藏東南尼洋河下游流域不同土地利用方式對土壤性質(zhì)的影響

馬和平，東主，宋小廣

(西藏農(nóng)牧學院高原生態(tài)研究所，西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，西藏 林芝 860000)

土壤養(yǎng)分作為土壤肥力的基本屬性，決定著農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，其分布特征是土壤資源合理利用、土壤肥力評價和土壤養(yǎng)分管理的前提與基礎.土壤是地形、植被等局地因素以及人類活動等共同作用形成的非均質(zhì)和變化的時空連續(xù)體，因此土壤養(yǎng)分又具有高度的空間異質(zhì)性[1].

土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)作為土壤碳庫的主要組成成分，不僅為植物的生長和土壤微生物的生命活動提供大量的能量，還是表征土壤肥力和基礎地力的核心指標[2].土地利用方式作為人類對土壤干擾活動的主要形式，是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的最重要因素之一[3].土壤有機碳分布特征和動態(tài)變化受氣候、植被和地形等環(huán)境因素的影響，同時還受土壤自身的性質(zhì)、土地利用方式以及人為管理措施等的影響[4].已有研究表明，土地利用方式是僅次于化石燃料燃燒而使大氣CO2濃度劇增的最主要的人為活動[5-6]，其變化過程中常伴隨土壤質(zhì)量的變化以及SOC的固定和釋放，甚至會影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的源/匯性質(zhì)[7].土地利用方式的改變能夠影響土壤中有機碳的數(shù)量和質(zhì)量[8]、影響土壤理化性質(zhì)及過程[9-10]、改變土壤微生物群落結構及活性[11-12]，從而影響土壤有機碳的分解速率和穩(wěn)定性[13]，最終導致土壤性質(zhì)變化.

由于獨特的地貌和氣候環(huán)境，青藏高原的土壤有機碳含量十分巨大[14-15]，并且對氣候變化以及人類活動的干擾十分敏感，在中國乃至全球碳源/匯管理中起著舉足輕重的作用.因此，明確青藏高原地區(qū)土壤有機碳含量和分布特征對外界環(huán)境變化的響應規(guī)律尤為重要[16].尼洋河流域位于西藏自治區(qū)的東南部、雅魯藏布江中下游左岸.尼洋河系國際河流雅魯藏布江的一級支流，該流域地處濕潤和半濕潤氣候區(qū)的交錯地帶，植被分布具有明顯的水平地帶性和垂直地帶性，從西到東，植被由草地、灌叢過渡到森林，其中林地分布面積最廣，主要分布在東北地區(qū)，耕地和草地主要沿尼洋河河谷區(qū)域分布.流域內(nèi)人類活動強度逐年增加，對自然的干擾程度日益強烈，農(nóng)業(yè)用地方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，不僅對維持森林生態(tài)系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)，也對土壤性質(zhì)產(chǎn)生潛在影響.然而，目前對該區(qū)域不同土地利用方式對土壤性質(zhì)影響的研究鮮見報道，因此，開展藏東南尼洋河下游流域不同土地利用方式對土壤性質(zhì)的影響的研究，不僅有助于深入認識青藏高原土壤有機碳穩(wěn)定性，而且也能夠為藏東南地區(qū)農(nóng)、林業(yè)土地資源的合理利用和可持續(xù)管理提供一定依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域概況

本試驗在林芝地區(qū)尼洋河下游流域進行(N 29°44′～29°33′，E 94°0915′～94°28′)，該區(qū)平均海拔約3 000 m，年平均溫度為 7～16℃，≥10 ℃年積溫為2 272 ℃，無霜期約為180 d，年平均降水量約為600～800 mm.

該區(qū)屬高原溫帶季風半濕潤半干旱氣候，氣候溫暖，無霜期較長，熱量較豐富，降水充沛，但全年降水量分配不均，干濕季明顯，6～9月降水量占全年的 80% 以上.區(qū)域內(nèi)土壤類型多樣，有亞高山草甸土、沼澤草甸土、棕壤、風沙土和石質(zhì)土等[17].

1.2 土壤樣品采集

本試驗中土壤樣品的采集于2019年8月進行.在尼洋河下游流域更章鄉(xiāng)至米瑞鄉(xiāng)之間，選取3個代表當?shù)胤N植管理模式的典型農(nóng)田(均種植小麥)作為研究對象.為了保持研究對象的一致性，要求農(nóng)田耕作時間均為30 a以上，每年作物種植前進行一次翻耕處理.在每個農(nóng)田中，隨機選取5個樣方(5 m×5 m)，在每個樣方中隨機采集5個土層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm)土壤樣品，分別將不同層次的土壤樣品混合為一個樣品重復.在所選農(nóng)田附近(距離400 m以內(nèi))的森林和草地下以同樣的采樣方法進行土壤樣品的采集，一共采集45個土壤樣品.土壤樣品實驗室過2 mm篩，揀除石塊、植物殘體和土壤動物等雜物后，自然風干用于測定土壤性質(zhì).

1.3 樣地概況

所選取的森林是川滇高山櫟(Quercusaquifolioides)、林芝云杉(Picealikiangensisvar.linzhensis)和高山松(Pinusdensata)為主要建群種的溫帶針闊混交林，喬木樹種還有光核桃(Amygdalusmira)，林下樹種為黃花木(Piptanthusconcolor)、薔薇(Rosasp.)、小檗(Berbensthunberii)、尼泊爾酸饃(Rumexnepalensis)、委陵菜(Potentillachinensis)及各種蕨類植物、蒿屬植物和禾本科(Poaceae)等.所選取的草地屬于自然草地，輕度放牧，主要植物有苔草(Carex)、紫菀(Aster)、禾本科、蛇莓(Duchesneaindica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、粉枝莓(Rubusbiflorus)等.

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

土壤pH值采用1 mol/L KCl浸提(水土比2.5∶1)，電位法測定.土壤容重使用環(huán)刀法測定；土壤全氮用全自動凱氏定氮儀[18]；土壤速效磷使用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀使用四苯硼鈉比濁法測定；土壤全磷、全鉀使用高氯酸-硫酸法測定；土壤有機碳的測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法[19]；土壤有機氮的測定采用過硫酸鉀紫外分光光度法.

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 10.0進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0 For windows統(tǒng)計軟件Duncan法進行統(tǒng)計分析，Canon for 4.5繪圖.

2 結果與分析

2.1 不同深度土壤溫度和濕度的日變化規(guī)律

利用NZ99系列土壤溫濕度記錄儀測量森林土壤在0～10、10～20、20～30 cm不同深度的土壤溫度和濕度在24 h內(nèi)的變化情況.不同深度土壤溫度和濕度的日變化規(guī)律見圖1和圖2所示.

圖2 不同深度土壤濕度的日變化規(guī)律Figure 2 Diurnal variation of soil moisture at different depths

圖1反映出不同深度土壤溫度的日變化規(guī)律.0～10 cm土壤溫度變幅大，隨著深度的增加，土壤溫度變化越小，直至趨于穩(wěn)定.在當天下午15∶40時前后的太陽輻射最大值出現(xiàn)，隨后太陽輻射逐漸趨于減弱，但是地面熱量仍有積累，地溫繼續(xù)上升，在18∶40左右熱量積累達到最大值，此時地面溫度達到最大值.白天地表吸熱后，熱量向下傳遞并被層層吸收，因而土壤增熱隨著深度的增加而減小.

圖1 不同深度土壤溫度的日變化規(guī)律Figure 1 Diurnal variation of soil temperature at different depths

圖2反映不同深度土壤濕度的日變化規(guī)律.0～10 cm土壤由于受到太陽輻射強烈，溫度變化快，土壤水分蒸發(fā)強烈，因而土壤濕度值達最小值(10.8%).隨著深度的增加，10～20 cm的土壤受到的太陽輻射減弱，土壤溫度變化緩慢，再加上降雨滲透作用，因而土壤濕度呈最大值(13.9%).在20～30 cm的土壤受到的太陽輻射更微弱，但是由于受上層土壤對降雨的截留作用，因而土壤濕度介于0～10 cm和20～30 cm之間(13.6%).用同樣的方法測定農(nóng)田和草地不同層次的土壤溫濕度，其變化與森林土壤溫濕度變化表現(xiàn)出相同的趨勢.

土壤中水分含量的高低會影響土壤中微生物的代謝強度，土壤中微生物代謝旺盛，微生物因呼吸作用產(chǎn)熱，這些熱會影響土壤的溫度.而土壤濕度受大氣、土質(zhì)、植被和人類活動等的影響很大，其變化主要受蒸發(fā)(蒸散)、降水等因素制約.因此認為土壤溫濕度共同影響著土壤性質(zhì).

2.2 土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響

在本研究區(qū)域，不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)變化見表1所示.

(7)公眾滿意程度。在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展過程中，本文使用農(nóng)村居民家庭人均可支配收入(千元)來表示公眾滿意程度，用x7來表示。從經(jīng)濟理論和實際情況可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術、農(nóng)業(yè)自然資源利用效率等都與農(nóng)村收入有著極大的關系，當農(nóng)村收入較高時，居民的消費水平提高，消費觀念有所變動，對產(chǎn)品從之前追求高產(chǎn)量轉(zhuǎn)向追求高品質(zhì)，有利于促進綠色農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，推動農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展。綠色農(nóng)產(chǎn)品又是目前市場上所需要的，這反過來又會提高農(nóng)村收入水平，形成一個良性循環(huán)，提高了公眾滿意度。

表1 不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties in different land uses

從表1可以看出，研究地的農(nóng)田、草地和森林土壤pH值均隨著土層深度的增加而增加.其中，農(nóng)田、草地和森林三者的pH值相比較，草地(6.612)>農(nóng)田(6.524)>森林(6.264)，且在0～10 cm和10～20 cm之間土壤pH值差異顯著(P<0.05)，而在20～40、40～60 cm和60～100 cm之間土壤pH值差異不顯著(P>0.05).另外，研究表明土壤容重隨土壤深度的增加而增大，其總體平均值變化范圍為0.11～0.97 g/cm3.就3種不同土地利用方式的容重比較而言，草地(0.840 g/cm3)>森林(0.680 g/cm3)>農(nóng)田(0.346 g/cm3)，且在10～20 cm和60～100 cm之間土壤容重差異顯著(P<0.05)，而在0～10、20～40 cm和40～60 cm之間土壤容重差異不顯著(P>0.05).

2.3 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

從表2可以看出，在農(nóng)田、草地和森林3種土地利用方式下，土壤中各養(yǎng)分的含量存在差異.就全氮和全磷而言，其含量均隨著土層深度的增加而呈減小的趨勢，其中，農(nóng)田、草地和森林三者的全氮含量中，森林的全氮含量最高，達到了1.32 g/kg，草地的全氮含量最低，為1.17 g/kg，農(nóng)田的全氮含量介于二者之間，為1.18g/kg.同理，三者的全磷相比較，森林(1.32 g/kg)>農(nóng)田(1.18 g/kg)>草地(1.17 g/kg).農(nóng)田全鉀含量隨著土壤深度的增加呈增加的趨勢，其變化范圍為0.78～0.92 g/kg，而草地和森林的全鉀含量隨著土壤深度的增加呈減小的趨勢，但是變化幅度較小，說明耕作措施顯著影響了土壤全鉀的含量.就速效磷而言，隨著土壤深度的增加其含量呈逐漸減小的趨勢，其中，森林(0.31 mg/kg)>農(nóng)田(0.29 mg/kg)>草地(0.20 mg/kg).

表2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量Table 2 Soil nutrient content of different land uses

森林與農(nóng)田的土壤速效磷含量差異不顯著(P>0.05)，而這兩者與草地的速效磷含量差異顯著(P<0.05).同理，不同土地利用方式下土壤速效鉀的含量，森林(0.12 mg/kg)>農(nóng)田(0.10 mg/kg)>草地(0.09 mg/kg)，且其含量均隨著土壤深度的增加而減小.森林土壤速效鉀含量與農(nóng)田和草地的差異顯著(P<0.05)，而農(nóng)田和草地土壤速效鉀的含量差異不顯著(P>0.05).

2.4 不同土地利用方式對土壤有機碳、氮含量的影響分析

從表3可以看出，農(nóng)田中的土壤有機碳(SOC)含量在10～20 cm土層含量最高，達到了10.72 g/kg，而草地和森林2種土地利用方式下，SOC卻在0～10 cm土層最多，分別為17.68 g/kg和20.76 g/kg，上述3種土地利用方式下SOC含量均在土壤底層(60～100 cm)含量最低，分別為5.14、4.36和3.62 g/kg，即隨土壤深度的增加SOC含量呈遞減趨勢.可見，土壤深度對SOC含量具有顯著的影響.這與他人的研究結果相符[20-22].另外，3種土地利用方式下就SOC平均含量而言，森林(9.146 g/kg)>草地(8.462 g/kg)>農(nóng)田(7.744 g/kg).究其原因，殘枝落葉分解后輸入土壤的SOC都聚集在土壤表層，表聚性較明顯，說明植被類型的差異對SOC影響較大.

與SOC相比較，農(nóng)田、草地和森林3種土地利用方式下土壤有機氮(SON)含量表現(xiàn)出與SOC相同的變化，即隨著土壤深度的增加呈減小的趨勢，農(nóng)田SON在10～20 cm含量最高，為1.08 g/kg，而草地和森林的SON在0～10 cm含量最高，分別為1.76 g/kg和1.83 g/kg.農(nóng)田、草地和森林的SON平均含量相比較，草地(0.87 g/kg)>森林(0.86 g/kg)>農(nóng)田(0.77 g/kg).

從表3還可以看出，SOC在不同土層均差異顯著(P<0.05).就SON而言，在0～10 cm土層，農(nóng)田與森林和草地的均差異顯著，而森林和草地之間差異不顯著.在10～20 cm土層，森林與農(nóng)田和草地的含量均差異顯著，而農(nóng)田和草地之間差異不顯著.在20～40、40～60 cm和60～100 cm土層，三者之間均差異顯著(P<0.05).SOC/SON均表現(xiàn)為：在0～10 cm和60～100 cm土層，三者均差異顯著，而在10～20 cm，農(nóng)田與草地和森林之間差異顯著，而草地和森林之間差異不顯著.在20～40 cm土層，草地與農(nóng)田和森林差異顯著，而農(nóng)田和森林之間差異不顯著.在40～60 cm土層，森林與農(nóng)田和草地差異顯著，而農(nóng)田和森林之間差異不顯著(P>0.05).

表3 不同土地利用方式土壤有機碳、氮含量特征Table 3 Soil organic carbon and nutrients under different land uses

2.5 不同土地利用方式下土壤理化特性與土壤有機碳、氮的CCA分析

將不同土地利用方式下不同土壤層次的土壤理化因子及土壤有機碳、氮整理為相應矩陣導入Canoco 4.5軟件進行處理，應用典范對應分析方法(CCA)進行排序分析，得到土壤理化因子與土壤有機碳、氮的二維排序圖(圖3).圖中的箭頭表示土壤因子，其所在象限表示該土壤因子與排序軸相關性的正負；連線的長短表示土壤理化因子與土壤有機碳、氮的相關性強弱，連線在排序軸的斜率表示該土壤因子與排序軸的相關性強弱.

由CCA分析可知(圖3)，按相關性強弱，土壤全氮、速效磷、全磷和速效鉀與CCA的第1軸均呈現(xiàn)極顯著的正相關關系(P<0.01)，土壤全鉀和pH值與第一軸呈極顯著負相關(P<0.01).土壤容重與CCA第2排序軸呈極顯著負相關(P<0.01).與第1軸相關系數(shù)最高的土壤理化因子為全氮、速效磷、全磷和速效鉀.

圖3 土壤理化因子與土壤有機碳、氮的CCA排序圖Figure 3 CCA ordination of soil physical and chemical factors and soil organic carbon and nitrogen

3 討論

不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量具有較大影響.在農(nóng)田、草地和森林3種土地利用方式下，它們的pH值均隨著土層深度的增加而增加，且草地>農(nóng)田>森林，但差異不顯著(P>0.05).

在溫度高時，土壤水分會蒸發(fā)，所以二者的關系在一定溫度范圍內(nèi)(0 ℃以上)，隨土壤溫度的升高，含水率降低.土壤濕度隨著土壤含水量的變化而變化，受水分平衡各個分量的制約.由溫濕度引起的土壤N素供應的季節(jié)性差異是制定施肥制度的一個重要依據(jù).土溫過低或含水量過高，硝化作用極其微弱，使得作物的N素養(yǎng)分供應不足，此時應多施氮肥.土壤P素的季節(jié)性變化較為復雜，本研究表明土壤溫濕度對P素含量的影響并不顯著.溫濕度對土壤中K+的影響是多方面的，本研究結果表明，低溫可以減小土壤中緩效K的釋放速率，增加土壤速效鉀的含量.全鉀在土壤剖面中垂直變化較平均，下層高于上層.這與在土壤中以自由離子狀態(tài)存在的鉀易淋溶性質(zhì)有關.研究表明，各類土壤有機碳含量與有機氮含量的變化趨于一致.

擾動下的耕地和自然土壤(森林和草地)的性質(zhì)均發(fā)生變化.就土壤容重而言，農(nóng)田土壤由于經(jīng)常受到人為的耕作措施處理，因而土壤比較疏松，故土壤容重最小(1.558 g/cm3).而草地經(jīng)常受人類和牛羊等牲畜的活動踐踏和踩實，土壤比較緊實，所以土壤容重最大(1.84 g/cm3).森林土壤受人類和牲畜的影響較草地小(1.68 g/cm3)，其容重值介于草地和農(nóng)田之間.

就土壤養(yǎng)分而言，林地的土壤養(yǎng)分來源于地表枯枝落葉層的積累、分解和礦化，凋落物作為連接土壤和植物的重要環(huán)節(jié)，參與了森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，是土壤有機碳的主要來源.而森林受人為和牲畜干擾的影響較小，且林地的植被和生物量相對較高，故林地的土壤養(yǎng)分含量最高.草地與此相反，地表幾乎很少有枯枝落葉層，再加上本研究區(qū)屬于半農(nóng)半牧區(qū)，草地不僅受人類的干擾，而且在草地上經(jīng)常見到牲畜啃食，造成養(yǎng)分循環(huán)代謝較低，土壤養(yǎng)分含量也相對較低.農(nóng)田土壤則不同，長期施肥會顯著增加土壤氮素的含量.與我國其他地方不同的是，西藏農(nóng)牧民習慣于在收割莊稼的時候，把農(nóng)作物殘茬留得較長(20～30 cm左右)，等莊稼收割完畢后再把牲畜(如牛、豬等)趕到地里進行放牧，這樣的活動會持續(xù)2個月.2個月后盡管有一部殘枝落葉被牲畜取食，但還是有一部分被留在了地里，之后經(jīng)過積累、分解和礦化，形成土壤養(yǎng)分.故而農(nóng)田的土壤養(yǎng)分含量介于森林和草地含量之間.

基于全球數(shù)據(jù)的Meta 分析結果發(fā)現(xiàn)，森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后其碳庫平均損失42%，而放牧草原轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后期碳庫平均損失59%[23].研究表明，不同土地利用方式對土壤有機碳儲量的影響程度在全球各區(qū)域存在很大變異，主要是由于各區(qū)域氣候因子(如溫度和降水)的差異能夠影響土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率[24-25].另外，農(nóng)田開墾的時間長度也能影響土壤有機碳降低的程度[26-27].本研究中，相比于自然植被，即草地和森林，農(nóng)田種植導致SOC含量顯著降低8.5%～15.3%，而SON含量顯著降低11.1%～11.7%(表3).分析其原因，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，通過凈初級生產(chǎn)力向土壤中輸入的碳源(主要來自于作物根系及殘茬)的數(shù)量通常少于自然生態(tài)系統(tǒng)(凋落物以及地下碳輸入)[28]，并且，輸入碳源中木質(zhì)素、單寧酸以及其他植物次級化合物的含量往往相對低于自然生態(tài)系統(tǒng)的凋落物[29-30]，因而具有較快的分解速率[31].

另外，土壤有機碳、氮含量除受氣候、植被覆蓋狀況、沉積環(huán)境等影響外，還與土壤理化性質(zhì)有密切關系.在本研究中，不同土地利用方式土壤在不同土層之間，土壤有機碳和有機氮含量逐漸減小.究其原因，是由于植物的枝葉殘體和根系大部分分布于表層土壤中，分解后形成腐殖質(zhì)在表層土壤中積累，因而土壤有機碳含量從表層向下逐漸遞減.隨著土壤有機碳含量逐漸降低，土壤pH值逐漸增高，土壤溶液由酸性漸變?yōu)閴A性.這是因為土壤pH可以影響微生物的生長和活動，在酸性土壤中，微生物種類受到限制，以真菌為主，從而減緩了有機質(zhì)的分解，同時，植物有機質(zhì)的分解會減緩；在堿性條件下，有機物質(zhì)的溶解、分散和化學水解作用會增大，提高了微生物對有機物質(zhì)的利用率.另外，土壤有機碳含量與容重呈極顯著負相關關系(P<0.01).

從大的尺度來分析，尼洋河流域處于藏東南東西向與南北向山脈的交匯復合處，高原與藏東南峽谷的過渡地區(qū).尼洋河夏季6～9月受西南季風的影響，在印度低壓控制下，從孟加拉灣輸送大量暖濕空氣北上.在其輸送中，受喜馬拉雅山脈的阻擋，暖濕氣流主要沿雅魯藏布江河谷上溯.推進到尼洋河流域的暖濕氣流，與本流域加強的低壓或倒槽，結合本流域合適的地形，形成了降水量大、降雨強度小、降水日數(shù)多、過程長、范圍廣、垂直變化大、多夜雨的降水特性.在這種氣候條件下形成的土壤組成多為沙礫石土層，由于受尼洋河季節(jié)性降水以及植被的影響，土壤養(yǎng)分總體貧乏.另外，與我國其他省份相比，該區(qū)域農(nóng)牧民農(nóng)田種植管理比較粗放，土壤養(yǎng)分含量比較貧乏.這表明在藏東南半干旱區(qū)可以采用改變土地利用方式的手段來改良土壤特性，以促進土地質(zhì)量的改善.

4 結論

1) 藏東南尼洋河流域3種不同土地利用方式下，pH值表現(xiàn)為：草地(6.612)>農(nóng)田(6.524)>森林(6.264).容重隨土壤深度的增加而增大，草地(0.840 g/cm3)>森林(0.680 g/cm3)>農(nóng)田(0.346 g/cm3).在農(nóng)田、草地和森林3種土地利用方式下，土壤中各養(yǎng)分的含量存在差異.

2) 就農(nóng)田、草地和森林3種土地利用方式的SOC平均含量而言，森林的SOC含量最高，為9.15 g/kg，其次為草地，SOC含量為8.46 g/kg；農(nóng)田的SOC含量最低，為7.74 g/kg.SON含量表現(xiàn)出與SOC相同的變化趨勢.在藏東南半干旱區(qū)可以采用改變土地利用方式的手段來改良土壤特性，以促進土地質(zhì)量的改善.