藏东南尼洋河下游流域不同土地利用方式对土壤性质的影响

马和平，东主，宋小广

(西藏农牧学院高原生态研究所，西藏高原森林生态教育部重点实验室，西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站，西藏 林芝 860000)

土壤养分作为土壤肥力的基本属性，决定着农作物的产量和农田生态系统的生产力，其分布特征是土壤资源合理利用、土壤肥力评价和土壤养分管理的前提与基础.土壤是地形、植被等局地因素以及人类活动等共同作用形成的非均质和变化的时空连续体，因此土壤养分又具有高度的空间异质性[1].

土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)作为土壤碳库的主要组成成分，不仅为植物的生长和土壤微生物的生命活动提供大量的能量，还是表征土壤肥力和基础地力的核心指标[2].土地利用方式作为人类对土壤干扰活动的主要形式，是影响陆地生态系统碳循环的最重要因素之一[3].土壤有机碳分布特征和动态变化受气候、植被和地形等环境因素的影响，同时还受土壤自身的性质、土地利用方式以及人为管理措施等的影响[4].已有研究表明，土地利用方式是仅次于化石燃料燃烧而使大气CO2浓度剧增的最主要的人为活动[5-6]，其变化过程中常伴随土壤质量的变化以及SOC的固定和释放，甚至会影响到陆地生态系统的源/汇性质[7].土地利用方式的改变能够影响土壤中有机碳的数量和质量[8]、影响土壤理化性质及过程[9-10]、改变土壤微生物群落结构及活性[11-12]，从而影响土壤有机碳的分解速率和稳定性[13]，最终导致土壤性质变化.

由于独特的地貌和气候环境，青藏高原的土壤有机碳含量十分巨大[14-15]，并且对气候变化以及人类活动的干扰十分敏感，在中国乃至全球碳源/汇管理中起着举足轻重的作用.因此，明确青藏高原地区土壤有机碳含量和分布特征对外界环境变化的响应规律尤为重要[16].尼洋河流域位于西藏自治区的东南部、雅鲁藏布江中下游左岸.尼洋河系国际河流雅鲁藏布江的一级支流，该流域地处湿润和半湿润气候区的交错地带，植被分布具有明显的水平地带性和垂直地带性，从西到东，植被由草地、灌丛过渡到森林，其中林地分布面积最广，主要分布在东北地区，耕地和草地主要沿尼洋河河谷区域分布.流域内人类活动强度逐年增加，对自然的干扰程度日益强烈，农业用地方式发生转变，不仅对维持森林生态系统带来了极大的挑战，也对土壤性质产生潜在影响.然而，目前对该区域不同土地利用方式对土壤性质影响的研究鲜见报道，因此，开展藏东南尼洋河下游流域不同土地利用方式对土壤性质的影响的研究，不仅有助于深入认识青藏高原土壤有机碳稳定性，而且也能够为藏东南地区农、林业土地资源的合理利用和可持续管理提供一定依据.

1 材料与方法

1.1 采样区域概况

本试验在林芝地区尼洋河下游流域进行(N 29°44′～29°33′，E 94°0915′～94°28′)，该区平均海拔约3 000 m，年平均温度为 7～16℃，≥10 ℃年积温为2 272 ℃，无霜期约为180 d，年平均降水量约为600～800 mm.

该区属高原温带季风半湿润半干旱气候，气候温暖，无霜期较长，热量较丰富，降水充沛，但全年降水量分配不均，干湿季明显，6～9月降水量占全年的 80% 以上.区域内土壤类型多样，有亚高山草甸土、沼泽草甸土、棕壤、风沙土和石质土等[17].

1.2 土壤样品采集

本试验中土壤样品的采集于2019年8月进行.在尼洋河下游流域更章乡至米瑞乡之间，选取3个代表当地种植管理模式的典型农田(均种植小麦)作为研究对象.为了保持研究对象的一致性，要求农田耕作时间均为30 a以上，每年作物种植前进行一次翻耕处理.在每个农田中，随机选取5个样方(5 m×5 m)，在每个样方中随机采集5个土层(0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm)土壤样品，分别将不同层次的土壤样品混合为一个样品重复.在所选农田附近(距离400 m以内)的森林和草地下以同样的采样方法进行土壤样品的采集，一共采集45个土壤样品.土壤样品实验室过2 mm筛，拣除石块、植物残体和土壤动物等杂物后，自然风干用于测定土壤性质.

1.3 样地概况

所选取的森林是川滇高山栎(Quercusaquifolioides)、林芝云杉(Picealikiangensisvar.linzhensis)和高山松(Pinusdensata)为主要建群种的温带针阔混交林，乔木树种还有光核桃(Amygdalusmira)，林下树种为黄花木(Piptanthusconcolor)、蔷薇(Rosasp.)、小檗(Berbensthunberii)、尼泊尔酸馍(Rumexnepalensis)、委陵菜(Potentillachinensis)及各种蕨类植物、蒿属植物和禾本科(Poaceae)等.所选取的草地属于自然草地，轻度放牧，主要植物有苔草(Carex)、紫菀(Aster)、禾本科、蛇莓(Duchesneaindica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、粉枝莓(Rubusbiflorus)等.

1.4 土壤理化性质测定

土壤pH值采用1 mol/L KCl浸提(水土比2.5∶1)，电位法测定.土壤容重使用环刀法测定；土壤全氮用全自动凯氏定氮仪[18]；土壤速效磷使用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾使用四苯硼钠比浊法测定；土壤全磷、全钾使用高氯酸-硫酸法测定；土壤有机碳的测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法[19]；土壤有机氮的测定采用过硫酸钾紫外分光光度法.

1.5 数据分析

利用Excel 10.0进行数据处理，SPSS 20.0 For windows统计软件Duncan法进行统计分析，Canon for 4.5绘图.

2 结果与分析

2.1 不同深度土壤温度和湿度的日变化规律

利用NZ99系列土壤温湿度记录仪测量森林土壤在0～10、10～20、20～30 cm不同深度的土壤温度和湿度在24 h内的变化情况.不同深度土壤温度和湿度的日变化规律见图1和图2所示.

图2 不同深度土壤湿度的日变化规律Figure 2 Diurnal variation of soil moisture at different depths

图1反映出不同深度土壤温度的日变化规律.0～10 cm土壤温度变幅大，随着深度的增加，土壤温度变化越小，直至趋于稳定.在当天下午15∶40时前后的太阳辐射最大值出现，随后太阳辐射逐渐趋于减弱，但是地面热量仍有积累，地温继续上升，在18∶40左右热量积累达到最大值，此时地面温度达到最大值.白天地表吸热后，热量向下传递并被层层吸收，因而土壤增热随着深度的增加而减小.

图1 不同深度土壤温度的日变化规律Figure 1 Diurnal variation of soil temperature at different depths

图2反映不同深度土壤湿度的日变化规律.0～10 cm土壤由于受到太阳辐射强烈，温度变化快，土壤水分蒸发强烈，因而土壤湿度值达最小值(10.8%).随着深度的增加，10～20 cm的土壤受到的太阳辐射减弱，土壤温度变化缓慢，再加上降雨渗透作用，因而土壤湿度呈最大值(13.9%).在20～30 cm的土壤受到的太阳辐射更微弱，但是由于受上层土壤对降雨的截留作用，因而土壤湿度介于0～10 cm和20～30 cm之间(13.6%).用同样的方法测定农田和草地不同层次的土壤温湿度，其变化与森林土壤温湿度变化表现出相同的趋势.

土壤中水分含量的高低会影响土壤中微生物的代谢强度，土壤中微生物代谢旺盛，微生物因呼吸作用产热，这些热会影响土壤的温度.而土壤湿度受大气、土质、植被和人类活动等的影响很大，其变化主要受蒸发(蒸散)、降水等因素制约.因此认为土壤温湿度共同影响着土壤性质.

2.2 土地利用方式对土壤理化性质的影响

在本研究区域，不同土地利用方式下土壤理化性质变化见表1所示.

(7)公众满意程度。在农业绿色发展过程中，本文使用农村居民家庭人均可支配收入(千元)来表示公众满意程度，用x7来表示。从经济理论和实际情况可以发现，农业生产方式、农业生产技术、农业自然资源利用效率等都与农村收入有着极大的关系，当农村收入较高时，居民的消费水平提高，消费观念有所变动，对产品从之前追求高产量转向追求高品质，有利于促进绿色农产品的生产，推动农业的绿色发展。绿色农产品又是目前市场上所需要的，这反过来又会提高农村收入水平，形成一个良性循环，提高了公众满意度。

表1 不同土地利用方式土壤理化性质Table 1 Soil physicochemical properties in different land uses

从表1可以看出，研究地的农田、草地和森林土壤pH值均随着土层深度的增加而增加.其中，农田、草地和森林三者的pH值相比较，草地(6.612)>农田(6.524)>森林(6.264)，且在0～10 cm和10～20 cm之间土壤pH值差异显著(P<0.05)，而在20～40、40～60 cm和60～100 cm之间土壤pH值差异不显著(P>0.05).另外，研究表明土壤容重随土壤深度的增加而增大，其总体平均值变化范围为0.11～0.97 g/cm3.就3种不同土地利用方式的容重比较而言，草地(0.840 g/cm3)>森林(0.680 g/cm3)>农田(0.346 g/cm3)，且在10～20 cm和60～100 cm之间土壤容重差异显著(P<0.05)，而在0～10、20～40 cm和40～60 cm之间土壤容重差异不显著(P>0.05).

2.3 不同土地利用方式对土壤养分含量的影响

从表2可以看出，在农田、草地和森林3种土地利用方式下，土壤中各养分的含量存在差异.就全氮和全磷而言，其含量均随着土层深度的增加而呈减小的趋势，其中，农田、草地和森林三者的全氮含量中，森林的全氮含量最高，达到了1.32 g/kg，草地的全氮含量最低，为1.17 g/kg，农田的全氮含量介于二者之间，为1.18g/kg.同理，三者的全磷相比较，森林(1.32 g/kg)>农田(1.18 g/kg)>草地(1.17 g/kg).农田全钾含量随着土壤深度的增加呈增加的趋势，其变化范围为0.78～0.92 g/kg，而草地和森林的全钾含量随着土壤深度的增加呈减小的趋势，但是变化幅度较小，说明耕作措施显著影响了土壤全钾的含量.就速效磷而言，随着土壤深度的增加其含量呈逐渐减小的趋势，其中，森林(0.31 mg/kg)>农田(0.29 mg/kg)>草地(0.20 mg/kg).

表2 不同土地利用方式土壤养分含量Table 2 Soil nutrient content of different land uses

森林与农田的土壤速效磷含量差异不显著(P>0.05)，而这两者与草地的速效磷含量差异显著(P<0.05).同理，不同土地利用方式下土壤速效钾的含量，森林(0.12 mg/kg)>农田(0.10 mg/kg)>草地(0.09 mg/kg)，且其含量均随着土壤深度的增加而减小.森林土壤速效钾含量与农田和草地的差异显著(P<0.05)，而农田和草地土壤速效钾的含量差异不显著(P>0.05).

2.4 不同土地利用方式对土壤有机碳、氮含量的影响分析

从表3可以看出，农田中的土壤有机碳(SOC)含量在10～20 cm土层含量最高，达到了10.72 g/kg，而草地和森林2种土地利用方式下，SOC却在0～10 cm土层最多，分别为17.68 g/kg和20.76 g/kg，上述3种土地利用方式下SOC含量均在土壤底层(60～100 cm)含量最低，分别为5.14、4.36和3.62 g/kg，即随土壤深度的增加SOC含量呈递减趋势.可见，土壤深度对SOC含量具有显著的影响.这与他人的研究结果相符[20-22].另外，3种土地利用方式下就SOC平均含量而言，森林(9.146 g/kg)>草地(8.462 g/kg)>农田(7.744 g/kg).究其原因，残枝落叶分解后输入土壤的SOC都聚集在土壤表层，表聚性较明显，说明植被类型的差异对SOC影响较大.

与SOC相比较，农田、草地和森林3种土地利用方式下土壤有机氮(SON)含量表现出与SOC相同的变化，即随着土壤深度的增加呈减小的趋势，农田SON在10～20 cm含量最高，为1.08 g/kg，而草地和森林的SON在0～10 cm含量最高，分别为1.76 g/kg和1.83 g/kg.农田、草地和森林的SON平均含量相比较，草地(0.87 g/kg)>森林(0.86 g/kg)>农田(0.77 g/kg).

从表3还可以看出，SOC在不同土层均差异显著(P<0.05).就SON而言，在0～10 cm土层，农田与森林和草地的均差异显著，而森林和草地之间差异不显著.在10～20 cm土层，森林与农田和草地的含量均差异显著，而农田和草地之间差异不显著.在20～40、40～60 cm和60～100 cm土层，三者之间均差异显著(P<0.05).SOC/SON均表现为：在0～10 cm和60～100 cm土层，三者均差异显著，而在10～20 cm，农田与草地和森林之间差异显著，而草地和森林之间差异不显著.在20～40 cm土层，草地与农田和森林差异显著，而农田和森林之间差异不显著.在40～60 cm土层，森林与农田和草地差异显著，而农田和森林之间差异不显著(P>0.05).

表3 不同土地利用方式土壤有机碳、氮含量特征Table 3 Soil organic carbon and nutrients under different land uses

2.5 不同土地利用方式下土壤理化特性与土壤有机碳、氮的CCA分析

将不同土地利用方式下不同土壤层次的土壤理化因子及土壤有机碳、氮整理为相应矩阵导入Canoco 4.5软件进行处理，应用典范对应分析方法(CCA)进行排序分析，得到土壤理化因子与土壤有机碳、氮的二维排序图(图3).图中的箭头表示土壤因子，其所在象限表示该土壤因子与排序轴相关性的正负；连线的长短表示土壤理化因子与土壤有机碳、氮的相关性强弱，连线在排序轴的斜率表示该土壤因子与排序轴的相关性强弱.

由CCA分析可知(图3)，按相关性强弱，土壤全氮、速效磷、全磷和速效钾与CCA的第1轴均呈现极显著的正相关关系(P<0.01)，土壤全钾和pH值与第一轴呈极显著负相关(P<0.01).土壤容重与CCA第2排序轴呈极显著负相关(P<0.01).与第1轴相关系数最高的土壤理化因子为全氮、速效磷、全磷和速效钾.

图3 土壤理化因子与土壤有机碳、氮的CCA排序图Figure 3 CCA ordination of soil physical and chemical factors and soil organic carbon and nitrogen

3 讨论

不同土地利用方式对土壤理化性质和养分含量具有较大影响.在农田、草地和森林3种土地利用方式下，它们的pH值均随着土层深度的增加而增加，且草地>农田>森林，但差异不显著(P>0.05).

在温度高时，土壤水分会蒸发，所以二者的关系在一定温度范围内(0 ℃以上)，随土壤温度的升高，含水率降低.土壤湿度随着土壤含水量的变化而变化，受水分平衡各个分量的制约.由温湿度引起的土壤N素供应的季节性差异是制定施肥制度的一个重要依据.土温过低或含水量过高，硝化作用极其微弱，使得作物的N素养分供应不足，此时应多施氮肥.土壤P素的季节性变化较为复杂，本研究表明土壤温湿度对P素含量的影响并不显著.温湿度对土壤中K+的影响是多方面的，本研究结果表明，低温可以减小土壤中缓效K的释放速率，增加土壤速效钾的含量.全钾在土壤剖面中垂直变化较平均，下层高于上层.这与在土壤中以自由离子状态存在的钾易淋溶性质有关.研究表明，各类土壤有机碳含量与有机氮含量的变化趋于一致.

扰动下的耕地和自然土壤(森林和草地)的性质均发生变化.就土壤容重而言，农田土壤由于经常受到人为的耕作措施处理，因而土壤比较疏松，故土壤容重最小(1.558 g/cm3).而草地经常受人类和牛羊等牲畜的活动践踏和踩实，土壤比较紧实，所以土壤容重最大(1.84 g/cm3).森林土壤受人类和牲畜的影响较草地小(1.68 g/cm3)，其容重值介于草地和农田之间.

就土壤养分而言，林地的土壤养分来源于地表枯枝落叶层的积累、分解和矿化，凋落物作为连接土壤和植物的重要环节，参与了森林生态系统的物质循环和能量流动，是土壤有机碳的主要来源.而森林受人为和牲畜干扰的影响较小，且林地的植被和生物量相对较高，故林地的土壤养分含量最高.草地与此相反，地表几乎很少有枯枝落叶层，再加上本研究区属于半农半牧区，草地不仅受人类的干扰，而且在草地上经常见到牲畜啃食，造成养分循环代谢较低，土壤养分含量也相对较低.农田土壤则不同，长期施肥会显著增加土壤氮素的含量.与我国其他地方不同的是，西藏农牧民习惯于在收割庄稼的时候，把农作物残茬留得较长(20～30 cm左右)，等庄稼收割完毕后再把牲畜(如牛、猪等)赶到地里进行放牧，这样的活动会持续2个月.2个月后尽管有一部残枝落叶被牲畜取食，但还是有一部分被留在了地里，之后经过积累、分解和矿化，形成土壤养分.故而农田的土壤养分含量介于森林和草地含量之间.

基于全球数据的Meta 分析结果发现，森林转变为农田后其碳库平均损失42%，而放牧草原转变为农田后期碳库平均损失59%[23].研究表明，不同土地利用方式对土壤有机碳储量的影响程度在全球各区域存在很大变异，主要是由于各区域气候因子(如温度和降水)的差异能够影响土壤有机碳周转速率[24-25].另外，农田开垦的时间长度也能影响土壤有机碳降低的程度[26-27].本研究中，相比于自然植被，即草地和森林，农田种植导致SOC含量显著降低8.5%～15.3%，而SON含量显著降低11.1%～11.7%(表3).分析其原因，在农业生态系统中，通过净初级生产力向土壤中输入的碳源(主要来自于作物根系及残茬)的数量通常少于自然生态系统(凋落物以及地下碳输入)[28]，并且，输入碳源中木质素、单宁酸以及其他植物次级化合物的含量往往相对低于自然生态系统的凋落物[29-30]，因而具有较快的分解速率[31].

另外，土壤有机碳、氮含量除受气候、植被覆盖状况、沉积环境等影响外，还与土壤理化性质有密切关系.在本研究中，不同土地利用方式土壤在不同土层之间，土壤有机碳和有机氮含量逐渐减小.究其原因，是由于植物的枝叶残体和根系大部分分布于表层土壤中，分解后形成腐殖质在表层土壤中积累，因而土壤有机碳含量从表层向下逐渐递减.随着土壤有机碳含量逐渐降低，土壤pH值逐渐增高，土壤溶液由酸性渐变为碱性.这是因为土壤pH可以影响微生物的生长和活动，在酸性土壤中，微生物种类受到限制，以真菌为主，从而减缓了有机质的分解，同时，植物有机质的分解会减缓；在碱性条件下，有机物质的溶解、分散和化学水解作用会增大，提高了微生物对有机物质的利用率.另外，土壤有机碳含量与容重呈极显著负相关关系(P<0.01).

从大的尺度来分析，尼洋河流域处于藏东南东西向与南北向山脉的交汇复合处，高原与藏东南峡谷的过渡地区.尼洋河夏季6～9月受西南季风的影响，在印度低压控制下，从孟加拉湾输送大量暖湿空气北上.在其输送中，受喜马拉雅山脉的阻挡，暖湿气流主要沿雅鲁藏布江河谷上溯.推进到尼洋河流域的暖湿气流，与本流域加强的低压或倒槽，结合本流域合适的地形，形成了降水量大、降雨强度小、降水日数多、过程长、范围广、垂直变化大、多夜雨的降水特性.在这种气候条件下形成的土壤组成多为沙砾石土层，由于受尼洋河季节性降水以及植被的影响，土壤养分总体贫乏.另外，与我国其他省份相比，该区域农牧民农田种植管理比较粗放，土壤养分含量比较贫乏.这表明在藏东南半干旱区可以采用改变土地利用方式的手段来改良土壤特性，以促进土地质量的改善.

4 结论

1) 藏东南尼洋河流域3种不同土地利用方式下，pH值表现为：草地(6.612)>农田(6.524)>森林(6.264).容重随土壤深度的增加而增大，草地(0.840 g/cm3)>森林(0.680 g/cm3)>农田(0.346 g/cm3).在农田、草地和森林3种土地利用方式下，土壤中各养分的含量存在差异.

2) 就农田、草地和森林3种土地利用方式的SOC平均含量而言，森林的SOC含量最高，为9.15 g/kg，其次为草地，SOC含量为8.46 g/kg；农田的SOC含量最低，为7.74 g/kg.SON含量表现出与SOC相同的变化趋势.在藏东南半干旱区可以采用改变土地利用方式的手段来改良土壤特性，以促进土地质量的改善.