［18］

土壤pH值用pH計測定，具體方法是測定常溫下以5∶1的水土質量比例溶于規格為50 mL燒杯中(土壤5 g，去離子水25 mL)，用玻璃棒攪拌使其溶解，靜置，取其上清液與玻璃試管中，用標準試劑液校準(兩點校正)過的pH計測定。土壤有機質用重鉻酸鉀外加熱法測定，具體為稱取0.5 g100目土壤于50 mL的比色管中，加入5 mL濃度為0.800 mol/L的重鉻酸鉀標準液和5 mL濃硫酸，置于試管架上，在烘箱中于105℃下加熱10 min中，冷卻后，從試管移入錐形瓶中，加入鄰菲羅林指示劑2—3滴，用濃度為0.2 mol/L的硫酸亞鐵溶液滴定。土壤全氮用德國Vario ELⅢ元素分析儀測得，具體為稱取30 mg的100目土壤于專用的錫舟中，包好后放于分析儀的轉盤內，所用的標準土樣為GSS-8。全磷和全鉀用(ICP-OES)同時測定，具體為稱取0.1 g(精確到0.001 g)100目土壤于聚四氟乙烯坩堝中，依次加入各種酸后再電熱板上消煮，消煮體系為硝酸-高氯酸-氫氟酸-鹽酸，消煮方法采用的是國家標準GB 9836-88，鉀測定采用的分析線波長為766.491 nm，磷測定采用的分析線波長為214.914 nm。

1.4 數據分析方法

利用ArcGIS 9.3生成采樣點的圖層，疊置于全國第二次土壤普查黑河流域1∶100萬土壤數據集上，得到樣點處80年代初的表層土壤養分值，結合實際測定土壤養分數據，對比分析30年耕層土壤養分的變化;結合研究區1986、2000、2005和2007年4期土地利用數據集來比對樣點尺度30年來土地利用類型變化對土壤養分的影響。基于(PASW)18.0軟件進行土壤養分特征的分析。運用單因素方差分析(One-way ANOVA)來檢驗土地利用間土壤養分變化的顯著性。

2 結果與分析

2.1 研究區內土壤養分的總體變化

研究區土壤養分的總體情況如表1所示。全國第二次土壤普查時，研究區表層(0—20 cm)土壤有機質、全氮、全磷、全鉀的平均值依次為15.83、0.91、0.80、20.14 g/kg，pH值8.3。在5項土壤指標中，土壤pH值變異系數最小，僅為0.038，變異系數最大的為土壤有機質、全氮，變異系數大小分別為0.63和0.59。這表明80年代初，研究區內土壤有機質含量比較低，氮、磷俱缺，土壤鉀相對豐富［19］。2011—2012年，土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的平均值分別為15.27、1.59、0.71 g/kg和40.03 g/kg，它們的變異系數分別為0.34、0.37、0.41、0.04，同時土壤的pH值平均值為8.65，變異系數為0.024。30年來，研究區土壤有機質、全磷分別降低了3.54%、12.5%，而全氮和全鉀及pH值分別增加了74.7%、98.2%與4.9%。土壤中有機質含量減少了0.56 g/kg，而土壤全氮和全鉀的含量大幅增加，土壤堿性增強。

2.2 不同土地利用的土壤養分特征

研究區內不同土地利用的土壤養分情況如表2所示。

表1 研究區兩個時期土壤養分及其變化情況統計Table 1 Statistics of soil nutrients and the variation in study area of two periods

表2 不同土地利用類型土壤養分不同時期的對比Table 2 Contrast of soil nutrients under different land use types between different periods

(1)土壤有機質變化 全國第二次土壤普查時，表層土壤有機質含量最高的是林地(28.47 g/kg)，耕地(16.74 g/kg)次之，其后為草地(12.59 g/kg)，荒漠(12.3 g/kg)最小。林地土壤有機質顯著高于其他土地利用類型，而耕地、草地和荒漠之間土壤有機質含量沒有顯著差異;就土壤有機質的標準差大小而言，荒漠(13.3)＞林地(11.1)＞草地(10.82)＞耕地(6.97)，荒漠土壤有機質變異性最大，耕地土壤有機質變異性最小。2011—2012年時，林地表層(0—20 cm)平均土壤有機質含量為17.82 g/kg，荒漠為15.66 g/kg，耕地為14.77 g/kg，其標準差大小為林地(7.26)＞耕地(5.03)＞荒漠(3.80)。30年來，林地和耕地的土壤有機質呈下降趨勢，而荒漠的土壤有機質則呈累積效應，并且區內荒漠土壤有機質的變異性減少最為明顯。

(2)土壤全氮、全磷、全鉀的變化 全國第二次土壤普查時，土壤全氮、全鉀在土地利用間呈現相同趨勢，林地 ＞耕地 ＞草地＞荒漠;土壤全磷的大小特點為耕地含量最高，草地次之，其后為林地，荒漠的土壤全磷最小;土壤全磷的標準差在0.17—0.26之間，土壤全鉀的標準差變動范圍是1.86—4.44，土壤全氮的標準差在0.48—0.57之間。2011—2012年時，表層土壤全氮、全磷、全鉀在各土地利用間的大小關系較全國第二次土壤普查時期發生了改變。土壤全氮含量大小次序為耕地 ＞林地＞荒漠，土壤全鉀的大小次序為林地 ＞荒漠＞耕地，土壤全磷的含量大小次序為耕地 ＞荒漠 ＞林地。從時間上比較，耕地和荒漠的土壤全氮和全鉀含量增加明顯、土壤全磷稍微降低，而林地的土壤全鉀含量增加，但土壤全氮和全磷含量都減少，流失較為突出。

(3)土壤pH值變化 各土地利用間的土壤pH值相差不大。全國第二次土壤普查時，林地(7.6)＜耕地(8.31)＜草地(8.27)＜荒漠(8.36)，荒漠土壤pH值最大，林地土壤pH值最小;2011—2012年時，區內土壤pH值呈增大趨勢，土壤表層趨向堿性變化，荒漠(8.59)＜耕地(8.66)＜林地(8.71)，并且林地、耕地的土壤pH值趨堿性程度較荒漠更強。

2.3 樣地尺度土地利用變化的土壤養分效應

樣地尺度上，比較土地利用保持不變或者發生改變后的土壤養分變化趨勢來揭示土地利用對土壤養分變化的直接影響。根據野外調查樣地經緯度信息和土地利用類型以及1986年土地利用數據，確定土地利用變化類型是維持還是改變。選取耕地-耕地、荒漠-荒漠、草地-耕地、草地-荒漠和草地-林地5種典型土地利用變化類型來比較其土壤養分變化特點(表3)。如“耕地-耕地”表示全國第二次土壤普查時的土地利用類型和2011—2012年的土地利用類型相同，均為耕地，同理，草地-耕地表示全國第二次土壤普查時草地類型轉變成了2011—2012年的耕地。

不同土地利用變化類型有著不同的土壤養分變化效應，土壤有機質增加的土地利用變化類型按增加量大小排列依次為荒漠-荒漠、草地-荒漠和草地-耕地，土壤有機質平均增量依次為5.23 g/kg、4.25 g/kg和1.51 g/kg，耕地-耕地維持類型土壤有機質減少0.85 g/kg、草地-林地變化類型土壤有機質平均減少10.30 g/kg。耕地-耕地土壤全氮增加量最大，為0.91 g/kg，草地-耕地土壤全氮增加量為0.73 g/kg，草地-荒漠土壤全氮增加量為0.62 g/kg，荒漠-荒漠土壤全氮增量最小，為0.33 g/kg，相反，草地-林地的土壤全氮減少了0.10 g/kg。按土壤全鉀的變化量大小依次荒漠-荒漠、草地-荒漠、耕地-耕地、草地-耕地和草地-林地，前4種土地利用變化類型間的土壤全鉀變化量沒有顯著差異，荒漠-荒漠和草地-荒漠的土壤全鉀變化量要極顯著地高于草地-林地。

5種土地利用變化類型中，唯草地-耕地的土壤全磷增加，增量為0.15 g/kg，其它土地利用變化類型的土壤全磷含量減少，減少最多的為草地-荒漠，土壤全磷減少量為0.45 g/kg，荒漠-荒漠的土壤全磷減少量為0.24 g/kg，草地-林地土壤全磷減少0.16 g/kg，耕地-耕地的土壤全磷減少量最小，僅為0.05 g/kg，并且唯有草地-耕地與草地-荒漠土壤全磷變化量差異顯著。土壤pH值變化在土地利用變化類型中也有明顯差異，草地-林地土壤pH值增大了0.82，耕地-耕地土壤pH值增大了0.39，而荒漠-荒漠土壤pH值則減少了0.12，這3種土地利用變化類型間土壤pH值變化量存在極顯著差異。

表3 基于樣地的土地利用維持或改變后土壤養分的變化量Table 3 The variation of soil nutrients with land use condition based on field plots

耕地-耕地與荒漠-荒漠，這兩種土地利用保持的土壤養分效應有著截然不同的特點，前者土壤有機質含量減少，后者明顯增加;前者土壤pH值增大堿性增強，后者土壤pH值減小趨于脫堿;兩者的全氮、全鉀都增加，但前者全氮的增加要大于后者，前者土壤全鉀的增加小于后者，同時全磷都減小，但前者的效應弱于后者。

草地-耕地與草地-荒漠是草地的兩種土地利用變化類型，草地-耕地土壤全磷含量增加0.15 g/kg，但草地-荒漠土壤全磷含量減少0.45 g/kg;草地-荒漠的土壤有機質增長效應強于草地-耕地，在全氮和全鉀上兩者都有增加，草地-耕地土壤全氮增量大于草地-荒漠，但前者的土壤全鉀增量小于后者，兩者土壤pH值都增加，分別增加了0.44和0.46。

3 討論

土地利用是環境屬性的綜合反映，由不同土地利用構成的異質景觀影響土壤養分的分布和遷移［12］。與分析不同土地利用的土壤養分大小相比，土地利用方式對土壤養分的長期時間效應更值得關注和探討。本研究的結果表明，黑河中游荒漠綠洲區，耕地長期利用造成土壤養分的變化，土壤中全氮、全鉀含量增加，土壤有機質含量下降，土壤pH值增大;荒漠自然演替使得土壤有機質的含量平均提升了5.23 g/kg，同時土壤pH值下降了0.12。這說明荒漠區灌叢植被定居和演替對土壤化學性狀具有明顯的改變。土壤理化性狀的改變既是植被對土壤的作用，也是影響植被演替方向的重要因素［20］。

土地利用發生變化后，土壤養分含量在時間和空間上發生改變。王根緒等在黑河流域中游土地利用變化的環境影響研究中表明，草地轉變為耕地3 a后，0—20 cm土層土壤有機質與全氮含量略有減少;耕種10 a以上，0—50 cm土層土壤有機質和全氮含量大幅度減少，逐漸形成亞穩態［21］。原因是土地利用的改變伴隨著人類對土地的作用方式和強度的變化。草地轉變為耕地，伴隨翻耕、施肥和灌溉等農業管理措施，有機物降解加快，消耗加劇，土壤中有機質含量降低，同時化肥大量使用使得土壤的全鉀、全氮含量升高，土壤pH值增加。草地轉化為荒漠，水分減少，土壤漸干，較為抗旱的植被代替原來的草地植被，生長緩慢、消耗養分較少，荒漠植被低葉面積，適口性差，高比例的土壤枝葉凋落物［22］，使得土壤養分含量增加。

可見，荒漠綠洲區耕地開墾后，在粗放的管理模式下，隨著耕作管理時間的延長，土壤質量發生退化，突出地表現為土壤有機質減少，堿化程度升高，這將對農田生態系統的可持續管理帶來重要挑戰。因此，控制農田擴張、改善農田的水肥管理［23］對于維系荒漠綠洲區的農田生態系統健康非常重要。相反，荒漠生態系統作為少受人為干擾的生態系統類型，其自然演替能夠促進土壤養分積累，表現出顯著的土壤固碳效應，同時，堿化程度降低。所以，從維持荒漠綠洲區生態健康的角度，有必要加大荒漠生態系統的保護和恢復。

土壤養分變化動態不僅取決于土地利用的變化還受到土壤類型的影響。表3中的草地-林地轉換，土壤有機質降低了10.30 g/kg，經過2000、2005、2007年三期土地利用數據比對可以發現，從1986年至2007年一直是草地，直接原因是兩個樣點位的土壤類型不同，即土壤養分的初始狀態不同，一個為荒漠風沙土，一個為石灰性草甸土，草地轉變為林地土壤養分效應，在荒漠風沙土上增加累積，在石灰性草甸土上下降。Bellamy等在研究英格蘭和蘇格蘭1978—2003年土壤碳庫變化時發現，土壤有機碳的變化率與土地利用、降雨類型、土壤質地類型不存在統計上的顯著相關關系，但是土壤有機碳改變速率與初始有機碳含量呈顯著線性負相關關系［12］。即土壤養分的損失，特別是土壤有機質的損失與土壤的初始狀態緊密關聯，一定程度上土壤類型影響土壤養分的變化。另外土壤養分中的氮的循環還受到土壤pH值的影響。Cheng等在加拿大亞伯達省中部利用氮-16同位素示蹤技術研究發現土壤pH值增加促使氮素礦化［8］，這說明土壤pH值增加，一定程度上可能加劇了土壤有機物的分解。

4 結論

整體上，2011—2012年表層土壤養分含量較全國第二次土壤普查20世紀80年代時，土壤有機質、全磷含量分別降低了3.54%和12.5%，土壤全氮增加了74.4%，土壤全鉀近乎翻番，土壤pH值上升4.9%。

表層土壤養分的時間動態因土地利用不同而異，對土壤有機質而言，耕地的長期耕作導致土壤有機質顯著降低，而荒漠生態系統的土壤有機質累積效果明顯，表現出良好的土壤固碳效應，表明荒漠有較高的長期固碳潛力;荒漠和耕地土壤中都呈現全氮含量的增加，但來源不同，荒漠的全氮增量來源于含氮有機物，耕地的全氮增量則來源于化肥的施用;耕地土壤持續堿化，荒漠土壤pH值在減小。土地利用轉換對土壤養分變化具有驅動效應，但也要注意土壤類型和土地利用轉換對土壤養分的耦合影響。

本研究表明，盡管我國西北荒漠綠洲區人口和經濟社會發展的壓力日益增加，自然生態系統的保護和恢復仍然是必須強化和長期堅持的重要工作，關系到區域生態安全的維持。嚴格控制耕地向自然、半自然生態系統的擴張，大力提升農田經營管理水平，是實現區域農業和國民經濟健康持續發展的重要基礎。

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