人為開墾對自然雜木林土壤有機質(zhì)的影響

楊青青, 丁兆運，余雪標，陳小花，崔喜博，李 然，高 劉

(1.海南大學(xué)環(huán)境與植物保護學(xué)院，海南 ?？?571000；2.棗莊學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，山東 棗莊 277160；3.海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南 ?？?571000)

人為開墾對自然雜木林土壤有機質(zhì)的影響

楊青青1, 丁兆運2，余雪標1，陳小花3，崔喜博1，李 然1，高 劉1

(1.海南大學(xué)環(huán)境與植物保護學(xué)院，海南 海口 571000；2.棗莊學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，山東 棗莊 277160；3.海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南 ?？?571000)

采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法對抱犢崮自然保護區(qū)同一海拔高度分布的自然生雜木林地和耕地的土壤剖面進行了有機質(zhì)測定，結(jié)果表明，在抱犢崮自然保護區(qū)自然林地和耕地的土壤中，其有機質(zhì)的分布差異明顯，自然林地的土壤有機質(zhì)于表層逐漸增多，而耕地的土壤有機質(zhì)在其剖面的分布則較為均一，自然林地總SOM﹥耕地總SOM.在兩種土地利用類型下土壤剖面上層的SOM含量最高，最大值往往出現(xiàn)在0～10 cm層，然后向下逐漸減小.結(jié)果說明，人為開墾對土壤有機質(zhì)含量有明顯影響，長期耕種會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，從而致使土壤有機質(zhì)總含量相對較低.

土壤有機質(zhì)； 土壤剖面； 人為開墾； 自然雜木林

土壤有機質(zhì)(Soil organic matter，Som)作為土壤的重要組成成分，對土壤肥力起著重要作用.SOM不僅為植物生長提供無機養(yǎng)分(氮、磷、鉀)，還在生態(tài)系統(tǒng)及碳循環(huán)中扮演重要角色[1].SOM的分布狀態(tài)及數(shù)量變化還會對陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡及全球氣候變化等方面產(chǎn)生深刻的影響.國內(nèi)外學(xué)者對SOM進行了廣泛的研究，研究內(nèi)容主要集中在不同的土地利用方式對土壤有機碳儲量與排放的影響、不同施肥制度對土壤有機質(zhì)的平衡效果、土壤碳排放的全球變化效應(yīng)與土壤呼吸效應(yīng)，土壤碳氮垂直分布規(guī)律等方面的研究[2-14].本研究以抱犢崮自然林地與耕地土壤為研究對象，對兩類土壤中有機碳的含量進行測定，分析自然林地經(jīng)人為開墾為耕地后土壤有機質(zhì)的剖面分異規(guī)律以及影響因素，評價不同的土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響，為合理開發(fā)利用土壤資源提供支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況抱犢崮國家森林公園(117°33′E，34°52′N)，位于山東省棗莊市東北20公里，棗莊市山亭區(qū)與臨沂市蘭陵縣交界處，總面積約665.5 hm2，森林覆蓋率為96.8%，崮頂海拔584 m，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫13.9 ℃，多年平均降水量898 mm，降水季節(jié)分配不均[15-17].園內(nèi)植物種類繁多，被稱為“天然植物園”.現(xiàn)初步查明有維管植物100科302屬453種，其中，喬木樹種36種，灌木樹種119種，草本植物298種，具有亞熱帶與暖熱帶兩大植物區(qū)系成分的特點，并相互滲透[17].該保護區(qū)的土壤包括棕壤與褐土兩個類型，棕壤由紫色砂質(zhì)頁巖的殘坡積物發(fā)育而成，主要分布在山體中上部；褐土成土母質(zhì)系石灰?guī)r的殘坡積物，集中出現(xiàn)在山體下部[15].

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集 于2014年3月對抱犢崮進行了實地考察，為了減少地形地勢的誤差，選擇同一海拔高度的自然雜木林和耕地，共2個采樣點，每個樣點隨機布設(shè)3個2 m×2 m的小樣方，每個小樣方內(nèi)沿對角線挖3個剖面，在每個剖面自上而下2 cm分層取樣，將各采樣點每層9個土樣混勻帶回實驗室分析.林地(LD)植被類型為自然雜木林，優(yōu)勢種為元寶槭(Acertruncatum)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、黃連木(Pistaciachinensis)、伴生種楸樹(Catalpabungei)、黃檀(Dalbergiahupeana)、苦樹(Picrasmaquas-sioides)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山合歡(Albizziakalkora)等.灌木層主要種類有黃櫨(Cotinuscoggygriavar.cinerea)、圓葉鼠李(Rhamnusglobosa)、牡荊(Vitexnegundovar.cannabifolia)、一葉荻(Se-curinegasuffruticosa)、茅莓(Rubusparvifolius)、山胡椒(Linderaglauca)等.草本層以黃背草(Themedatriandravar.japonica)、土麥冬(Liriopespicata)、酢漿草(Oxaliscorniculata)、益母草(Leonurusheterophyllus)等為主[16]，采樣深度為40 cm.耕地(GD)位于坡麓較平緩之處，在自然土壤褐土的基礎(chǔ)上經(jīng)長期的小麥、玉米輪作而成為耕地，采樣深度為30 cm.在實驗室將土樣中的植物根系、可見植物殘體和石塊去除后，混勻、風(fēng)干、研磨、過18目和100目篩后，分別裝袋以供測試.

1.2.2 分析方法 (1)土壤有機質(zhì)的測定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法[18-19]，土壤有機質(zhì)的計算方法見公式(1)：

(1)

式中：TOC——土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，%；

m1——由標準曲線查出的土樣含碳量(mg)；

1.724——有機碳換算有機質(zhì)的系數(shù)(按土壤有機質(zhì)的平均含碳量為58%計)；

1.08——氧化糾正系數(shù)；

103——將mg換算成g的系數(shù)；

m——土樣質(zhì)量(g).

(2) 土壤吸濕系數(shù)用烘干法測量[18]，根據(jù)公式(2)進行計算.

(2)

式中：W——鋁盒重量(g)；

W1——裝了風(fēng)干土的鋁盒重量(g)；

W2——烘干之后的鋁盒重量(g).

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)采用Excel2003軟件進行匯總及計算，圖形采用Grapher8軟件繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 自然林地和耕地土壤有機質(zhì)剖面分布特征

由圖1看到，LD土壤有機質(zhì)平均含量比GD低，分別為1.4%和1.8%.但二者有機質(zhì)的剖面分布形式明顯不同.LD的TOC在0～4cm段由表層的2.98%增加到峰值3.2%，從4cm處的峰值3.2%急劇降低到18cm處的0.51%.18～28cm有機質(zhì)含量從0.51%回升到1.54%.從深度28cm往下，呈現(xiàn)出波狀下降的趨勢.GDTOC的垂直變化不如LD劇烈，相對來說比較平緩.0～12cm段有機質(zhì)含量變化起伏不大，在1.8%～2.33%之間變動，最高值位于12cm處，含量為2.33%；深度12cm以下層段，TOC含量變幅較大，變動在1.48%～2.33%.

TOC總量由大到小順序為：0～20cm、20～30cm、30～40cm.在0～20cm土壤有機質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少，最大值出現(xiàn)在2cm處，且其有機質(zhì)含量占總含量的68%.這說明自然林地的土壤有機質(zhì)大部分分布在0～20cm的土層中，這是因為：林地在土壤表層有豐富的植物凋落物殘體，且這些凋落物殘體在分解過程中通過多種生化反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)各異的有機物質(zhì)，從而補充了土壤碳庫，是土壤有機質(zhì)的主要來源.林木植物根系的轉(zhuǎn)化也是土壤碳的主要來源[5].在20～30cm土層中，土壤有機質(zhì)含量隨深度增加而增大，在土壤采樣的時候觀察到這一土層出現(xiàn)大量的動物洞穴，因此可以判斷，出現(xiàn)這種逆增長可能是由于動物參與了有機質(zhì)的遷移，把表層的有機質(zhì)搬運到這一土層的緣故.有機質(zhì)含量占總含量的20%，在底部30～40cm土層中，土壤有機質(zhì)含量又隨深度增加而減小，占總含量的12%，并在36cm之后有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)趨向于穩(wěn)定值0.35%.自然林地地的土壤有機質(zhì)剖面分布主要有3個特點：一是上層有機質(zhì)含量高于下層；二是垂直變化非常顯著；三是SOM在20～30cm出現(xiàn)隨深度增加而增加的現(xiàn)象.

而耕地土壤有機質(zhì)含量在垂直剖面的變化差異較小，SOM總量由大到小順序為：0～10cm、10～20cm、20～30cm.從0cm到10cm是逐漸增大，并在10cm處出現(xiàn)最大值2.3%，原因是：植物根系主要分布在這一層，土層疏松，質(zhì)地不砂不黏，結(jié)構(gòu)良好，生物尤其是微生物的活動較強，物質(zhì)轉(zhuǎn)化快，同時透水，通氣，水、熱、氣比較協(xié)調(diào).隨后從10cm到30cm大致減少，在25cm之后趨于穩(wěn)定值1.5%，這是因為25cm之下的土層比較接近母質(zhì)層.耕地的土壤有機質(zhì)剖面分布主要有2個特點：一是總有機質(zhì)含量較低；二是有機質(zhì)在各土層的分布較平均.

圖1 自然林地地和耕地的土壤有機質(zhì)剖面分布特征圖2 自然雜木林地與耕地吸濕系數(shù)對比

2.2 影響自然林地和耕地土壤有機質(zhì)剖面分布差異的因素分析自然林地土壤是在5大自然成土因素(生物、氣候、母質(zhì)、地形和時間)綜合作用下的自然成土過程的產(chǎn)物，而耕地則是在自然林地土壤的基礎(chǔ)上，人類通過開墾、土壤改良、施肥、耕作等措施，經(jīng)土壤熟化過程的產(chǎn)物[20].因此，人類活動是影響耕地土壤有機質(zhì)分布的主要因素.從圖1可以看出，耕地土壤有機質(zhì)的垂直分布均一化，且有機質(zhì)總量小于自然林地地，主要由以下2方面原因引起：其一，抱犢崮自然保護區(qū)的農(nóng)業(yè)類型屬于粗放型的，耕作比較原始，農(nóng)作物年復(fù)一年的從土壤中吸取養(yǎng)分，政府又禁止焚燒秸稈，大部分秸稈都是從原土壤中帶出并丟棄，得不到有效的分解，土壤有機物常年輸出大于輸入；其二，翻耕開墾一方面導(dǎo)致表層土壤發(fā)生混合過程，使耕地表層土壤中的SOM均一化；另一方面，增加了土壤的通氣狀況，有機質(zhì)分解迅速而徹底，不利于有機質(zhì)的積累并可引起土壤養(yǎng)分流失[21].不僅如此，在好氣環(huán)境下，土壤中有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程廣泛的發(fā)生，使有機態(tài)物質(zhì)中所含有的碳、氮、磷等元素被分解、氧化、轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機態(tài)物質(zhì)，從而降低了耕地土壤有機質(zhì)含量[7].此外,耕地翻耕后水土流失過程加劇,加速了土壤有機碳的流失.而自然林地土壤未經(jīng)翻耕，對土壤侵蝕的抵抗能力較強，土壤有機碳不易流失，其有機質(zhì)含量高于耕地土壤.耕地是在林地的基礎(chǔ)上改良而成的，并且在長期進行小麥、玉米輪作的過程中施用無機肥，因此不利于土壤有機質(zhì)的積累.因此，耕地的土壤有機質(zhì)剖面分布比較平均，變化不大，平均值也略低于林地.

土壤質(zhì)地在一定程度上影響著有機質(zhì)的積累.一般認為，土壤吸濕系數(shù)越大，其土壤黏性也越大[6].黏土由于土粒微小，土壤中的非毛管孔隙少、毛管孔隙多，毛管作用力強，土壤透水通氣性差；但保水蓄水及保肥性能強，有機質(zhì)分解緩慢有利于積累[22].由圖2可以看出，自然林地土壤吸濕系數(shù)隨深度的變化與有機質(zhì)的變化明顯有相關(guān)性.在0～20cm隨深度增加，吸濕系數(shù)緩慢減小，土壤黏性也減弱，所以有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢.20～34cm吸濕系數(shù)急劇增大，土壤黏性也增強，所以有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢，并且在34cm達到最大值(約10.29%)，土壤黏性達到最強，因而會導(dǎo)致本土層土壤通氣狀況不良，有機質(zhì)則發(fā)生嫌氣分解，其速度緩慢且分解也不徹底，常產(chǎn)生還原態(tài)產(chǎn)物如CH4、H2S、CO、NH3，并伴隨低價鐵、錳等有毒有害物的形成，最終制約有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化并危害植物正常生長[23].從圖2可以看出，在0～14cm的土層中，土壤吸濕系數(shù)大致緩慢增大的，與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的分布相關(guān)性較差，因為耕地上層是農(nóng)業(yè)活動最強烈的土層，農(nóng)業(yè)的施肥、灌溉、翻耕、種植等活動是影響有機質(zhì)含量的重要因素，而不取決于土壤質(zhì)地.在14cm處出現(xiàn)最大值(5.36%)，猜測可能是偶然因素導(dǎo)致的.在14cm以下，受農(nóng)業(yè)活動的影響相對比14cm以上土層較小，土壤吸濕系數(shù)隨深度增加而大致減小，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)也相同.耕地土壤吸濕系數(shù)和自然林地地土壤吸濕系數(shù)的相關(guān)性不顯著，耕地土壤吸濕系數(shù)垂直變化比自然林地平緩.這也說明農(nóng)業(yè)活動能改良土壤質(zhì)地，使土壤質(zhì)地在垂直變化上更均勻.

3 結(jié) 論

(1)抱犢崮自然保護區(qū)自然林地SOM自表層向下逐漸減小，在0～20cm土壤有機質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少，有機質(zhì)含量占總剖面含量的68%；在20～30cm土層中，土壤有機質(zhì)含量隨深度增加而增大，占總含量的20%；在底部30～40cm土層中，土壤有機質(zhì)含量又隨深度增加而減小，占總含量的12%，并在36cm之后有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)趨向于穩(wěn)定值0.35%.最大值出現(xiàn)在2cm處.

(2)耕地表層SOM含量大于下層，在0～10cm段SOM逐漸增大，10cm處出現(xiàn)最大值2.3%；隨后從10cm到30cm大致減少.

(3)抱犢崮自然保護區(qū)自然林地和耕地土壤有機質(zhì)剖面分布差異明顯.自然林地土壤有機質(zhì)在剖面分布上呈表聚分布型，而耕地土壤有機質(zhì)的剖面分布較為均一.自然林地總SOM﹥耕地總SOM.較強的生物積累使雜木林地具有較高的土壤有機質(zhì)含量，耕地經(jīng)長期耕種且水土流失嚴重，其土壤有機質(zhì)總含量相對較低.

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Effects of Artificial Reclamation on Soil Organic Matter in Natural Mixed Forest

Yang Qingqing1，Ding Zhaoyun2, Yu Xuebiao1, Chen Xiaohua3, Cui Xibo1, Li Ran1, Gao Liu1

(1. School of Environment and Plant Protection, Hainan University, Haikou 571000, China; 2. School of Tourism, Resources and Environment, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China; 3. School of Agricultural College, Hainan University, Haikou 571000, China)

In the report, the heat of hydration of potassium dichromate oxidation-colorimetric method was performed to determine the soil organic matter of the natural born mixed forest and farmland from the same altitude of Baodugu Nature Reserve. The results showed that there are obvious distribution differences of soil organic matter between the natural woodland and farmland. On the surface of natural forest, soil organic matter increased gradually, however, in the section, the distribution of soil organic matter of arable land is more uniform than that of farmland. SOM of natural forest soil is greater than that of cultivated land. SOM of the upper soil profile of two types of land was the highest, the maximum value often appears in the 0～10 cm layer, and then, decreases downwards. Our findings suggested that artificial reclamation had obvious effects on the content of soil organic matter, the cultivation for a long period result in the loss of soil nutrient, and the soil organic matter and total content is relatively low.

soil organic matter; soil profile; artificial cultivation; natural mixed forest

2015-05-06

海南省科技廳耕地改良項目子課題“新型液體肥料研制與配套施用技術(shù)示范”(MI26377010)；棗莊學(xué)院國家級基金預(yù)研究項目(1131001)；海南大學(xué)研究生處“海南大學(xué)林業(yè)與生態(tài)研究生實踐基地”項目(01J1N10001003)

楊青青(1992-)，男，江西瑞金人，海南大學(xué)環(huán)境與植物保護學(xué)院2014級碩士研究生，E-mail:624767243@qq.com

丁兆運(1966-)，男，山東薛城人，副教授，博士，研究方向：環(huán)境地理研究，E-mail:ding6888@163.com

1004-1729(2015)04-0372-05

S 7

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0065