黃土塬區土地利用方式對土壤主要理化性質的影響

白晨赟，田涵洋，喬江波，韓曉陽，朱元駿,3

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

退耕還林(草)是促進黃土高原水土保持、提高生態效益的有效措施。近30年的植被建設對黃土高原土地利用方式和格局產生了重要影響，但不合理的植被建設會導致土壤干層、地下水位降低等問題，威脅生態系統的可持續發展[1-2]。土壤理化性質與土壤中水分、物質運移和養分循環等密切相關，對土壤水、肥、氣、熱及微生物活性等產生顯著影響，進而影響根系對水分養分的吸收以及植被地上部分的生長[3-5]。

針對不同土地利用方式下土壤理化性質的相關研究較多[6-7]。楊婷等[8]在黃土丘陵區發現不同植被類型下0～100 cm土層土壤顆粒組成有顯著差異，農田與自然林草地的土壤粘粒含量與土壤容重、有機質、全氮有顯著相關性，且坡耕地土壤粘粒含量顯著高于自然林草地。楊震等[9]發現與草地、農田相比，林地能有效提升表層土壤飽和導水率，增強土壤水分入滲能力，從而減緩水土流失。黃亞楠等[10]在洛川塬的研究發現，將農田或荒地轉化為耗水量較高的果園，會出現嚴重水分虧缺甚至形成土壤干層，高齡果園的土壤含水量隨土層深度增加而顯著降低。但目前關于土地利用方式對土壤理化性質影響的相關研究主要集中在0～100 cm土壤，其對深層土壤理化性質影響還不明確[8-12]。

本研究在陜西省長武縣王東溝流域選取了荒地、農田、果園和刺槐等4種土地利用方式，通過對0～500 cm土層原狀土和擾動土樣品土壤理化性質的分析，量化深層土壤理化性質的分布特征和土地利用方式的影響，深刻了解退耕還林(草)后深層土壤理化性質的變化規律，為黃土塬區植被建設及生態可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于陜西省長武縣王東溝流域(35°12′-35°15′N，107°40′-107°42′E)，該流域屬于黃土高塬溝壑區，年均溫9.1℃，年均降水量584 mm，為暖溫帶半濕潤大陸性季風區。土壤類型為黑壚土和黃綿土，成土母質深厚，土層厚度超過35 m，地下水埋深50～80 m。流域地貌類型為塬、梁、溝，其面積約各占1/3，土地利用方式以耕地、林地、荒地和居住用地為主。流域內的主要農作物為小麥(TriticumaestivumLinn.)和玉米(ZeamaysLinn.)，林地主要為蘋果(MaluspumilaMill.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)和油松(PinustabulaeformisCarr.)，荒地以鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)為優勢種群。

1.2 研究方法

于2020年6月在王東溝流域選取遠離居住區、道路和溝道的荒地、農田、果園和刺槐林4種典型土地利用方式?；牡貫槲词苋藶楦蓴_、優勢種群為鐵桿蒿和白羊草的天然草地；農田為連作冬小麥并秸稈還田的耕地，施尿素120 kg·hm-2·a-1；果園為25 a 樹齡的蘋果園，施尿素746 kg·hm-2·a-1，施K2O 597 kg·hm-2·a-1；刺槐林地生長年限為30 a。4塊樣地均為平地，氣候條件一致。取樣時，清除土壤表層枯枝落葉，人工挖掘直徑100 cm、深450 cm的圓形剖面，采集0～100、100～200、200～300、300～400、400～500 cm土層原狀土及擾動土樣品。在每一層中間位置用容積為100 cm3的環刀取3個原狀土樣品，用四分法采集擾動土樣。所有土樣裝袋密封并置于陰涼處貼標簽保存。

測定指標包括：土壤容重、土壤含水量、土壤飽和導水率、土壤顆粒組成及土壤有機質、土壤全氮含量。土壤容重采用環刀法測定，孔隙度以2.65 g·cm-3為土粒密度進行計算(公式1)[13]；土壤含水量用烘干法測定；飽和導水率采用恒定水頭法室內測定[9]；土壤顆粒組成(粘粒<0.002 mm、粉粒0.002～0.05 mm及砂粒>0.05 mm)采用Masterize 2000激光粒度儀(Malvern Instruments, England)進行測定[8]；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮含量采用凱式法測定[6]；土壤干燥化指數(SDI)以15%為田間穩定濕度值、8%為田間凋萎濕度進行計算(公式2)[10]。

(1)

土壤干燥化程度(SDI)%=

(2)

根據SDI值，土壤干燥化程度可分為6級(表1)。

表1 干燥化指數與干燥化程度Table 1 Dryness index and degree

1.3 數據處理

采用Excel 2019對數據進行處理，數據為3次重復的平均值。使用SPSS 25.0軟件對土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水量、土壤飽和導水率、土壤顆粒組成、土壤有機質和土壤全氮含量等指標進行二因素完全隨機區組設計方差分析；使用Duncan法對不同土地利用類型及不同剖面之間差異顯著性進行多重比較，利用Origin 2021Pro軟件進行相關性分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤有機質和全氮含量

整體而言，4種土地利用方式的0～100 cm土層平均土壤有機質、土壤全氮含量分別為4.68、0.35 g·kg-1，在5個土層中最高。農田、果園在0～500 cm土層內土壤有機質含量分別為5.39、4.28 g·kg-1，土壤全氮含量分別為0.40、0.30 g·kg-1，顯著高于荒地、刺槐林地(P<0.05)。果園除200～300 cm土層土壤有機質含量低于農田，其他土層有機質含量及全氮含量均顯著高于農田(P<0.05)。100～200 cm土層荒地土壤有機質含量為3.32 g·kg-1，顯著低于刺槐土壤(3.92 g·kg-1)，200～500 cm土層荒地土壤有機質含量顯著高于刺槐林地。0～500 cm土層，刺槐林土壤有機質、全氮含量均最低，僅為2.73 g·kg-1和0.25 g·kg-1，且隨土層深度增加，刺槐林土壤有機質和全氮含量有降低趨勢(圖1)。

注：不同字母表示同一土層深度下不同土地利用方式在P<0.05水平下差異顯著。Note: Different letters indicate significant difference (P<0.05) among different land use patterns under the same soil depth.圖1 不同土地利用方式下土壤有機質和土壤全氮含量Fig.1 Contents of soil organic matter and total nitrogen under different land use patterns

2.2 不同土地利用方式下土壤物理性質的分布特征

2.2.1 土壤顆粒組成 農田土壤隨著土層深度增加，粘粒含量從26.8%下降到22.9%，砂粒含量從8.9%上升到11.5%(P<0.05)，果園、刺槐林土壤粘粒變化趨勢與農田相反，隨土層深度增加，土壤粘粒含量顯著上升(P<0.05)(圖2)。0～100 cm土層的粘粒含量表現為農田26.8%，果園25.0%，顯著高于荒地(23.0%)和刺槐林(22.8%)。荒地土壤粘粒含量在200～300、300～400 cm土層達到峰值，分別為37.5%和36.9%，顯著高于其他3種土地利用方式，而砂粒含量顯著低于其他3種土地利用方式。400～500 cm土層的土壤粘粒含量依次為刺槐林>果園>荒地>農田。隨著土層深度增加，各土地利用方式土壤粘粒變化趨勢與土壤砂粒變化趨勢相反(圖2)。

注：不同字母表示不同土層深度的同一粒級土壤顆粒百分比在P<0.05水平差異顯著。Note：Different letters indicate that the percentage of soil particles of the same particle size in different soil depths is significantly different at the level of P<0.05.圖2 不同土地利用方式下土壤顆粒組成剖面分布Fig.2 Profile distribution of soil particle composition under different land use patterns

2.2.2 土壤容重和孔隙度 4種土地利用方式下的土壤容重范圍為1.27～1.59 g·cm-3。農田0～100 cm土層土壤容重為1.44 g·cm-3，顯著高于其他3種土地利用方式(P<0.05)。農田、果園0～100 cm土層土壤容重高于100～200 cm土層，而荒地、刺槐100～200 cm土層土壤容重高于0～100 cm土層。4種土地利用方式200～500 cm土層土壤容重表現為荒地>刺槐林>農田>果園，在300～400 cm土層，荒地土壤容重為1.59 g·cm-3，顯著高于其他3種土地利用方式。隨土層深度增加，各土地利用方式下土壤容重均具有上升趨勢，但速率有差異(圖3)。土壤孔隙度與土壤容重變化情況相反。

圖3 不同土地利用方式下土壤容重Fig.3 Soil bulk density under different land use patterns

2.2.3 土壤飽和導水率 果園、刺槐地0～500 cm土層土壤平均飽和導水率分別為0.37、0.36 mm·min-1，顯著高于農田(0.25 mm·min-1)、荒地(0.23 mm·min-1)。0～100 cm土層土壤飽和導水率為果園>刺槐林>荒地>農地，其中農地為0.02 mm·min-1。除農田外，果園、刺槐林、荒地土壤飽和導水率均在0～200 cm土層達到峰值，分別為0.70、0.47、0.41 mm·min-1。農田在0～500 cm土層隨深度增加，土壤飽和導水率先升后降，并在200～300 cm土層達到峰值，為0.37 mm·min-1。刺槐林地在0～500 cm土層土壤飽和導水率呈線性下降趨勢(R2=0.87)，在400～500 cm土層降到谷值?；牡赝寥里柡蛯试?00～400 cm土層達到谷值，為0.09 mm·min-1(圖4a)。

圖4 不同土地利用方式下土壤飽和導水率和土壤質量含水量Fig.4 Soil saturated hydraulic conductivity and soil moisture content under different land use patterns

2.2.4 土壤含水量和土壤干燥化程度 0～500 cm土層土壤含水量為荒地(174 g·kg-1)>果園(152 g·kg-1)>農田(142 g·kg-1)>刺槐林(95 g·kg-1)，其中刺槐林地土壤含水量在86～102 g·kg-1間小幅波動，所有土層均低于其他樣地。0～200 cm土層土壤含水量隨土層深度增加均上升，荒地、農田、果園和刺槐林地漲幅分別達48.7%、59.2%、34.1%、1.8%。200～500 cm土層內，農田土壤含水量呈線性上升趨勢，而果園、荒地土壤含水率呈線性下降趨勢，其中荒地土壤含水率降低速度低于果園(圖4b)。由表1、表2可知，荒地0～100 cm土層土壤呈中度干燥化，在100～500 cm土層水分條件較好，無土壤干燥化。農田0～100 cm土層土壤干燥化最為嚴重，達嚴重干燥化。果園和刺槐地土壤在400～500 cm土層干燥化嚴重。刺槐地土壤在0～500 cm土層均呈嚴重或強烈干燥化程度，相較荒地，土壤水分虧缺嚴重。

表2 不同土地利用方式下土壤干燥化程度Table 2 Soil drying degree under different land use patterns

2.3 土壤物理性質間的相關性分析

土壤顆粒組成、土壤孔隙度、土壤含水量、土壤飽和導水率的相關性分析結果表明：土壤飽和導水率與土壤孔隙度、粉粒含量呈極顯著正相關關系，與粘粒含量、容重呈極顯著負相關關系(P<0.01)；粉粒、砂粒含量越高，土壤孔隙度越大，土壤容重越大及粘粒含量越多，土壤孔隙度越?。煌寥廊葜嘏c土壤顆粒組成、飽和導水率、孔隙度等密切相關(表3)。

表3 土壤物理性質間的相關性分析Table 3 Correlation analysis of soil physical properties

3 討 論

3.1 土地利用方式對土壤有機質和全氮含量的影響

本研究發現隨著土層深度增加，各土地利用方式的土壤有機質與全氮含量均有降低趨勢，與朱廣宇等[14]、劉艷麗等[15]研究結果一致。這可能是由于相比深層土壤，淺層土壤具有豐富的動植物、微生物殘體，為土壤有機質的形成提供了豐富的原料，導致淺層土壤有機質含量高于深層土壤[16]。土壤全氮與土壤有機質的分布具有顯著正相關性，土壤全氮的形成主要包括降水引入土壤的含氮化合物、土壤有機質的分解和生物固氮等過程，深層土壤中，土壤全氮形成過程微弱，造成土壤全氮含量隨著土層由淺到深逐漸降低的分布格局[16]。研究發現，土壤有機質和土壤全氮含量：果園>農田>荒地>刺槐林地，這是由于果園和農田受人為養分調控(施化肥、添加有機物料)及田間管理(耕作和灌溉)等措施影響，其土壤有機質含量顯著高于荒地和刺槐地，而果園相比于農田，土壤有機質和全氮含量更高，是因為果園投入了更多的養分，土壤肥力較高，這與楊世琦等[17]、張義等[18]的研究結果一致。刺槐林地0～200 cm土層內土壤有機質含量高于荒地，是因為相較荒地，刺槐林具有豐富的凋落物和根系作為土壤有機質的原料。但在200～400 cm土層，荒地土壤有機質含量高于刺槐林，這可能是由于刺槐根系較深，深層土壤養分被刺槐根系吸收，土壤有機質含量較低[19]。

3.2 土地利用方式對土壤顆粒組成和土壤容重的影響

荒地、果園和刺槐林地土壤砂粒含量均在0～200 cm土層達到峰值，而粘粒含量在200～500 cm土層內達到峰值，這可能是由于粘粒粒徑較小，易隨水向土層深處運移，而砂粒粒徑較大，在土壤中的運移能力較弱，易滯留在淺層土層，因此形成淺層土壤砂粒含量相對較高、深層土壤粘粒含量相對較高的分布格局[20]。在農田土壤中，0～100 cm土層土壤粘粒含量顯著高于其他土層，這可能是由于長期耕作擾動有助于小粒徑土壤顆粒形成[21-22]。本研究發現，土壤容重與土壤顆粒組成極顯著相關，農田0～100 cm土層土壤容重最高。這是因為小粒徑土壤顆粒可填充土壤孔隙，增大土壤容重，大粒徑土壤顆粒之間可形成土壤孔隙，降低土壤容重。研究發現，隨著土層深度增加，4種土地利用方式土壤容重均有上升趨勢。一方面是由于壓實作用隨土層深度增加而增強，深層土壤因承壓增大而變緊實，土壤容重增大；另一方面，淺層土壤中植被根系較多，較高的土壤有機質含量可降低土壤容重[23-25]。

3.3 土地利用方式對土壤飽和導水率和土壤水分的影響

在0～500 cm土層內，果園和刺槐林地土壤飽和導水率顯著高于農田和荒地，可能是由于果園和刺槐總根系生物量多于荒地和農田，受根系影響，土壤飽和導水率顯著增高，這是0～200 cm土層內荒地、果園、刺槐林地土壤飽和導水率均達到峰值的可能原因[9，26]。由于農田長期單一耕作和連年旋耕，土壤中易形成緊實的犁底層，且采樣期正值小麥成熟期，人為踩踏和大型收割機械作業將淺層土壤進一步壓實，造成該土層土壤飽和導水率僅為0.02 mm·min-1，隨著土層深度增加，人為干擾因素逐漸減弱，農田土壤飽和導水率顯著提高?；牡睾娃r田覆被為淺根系植物，蘋果樹和刺槐林地為深根系植物，地表覆被對土壤水分運移有顯著影響。果園和刺槐林地深層(400～500 cm)土壤含水量顯著低于荒地和農田，土壤呈嚴重和強烈干燥化，這是因為深根植物在深層土壤根系生物量遠大于淺根植物，其對深層土壤水分的消耗遠高于淺根植物。黃土高原土層深厚，地下水位深，水分補給困難，隨著蘋果樹、刺槐種植年限增加，導致土壤水分長期盈虧失衡，易形成土壤干層，削弱水文循環能力，對區域生態帶來不利影響。植物根系影響土壤理化性質，土壤理化性質反過來影響根系的生長發育，未來可對根系與土壤理化性質間的耦合關系進行深入探索，并根據區域環境特點，確定植被種類和種植年限，實現對黃土高原生態建設的有效調控[1，10，27]。

4 結 論

通過分析長武黃土塬區不同土地利用方式0～500 cm土層土壤理化性質的分布特征，得出以下結論：

1)4種土地利用方式下0～100 cm土層土壤有機質、全氮含量高于深層土壤，果園和農田土壤有機質、全氮含量顯著高于荒地和刺槐。

2)土壤粘粒含量與土壤容重呈顯著正相關關系，與土壤飽和導水率呈顯著負相關關系；農田0～100 cm土層土壤粘粒含量及容重顯著高于荒地、果園、刺槐土壤。

3)果園、刺槐林地的土壤飽和導水率顯著高于荒地、農田；荒地、果園、刺槐林地土壤飽和導水率在0～200 cm土層內達到峰值。果園和刺槐林地400～500 cm土層土壤含水率顯著低于荒地和農田，土壤干燥化嚴重；荒地和農田土壤除0～100 cm土層外，土壤水分條件較好。