黑河中游荒漠绿洲区土地利用的土壤养分效应

2013-09-19 03:05马志敏吕一河孙飞翔王江磊
生态学报 2013年19期
关键词:全钾荒漠全氮

马志敏,吕一河,孙飞翔,王江磊

(中国科学院生态环境研究中心,北京 100085)

土地利用与土地覆被变化是全球环境变化的重要组成部分,是基于自然环境条件的人类活动的集中反映[1],引起生态系统结构和过程的变化[2-3],如地表植被变化影响植被凋落物量、生物多样性、地表径流和侵蚀过程、土壤养分和水分的变化以及生物地球化学循环[4-6]等。土地利用变化会引起土壤管理措施的改变,从而对土壤质量产生影响[7]。国内外学者就不同土地利用方式对土壤质量的影响做了大量工作,一致认为,不同土地利用方式的变化必然导致土壤性质和土地生产力的改变[8]。傅伯杰等在河北遵化县对土地利用变化与土壤养分变化的关系进行了研究,指出河北遵化县1980—1999年大量的旱地转换为林草地后土壤养分(有机质、全氮、速效钾、速效磷及速效氮)全面提高[9]。信忠保等在黄土丘陵沟壑区罗玉沟、吕二沟的研究表明,林地、坡耕地、梯田、果园和草地等五种土地利用方式中,草地土壤养分最差,坡耕地的土壤养分(有机质、全氮、全磷、全钾、速效养分)都较草地的高[10]。土壤养分的变化不仅受到土地利用类型的影响,还因土地利用结构的不同而存在差异。在黄土丘陵区的研究表明,从梁底到梁顶的土地利用结构中,坡耕地—草地—林地、梯田—草地—林地的结构模式具有较好的土壤保持能力,其土壤养分的平均含量要高于其它土地利用结构[11-13]。此外,土壤养分变化受到多重因素(地表覆盖类型、地形地势、气候、灌溉条件等)的影响,在不同地区地理气候条件下土壤养分变化呈现多样性特征[3]。

西北干旱区位于我国内陆,其面积较广,生态环境脆弱,在高强度人类活动影响下存在较高的生态退化风险,并且生态系统一旦退化就难以恢复。甘肃省张掖市的甘州区和临泽县位于西北干旱区的河西走廊,是典型的荒漠绿洲交错镶嵌的生态结构,当荒漠开垦为农田绿洲后,土壤质量会随之发生显著变化[7]。刘文杰等对黑河中游绿洲农田土壤速效养分时空变化特征的研究表明,2008年土壤速效养分含量比1982年有显著提高,尤其是速效磷增加了225.6%,认为土壤缺磷不再是临泽农业生产中的主要限制因子[14]。合理评估土地利用对土壤养分的影响,对于揭示土地利用的生态效应具有重要意义;探讨土壤养分动态变化的影响因子对于土壤养分和土壤碳库的科学管理具有积极意义。

土壤养分的相关指标中,土壤有机质直接影响土壤的保肥性、缓冲性、通气状况和土壤温度,氮、磷、钾是植物生长的必须营养元素,是土壤肥力的重要基础[15]。土壤酸碱度更是一项重要指标,反映土壤的酸碱平衡体系,是土壤养分循环的一个主控因子[16]。本文以黑河中游的张掖市甘州区和临泽县为典型区,研究土地利用对土壤养分变化的影响,从整体、土地利用、土地利用转变或保持三个角度,分析土壤养分中有机质、全氮、全磷、全钾以及土壤pH值对土地利用的响应特征,探讨土地利用对土壤养分变化的影响特征及其潜在风险,为土地利用和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区是位于甘肃省张掖市的甘州区和临泽县,地处甘肃省河西走廊中部,地理范围为东经99°51'— 100°6',北纬38°32'—39°42',南依祁连山,北接合黎—龙首山系,黑河从境内贯穿而过,该区水资源较为丰富、农业发达。四季云量少,光照充足,年平均日照时数约为3050 h,年均降雨量约为120 mm,变动范围多在80—140 mm,临泽县和甘州区的年均蒸发量分别为1830 mm和2047 mm,野外样点调查海拔分布范围1276—2300 m。张掖市改革开放以来经济快速增长,1978年国民生产总值为2.52亿元,2011年国民生产总值已经达到256.84亿元,是原来的100多倍。研究区内农业经济发达,是典型的绿洲农业和大型灌溉农业区,盛产玉米、小麦、豆类、红枣及各种蔬菜,是全国重点商品粮基地和制种基地。自20世纪80年代以来,耕地面积持续扩大,土地利用格局发生了显著改变,林地、草地、荒漠被持续地开垦为耕地,同时耕地、草地、荒漠、林地之间也发生相互转换。

土地利用方式以耕地为主,绝大部分耕地种植玉米(Zea mays L.),少量耕地用于小麦(Triticum aestivum L.)、温室蔬菜、葡萄(Vitis vinifera)及药材等的栽培。草地类型主要为山前荒漠草地和滨河湿地草地,受人为干扰和破坏程度较小,优势种为芦苇(Phragmites australis(cav.)Trin.ex Steud.)和苣荬菜(Sonchus arvensis Linn.),其土壤类型以灌漠土、荒漠风沙土、灰棕漠土等为主。林地类型包括旱地林场、滨河树林和人工种植的林地3种类型,旱地林场的主要树种为小叶杨(Populus simonii Carr.)和沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn.),滨河树林建群植被有红柳(Tamarix ramosissima Ledeb.)、小叶杨和沙枣,人工种植林地则以小叶杨、新疆杨(Populus alba Linn.var.pyramdalis Bunge)为主。荒漠则多分布于绿洲周边和龙首山周边,前者植被稀少,地表多有少许石砾,后者分布海拔较高,在1700 m以上;荒漠典型特点是土壤较干,植被以珍珠猪毛菜(Salsola passerina Bunge)和合头草(Sympegma regelii Bunge)为主。

1.2 数据来源与方法

图1 研究区位置及样地分布Fig.1 The location of study areas and distribution of sample plots

2011—2012年野外布点采集土样,从南部的祁连山山前到北部的龙首—合黎山,在荒漠绿洲区选择典型的耕地、林地、荒漠等类型布点采样,共布设53个样地(图1)。每个样地利用GPS记录经纬度,收集表层0—20 cm的土壤,在样地不同位置重复取土样3次,装入布袋,并做标记,带回实验室风干,过100目筛子,测定土壤全量养分,包括有机质、全氮、全磷、全钾和pH值。

收集甘州区(1980)、临泽县(1982)的全国第二次土壤普查数据得到的黑河流域1∶100万土壤类型数据集,该1∶100万土壤数据图编制工作始于1986年,其中属性表里的土壤表层养分属性包括有机质、全氮、全钾、全磷和酸碱度。全国第二次土壤普查时,土壤有机质采用重铬酸钾法测定,采用的介质是液体石蜡油,在高温185—190℃ 条件下,用过量的标准重铬酸钾-浓硫酸溶液氧化土壤中有机碳,加邻菲罗啉指示剂后,用硫酸亚铁溶液滴定多余重铬酸钾;土壤全氮采用的是高氯酸-浓硫酸硝化后,光电比色测定;土壤全磷同样采用高氯酸-浓硫酸消解体系,外加钼锑抗显色剂,光电比色测定;土壤全钾采用CaCO3-NH4CL焙烧,用火焰光度计测定其水浸提液;土壤酸碱度用5∶1水土比与永久色阶进行比色测定或通过电位法测定[17]。收集黑河中游1986年1∶10万土地利用数据集中的矢量数据,采用中国科学院土地利用分类标准,该数据集剪裁于1986年中国1∶10万土地利用数据集,同时收集黑河中游2000、2005、2007年三期的土地利用矢量数据。

1.3 土壤样品测试方法[18]

土壤pH值用pH计测定,具体方法是测定常温下以5∶1的水土质量比例溶于规格为50 mL烧杯中(土壤5 g,去离子水25 mL),用玻璃棒搅拌使其溶解,静置,取其上清液与玻璃试管中,用标准试剂液校准(两点校正)过的pH计测定。土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定,具体为称取0.5 g100目土壤于50 mL的比色管中,加入5 mL浓度为0.800 mol/L的重铬酸钾标准液和5 mL浓硫酸,置于试管架上,在烘箱中于105℃下加热10 min中,冷却后,从试管移入锥形瓶中,加入邻菲罗林指示剂2—3滴,用浓度为0.2 mol/L的硫酸亚铁溶液滴定。土壤全氮用德国Vario ELⅢ元素分析仪测得,具体为称取30 mg的100目土壤于专用的锡舟中,包好后放于分析仪的转盘内,所用的标准土样为GSS-8。全磷和全钾用(ICP-OES)同时测定,具体为称取0.1 g(精确到0.001 g)100目土壤于聚四氟乙烯坩埚中,依次加入各种酸后再电热板上消煮,消煮体系为硝酸-高氯酸-氢氟酸-盐酸,消煮方法采用的是国家标准GB 9836-88,钾测定采用的分析线波长为766.491 nm,磷测定采用的分析线波长为214.914 nm。

1.4 数据分析方法

利用ArcGIS 9.3生成采样点的图层,叠置于全国第二次土壤普查黑河流域1∶100万土壤数据集上,得到样点处80年代初的表层土壤养分值,结合实际测定土壤养分数据,对比分析30年耕层土壤养分的变化;结合研究区1986、2000、2005和2007年4期土地利用数据集来比对样点尺度30年来土地利用类型变化对土壤养分的影响。基于(PASW)18.0软件进行土壤养分特征的分析。运用单因素方差分析(One-way ANOVA)来检验土地利用间土壤养分变化的显著性。

2 结果与分析

2.1 研究区内土壤养分的总体变化

研究区土壤养分的总体情况如表1所示。全国第二次土壤普查时,研究区表层(0—20 cm)土壤有机质、全氮、全磷、全钾的平均值依次为15.83、0.91、0.80、20.14 g/kg,pH值8.3。在5项土壤指标中,土壤pH值变异系数最小,仅为0.038,变异系数最大的为土壤有机质、全氮,变异系数大小分别为0.63和0.59。这表明80年代初,研究区内土壤有机质含量比较低,氮、磷俱缺,土壤钾相对丰富[19]。2011—2012年,土壤有机质、全氮、全磷和全钾的平均值分别为15.27、1.59、0.71 g/kg和40.03 g/kg,它们的变异系数分别为0.34、0.37、0.41、0.04,同时土壤的pH值平均值为8.65,变异系数为0.024。30年来,研究区土壤有机质、全磷分别降低了3.54%、12.5%,而全氮和全钾及pH值分别增加了74.7%、98.2%与4.9%。土壤中有机质含量减少了0.56 g/kg,而土壤全氮和全钾的含量大幅增加,土壤碱性增强。

2.2 不同土地利用的土壤养分特征

研究区内不同土地利用的土壤养分情况如表2所示。

表1 研究区两个时期土壤养分及其变化情况统计Table 1 Statistics of soil nutrients and the variation in study area of two periods

表2 不同土地利用类型土壤养分不同时期的对比Table 2 Contrast of soil nutrients under different land use types between different periods

(1)土壤有机质变化 全国第二次土壤普查时,表层土壤有机质含量最高的是林地(28.47 g/kg),耕地(16.74 g/kg)次之,其后为草地(12.59 g/kg),荒漠(12.3 g/kg)最小。林地土壤有机质显著高于其他土地利用类型,而耕地、草地和荒漠之间土壤有机质含量没有显著差异;就土壤有机质的标准差大小而言,荒漠(13.3)>林地(11.1)>草地(10.82)>耕地(6.97),荒漠土壤有机质变异性最大,耕地土壤有机质变异性最小。2011—2012年时,林地表层(0—20 cm)平均土壤有机质含量为17.82 g/kg,荒漠为15.66 g/kg,耕地为14.77 g/kg,其标准差大小为林地(7.26)>耕地(5.03)>荒漠(3.80)。30年来,林地和耕地的土壤有机质呈下降趋势,而荒漠的土壤有机质则呈累积效应,并且区内荒漠土壤有机质的变异性减少最为明显。

(2)土壤全氮、全磷、全钾的变化 全国第二次土壤普查时,土壤全氮、全钾在土地利用间呈现相同趋势,林地 >耕地 >草地>荒漠;土壤全磷的大小特点为耕地含量最高,草地次之,其后为林地,荒漠的土壤全磷最小;土壤全磷的标准差在0.17—0.26之间,土壤全钾的标准差变动范围是1.86—4.44,土壤全氮的标准差在0.48—0.57之间。2011—2012年时,表层土壤全氮、全磷、全钾在各土地利用间的大小关系较全国第二次土壤普查时期发生了改变。土壤全氮含量大小次序为耕地 >林地>荒漠,土壤全钾的大小次序为林地 >荒漠>耕地,土壤全磷的含量大小次序为耕地 >荒漠 >林地。从时间上比较,耕地和荒漠的土壤全氮和全钾含量增加明显、土壤全磷稍微降低,而林地的土壤全钾含量增加,但土壤全氮和全磷含量都减少,流失较为突出。

(3)土壤pH值变化 各土地利用间的土壤pH值相差不大。全国第二次土壤普查时,林地(7.6)<耕地(8.31)<草地(8.27)<荒漠(8.36),荒漠土壤pH值最大,林地土壤pH值最小;2011—2012年时,区内土壤pH值呈增大趋势,土壤表层趋向碱性变化,荒漠(8.59)<耕地(8.66)<林地(8.71),并且林地、耕地的土壤pH值趋碱性程度较荒漠更强。

2.3 样地尺度土地利用变化的土壤养分效应

样地尺度上,比较土地利用保持不变或者发生改变后的土壤养分变化趋势来揭示土地利用对土壤养分变化的直接影响。根据野外调查样地经纬度信息和土地利用类型以及1986年土地利用数据,确定土地利用变化类型是维持还是改变。选取耕地-耕地、荒漠-荒漠、草地-耕地、草地-荒漠和草地-林地5种典型土地利用变化类型来比较其土壤养分变化特点(表3)。如“耕地-耕地”表示全国第二次土壤普查时的土地利用类型和2011—2012年的土地利用类型相同,均为耕地,同理,草地-耕地表示全国第二次土壤普查时草地类型转变成了2011—2012年的耕地。

不同土地利用变化类型有着不同的土壤养分变化效应,土壤有机质增加的土地利用变化类型按增加量大小排列依次为荒漠-荒漠、草地-荒漠和草地-耕地,土壤有机质平均增量依次为5.23 g/kg、4.25 g/kg和1.51 g/kg,耕地-耕地维持类型土壤有机质减少0.85 g/kg、草地-林地变化类型土壤有机质平均减少10.30 g/kg。耕地-耕地土壤全氮增加量最大,为0.91 g/kg,草地-耕地土壤全氮增加量为0.73 g/kg,草地-荒漠土壤全氮增加量为0.62 g/kg,荒漠-荒漠土壤全氮增量最小,为0.33 g/kg,相反,草地-林地的土壤全氮减少了0.10 g/kg。按土壤全钾的变化量大小依次荒漠-荒漠、草地-荒漠、耕地-耕地、草地-耕地和草地-林地,前4种土地利用变化类型间的土壤全钾变化量没有显著差异,荒漠-荒漠和草地-荒漠的土壤全钾变化量要极显著地高于草地-林地。

5种土地利用变化类型中,唯草地-耕地的土壤全磷增加,增量为0.15 g/kg,其它土地利用变化类型的土壤全磷含量减少,减少最多的为草地-荒漠,土壤全磷减少量为0.45 g/kg,荒漠-荒漠的土壤全磷减少量为0.24 g/kg,草地-林地土壤全磷减少0.16 g/kg,耕地-耕地的土壤全磷减少量最小,仅为0.05 g/kg,并且唯有草地-耕地与草地-荒漠土壤全磷变化量差异显著。土壤pH值变化在土地利用变化类型中也有明显差异,草地-林地土壤pH值增大了0.82,耕地-耕地土壤pH值增大了0.39,而荒漠-荒漠土壤pH值则减少了0.12,这3种土地利用变化类型间土壤pH值变化量存在极显著差异。

表3 基于样地的土地利用维持或改变后土壤养分的变化量Table 3 The variation of soil nutrients with land use condition based on field plots

耕地-耕地与荒漠-荒漠,这两种土地利用保持的土壤养分效应有着截然不同的特点,前者土壤有机质含量减少,后者明显增加;前者土壤pH值增大碱性增强,后者土壤pH值减小趋于脱碱;两者的全氮、全钾都增加,但前者全氮的增加要大于后者,前者土壤全钾的增加小于后者,同时全磷都减小,但前者的效应弱于后者。

草地-耕地与草地-荒漠是草地的两种土地利用变化类型,草地-耕地土壤全磷含量增加0.15 g/kg,但草地-荒漠土壤全磷含量减少0.45 g/kg;草地-荒漠的土壤有机质增长效应强于草地-耕地,在全氮和全钾上两者都有增加,草地-耕地土壤全氮增量大于草地-荒漠,但前者的土壤全钾增量小于后者,两者土壤pH值都增加,分别增加了0.44和0.46。

3 讨论

土地利用是环境属性的综合反映,由不同土地利用构成的异质景观影响土壤养分的分布和迁移[12]。与分析不同土地利用的土壤养分大小相比,土地利用方式对土壤养分的长期时间效应更值得关注和探讨。本研究的结果表明,黑河中游荒漠绿洲区,耕地长期利用造成土壤养分的变化,土壤中全氮、全钾含量增加,土壤有机质含量下降,土壤pH值增大;荒漠自然演替使得土壤有机质的含量平均提升了5.23 g/kg,同时土壤pH值下降了0.12。这说明荒漠区灌丛植被定居和演替对土壤化学性状具有明显的改变。土壤理化性状的改变既是植被对土壤的作用,也是影响植被演替方向的重要因素[20]。

土地利用发生变化后,土壤养分含量在时间和空间上发生改变。王根绪等在黑河流域中游土地利用变化的环境影响研究中表明,草地转变为耕地3 a后,0—20 cm土层土壤有机质与全氮含量略有减少;耕种10 a以上,0—50 cm土层土壤有机质和全氮含量大幅度减少,逐渐形成亚稳态[21]。原因是土地利用的改变伴随着人类对土地的作用方式和强度的变化。草地转变为耕地,伴随翻耕、施肥和灌溉等农业管理措施,有机物降解加快,消耗加剧,土壤中有机质含量降低,同时化肥大量使用使得土壤的全钾、全氮含量升高,土壤pH值增加。草地转化为荒漠,水分减少,土壤渐干,较为抗旱的植被代替原来的草地植被,生长缓慢、消耗养分较少,荒漠植被低叶面积,适口性差,高比例的土壤枝叶凋落物[22],使得土壤养分含量增加。

可见,荒漠绿洲区耕地开垦后,在粗放的管理模式下,随着耕作管理时间的延长,土壤质量发生退化,突出地表现为土壤有机质减少,碱化程度升高,这将对农田生态系统的可持续管理带来重要挑战。因此,控制农田扩张、改善农田的水肥管理[23]对于维系荒漠绿洲区的农田生态系统健康非常重要。相反,荒漠生态系统作为少受人为干扰的生态系统类型,其自然演替能够促进土壤养分积累,表现出显著的土壤固碳效应,同时,碱化程度降低。所以,从维持荒漠绿洲区生态健康的角度,有必要加大荒漠生态系统的保护和恢复。

土壤养分变化动态不仅取决于土地利用的变化还受到土壤类型的影响。表3中的草地-林地转换,土壤有机质降低了10.30 g/kg,经过2000、2005、2007年三期土地利用数据比对可以发现,从1986年至2007年一直是草地,直接原因是两个样点位的土壤类型不同,即土壤养分的初始状态不同,一个为荒漠风沙土,一个为石灰性草甸土,草地转变为林地土壤养分效应,在荒漠风沙土上增加累积,在石灰性草甸土上下降。Bellamy等在研究英格兰和苏格兰1978—2003年土壤碳库变化时发现,土壤有机碳的变化率与土地利用、降雨类型、土壤质地类型不存在统计上的显著相关关系,但是土壤有机碳改变速率与初始有机碳含量呈显著线性负相关关系[12]。即土壤养分的损失,特别是土壤有机质的损失与土壤的初始状态紧密关联,一定程度上土壤类型影响土壤养分的变化。另外土壤养分中的氮的循环还受到土壤pH值的影响。Cheng等在加拿大亚伯达省中部利用氮-16同位素示踪技术研究发现土壤pH值增加促使氮素矿化[8],这说明土壤pH值增加,一定程度上可能加剧了土壤有机物的分解。

4 结论

整体上,2011—2012年表层土壤养分含量较全国第二次土壤普查20世纪80年代时,土壤有机质、全磷含量分别降低了3.54%和12.5%,土壤全氮增加了74.4%,土壤全钾近乎翻番,土壤pH值上升4.9%。

表层土壤养分的时间动态因土地利用不同而异,对土壤有机质而言,耕地的长期耕作导致土壤有机质显著降低,而荒漠生态系统的土壤有机质累积效果明显,表现出良好的土壤固碳效应,表明荒漠有较高的长期固碳潜力;荒漠和耕地土壤中都呈现全氮含量的增加,但来源不同,荒漠的全氮增量来源于含氮有机物,耕地的全氮增量则来源于化肥的施用;耕地土壤持续碱化,荒漠土壤pH值在减小。土地利用转换对土壤养分变化具有驱动效应,但也要注意土壤类型和土地利用转换对土壤养分的耦合影响。

本研究表明,尽管我国西北荒漠绿洲区人口和经济社会发展的压力日益增加,自然生态系统的保护和恢复仍然是必须强化和长期坚持的重要工作,关系到区域生态安全的维持。严格控制耕地向自然、半自然生态系统的扩张,大力提升农田经营管理水平,是实现区域农业和国民经济健康持续发展的重要基础。

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