张家口坝上地区土地利用方式对土壤理化性质的影响

刘 畅，周明华，张博文,3，王兴灵,3，任 兵，彭 韬，罗维均 ，谷 丰

(1.中国科学院 地球化学研究所，贵州 贵阳 550081； 2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

土壤健康是指在生态系统和土地利用的范围内，土壤能持续作为有生命的系统维持生物生产力，保持空气和水环境质量，促进植物、动物和人类健康的能力[1]。土壤理化性质是评价土壤健康程度的重要指标[2]，影响土壤持水能力和养分利用[3]。土壤容重、颗粒组成等物理性质直接影响土壤持水性能和植被根系生长[4]。碳氮磷元素作为表征土壤肥力的重要指标，其缺乏不仅导致土壤质量下降，也会限制植物生长[5]。土壤有效态微量元素如有效态铁、锰、铜和锌等指标对植物生长发育过程中的光合作用、呼吸作用、生长素的合成及枝叶健康成长等至关重要[6-7]。

土地利用类型是人类活动和自然条件共同作用的综合反映，对土壤理化性质具有重要影响。不同土地利用方式下地表植被类型、物种丰富度及土壤微生物活性不同，不仅改变土壤理化性质，也对养分循环产生了强烈影响[8-9]，最终影响土壤理化性质。王兴灵等[10]对于华北土石山区的研究表明，耕作会破坏土壤团聚体结构，使土壤有机碳(SOC)极易遭受风和径流侵蚀而损失，导致土壤的持水性和保肥能力下降。耕地长期施用有机肥能够提高土壤SOC和总氮(TN)含量[11]，含锌肥料、农药及牲畜粪便能够提高土壤铜和锌含量[12-13]。但耕地长期施肥也会导致土壤酸化[14]，长期耕作会压实土壤，影响土壤的水分渗透和作物根系生长[15]。研究表明，当耕地转化为森林时，物种丰富度会提高，表层土壤的水分蒸发量减少，细小根系和凋落物的分解以及微生物的残留，会改善土壤结构，使土壤中SOC和TN含量增加[16-17]。与人工林地相比，草地植被覆盖度高，草本植物枯死后生物归还量高于林地，为草地土壤提供氮磷等营养元素[18]。而土壤微量元素主要受到人类活动的影响，因此其在森林和草地中的分布与耕地不同[19]。研究不同土地利用方式下的土壤理化性质，有助于了解土地利用变化对土壤健康的影响，从而为制定合理的土地管理措施，实现土地利用的可持续发展提供基础科学依据。

张家口坝上地区处于内蒙高原和华北平原过渡区，是典型的北方农牧交错带，也是“三北”防护林工程实施的重点县[20]。张家口处于首都经济圈内，近年来随社会经济发展，加速了土地利用方式转变[21]，特别是蔬菜地(水浇地)占比逐渐升高[22]。因此，研究新形势下土地利用类型对土壤理化性质的影响十分必要。本文以张家口坝上地区的张北县为研究区域，研究草地、林地、菜地和耕地等4种典型土地利用方式对土壤颗粒组成、容重、土壤SOC、TN、总磷(TP)、微量元素铁、锰、铜和锌的有效态含量的影响，阐明张家口坝上地区不同土地利用方式下土壤理化性质的差异及其影响因素，为该地区土地利用方式的优化和生态环境保护提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区地处河北省张家口市张北县内(40°57′N～41°37′N，114°10′E～115°27′E，海拔1 300～2 128 m)，全区总面积4 185 km2，总人口37.2万。张北县位于内蒙古高原南缘的坝上地区，是离京津地区最近的高原地区。研究区属于中温带大陆性季风气候，多年降水量为300～400 mm，四季分明，昼夜温差大，阳光充足。研究区土地利用类型主要为耕地、草地和林地，3类土地利用类型占比分别为40%、29.15%和17.84%。气候条件使研究区成为农产品、畜产品的生产基地，农产品主要有甜菜、马铃薯等蔬菜，畜产品主要有牛肉、羊肉和乳品。

1.2 样品采集与分析

研究选定张家口市张北县草地(114.58°E，41.11°N)、人工林地(114.58°E，41.12°N)、集约化菜地(114.676°E，41.128°N)和常规耕地(114.58°E，41.10°N)等4种典型的土地利用类型为研究对象，进行了野外调查，并在实验室分析测定土壤样品。经现场调查，草地的植被类型以羊草(Leymuschinensis)为主，人工林地的主要植被类型为杨树(PopulusL)，集约化菜地主要种植娃娃菜(BabyChineseCabbage)，常规耕地为莜麦(Avenachinensis)-玉米(ZeamaysL.)轮作。集约化菜地已连续种菜8年，春季施有机肥1次，翻地15～20 cm；常规耕地，仅施用化肥。2018年6月对草地、人工林地、集约化菜地和常规耕地等典型土地利用类型区域内土壤进行采样，每种土地利用类型选取了4个具有代表性的取样点(10 m×10 m)，每个样点内挖掘3个土壤剖面进行分层采样(0～15 cm和15～30 cm)。先采集环刀样品，之后采集土层样品，并将2个土层的3个剖面样品分层混合。样品带回实验室后仔细去除杂物，进行自然风干，风干后研磨，分别过20目和100目的筛。野外环刀采集的土样，在回到实验室后，立即称取铝盒与湿土的总重量，然后，在105℃恒温的烘箱中烘干24h，称重。

试验分析指标包括土壤容重、土壤颗粒组成等土壤物理指标和土壤pH、SOC、TN、总磷(TP)、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌等土壤化学指标。

样品的分析测试方法参照《土壤农化分析》[23]。采用吸管法进行测定土壤颗粒组成；土壤pH经1∶2.5的土水比浸提后采用pH计(PHS-3C，上海仪电公司)测定；采用元素分析仪(vario TOC cube,Elementar,德国)测定SOC和TN；TP含量使用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定(TU-1900，北京普析)；采用三乙三胺乙酸(DTPA)浸提-ICP法测定有效铁、有效锰、有效铜、有效锌。

1.3 数据处理

利用Excel 2020进行数据整理，使用SPSS 24.0软件中的单因素方差分析-最小显著性差异法(LSD)分析不同土地利用类型间的显著性差异，以独立样本T检验法来检验同一土地利用方式不同土壤指标之间的显著性差异。使用Person相关分析法进行土壤参数之间的相关性分析；使用origin2021软件进行主成分分析(PCA)及绘图。

2 结果与分析

2.1 草地、林地、菜地和耕地土壤基本理化性质的差异

不同土地利用方式对土壤理化性质的影响不同(表1)。4种不同土地利用方式下，0～15 cm的土层深度pH值为7.79～8.25，15～30 cm深度的pH值为8.04～8.49，均为碱性。0～30 cm土层土壤中，pH值最高的都为草地，最低的都为菜地，菜地和耕地pH之间无显著差异，但均显著低于草地和林地(P< 0.05)，草地和林地之间pH值无显著差异。0～15 cm土层土壤容重变幅为1.37～1.55 g·cm-3，4种土地利用类型之间无显著性差异。15～30 cm土层土壤容重变幅为1.37～1.62 g·cm-3，菜地和耕地容重最高，显著高于草地(P<0.05)。不同土地利用方式下，土壤颗粒组成在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上无显著差异。而草地和菜地土壤中，下层土壤pH和土壤容重显著高于表层。

2.2 草地、林地、菜地和耕地土壤碳、氮和磷含量的差异

4种土地利用方式下，0～15 cm土层，菜地土壤SOC含量最高(25.2 g·kg-1)，分别比草地(13.8 g·kg-1)、林地(7.98 g·kg-1)和耕地(7.35 g·kg-1)高82%、215%和242%(表2)；菜地土壤TN含量(2.62 g·kg-1)显著高于其余三种土地利用方式(P<0.05)，耕地和林地的TN含量无显著差异；林地和菜地土壤C/N最高，且二者之间差异不显著；菜地和草地土壤TP含量都显著高于林地和耕地(P<0.05)，但两处理间土壤TP含量无显著差异(P>0.05)。15～30 cm土层，菜地土壤SOC含量(18.8 g·kg-1)分别比草地(12.4 g·kg-1)、耕地(7.41 g·kg-1)和林地(4.53 g·kg-1)高51%、153%和314%；草地和菜地15～30 cm土层TN含量显著高于林地和耕地(P<0.05)；土壤TP含量表现为草地>菜地>耕地和林地(P<0.05)，耕地和林地土壤TP含量无显著差异。

表2 4种土地利用类型不同深度土层土壤有机碳、总氮和总磷含量Table 2 SOC,TN and TP contents with different soil depths in 4 land use patterns

不同土地利用方式下土壤SOC、TN、C/N和TP在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上差异较小。除菜地土壤SOC及林地C/N在不同土层间存在显著差异外，其余各土地利用方式下的表层和下层土壤SOC、TN、C/N和TP差异均不显著。即菜地0～15 cm土层SOC含量显著大于15～30 cm土层土壤(P<0.05)，林地土壤0～15 cm 土壤C/N显著高于15～30 cm土层(P<0.05)。

2.3 草地、林地、菜地和常规耕地土壤有效态微量元素的差异

4种不同土地利用类型下，0～15 cm土层，不同土地利用方式间土壤有效铁含量变幅为7.35～11.5 mg·kg-1，其中，菜地土壤有效铁含量显著高于林地(P<0.05)，其他土地利用方式间无显著差异(表3)；不同土地利用方式间土壤有效锰含量变幅为9.63～15.2 mg·kg-1，其中，菜地土壤有效锰含量显著高于耕地(P<0.05)，其他土地利用方式间无显著差异(P>0.05)；土壤有效铜、有效锌含量在不同土地利用方式间变幅为0.14～0.59 mg·kg-1、0.44～2.04 mg·kg-1，菜地土壤有效铜、有效锌含量显著高于其他三种土地利用方式(P<0.05)。

表3 4种土地利用类型不同深度土层土壤微量元素有效态含量Table 3 Trace elements contents with different soil depths in 4 land use patterns

15～30 cm土层，不同土地利用方式间土壤有效铁含量变幅为5.92～10.2 mg·kg-1，其中菜地土壤有效铁含量显著高于林地(P<0.05)，其他土地利用方式间无显著差异；不同土地利用方式间土壤有效锰含量变幅为8.00～11.7 mg·kg-1，草地、林地、菜地和耕地之间均无显著差异；土壤有效铜、有效锌含量在不同土地利用方式间变幅为0.12～0.64 mg·kg-1、0.27～1.26 mg·kg-1，菜地土壤有效铜、有效锌含量显著高于其他三种土地利用方式(P<0.05)。

不同土地利用方式下土壤微量元素含量在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上差异较小。草地和耕地在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上的有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量差异不显著；林地和菜地土壤有效锌含量在0～15 cm土壤剖面上有效锌含量显著高于15～30 cm土壤剖面，有效铁、有效锰和有效铜含量差异不显著(P>0.05)。

2.4 土壤指标之间的相关性和主成分分析

土壤的理化性质之间多数表现出极显著和显著的相关性(表4、图1)：SOC、TN和TP含量两两之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)，且三者均与砂粒含量呈极显著负相关关系(P<0.01)，与粘粒含量呈极显著正相关关系(P<0.01)；SOC和TN均与有效铁含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与有效锰和有效铜呈极显著正相关关系(P<0.01)。

表4 研究区土壤指标之间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between soil indices in the study area

有效态铁、锰、铜和锌含量之间除有效铜与有效锌含量呈显著正相关关系(P<0.05)，其余有效态微量元素两两之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)；除有效铜外，其余三种有效态微量元素均与pH呈极显著负相关关系(P<0.01)；有效铜含量与土壤砂粒含量呈极显著负相关关系(P<0.01)，与土壤粉粒和粘粒含量呈极显著正相关关系(P<0.01)。

利用主成分分析(PCA)对不同土地利用方式的土壤理化性质进行排序(图1和表5)。分析表明，前2个PCA轴的累积解释方差比例达79%，特征值分别为6.05和3.30。其中第一主成分(PC1)对土壤理化性质的贡献率为46%，SOC、TN和有效铜的主成分荷载特征值分别为0.93、0.91和0.90；第二主成分(PC2)对土壤理化性质的贡献率为25%，粉粒和砂粒的主成分荷载特征值为0.88和0.82。2个主成分的累积贡献率为71%，代表了采样点土壤理化性质71%的信息量。菜地的C/N、有效铁、有效锰和有效锌与其他土地利用方式离散，草地的粉粒含量明显与其他土地利用方式离散。

注： FL：林地；GL：草地；VL：菜地；CL：常规耕地； PC1:主成分1； PC2:主成分2。Note:FL:forestland; GL:grassland; VL:vegetable land; CL:cropland; PC1:principal component 1;PC2:principal component 2.图1 不同土地利用方式下土壤理化性质主成分分析 Fig.1 Principal component analysis of soil physical and chemical properties with different land use patterns

3 讨论

土壤pH是表征土壤性质及影响土壤物质循环的重要因子之一[24]，研究区地处我国华北坝上地区，土壤均呈现一定的石灰性。土地利用方式对土壤pH影响显著，在长期耕作的菜地和耕地中，土壤pH均呈现下降的趋势，原因可能是长期的化肥施用导致的土壤酸化[25]，特别是施肥量较高的菜地，其表层土壤酸化现象明显，较下层土壤降低了0.24个单位。土壤容重主要受土地利用方式和耕作模式的影响，容重对植物根系生长具有重要影响[26]。研究区表层土壤容重无显著差异，下层土壤中，草地容重最低(1.37 g·cm-3)，略低于其表层土壤，这可能是和草地植被的根系分布有关，在当地较为干旱的气候背景下，植物根系下扎明显，根系腐烂后，会增加土壤孔隙度降低下层土壤土壤容重[27]。菜地和耕地下层土壤容重较表层增加18%和12%，其主要原因是长期耕作对犁底层土壤的压实作用。研究表明，农田犁底层土壤板结会极大影响土壤的水汽渗透和作物根系生长[18]。因此，在后期的耕作中应考虑适时深翻，打破犁底层，或推行免耕少耕措施，减少土壤压实。

土壤碳库不仅对固碳减排至关重要，还对土壤其他理化性质有重要影响[28]。土地利用方式由林地或草地转变为耕地后，受翻耕影响，会加速土壤侵蚀作用和SOC的矿化作用，降低土壤SOC含量[10]。而研究区菜地土壤SOC含量显著高于草地、林地和常规耕地，菜地SOC含量分别比草地、林地和耕地高67%、251%和197%，说明长期有机肥的施用会显著增加土壤SOC含量，提高土壤肥力，而长期化肥施用，会对土壤SOC造成耗竭[29]。除了土地利用方式外，土壤的SOC还受土壤粘粒含量影响。本研究发现，SOC含量与土壤粘粒含量显著正相关，与Araujo等[30]研究结果一致。因为粘粒中的各种矿物具有较大比表面积，能够与有机质形成有机-无机复合体或者团聚体进而影响SOC的固存[31-34]。

不同土地利用方式下，土壤TN和TP含量均随土层加深而有降低趋势，这与葛楠楠等[35]的研究结果一致。4种土地利用方式下，菜地土壤TN和TP含量均最高，这是因为有机肥的施用不仅能够提高SOC的含量，并且能够向土壤中输入氮、磷等营养元素[36]。另外，植被类型也是影响土壤TN和TP含量的因素。草地在0～30 cm土层土壤TN和TP含量显著高于林地，这与刘志祥等[37]在缙云山地区的研究结果一致。此外，植物根系的生长、腐解以及根系分泌物的产生都能提高根区土壤磷元素的含量[16]。与人工林地相比，草地物种丰富度高，植被覆盖度高，草本植物枯死后生物归还量高于林地，为草地土壤提供了碳、氮和磷等营养物质[38-39]。人工林地植被类型较为单一，地表覆盖程度较差，受风力侵蚀影响，土壤呈裸露状态，枯落物难以原地腐解归还土壤，导致林地土壤氮磷含量较低[40]。

铁、锰、铜和锌是参与植物生长发育的重要微量元素。本研究中菜地有效铁、锰、铜、锌含量均最高，其次为草地、耕地和林地。其原因主要是菜地每年有大量含有微量元素的有机无机肥施入，从而使得其有效态微量元素含量高于其它3种土地利用类型。菜地中有机肥的施用还增加了土壤有机质的含量，而有机质富含有机酸，能够溶解部分结合态微量元素，从而增加微量元素的有效性[26，41]，本研究中有效铁、锰、铜和锌均与SOC呈显著正相关，间接表明了菜地较高的有效态微量元素含量与其高SOC含量有关。pH也是影响土壤微量元素有效性的重要因素[42]。本研究中有效锰及有效铁与均土壤pH呈显著负相关关系(P< 0.05)，且有效锌与土壤pH值呈极显著负相关关系(P< 0.01)，这是因为pH升高能够促进锰、锌和铜与SOC中含氧官能团的结合，从而降低有效态微量元素含量[35]；高pH环境下，亚铁离子更易被氧化成三价铁离子，从而使土壤中有效铁的含量降低[43]。有研究表明，随着耕地种植年限的延长，土壤pH值有下降的趋势，并且有效态铜和有效态锌含量不断增加，特别是种植5年以上的菜地，有效态增加速度加快[40]。本研究除菜地和林地0～15 cm土层有效锌含量显著高于15～30 cm土层外，其它土地利用方式不同土层间有效态微量元素含量均没有显著差异性。菜地由于翻土深度较浅以及该地区淋溶水平总体较弱，因此表层具有较高含量有效态锌[26]；林地表层具有较厚的有机质层，其在吸附锌的同时，改善了碱性土壤中碳酸钙的力度，增强了对锌的吸附[44]，因此，0～15 cm土层土壤有效锌含量显著高于15～30 cm土层土壤。另外值得注意的是，土壤中的铜和锌是作物可吸收利用的微量元素，同时也是重要的土壤重金属污染物之一，长期施用有机肥提高了土壤有效铜锌含量的同时，也增大了其环境风险。

4 结论

本文以张家口市坝上地区4种土地利用类型为例，研究了土地利用方式对土壤理化性质的影响，研究发现：

(1)农业用地类型下的菜地和常规耕地，相比人工林地和草地，土壤pH均有所降低，下层土壤容重显著增加；与林地、草地和常规耕地相比，菜地土壤长期有机肥施用可显著提高土壤SOC、TN、TP及微量元素含量，提高土壤肥力，而只施用化肥的常规耕地肥力出现耗竭，但同时应考虑长期施用有机肥带来的重金属超标等潜在的危害。

(2)自然草地的SOC、TN、TP含量高于人工林地，自然草地土壤除有效铜含量显著高于林地外，两种土地利用方式的微量元素含量并无显著差异。

(3)林地SOC含量、有效锌含量和菜地的有效锌含量在不同土层上差异显著，其他土地利用方式土壤SOC、TN、TP和其他有效态微量元素在垂直分布无显著差异。