農牧交錯區不同撂荒年限對農田土壤的影響

關鍵詞：農牧交錯帶;農田;撂荒年限;土壤水分;土壤理化性質;土壤養分

農田撂荒是工業化和城市化快速推進下的普遍現象[1]，也是全球范圍內高度關注的問題[2]。目前，我國北方農牧交錯帶耕地不斷減少，其主要原因是撂荒后土地利用方式轉變為草地，20世紀80年代至2000年，轉化面積達9.5×104km2[3];近20年，草地與耕地之間的流轉面積達1.67×104km2[4]。近年來，我國北方農牧交錯帶各省（市、區）均存在不同程度的撂荒現象，撂荒特征由貧瘠、耕作困難的地塊逐漸向連片且肥沃的區域蔓延[5]。中國北方農牧交錯帶是中國落實糧食安全戰略和“大糧食安全觀的”重要地帶，因此，開展農牧交錯帶撂荒農田的相關研究具有重要的意義。

撂荒對土壤質量和肥力的改善具有重要的作用，這種土地利用類型的動態變化影響陸地生態系統的養分平衡，而土壤的養分含量是影響植物群落建成和穩定性的主要因素之一[7，8]。撂荒6年的農田土壤有機碳（Soilorganiccarbon，SOC）含量顯著高于耕地，但其穩定性更低[8]。不同地區撂荒地養分的變化特征及影響因子存在差異，王月玲等[9]對寧南山區5個不同撂荒年限（2a，5a，15a，17a，20a）的農田土壤進行分析，結果表明土層深度和年限共同影響撂荒農田土壤的碳（Carbon，C）氮（Nitrogen，N）磷（Phosphorus，P）化學計量特征，在一定程度上改善了土壤肥力。近期的研究結果顯示，撂荒改善了渭北旱塬區的土壤養分狀況，但撂荒20年以上農田土壤的微生物受P的限制程度增加[10]。因此，明確北方農牧交錯帶撂荒地養分變化特征有利于復耕工作的推進。土壤水分是植物生長的重要限制因子[11]，對維持農業的可持續發展具有重要意義，郭茹茹等[12]發現苜蓿草地的土壤水分在撂荒過程中得到了恢復，通過對比分析撂荒地與耕地土壤水分規律及其對降水的響應程度發現，撂荒地不利于土壤水分的存儲[13]。草地植物群落和地上生物量受撂荒年限的影響[14]，而植物群落的變化最終會引起水資源循環等生態功能的變化[15]。鑒于此，本文對不同年限和不同深度撂荒農田土壤的理化性質特征及其驅動因素進行了分析，以期為撂荒地土壤的保護以及合理利用提供現實依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗地位于以河北省沽源縣草地生態系統國家野外科學觀測研究站為中心的農牧交錯帶（115°41'E，41°46'N，海拔1380m），既是我國重要的糧食生產區，也是草牧業發展的核心生態區域[16]。試驗地屬半干旱大陸性季風氣候，年均溫為1.4℃，年均降水量為450 mm（主要集中于7—9月），年蒸發量為1735 mm，年均風速為4.3m·s-1，年日照時數為2930.9h。主要土壤類型為栗鈣土，地帶性植被以羊草（Leymuschinensis（Trin.）Tzvelev）和克氏針茅（Stipakrylovii Roshev.）為建群種。研究區在試驗期間的氣象條件如圖1所示。

1.2 試驗設計及土壤樣品采集

本試驗選取地形相似未撂荒（CK）、撂荒7年（7a）、15年（15a）、30年（30a）的3個不同年限的撂荒地作為試驗地，樣地大小為30m×30m。撂荒7年（7a）、15年（15a）、30年（30a）3個不同年限撂荒地的蓋度分別為80%，85%和95%，均在撂荒后自然演替。野外調查時間為2022年8月，采樣期間有降雨，在每個樣地內隨機選擇3個1m×1m的樣方，樣方間距至少為10m，使用土鉆（內徑為3.5cm）采集為0～10cm，10～30cm 和30～50cm 深度的土壤樣品，每個樣方內將4鉆合成一份混勻的土壤樣品。將土樣中的石塊、植物根系、殘體等雜質去除后過2mm 篩子，混合均勻后自然風干。

1.3 室內測定指標

土壤理化性質的測定見表1。

1.4 室內計算分析

1.4.1 土壤含水量：

式中，m0，m1，m2分別為鋁盒重（g），烘干前鋁盒與土壤濕重（g），烘干后鋁盒與土壤干重（g）。

1.4.2 土壤貯水量[20]：

式中，W 為土壤貯水量（mm），h 為土層深度（cm），ρ 為土壤容重（g·cm-3），ω 為土壤質量含水量（%）。

1.4.3 蒸散量[20]：

式中，ET 為蒸散量（mm），P 為8 月降水量（mm），W0為8月初期土壤貯水量（mm），W1 為8月末期土壤貯水量（mm），M 為灌溉水量（mm），K 為地下水補給水量（mm），本研究選取的采樣點沒有進行灌溉（M =0），沒有地表徑流。由于該地區地下水位于40～50m 深，因此忽略不計根區毛細上升水（K=0）。

1.4.4 土壤總孔隙度[22]：

土壤總孔隙度（Pt）（%）= 1-Bd/ds ×100

式中，Bd為土壤容重（g·cm-3），ds為土壤密度（2.65g·cm-3）。

1.5 數據分析

使用Excel2016 將數據進行初步整合，通過SPSS22.0 軟件進行數據統計分析，作圖使用GraphPad（version9.4.0，GraphPadSoftwareInc，SanDiego，CA，USA）進行。

2 結果與分析

2.1 不同撂荒年限各土層土壤容重、孔隙度和pH 值的變化特征

不同年限和土層深度對撂荒農田土壤的理化性質均有影響（圖2）。與未撂荒農田（CK）相比，隨著撂荒年限的增加，各土層的土壤容重（g·cm-3）顯著增加（Plt;0.05），土壤孔隙度（%）顯著降低（Plt;0.05）。在同一撂荒年限下，土壤容重（g·cm-3）在不同土層之間沒有顯著變化，撂荒15a的土壤孔隙度（%），在30～50cm 土層顯著降低，其他年限不同土層之間的土壤孔隙度（%）沒有顯著變化。隨著撂荒年限的增加，各土層土壤pH 呈先增加后減小的變化趨勢，30a各土層土壤pH 顯著低于其它年限。在相同撂荒年限下，各土層間的土壤pH 變化特征表現為：7a的30～50cm 土層顯著低于其它土層，15a的0～10cm 和10～30cm 土層顯著低于30～50cm 土層，30a的各土層間無顯著差異。撂荒農田各土層土壤的含水量（%）顯著高于未撂荒農田（CK），不同撂荒年限土壤含水量（%）呈先增加、后減少再增加的變化趨勢，其中15a的土壤含水量（%）顯著低于7a和30a。在相同撂荒年限下，30～50cm 土層的含水量（%）顯著低于上層（0～10cm和10～30cm）土壤，而30a的30～50cm 土層含水量（%）顯著高于表層（0～10cm）。

2.2 不同撂荒年限各土層土壤水分變化特征

2022年8月研究區域降水量為70.18mm（圖1），不同撂荒年限各土層土壤含水量和蒸散量變化特征如圖3所示。不同撂荒年限農田的蒸散量變化特征表現為：CKgt;15agt;7agt;30a，而不同年限撂荒農田各土層的土壤含水量（%）表現為：CKlt;15alt;7alt;30a。相同撂荒年限下30～50cm 土層的土壤含水量（%）顯著低于上層（0～10cm，10～30cm）（Plt;0.05），而30a的下層（10～30cm，30～50cm）土壤含水量（%）顯著高于表層（0～10cm）（P lt;0.05）。

2.3 不同撂荒年限各土層土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）和總磷（TP）的變化特征

不同撂荒年限各土層土壤養分的變化不同（圖4）。長期（30a）撂荒地的各土層SOC（g·kg-1）、TN（g·kg-1）和TP（g·kg-1）含量顯著高于CK，7a和15a（Plt;0.05）。相同撂荒年限下，30～50cm土層的SOC（g·kg-1）、TN（g·kg-1）含量顯著低于上層（0～10cm，10～30cm）（Plt;0.05），而30～50cm 土層的TP（g·kg-1）含量顯著高于上層（0～10cm，10～30cm）（Plt;0.05）。

2.4 不同撂荒年限土壤含水量與土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）和總磷（TP）之間的相關性

如圖5所示，通過分析不同撂荒年限農田土壤含水量與土壤SOC（g·kg-1）、TN（g·kg-1）和TP（g·kg-1）含量之間的相關性，發現未撂荒農田CK的土壤含水量（%）與有機碳（SOC）含量（g·kg-1）呈極顯著的正相關（R2=0.8367，Plt;0.001），與全氮（TN）（g·kg-1）和全磷（TP）（g·kg-1）含量的相關性未達到顯著性水平。撂荒7a的土壤含水量（%）與SOC（R2 =0.3950，P lt;0.05），TN（R2 =0.6024，Plt;0.01）和TP（R2=0.6689，P=0.001）含量均呈顯著的正相關。撂荒15a的土壤含水量（%）與SOC（g·kg-1）含量不存在顯著的相關關系，而與TN（R2=0.4184，Plt;0.05）和TP（R2=0.3746，Plt;0.05）含量均呈顯著的正相關。撂荒30a的土壤含水量（%）與SOC（g·kg-1）和TN（g·kg-1）含量的相關性未達到顯著性水平，而與TP（R2=0.4907，P=0.01）含量呈顯著的正相關。

3 討論

3.1 撂荒年限對不同土層土壤物理結構的影響

土壤容重和孔隙度反映土壤的結構優劣，撂荒可以改變土壤的物理結構[22]，本研究的結果顯示，土壤容重隨撂荒年限的增加顯著增加，孔隙度隨撂荒年限的增加顯著降低，這與周虎等[23]的研究結果相似，撂荒處理下的土壤容重均顯著高于耕作農田，其原因在于撂荒農田土壤長期處于不受擾動的狀態，而未撂荒農田對土壤進行的翻耕行為導致土壤更加疏松。在撂荒前期（7a，15a），表層（0～10cm）土壤容重顯著低于深層（30～50cm），其原因在于淺層土壤存在更多的根系和凋落物。而當撂荒年限達30a時，不同土層土壤容重已無顯著差異。撂荒年限不同導致植被組成存在差異，植被恢復過程中植物活動強度的增大會導致土壤容重變小，植物根際間的連結作用是改善土壤結構的重要影響因素[24]，因此，本研究選取的7a，15a和30a撂荒地的土壤物理結構未受到植被恢復造成的植被根系擾動的影響。土壤pH 是農田土壤質量和耕種價值提升的重要因素[25]，從本研究的結果來看，撂荒30a的土壤pH 顯著降低，基本屬于適宜作物生長的弱堿性土壤（7.5～8.0），這與對全球1059個樣點免耕土壤pH 的meta分析結果一致，其原因可能是撂荒通過避免土壤擾動所帶來的有機質分解的變化可能導致H+ 濃度升高，從而降低土壤pH 值[26]。

3.2 撂荒年限對不同土層土壤養分的影響

本文選取土壤SOC、TN 與TP作為反映土壤養分變化特征的指標。與未撂荒地相比，長期撂荒（30a）后土壤各層SOC、TN 和TP的含量均顯著增加，表明撂荒顯著提高了土壤養分含量。撂荒通過減少土壤擾動，避免了農田侵蝕和水分流失，進而增加了土壤養分含量[27，28]。隨著撂荒年限的增加，一方面，土壤有機質含量的升高促進土壤團聚體的形成，有利于土壤的持水能力圖4;另一方面，土壤容重的升高和孔隙度的降低，對土壤水分的快速入滲起到了抑制作用，但同時也減少了水分的蒸散量[29]。因此，與耕作農田相比，長期撂荒（30a）下土壤水分也在一定程度上得到了恢復，蒸散耗水量并未因為更長期的植被恢復可能導致的蒸騰作用更大而增加。壩上地區主要農作物和不同植被的水分利用效率不同[30]，不同撂荒年限下的植被差異也導致蒸騰耗水的差異。本研究發現，土壤含水量與土壤養分含量呈顯著相關關系，是影響土壤養分的主要因素，而長期撂荒地的蒸散耗水量更少，因此土壤水分更高，土壤養分得到了積累。長期撂荒后，植被恢復導致的植被差異性未影響到土壤物理結構和蒸散耗水量，因此，在未來的工作中，我們應該關注不同年限撂荒地中植被組成差異造成的影響。目前，農牧交錯帶也同樣面臨著氣候變化帶來的影響，由于極端高溫事件的發生，升高的冠層溫度對該地區的植被生長造成了威脅[32]。在之后的研究工作中，我們將更加關注不同年限撂荒地的植被組成，以期在氣候變化的背景下探索撂荒地的合理管理措施。

4 結論

通過對河北壩上農牧交錯帶不同撂荒年限農田土壤理化性質、養分以及水分特征進行分析發現，隨著撂荒年限的增加，撂荒地土壤容重顯著增加，土壤孔隙度顯著降低，長期（30a）撂荒土壤pH 顯著降低。農田蒸散量隨撂荒年限的增加而降低，土壤各層含水量隨撂荒年限的增加而增加。撂荒顯著提高了土壤養分（SOC，TN 和TP）的含量。而相同撂荒年限下，深層（30～50cm）土壤SOC，TN 含量顯著降低，而深層（30～50cm）土壤TP 含量在長期（30a）撂荒后顯著增加。不同撂荒年限土壤含水量與土壤養分指標均呈顯著正相關。總體而言，長期撂荒對土壤養分具有顯著的改善作用，土壤水分是影響養分含量的主要原因之一，長期撂荒下更少的蒸散耗水量減少了土壤水分的損失，土壤養分更高。