土地利用方式對晉南黃土高原村域范圍內土壤pH值與養分的影響

冀 晴， 張永清， 柴國麗， 王 璐

(山西師范大學地理科學學院，山西臨汾 041004)

土地利用方式對晉南黃土高原村域范圍內土壤pH值與養分的影響

冀 晴， 張永清， 柴國麗， 王 璐

(山西師范大學地理科學學院，山西臨汾 041004)

通過野外調查與室內分析相結合的方法，分析4種土地利用方式下土壤pH值與養分的分布特征、變異情況及其相關性，探討晉南黃土高原村域范圍內不同土地利用方式對土壤pH值與養分的影響。結果表明：土壤pH值呈微堿性，分布特點是核桃園>谷子地>玉米地>蘋果園；有機質缺乏，其含量分布特征是核桃園>玉米地>蘋果園>谷子地；堿解氮缺乏，速效鉀豐富，但二者含量分布特點均表現為蘋果園>核桃園>玉米地>谷子地；速效磷較豐富，其含量分布特點為蘋果園>核桃園>谷子地>玉米地。統計分析結果顯示，蘋果園的速效養分含量明顯高于其他3種土地利用方式，而其他3種土地利用方式下的速效養分含量差異不明顯。空間變異分析表明，除了土壤pH值的空間變異為小變異外，其他項目均為中到高度變異。相關性分析表明，pH值與各土壤速效養分均呈極顯著負相關；有機質含量與堿解氮含量呈極顯著正相關；堿解氮、速效磷和速效鉀含量兩兩均呈極顯著正相關。

土地利用方式；黃土高原；村域范圍；土壤養分

晉南黃土高原主要的經濟來源為農業，水土流失造成的土地退化嚴重影響著黃土高原農業的持續與健康發展。眾多研究表明，合理的土地利用方式可改善土壤結構，增強土壤對外界環境變化的抵抗力[1]，而不合理的土地利用方式則會導致土壤質量下降[2]，加劇土壤侵蝕[3]，降低生物多樣性[4]。近10年來，黃土高原生態環境治理和區域經濟發展得到了快速發展，在改變傳統土地利用方式的基礎上，形成了核桃、蘋果等多種經濟林木優質高效種植方式[5]，但關于這些方式下土壤養分狀況的研究尚有待深入。前人對該地區林地土壤養分分布特征和空間變異性的研究對象主要為天然林及人工林草地，對于經濟林地的研究則主要集中在蘋果園，而對于蘋果園與其他土地利用方式的土壤養分差異的研究則鮮有報道[6]，且土壤養分的分析一般都基于縣域甚至更大區域。本試驗是基于母質、地形及氣候等趨于一致的村域范圍研究，結果更為精確，更具有針對性。為此，本試驗以晉南臨汾市吉縣桃村為研究區域，通過對玉米、谷子、核桃樹、蘋果樹等不同用地類型的土壤pH值與養分進行研究，分析村域范圍內不同土地利用方式下土壤pH值與養分及有機質含量的差異及其相互影響，旨在為晉南黃土高原土壤資源的合理利用和結構調整提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省西南部的臨汾市吉縣桃村，是黃土高原殘垣溝壑區的一部分。地理位置110°41′～110°46′E，36°6′～36°8′N，海拔850～1 203 m。研究區屬大陸性季風氣候，四季分明，年平均日溫差11.5 ℃，年平均日照時間 2 653 h，年平均降水量578 mm，年平均無霜期172 d[7]。土壤主要為黃土母質上發育而成的碳酸鹽褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 采樣時間為2015年10月下旬，采樣前未灌溉施肥。在滿足地理信息系統(GIS)空間分析要求的基礎上，采用全球定位系統(GPS)定位的方法在玉米地、谷子地、核桃園及蘋果園這4種用地中分別隨機選取31、6、6、57個樣地，每個樣地采集深度為0～20 cm，各點按蛇形取5個等量混合，共取100個土樣。每個土樣用四分法取1 kg帶回實驗室內進行自然風干，然后分別過20、60、100目篩，裝袋密封保存。采樣時對每個樣點的經緯度、海拔、利用類型、品種、種植年齡、近3年產量、灌溉方式、施肥品種、施肥量、施肥方法等進行調查和詳細記錄。圖1為采樣點分布情況。

1.2.2 樣品分析 pH值采用電極法測定，有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮含量的測定采用堿解擴散法，速效磷含量的測定采取0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀含量的測定采用1 mol/L中性乙酸銨浸提-火焰光度法[8]。

1.2.3 數據處理 用Excel 2003、SPSS 16.0和SigmaPlot 12.5軟件對數據進行均值、標準差、變異系數、相關系數及差異顯著性計算、分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤pH值的影響

由表1可知，吉縣桃村的土壤呈微堿性，pH值8.19～8.48；不同土地利用方式下土壤的pH值分布表現為核桃園>谷子地>玉米地>蘋果園；核桃園與其他土地利用類型的pH值有顯著差異。研究區土壤呈微堿性的主要原因是研究區成土母質富含鈣、鎂等物質，加上研究區為半干旱地區，降水少，淋溶作用弱，使巖石礦物和母質風化釋放的堿金屬和堿土金屬的各種鹽類不能徹底淋出土體，在土壤中大量累積，使土壤呈堿性。核桃園與其他土地利用類型的pH值有顯著差異性的原因是采土時核桃園的枯枝落葉層最厚，有機質及腐殖質較多，它們分解時產生的各種有機酸分離去除H+，使土壤的堿性較強。

2.2 不同土地利用方式對土壤有機質含量的影響

如表1所示，研究區有機質含量為7.54～8.99 g/kg，根據全國第二次土壤普查標準[9]，研究區土壤有機質含量屬于缺乏等級，其分布特征是核桃園>玉米地>蘋果園>谷子地，但這4種類型的土壤有機質含量無顯著差異。這4種土地利用類型中核桃園有機質含量要高于其他3種土地類型，為8.99 g/kg，而其他3種土地類型(玉米地、蘋果園、谷子地)有機質含量差異不明顯，分別為7.69、7.58、7.54 g/kg。這主要是因為核桃樹生物量大，核桃園里的枯枝落葉層較厚，因此各種形態的有機質較多。研究區土壤有機質含量為缺乏等級，其主要原因可能有2個方面：(1)研究區土質偏粗、通氣性好，好氣性微生物活動旺盛，土壤礦質化過程較為強烈，有機質積累量很少。(2)除蘋果園比較注重施肥外，其他3種土地利用類型下的土壤施肥量極少或不施肥，管理粗放，更促進了有機質的轉化，因此其有機質含量缺乏。

2.3 不同土地利用方式對土壤速效養分含量的影響

研究區堿解氮含量為40.41～79.82 mg/kg，屬于缺乏等級，速效鉀含量為124.59～293.91 mg/kg，屬于豐富等級，二者分布特點相同，都表現為蘋果園>核桃園>玉米地>谷子地，其中蘋果園含量最高；速效磷含量為11.70～21.28 mg/kg，屬于較豐富等級，其分布特點略有不同，為蘋果園>核桃園>谷子地>玉米地，但蘋果園含量仍最高(表1)。原因可能與研究區的經濟主要依賴蘋果園，對蘋果園的經濟投入最多，注重合理施肥，而對其他土地利用類型不重視，人工參與極少有關。

研究區土壤堿解氮缺乏主要有自然因素和人為因素2個方面的原因。黃土高原降水量少、蒸發量大、植物的生物量小、分解速率高，氮素含量就少，加上有機肥施用量少、質量差，歸還土壤的有機質數量少等人為因素，使得研究區土壤氮素達到貧乏的狀態。研究區土壤速效磷含量較高，這可能是因為該研究區成土母質中富含磷灰石，加上近年來加大磷肥施用量的結果。研究區土壤速效鉀含量豐富，這與成土母質有很大關系，該研究區成土母質富含長石類礦物，因此形成的土壤速效鉀含量較高，此外還與研究區秸稈還田的管理措施有關。作物體中的鉀大多在莖葉中，研究區無論是玉米地、谷子地還是蘋果園里套種的玉米及谷子秋天收獲后，其秸稈直接還田，這樣作物莖葉中的鉀又歸還到土壤中，使鉀得到了循環。

蘋果園與玉米地、谷子地的速效養分含量(除速效磷)有顯著差異，其他兩兩比較無顯著差異。這說明蘋果園與其他3種土地利用方式下的土壤養分狀況有很明顯的差異。在母質、氣候、生物條件基本一致的區域內，土壤性質主要受人類活動的影響，人類活動會對成土母質的風化程度產生影響，導致元素的遷移、淀積有所差異[10-13]。因此，上述結果的原因很可能是研究區對蘋果園的人工管理最多，經濟投入最多，施肥量較大，而對其他土地利用類型管理粗放，人工參與極少。另外，植物對土壤養分的吸收能力不同，會造成不同土地利用方式下土壤養分的差別。禾谷類作物吸肥能力強，因此土壤養分含量較低，與其他土地利用方式形成明顯差異。

表1 不同土地利用方式土壤pH值與養分狀況

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同土地利用方式下土壤pH值與養分空間變異分析

土壤養分的空間變異分析是土壤養分管理和合理施肥的基礎，其變異系數是土壤性質的內在反映，能夠區分不同土壤養分抵抗外界條件的敏感性[14]。一般變異系數大于35%的為高度變異，在16%～35%之間的為中等變異，小于16%的為小變異[15]。由圖2可知，pH值為小變異，有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量都為中到高度變異。土壤是一個巨大的緩沖體系，具有自我調節能力，能夠在一定程度上應對外界酸堿環境的變化[16]，因此，土壤pH值變異較小。其他養分的變異程度大是因為不同的土地利用方式下種植的作物不同，管理水平及施肥量各有不同，造成土壤養分輸入與輸出不同，從而使土壤養分在空間上出現了較大差異。

2.5 土壤pH值、養分之間的相關性分析

土壤pH值、養分之間的相關關系對于分析土壤肥力有重要的意義，可作為土壤肥力觀測和評價指標，同時對指導合理施肥也具有重要作用[6]。如表2所示，pH值與各土壤速效養分含量均呈極顯著負相關，表明土壤pH值對土壤養分的有效性有很大的影響，調節土壤pH值，土樣各養分含量很有可能會在一定程度上有所提高。有機質含量除了與堿解氮含量呈極顯著正相關外，與其他養分無明顯相關性，有機質含量與堿解氮含量呈極顯著正相關可能與土壤有機質中含有極為豐富的氮素有關。有機質含量與其他養分含量無明顯相關性的原因可能與當地農民近年來不注重施用有機化肥有關。堿解氮、速效磷和速效鉀等養分含量之間均表現為兩兩呈極顯著正相關，這表明在研究區土壤養分狀況得到改善的過程中，堿解氮、速效磷和速效鉀等養分含量均呈現上升的規律。

表2 土壤pH值、養分之間的相關系數

注：“**”表示在0.01水平上顯著相關。

3 討論

土地利用方式不同，則地表覆蓋及人為干擾程度不同，這就直接影響土壤養分物質的輸入和輸出，進而深刻影響土壤養分的貯量和養分的有效性等肥力狀況[17]。本研究涉及的4種土地利用方式中，果園速效養分含量均高于其他土地利用方式，這與山東省壽光市大量元素中堿解氮、速效鉀和速效磷含量均值的分布特征均是菜地>果園>水澆地>鹽堿地>旱地的研究結果[16]一致。出現這種結果可能與果園經濟產出和農民投入有很大的關系。在相同的勞力與經濟投入下，果園單位面積經濟產出相對較高，因而農戶對果園的土壤肥力關注較多，施用了一定數量的有機肥料和復合肥為主的化學肥料，使得果園土壤養分得到一定的補給和提高。

土壤酸堿度是反映土壤養分狀況的重要指標，不僅影響土壤微生物活性，還與土壤養分的形成、轉化和有效性密切相關[18]。本研究土壤pH值與土壤各速效養分均呈極顯著負相關，這與其他相關研究一致[16，18]。由于土壤pH值與土壤各速效養分存在著極其密切的關系，通過適當調節土壤pH值來提高土壤各養分的含量，可能比大量施用肥料更加經濟和有效，這還有待進一步的研究探討。

有關土壤養分的研究大部分以縣域或是更大的地域范圍為研究區域，雖然涉及面廣，但正是因為涉及面廣，其原有條件(如成土母質、地形地貌、氣候等)有較大的差別，影響土壤養分分布的原因就更為復雜，研究結果也比較模糊，不確切。本研究是以小范圍的村域為研究區域，其成土母質本底值接近一致，整體的地形地貌趨于一致，氣候差異細微，影響結果差異性的因素較少，因此分析結果更為確切，更具有說服力。這是本研究的一個創新點。

4 結論

研究區土壤有機質、全氮及堿解氮含量處于較低水平，速效磷、速效鉀含量較高，能夠滿足一般作物及樹木的生長需要。這表明該研究區土壤養分結構不協調，在管理中要做到因土施肥。提高土壤肥力，增加土壤有機質和氮素含量是農民增收的重要舉措。研究區4種土地利用方式中，蘋果園的速效養分含量比玉米地、核桃園及谷子地這3種土地利用方式高，而后3種地利用方式下的土壤速效養分相差不大，這與果園經濟產出和農民投入有很大程度的關系。

研究區土壤pH值、養分受外界干擾較明顯，含量上具有較大的空間分異性。除pH值為小變異外，有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量都為中到高度變異，其中以速效磷含量的變異系數最大。這種分異在很大程度上與農戶的土地管理方式、作物吸收和土壤本身特性等有關。研究區pH值與各土壤速效養分含量均呈極顯著負相關，有機質含量除了與堿解氮含量呈極顯著正相關外，與其他養分含量無明顯相關性，全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量兩兩均呈極顯著正相關。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.066

2016-07-22

國家自然科學基金(編號：C130301)。

冀 晴(1991—)，女，山西忻州人，碩士研究生，主要從事土壤生態方面的研究。E-mail：540915090@qq.com。

張永清，博士，教授，碩士生導師，主要從事土壤肥料及土壤污染方面的研究。E-mail：yqzhang208@126.com。

S158.3

A

1002-1302(2017)02-0229-03

冀 晴，張永清，柴國麗，等. 土地利用方式對晉南黃土高原村域范圍內土壤pH值與養分的影響[J]. 江蘇農業科學，2017，45(2)：229-232.