不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征變化分析

阿麗婭·阿力木，叢小涵，夏曉瑩，席 麗，王衛(wèi)霞

(新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤養(yǎng)分在評價土壤質(zhì)量時起關(guān)鍵作用[1-2]。土地利用是影響土壤肥力最直接的因素[3-4]。土地利用方式改變會通過影響地表植被狀況、凋落物及土壤微生物種類、數(shù)量等引起土壤養(yǎng)分在土壤系統(tǒng)中的再分配，進而影響土地的生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量[5-6]。研究不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的特征，對選擇優(yōu)化土地利用方式、提高研究區(qū)土壤生產(chǎn)力和土地管理水平具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，提高土壤對外界環(huán)境變化的抵抗能力，不合理的土地利用方式則會導致生物多樣性降低、土壤養(yǎng)分流失，土壤質(zhì)量下降[7-9]。當前土地利用方式對土壤養(yǎng)分的影響已有較多研究[5,7,9-13]。胡江鈴等[14]研究發(fā)現(xiàn)，天然綠洲的土壤有機質(zhì)、速效鉀、有效磷和堿解氮平均含量最高，而荒漠土壤的養(yǎng)分含量則很低。崔東等[15]研究發(fā)現(xiàn)，該研究區(qū)內(nèi)園地的速效鉀和速效磷含量均高于林地、草地、耕地。王雪梅等[16]研究表明，不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分含量之間有顯著影響，不合理的土地利用方式可引起土壤質(zhì)量的變化。高君亮等[17]研究認為，地表植被凋落物及殘余量和土壤微生物作用會影響土地利用方式的變化，影響?zhàn)B分在土壤各層次間的再分配?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，新疆特色林果產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，多數(shù)農(nóng)田及荒地被更替為果園亦或果農(nóng)間作模式，土地利用方式的變化無疑會對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響，但目前有關(guān)阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中土地利用方式變化對土壤養(yǎng)分影響的研究還相對較少。亟需研究不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征變化?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新疆阿克蘇地區(qū)小麥地、棗園、棗麥間作園、荒地棗園、撂荒地等5種典型的土地利用方式作為研究對象，運用土壤化學分析方法，測定土壤有機質(zhì)及氮磷鉀等含量。研究阿克蘇地區(qū)不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分特征的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究野外調(diào)查區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)的溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)。溫宿縣位于阿克蘇地區(qū)西北部，塔里木盆地北緣，E 79°28′～81°30′，N 40°52′～42°21′。年均氣溫10℃，年均降水量65.4 mm，年均無霜期185 d。全縣土壤可分為10個土類，69個土種。全縣土壤表現(xiàn)為耕地土層深厚，質(zhì)地適中，有機質(zhì)含量在1.5%以上的耕地占28.5%，有機質(zhì)含量在1%～1.5%的耕地占43.5%，有機質(zhì)含量在1%以下的耕地占28%[18-19]。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

2018年7～8月，采用典型樣方法在阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)，設(shè)置樣方進行野外調(diào)查并采集土壤樣品。選取種植背景和管理方式及土壤理化性質(zhì)等基本一致的小麥地、棗園、棗麥間作園、荒地棗園、撂荒地等5種典型的土地利用方式作為研究對象，其中棗園和棗麥間作園均為農(nóng)田改建后形成的棗園，荒地棗園為開墾荒地后種植的棗園，棗樹樹齡均為10 a左右，以小麥地和撂荒地作為對照樣地。

5種土地利用方式各選擇3個作為試驗樣地的重復，共計15個樣地。各樣地內(nèi)采樣點的布設(shè)參考文獻[19]，土壤樣品按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm采集，并把同一個試驗樣地內(nèi)不同采樣點上采集的土壤樣品按照相同層次分別混合。采集到的土壤樣品帶回室內(nèi)自然風干，研磨后過篩，放入密封塑料袋中待測各養(yǎng)分指標。

1.2.2 土壤養(yǎng)分指標測定

測定土壤養(yǎng)分元素包括土壤有機質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)等指標。表1

表1 土壤養(yǎng)分指標及各指標測定[20]Table 1 Soil nutrient index and the analysis method

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS23.0、Origin2018和Excel 2019進行處理分析，采用單因素方差(One-way ANOVA)分析不同土地利用方式對土壤各養(yǎng)分指標的影響，利用LSD多重比較(α = 0.05)。變異系數(shù)>100%為強變異，10%～100%為中等變異，<10%為弱變異。采用Pearson相關(guān)分析土壤中各養(yǎng)分指標之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分總體特征

研究表明，棗麥間作園和棗園的土壤有機質(zhì)、全氮和全鉀的平均含量顯著高于小麥地、荒地棗園和荒地(P<0.05)。而全磷、堿解氮和速效磷平均含量表現(xiàn)為棗麥間作園下顯著高于小麥地、荒地棗園和荒地(P<0.05)，棗園顯著高于荒地棗園和荒地(P< 0.05)。速效鉀平均含量表現(xiàn)在棗麥間作園最高，且僅顯著高于荒地棗園和荒地(P< 0.05)。

各土壤養(yǎng)分指標在不同土地利用方式下的變異系數(shù)在0.92%～94.00%，均為中等空間變異性，其中速效磷的空間變異性相對最強，全鉀的空間變異性相對最弱。土壤全量養(yǎng)分的變異系數(shù)均小于速效養(yǎng)分的變異系數(shù)。表2

表2 不同土地利用方式下0～100 cm土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of soil fertility of 0-100 cm under different land use types

2.2 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 土壤有機質(zhì)

研究表明，土壤有機質(zhì)含量均隨土壤深度增加而下降。在0～100 cm土層范圍內(nèi)，農(nóng)田小麥地土壤有機質(zhì)含量為2.55～9.90 g/kg，棗園土壤有機質(zhì)含量為5.23～17.13 g/kg，棗麥間作園土壤有機質(zhì)含量為5.55～17.75 g/kg。由農(nóng)田更替為棗園及棗麥間作后，提高了各層土壤有機質(zhì)含量，其中0～20 cm土層各層土壤有機質(zhì)均顯著提高(P<0.05)，30～40 cm土層僅棗麥間作園顯著提高(P<0.05)。在0～100 cm土層，荒地土壤有機質(zhì)含量為0.40～2.7 g/kg，荒地改建為棗園后的土壤有機質(zhì)含量為1.30～7.19 g/kg。由荒地改建為棗園后，各層土壤有機質(zhì)均有提高，其中0～10 cm、20～30 cm土層顯著提高(P<0.05)。圖1

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一土層不同土地利用方式之間差異顯著(P<0.05) ，下同

2.2.2 土壤全量養(yǎng)分

研究表明，土壤全量養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為隨著土壤深度的加深而下降。0～10 cm土層土壤全氮含量顯著高于10 cm以下土層(P<0.05)。農(nóng)田改建為棗園或棗園間作后，土壤全氮含量均有所增加，但僅在棗園土壤0～10 cm土層表現(xiàn)為顯著增加(P<0.05)?；牡馗慕闂棃@后，各層土壤全氮含量均有顯著增加(P<0.05)。

土壤全磷含量在0.30～1.79 g/kg。農(nóng)田更替為棗麥間作園后顯著提高了0～40 cm土層全磷含量(P<0.05)，增幅為25%～79%?；牡馗鏋闂棃@后顯著提高了各層土壤全磷含量(P<0.05)，增幅為80.4%～96.7%。

全鉀的變化趨勢較為平緩。農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后均增加了土壤全鉀含量，但僅在棗麥間作園各層土壤中表現(xiàn)為顯著增加(P<0.05)?；牡馗鏋闂棃@后提高了各層土壤全鉀含量，僅在0～30 cm土層土壤全鉀含量有了較大幅度的增加，但并未達到顯著差異水平。圖2

圖2 不同土地利用方式下土壤全量養(yǎng)分含量變化Fig.2 Effects of different land use patterns on soil total nutrient

2.2.3 土壤速效養(yǎng)分

研究表明，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀等速效養(yǎng)分含量的垂直空間分布變化較土壤全氮、全磷和全鉀等全量養(yǎng)分含量的空間分布變化劇烈，均隨土層深度的增加而下降，且均表現(xiàn)為棗麥間作園>棗園>小麥>荒地棗園>荒地。

0～100 cm土層土壤堿解氮含量介于29.16～198.04 mg/kg。農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，各層土壤堿解氮含量均有不同程度的增加，但僅在棗麥間作模式下的0～20 cm土層表現(xiàn)為顯著增加(P<0.05)，0～10 cm、10～20 cm土層分別增加了71.91和40.84 mg/kg?；牡馗慕闂棃@后，0～100 cm土層土壤堿解氮含量增加了13.76～39.44 mg/kg。

表3 土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性Table 3 The correlation of soil nutrients

0～60 cm土層土壤速效磷含量隨著土層的加深下降幅度較大，60～100 cm土層逐漸趨于平緩。農(nóng)田改建為棗園或棗麥間作園后，0～100 cm土層土壤速效磷含量呈波動式增加，其中農(nóng)田改建為棗麥間作園后0～10 cm、20～30 cm、30～40 cm和60～80 cm土層土壤速效磷含量顯著增加(P<0.05)。荒地改建為棗園后，僅0～30 cm土層土壤速效磷含量有了較大幅度的增加，但并未達到顯著差異水平。

0～100 cm土層土壤速效鉀含量介于128.80～ 543.58 mg/kg。農(nóng)田改建為棗園或棗麥間作園后，土壤速效鉀含量除在0～10 cm土層有顯著差異外(P<0.05)，其余各層均無顯著差異?；牡馗鏋闂棃@后，0～100 cm土層土壤速效鉀含量均無顯著差異。圖3

2.3 土壤有機質(zhì)與土壤各養(yǎng)分元素之間相關(guān)性

研究表明，土壤有機質(zhì)與全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀彼此之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)在0.646 ～0.867。表3

圖3 不同土地利用方式下土壤速效養(yǎng)分含量變化Fig.3 Effects of different land use patterns on soil available nutrient

3 討 論

研究顯示，各土壤養(yǎng)分元素的空間變異性在不同土地利用方式下均表現(xiàn)為中等空間變異性，其中土壤全量養(yǎng)分的變異系數(shù)均小于速效養(yǎng)分的變異系數(shù)，與西北干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分特征分析結(jié)果較為一致[16]，主要是因為全量養(yǎng)分在土壤中比較穩(wěn)定，受隨機因素影響較小，而速效養(yǎng)分受土地利用方式的影響較大且較易流失[21-22]，速效養(yǎng)分的空間變異性較大。

土壤有機質(zhì)是養(yǎng)分循環(huán)中的一個關(guān)鍵指標，與地表植被覆蓋、植被生長情況、凋落物、根系分布及根系分泌物等有關(guān)[4,23]。研究區(qū)不同土地利用方式對土壤有機質(zhì)含量有顯著影響(P< 0.05)，與施陳銀等[24]研究結(jié)果類似。當農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后及荒地改建為棗園后0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量顯著增加(P< 0.05)，主要是因為棗園和棗麥間作園相對于農(nóng)田和荒地具有較高的郁閉度，可以減少土壤水分蒸發(fā)，導致土壤有機質(zhì)的分解速率減緩進而促進了土壤有機質(zhì)的積累[25-26]，另外由于棗園和棗麥間作園比農(nóng)田和荒地具有較高的生物多樣性及地表植被覆蓋和豐富的根系分布，可能是棗園和棗麥間作園土壤有機質(zhì)顯著提高的主要原因[27]。

土壤中氮素主要受植被凋落物等影響[28]。研究中土壤全氮和堿解氮含量均表現(xiàn)為在棗園和棗麥間作園土壤中較高，可能主要是因為棗園和棗麥間作園凋落物數(shù)量相對農(nóng)田和荒地較多使得土壤有機質(zhì)含量增多，土壤有機質(zhì)含量影響氮素供應水平，而氮素的來源主要靠有機質(zhì)的礦化[29]。相關(guān)分析也表明，土壤有機質(zhì)與全氮、堿解氮存在極顯著正相關(guān)性，殘留的有機質(zhì)含量較多使得土壤中氮素含量也隨之增加。

土地利用方式改變直接影響土壤養(yǎng)分物質(zhì)的運輸，進而使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化[23]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)為棗麥間作園>棗園>小麥地>荒地棗園>荒地，主要是因為土壤中磷元素含量的變化通常受土壤母質(zhì)、成土作用及耕作施肥等人為干擾活動影響[17]。土壤鉀元素含量受土壤類型、母質(zhì)風化程度和土壤質(zhì)地等因素影響，作物對鉀的需求量也較大[4]。由于果樹強大的根系會釋放大量分泌物，使之牢固粘附土壤顆粒，有利于形成有機碳，影響土壤的理化性質(zhì)和微生物含量，間接影響了土壤養(yǎng)分含量。農(nóng)田易受人為干擾活動(翻耕、松土)的影響加速了土壤有機質(zhì)的礦化作用，導致養(yǎng)分元素無法在土壤中大量積累[30]，加之農(nóng)戶對作物的收割也會導致土壤養(yǎng)分的大量損失[31]。

不同土地利用方式下，土壤各養(yǎng)分元素在垂直土壤剖面上的變化表現(xiàn)為土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量的垂直空間分布變化較土壤全氮、全磷和全鉀含量的空間分布變化劇烈，均隨土層深度的增加而下降，且0～20 cm土壤各養(yǎng)分含量均大于20 cm以下土壤，與許多學者對土壤養(yǎng)分特征研究的結(jié)果較為一致，土壤養(yǎng)分具有表聚性[32-35]。土壤養(yǎng)分在垂直空間分布上的變化主要是由于土地利用方式的改變影響地表植被凋落物及根系的分布，影響很多生態(tài)過程如影響土壤微生物的數(shù)量和質(zhì)量，引起土壤養(yǎng)分在各土壤層次間的再分配[17]。

4 結(jié) 論

4.1研究區(qū)各土壤養(yǎng)分指標在不同土地利用方式下的變異系數(shù)在0.92%～94%，均為中等空間變異。土壤全量養(yǎng)分的變異系數(shù)均小于速效養(yǎng)分的變異系數(shù)。

4.2土壤養(yǎng)分含量具有明顯的表聚性，主要集中在0～20 cm土層。各養(yǎng)分元素含量和有機質(zhì)含量均隨土壤深度的增加而逐漸減少。

4.3土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均表現(xiàn)為棗麥間作園>棗園>小麥地>荒地棗園>荒地，全氮表現(xiàn)為棗園>棗麥間作園>小麥>荒地棗園>荒地。土壤有機質(zhì)含量與土壤各養(yǎng)分含量之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系相關(guān)系數(shù)在0.646～0.867。