基于中紅外光譜法土壤理化性質(zhì)與穩(wěn)定性同位素剖面分布

馬懷霞, 閻 凱, Gbadamassi G.O.Dossa, 許建初

(1.中國(guó)科學(xué)院 昆明植物研究所東亞植物多樣性與生物地理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650201;2.中國(guó)科學(xué)院 昆明植物研究所山地生態(tài)研究中心, 昆明 650201;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.世界農(nóng)用林業(yè)中心, 昆明 650201)

隨著人類不斷擴(kuò)大土地的利用范圍，加劇對(duì)土地利用的強(qiáng)度，不同的土地利用方式也更顯著的影響著土壤理化性質(zhì)。在許多熱帶—亞熱帶發(fā)展中國(guó)家，土地利用方式正在快速變革，尤其是東南亞，大面積的熱帶被改造成農(nóng)業(yè)用地，由此帶來(lái)的土壤理化性質(zhì)的變化是值得我們深入探究的。老撾是東南亞唯一的內(nèi)陸國(guó)，農(nóng)業(yè)人口占全國(guó)人口的90%左右，農(nóng)業(yè)作為老撾的支柱型產(chǎn)業(yè)，占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的51%[1]。其境內(nèi)80%地區(qū)為山地和高原，潛在耕地面積約800萬(wàn)hm2，而實(shí)際耕地面積約80萬(wàn)hm2，總利用率非常低，僅約10%[2]。老撾北部多山，與中國(guó)云南接壤，人文差異小，土地資源豐富，但是受農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的限制，土地利用率低。了解老撾北部山區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況及其分布特點(diǎn)，對(duì)可持續(xù)開發(fā)和利用老撾的土地資源具有導(dǎo)向型作用[3]。

近年來(lái)，關(guān)于不同土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量及其垂直分布的影響，不少學(xué)者分別基于不同研究區(qū)域探討了土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，結(jié)果表明土壤理化性狀的變化與土地利用方式有密切關(guān)系[45]。土壤有機(jī)碳和氮素是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)碳和氮素作為土壤微生物能源和最主要營(yíng)養(yǎng)元素，能夠驅(qū)動(dòng)土壤中碳氮磷硫等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)，影響土壤的理化性質(zhì)以及養(yǎng)分供應(yīng)能力[6]。并且土壤有機(jī)碳是控制土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，土壤有機(jī)碳的流失可以導(dǎo)致土壤肥力和土壤質(zhì)量下降，影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。土地利用變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的最大因素之一，也是僅次于化石燃燒而使大氣CO2濃度急劇增加的最主要人為活動(dòng)[8]。人為活動(dòng)引起的土地利用變化可能會(huì)通過(guò)與生境擾動(dòng)相結(jié)合改變進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w數(shù)量與種類來(lái)間接影響土壤有機(jī)質(zhì)的累積和分解速率，最終造成土壤總有機(jī)碳和全氮含量的變化[9],進(jìn)而影響其他養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化。另外，土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定碳氮同位素組成(δ13C 和δ15N 值)能有效地闡明土壤有機(jī)碳和氮的遷移與轉(zhuǎn)化以及評(píng)估土壤有機(jī)質(zhì)分解程度，是研究土壤碳氮循環(huán)的有力工具。有研究表明，土地利用變化還會(huì)影響不同粒徑土壤顆粒之間的轉(zhuǎn)化和再分布，而土壤有機(jī)碳和全氮含量的變化在不同粒徑土壤中對(duì)土地利用變化的響應(yīng)也會(huì)有所差異[10]。因此，僅對(duì)土壤中有機(jī)碳和全氮進(jìn)行測(cè)定顯然很難及時(shí)、準(zhǔn)確反映不同土地利用類型下土壤質(zhì)量的內(nèi)在差異。

漫反射紅外光譜是對(duì)固體樣品粉末進(jìn)行直接測(cè)量，操作簡(jiǎn)便、快速，能夠非破壞的對(duì)各種樣品進(jìn)行快速、精確的分析，加上分析儀器的數(shù)字化和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的發(fā)展，運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法已能很好地進(jìn)行光譜信息的提取及解決背景干擾方面的影響。其中中紅外漫反射光譜比近紅外漫反射光譜的譜帶信息更強(qiáng)，更穩(wěn)定，信息提取更容易。

目前受常規(guī)分析耗時(shí)費(fèi)用昂貴的限制，鮮有研究針對(duì)較大研究區(qū)域進(jìn)行多樣本取樣，同時(shí)對(duì)土壤的多項(xiàng)理化性質(zhì)進(jìn)行分析，本研究選擇老撾北部的烏多姆賽省的孟本為研究區(qū)，利用中紅外漫反射光譜法快速分析土壤理化性質(zhì)，研究竹林、耕地、休耕地、橡膠林、森林和次生林6種土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的剖面分布的影響，以期為可持續(xù)開發(fā)利用合理管理老撾土地資源提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

老撾北地勢(shì)高低起伏，地貌類型多丘陵山地。海拔范圍為196～2 266 m，坡度在40°以內(nèi)范圍，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度高于20 ℃[11]。選擇老撾北部的烏多姆賽省的孟本地區(qū)(東經(jīng)101.79°—101.87°，北緯 20.41°—20.49°)作為監(jiān)測(cè)和調(diào)查樣區(qū)，選取一個(gè)10 km×10 km的區(qū)域作為試驗(yàn)調(diào)查樣地，包含16個(gè)2.5 km×2.5 km的小區(qū)域,利用程序隨機(jī)在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)圓心，以564 m為半徑的圓圈范圍作為一個(gè)群集(cluster)，再次利用程序在每個(gè)群集中隨機(jī)選取10個(gè)0.1 hm2(1 000 m2)的樣地(plots)。本試驗(yàn)在孟本地區(qū)總共有160個(gè)雙重隨機(jī)嵌套分層抽樣的樣地，雙重隨機(jī)嵌套分層抽樣的設(shè)計(jì)方法可以最小化由便利抽樣所帶來(lái)的偏差，可以多維度的了解不同空間尺度復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。這160個(gè)樣地包含的土地利用類型有森林(61個(gè))，次生林(41個(gè))，橡膠林(4個(gè))，竹林(3個(gè))，耕地(41個(gè))，休耕地(10個(gè))森林是30 a以上的熱帶雨林，主要樹種有紫檀屬(Pterocarpus)、石柯屬(Lithocarpus)、栗屬(Castanea)、龍船花屬(Ixora)、茜草屬(RadixRubiae)、木姜子屬(Litsea)、火焰樹屬(Pathodea)、無(wú)患子屬(Sapindus)、銀柴屬(Aporusa)等，當(dāng)?shù)卮迕裰皇窃谏种羞M(jìn)行薪材和蘑菇的收集，絕大多數(shù)森林沒有任何人為活動(dòng)。次生林是停止耕種4～10 a的退耕還林地，現(xiàn)在只是用于薪材和蘑菇的收集或者無(wú)人為干預(yù)，主要樹種有黃牛木屬(CratoxylumBI.)、紫薇屬(Lagerstroemia)、血桐屬(MacarangaThou.)、番荔枝屬(Annona)、茜草屬(RadixRubiae)、巴豆屬(Croton)和椴樹屬(Tilia)等。橡膠林均是單一種植橡膠，耕種年份在3～7 a間，施用除草劑。竹林是受村民保護(hù)的原始森林，只是進(jìn)行一些木材的收集，主要樹種有無(wú)患子屬(Sapindus)、牡荊屬(Vitex)、榕屬(Ficus)、茜草屬(RadixRubiae)、紫薇屬(Lagerstroemia)、楝屬(Melia)、山礬屬(SymplocosJacp)、倒吊筆屬(Wrightia)、錦葵科(Malvaceae)、木姜子屬(Litsea)、巴豆屬(Croton)、龍船花屬(Ixora)、栲屬(Castanopsis)、番荔枝屬(Annona)、葉下珠屬(Phyllanthus)、柯屬(Lithocarpus)和黃檀屬(Dalbergia)等。耕地年限均小于50 a，屬于刀耕火種的遷移農(nóng)業(yè)，絕大多數(shù)耕地只種植了3～4 a玉米、水稻、西瓜和香蕉等農(nóng)作物，還有一部分是剛剛進(jìn)行了毀林開荒的刀耕火種作業(yè)。休耕地屬于刀耕火種休憩地，主要種植玉米水稻2～4 a后停止耕種。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 土壤樣品采集與分析

于2015年9月在老撾孟本境內(nèi)進(jìn)行土壤樣品采集。在去除土壤表面落葉等后，對(duì)6種土地利用方式土壤分4層進(jìn)行采樣：0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm，80—110 cm。在20℃風(fēng)干3 d,碾碎后過(guò)2 mm的聚乙烯篩以篩除碎石、卵石以及植物殘骸,每份樣品取15 g研磨后過(guò)0.5 mm 的聚乙烯篩。使用Bruker公司開發(fā)的ALPHA FT-IR 光譜分析儀進(jìn)行土樣的中紅外漫反射光譜掃描，搭配使用光譜分析OPUS(Optics Users Software)軟件進(jìn)行光譜圖的制作和基線校正導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換，電腦運(yùn)行R軟件，通過(guò)R程序包和隨機(jī)森林算法，進(jìn)行光譜信息的識(shí)別及數(shù)字化轉(zhuǎn)化、并與同一樣品的常規(guī)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，再通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)建立數(shù)據(jù)庫(kù)和建立模型后，“一鍵式”對(duì)待檢土壤樣品待測(cè)組分。土壤測(cè)定項(xiàng)目主要包括：土壤pH、有機(jī)碳(OC)、總氮(TN)、碳氮比、土壤全磷含量、土壤全鉀含量、土壤不同顆粒(砂粒、粉粒、黏粒)的百分比組成、土壤穩(wěn)定碳氮同位素(δ13C和δ15N)組成。

2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

樣地?cái)?shù)據(jù)采用R進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)對(duì)不同土地利用方式、不同土層之間土壤養(yǎng)分在α=0.05上的顯著性差異進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，不同處理間的多重比較采用scheffe成對(duì)檢驗(yàn)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式土壤pH剖面分異

所有用地類型中pH值均為酸性，與劉志強(qiáng)等人的研究一致[3]。所有土層中，耕地的pH都高于其他幾個(gè)用地類型，并且在0—20 cm土層中，pH值大小為：耕地>竹林>休耕地>次生林>森林>橡膠林，耕地的pH值顯著高于森林、橡膠林和次生林的(p<0.05)；20—50 cm土層中，pH值大小為：耕地>竹林>休耕地>橡膠林>次生林>森林，耕地的pH值顯著高于森林和次生林的(p<0.05)，50—80 cm和80—110 cm土層中，pH值大小為：耕地>橡膠林>竹林>休耕地>次生林>森林，耕地的pH值顯著高于森林和次生林的(p<0.05)。由于施肥的原因，導(dǎo)致耕地的pH高于其他用地類型。竹林、森林和次生林的pH較低，是因?yàn)橥寥辣韺佑写罅康目葜β淙~，分解過(guò)程向土壤釋放大量的有機(jī)酸，并且土壤腐殖質(zhì)含量較高也導(dǎo)致土壤酸化，受熱帶地區(qū)水分溫度的影響，土壤次生母質(zhì)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量的鋁離子，基本粒子的淋溶作用也加劇了土壤酸化。由圖1可知，耕地的標(biāo)準(zhǔn)誤差較大，這與耕地組內(nèi)樣地?cái)?shù)量較多，并且各樣地所耕作年份和種植作物不同有關(guān)。pH值在各土地利用方式下，隨土層變化不大，差異并不顯著(p<0.05)。

圖1 不同土地利用方式下不同土層土壤pH值

3.2 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳剖面分異

由圖2所知，0—20 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量的排序?yàn)椋褐窳?19.06 g/kg)>森林(16.46 g/kg)>次生林(14.70 g/kg)>耕地(14.48 g/kg)>休耕地(13.30 g/kg)>橡膠林(12.49 g/kg)；20—50 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量的排序?yàn)椋褐窳?12.55 g/kg)>森林(11.82 g/kg)>耕地(11.39 g/kg)>次生林(10.95 g/kg)>休耕地(10.15 g/kg)>橡膠林(10.01 g/kg)；50—80 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量的排序?yàn)椋褐窳?10.58 g/kg)>耕地(10.36 g/kg)>森林(10.35 g/kg)>次生林(10.04 g/kg)>休耕地(9.58 g/kg)>橡膠林(9.48 g/kg)；80—110 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量的排序?yàn)椋褐窳?12.55 g/kg)>耕地(11.82 g/kg)>次生林(11.39 g/kg)>休耕地(10.95 g/kg)>森林(10.15 g/kg)>橡膠林(10.01 g/kg)?？梢?個(gè)土層中，橡膠林和休耕地的有機(jī)碳含量都較低，竹林有機(jī)碳含量都是最高的。因?yàn)樾莞亟?jīng)過(guò)多年的耕作，現(xiàn)在失去了耕作者施肥等管理措施，土壤養(yǎng)分沒有得到及時(shí)的補(bǔ)充，土壤處于很貧瘠的狀態(tài)。橡膠林因?yàn)槭褂贸輨?，加上單一種植，也沒有合理的進(jìn)行施肥，故土壤養(yǎng)分非常缺乏。竹林是受到當(dāng)?shù)卮迕竦谋Ｗo(hù)的天然雨林，受人為干擾很少，生態(tài)系統(tǒng)沒有受到破壞，大量的枯枝落葉，動(dòng)植物殘?jiān)靡苑祷氐酵寥乐?，豐富的土壤根系和微生物群落可以加快土壤養(yǎng)分循環(huán)。隨著土層加深土壤有機(jī)碳含量都在減少，但在不同土地利用類型中，各土層之間的顯著性差異并不一致，但總體而言，表層土壤與底層土壤的有機(jī)碳含量都達(dá)到顯著性差異(p<0.05)，這與王洪杰等[11]研究一致。竹林、耕地、森林和次生林的表層土壤的有機(jī)碳含量組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差較大，相較于底層土壤，表層土壤的有機(jī)碳含量更易受表層動(dòng)植物活動(dòng)和地表降水徑流的影響，從而帶來(lái)較大的組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差。休耕地和橡膠林組內(nèi)各樣地的地表植被和地表土壤裸露情況較為一致,故組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差較小。

圖2 不同土地利用方式下不同土層土壤有機(jī)碳含量

3.3 不同土地利用方式土壤總氮剖面分異

由圖3可知，0—20 cm土層中，土壤總氮含量的排序?yàn)椋褐窳?1.62 g/kg)>森林(1.40 g/kg)>耕地(1.30 g/kg)>次生林(1.28 g/kg)>休耕地(1.18 g/kg)>橡膠林(1.14 g/kg)；20—50 cm土層中，土壤總氮含量的排序?yàn)椋褐窳?1.20 g/kg)>森林(1.13 g/kg)>耕地(1.10 g/kg)>次生林(1.06 g/kg)>休耕地(1.03 g/kg)>橡膠林(1.02 g/kg)；50—80 cm土層中，土壤總氮含量的排序?yàn)椋褐窳?1.10 g/kg)>耕地(1.06 g/kg)>橡膠林(1.02 g/kg)=次生林(1.02 g/kg)>森林(1.01 g/kg)=休耕地(1.01 g/kg)；80—110 cm土層中，土壤總氮含量的排序?yàn)椋焊?1.04 g/kg)>竹林(1.03 g/kg)>次生林(1.02 g/kg)>橡膠林(1.00 g/kg)>休耕地(0.98 g/kg)>森林(0.96 g/kg)。由此可見，在0—110 cm內(nèi)，土壤有機(jī)碳與總氮均值大小順序及其在不同土地利用方式之間的顯著性差異非常一致，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳和總氮之間通常具有顯著相關(guān)關(guān)系[12-13]。在各土層中均是休耕地與橡膠林的含量較低，竹林是總氮含量最高的土地利用方式，除了在80—110 cm土層中耕地略高于竹林，在各用地類型中，土壤總氮含量均隨著土層加深而減少，且表層0—20 cm土層的總氮含量顯著高于其他3個(gè)土層的總氮含量(p<0.05)。耕地的有機(jī)碳和總氮含量在50—110 cm土層中較高，這與耕作者施肥和秸稈還田等措施有關(guān)，施肥增加了土壤中氮素等養(yǎng)分輸入，并顯著提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量[14]，大量養(yǎng)分下滲入深層土壤。因種植的玉米水稻等作物根系較短，無(wú)法吸收深層土壤中的養(yǎng)分，而表層土壤的養(yǎng)分被吸收的很充分，所以0—50 cm土層中，耕地碳氮含量低于竹林和森林。

圖3 不同土地利用方式下不同土層土壤總氮含量

3.4 不同土地利用方式土壤碳氮比剖面分異

由圖4可知，0—20 cm土層中，土壤碳氮比值的排序?yàn)椋荷?12.11)>竹林(11.94)>次生林(11.91)>休耕地(11.64)>耕地(11.57)>橡膠林(11.43)；20—50 cm土層中，土壤碳氮比值的排序?yàn)椋荷?10.88)>竹林(10.80)>耕地(10.68)>次生林(10.59)>橡膠林(10.15)>休耕地(10.14)；50—80 cm土層中，土壤碳氮比值的排序?yàn)椋荷?10.43)>耕地(10.37)>次生林(10.19)>竹林(10.06)>橡膠林(9.91)>休耕地(9.84)；80—110 cm土層中，土壤碳氮比值的排序?yàn)椋焊?10.23)>森林(10.19)>休耕地(10.13)>竹林(10.10)>次生林(10.04)>橡膠林(9.78)。土壤碳氮比受成土母質(zhì)、地形因子及土壤形成后的土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和施肥耕作種植方法等人為活動(dòng)的隨機(jī)性因素共同作用[15]。本研究主要探討土地利用方式對(duì)土壤碳氮比空間變異的影響。綜上可知，土壤碳氮比在各土層中均是休耕地和橡膠林的比值較低，森林、耕地和竹林的比值較高，所有用地類型的碳氮比值都在9～13，碳氮比不僅可以指示土壤有機(jī)質(zhì)的降解程度，同時(shí)也是影響土壤有機(jī)質(zhì)降解的重要因素，土壤碳氮比小于25時(shí)，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，易于有機(jī)質(zhì)的降解[16]。通常碳氮比值大于25時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)分解速率下降。該地區(qū)屬于熱帶山區(qū)受高溫高濕的氣候影響，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解速率快，這與碳氮比值較低相吻合。森林和竹林碳氮比值相對(duì)較高，這與其地表物質(zhì)的輸入水平有關(guān)，由于大量的植物凋落物的輸入，森林和灌叢植被會(huì)增加土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)減少土壤總氮含量，進(jìn)而導(dǎo)致碳氮比值升高[17]。耕地碳氮比值高與農(nóng)戶對(duì)土地施用的肥料和管理水平普遍相關(guān)，并且該地區(qū)大量種植水稻，耕地長(zhǎng)期處于低溫淹水狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)分解緩慢故而積累，從而使碳氮比處于較高水平。橡膠林和休耕地由于缺乏地表植被，有機(jī)碳分解較快，導(dǎo)致碳氮比較低。在各用地類型中，土壤碳氮比值均隨著土層加深而減少，并且除竹林和橡膠林外，0—20 cm土壤的碳氮比均顯著高于其他土層(p<0.05)，竹林中各土層碳氮比無(wú)顯著差異(p<0.05)，橡膠林中，0—20 cm和20—50 cm的碳氮比顯著高于其他兩個(gè)土層(p<0.05)。

圖4 不同土地利用方式下不同土層土壤碳氮比值

3.5 不同土地利用方式土壤磷鉀含量剖面分異

由圖5可知，0—20 cm土層中，土壤磷含量的排序?yàn)椋褐窳?0.47 g/kg)>森林(0.35 g/kg)>耕地(0.34 g/kg)=次生林(0.34 g/kg)>橡膠林(0.29 g/kg)>休耕地(0.28 g/kg)，竹林的磷含量顯著高于休耕地；20—50 cm土層中，土壤磷含量的排序?yàn)椋褐窳?0.38 g/kg)>耕地(0.31 g/kg)>次生林(0.30 g/kg)>森林(0.29 g/kg)>橡膠林(0.28 g/kg)>休耕地(0.27 g/kg)；50—80 cm土層中，土壤磷含量的排序?yàn)椋褐窳?0.37 g/kg)>耕地(0.30 g/kg)>次生林(0.29 g/kg)>橡膠林(0.28 g/kg)=休耕地(0.28 g/kg)=森林(0.28 g/kg)；80—110 cm土層中，土壤磷含量的排序?yàn)椋褐窳?0.35 g/kg)>次生林(0.30 g/kg)=耕地(0.30 g/kg)>休耕地(0.29 g/kg)>橡膠林(0.28 g/kg)>森林(0.27 g/kg)。土壤磷主要來(lái)源于土壤礦物，枯枝落葉及人為施肥。竹林是磷含量最高的土地利用方式，這與有機(jī)碳總氮的情況相似。除休耕地和次生林外，其余4種土地利用方式下的土壤磷含量基本上都隨土層加深而減少，且森林中0—20 cm土層的磷含量顯著高于其他土層(p<0.05)，人類活動(dòng)強(qiáng)度大，作物產(chǎn)量高，土壤表層枯枝落葉多是表層土壤磷含量高的主要因素，受雨水淋溶影響表層磷元素發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，流失或沉積于土層下部，耕地與橡膠林磷含量垂直差異不明顯，可能與地下水位高有關(guān)。休耕地和次生林中隨土層加深磷含量先降低后升高，呈現(xiàn)出“U”形分布，表明磷含量與母巖密切相關(guān)[18]。磷含量在各土地利用方式中的組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差都較大,這可能與土壤磷含量受成土母質(zhì)和地形影響極為顯著有關(guān)。

圖5 不同土地利用方式下不同土層土壤磷含量

3.6 不同土地利用方式土壤鉀含量剖面分異

由圖6可知，0—20 cm土層中，土壤鉀含量的排序?yàn)椋褐窳?15.68 g/kg)>次生林(11.65 g/kg)>耕地(11.06 g/kg)>橡膠林(10.54 g/kg)>休耕地(9.83 g/kg)>森林(9.76 g/kg)，竹林的鉀含量顯著高于休耕地和森林；20—50 cm土層中，土壤鉀含量的排序?yàn)椋褐窳?17.51 g/kg)>次生林(13.93 g/kg)>橡膠林(12.94 g/kg)>耕地(12.28 g/kg)>森林(12.23 g/kg)>休耕地(11.91 g/kg)；50—80 cm土層中，土壤鉀含量的排序?yàn)椋褐窳?19.04 g/kg)>次生林(15.11 g/kg)>休耕地(14.42 g/kg)>橡膠林(13.99 g/kg)>森林(13.74 g/kg)>耕地(13.49 g/kg)；80—110 cm土層中，土壤鉀含量的排序?yàn)椋褐窳?19.12 g/kg)>次生林(15.83 g/kg)>休耕地(15.41 g/kg)>森林(15.22 g/kg)>耕地(14.15 g/kg)>橡膠林(13.41 g/kg)。各土層中，次生林的鉀含量?jī)H次于竹林，這是因?yàn)橥寥棱浰氐尼尫疟还嗄竞碗s草的根系固定在土壤中，且林下植被快速的養(yǎng)分歸還能迅速補(bǔ)充土壤鉀素。所有用地類型中的鉀含量都隨土層的加深而增加，且0—20 cm土層的鉀含量都顯著低于其他土層(p<0.05)。有研究證明，各土層中，土壤鉀元素具有較強(qiáng)的淋溶性，鉀含量與土壤黏粒含量呈顯著正相關(guān)，本研究中，隨土層加深，黏粒所占百分比在增大，土壤黏粒比表面大，含量高則吸附和維持的土壤鉀元素就越高[19]，所以鉀含量隨土層加深而增加。

圖6 不同土地利用方式下不同土層土壤鉀含量

3.7 不同土地利用方式碳氮穩(wěn)定同位素含量剖面分異

土壤的碳穩(wěn)定同位素反映了當(dāng)?shù)氐腃3與C4植被的相對(duì)豐度[20]，表征植被演替過(guò)程中土壤剖面有機(jī)碳的δ13C值的分布與植被類型的關(guān)系，氮同位素則反映了不同氮源的貢獻(xiàn)，體現(xiàn)了氮源信息和地球化學(xué)過(guò)程的綜合[21]。由表1可知，0—20 cm的土層中，森林的δ15N自然豐度顯著低于竹林和耕地；20—50 cm的土層中，森林的δ15N自然豐度顯著低于竹林和休耕地；其他土層中的碳氮同位素在不同土地利用類型下無(wú)顯著差異。竹林中，碳氮同位素在各土層中無(wú)顯著差異；在耕地和休耕地中，0—20 cm土層的碳氮同位素都顯著低于其他3個(gè)土層深度的；森林和次生林的碳氮同位素都隨著土層加深而增加，并且每層之間都具有顯著性差異；橡膠林中，0—20 cm土層的δ15N自然豐度顯著低于50—80 cm和80—110 cm，δ13C自然豐度在各土層中無(wú)顯著差異。所有的δ13C自然豐度值都接近-27‰，已有研究表明：自然界C3植物碳同位素組成在-22‰～-34‰之間，C4植物的碳同位素組成在-9‰～-19‰之間[22]。此結(jié)果與該研究區(qū)主要為C3植物的植被類型吻合。枯枝落葉、化肥及有機(jī)肥的使用可能導(dǎo)致δ15N的豐富度明顯改變[23]。大多數(shù)情況下，δ15N值不高，然而有時(shí)由于植被類型的改變和微生物活動(dòng)會(huì)影響有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致氮同位素豐度相應(yīng)升高。0—20 cm土層中，竹林和耕地的δ15N顯著高于森林的；20—50 cm土層中，竹林和休耕地的δ15N顯著高于森林的。土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于地表植被的枯枝落葉，在排水良好的土壤中，隨土層加深，土壤的碳氮同位素豐度會(huì)逐漸升高。但輸入土壤中的有機(jī)物的植物類型是影響土壤碳氮同位素的主要因素，土壤內(nèi)固有的碳氮分餾過(guò)程只會(huì)導(dǎo)致土壤剖面的δ13C和δ15N的變幅在1‰～3‰之間[24]。本研究中碳氮同位素變幅較小，與隨土層加深黏粒含量增多有關(guān)系，因?yàn)殡S著土壤組成粒徑的減小，與之結(jié)合的有機(jī)質(zhì)腐殖化程度逐漸升高，因此土壤黏粒中有機(jī)質(zhì)分解較為充分，從而產(chǎn)生較小的同位素分餾[25]。

表1 不同土地利用類型和土層深度的碳氮穩(wěn)定同位素豐度

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同小寫字母表示同一土層深度的同一土壤養(yǎng)分在不同土地利用類型之間差異在p<0.05水平顯著，不同數(shù)字表示同一土地利用類型下的同一土壤養(yǎng)分在不同土層深度之間的差異在p<0.05水平顯著。

3.8 不同土地利用方式土壤顆粒組成含量剖面分異

由表2可知，在0—20 cm的土層中，休耕地的砂粒所占百分比顯著高于竹林的，休耕地和森林的粉粒和黏粒的顆粒所占百分比顯著低于竹林的；20—50 cm的土層中，竹林的粉粒所占百分比顯著高于休耕地、森林和橡膠林；在其他土層中，各用地類型下的土壤不同粒徑顆粒所占百分比無(wú)顯著差異。在竹林和橡膠林中，不同土層深度下的3種粒徑的顆粒所占百分比無(wú)顯著差異；在耕地和休耕地中，隨著土層加深砂粒所占百分比在逐漸降低，黏粒所占百分比在逐漸升高；在森林和次生林中，砂粒所占百分比隨土層深度加深而降低，黏粒所占百分比在逐漸升高，并且0—20 cm土層的黏粒所占百分比顯著低于50—80 cm和80—110 cm土層。由此可見，竹林的土壤顆粒組成明顯小于其他用地類型，這與研究所得竹林是各養(yǎng)分含量最高的用地類型相吻合，由于不同粒徑的土壤顆粒對(duì)養(yǎng)分的吸附力和粘著性等存在明顯差異，小粒徑土壤顆粒中的養(yǎng)分相較于大粒徑土壤顆粒的養(yǎng)分往往更難以礦化，不易被微生物所分解釋放[26]。根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，耕地、休耕地、森林和橡膠林4種土地利用類型中除0—20 cm土層外土壤質(zhì)地都屬于壤質(zhì)黏土，0—20 cm土層的土壤質(zhì)地屬于黏壤土，竹林和次生林的所有土層的土壤質(zhì)地均屬于壤質(zhì)黏土。

表2 不同土地利用類型和土層深度的原狀積累土樣的不同粒徑土壤顆粒所占百分比

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同小寫字母表示同一土層深度的同一土壤養(yǎng)分在不同土地利用類型之間差異在p<0.05水平顯著，不同數(shù)字表示同一土地利用類型下的同一土壤養(yǎng)分在不同土層深度之間的差異在p<0.05水平顯著。

4 結(jié) 論

(1) 受熱帶地區(qū)高溫高濕和土壤表層大量枯枝落葉的影響，不同土地利用方式下土壤pH均呈酸性。由于施肥的原因，導(dǎo)致耕地的pH高于其他用地類型。pH隨土層變化不明顯，因?yàn)殡S著土層深度的增加,植被類型或施肥對(duì)土壤酸度的影響越來(lái)越小。

(2) 在各土層中，土壤有機(jī)碳，總氮含量的大小順序以及在不同土地利用方式之間的顯著性差異較為一致。受植被保護(hù)和施肥耕作等人為因素影響，在各土層中，均是休耕地與橡膠林的有機(jī)碳、總氮含量較低，竹林是有機(jī)碳總氮含量最高的土地利用方式，耕地的有機(jī)碳和總氮含量在50—110 cm土層中較高。土壤有機(jī)碳總氮含量均隨著土層自上而下逐層降低，表層土壤與底層土壤的有機(jī)碳總氮含量都達(dá)到顯著性差異。

(3) 該地區(qū)屬于熱帶山區(qū)受高溫高濕的氣候影響，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解速率快，碳氮比值較低。耕地長(zhǎng)期處于低溫淹水狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)分解緩慢故而積累，從而使碳氮比處于較高水平。竹林是磷鉀含量最高的土地利用方式，這與有機(jī)碳總氮的情況相似。除休耕地和次生林外，其余4種土地利用方式下的磷含量基本上都隨土層加深而減少，休耕地和次生林磷含量呈現(xiàn)出“U”形分布，各用地類型中鉀含量均隨土層加深而增加。

(4) 各土地利用方式下，δ13C的自然豐度在各土層中均無(wú)明顯差異，δ13C的自然豐度都接近-27‰，與該研究區(qū)主要為C3植物的植被類型吻合。后續(xù)將對(duì)植物根系和凋落物的碳氮同位素進(jìn)行分析，進(jìn)而與土壤碳氮同位素進(jìn)行比較，從而更好地反映土壤碳氮同位素的來(lái)源與轉(zhuǎn)化過(guò)程。本研究中碳氮同位素變幅較小，與隨土層加深黏粒含量增多有關(guān)系。竹林的土壤顆粒組成明顯小于其他用地類型，這與研究所得竹林是各養(yǎng)分含量最高的用地類型相吻合。本研究針對(duì)不同粒徑土壤的理化性質(zhì)在不同土地利用方式下的剖面分布進(jìn)行了探討，之后的研究將致力于分別探究不同粒徑大小的土壤顆粒中的理化指標(biāo)，更加深刻的揭示土壤顆粒大小與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系。

(5) 有研究證明，土地利用變化對(duì)土壤性質(zhì)的影響在北緯20°～25°影響較大[27]，可能的主要原因是本研究區(qū)山地多，坡度陡，并且降雨量大，雨熱同季，加劇土壤有機(jī)質(zhì)分解的同時(shí)，水土流失情況也比較嚴(yán)重，大大降低了土壤各養(yǎng)分含量，故該地區(qū)土壤較為貧瘠，與劉忠等人對(duì)老撾中部的土壤養(yǎng)分研究一致。研究證明，植被恢復(fù)有一定的土壤培肥作用，有必要進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)土地的合理人為干擾，如耕作中加強(qiáng)水土保持措施和加大有機(jī)肥的施入，避免化肥的使用[28]。總之，要擴(kuò)大森林面積，尤其是天然林面積，控制水土流失，恢復(fù)退化的休耕地，對(duì)單一種植模式的橡膠林進(jìn)行合適物種的混種，在耕地中種植長(zhǎng)久作物，實(shí)行輪作種植，把低產(chǎn)農(nóng)田變成草地或森林，擴(kuò)大造林，集約管理農(nóng)田，實(shí)行農(nóng)林復(fù)合、林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式[29]，才能實(shí)現(xiàn)老撾北部山區(qū)的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。