農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)不同撂荒年限對(duì)農(nóng)田土壤的影響

關(guān)鍵詞：農(nóng)牧交錯(cuò)帶;農(nóng)田;撂荒年限;土壤水分;土壤理化性質(zhì);土壤養(yǎng)分

農(nóng)田撂荒是工業(yè)化和城市化快速推進(jìn)下的普遍現(xiàn)象[1]，也是全球范圍內(nèi)高度關(guān)注的問題[2]。目前，我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶耕地不斷減少，其主要原因是撂荒后土地利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?0世紀(jì)80年代至2000年，轉(zhuǎn)化面積達(dá)9.5×104km2[3];近20年，草地與耕地之間的流轉(zhuǎn)面積達(dá)1.67×104km2[4]。近年來，我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶各?。ㄊ小^(qū)）均存在不同程度的撂荒現(xiàn)象，撂荒特征由貧瘠、耕作困難的地塊逐漸向連片且肥沃的區(qū)域蔓延[5]。中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是中國落實(shí)糧食安全戰(zhàn)略和“大糧食安全觀的”重要地帶，因此，開展農(nóng)牧交錯(cuò)帶撂荒農(nóng)田的相關(guān)研究具有重要的意義。

撂荒對(duì)土壤質(zhì)量和肥力的改善具有重要的作用，這種土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡，而土壤的養(yǎng)分含量是影響植物群落建成和穩(wěn)定性的主要因素之一[7，8]。撂荒6年的農(nóng)田土壤有機(jī)碳（Soilorganiccarbon，SOC）含量顯著高于耕地，但其穩(wěn)定性更低[8]。不同地區(qū)撂荒地養(yǎng)分的變化特征及影響因子存在差異，王月玲等[9]對(duì)寧南山區(qū)5個(gè)不同撂荒年限（2a，5a，15a，17a，20a）的農(nóng)田土壤進(jìn)行分析，結(jié)果表明土層深度和年限共同影響撂荒農(nóng)田土壤的碳（Carbon，C）氮（Nitrogen，N）磷（Phosphorus，P）化學(xué)計(jì)量特征，在一定程度上改善了土壤肥力。近期的研究結(jié)果顯示，撂荒改善了渭北旱塬區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況，但撂荒20年以上農(nóng)田土壤的微生物受P的限制程度增加[10]。因此，明確北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶撂荒地養(yǎng)分變化特征有利于復(fù)耕工作的推進(jìn)。土壤水分是植物生長的重要限制因子[11]，對(duì)維持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，郭茹茹等[12]發(fā)現(xiàn)苜蓿草地的土壤水分在撂荒過程中得到了恢復(fù)，通過對(duì)比分析撂荒地與耕地土壤水分規(guī)律及其對(duì)降水的響應(yīng)程度發(fā)現(xiàn)，撂荒地不利于土壤水分的存儲(chǔ)[13]。草地植物群落和地上生物量受撂荒年限的影響[14]，而植物群落的變化最終會(huì)引起水資源循環(huán)等生態(tài)功能的變化[15]。鑒于此，本文對(duì)不同年限和不同深度撂荒農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)特征及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析，以期為撂荒地土壤的保護(hù)以及合理利用提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于以河北省沽源縣草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站為中心的農(nóng)牧交錯(cuò)帶（115°41'E，41°46'N，海拔1380m），既是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，也是草牧業(yè)發(fā)展的核心生態(tài)區(qū)域[16]。試驗(yàn)地屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均溫為1.4℃，年均降水量為450 mm（主要集中于7—9月），年蒸發(fā)量為1735 mm，年均風(fēng)速為4.3m·s-1，年日照時(shí)數(shù)為2930.9h。主要土壤類型為栗鈣土，地帶性植被以羊草（Leymuschinensis（Trin.）Tzvelev）和克氏針茅（Stipakrylovii Roshev.）為建群種。研究區(qū)在試驗(yàn)期間的氣象條件如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及土壤樣品采集

本試驗(yàn)選取地形相似未撂荒（CK）、撂荒7年（7a）、15年（15a）、30年（30a）的3個(gè)不同年限的撂荒地作為試驗(yàn)地，樣地大小為30m×30m。撂荒7年（7a）、15年（15a）、30年（30a）3個(gè)不同年限撂荒地的蓋度分別為80%，85%和95%，均在撂荒后自然演替。野外調(diào)查時(shí)間為2022年8月，采樣期間有降雨，在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)1m×1m的樣方，樣方間距至少為10m，使用土鉆（內(nèi)徑為3.5cm）采集為0～10cm，10～30cm 和30～50cm 深度的土壤樣品，每個(gè)樣方內(nèi)將4鉆合成一份混勻的土壤樣品。將土樣中的石塊、植物根系、殘?bào)w等雜質(zhì)去除后過2mm 篩子，混合均勻后自然風(fēng)干。

1.3 室內(nèi)測定指標(biāo)

土壤理化性質(zhì)的測定見表1。

1.4 室內(nèi)計(jì)算分析

1.4.1 土壤含水量：

式中，m0，m1，m2分別為鋁盒重（g），烘干前鋁盒與土壤濕重（g），烘干后鋁盒與土壤干重（g）。

1.4.2 土壤貯水量[20]：

式中，W 為土壤貯水量（mm），h 為土層深度（cm），ρ 為土壤容重（g·cm-3），ω 為土壤質(zhì)量含水量（%）。

1.4.3 蒸散量[20]：

式中，ET 為蒸散量（mm），P 為8 月降水量（mm），W0為8月初期土壤貯水量（mm），W1 為8月末期土壤貯水量（mm），M 為灌溉水量（mm），K 為地下水補(bǔ)給水量（mm），本研究選取的采樣點(diǎn)沒有進(jìn)行灌溉（M =0），沒有地表徑流。由于該地區(qū)地下水位于40～50m 深，因此忽略不計(jì)根區(qū)毛細(xì)上升水（K=0）。

1.4.4 土壤總孔隙度[22]：

土壤總孔隙度（Pt）（%）= 1-Bd/ds ×100

式中，Bd為土壤容重（g·cm-3），ds為土壤密度（2.65g·cm-3）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel2016 將數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整合，通過SPSS22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，作圖使用GraphPad（version9.4.0，GraphPadSoftwareInc，SanDiego，CA，USA）進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同撂荒年限各土層土壤容重、孔隙度和pH 值的變化特征

不同年限和土層深度對(duì)撂荒農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)均有影響（圖2）。與未撂荒農(nóng)田（CK）相比，隨著撂荒年限的增加，各土層的土壤容重（g·cm-3）顯著增加（Plt;0.05），土壤孔隙度（%）顯著降低（Plt;0.05）。在同一撂荒年限下，土壤容重（g·cm-3）在不同土層之間沒有顯著變化，撂荒15a的土壤孔隙度（%），在30～50cm 土層顯著降低，其他年限不同土層之間的土壤孔隙度（%）沒有顯著變化。隨著撂荒年限的增加，各土層土壤pH 呈先增加后減小的變化趨勢，30a各土層土壤pH 顯著低于其它年限。在相同撂荒年限下，各土層間的土壤pH 變化特征表現(xiàn)為：7a的30～50cm 土層顯著低于其它土層，15a的0～10cm 和10～30cm 土層顯著低于30～50cm 土層，30a的各土層間無顯著差異。撂荒農(nóng)田各土層土壤的含水量（%）顯著高于未撂荒農(nóng)田（CK），不同撂荒年限土壤含水量（%）呈先增加、后減少再增加的變化趨勢，其中15a的土壤含水量（%）顯著低于7a和30a。在相同撂荒年限下，30～50cm 土層的含水量（%）顯著低于上層（0～10cm和10～30cm）土壤，而30a的30～50cm 土層含水量（%）顯著高于表層（0～10cm）。

2.2 不同撂荒年限各土層土壤水分變化特征

2022年8月研究區(qū)域降水量為70.18mm（圖1），不同撂荒年限各土層土壤含水量和蒸散量變化特征如圖3所示。不同撂荒年限農(nóng)田的蒸散量變化特征表現(xiàn)為：CKgt;15agt;7agt;30a，而不同年限撂荒農(nóng)田各土層的土壤含水量（%）表現(xiàn)為：CKlt;15alt;7alt;30a。相同撂荒年限下30～50cm 土層的土壤含水量（%）顯著低于上層（0～10cm，10～30cm）（Plt;0.05），而30a的下層（10～30cm，30～50cm）土壤含水量（%）顯著高于表層（0～10cm）（P lt;0.05）。

2.3 不同撂荒年限各土層土壤有機(jī)碳（SOC）、總氮（TN）和總磷（TP）的變化特征

不同撂荒年限各土層土壤養(yǎng)分的變化不同（圖4）。長期（30a）撂荒地的各土層SOC（g·kg-1）、TN（g·kg-1）和TP（g·kg-1）含量顯著高于CK，7a和15a（Plt;0.05）。相同撂荒年限下，30～50cm土層的SOC（g·kg-1）、TN（g·kg-1）含量顯著低于上層（0～10cm，10～30cm）（Plt;0.05），而30～50cm 土層的TP（g·kg-1）含量顯著高于上層（0～10cm，10～30cm）（Plt;0.05）。

2.4 不同撂荒年限土壤含水量與土壤有機(jī)碳（SOC）、總氮（TN）和總磷（TP）之間的相關(guān)性

如圖5所示，通過分析不同撂荒年限農(nóng)田土壤含水量與土壤SOC（g·kg-1）、TN（g·kg-1）和TP（g·kg-1）含量之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)未撂荒農(nóng)田CK的土壤含水量（%）與有機(jī)碳（SOC）含量（g·kg-1）呈極顯著的正相關(guān)（R2=0.8367，Plt;0.001），與全氮（TN）（g·kg-1）和全磷（TP）（g·kg-1）含量的相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平。撂荒7a的土壤含水量（%）與SOC（R2 =0.3950，P lt;0.05），TN（R2 =0.6024，Plt;0.01）和TP（R2=0.6689，P=0.001）含量均呈顯著的正相關(guān)。撂荒15a的土壤含水量（%）與SOC（g·kg-1）含量不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而與TN（R2=0.4184，Plt;0.05）和TP（R2=0.3746，Plt;0.05）含量均呈顯著的正相關(guān)。撂荒30a的土壤含水量（%）與SOC（g·kg-1）和TN（g·kg-1）含量的相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平，而與TP（R2=0.4907，P=0.01）含量呈顯著的正相關(guān)。

3 討論

3.1 撂荒年限對(duì)不同土層土壤物理結(jié)構(gòu)的影響

土壤容重和孔隙度反映土壤的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣，撂荒可以改變土壤的物理結(jié)構(gòu)[22]，本研究的結(jié)果顯示，土壤容重隨撂荒年限的增加顯著增加，孔隙度隨撂荒年限的增加顯著降低，這與周虎等[23]的研究結(jié)果相似，撂荒處理下的土壤容重均顯著高于耕作農(nóng)田，其原因在于撂荒農(nóng)田土壤長期處于不受擾動(dòng)的狀態(tài)，而未撂荒農(nóng)田對(duì)土壤進(jìn)行的翻耕行為導(dǎo)致土壤更加疏松。在撂荒前期（7a，15a），表層（0～10cm）土壤容重顯著低于深層（30～50cm），其原因在于淺層土壤存在更多的根系和凋落物。而當(dāng)撂荒年限達(dá)30a時(shí)，不同土層土壤容重已無顯著差異。撂荒年限不同導(dǎo)致植被組成存在差異，植被恢復(fù)過程中植物活動(dòng)強(qiáng)度的增大會(huì)導(dǎo)致土壤容重變小，植物根際間的連結(jié)作用是改善土壤結(jié)構(gòu)的重要影響因素[24]，因此，本研究選取的7a，15a和30a撂荒地的土壤物理結(jié)構(gòu)未受到植被恢復(fù)造成的植被根系擾動(dòng)的影響。土壤pH 是農(nóng)田土壤質(zhì)量和耕種價(jià)值提升的重要因素[25]，從本研究的結(jié)果來看，撂荒30a的土壤pH 顯著降低，基本屬于適宜作物生長的弱堿性土壤（7.5～8.0），這與對(duì)全球1059個(gè)樣點(diǎn)免耕土壤pH 的meta分析結(jié)果一致，其原因可能是撂荒通過避免土壤擾動(dòng)所帶來的有機(jī)質(zhì)分解的變化可能導(dǎo)致H+ 濃度升高，從而降低土壤pH 值[26]。

3.2 撂荒年限對(duì)不同土層土壤養(yǎng)分的影響

本文選取土壤SOC、TN 與TP作為反映土壤養(yǎng)分變化特征的指標(biāo)。與未撂荒地相比，長期撂荒（30a）后土壤各層SOC、TN 和TP的含量均顯著增加，表明撂荒顯著提高了土壤養(yǎng)分含量。撂荒通過減少土壤擾動(dòng)，避免了農(nóng)田侵蝕和水分流失，進(jìn)而增加了土壤養(yǎng)分含量[27，28]。隨著撂荒年限的增加，一方面，土壤有機(jī)質(zhì)含量的升高促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，有利于土壤的持水能力圖4;另一方面，土壤容重的升高和孔隙度的降低，對(duì)土壤水分的快速入滲起到了抑制作用，但同時(shí)也減少了水分的蒸散量[29]。因此，與耕作農(nóng)田相比，長期撂荒（30a）下土壤水分也在一定程度上得到了恢復(fù)，蒸散耗水量并未因?yàn)楦L期的植被恢復(fù)可能導(dǎo)致的蒸騰作用更大而增加。壩上地區(qū)主要農(nóng)作物和不同植被的水分利用效率不同[30]，不同撂荒年限下的植被差異也導(dǎo)致蒸騰耗水的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量與土壤養(yǎng)分含量呈顯著相關(guān)關(guān)系，是影響土壤養(yǎng)分的主要因素，而長期撂荒地的蒸散耗水量更少，因此土壤水分更高，土壤養(yǎng)分得到了積累。長期撂荒后，植被恢復(fù)導(dǎo)致的植被差異性未影響到土壤物理結(jié)構(gòu)和蒸散耗水量，因此，在未來的工作中，我們應(yīng)該關(guān)注不同年限撂荒地中植被組成差異造成的影響。目前，農(nóng)牧交錯(cuò)帶也同樣面臨著氣候變化帶來的影響，由于極端高溫事件的發(fā)生，升高的冠層溫度對(duì)該地區(qū)的植被生長造成了威脅[32]。在之后的研究工作中，我們將更加關(guān)注不同年限撂荒地的植被組成，以期在氣候變化的背景下探索撂荒地的合理管理措施。

4 結(jié)論

通過對(duì)河北壩上農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同撂荒年限農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分以及水分特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著撂荒年限的增加，撂荒地土壤容重顯著增加，土壤孔隙度顯著降低，長期（30a）撂荒土壤pH 顯著降低。農(nóng)田蒸散量隨撂荒年限的增加而降低，土壤各層含水量隨撂荒年限的增加而增加。撂荒顯著提高了土壤養(yǎng)分（SOC，TN 和TP）的含量。而相同撂荒年限下，深層（30～50cm）土壤SOC，TN 含量顯著降低，而深層（30～50cm）土壤TP 含量在長期（30a）撂荒后顯著增加。不同撂荒年限土壤含水量與土壤養(yǎng)分指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)?？傮w而言，長期撂荒對(duì)土壤養(yǎng)分具有顯著的改善作用，土壤水分是影響?zhàn)B分含量的主要原因之一，長期撂荒下更少的蒸散耗水量減少了土壤水分的損失，土壤養(yǎng)分更高。