2种不同土地利用方式对山麓耕地土壤养分的影响

万 盼 ，胡艳波 ，张弓乔 ，王宏翔 ，李录林 ，王 鹏 ，惠刚盈

（1.中国林业科学研究院 a.林业研究所；b.国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091；2.甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所，甘肃 天水 741020）

土壤作为植物生长发育的基础，参与植物群落的各种生态过程，其性质状况是衡量土壤生态系统功能的重要指标[1-2]。人类利用土地进行的各种生产活动影响着土壤性质的变化[3-4]。土地利用方式的改变以及不同的管理措施，可以导致土壤生物化学循环的方向、变化速率以及物质再分配过程的改变，从而影响土壤的水、热、气、肥等物理性质的变化，进而对土壤质量产生重要影响[5-6]。这已引起了许多学者的关注：Liu等[7]的研究表明，土地利用方式的不同会改变土壤C、N、P的比例，进而引起土壤生态的变化；王雪梅等[8]的研究表明，土地利用方式不同对土壤养分含量有显著影响，不合理的土地利用方式可导致土壤质量发生变化；黄茹等[9]的研究表明，不同土地利用方式在一定程度干扰了土壤环境，影响了土壤养分含量；崔东等[10]的研究表明，土地利用方式对土壤养分与酶活性有显著影响。

小陇山自然保护区是我国暖温带—亚热带过渡地带，由于自然因素和人为因素的影响，导致该地区生态系统的退化。近年来，退耕还林政策的实施，大面积人工林在当地推广，以期改善区域生态环境脆弱的现状。油松Pinus tabulaeformis Carr.是我国特有树种，作为退耕还林的主要树种，近年来在小陇山发展迅速[11-12]。柴胡Bupleurum chinense作为一种经济价值的药用植物，长期被农民耕种在小陇山自然保护区，而现在大面积的柴胡地普遍被改为培育油松苗。耕地变林地，土地利用方式的改变，相应地土壤性质也将发生变化。曹裕松等[13]发现，不同退耕还林模式对土壤养分的影响存在差异，但总体上显著改变了土壤养分的垂直分布格局；冀晴等[14]研究了不同人工植被类型，结果表明人工林的栽植容易导致土壤养分结构不协调。在小陇山自然保护区，对油松育苗栽培与造林技术[15]、林分生长模型[16]、林分更新及其林分空间结构[17]等方面研究较多，而有关人工油松林对土壤性质的影响研究较少，尤其是人工油松苗的栽植对耕地土壤养分的影响研究鲜有报道。对此，应及时深入探究耕地上栽植油松苗后土壤养分含量的变化情况，进而了解土壤质量的变化情况，这对当地实现合理的植被管理和土地可持续利用具有重要意义。本研究以小陇山典型的油松人工苗地为研究对象，并以柴胡地（耕地）作对照，采用对比和主成分分析方法，对常见的2种人工植被类型下土壤养分特征及养分之间关系进行了分析，以期为当地进行人工油松苗的种植、经营及土壤管理提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

小陇山林区位于甘肃省东南部（33°30′～34°49′N，104°22′～ 105°43′E），地处秦岭西段，属暖温带向北亚热带过渡地带，兼有我国南北气候特点，大多数地域属暖温湿润—中温半湿润大陆性季风气候[18]。该区年平均气温为7～12 ℃，极端最高气温为39.2 ℃，极端最低气温为-23.2 ℃，年降水量为600～900 mm，主要集中于7、8、9月，年蒸发量为989～1 658 mm，相对湿度为68%～78%，年日照时长为1 520～2 313 h，无霜期130～220 d，区内秦岭以北的地带性土壤为灰褐土，以南为黄褐土，垂直分布比较明显[19]。

1.2 样地设置与样品采集

土壤采集于2016年5月，选择具有代表性的油松苗地和柴胡种植地样地面积为20 mh20 m各3块，且各样地之间环境条件相似，距离较近；样地海拔基本相等（1 365～1 379 m），每个植被类型的3个样地分布在不同坡位，分别在上、中和下，坡度为4°～12°，坡向为西南。柴胡作为一种药用植物，在当地被作为经济作物长期种植；油松是移栽至种植柴胡的耕地上，生长期为3 a ，其地径、苗高和冠幅分别约为2.91 cm、96.80 cm和73.85 cm。柴胡和油松苗的管理方式相似：柴胡于每年6月人工施肥1次，7ü8月人工除草1次；油松苗移栽至耕地，于每年开春、土壤解冻后施肥1次，分别在6、8和10月进行3次人工除草。在样地内采用“S”型，采集5个点取样，先除去表层凋落物，用土钻分别采集0～10、10～20和20～30 cm 3层土壤，5个点取土样然后混合，去除土壤杂质，装入布袋中（约为300 g土样），带回实验室自然风干后过筛，用于土壤理化性质分析。

1.3 土壤养分的测定

将所采集的土壤样品进行养分测定。有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；全磷含量采用酸熔-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融、火焰光度法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用盐酸-氟化铵提取-钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。以上测定方法参见《土壤农业化学分析方法》[20]。

1.4 数据分析

数据经Excel2010整理后，进行作图对比分析；采用SPSS20.0软件对测定的养分指标进行主成分分析，选出其中贡献量最大的成分作为主要成分进行综合评价，最终得到土壤养分的综合得分。

2 结果与分析

2.1 2种植被类型的土壤养分特征

2.1.1 有机质含量特征

如图1所示，柴胡地土壤有机质含量在0～10、10～20和20～30 cm土层中均高于油松地，且在10～20和20～30 cm土层中两者差异达到显著水平（P=0.036和0.001＜0.05）。2种植被下的土壤有机质含量在不同土壤层中也存在差异，均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。经SPSS单因素方差分析：油松地20～30 cm土层与0～10、10～20 cm土层之间的有机质含量差异均达显著水平（P=0.000和0.000＜0.05），而0～10 cm与10～20 cm土层之间的有机质含量差异未达显著水平（P=0.07＞0.05）；柴胡地10～20 cm土层与0～10、20～30 cm土层之间的有机质含量差异均未达显著水平（P=0.051和0.288＞0.05），而0～10 cm和20～30 cm土层之间的有机质含量差异却达到了显著水平（P=0.012＜0.05）。

图1 2种植被下的土壤有机质含量Fig.1 Contents soil organic matter in soil samples under two plant types

2.1.2 全量养分含量特征

由图2可知，柴胡地土壤全氮含量在0～10、10～20和20～30 cm土层中均高于油松地，但差异均未达到显著水平（P=0.355、0.307和0.07＞0.05）。2种植被下的土壤全氮含量在不同土壤层中也存在差异，均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。经SPSS单因素方差分析：油松地3个土层之间的全氮含量差异均达显著水平（P=0.014、0.000和0.000＜0.05）；柴胡地20～30 cm土层与0～10、10～20 cm土层之间的全氮含量差异均达显著水平（P=0.008和0.007＜0.05），而0～10 cm与10～20 cm土层之间的有机质含量差异未达显著水平（P=0.324＞0.05）。

与全氮相似，柴胡地土壤全磷含量在3个土层中均高于油松地，且差异均达到显著水平（P=0.000、0.002和0.001＜0.05）（见图2）。2种植被下的土壤全氮含量在3个土壤层中也均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm：油松地20～30 cm土层与0～10、10～20 cm土层之间的全磷含量差异均达显著水平（P=0.038和0.021＜0.05），而0～10 cm和10～20 cm土层之间的有机质含量差异未达显著水平（P=0.843＞0.05）；柴胡地0～10 cm土层与10～20、20～30 cm土层之间的全氮含量差异均达显著水平（P=0.000和0.000＜0.05），而10～20 cm和20～30 cm土层之间的有机质含量差异未达显著水平（P=0.681＞0.05）（见图2）。

图2 2种植被下土壤全氮、全磷和全钾含量Fig.2 Contents of soil total nitrogen, total phosphorus and total potassium in soil samples under two plant types

同样，柴胡地土壤全钾含量在3个土层中均显著高于油松地（P=0.041、0.040和0.022＜0.05）（见图2Ⅴ）。与全氮和全磷相反，2种植被下的土壤全钾含量在3个土壤层中均表现为20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm，但经分析，2种植被下不同层之间的土壤全钾含量均无显著性差异（P＞0.05）。

2.1.3 有效养分含量特征

由图3可以看出，柴胡地土壤碱解氮含量在10～20 cm和20～30 cm土层中高于油松地，而在0～10 cm土层中却低于油松地，但差异均未达到显著水平（P=0.072、0.382和0.973＞0.05）。图3可知，2种植被下的土壤碱解氮含量在不同土壤层中也存在差异，均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。经SPSS单因素方差分析：油松地0～10 cm土层与10～20、20～30 cm土层之间的碱解氮含量差异均达显著水平（P=0.037和0.002＜0.05），而10～20 cm和20～30 cm土层之间的碱解氮含量差异未达显著水平（P=0.100＞0.05）；柴胡地20～30 cm土层与0～10、10～20 cm土层之间的碱解氮含量差异均达显著水平（P=0.030和0.015＜0.05），而0～10 cm和10～20 cm土层之间的有机质含量差异未达显著水平（P=0.693＞0.05）（见图3）。

如图3所示，柴胡地土壤有效磷含量在0～10 cm和20～30 cm土层中高于油松地，而在10～20 cm土层中低于油松地，仅在20～30 cm土层中两者差异达到显著水平（P=0.015＜0.05）。2种植被下的土壤有效磷含量在不同土壤层中均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。经SPSS单因素方差分析：油松地3个土层之间有效磷含量的差异均达显著水平（P=0.03、0.000和0.048＜0.05）；柴胡地0～10 cm土层与10～20、20～30 cm土层之间的有效磷含量差异均达显著水平（P=0.045和0.042＜0.05），但10～20 cm和20～30 cm土层之间的有机质含量差异未达显著水平（P=0.698＞0.05）（见图3）。

图3 2 种植被下土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量Fig.3 Contents of soil available N, available P and available K in soil samples under two plant types

对于速效钾含量来说，油松地土壤速效钾含量在3个土层中均显著高于柴胡地（P=0.035、0.030和0.063＜0.05）（见图3）。同样，2种植被下的土壤速效钾含量在3个土壤层中均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，与全钾含量相似，2种植被下不同层之间的土壤速效钾含量差异性均不显著（P＞0.05）（见图3）。

2.2 2种植被类型下土壤养分综合效应评价

由于土壤各养分并非相互独立，而是互相影响和联系的，因此需要对其进行综合效应评价。本研究采用SPSS19.0统计软件，对2种植被类型下土壤有机质（X1）、全氮（X2）、全磷（X3）、全钾（X4）、碱解氮（X5）、有效磷（X6）、速效钾（X7）共7个指标测定值进行主成分分析，找出土壤质量进行排序评价。首先，对3个土层原始数据进行加权求平均值，然后再进行数据分析。由表1可知，2种植被类型土壤主成分前2项（t1和t2）的累积贡献率分别达到了94.612%和99.929%，均已包含了绝大部分信息，且前2项特征根均大于1，因此，选取前2个主成分能够较好地反映出各评价指标所包含的综合信息，根据表2，其数学模型分别为：

根据各性状相关矩阵的特征向量（见表1）可以研究本研究区土壤养分效应评价函数，2种植被类型的土壤前2项主分量特征值分别为4.068和2.555、4.620和 2.375，由此计算出它们的权重分别为0.661和0.339、0.615和0.385。由此得出土壤养分综合评价值（F）的计算公式分别为：

表1 主成分初始特征值Table 1 Initial eigenvalues of principal components

通过主成分方程式计算得出2种植被类型下土壤养分综合判断值和排名，结果见表2。

由表2可以看出，油松苗地中X1、X4、X5、X6和X7对第1主成分的影响比较大，第1主成分可以看作是这些指标的综合因子，速效钾的特征向量在第1主成分中值最大，说明速效钾对油松苗地土壤质量起着主要作用；X2、X3和X4对第2主成分的影响比较大，全磷的特征向量在第2主成分中值最大，说明全磷对油松苗地土壤质量起着重要作用。同样，由表2可知，在柴胡地中，X1、X2、X4、X5和X6对第1主成分的影响比较大，全氮的特征向量在第1主成分中值最大，说明全氮对柴胡地土壤质量起着主要作用；X3和X5对第2主成分的影响比较大，全磷的特征向量在第2主成分中值最大，说明全磷对柴胡地土壤质量起着重要作用。

表2 2种植被类型下土壤养分的主成分特征向量和主成分得分系数矩阵Table 2 Principal component eigenvector and principal component score coefficient matrix of soil nutrients under two plant types

因此，速效钾和全磷是影响油松苗地土壤质量的最主要土壤因子，而全氮和全磷是影响柴胡地土壤质量的最主要土壤因子。

表3 综合效益评价结果Table 3 Comprehensive benefit evaluation results

3 结论与讨论

养分是土壤生产力的基础，其含量的高低是土壤质量度量的指标，它受自然因素和人为因素的双重影响[21]。有机质是土壤中核心部分，与土壤理化性质具有密切关系，是衡量土壤肥力的重要指标[22]；氮、磷、钾是植物生长发育需要的主要营养元素，在土壤中主要以固定和速效两种形式存在，也是土壤肥力的指标[23]。本研究是在小陇山退耕还林的背景下，以人工油松苗为研究对象，并以柴胡（耕地）作对照，对常见的2种人工植被类型下土壤养分进行分析，以期了解人工油松苗的栽植对当地土壤性质变化的影响，同时，也为人工油松苗的种植、经营及土壤管理提供科学依据。研究发现：油松苗地3个土壤层（0～10、10～20和20～30 cm）的有机质、全磷和全钾含量均小于柴胡地，速效钾含量却大于柴胡地；土壤有效磷含量仅在20～30 cm土层油松林地小于柴胡地，而油松地和柴胡地土壤的全氮和碱解氮含量在3个土层间均无明显差异。土壤为植物提供生长所需的养分，同时植物对土壤养分具有重要的调节作用[24]。有研究表明，不同植被的根系活动范围不同，对土壤养分吸收的深度和强度不同，同时对土壤养分的吸收具有选择作用，从而导致不同植被类型的土壤养分有所差异[25]。由于油松属于深根树种，根系发达且穿透能力强，因此它对土壤养分的吸收强度比较大；而柴胡根系比较小且浅，对土壤养分的吸收强度相对比较弱。这是油松苗地土壤有机质、全磷、有效磷和全钾含量低于柴胡地的主要原因。但2个植被类型下土壤的全氮和碱解氮无差异，这可能是由于油松苗和柴胡的凋落物能够向土壤返还氮素，从而导致两者土壤的氮素差异不明显。

针对不同土层（0～10、10～20和20～30 cm）土壤养分含量的差异，本研究得出，油松和柴胡的土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量表现出“表聚现象”，即养分含量从表层向下层呈递减趋势，这与其他[9,26]研究结果一致。主要是由于上层土壤受外界环境影响比较大，大部分凋落物集中在土壤上层，经过微生物作用转化为养分聚集在上层土壤，然后再往下层迁移，因此土壤从上往下各养分含量呈下降趋势。土壤中氮素受植物群落及生长状况影响比较大，但全磷和全钾含量主要受土壤母质及动植物残体的影响[27]。2种植被类型下的土壤全钾含量均在上层和下层无明显差异，这可能是由于本研究区域内土壤磷素含量主要受母质的影响，而其他生物作用对其影响不大。

对土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾共7个指标进行主成分分析，结果表明，速效钾和全磷是影响油松苗地土壤质量的最主要土壤因子，而全氮和全磷是影响柴胡地土壤质量的最主要土壤因子，这与林文树等[28]和吴金卓等[29]关于土壤质量的主要影响因子的研究结果相近。土壤养分综合得分表现为油松地（1.467）＜柴胡地（1.504）。土壤养分与土壤酶、微生物群落均有相关性[30-31]。土壤养分含量仅反映了土壤肥力，应进一步探究土壤酶活性和细菌群落特征，从多方面、深层次反映2种植被下土壤质量状况。

综上所述，油松苗明显降低了耕地土壤养分含量，长期种植将会导致土壤养分水平低下，降低土壤质量，说明油松苗的栽植在一定程度干扰了土壤性质。因此，建议在油松苗种植过程中，采用施肥管理，提高土壤养分含量，尤其需要及时补充土壤有机磷肥。该研究结果可为当地进行人工油松苗的种植、经营及土壤管理提供科学依据。