祊河流域不同土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響

楊舒媛 張黎黎 許燕琳 王碩 李子君

摘 要：土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)。為分析祊河流域土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響，選取林地、草地、耕地和園地4種土地利用方式，通過野外調(diào)查采樣和室內(nèi)試驗分析相結(jié)合，采用單因素方差分析法進行土壤有機質(zhì)含量的差異顯著性檢驗，利用克里格插值法研究土壤有機質(zhì)的空間分布特征。結(jié)果表明，（1）祊河流域林地、草地、耕地和園地4種土地利用方式下，0～20cm土層深度中，土壤有機質(zhì)的平均含量為林地>草地>耕地>園地;0～40cm土層深度中，土壤有機質(zhì)的含量隨土壤深度的增加而降低;同一土層深度下土壤有機質(zhì)的含量也具有一定差異。（2）祊河流域土壤有機質(zhì)空間分布極不均勻，中西部和中東部土壤有機質(zhì)含量多，中間地帶土壤有機質(zhì)含量少，北部土壤有機質(zhì)含量最低，平坦地形下土地利用方式多為耕地、園地，土壤有機質(zhì)含量較低;丘陵崎嶇處土地利用方式多為草地、林地，土壤有機質(zhì)含量較高。

關(guān)鍵詞：土壤有機質(zhì);土地利用方式;祊河流域

中圖分類號 K903文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）08-0118-04

Abstract： Soil organic matter is an important indicator of soil fertility. In order to analyze the impact of land use patterns on soil organic matter in the Benghe River Basin，four types of land use patterns were selected： woodland， grassland， arable land， and garden land， combination of field survey sampling and laboratory test analysis. The one-way analysis of variance method was used to test the significance of the difference in soil organic matter content， and the Kriging interpolation method was used to study the spatial distribution characteristics of soil organic matter. The results show， under the four land use modes of woodland， grassland， arable land and orchard in the Benghe River Basin， the average content of soil organic matter in the soil depth of 0-20 cm is forest land>grassland>arable land>orchard; in the soil depth of 0-40 cm， the content of soil organic matter decreases with the increase of soil depth; the content of soil organic matter at the same soil depth also has certain differences.（2）The spatial distribution of soil organic matter in the Benghe River Basin is extremely uneven. The central-western and central-eastern soil organic matter content is high， the middle zone soil organic matter content is low， and the northern soil organic matter content is the lowest. The land use in the hills and rugged areas is mostly grassland and woodland， with high soil organic matter content.

Key words： Soil organic matter; Land use; Benghe River Basin

土壤有機質(zhì)是一種長效且穩(wěn)固的碳源，以有機物形態(tài)貯存在陸地土壤中的碳約占陸地植被總貯量的3倍，是全球大氣貯量的2倍。土壤有機質(zhì)不僅可以為植物提供生長所需的養(yǎng)分，而且影響著土壤的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和土壤生物特征的變化[1，2]。土壤有機質(zhì)是表證土壤肥力的一個重要方面，也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一[3]。土地利用是人類干預(yù)土壤自然過程最直接的活動，綜合反映了人類對于土地的開發(fā)、使用，可對土壤質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[4]。土壤有機質(zhì)含量的多少和分布范圍都受土地利用方式的影響，不同土地利用方式下的覆蓋植被對土壤有機質(zhì)含量的貢獻不同，這是土地利用方式影響土壤有機質(zhì)的主要方式[5]。

關(guān)于土地利用方式對土壤有機質(zhì)影響的研究并不缺乏。秦川[6]、李東[7]等研究表明，林地土壤有機質(zhì)含量較高，與陳桂秋等[8]、王清奎等[9]研究觀點相近，與林明珠[10]、陽利永[11]、祁心[12]等研究結(jié)論相反。上述研究區(qū)域主要為紫色丘陵區(qū)、紅色丘陵區(qū)等南方地區(qū)。李君劍[13]、夏光輝[14]等在黃土高原區(qū)進行相關(guān)研究得出混交林營養(yǎng)狀況好、土壤有機質(zhì)含量高的結(jié)論，而北方土石山區(qū)尤其是沂蒙山區(qū)的相關(guān)研究相對匱乏。土地利用方式干擾土壤原有的自然物質(zhì)循環(huán)過程，改變土壤有機質(zhì)的輸入和消耗量，影響土壤肥力水平。研究區(qū)域不同、土地利用方式不同，研究結(jié)果會有所差異，而推進不同土地利用方式對土壤有機質(zhì)的研究對于當(dāng)?shù)赝恋乩媒Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化和土壤生態(tài)環(huán)境的提高都有積極意義。

祊河流域是沂蒙山區(qū)的重要組成部分。近幾十年來，隨著人口增加、社會經(jīng)濟的發(fā)展以及生態(tài)建設(shè)的推進，祊河流域的土地利用方式發(fā)生了顯著變化。研究祊河流域不同土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響有利于科學(xué)把握土地利用與土壤有機質(zhì)的關(guān)系，可為調(diào)控該區(qū)域土壤養(yǎng)分、提高土壤肥力和改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，為該區(qū)域土地資源的合理利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

祊河發(fā)源于山東省臨沂市平邑縣，是沂河水系的一級支流，全長158Km，流域面積3363.11Km2。研究區(qū)位于東經(jīng)117°21′～118°23′，北緯35°1′～35°4′（圖1）。祊河流域地處低山丘陵區(qū)，流域內(nèi)地形復(fù)雜，北部蒙山環(huán)繞，西部和南部有天寶山、四海山等山嶺屏障，中東部為谷底和平原，總體呈西北高東南低的地勢特點。流域內(nèi)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫13.1～14.2℃，多年平均降水量818mm。流域內(nèi)植被覆蓋類型是暖溫帶落葉闊葉林，主要土壤類型有棕壤土、潮土、粗骨土和褐土。耕地為主要的土地利用方式，還有林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地等土地利用形式。2018年流域內(nèi)人口數(shù)量約195萬人，GDP約873.95億元。

2 材料與方法

2.1 野外樣品采集 結(jié)合祊河流域?qū)嶋H情況，以土地利用現(xiàn)狀分類（GB/T21010—2017）為參考，在林地、耕地、草地、園地4種土地利用方式下進行采樣。由于土壤采集難以在建設(shè)用地和水域進行，且未利用地以裸露巖石為主且面積較少，研究未考慮建設(shè)用地、未利用地等土地利用方式。采樣在2019年4月中下旬進行，采用三點取樣法。每個取樣點挖取3個40cm深的土壤剖面，分別取0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm的土層樣品，隨后均勻混合三個剖面相同層的土壤樣品，稱取約500g的混合土樣，用密封袋保存。共采集樣品50份，包括耕地（小麥、玉米等）24個，林地（楊樹、黑松等）7個，草地（鬼針草、茅草等）6個，園地（桃樹、蘋果樹等）13個。將采回的土樣放置在室內(nèi)通風(fēng)處，去除肉眼可見的動植物殘體等，風(fēng)干后過2mm篩。

2.2 室內(nèi)測定 參考《土壤檢測-土壤有機質(zhì)測定（NY/T1121.6-2006）》[15]，采用重鉻酸鹽容量法進行土壤有機質(zhì)的測定。將風(fēng)干土樣過0.25mm孔徑篩，稱取0.05～0.5g（精確至0.1mg），放入硬質(zhì)玻璃試管中，準(zhǔn)確加入10mL濃度為0.4mol/L的重鉻酸鉀—濃硫酸溶液，置于油浴鍋中，在油浴溫度170℃～180℃外加熱的條件下煮沸5min，冷卻后洗入三角瓶中，滴入鄰啡羅啉指示劑3～4滴，用硫酸亞鐵進行滴定，溶液變色過程為橙黃-藍(lán)綠-棕紅。每批樣品做2個空白試樣，測定3次，取3次測定的平均值。

土壤有機質(zhì)計算公式如下：

式1中：C為0.8000mol/L（1/6K2Cr2O7）標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度﹔鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL﹔V0為空白滴定使用的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL﹔V為土壤樣品滴定用去的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL﹔3為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量，g/mol﹔1.1為氧化校正系數(shù)﹔m為風(fēng)干土的質(zhì)量，g﹔k為風(fēng)干土換算烘干土的系數(shù)﹔1.724為有機碳與有機質(zhì)的換算系數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 利用Excel和SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行常規(guī)的統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小顯著性差異法（LSD）進行差異顯著性分析，運用ArGIS10.2進行克里格插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 祊河流域不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)特征

3.1.1 0～20cm土壤有機質(zhì)特征 研究區(qū)為土石山區(qū)，土層薄，草地和部分林地取樣點取不到20～40cm土層深度，故以0～20cm土層深度為參考，研究不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)特征（圖2）。

在0～20cm土層深度下，不同土地利用方式的土壤有機質(zhì)含量存在一定的差異（圖2）。4種不同土地利用方式下，園地土壤有機質(zhì)含量最低，林地土壤有機質(zhì)含量最高。在該深度的所有土層中，土壤有機質(zhì)的平均含量為林地（33.34g/kg）>草地（24.82g/kg）>耕地（16.25g/kg）>園地（14.08g/kg）。

3.1.2 土壤有機質(zhì)的剖面變化特征 為了分析土壤有機質(zhì)隨土壤深度的變化特征，對不同土地利用方式下0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm土壤深度有機質(zhì)含量變化進行對比分析（圖3）。

如圖3所示，4種不同的土地利用方式下，在0～40cm深度范圍內(nèi)，土壤有機質(zhì)的含量都隨著土壤深度的增加而降低，這與趙錦梅[16]、徐鵬等[17]的研究結(jié)論吻合，但不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)的剖面分布并不相同。林地土壤的有機質(zhì)含量在不同的土壤深度中均高于其他土地利用類型，且在土壤表層0～10cm深度范圍內(nèi)有機質(zhì)含量最多，呈表層聚集現(xiàn)象。這是因為林地植被可以提供更多的枯落物給土壤表層，這些枯落物分解后為表層土壤提供了豐富的有機質(zhì)來源。草地植物生長周期短，草本植物枯敗后的殘體是草地利用方式下的土壤有機質(zhì)的主要來源，其土壤有機質(zhì)含量僅次于林地。耕地利用方式下，雖然缺少植物枯枝落葉等土壤有機質(zhì)來源，但由于耕地土壤受人類活動擾動大，經(jīng)常翻土播種，還有免耕、留茬等措施，使得表層土壤中的有機質(zhì)也較多。相較而言，園地利用方式下，由于人工對枯落枝葉和雜草等的清除使得植物枯落物少，土壤有機質(zhì)來源匱乏，故園地利用方式下土壤有機質(zhì)含量最低。

從圖3可以看出，在4種土地利用方式下，同一土層深度下土壤有機質(zhì)的含量也具有一定差異。在0～40cm的土層中，林地利用方式下的土壤有機質(zhì)含量在各個深度都是最高的，且明顯高于草地、耕地和園地3種土地利用方式。這與楊麗霞[18]、張社奇[19]得出的林地土壤有機質(zhì)含量高的結(jié)論相同。林地植物一般具有比草地、耕地和園地植物更加發(fā)達的根系，細(xì)根有利于有機物的積累，進而提高土壤有機質(zhì)的含量[20、21]。在0～30cm的土層中，園地利用方式下土壤有機質(zhì)的含量最低，而在30～40cm土層深度中，耕地利用方式下土壤有機質(zhì)含量最低。在0～40cm各土層深度中，耕地和園地利用方式下土壤有機質(zhì)含量在各深度的差異都不顯著，處于較低水平。

3.2 祊河流域土壤有機質(zhì)的空間分布特征 綜上所述，祊河流域不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)含量差異顯著，為進一步探討流域土壤有機質(zhì)的空間分布特征，使用克里格插值法[22、23]進行空間插值，將土壤有機質(zhì)含量由低到高分為5個等級：低（12.27～14.52g/kg）、較低（14.52～16.77g/kg）、中（16.77～19.02g/kg）、較高（19.02～21.26g/kg）、高（21.26～23.51g/kg）（圖4）。

祊河流域土壤有機質(zhì)空間分布極不均勻（圖4）。中西部和中東部土壤有機質(zhì)含量多，中間地帶土壤有機質(zhì)含量少，北部土壤有機質(zhì)含量最低。北部、南部為山地丘陵區(qū)，土層薄，易發(fā)生水土流失，土壤貧瘠，有機質(zhì)含量低。中東部和中西部地區(qū)為山地與平原交接處，土地利用方式多為林地和草地，土壤有機質(zhì)豐富。除土地利用方式外，地形通過改變地表物質(zhì)和能量的再分配與土壤有機質(zhì)的空間分布有較大關(guān)系[24]，并且復(fù)雜地形條件下植物根系對于土壤有機質(zhì)的影響不可忽略[25]，一般地勢低，坡度緩，濕度大，植被覆蓋好的地方，土壤有機質(zhì)含量多[26]。

4 結(jié)論與討論

通過對祊河流域不同土地利用方式下有機質(zhì)的含量和分布特征進行分析，結(jié)果表明：

（1）流域林地、草地、耕地和園地4種土地利用方式下，0～20cm土層深度中，土壤有機質(zhì)的平均含量為林地>草地>耕地>園地;0～40cm土層深度中，土壤有機質(zhì)的含量隨土壤深度的增加而降低;同一土層深度下土壤有機質(zhì)的含量也具有一定差異。

（2）流域土壤有機質(zhì)空間分布極不均勻，中西部和中東部土壤有機質(zhì)含量多，中間地帶土壤有機質(zhì)含量少，北部土壤有機質(zhì)含量最低，平坦地形下土地利用方式多為耕地、園地，土壤有機質(zhì)含量較低;丘陵崎嶇處土地利用方式多為草地、林地，土壤有機質(zhì)含量較高。

土壤有機質(zhì)含量受人類活動影響顯著，不同的土地利用方式下土壤表層的植物枯落物不同，管理措施以及所處的自然環(huán)境也不同，對土壤有機質(zhì)含量和空間分布的影響也不同。本研究主要從土地利用方式角度分析其對土壤有機質(zhì)的影響，除土地利用方式外，土壤有機質(zhì)還與地形、土壤類型、氣候等因素有關(guān)，與當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展水平也有一定的聯(lián)系，有待于繼續(xù)探討。

參考文獻

[1]Post WM， Mann LK. Changes in soil organic carbon and nitrogen as a result of cultivation[A]. In：Bouw man AF， eds. Soils and the Greenhouse Effect-Proceedings of the International Conference[C]. Chichester：Wiley， 1990：401-406.

[2]Bolinder M A， Angers D A， Gregonch E G， et al. The response of soil quality indicators to conservation management.[J]. Canadian Journal of Soil Science， 1999， 79（1）：37-45.

[3]Turner B LⅡ， Meyer W B， Skole D L. Global land-use/land-cover change：towards an integrated study[J]. Ambio， 1994，23（1）：91-95.

[4]Gemma D， Giovanni P， Maria G. Land use change effects on abandoned terraced soils in a Mediterranean catchment， NE Spain[J]. Catena， 2003， 52（1）：23-37.

[5]JOBBAGY E G， JACKSON R B. The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation[J]. Ecological Applications， 2000（10）：423-436.

[6]秦川，何丙輝，蔣先軍.三峽庫區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量特征研究[J].草業(yè)學(xué)報，2016，25（09）：10-19.

[7]李東，王子芳，鄭杰炳，高明.紫色丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)和全量氮磷鉀含量狀況[J].土壤通報，2009，40（02）：310-314.

[8]陳桂秋，黃道友，蘇以榮，等.紅壤丘陵區(qū)土地不同利用方式對土壤有機質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005（02）：256-260.

[9]王清奎，汪思龍，高洪，等.土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005（04）：360-363.

[10]林明珠，謝世友，林玉石.喀斯特山地不同土地利用方式土壤養(yǎng)分特征研究[J].中國水土保持，2009（09）：8-10+64.

[11]陽利永，吳獻花，趙斌，等.滇池柴河流域不同土地利用方式土壤養(yǎng)分剖面分異[J].水土保持研究，2012，19（05）：95-99.

[12]祁心，江長勝，郝慶菊，等.縉云山不同土地利用方式對土壤活性有機碳、氮組分的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2015，36（10）：3816-3824.

[13]李君劍，趙溪，潘恬豪，等.不同土地利用方式對土壤活性有機質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報，2011，25（01）：147-151.

[14]夏光輝，郭青霞，盧慶民，等.黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學(xué)計量特征[J].水土保持通報，2020，40（02）：140-147+153.

[15]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.土壤檢測第6部分;土壤的測定：NY/T 1121.6—2006[S].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[16]趙錦梅，張德罡，劉長仲，等.祁連山東段高寒地區(qū)土地利用方式對土壤性狀的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2012，32（02）：548-556.

[17]徐鵬，江長勝，郝慶菊，等.縉云山土地利用方式對土壤活性有機質(zhì)及其碳庫管理指數(shù)的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（10）：4009-4016.

[18]楊麗霞，陳少鋒，安娟娟，等.陜北黃土丘陵區(qū)不同植被類型群落多樣性與土壤有機質(zhì)、全氮關(guān)系研究[J].草地學(xué)報，2014，22（02）：291-298.

[19]張社奇，王國棟，張蕾.黃土高原刺槐林對土壤養(yǎng)分時空分布的影響[J].水土保持學(xué)報，2008（05）：91-95.

[20]趙富王，王寧，蘇雪萌，等.黃土丘陵區(qū)主要植物根系對土壤有機質(zhì)和團聚體的影響[J].水土保持學(xué)報，2019，33（05）：105-113.

[21]呂渡，楊亞輝，趙文慧，等.不同恢復(fù)類型植被細(xì)根分布及與土壤理化性質(zhì)的耦合關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（11）：3979-3987.

[22]Simbahan G C， Dobermann A， Goovaerts P， et al. Fine-resolution mapping of soil organic carbon based on multivariate secondary data[J]. Geoderma， 2006， 132（3/4）：471-489.

[23]Sum-eth K， Duttmann R. Prediction of soil property distribution in paddy soil landscapes using terrain data and satellite information as indicators[J]. Ecological Indicators， 2008， 8（5）：485-501.

[24]黃魏，韓宗偉，羅云，等.基于地形單元的土壤有機質(zhì)空間變異研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46（04）：161-167.

[25]張素梅，王宗明，張柏，等.利用地形和遙感數(shù)據(jù)預(yù)測土壤養(yǎng)分空間分布[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（05）：188-194.

[26]張彥軍，郭勝利.復(fù)雜地形條件下根系對土壤有機碳的貢獻[J].環(huán)境科學(xué)，2019，40（02）：961-969.

（責(zé)編：王慧晴）