寧夏農牧交錯帶土地利用變化對土壤質量的影響

張靜, 劉任濤, 趙娟, 常海濤, 劉佳楠, 羅雅曦, 馬繼

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寧夏農牧交錯帶土地利用變化對土壤質量的影響

張靜1, 劉任濤2,*, 趙娟2, 常海濤2, 劉佳楠2, 羅雅曦1, 馬繼1

1．寧夏大學農學院, 銀川 750021 2．寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

在寧夏鹽池縣分別選取農田、棄耕地、天然草地、人工檸條林地和楊樹林地5種土地利用類型作為研究樣地，測定土壤理化性質指標，采用土壤質量綜合技術指標，闡明中國北方典型農牧交錯帶土地利用變化對土壤質量的影響規律。結果表明：(1)土壤粗砂粒表現為棄耕地和天然草地顯著高于農田、人工檸條林地和楊樹林地(<0.05)，土壤細砂粒表現為楊樹林地顯著高于農田、棄耕地、天然草地和人工檸條林地(<0.05)，土壤極細砂粒和土壤黏粉粒均表現為農田和人工檸條林地顯著高于棄耕地、天然草地和楊樹林地(<0.05)。土壤含水量、土壤pH值和土壤電導率表現為農田顯著高于棄耕地、天然草地、人工檸條林地和楊樹林地(<0.05)。土壤有機碳含量表現為棄耕地和檸條林地顯著高于農田、天然草地和楊樹林地(<0.05)。土壤全氮含量表現為農田顯著高于棄耕地、天然草地、檸條林地和楊樹林地(<0.05)。(2)不同土地利用類型的土壤質量指標之間存在顯著相關性(<0.05)。其中，楊樹林地各評價指標之間的相關系數最高，天然草地次之，農田、檸條林地較低，而棄耕地最低。(3)土壤質量綜合得分大小順序為：農田>棄耕地>0>草地>檸條林地>楊樹林地。研究表明，對水澆農田實行保護性耕作和精細管理，并且農田棄耕后自然恢復成草地，有利于寧夏農牧交錯帶沙地土壤質量改善，但天然草地和人工林建設樣地土壤質量較差。

寧夏; 農牧交錯帶; 土地利用; 土壤質量; 土壤理化性質

0 前言

我國北方農牧交錯帶地處濕潤氣候與干旱氣候、農業區與牧業區的過渡地帶，草地植被類型和生態景觀極具特殊性。由于長期受到人為強烈干擾，植被退化、沙化嚴重，生產力急劇下降，成為我國北方生態問題最嚴重的地區之一。在寧夏農牧交錯帶，由于不合理的土地利用，生態環境惡化、草地資源大面積遭到人為破壞而導致土地荒漠化和大量貧困人口產生，已成為制約區域生態建設、經濟社會發展的重要因素。土地利用變化不僅可以改變土地覆被狀況，還影響著許多生態過程，對土壤質量產生深刻影響[1]。土壤質量是維持地球生物圈穩定和可持續發展的重要因素之一[2]，包括土壤肥力質量、土壤環境質量及土壤健康質量三方面的綜合量度，即土壤在生態系統的范圍內，維持生物的生產能力、保護環境質量及促進動植物健康的能力[3]。改變不合理的土地利用方式已經成為改善土壤結構和微環境，減少土壤侵蝕，提高土壤質量，促使已經退化的生態系統達到生態平衡和良性循環的重要生態措施[4]。

關于寧夏農牧交錯帶土地利用變化的研究，主要集中在銀川市和鹽池縣。劉長寧等[5]以寧夏銀川市濱河新區核心區為例，對基于生態綠當量的北方農牧交錯帶土地利用狀況進行了分析，建立了基于生態綠當量的土地利用結構優化模型，從生態系統服務的角度對銀川市濱河新區核心區的土地利用狀況進行了定量研究。魏建群[6]以寧夏鹽池縣為例對北方農牧交錯帶封育區植被恢復進行了研究，發現人工封育是一種有效經濟恢復植被的方法，對破壞程度較輕的地段通過人工封育，可使退化植被在較短期內得迅速的恢復。李瑞[7]以寧夏鹽池為例調查了北方農牧交錯帶草地植被動態，發現退耕還草、植被自然恢復、撂荒等措施均起到了有效的植被恢復作用，尤其是退耕還草地。Liu et al[8]在寧夏鹽池縣對人工林建設和自然恢復和地面節肢動物多樣性的關系開展了研究，發現自然恢復比人工林建設更能促進節肢動物多樣性的恢復。鄒亞榮[9]運用遙感、GIS技術和數學模型方法，以寧夏鹽池為例研究了土地利用變化的驅動力及其對土壤侵蝕的影響，發現鹽池土地利用轉移主要表現為耕地與草地間的轉移，草地的轉移量最大。綜合分析表明，關于寧夏農牧交錯帶土地利用變化的研究涉及了生態綠當量、植被、節肢動物和土壤侵蝕及驅動力解析，但是關于寧夏農牧交錯帶土地利用對土壤質量影響的研究，報道較少。

寧夏農牧交錯帶北部與毛烏素沙地相連，南部靠黃土高原，是典型草原向荒漠的過渡帶[10]。由于其特殊的過渡區特點和自然地理位置，近年來國家頒布了退耕還林還草、草地封育等政策以改善生態環境，降低荒漠化程度，有利于植被恢復。目前主要包括農田、棄耕地、草地、檸條林地、楊樹林地5種土地利用類型。本研究通過調查不同土地利用類型生境中地表植被分布情況和測定土壤理化性質，采用主成分分析法，計算不同土地利用類型生境樣地的土壤質量綜合評價值，旨在闡明寧夏農牧交錯帶土地利用對土壤質量的影響規律，為寧夏農牧交錯帶“退耕還林還草”、采取合理的土地利用方式及進行生態重建與恢復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處我國北方典型農牧交錯帶，位于寧夏河套平原東部，鹽池縣境內(37°04'—38°10'N，106°30'—107°41'E)[11]。屬于典型中溫帶大陸性季風氣候。該區年平均降水量289 mm，主要集中在夏季，占全年降雨量的58.8%，且降水年際變化率大。年蒸發量2710 mm。年無霜期120 d。年平均氣溫7.7 ℃，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃[12]。年平均風速2.8 m·s–1，冬春風沙天氣較多，每年5 m·s–1以上的揚沙達323次[11]。該區域地帶性土壤主要有黃綿土與灰鈣土，淡灰鈣土；非地帶性土壤主要有風沙土，鹽堿土和草甸土等，其中風沙土在中北部分布廣泛。土壤質地多為輕壤土、沙壤土和沙土，結構松散，肥力較低[13]。

研究樣地包括農田(F)、棄耕地(Q)、天然草地(G)、人工檸條林地(N)和楊樹林地(Y)5種土地利用類型。該研究區域農田以種植玉米()為主，平均高度為2.52 m，行距為75 cm，株距為25 cm，面積為11.8 hm2。由于該區域降雨較少，生態環境脆弱，農田在耕作6年之后常常由于農作物產量下降而導致棄耕，本研究棄耕地自然恢復草地面積為15.8 hm2。同時，在嚴重退化地段為了防風固沙和改善土壤環境，常常采取人工種植檸條林或者楊樹林的措施促進植被恢復。人工種植檸條林()平均冠幅為0.42 m2，平均密度為0.52 株·m–2，面積為15.3 hm2，株距為7 m，行距介于5—8 m之間。人工種植楊樹林(poplar)平均高度為4.5 m，胸徑為9 cm，株距為5 m，行距介于8—10 m之間，面積為14.0 hm2。另外，該區域自2003以來施行禁牧政策，促進天然草地恢復，亦是一種重要生態恢復措施；本研究自然生長草地面積為13.3 hm2。目前，該區域存在農田、棄耕后自然恢復草地、天然草地、人工檸條林和楊樹林地5種土地利用類型，為本研究提供了理想的研究樣地模式。該區域地表植被主要包括豬毛蒿()、中亞白草()和牛枝子()等。各土地利用類型的基本情況見表1。

1.2 試驗設計

于2016年夏季(7月底)，選擇農田(玉米田)、棄耕地、天然草地、人工檸條林地、楊樹林地5種土地利用類型為研究樣地，在每個樣地設置5個重復樣區，面積為30×30 m2，樣區間隔50 m。每個樣區內以“N”型布設4個取樣點，其中玉米田、檸條林地和楊樹林地，每隔2行在行帶間空白區布設調查樣點。5種土地利用類型共有100個取樣點(5種類型樣地×5個重復樣區×4個取樣點)。

在棄耕地、天然草地、檸條林地和楊樹林地中，在每個調查樣點布設1個草本調查樣方，面積為1× 1 m2，間隔15 m以上。采用樣方法，進行地表草本植被調查，包括個體數(株·m–2)、豐富度、高度(cm)作為樣地背景。

1.3 土壤樣品采集與測定

在每個調查樣點采用五點取樣法取表層混合土樣(0—10 cm)進行土壤指標測定。

首先，采集的新鮮土壤樣品的1/4進行土壤含水量的測定。然后，將剩余3/4土壤樣品經過2 mm土壤篩，以除去其中的雜質如草根、葉片等，在自然狀態下風干，用來測定土壤粒徑組成、土壤pH、土壤電導率、土壤有機碳和土壤全氮含量。

表1 土地利用類型基本概況

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；小寫字母表示不同土地利用類型之間存在顯著差異(<0.05)。

土壤含水量(%)采用烘干法測定，即將盛有新鮮土樣的鋁盒放在分析天平上稱重，準確至0.01 g，然后置于105°烘箱中烘烤24 h后，冷卻至室溫立即稱重[15]。土壤粒徑組成采用Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀進行測定，其重復性誤差≤±0.5%，準確性誤差≤±1%。根據美國農業部(USAD)制土壤質地分級標準劃分土壤質地：粗砂粒(250—1000 μm)、細砂粒(100—250 μm)、極細砂粒(50—100 μm)、黏粉粒(<50 μm)[14]。土壤pH值(水土比懸液比為2.5：1)和土壤電導率(μs·m–1)(水土比浸提液為5：1)用P4多功能測定儀器測定。土壤有機碳(g·kg–1)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮(g·kg–1)采用半微量凱氏定氮法測定。

1.4 土壤質量評價方法

1.4.1 評價指標的選取

本文在參考與結合黃婷[16]對土壤質量評價體系研究的基礎上，選取和建立適合本研究的土壤質量綜合評價指標體系。具體指標共計9個，包括土壤粗砂粒(X)、土壤細砂粒(X)、土壤極細砂粒(X)、土壤黏粉粒(X)、土壤含水量(X)、土壤pH值(X)、土壤電導率(X)、土壤有機碳(X)、土壤全氮(X)。

1.4.2 主成分分析步驟

(1)列出原始數據矩陣。包括上述9個土壤指標。

(2)將原始數據進行標準化處理。由于各指標具有不同的量綱，為了排除不同量綱對評價結果的影響，對各實測指標原始數據進行標準化處理[17]。標準化公式如下：

(3)計算樣本的相關矩陣。

(4)用雅可比法求解相關矩陣的特征值和特征向量。

(5)計算貢獻率及累積貢獻率，確定主分量個數，解釋各主分量的意義，建立主分量方程。

(7)根據各個指標的權重，計算各樣地類型土壤質量綜合評價值，據此對不同土地利用類型土壤質量作相應評價。

不同土地利用類型的土壤質量綜合評價值為：

式中，P為第種土地利用類型的土壤質量綜合評價值；X為第種土地利用類型第個指標的標準化值；w為第個指標的權重值，由主成分分析法得到。為樣地的個數(本文中=1, 2, 3, 4, 5)；為評價中所選指標的個數(本文中=9)。

1.5 數據處理與分析

所有數據采用SPSS20.0軟件進行統計分析。采用單因素方差分析(One—Way ANOVA)和多重比較法分析不同數據組間的差異，采用Spearman相關系數分析不同指標間的相關性。顯著水平為=0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

2.1.1 土壤粒徑組成

由表2可知，不同土地利用類型之間的土壤粒徑組成存在顯著差異性(<0.05)。其中，粗砂粒表現為棄耕地和草地顯著高于農田、檸條林地和楊樹林地(<0.05)，而農田、檸條林地和楊樹林地三者之間無顯著差異(>0.05)。細砂粒表現為楊樹林地顯著高于農田、棄耕地、草地和檸條林地(<0.05)，草地顯著高于檸條林地(<0.05)，而兩者與棄耕地無顯著差異(>0.05)，農田顯著低于其他土地利用類型(< 0.05)。極細砂粒表現為農田和檸條林地顯著高于棄耕地、草地和楊樹林地(<0.05)，且前兩者與后三者彼此之間無顯著性差異(>0.05)。黏粉粒表現為農田顯著高于其余4種土地利用類型生境樣地(<0.05)，檸條林地顯著高于其余3種土地利用類型生境樣地(<0.05)，棄耕地顯著高于楊樹林地(<0.05)，且兩者與草地無顯著性差異(>0.05)。

2.1.2 土壤水分

由圖1可以看出，不同土地利用類型的土壤含水量之間存在顯著差異性(<0.05)。主要表現為農田土壤含水量最高，顯著高于其他4種土地利用類型。生境樣地(<0.05)。棄耕地土壤含水量顯著高于檸條林地和楊樹林地(<0.05)，而草地居于中間。草地與棄耕地之間、草地與檸條林地和楊樹林地之間均無顯著性差異(>0.05)。

表2 不同土地利用類型的土壤粒徑組成(%)

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；小寫字母表示不同土地利用類型之間存在顯著差異(<0.05)。

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；小寫字母表示不同土地利用類型之間存在顯著差異(P<0.05)。

Figure 1 Variation of soil moisture content under land use

2.1.3 土壤pH值和電導率

由圖2(A)可知，該地區的土壤屬于弱堿性，且不同土地利用類型之間存在顯著差異性(<0.05)。土壤pH值表現為農田顯著高于棄耕地、草地、檸條林地和楊樹林地(<0.05)，且棄耕地和草地顯著高于檸條林地和楊樹林地(<0.05)，但棄耕地與草地之間和檸條林地與楊樹林地之間無顯著性差異(>0.05)。

由圖2(B)可知，農田土壤電導率顯著高于棄耕地、草地、檸條林地和楊樹林地(<0.05)，但后4者之間無顯著性差異(>0.05)。

2.1.4 土壤有機碳和全氮

由圖3(A)可知，不同土地利用類型的土壤有機碳存在顯著差異性(<0.05)。棄耕地土壤有機碳最高，顯著高于農田、草地、檸條林地和楊樹林地(<0.05)，其中農田、草地和檸條林地土壤有機碳含量之間無顯著性差異(>0.05)，但均顯著高于楊樹林地(<0.05)。

由圖3(B)可以看出，土壤全氮表現為農田顯著高于棄耕地、草地、檸條林地和楊樹林地(<0.05)，棄耕地顯著高于草地、檸條林地和楊樹林地(< 0.05)，檸條林地顯著高于楊樹林地(<0.05)，而兩者與草地之間均無顯著性差異(>0.05)。

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；小寫字母表示不同土地利用類型之間存在顯著差異(P<0.05)。

Figure 2 Variation of soil pH (A) and electrical conductivity (B) under land use types

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；小寫字母表示不同土地利用類型之間存在顯著差異(P<0.05)。

Figure 3 Variation of soil organic carbon (A) and total nitrogen (B) under land use types

2.2 不同土地利用類型土壤質量指標之間的相關性分析

從表3可以看出，在農田中，土壤粗砂粒與土壤極細砂粒呈顯著負相關(<0.01)；土壤細砂粒與土壤黏粉粒呈負相關(<0.05)；土壤極細砂粒與土壤含水量呈負相關(<0.05)；土壤含水量與土壤全氮呈正相關(<0.05)；其余指標之間均無相關性(>0.05)。棄耕地中所有指標之間均無相關性。天然草地中，土壤粗砂粒與土壤極細砂粒呈負相關(<0.05)，而與土壤有機碳呈正相關(<0.05)；土壤含水量與土壤電導率和土壤全氮呈負相關(<0.05)；土壤電導率與土壤全氮呈正相關(<0.05)。檸條林地中，土壤粗砂粒與土壤細砂粒和土壤極細砂粒呈負相關(<0.05)；土壤含水量與土壤電導率呈正相關(<0.05)。楊樹林地中，土壤粗砂粒與土壤極細砂粒、土壤全氮和土壤有機碳呈負相關(<0.05)；土壤極細砂粒與土壤全氮呈顯著負相關(<0.01)；土壤黏粉粒與土壤全氮和土壤有機碳呈正相關(<0.05)；土壤全氮與土壤有機碳呈顯著正相關(<0.01)。綜合分析可以看出，楊樹林地各評價指標之間的相關系數最高，天然草地次之，農田、檸條林地較低，而棄耕地最低。

2.3 土壤質量綜合評價

從表4可以看出，根據特征值>1的原則提取前三個主成分，這三個主成分的特征值分別為5.027、1.708和1.183，方差貢獻率分別為55.858%、18.982%和13.150%。選取主成分時，除了要滿足特征值>1的基本條件外，還要滿足前n個主成分的累積貢獻率達到85%以上的條件，只有同時滿足這兩個條件，才可以認為前n個主成分已基本能夠反映出原變量的主要信息。在本研究中，前3個主成分累計貢獻率為87.990%(>85%)，因此可以認為選取前三個主成分能夠代表所有的信息。其中，第一主成分綜合了土壤細砂粒(X)、土壤極細砂粒(X)、土壤黏粉粒(X)、土壤含水量(X)、土壤pH值(X)、土壤電導率(X)、土壤全氮(X)這7個評價指標的信息，其系數均大于0.5。第一主成分的貢獻率最大，包含的指標也最多，說明這些土壤指標在土壤質量方面起著主導作用，可以用這一個綜合指標來解釋原9個土壤綜合質量因子信息的55.858%。第二主成分包括了土壤粗砂粒(X)和土壤極細砂粒(X)這2個指標，其系數均大于0.5，可以解釋原土壤綜合質量的18.982%。第三主成分包括土壤pH值(X)和土壤有機碳(X)這2個指標，可以解釋原土壤綜合質量的13.150%。

根據主成分得分矩陣可以建立主成分得分方程，如下：

Z=–0.009X–0.171X+0.136X+0.171X+0.177X+

0.135X+0.178X+0.099X+0.176X(3)

Z=0.564X–0.116X–0.39X–0.145X+0.03X+

0.091X–0.027X+0.201X+0.174X(4)

Z=0.027X+0.196X–0.169X–0.207X+0.299X+

0.47X+0.281X–0.58X–0.095X(5)

式中Z、Z、Z分別表示三個主成分，X-X代表各評價指標進行標準化后的變量。

將標準化后的變量分別帶入這3個函數方程，得到不同土地利用類型下的土壤得分，用因子的方差貢獻率作為綜合評價的權重，按照各自的方差貢獻率加權相加得出各土地利用類型下得土壤質量綜合得分，計算公式為:

=0.559Z+0.190Z+0.132Z(6)

表3 不同土地利用類型的土壤理化性質指標之間的相關系數

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；X=土壤粗砂粒，X=土壤細砂粒，X=土壤極細砂粒，X=土壤黏粉粒，X=土壤含水量，X=土壤pH值，X=土壤電導率，X=土壤有機碳，X=土壤全氮。

表4 主成分分析中各因子的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率

注：X=土壤粗砂粒，X=土壤細砂粒，X=土壤極細砂粒，X=土壤黏粉粒，X=土壤含水量，X=土壤pH值，X=土壤電導率，X=土壤有機碳，X=土壤全氮。

由表5可以看出，農田、棄耕地、草地、檸條林地和楊樹林地的土壤質量綜合得分分別為1.017、0.102、–0.112、–0.336、–0.671。其中農田的土壤質量綜合得分最高，且只有農田和棄耕地的土壤質量綜合得分為正值，說明這兩種土地利用類型的土壤質量高于平均水平，而草地、檸條林地和楊樹林地三種土地利用類型的土壤質量綜合得分都為負值，低于平均水平。

3 討論

3.1 土地利用變化對土壤理化性質的影響

近年來，人類活動和氣候變暖導致土地利用類型發生了巨大的變化，同時也使得地表形態、物理化學循環和生態平衡發生了改變，并造成全球氣候的顯著變化和物種不可逆轉的減少。由于土地利用對環境的可持續發展具有相當的影響力，因此成為導致全球環境變化的兩大主要因素之一[5]，同時在一定程度上對土壤理化性質也有著重大影響。

表5 主成分因子得分與綜合得分

注：F=農田，Q=棄耕地，G=天然草地，N=人工檸條林地，Y=楊樹林地；Z=第一主成分因子得分，Z=第二主成分因子得分，Z=第三主成分因子得分，=土壤質量綜合得分。

土壤粒徑組成是決定土壤抗蝕性的重要因素[18]，不同土地利用方式體現了干擾對土壤粒徑分布的改變[19]。本研究中，土壤粗砂粒含量從高到低為：天然草地>棄耕地>農田>檸條林地>楊樹林地，土壤細砂粒含量從高到低為：楊樹林地>天然草地>棄耕地>檸條林地>農田，土壤極細砂粒含量從高到低為：農田>檸條林地>棄耕地>楊樹林地>天然草地，土壤黏粉粒含量從高到低為：農田>檸條林地>棄耕地>天然草地>楊樹林地。其主要原因是：該地區農田作物為玉米，取樣時玉米已長到一定高度且栽植密集，同時棄耕地、天然草地和檸條林地的地表植被覆蓋度也相對較高，因此可以削弱近地表風速，減弱風蝕，固定地表的黏粉粒，阻截風沙流中的黏粉粒使之在農田、草地和檸條灌叢內沉積，這與陳新闖等[20]對烏蘭布和沙漠沿黃段不同土地利用類型對土壤分形特征的影響的研究結果相似。其中農田的黏粉粒含量最高，可能是人為施有機肥帶入了黏粉粒物質。而楊樹林地由于干旱少雨導致樹體長勢較差，同時地表缺乏有效覆蓋，致使風蝕嚴重，黏粉粒被吹失，造成細砂含量增加。

本研究中，農田的土壤含水量、土壤pH值和土壤電導率均高于棄耕地、天然草地、檸條林地、楊樹林地。原因為：①棄耕地、天然草地、檸條林地和楊樹林地的植被根部對土壤水分競爭激烈，導致表層土壤缺少水分，使得含水量較低，同時農田經長時間人為灌溉，使得地表含水量大大增加[21]。②由于該地區土壤本身鹽漬化的原因，使得總體pH值偏高，呈堿性[15]。其中棄耕地、天然草地和檸條林地受人為擾動較小，地表植被覆蓋度相對較大，蒸發量小，保護土壤免受侵蝕影響，且土壤返鹽較輕，故土壤pH值和電導率相對較低[22]。

土壤有機碳、全氮是土壤肥力的重要指標，主要來源于植物地上和地下枯落物的分解，很大程度上受植被、氣候、人為活動等的影響[23]。本研究中，土壤有機碳含量從高到低依次為棄耕地>檸條林地>農田>天然草地>楊樹林地，土壤全氮含量從高到低依次為農田>棄耕地>檸條林地>天然草地>楊樹林地，其主要原因有以下幾個方面：①楊樹林地土壤有機碳和全氮含量最小，是因為該地區的楊樹林地多為人工種植的農田防護林，干旱少雨使得其長勢較差，部分已經開始衰退和枯死，導致林地表層土壤極易發生侵蝕和退化[24]。②農田的土壤全氮含量高于棄耕地、草地、檸條林地和楊樹林地，是因為該地區農田是經過精細化管理，在合理施肥、灌溉和農作物生長后提高了原有的土壤肥力[25]。但農田地表土壤的翻耕和開墾會促進土壤呼吸，加速碳元素的分解，或是由于農田在收獲作物是大量地上或地下部分被移走，初級生產固定的碳元素向土壤中分配的比例較低，從而降低土壤中有機碳含量[23]。③棄耕地、天然草地和人工檸條林地的土壤有機碳和全氮含量較高是因為其地表有較大的植被蓋度，可以有效地防止侵蝕，有利于有機質的積累[25–26]。

3.2 土地利用變化條件下土壤質量指標之間的相關關系

土地質量指標間的相互關系隨著土地利用類型變化而變化。土壤質量指標間的相互作用及協調效應能夠綜合反映土壤生產力的高低和對逆境的適應能力[27]。

首先，土壤粒徑組成對土壤的結構和性質起著決定性作用，可以影響土壤水分的吸收、陰陽離子的轉化以及養分元素碳、氮的供應。本研究中，農田的土壤極細砂粒與土壤含水量之間呈負相關，這是因為相比棄耕地、天然草地、檸條林地和楊樹林地而言，其極細砂粒含量最高，容易使水分下滲，降低地表含水量[14]。楊樹林地中，土壤粗砂粒與土壤有機碳和土壤全氮之間呈負相關，且土壤極細砂粒和土壤黏粉粒與土壤有機碳呈顯著正相關，這是因為土壤中黏粉粒是與有機質膠結的主要無機膠體，其為膠結作用提供了膠結環境和膠結動力，能對土壤良好的結構性能起到一定的保護作用[28–29]，而楊樹林地的粗砂粒和細砂粒含量遠遠高于其黏粉粒含量，且差距大于農田、棄耕地、天然草地和檸條林地。這與蘇永中[30]在科爾沁沙地的研究結果一致。但天然草地中，土壤粗砂粒與土壤全氮之間卻呈正相關關系，這可能是因為實驗重復較少出現了誤差。

其次，土壤含水量直接影響土壤中各種鹽類溶解、物質轉化以及有機物的分解[31–32]。本研究中，檸條林地的土壤含水量與土壤電導率呈正相關關系，這是因為土壤中各種鹽類充分溶解使其電導率變大，而天然草地、農田、棄耕地和楊樹林地的土壤含水量和土壤電導率呈負相關關系甚至無相關性，可能是因為他們的植被蓋度相對較小，且該研究區土壤鹽堿化嚴重，土壤鹽分與土壤電導率的影響遠遠大于土壤含水量[33]。另外，天然草地中土壤含水量與土壤有機碳之間呈負相關關系，是因為土壤鹽堿化會影響土壤養分循環，導致土壤肥力下降，進而使得土壤有機碳含量降低[34]。而農田中由于人為灌溉的原因使得土壤含水量很高，土壤中鹽分相對含量較小，與土壤電導率呈現不出相關性，但一定量的土壤含水量有利于土壤結構的維持，從而增加土壤的吸附性，進而增加土壤對養分的吸收和穩固能力，使得土壤有機碳含量增加[35]。

第三，土壤電導率與土壤全氮之間呈正相關關系，這可能是由于土壤電導率增加，土壤對有機物的積累和礦化速率增大所致[36]。本研究中，天然草地的這種相關性最為明顯，而在農田、檸條林地和楊樹林地中則無相關性，可能是因為天然草地地表植被和枯落物較多，植物枯枝落葉是土壤有機質的主要來源之一，土壤全氮含量受其影響更大。

第四，土壤有機碳、全氮含量是土壤肥力與土壤生產力的重要表征，土地利用和土壤管理對土壤有機碳、全氮含量的變化起著非常重要的作用[23]。本研究中，楊樹林地土壤有機碳與土壤全氮之間呈顯著正相關關系，而其他樣地生境中土壤有機碳與土壤全氮間未呈現出相關性。原因可能是不同土地利用管理因素對土壤中氮素礦化作用、黏土礦物固定作用、硝化和反硝化過程、以及通過氣態和溶解后淋溶、植物固氮作用、植物與微生物對氮素的競爭利用等的影響作用的結果[37]。一方面說明農田、棄耕地、天然草地和檸條林地的土壤有機碳和土壤全氮的富集處于動態變化之中，因為表層土的有機碳和全氮更容易受林分類型、氣候環境、凋落物現存量及分解程度等因素的干擾[38]。例如農田受到耕作活動的影響，棄耕地和天然草地恢復過程，檸條林地演變均可對土壤有機碳和土壤全氮關系產生深刻影響[39]。同時，楊樹林地林下地表草本植被覆蓋稀少，土壤貧瘠，土壤有機碳和土壤全氮均處在較低水平，土壤微生物較少或活性比較低，使得土壤有機碳和土壤全氮處于一個相對平衡狀態，當達到相對平衡時，土壤氮素含量大體上決定了有機碳含量，導致土壤有機碳和土壤全氮間呈現出較高的相關性[40]。

最后，由于研究區干旱少雨，生態環境惡劣，楊樹林地和檸條林地的木本植物需要從土壤中吸取大量的水分和養分，使得其各土壤質量指標之間相關性大，土壤質量相對脆弱。而天然草地和農田存在大量的人為干擾，如灌溉、畜牧等，對其土壤質量指標之間的關系也存在較大的影響，而棄耕地受人為和自然干擾較小，且地表植被稀少，因此土壤質量指標之間相關性較小[41]。

3.3 土地利用變化對土壤質量的影響

進行土壤質量評價的目的是正確認識土壤，反映土壤管理的變化，從而有效管理和保護土壤[4]。通過上述結果可以看出，寧夏農牧交錯帶的5種不同土地利用類型的土壤質量綜合得分排序為：農田>棄耕地>0>天然草地>檸條林地>楊樹林地，其中綜合得分越高，說明該植被類型下的土壤質量的綜合程度越高，反之則越低。農田和棄耕地的綜合得分為正值，說明該植被類型下的土壤質量高于平均水平，而草地、檸條林地和楊樹林地綜合得分值為負，則說明土壤質量低于平均水平[42]。

之所以會出現這樣的結果，首先是由于該地區的農田經過合理施肥、灌溉等一系列精細化管理措施，具有一定的土壤培肥作用，有效提高土壤肥力避免土壤退化，因此農田的土壤質量得分最高，且得分高于平均水平[42]。其次棄耕地與天然草地相比，雖然都是草地，但由于該區域土壤鹽漬化的影響，天然草地的土壤質量得分為負數，而棄耕后自然恢復的草地土壤中仍然保留有一些肥力，在一定程度上也可以改善土壤肥力水平[43]。最后檸條林地和楊樹林地相較于草地而言，植被根部從土壤中吸收的養分更多，從而使得土壤質量降低。但由于灌叢具有明顯的肥力島嶼效應，因此檸條林地的土壤質量高于楊樹林地[29]。

北方農牧交錯帶作為將我國東部農區與西部草原牧區分隔開的生態過渡帶，自然條件嚴酷，年降雨量少，且年際變異劇烈，是傳統種植業的邊際地區，因此依照土地性質對土地進行合理利用至關重要[6]。同時，為了進一步提高農牧生產力、改善生態條件也應從調整土地利用結構入手。研究表明，在寧夏北方農牧交錯帶，以農為主，發展精細化農業[43]，構建同時注重生產與生態的高效而安全的區域土地利用模式。雖然這與施陳銀[44]等的研究結論相悖，可能是因為研究區域樣地地理環境差異較大，但應遵守因地制宜的原則。

4 結論

寧夏農牧交錯帶不同土地利用類型中通過精細化管理的農田和棄耕后自然恢復成草地的土壤質量較好，而天然草地、人工檸條林地和楊樹林地的土壤質量較差。綜合分析表明，對水澆農田實行保護性耕作和精細管理，并且農田棄耕后自然恢復成草地，可以改善沙地土壤質量，減少水土流失，培肥地力，并能夠逐步改善區域生態環境條件。

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Effects of land use changes on soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, Northern China

ZHANG Jing1, LIU Rentao2,*, ZHAO Juan2, CHANG Haitao2, LIU Jianan2, LUO Yaxi1, MA Ji1

1. College of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China 2. Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwestern China of Ministry of Education, Ningxia University, Yinchuan 750021, China

In Yanchi County of Ningxia, five land use types including farmland, abandoned farmland, natural grassland, and afforestedshrubland and poplar agroforestry land were selected as study sites. Soil physical and chemical properties were determined, and comprehensive technical indexes regarding soil quality were calculated in order to probe into the effects of land use changes on soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, northern China. All the results are as follows. (1) Soil coarse sand was found to be significantly (<0.05) greater in abandoned farmland and natural grassland compared with farmland, afforestedshrubland and poplar agroforestry land; soil fine sand was found to be significantly (<0.05) greater in afforested poplar agroforestry land compared with farmland, abandoned farmland, natural grassland and afforestedshrubland; both of soil very fine sand and soil clay and silt were found to be significantly (<0.05) greater in farmland and afforestedshrubland compared with abandoned farmland, natural grassland and afforested poplar agroforestry land. Soil moisture content, soil pH and soil electrical conductivity were found to be significantly (<0.05) greater in farmland compared with abandoned farmland, natural grassland, afforestedshrubland and poplar agroforestry land. Soil organic carbon was found to be significantly (<0.05) greater in abandoned farmland and afforestedshrubland compared with farmland, natural grassland and afforested poplar agroforestry land. Soil total nitrogen was found to be significantly (<0.05) greater in farmland compared with abandoned farmland, natural grassland, afforestedshrubland and afforested poplar agroforestry land. (2) There was a significant (<0.05) correlation between the above-mentioned soil quality indexes under land use types. The correlation coefficient between the evaluation indexes was found to follow the order of afforestedpoplar agroforestry land > natural grassland > farmland and afforestedshrubland > abandoned farmland. (3) The soil quality comprehensive index followed the order of farmland > abandoned farmland > 0 > natural grassland > afforestedshrubland > afforested poplar agroforestry land. It was concluded that the protective cultivation and intensive management on farmland, and the abandonment of cultivated farmland could facilitate the maintenance of soil quality, whereas the sandy natural grassland and afforested plantation could result in low soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, Northern China.

Ningxia; agro-pastoral transitional zone; land use; soil quality; soil physical and chemical properties

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.013

S159

A

1008-8873(2019)02-094-11

2018-05-02;

2018-11-27

寧夏自然科學基金(2018AAC02004); 國家自然科學基金項目(41661054, 41867005); 寧夏高等學校科學研究項目(NGY2018007);自治區科技基礎條件建設計劃創新平臺專項資金項目(2018DPC05021); 寧夏大學“生態學”西部一流學科建設項目(NXYLXK2017B06)資助

張靜(1994—), 女, 山西太原人, 在讀碩士研究生, 主要從事恢復生態學相關研究, E-mail: zjbb13835137136@163.com.

劉任濤(1980—), 男, 河南鄧州人, 博士、博士后/副研究員, 碩士生導師, 主要從事恢復生態學相關研究與教學工作, E-mail: nxuliu2012@126.com.

張靜, 劉任濤, 趙娟, 等. 寧夏農牧交錯帶土地利用變化對土壤質量的影響[J]. 生態科學, 2019, 38(2): 94-104.

ZHANG Jing, LIU Rentao, ZHAO Juan, et al. Effects of land use changes on soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, Northern China[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 94-104.