黃土溝壑區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分及其與土壤顆粒組成關系

張 宏 ，劉建軍

（1.西北農林科技大學 a.林學院；b.風景園林藝術學院，陜西 楊凌 712100；2.寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 銀川 750000）

黃土溝壑區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分及其與土壤顆粒組成關系

張 宏1a，2，劉建軍1b，2

（1.西北農林科技大學 a.林學院；b.風景園林藝術學院，陜西 楊凌 712100；2.寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 銀川 750000）

對黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同土地利用方式下土壤表層及剖面養(yǎng)分的分布特征及其與顆粒含量之間的關系進行了研究，結果表明：（1）喬木林地表層土壤具有較高的氮素、有機質及全鉀（與灌木林地、草地、農田均達到了極顯著差異）；農田表層土壤具有較高的磷素及速效鉀；喬木林地、灌木林地、草地及農田土壤有機質均隨土壤深度的增加呈幾何級數(shù)下降；土壤氮素在不同土地利用方式中的變化情況與有機質一致；農田磷素含量高于其它3種土地利用方式；不同土地利用方式下土壤鉀素含量差異不顯著，喬木林地土壤全鉀含量略高，農田土壤的速效鉀含量高于其它3種土地利用方式。（2）通過對土壤不同粒級與土壤養(yǎng)分的相關性分析，土壤各粒級（粉粒除外）與土壤養(yǎng)分之間具有顯著相關作用；其中土壤的碳、氮和鉀含量均與粘粒含量呈正相關，與砂礫含量呈負相關，磷含量則相反。

土地利用方式；土壤養(yǎng)分；分布特征；土壤顆粒組成

黃土高原是我國乃至世界水土流失最為嚴重的區(qū)域，由水土流失帶來的土地退化問題一直是困擾黃土高原社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一[1]。在水土流失嚴重的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，土壤養(yǎng)分既是植被生長、植被恢復[2]以及土壤侵蝕過程[3]的主要影響因子，也是土壤肥力的重要標志。土壤養(yǎng)分的退化是限制黃土高原植被恢復的主要因素，土壤養(yǎng)分對黃土高原生態(tài)恢復和改善起著極其重要的支撐作用[4]。土地利用是人類利用土地各種活動的綜合反映，不同的土地利用方式以及不同的管理措施將直接影響到土壤養(yǎng)分，必然導致土壤性質的變化以及土地生產力的改變[5]。合理的土地利用方式可以改善土壤結構，增強土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力，不合理的土地利用方式會導致土壤肥力下降[6]，增強土壤侵蝕，降低生物多樣性[7]。同時，已有研究表明，土壤顆粒組成的不同是造成土壤養(yǎng)分差異的最主要的內在原因[8]。因此，研究該區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的分布特征及其與土壤顆粒組成之間的關系，對于黃土高原丘陵溝壑區(qū)的合理施肥、減少養(yǎng)分流失量，提高土地生產力和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于陜西省關中西陲千陽縣南部 冉 家 溝 流 域（34°34′～ 34°36′N，107°06′～107°22′E，海拔 800～ 1 430.5 m）。該區(qū)年平均氣溫11.8 ℃，最熱月（7月）平均氣溫為24.5 ℃，最冷月（1月）平均氣溫為-1.6 ℃，大于10 ℃年積溫3 320 ℃，無霜期167 d，年日照時數(shù)2 100～2 200 h。年平均降水量627.4 mm，主要集中在6～8月。該區(qū)屬渭北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地形復雜多樣，地勢從西南向東北千河谷底傾斜，地貌明顯分為丘陵、山臺、川三部分。

該區(qū)植被屬暖溫帶落葉闊葉林，喬木樹種主要以刺槐Robinia pseudoacacia、側柏Platycladus orientalis、 油 松Pinus tabuliformis、 毛 白 楊Populus tomentosa為主；主要為人工林。少量側柏和毛白楊為天然次生林。地被植物主要有荊條Vitex negundovar.heterophylla（天然灌叢）、龍牙草Agrimonia pilosa、白羊草Bothriochloa ischaemum、鐵桿蒿Artemisia gmelinii、長芒草Stipa bungeana、紫花地丁Viola phitippica等。

采樣地設置在冉家溝流域中部。該流域中下游以黃性土為主，兼有少量白墡土，流域源頭主要為紅土，兼有少量粗骨土分布，土層淺薄，石礫含量高，土壤肥力較低，保土蓄水功能差。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集與處理

2012年7月中旬在千陽縣冉家溝流域依據(jù)相同的地形部位和不同土地利用現(xiàn)狀（喬木林、灌木林、草地、農田）布設樣地（樣地基本情況見表1）。每塊樣地（20 m×20 m）隨機設置面積1 m×1 m的樣方3個，除去地塊表層的覆蓋物（地表凋落物及半腐殖質層）后做100 cm深土壤剖面，每20 cm為一層分五層取樣，每層采集土壤樣品量不低于1 000 g。將樣品帶回實驗室，放置試驗臺上，使其自然風干，稱量土樣質量，挑出土樣中石粒、枯枝落葉及植物根系，稱其質量；將撿過雜質的土壤碾細，用400目篩過篩，土樣備用。

表1 樣地概況Table 1 Outlines of the plots

1.2.2 樣品分析

分析項目包括土壤顆粒組成（粘粒、粉粒、砂礫）以及N、P、K全量、有機質、速效氮、速效磷和速效鉀。具體分析方法是：顆粒組成采用美國S3500型激光粒度儀測定[9]；土壤養(yǎng)分測定采用常規(guī)分析方法[10]。全氮，凱氏法消解、全自動凱氏定氮儀測定；全磷，H2SO4-HClO4消解、鉬銻抗比色法；全鉀，NaOH熔融、火焰光度法；有機質，重鉻酸鉀容量法；速效氮，1.0 mol/L KCL浸提、AA3連續(xù)流動分析法；速效磷，0.5 mol/L NaHCO3浸提、硫酸鉬銻抗比色法；速效鉀，1.0 mol/L NH4OAc浸提、火焰光度法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進行原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析；Origin 9.0進行土壤養(yǎng)分與不同粒級顆粒含量之間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分分析

2.1.1 土地利用方式與表層土壤養(yǎng)分關系

在喬木、灌木、草地和農田4種不同土地利用方式下，土壤表層養(yǎng)分之間的差異極其顯著（見表2～5）。土壤表層（0～20 cm）有機質在幾種土地利用類型之間的比較是：喬木林＞灌木林＞草地＞農田。由表2可知，喬木林地中有機質含量（12.137 g/kg）位居第一，與灌木林、草地以及農田均達到極顯著差異；灌木林有機質含量高略高于草地，但沒有達到顯著差異；農田由于連年耕作，有機質含量消耗嚴重，且得不到及時的補充，與灌木地和草地均達到了極顯著差異。這正是體現(xiàn)了林地所受到的人為干擾較小，對自然因子抵御能力強的獨特優(yōu)勢。全氮、全鉀及速效氮在土壤表層（0～20 cm）的分布情況基本與有機質相似，均表現(xiàn)為；喬木林＞灌木林＞草地＞農田，全氮在四種土地利用方式中都達到了極顯著差異；喬木林的速效氮含量顯著高于灌木林、草地以及農田，速效氮在灌木林及非林地中卻未達到顯著差異。這說明雖然有機質、全氮、速效氮呈現(xiàn)很好的相關性，但是往往C/N才是反應土壤熟化程度的重要指標。土壤表層全磷、速效磷和速效鉀在林地、灌木地、草地中均未達到顯著差異，農田由于施肥的原因，土壤表層全磷、速效磷及速效鉀與林地、灌木地及草地達到極顯著差異。

2.1.2 不同土地利用方式下土壤有機質變化

由表2可知，土地利用方式對土壤有機質含量有明顯的影響。喬木林、灌木林、草地、農田4種利用方式的土壤有機質含量分別為1.82～12.14 g/kg、2.79～ 10.34 g/kg、1.20～ 9.11 g/kg、1.40～ 6.81 g/kg，平均為 5.46 g/kg、5.13 g/kg、3.77 g/kg、3.62 g/kg，總體表明有機質含量為喬木林＞灌木林＞草地＞農田。不同土地利用方式下土壤有機質含量在0～100 cm土層均下降，因為土壤隨著表層到底層的深度變化，土壤團粒結構發(fā)生明顯的分層，表層的團粒結構松散，可以有效的吸附一些離子、微粒。而土層越深，團粒結構越是緊密，使得每個團粒之間更加緊密，不宜吸附。在0～60 cm土層內，4種土地利用方式，都下降較快，以喬木林地養(yǎng)分下降幅度最大；60 cm土層下，土壤有機質也下降，但下降趨勢明顯變緩。喬、灌木林地的土壤有機碳隨著土壤厚度的增加下降速率較農田和草地快，主要是因為林地陡峭，且土壤石粒含量高，比平緩的黃土地淋溶性強，導致土壤中養(yǎng)分下降速率快。

表2 不同土地利用方式下土壤有機質分數(shù)測定Table 2 Quality score of organic matter in different land use types g/kg

2.1.3 不同土地利用方式下土壤氮素變化

由表3可知，喬木林、灌木林、草地、農田土壤全氮含量和速效氮含量分別為0.39～1.09 g/kg、0.34～ 0.78 g/kg、0.33～ 0.65 g/kg、0.33～ 0.49 g/kg和22.46～62.96 mg/kg、18.67～45.47 mg/kg、18.14～ 42.62 mg/kg、18.91～ 39.77 mg/kg， 全氮總體平均值為0.62 g/kg、0.48 g/kg、0.42 g/kg、0.38 g/kg，速效氮總體平均值為35.79 mg/kg、27.78 mg/kg、24.84 mg/kg、24.37 mg/kg，即土壤氮（全氮、速效氮）含量為喬木林＞灌木林＞草地＞農田。由此可以看出，喬木林、灌木林、草地、農田4種土地利用方式下土壤氮素含量在0～100 cm的分布情況與有機質相似，均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。

2.1.4 不同土地利用方式下土壤磷素變化

表3 不同土地利用方式下土壤氮素含量測定表Table 3 Quality score of nitrogen in different land use types

由表4可知，喬木林、灌木林、草地、農田土壤全磷含量和速效磷含量分別為0.60～0.63 g/kg、0.56～0.61 g/kg、0.57～0.63 g/kg、0.70～0.74 g/kg和3.87～6.94 mg/kg、3.70～6.80 mg/kg、2.28～5.19 mg/kg、5.71～8.96 mg/kg，且全磷總體平均值為0.61、0.59、0.59、0.72 g/kg，速效磷總體平均值為5.51、5.35、3.73、7.23 mg/kg，即土壤全磷含量為喬木林≈灌木林≈草地＜農田，速效磷含量為草地＜喬木林≈灌木林＜農田。農田土壤因人為耕作及施用磷肥的影響，土壤全磷含量高于喬木林、灌木林、草地3種利用方式。因此，土地利用方式對土壤全磷含量無明顯影響。草地的速效磷含量較低；喬木林和灌木林速效磷含量差異不顯著；農田由于連年施用大量磷肥，其速效磷含量高于喬木林、灌木林、草地3種土地利用方式。

表4 不同土地利用方式下土壤磷含量測定表Table 4 Quality score of phosphorus in different land use types

2.1.5 不同土地利用方式下土壤鉀素變化

由表5可知，喬木林、灌木林、草地、農田土壤全鉀含量和速效鉀含量分別為21.66～22.19 g/kg、20.03～ 20.14 g/kg、19.34～ 19.42 g/kg、19.19～19.41 mg/kg和111.00～161.98 mg/kg、97.58～ 130.27 mg/kg、109.17～ 142.31 mg/kg、112.95～202.26 mg/kg，且全鉀總體平均值為21.87 g/kg、20.11 g/kg、19.38 g/kg、19.34 g/kg，速效鉀總體平均值為124.58 mg/kg、106.44 mg/kg、117.63 mg/kg、134.77 mg/kg，土壤全鉀含量表現(xiàn)為喬木林＞灌木林＞草地≈農田，速效鉀含量表現(xiàn)為農田＞喬木林＞草地＞灌木林。喬木林、灌木林、草地及農田4種土地利用方式下土壤全鉀在整個剖面的變幅不大。土壤速效鉀垂直空間分布規(guī)律為表層（0～20 cm）土壤中速效鉀含量顯著高于其它各層，速效鉀在除表層（0～20 cm）以外的其它各層含量的變化幅度不大。主要因為速效鉀可以通過植物循環(huán)向上運移，從而使表土中相對含有更高的速效鉀。

表5 不同土地利用方式下土壤鉀質量分數(shù)測定表Table 5 Quality score of potassium in different land use types

2.2 土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分之間的關系

對黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分與不同粒級土粒含量之間的相關性進行分析，結果表明除了粉粒與土壤養(yǎng)分含量的相關系數(shù)很?。ǎ?.200），沒有通過顯著性檢驗外，其余的土壤各粒級與土壤養(yǎng)分之間的相關系數(shù)都通過了顯著性檢驗（表6所示），這說明土壤質地和土壤養(yǎng)分之間確實有著密切的聯(lián)系。通過表7我們可以發(fā)現(xiàn)，除了磷素以外的其它土壤養(yǎng)分都與土壤中粘粒含量呈正相關，與砂礫含量呈負相關，與粉粒含量無顯著相關性。由此可見，該區(qū)土壤中的養(yǎng)分主要貯存于粘粒中。

表6 土壤養(yǎng)分與不同粒級顆粒含量之間的相關系數(shù)?Table 6 Relationship between soil nutrients and soil granule content

3 結論與討論

3.1 討 論

近年來，有關土地利用方式與變化對土壤性質和肥力的影響研究逐漸增多。不同的土地利用方式對土壤養(yǎng)分有顯著的影響。本研究中，喬木林、灌木林、草地和農田4種土地利用方式下土壤有機質含量在0～100 cm土層均下降，并且表層有機質含量遠遠高于其它各層。這與Arrouays[11]等在垂直分布上有機質含量與土層深度密切相關，隨深度增加呈下降趨勢的研究結果一致。有機質在土壤層中呈現(xiàn)出這種垂直空間分布規(guī)律是由有機質的差異和土壤的結構組成共同作用引起的，有機質的含量主要取決于有機物的輸入量和輸出量[12]，洪瑜[13]等認為有機質主要來源于植物、動物、微生物殘體和根系分泌物，并處于不斷分解與形成的動態(tài)過程中，Jiang[14]的研究表明在自然生態(tài)系統(tǒng)中，土表枯枝落葉和細根的周轉是有機質輸入的主要途徑，由于表土中有機質輸入量大，土壤有機質含量一般隨剖面深度的增加而降低，彭佩欽[15]等研究也表明表層有機質含量高于下層。在4種土地利用方式中，林地土壤有機質含量高最高，這是因為在喬木覆蓋下土壤枯枝落葉等凋落物含量高，而且在根系分泌物的分解過程中會釋放養(yǎng)分到土壤中[16]，故林地土壤中有機質含量高；農田有機質含量最低，該地區(qū)農田主要種植小麥等糧食作物，隨著耕作年限的增加及作物產量的提高，土壤有機質消耗較大，雖然每年都有肥料的施入，但由于頻繁耕作活動加速了土壤的礦化作用，因而相對來說有機質含量最低。土壤氮含量垂直空間分布與有機質相似，這與方晰[17]的研究結果一致。因為土壤中的氮素99%以上來源于有機質，以腐殖質的形式存在。因此，土壤中有機質含量增加，可以間接增加土壤氮素含量。土壤表層為土壤、植被、大氣間物質能量交換的界面，生物小循環(huán)過程旺盛；植物殘體及凋落物也集中在表層，有機質的積累和分解使得表層全氮含量遠高處底層[18]。熊漢鋒[12]的研究也表明，土壤全氮在土壤剖面中垂直變化的趨勢是從上到下逐漸降低，與有機質的變化相同。土壤磷含量的高低，受土壤母質、成土作用和耕作施肥的影響很大。研究區(qū)土壤均發(fā)育于黃土性母質的石灰性土，成土作用基本相同，農田由于施用P肥的原因，土壤表層磷素與林地、灌木地及草地達到極顯著差異。但是，即使沒有任何化肥和農藥的使用，全磷含量也不會隨著耕種而降低。已有報道，一些森林土壤的全磷含量要普遍小于農業(yè)用地的土壤全磷含量[19]。不同土地利用方式下土壤全鉀含量差異不顯著，林地全鉀含量稍高于其它土地利用方式。因為林草覆蓋下，土壤表層濕度大，加速了土壤表層凋落物的分解，促進養(yǎng)分的釋放，從而增加了全鉀的含量[16]。

土壤顆粒組成對持水性和保肥能力有明顯的影響，土壤顆粒組成的不同是造成土壤養(yǎng)分差異的主要內在原因之一[8]。土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分含量密切相關[20]，土壤有機質、氮和鉀含量均隨粘粒含量增加而增加，說明該區(qū)域土壤養(yǎng)分受土壤質地的影響較大，這與以往的研究結果一致[21-22]。對于土壤磷與粘粒含量的關系，姚軍[23]等認為土壤速效磷含量是輕壤土明顯高于砂壤土、中壤土、重壤土和粘土，隨粘粒含量的提高，速效磷含量降低，這與本研究結果一致。但也有研究表明，速效磷含量主要受細粘粒的影響，隨其含量的增加而增加[24]。分析造成該區(qū)土壤養(yǎng)分與不同顆粒含量之間這種相關性關系的可能原因有以下幾點:一方面是不同土地利用方式下土壤顆粒組成差異大，即使同種土地利用方式，土壤顆粒組成也會存在差異；另一方面該區(qū)是水土流失嚴重的區(qū)域，水土流失導致水分徑流量增加，滲透減少，儲水能力下降，有機質和養(yǎng)分含量減少，土壤層變薄，有研究表明，氮、磷、有機質的流失量與土壤侵蝕量有較好的線性關系，達到極顯著正相關[25]。

3.2 結 論

（1）喬木林地表層土壤具有較高的氮素、有機質及全鉀（與灌木林地、草地、農田均達到了極顯著差異）；受施肥狀況的影響，農田表層土壤具有較高的磷素及速效鉀；喬木林地、灌木林地、草地及農田土壤有機質均隨土壤深度的增加呈幾何級數(shù)下降；土壤氮素在不同土地利用方式中的變化情況與有機質一致；農田磷素含量高于其它3種土地利用方式；不同土地利用方式下土壤鉀素含量差異不顯著，喬木林地土壤全鉀含量略高，農田土壤的速效鉀含量高于其它3種土地利用方式。

（2）通過對土壤不同粒級與土壤養(yǎng)分的相關性分析，土壤各粒級（粉粒除外）與土壤養(yǎng)分之間具有顯著相關作用；其中土壤的碳、氮和鉀含量均與粘粒含量呈正相關，與砂礫含量呈負相關，磷含量則相反。

（3）建議在黃土溝壑區(qū)重點發(fā)展林木業(yè)，用養(yǎng)結合，以利于該區(qū)域農業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

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Distribution of soil nutrient under different land use and relationship between soil nutrient and soil granule composition in Loess hilly region

ZHANGH Hong1,3, LIU Jian-jun2,3
(1a. College of Forestry,b.College of Landscape Architecture and Arts, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shanxi, China;2. Helan Mountains Forest Ecosystem Research Station of Ningxia, Yinchuan 750000, Ningxia, China)

Distribution of soil nutrient content and relationship between soil nutrient and soil granule composition in Loess hilly region.The results were as follows: (1) For N, organic matter or total K, the contents of woodland were the higher, which had the signi fi cant difference from other land use types (at 95% level); for P and available K, the farmland were the higher; the pro fi le organic matter of all land use types with geometric series as the depth of soil increased; the N had same variation with the organic matter in different land use types; the P of farmland was higher than other 3 land use types; the K was not signi fi cant difference in different land use types, the woodland had the higher total K, farmland had the higher available K than other 3 land use types. (2) The correlation analysis to different particle and soil nutrient showed that different particle had the signi fi cance correlation with soil nutrient (exit silt particle); the organic matter, N or K were positively correlated with clay particle, were negatively correlated with sand particle, the P was opposite.

land use types; soil nutrient; distribution feature; soil granule composition

S714.8

A

1673-923X(2016)11-0080-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.014

2016-02-23

國家科技支撐計劃課題“困難立地植被恢復技術研究與示范”（2015BAD07B02）

張 宏，碩士研究生 通訊作者：劉建軍，教授；E-mail：ljj@nwsuaf.edu.cn

張 宏，劉建軍.黃土溝壑區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分及其與土壤顆粒組成關系[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(11): 80-85.

[本文編校：吳 毅]