不同土地利用方式对济源石质山区土壤速效养分季节变化的影响

曲安然，巩闪闪，冯二朋，朱庆征，朱龙飞，孔玉华

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

土壤速效养分可为植物生长提供所必需的营养元素，其含量的高低是土壤肥力供给的衡量标准[1-2]。土壤碱解氮(available nitrogen，AN)、速效磷(available phosphorus，AP)和速效钾(available potassium，AK)含量受土地利用方式的影响较大[3]。土地利用方式可通过改变土地覆盖变化，对土壤的理化和生物学特性产生显著且持久的影响[4-7]。因此，对不同土地利用方式土壤速效养分进行分析有利于评价土壤质量，为实现土壤生态系统可持续发展具有重要意义。近年来，国内外许多学者围绕土地利用方式与速效养分及理化性质方面进行了大量研究。TIAN等[8]研究表明，西藏草原土壤速效养分储量的变化在不同植被类型间存在显著差异；GAO等[9]研究表明，不同土地利用方式下土壤碳氮积累差异与不同植被覆盖度和土壤侵蚀强度有关；郭旭东等[10]发现，低山丘陵区森林的砍伐及随后的耕种显著降低了土壤速效养分。济源石质山区土壤浅薄，保水能力差，植被丰富度相对较低，严重制约了该地区的可持续发展[11]。当前，对该区的研究报道主要集中在不同人工林类型对土壤理化性质分布特征等方面[11-13]，但目前关于济源石质山区典型土地利用方式如何影响土壤速效养分的周转机制仍不清楚，有关土地利用方式对土壤速效养分的影响鲜有报道。因此，以济源石质山区的农田、撂荒地和人工林(侧柏、刺槐、栓皮栎)等5种典型土地利用方式为研究对象，对比分析土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量的季节变化特征及其影响因素，探讨不同土地利用方式对土壤速效养分的影响，从而为石质山区土地合理利用策略提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于河南省济源市境内，隶属于中国森林生态系统定位研究网络(CFERN)的黄河小浪底森林生态系统定位研究站(35°01′N,112°28′E)。地处黄河中游，紧邻太行山。属暖温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温14.1 ℃，最高气温32 ℃，最低气温-4 ℃，全年日照时数在2 300 h以上。年均降雨量641.7 mm，年内降雨量分配不均，多集中于7—9月，占全年降雨量的60%以上。研究区土壤类型为棕壤和石灰岩风化母质淋溶性褐土。土地利用类型主要为农田、撂荒地和人工林，农田耕作方式以油菜-玉米轮作为主。撂荒地与刺槐人工林相邻。人工林代表树种有侧柏(Platycladusorientalis)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，栓皮栎(Quercusvariabilis)。

2 材料与方法

2.1 样地选择

2019年3月选取坡向、海拔基本一致的5种典型土地利用方式：农田(NT)、撂荒地(LHD)和人工林(侧柏(CB)、刺槐(CH)和栓皮栎(SPL))，共5块样地(表1)。农田耕作方式以油菜-玉米轮作为主，施复合肥和农家肥，复合肥的氮磷钾质量比例为15∶15∶15，油菜、玉米复合肥于播种前一次施入，施肥量分别为525、225 kg·hm-2，农家肥为动物粪便，按照农户习惯配施，施肥方式为撒施。

表1 研究区样地基本概况Table 1 The basic situation of the sample plot in the study area

2.2 样品采集与处理

表2 不同土地利用方式下土壤基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of soil under different land-use types

2.3 土壤指标的测定

2.4 数据处理

采用多因素方差分析法(MNOVA)分析土地利用方式、季节、土层及交互作用对土壤AN、AP、AK含量的影响。采用Pearson相关性分析方法对各土壤因子进行相关分析。采用多元线性回归分析模型分析土壤速效养分与其他土壤性质之间的关系。所有统计分析均采用SPSS 20.0软件(IBM，纽约，美国)进行。采用Microsoft Excel 2010进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用方式对济源石质山区土壤碱解氮含量的变化特征

不同土地利用方式下土壤碱解氮含量(0～30 cm)变化显著(P<0.01)(表3)。5种土地利用方式下土壤AN含量变化范围为5.6～143.5 mg·kg-1，其年际均值在0～30 cm整体呈NT>CB>LHD>CH>SPL的变化规律。其中，NT土壤AN含量分别比CH和SPL高56.32%和62.04%。与NT相比，LHD土壤AN含量下降了51.06%。在3种人工林中，CB土壤AN含量最高。季节变化对土壤AN含量变化也有显著影响(P<0.01)。除9月NT外，5种土地利用方式下土壤AN含量均在3月和6月较高、9月较低。随着土层深度的加深，土壤AN含量整体均呈显著降低趋势(P<0.01)。

3.2 不同土地利用方式对济源石质山区土壤速效磷含量的变化特征

不同土地利用方式下土壤速效磷含量(0～30 cm)变化显著(P<0.01)(表3)。5种土地利用方式下土壤AP含量的变化范围在0.17～8.80 mg·kg-1，其年际均值在0～30 cm，整体呈NT>CB≈LHD>SPL>CH的趋势；其中NT土壤AP含量分别比CH和SPL高90.82%和90.25%。与NT相比，LHD土壤AP含量下降了83.07%。在3种人工林中，CB土壤AP含量最高。季节变化对土壤AP含量变化也有显著影响(P<0.01)。除3月NT和CB外，5种土地利用方式下土壤AP含量均在6月较高、9月较低。随着土层深度的加深，土壤AP含量整体均呈降低趋势(P<0.01)。

3.3 不同土地利用方式对济源石质山区土壤速效钾含量的变化特征

不同土地利用方式下土壤速效钾含量(0～30 cm)变化显著(P<0.01)(表3)。5种土地利用方式下土壤AK含量的变化范围为39.67～233.67 mg·kg-1，其年际均值在0～30 cm整体呈NT>CB>LHD>CH>SPL的变化规律；其中NT土壤AK含量分别比CH和SPL高57.4%和70.34%。与NT相比，LHD土壤AK含量下降了53.42%。在3种人工林中，CB土壤AK含量最高。季节变化对土壤AK含量变化也有显著影响(P<0.01)。5种土地利用方式下土壤AK含量均在12月较高、3月较低。随着土层深度的加深，土壤AK含量整体均呈降低趋势(P<0.01)。

表3 土地利用方式、季节和土层对土壤AN、AP、AK含量的影响Table 3 Effects of land-use type,season and soil layer on the contents of AN,AP and AK in soil mg·kg-1

3.4 土壤速效养分与土壤理化性质的相关性分析

表4 土壤AN、AP、AK含量与其他土壤理化性质间的Pearson相关系数Table 4 Pearson correlation coefficient between the content of AN,AP,AK in soil and other soil physical and chemical properties

4 结论与讨论

土地利用方式对土壤养分状况的影响机制十分复杂。不同的土地利用方式，因其地表覆盖、植被生长状况、凋落物数量及其化学组成和人为干扰程度的不同，直接影响着土壤养分物质的输入与输出，从而引起土壤养分状况发生变化[16]。

济源石质山区不同土地利用方式对土壤AN、AP、AK含量均有显著影响。本研究中，农田和侧柏人工林土壤AN、AP和AK含量均较高，而栓皮栎人工林最低，这与秦川等[17]、高君亮等[18]等研究结果不一致，这表明除气候类型和土壤条件差异外，人工施肥、秸秆留田以及植物特性是产生这种现象的主要原因[19]。农田中，可能是人工施肥和玉米根茬留田向土壤输入大量的养分，为土壤微生物的繁殖提供了有利条件，一方面使得土壤有机质分解加速，另一方面促进了各种酶类物质的释放，因此加速了土壤中N、P、K元素的转化。农田撂荒后土壤AN、AP、AK含量均呈降低趋势，可能是撂荒地表层土壤裸漏面积过大，导致土壤水分流失，其土壤条件不利于土壤微生物生存，同时土壤元素循环过程受到底物浓度限制，因而其土壤速效养分含量均显著低于农田土壤。在3种人工林中，侧柏人工林土壤AN、AP、AK含量均最高，这与张海鑫等[20]研究结果不一致，其主要原因是侧柏人工林地表凋落物丰富[11]，土壤表面覆盖度较高，即可减少土壤水分的蒸发；此外侧柏人工林土质疏松、碳氮含量丰富，为土壤微生物活动提供了良好的生境，极大地提高了凋落物的分解速度，因此侧柏人工林土壤速效养分含量较其他树种高。而栓皮栎人工林土壤呈酸性，沙粒含量较高，含水率较低，既不利于土壤微生物繁殖[21]，也影响植物生长发育，造成枯枝落叶层后而难分解的现象[22]，进而导致土壤碳、氮等元素含量低，因此其土壤速效养分更加难以积累。刺槐人工林土壤AN、AP、AK含量也表现出较低水平，可能与其凋落物归还量较少有关[23]。

本研究表明，5种土地利用方式下土壤AN、AP、AK含量均呈明显的季节变化规律，土壤AN、AP含量且均在6月较高，9月较低，且均与土壤β-葡糖苷酶、过氧化氢酶和蛋白酶及含水率呈极显著正相关关系，可能是由于夏季较高的温度增强了土壤微生物的活动，且频繁的降雨促进了酶的流动性[24]；此外夏季植物生长迅速，根系分泌物增多[25]，使得土壤酶活性提高，因而间接得提高了土壤AN、AP含量。而秋季植物需要从土壤中吸收营养物质，易于土壤微生物形成竞争关系[26]。土壤AK含量在12月较高，3月较低，这与孙鹏跃等[27]研究结果不一致，其原因可能是K+含量收支差异的结果，这取决于矿物质风化和植物吸收和流失[28]等因子，这些因子又受温度和水分的控制，在冬季低温和干燥不利于K+流失，在春季温度开始回升，雨季也来临，这些因素会导致K+流失。

不同土壤深度间土壤的水热条件、通气状况等的异质性会导致土壤的养分含量在不同深度之间存在差异。本研究中，5种土地利用方式下土壤AN、AP、AK含量均随土层深度的增加呈现降低的趋势，呈表层富集现象，这与张怡颖等[29]研究结果一致。本研究发现表层土壤容积质量更小，即土壤通气状况和保水性良好，土壤有机质含量高，为微生物生长提供了适宜的生存环境和充足的养分源，微生物代谢增强，从而使得表层土壤速效养分含量更高。

综上所述，农田耕作和侧柏人工林的种植有利于改善土壤理化及生物学性质，提高土壤肥力，是济源石质山区实现可持续发展合理的土地利用方式。