烏蘭布和東北部典型土地利用的土壤養分特征

黃雅茹，馬迎賓，郝玉光，辛智鳴，徐 軍，董 雪,劉禹廷，趙英銘

(中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口 015200；內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 磴口 015200)

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環境變化的重要組成部分，其變化可導致生態系統結構的改變，能夠引起土壤管理措施的變化，因而對土壤質量產生重要影響，還可引起地表景觀結構的巨大變化，其對區域生物多樣性和重要生態過程影響深刻[1-5]。土地利用/土地覆蓋變化主要通過影響土壤養分與土壤水分進而改變土壤性質和土地生產力[6-7]。大量研究結果表明，土壤養分的含量、形態、分布和遷移轉化不僅受土壤質地、氣候、成土母質以及成土過程影響，同時還與土地利用方式、耕作制度等人為因素有關[8-10]。土地利用類型的變化可以引起許多自然要素和生態過程的變化[11]。

馬志敏等[12]研究表明人類長期的耕作活動以及耕地面積的擴大是導致土地生產力退化和鹽堿化風險的主要原因。張曉東等[13]對新疆艾比湖地區不同土地利用方式土壤養分進行研究，結果表明不同土地利用方式對土壤養分具有較大影響。王雪梅等[14]與張淑娟等[15]的研究進一步證實不同方式的土地利用對土壤養分含量有顯著影響。張新榮等[16]研究顯示不合理的土地利用方式，可造成土壤理化性質變化和土壤養分的遷移，從而使土壤質量發生改變，導致土地退化。謝瑾等、李生等[18]的研究也認為合理的土地利用方式是抑制土壤退化，提高土壤質量的有效措施。綜上分析認為，合理的土地利用方式能改善土壤肥力水平，改良土壤結構，提高土壤抗蝕能力，進而改善區域生態環境。反之，不合理的土地利用方式會造成土壤結構破壞，導致土壤質量下降，最終使土地嚴重退化，對農產品的質量安全產生重大影響[19-20]。

烏蘭布和沙漠是我國的主要沙漠之一，地處我國華北和西北的結合部，位于我國西北干旱荒漠區的東緣，屬于草原化荒漠地帶，植被生態系統比較脆弱[21]。由于受社會經濟發展等因素的影響，人類活動對生態環境的干擾強度日益增大，烏蘭布和沙漠東北緣綠洲土地利用/覆蓋發生了劇烈的變化，出現了土壤鹽漬化、沙漠化、貧瘠化等局部生態環境惡化問題[22]。由于土壤養分是土壤肥力的重要標志，土壤養分的分配格局對土壤肥力及土地生產力有著重要影響。因此，深入研究不同土地利用方式的土壤養分特征對區域土地利用方式的合理選擇、施肥的合理性、養分流失量的減少、土地生產力的提高及農牧業的可持續發展都具有十分重要的意義，對于該區合理利用土地和有效開發土地資源均具有積極作用。只有清楚地認識和把握土壤養分特征及其變化規律，才會使土地資源的科學合理利用成為可能，才能實現沙漠地區土壤的可持續利用。

因此，以烏蘭布和沙漠東北部為研究區，對區域內耕地、林地、荒漠灌叢3種土地利用方式土壤養分特征進行分析，并對3種土地的土壤肥力進行綜合評價，旨在探討荒漠綠洲區不同土地利用方式對土壤特征的影響，對了解該區域土地生態環境安全尤為重要，可為區域土地資源的合理利用及植被恢復與重建提供理論依據。

1 研究區概況

烏蘭布和沙漠地理位置介于N39°40′-41°00′，E106°00′-107°20′，屬于草原化荒漠地帶。沙漠北部與狼山的西端相毗鄰，向西進入阿拉善典型荒漠區，東側瀕臨黃河，與著名的河套平原接壤。行政區劃包括阿拉善左旗、烏海市、磴口縣、杭錦后旗與烏拉特后旗的部分地區。地形起伏不大，主要為10 m以下的圓錐形沙丘或新月形沙丘。烏蘭布和沙漠東北緣屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，氣候干旱，雨量稀少，分配不均，溫濕同期，光照充足，熱量豐富，多年平均降水量約140.3 mm(1954-2005年)，全年降水季節分配不均，降水多集中于6-9月，研究區多年平均氣溫7.8℃，晝夜溫差大，年日照時間為3 229.9 h，是我國日照時數最多的地區之一，光、熱、水同期，地下水源充足。風沙季節在11月至翌年5月之間，主風為西風和西北風，起沙風次數每年200～250次以上。地帶性土壤為灰漠土和棕鈣土，土壤形成的主要過程包括土地沙漠化過程、土壤鹽漬化過程、草甸化和沼澤化過程以及人為綠洲化過程，這些地理過程形成了不同的土地類型，主要有灰漠土、灌淤土、草甸土、沼澤土、鹽堿土、風沙土等。天然植被以旱生、超旱生類型的荒漠植被為主，如白刺(NitrariatangutorumBobr.)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)等，綠洲防護體系主要以新疆楊(Populusalbavar.pyramidalisBge.)、二白楊(Populusgansuensis)、小葉楊(PopulussimoniiCarr.)等楊樹為主，農作物主要以向日葵(HelianthusannuusL.)、玉米(ZeamaysL.)等為主。

2 研究方法

2.1 測定項目及方法

野外采樣時間為2015年7月下旬，在研究區選擇3種主要的土地利用方式(耕地、林地、荒漠灌叢)，見表1。每種土地利用方式選擇3塊標準樣地，每個樣地按照梅花狀選擇5個采樣點，每個采樣點設置2個重復，在每個取樣點對土壤進行取樣，取樣深度依次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，共取得土壤樣品450份。風干，除去礫石和枯落物，過2 mm篩。測定的指標有：土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質、pH值。

表1 樣地基本情況

全氮的測定用半微量開氏蒸餾法；全磷的測定用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；全鉀的測定用NaOH 熔融火焰光度法；堿解氮的測定用堿解擴散法；速效磷的測定用分光光度計法；速效鉀的測定用火焰光度計法；土壤有機質的測定用重鉻酸鉀容量法；pH值測定用電位法[23]。

2.2 數據處理及分析

采用Microsoft excel和SPSS 17.0軟件進行數據處理，數據結果以平均數±標準誤表示。采用單因素方差分析(ANOVE)進行多重比較，顯著水平為P<0.05。

土壤肥力是受多種因素影響的一個較為復雜的綜合情況，不能只從一個指標單方面進行評價。為此本文選取了土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全鉀、全磷、pH值8個指標，采取隸屬函數[23]及土壤綜合質量指數進行綜合評價[24]。

首先運用隸屬函數將8個土壤養分指標數據進行標準化，應用公式(1)。

(1)

式中，μ(Xij)為各土壤養分指標的隸屬度值,Xij為土壤養分指標值,Xj,max、Xj,min分別為第j項土壤養分指標的最大值和最小值。

然后，土壤各個養分指標對土壤綜合質量指數H的重要性與貢獻不同，通常用權重Wj來表示各個養分指標的重要性。各個養分指標的權重確定采用標準差系數法，首先用公式(2)計算標準差系數Vj，將公式歸一化后得到各指標的權重Wj，然后通過公式(4)求出土壤綜合質量指數，H越大，土壤質量越高[24]。

(2)

(3)

(4)

3 結果與分析

3.1 研究區土壤養分總體特征

將所有土樣的8項養分指標分別進行算術平均(表3)，全氮、全磷、全鉀分別為0.34±0.14、0.37±0.09、16.10±2.04 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀分別為18.48±8.27、3.76±0.89、135.04±83.35 mg·kg-1，有機質含量為8.02±4.35 g·kg-1，pH值為8.8±0.20。一般認為變異系數>100%為強變異，10%～100%為中等變異，<10%為弱變異[14]。土壤各養分指標均屬于弱變異，其中pH值變異系數僅為2.27%，變異性非常小。

3.2 不同土地利用類型土壤養分狀況

由表3 可見，耕地、林地及荒漠灌叢三種土地利用方式土壤養分指標存在不同程度的差異。全氮含量大小順序依次為荒漠灌叢>林地>耕地，差異不顯著(P>0.05)，即不同土地利用方式下土壤全氮含量差異不大，其大小順序與有機質變化順序一致。由表4可知，隨著土層深度的增加全氮含量呈下降趨勢，耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的全氮含量分別是80～100 cm土層的3.5、1.4、4.4倍。堿解氮由于受全氮的影響較大，故其含量的排序同全氮一致，堿解氮含量從高到低為荒漠灌叢>林地>耕地，差異顯著(P<0.05)。由表4可知，隨著土層深度的增加堿解氮含量呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的堿解氮含量分別是80～100 cm土層的1.3、1.5、5.4倍。就表層0～20 cm堿解氮含量來看，荒漠灌叢分別是林地、耕地的1.5、2.5倍。

全磷含量從高到低為耕地>林地>荒漠灌叢，差異顯著(P<0.05)。由表4可知，三種土地利用類型隨著土層深度的增加，全磷含量大致呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的全磷含量分別是80～100 cm土層的1.9、1.4、1.2倍。就表層0～20 cm全磷含量來看，耕地分別是林地、荒漠灌叢的1.1、1.5倍。速效磷含量從高到低為耕地>林地>荒漠灌叢，耕地與林地差異不顯著(P>0.05)，荒漠灌叢分別與耕地、林地差異顯著(P<0.05)。由表4可知，三種土地利用類型隨著土層深度的增加，速效磷含量呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的速效磷含量分別是80～100 cm土層的1.5、1.2、2.3倍。就表層0～20 cm速效磷含量來看，耕地分別是林地、荒漠灌叢的1.2、1.2倍。

全鉀含量從高到低為耕地>林地>荒漠灌叢，差異不顯著(P>0.05)，速效鉀含量從高到低為耕地>荒漠灌叢>林地，差異顯著(P<0.05)。土壤全鉀含量和速效鉀含量隨著土層深度的增加呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的全鉀含量分別是80～100 cm土層的1.4、1.2、1.7倍。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的速效鉀含量分別是80～100 cm土層的15.6、3.1、3.8倍。就表層0～20 cm速效鉀含量來看，林地分別是荒漠灌叢、耕地的1.4、2.6倍。

有機質是土壤的重要組成部分，在一定程度上能夠改良土壤結構，提高土壤的保肥性，是土壤微生物生命活動的能源，因此，土壤有機質的含量在一定程度上反映著土壤健康狀況[25]。由表3可知，有機質含量從高到低為荒漠灌叢>林地>耕地，荒漠灌叢與林地、荒漠灌叢與耕地均差異顯著(P<0.05)，耕地與林地差異不顯著(P>0.05)。由表4可知，土壤有機質隨著土層深度的增加呈下降趨勢。耕地、林地、荒漠灌叢0～20 cm土層的有機質含量分別是80～100 cm土層的1.5、5.3、6.5倍。就表層0～20 cm有機質含量來看，荒漠灌叢分別是林地、耕地的1.5、2.3倍。

土壤pH值是非常重要的土壤化學性質之一，直接影響土壤養分元素的存在形態及生物有效性[26]。土壤酸堿性對土壤微生物的活性、礦物質及有機質的轉化起著非常重要的作用，并影響養分及農藥等在土壤中的利用、轉化和降解[27]。由表3可以看出，耕地、林地、荒漠灌叢的土壤 pH值均大于8.697，均屬于堿性土壤，從高到低為荒漠灌叢>林地>耕地，荒漠灌叢與耕地、林地差異顯著(P<0.05)，耕地與林地兩者差異不顯著(P>0.05)。由表4可以看出，每種土地利用方式土壤pH值在不同土層深度變化幅度都較小。

3.3 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價

本研究選了8項土壤養分指標，通過公式(1)～(4)分別計算出不同土地利用方式土壤肥力綜合評價值，如表5所示，土壤肥力順序為荒漠灌叢>林地>耕地。前人采用等間距法將土壤肥力綜合評價值劃分為5級水平(>0.8為極高等級、0.6～0.8為高等級、0.4～0.6為中等級、0.2～0.4為低等級和<0.2為極低等級)[28-29]。由此可知，本文中研究區的土壤肥力處于中等級(0.443，0.409)和低等級(0.312)兩個水平。總體而言，研究區土壤肥力水平比較低。

4 討論與結論

4.1 不同土地利用方式下土壤養分變化

本研究3種土地利用方式下有機質、全氮、堿解氮、pH值大小順序依次為荒漠灌叢>林地>耕地。荒漠灌叢有機質含量最高，主要是因為灌叢的植被覆蓋度較大、群落結構較復雜，枯落物量大，凋落物保存較好，人為干擾較少，從而使土壤的有機質含量較高；林地因植被結構單一、林下植被較少，導致地上部分枯落物少，因此有機質含量相對較低；耕地因經常施氮肥和磷肥，很少施有機肥，加上玉米和向日葵收獲后基本沒有枯落物還回耕地，不利于有機碳積累，所以耕地的有機質含量最低。荒漠灌叢全氮與堿解氮含量高于林地，林地高于耕地，主要原因是土壤腐殖質、動植物和微生物殘體、施入土壤中的有機肥料均是全氮的主要來源，全氮與有機質存在極大的相關性，一般而言，土壤全氮的95%來源于有機質[30]，荒漠灌叢與林地枯落物數量較多，土壤中有機質含量也就隨之有所增加，雖然耕地有人為施肥作用，但農作物生長也需要吸收氮素，堿解氮含量也就相對較低。研究區pH值空間變異性很小，比較均衡。影響土壤pH值變化的因素較多，如土壤利用方式、地下水鹽類的成分和含量、蒸發量、降雨量、植物生長狀況等[31]。本研究中可能是因為研究區降雨量少而蒸發量大，使得區域水資源短缺，因而地下水位及其鹽類成分對土壤pH值的影響較小。

表2 研究區土壤養分狀況

表3 不同土地利用方式下土壤養分特征

注：表中數據均為均值±標準差，同行不同字母表示同一養分指標不同樣地的差異顯著(P<0.05)。

Note: values are in format of means ±SD; different letters within same row indicate significant differences at 0.05 level among different plots.

表4 不同土地利用方式下不同土層深度土壤養分變化

表5 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價

本研究中全磷、速效磷、全鉀含量大小順序為耕地>林地>荒漠灌叢。土壤母質和成土作用影響著土壤全磷含量，農田耕作施肥等一系列的人為干擾活動對其也產生一定程度的影響[32]，不同土地利用方式全磷含量差異顯著(P<0.05)，其主要原因是耕地土壤磷含量主要受施肥以及植物生長吸收等影響，速效磷的含量主要受人為活動影響，馬琨等[33]認為受大量磷肥施加的影響，農耕地土壤速效磷含量高于林地等自然植被土壤。由此可見，不同土地利用方式土壤速效磷含量與農牧業活動密切相關，農耕地長期施用農家肥及主要農作物需磷少是造成其磷含量高于林地的主要原因。全鉀含量主要受母質中礦物成分影響[34]，故其含量在各樣地之間差異不顯著(P>0.05)。

三種土地利用方式土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀隨著土層深度的增加呈下降趨勢。這與趙心苗等[35]、魏強等[36]、王海燕等[26]及馬和平等[37]的研究結果相同。荒漠化地區隨著植被恢復，有助于土壤有機質的形成，但是腐殖化作用局限在表層，對下層土壤影響較小[38]。凋落物及植物根系分解形成的有機碳首先進入表層，而土壤氮素和磷素主要來源于植被枯落物的歸還與分解[39]，土壤鉀素的表聚性可能與土壤蒸發和植被根系的吸收作用有關[40]。

4.2 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價

土壤肥力高低受土壤養分含量變化的影響，而且土壤肥力的高低同時還受植物本身對養分的吸收能力的影響，但更取決于各因子的協調程度，是諸多肥力因素綜合作用的反映[41-42]。本文結果顯示，耕地、林地、荒漠灌叢的土壤肥力綜合評價值分別為0.312，0.409，0.443。本研究所得出的土壤肥力評價值能夠反映出該區不同林地當前的土壤肥力狀況，即荒漠灌叢土壤肥力優于林地，林地土壤肥力優于耕地。

多數學者研究表明，沙區灌叢具有良好的自肥能力[43-46]，這與本研究結果一致。灌叢可捕獲周圍風蝕物質，簇狀樹冠對凋落物亦有較好的保護作用，可明顯改善土壤結構和養分狀況[44]，而喬木樹干通直，對林木周邊的土壤肥力保護作用較差。本研究中，灌叢土壤肥力優于林地和耕地。灌叢遮蔭不僅降低了植物發育受干旱脅迫的程度，灌叢密集或帶刺的枝條還可減少動物啃食，保護其林下草本植被[45]。有學者對根系的研究表明，就整個根系的年周轉速率而言，灌木的周轉率高于喬木，當然不同的植被類型也會表現出一定的差異[31]。所以，荒漠灌叢土壤肥力高于林地。

在不同的土地利用方式下，土壤養分會隨著人為干擾程度的增加而降低[42]，耕地因人為活動影響較大，耕作頻繁，對土壤養分的輸入及輸出有較大的影響，其人為干擾程度遠遠大于自然、半自然狀態利用方式下的荒漠灌叢及林地，這與洪暢[47]的研究結果相似。頻繁的耕作會導致有機質分解過快而損耗有效養分，并且不平衡的施肥方式不利于改善土壤中養分物質的循環過程，植被恢復對土壤養分的影響等方面研究成果較多，且得出結論相對比較一致，即植被恢復后土壤各養分會逐漸積累，林地因為植被覆蓋度較大，凋落物和死亡的根系使土壤中有機質相對豐富，通過這些有機質的積累和分解，土壤的物理和化學特性逐漸得到改善，因而林地土壤肥力高于耕地[48]。

不同土地利用類型的土壤肥力質量隨土層深度的增加而變差，表層土壤肥力質量較好，這與其他學者的研究結果一致[49-50]。這可能是因為表層土壤受凋落物的影響較大[51]。凋落物對地表土壤的熟化作用使得土壤養分在表層聚集，土壤結構也得到改善，有機質含量和其他養分含量提高[52]。