岷江上游雜谷腦河流域不同土地利用類型土壤碳氮特征

劉正剛，王勇軍，王憲帥

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 雅安 625014）

岷江上游雜谷腦河流域不同土地利用類型土壤碳氮特征

劉正剛，王勇軍，王憲帥

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 雅安 625014）

對雜谷腦河流域不同區(qū)段（上、中、下游）6種不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和全氮進(jìn)行測定。結(jié)果表明：該流域土壤有機(jī)碳含量為經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地 > 人工成熟林地 > 灌木林地 > 人工幼齡林地 > 天然次生林地；土壤全氮含量為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 天然次生林地 > 人工成熟林地 > 灌木林地 > 人工幼齡林地；C/N為人工幼齡林地 > 人工成熟林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地 > 天然次生林地。同一土地利用類型在不同區(qū)段中，經(jīng)濟(jì)林土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)為中游 > 下游；農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳含量為中游 > 上游 > 下游；土壤全氮含量為下游 > 中游 > 上游；灌木林地土壤有機(jī)碳和全氮含量為中游 > 下游。同一區(qū)段不同土地利用類型中，流域下游土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地 > 灌木林地，全氮含量表現(xiàn)為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地；流域中游土壤有機(jī)碳和全氮含量均表現(xiàn)為含量農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地；流域上游土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為人工成熟林地最高 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地 > 天然次生林地，全氮含量表現(xiàn)為天然次生林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地。

土地利用類型；有機(jī)碳；全氮；雜谷腦河

土地利用是人類根據(jù)土地的特點(diǎn)，為了一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)目的而進(jìn)行的一系列生物和技術(shù)活動(dòng)，對土地進(jìn)行長期或周期性的經(jīng)營活動(dòng)[1]，是人類利用土地各種活動(dòng)的綜合反映[2]，對各種生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，它的變化直接導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的變化[3～5]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳和氮在全球碳、氮循環(huán)中起著重要作用。土壤有機(jī)質(zhì)不僅能為植物生長提供養(yǎng)分，而且是影響土壤結(jié)構(gòu)形成、土壤養(yǎng)分生物有效性以及土壤生物多樣性的重要因素[6～7]。已有的研究表明，土壤有機(jī)碳的多少很大程度上依賴于地表植被和土地利用狀況，且土壤有機(jī)碳的變化會(huì)影響植物對水分和營養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而影響生產(chǎn)量[8～10]。氮是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性元素，能夠限制群落初級(jí)和次級(jí)生產(chǎn)量，而且土地利用方式的不同容易引起土壤氮循環(huán)格局的不同，從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[10～11]。

岷江上游雜谷腦河干旱河谷屬干暖河谷，該區(qū)植物種類較少，具有荒漠化半荒漠化性質(zhì)[12～14]。近年來，隨著水電開發(fā)、退耕還林還草等土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，雜谷腦河流域土地利用、土地覆被發(fā)生了明顯變化，改變了土壤有機(jī)質(zhì)及土壤全氮含量[15～18]。本文以雜谷腦河流域不同河段土地利用類型為研究對象，分析其土壤有機(jī)碳和氮含量特征及其相互關(guān)系，以期為該流域不同土地利用類型土壤肥力恢復(fù)及區(qū)域土地利用規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

雜谷腦河是四川岷江的一級(jí)支流，發(fā)源于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣西北的鷓鴣山北麓的紅水溝，從海拔4 451 m由西北向東南奔流而下，縱貫理縣全境，流經(jīng)理縣的米亞羅、夾壁、沙壩、樸頭、雜谷腦、甘堡、薛城、木卡、通化、桃坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，至汶川縣城匯入岷江，全長157 km。歷年平均流量為63.9 m3/s，其特點(diǎn)是水流湍急，落差大，流量隨雨季而變化。多年平均總輸沙量2.10×106t左右。山地為燥褐土（過去曾稱灰褐土），是發(fā)育在干燥河谷地帶旱生灌木草叢植被下的土壤，主要分布在海拔2 000 m以下的河谷地帶。由于受焚風(fēng)的影響，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，整個(gè)土體中聚積著大量的游離碳酸鈣，且很少有分層現(xiàn)象，全剖面呈堿性反應(yīng)，pH值7.4 ～ 8.4。這種土與石灰性褐土有顯著區(qū)別，形成條件和理化性狀亦與褐土不同，在分布上有特定的地理空間，地面植被稀疏，喬木難以生存，以灌草為主，沖刷嚴(yán)重[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 分別在雜谷腦河流域上、中、下游的農(nóng)耕地、經(jīng)濟(jì)林地、灌木林地、天然次生林地、人工幼林地和人工成熟林地6種土地利用類型中設(shè)置面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地3個(gè)。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of sample plots

1.2.2 樣品采集與測定 在所選的樣地中，土壤按品字形設(shè)置三個(gè)剖面，用100 cm3環(huán)刀在0 ～ 20 cm土層取樣，帶回室內(nèi)測定土壤物理性質(zhì)。采用四分法取混合土樣，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干過2.0 mm和0.25 mm土壤篩，處理后土樣有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，全氮用凱氏定氮法測定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel統(tǒng)計(jì)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳、全氮含量

由表2可以看出，研究區(qū)不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量差異較大，其中以經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)碳含量最高，為3.71 g/kg，比農(nóng)耕地、人工成熟林地、灌木林地和人工幼齡林地分別高4.6%、12.1%、32.3%和51.2%，這主要是由于經(jīng)濟(jì)林地在利用過程中，經(jīng)濟(jì)林的枯枝敗葉返回土壤，且人工施用了有機(jī)肥，增加了經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)碳含量。經(jīng)濟(jì)林地與農(nóng)耕地差異不大，這是因?yàn)檫@兩種土地利用方式之間的人為干擾活動(dòng)相近。人工幼齡林地土壤有機(jī)碳含量相對偏低，為1.81 g/kg，這主要是由于人工幼齡林苗木生長消耗了大量的有機(jī)碳，而外界又沒有及時(shí)地補(bǔ)充輸入所致。

表2 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 2 Soil organic carbon and total nitrogen content under different land use types

土壤中氮素含量受自然因素（氣候、地形及植被）和農(nóng)業(yè)措施（肥料、耕作、灌溉及土地利用方式）的影響，其含量處于動(dòng)態(tài)變化中[21]。由表2可以看出，不同土地利用類型土壤全氮含量有明顯差異，介于0.10 ～ 0.37 g/kg；土壤全氮含量以農(nóng)耕地最高，比經(jīng)濟(jì)林地、天然次生林地、人工成熟林地、灌木林地和人工幼齡林地分別高32.4%、37.8%、43.2%、51.4%和73.0%。這是因?yàn)檗r(nóng)耕地在耕作過程中輸入了大量的氮肥，且還有部分氮素歸還土壤，因而農(nóng)耕地全氮含量高；而人工成熟林比人工幼齡林含氮量高是因?yàn)榍罢叻祷赝寥赖膭?dòng)植物殘?bào)w更多。

2.2 不同土地利用類型的土壤C/N

土壤C/N在土壤有機(jī)質(zhì)分解過程中具有重要作用，是土壤質(zhì)量評價(jià)的重要因子，它決定了有機(jī)質(zhì)改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)碳固定的有效性，并影響土壤作為大氣CO2“源/匯”的潛能和氮素在土壤中的調(diào)節(jié)[22]。一般認(rèn)為，如C/N > 30，在其礦化作用下的最初級(jí)階段則不能對植物產(chǎn)生供氮效應(yīng)；如C/N < 15，其礦化作用開始，所提供的有效氮量就會(huì)超過微生物的同化量，使植物有可能從有機(jī)質(zhì)礦化過程中獲得有效氮的供應(yīng)[23～24]。由表2可以看出，6種土地利用類型的C/N從大到小排序?yàn)槿斯びg林地 > 人工成熟林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地> 天然次生林地，以人工幼齡林最高，為17.99，天然次生林最低，為6.32。這表明人工幼齡林地、人工成熟林地和經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)質(zhì)礦化程度不高，植物不能從礦化過程中獲得足夠的有效氮供應(yīng)。

2.3 同一土地利用類型在不同區(qū)段中的土壤有機(jī)碳、氮特征

由表3可以看出，經(jīng)濟(jì)林地中游土壤有機(jī)碳和全氮含量均比下游高，C/N下游高于中游；農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳含量中游比下游和上游高60.4%和54.7%，土壤全氮含量下游比中游和上游分別高20.8%和66.0%，C/N為上游 > 中游 > 下游；灌木林地土壤有機(jī)碳和全氮含量中游均比下游高，C/N中游高于下游。

表3 同一土地利用類型在不同區(qū)段中土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 3 Soil organic carbon and total nitrogen content under same land use at different reaches

2.4 同一區(qū)段不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳、氮特征

由表4可以看出，在流域下游，經(jīng)濟(jì)林地土壤有機(jī)碳含量最高，比農(nóng)耕地和灌木林地分別高24.7%和47.0%；土壤全氮農(nóng)耕地含量最高，比經(jīng)濟(jì)林地和灌木林地分別高75.5%和77.4%；C/N為經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地。在流域中游，土壤有機(jī)碳含量以農(nóng)耕地最高，比經(jīng)濟(jì)林地、灌木林地分別高11.2%和41.0%；土壤全氮含量農(nóng)耕地最高，比灌木林地、經(jīng)濟(jì)林地高45.2%和11.9%；C/N表現(xiàn)為灌木林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地。在流域上游，土壤有機(jī)碳含量以人工成熟林最高，比人工幼齡林地、天然次生林地、農(nóng)耕地分別高44.5%、56.1%和19.6%；土壤全氮含量以天然次生林地最高，比人工成熟林地、人工幼齡林地、農(nóng)耕地分別高8.7%、56.5%和21.7%；C/N為人工幼齡林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 天然次生林地。

表4 同一區(qū)段不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 4 Soil organic carbon and total nitrogen content at the same reaches under different land use

3 討論

在本研究中，由于施肥、灌溉等農(nóng)事活動(dòng)，農(nóng)耕地和經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)碳和全氮含量均較高，這與已有的研究結(jié)果基本一致[10～11]。而在有林地上，由于植被和經(jīng)營措施的差異，導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳和全氮含量差異。尤其是人工幼齡林地，土壤有機(jī)碳和全氮含量都很低，C/N為17.99，說明人工幼齡林地有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮的分解和礦化慢，土壤固定有機(jī)碳能力低，氮素流失的可能性大。天然次生林地雖然有機(jī)碳含量不高，但C/N為6.32，表明天然林采伐后經(jīng)過多年的自然演替仍可保持較高土壤肥力。因此，采取天然林保護(hù)、退耕還林等措施，可以改善土壤理化特性、增加土壤中根系以及殘茬數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而提高林地土壤中有機(jī)碳和全氮含量，調(diào)整C/N，促進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中碳和氮循環(huán)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

氮是植物生長中不可缺少的營養(yǎng)元素，但在森林土壤中，除氮極端缺乏條件下植物能吸收簡單有機(jī)氮外，99%以上的氮不能被植物直接吸收利用，需要經(jīng)過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為有效氮才能被植物吸收利用[9]。因此森林土壤中氮的礦化過程對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的氮循環(huán)起著十分重要的作用，同時(shí)氮的有效性與微生物的活動(dòng)、植物吸收過程、人類經(jīng)營管理、氮的固定有著緊密的聯(lián)系[10～11]。本研究表明，同種土地利用類型下，流域中游經(jīng)濟(jì)林地土壤有機(jī)碳和全氮含量均比下游高，C/N下游高于中游；農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)中游 > 上游 > 下游，土壤全氮含量表現(xiàn)為下游 > 中游 > 上游，C/N表現(xiàn)為上游 > 中游 > 下游。灌木林地土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)為中游均比下游高，C/N中游高于下游。張鵬等對祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮特征及影響因子的研究表明，隨著海拔的升高，土壤碳氮含量會(huì)降低，C/N升高[25]。這與本次研究結(jié)果基本一致。

李春燕等研究表明，四川沱江流域上、中、下游紫色土有機(jī)碳總量總體上差異顯著，且以上游區(qū)段紫色土壤有機(jī)碳總量最高；流域中下游紫色土有機(jī)碳總量在不同區(qū)段情況變化較為復(fù)雜。其中，林地以下游高于中游，果園及草坡地中游高于下游；而且菜園地、玉米地在3個(gè)區(qū)段上差異未達(dá)顯著水平[26]。本研究進(jìn)一步表明，雜谷腦河流域不同區(qū)段各土地利用類型方式下，流域下游土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地 > 灌木林地，全氮含量表現(xiàn)為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地，C/N為經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地；流域中游土壤有機(jī)碳和全氮含量均表現(xiàn)為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地，C/N表現(xiàn)為灌木林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地；流域上游土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為人工成熟林 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地 > 天然次生林地，全氮含量表現(xiàn)為天然次生林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地，C/N為人工幼齡林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 天然次生林地。這可能與雜谷腦河流域不同區(qū)段的人為活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。

[1] 任志遠(yuǎn)，張艷芳. 土地利用變化與生態(tài)評價(jià)[M]. 科學(xué)出版社，2003.

[2] 龍健，黃昌勇. 喀斯特山區(qū)土地利用方式推土壤質(zhì)量演變的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（1）：76-79.

[3]趙其國. 現(xiàn)代土壤學(xué)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1996，33（1）：1-12.

[4] 蘇永中，趙哈林. 科爾沁沙地不同土地利用和管理方式對十壤質(zhì)量性狀的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003, 14（10）：1 681-1 686.

[5] 劉全友，童依平. 北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用類型對十壤養(yǎng)分分布的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（10）：1 849-1 852.

[6] Trujililo W, AmezqutaA E, Fisher M J, et al. Soil organic carbon dynamics and the Colobiam Savannas[M]. Aggregate size distribution, boca roca: CRC press, 1997. 267-280.

[7] Karlen D L, Rosek M J, Gardner J C, et al. Conservation reserve program effects on soil quality[J]. J Soil Water Con, 1999, 54（1）：439-444.

[8] 吳建國，張小全，徐德應(yīng). 六盤山林區(qū)幾種土地利用方式下土壤活性有機(jī)碳的比較[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2004，28（5）：657-664.

[9] 鄒焱，蘇以榮，路鵬，等. 洞庭湖區(qū)不同耕種方式下水稻土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量狀況[J]. 土壤通報(bào)，2006，37（4）：671-675.

[10] 洪瑜，方晰，田大倫. 湘中丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤碳氮含量的特征[J]. 中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（6）：9-16.

[11] 張金波，宋長春，楊文燕. 三江平原不同土地利用方式下碳、氮的動(dòng)態(tài)變化[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（5）：548-550.

[12] 包維楷，陳慶恒，陳克明. 岷江上游干旱河谷植被恢復(fù)環(huán)境優(yōu)化調(diào)控技術(shù)研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1999, 10（5）：542-544.

[13] 潘攀，幕長龍，牟菊英，等. 雜谷腦河流域河谷區(qū)植被及其生物多樣性[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（5）：55-58.

[14] 何飛，慕長龍，潘攀，等. 岷江上游雜谷腦河干旱河谷植被特性研究[J]. 成都大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 24（2）： 258-261.

[15] 朱榮華. 建設(shè)和諧雜谷腦河流域的思考[J]. 四川水力發(fā)電，2006，25（2）：79-81.

[16] 李愛農(nóng)，周萬村，江小波，等. 土地利用與土地覆被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析[J]. 地球信息科學(xué)，2003，6（2）： 100-103.

[17] 樊宏，張建平. 岷江上游半干旱河谷土地利用/土地覆蓋研究[J]. 中國沙漠，2002，22（2）：274-276.

[18] 趙詠華，何興元，胡遠(yuǎn)滿，等. 岷江上游土地利用/覆被變化及其驅(qū)動(dòng)力[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（5）：862-866.

[19] 四川省阿壩藏族羌族自治州理縣地方志編纂委員會(huì). 理縣縣志[M]. 成都：四川辭書出版社，1997. 10-14.

[20] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，1999. 286-293.

[21] 黃昌勇. 土壤學(xué)[M]. 北京 ：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[22] Hagedorn W, Stroosnijer L, Bundt M, et al. The input and fate of new C in two forest soil under elevated CO2[J]. Glob Chan Bilog，2003（9）: 862-872.

[23] 李東，王子芳，鄭潔炳，等. 紫色丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)和全量氮磷鉀含量狀況[J]. 土壤通報(bào)，2009，40（2）：310-314.

[24] 呂國紅，周莉，趙先麗，等. 蘆葦濕地土壤有機(jī)碳和全氮含量的垂直分布特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006, 17（3）：384-389.

[25] 張鵬，張濤，陳年事. 祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮特征及影響因子[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（3）：518-524.

[26] 李春艷，鄧玉林，孔祥東，等. 沱江流域不同土地利用方式紫色土有機(jī)碳儲(chǔ)量特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（2）：92-94.

Characteristics of Soil Carbon and Nitrogen Content under Different Land Use at Zagunao River Basin

LIU Zheng-gang，WANG Yong-jun，WANG Xian-shuai
（Sichuan Provincial Key Lab of Forestry Ecological Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China）

Soil organic carbon and total nitrogen content under 6 different land use at different reaches (upper, middle and lower) of Zagunao River basin, Sichuan province were measured. The results showed that soil organic carbon, total nitrogen content and C/N of the river basin were in order as follows: economic forest > farmland > planted mature forest > shrub > planted young forest> natural secondary forest, farmland > economic forest > natural secondary forest > planted mature forest> shrub > planted young forest and planted young forest > planted mature forest > economic forest > shrub > farmland > natural secondary forest, respectively. With same land use at different reaches, soil organic carbon and total nitrogen content of economic forest showed middle reaches> lower reaches, soil organic carbon and total nitrogen content of farmland showed middle reaches > upper reaches> lower reaches and lower reaches> middle reaches> upper reaches respectively, and the two contents of shrub were middle reaches > upper reaches. At same reaches under different land use, the soil organic carbon and total nitrogen content separately showed economic forest > farmland > shrub and farmland > economic forest > shrub at the lower reaches; at the middle reaches, they all showed farmland > economic forest > shrub; at the upper reaches, they separately showed planted mature forest > farmland > planted young forest > natural secondary forest and natural secondary forest > planted mature forest > farmland > planted young forest.

land use; soil organic carbon; total nitrogen; Zagunao River

S714.4

A

1001-3776（2011）04-0001-05

2011-04-18；

2011-06-15

國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目“長江中上游西南山地退化生態(tài)系統(tǒng)綜合整治技術(shù)與模式”（2008BADC2B01）；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目“馬尾松低效林改造對土壤碳匯功能的影響”

劉正剛（1969-），男，重慶涪陵人，助理研究員，碩士，從事森林培育研究。