金沙江干热河谷区不同土地利用方式下的土壤特性分异特征*

郑郁,李占斌,李鹏,穆军

(西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安710048)

金沙江干热河谷是我国西南横断山区河谷深切后形成的一种特有的地理和气候类型,属于干旱河谷的一种亚类型,该地区气候干旱,水热极度不平衡,自然植被为典型的热带稀树灌丛草被景观。但是由于历史上的采薪炼铜和现代的陡坡垦植以及对自然资源不合理的开发利用,特别是近年来,该区域逐步成为我国水电开发的重要基地,导致近年来该区在自然因素和人为因素影响下区域生态功能明显退化,成为我国生态环境脆弱地区之一[1-3]。

目前围绕干热河谷的植被恢复问题,科研工作者开展了大量的研究工作,结果表明人类活动导致了土壤退化、沙化、荒漠化[4-6],而植被恢复可以部分改善生态环境,并提出了许多相应的植被恢复措施[7-10],然而由于本区域的特殊自然条件,生态恢复难度很大,取得大面积植被恢复成功的例子并不多见。选择合适的树种是植被恢复成败的关键因素之一,不同的研究者从植被生理生态、经济和社会效应上提出了不同的植被配置方式[11-15]。但是从土壤角度探讨不同植被配置下的恢复效应研究相对较少[16-17],因此以四川宁南县金沙江下游的河谷地带为研究区域,选择相同海拔下的7种主要的植被类型为研究对象,分析土壤理化性质的分异特征,旨在探讨该地区较为合理的植被恢复类型,为该区域的植被恢复效果和山川秀美工程建设提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 自然概况

研究区选择在宁南县城以东金沙江下游的河谷地带。位于东经 102°54′-103°02′,北纬 26°54′-27°09′,年均气温 20～27℃,≥10℃年积温 7 000～8 000℃,年日照时数2 179～2 736 h,为多日照区;年降水量600～800 mm,年蒸发量为年降水量的3～6倍;干湿季分明,干季蒸发量可达降水量的20倍以上,土壤水分严重缺失,相对持水量和有效水分保证率较低,土壤类型以抗蒸发能力弱的燥红土为主,还含有褐红壤、赤红壤、紫色土等,主要植被以干热河谷灌丛和稀树灌木草丛为主,其中草本植物的代表有:扭黄茅(Heteropogoncontortus P.Beauv)、香茅(Cymbogon distens)、龙须草(Eulaliopsis binata Hubbard)等;灌木:车桑子(Dodonaeoan gusti folia)、余甘子(Phyllanthus emblica L)、仙人掌(Opuntia monacantha Haw)、番石榴(Psidium guajava Linn)等;乔木:攀枝花(Bombax ceiba L)、新银合欢(Leucaena leucocephala(Lam.)de Wit cv.“Salvador”)、刺槐(Robinia pseudo-acacia L)等。

1.2 样品采集及分析

在2008年4月中旬,通过野外植被调查和询问当地老农民,在研究区选择处于同一海拔的合欢林地、玉米地、桑地、甘蔗地、花椒地和撂荒草地6种不同土地利用方式为研究对象,并以天然水桐树林为对照样地,来作为该区域土地利用方式改变前的初始状态(表1)。为了尽可能消除地形、季节和人类活动等因素对土壤特性的影响,所选取的样地确保是在相同海拔、坡位坡度相似的迎风坡面。每个样点按S型选取7个样点,挖取0-20 cm深度的土壤样品,充分混合均匀后用四分法取出适量备用,每个样点重复三次。采集的土样剔除可见的动、植物残体和石块并风干后带回实验室,过0.25 mm和1 mm筛储存,用于分析测量土壤理化性质。土壤容重采用环刀法;有机碳(TOC)含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定,全氮(TN,total N)采用半微量凯氏法测定,采用pH计测pH值(水∶土=2.5∶1),土壤全磷(TP)采用硫酸-高氯酸钼锑抗比色法测定(岛津2401-紫外可见分光光度计,日本产),速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法测定[18]。利用主成分分析因子负荷量计算各属性因子作用的大小,确定它们的权重,并采用加权和法计算土壤综合属性指数。

表1 样地基本特征

1.3 数据统计分析

数据为3个重复的平均值,采用SAS 6.12软件中的单因素方差分析(ANOVA)方法分析差异显著性,相关分析也采用SAS 6.12软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下的土壤容重分异特征

土壤容重的数值大小,受质地、结构性和松紧度等的影响而变化[19],与土壤结构关系密切,反映土壤结构性和通透性。结果表明(图1),不同土地利用方式下土壤容重没有显著差异,据此可知相对于天然水桐树林,人为活动造成的土地利用方式的改变并没有显著影响土壤结构和通气性。

2.2 不同土地利用方式下的土壤有机碳分异特征

土壤有机质是土壤肥力的基础,同时也是N、P、S等植物必需营养元素的物质载体[20],是土壤系统的基础物质,影响土壤的物理、化学性质,并通过所提供的C、N源控制微生物活性,从而在土壤肥力中发挥着重要的作用,良好的土壤物理、化学和生物学性质以及土壤的生产力都与土壤有机质含量和特性密切相关[19]。

如图2所示,当天然林破坏后改造为其它土地利用方式,土壤有机质含量显著降低,其中玉米地、桑地、甘蔗地和花椒地没有显著差异,含量最低,分别仅为天然水桐树林的26.7%～28.1%,其次是草地,为后者的43.9%,合欢林含量在改造后的土地利用方式中含量最高,为61.9%。可以看出,在该地区,天然林破坏后导致了土壤有机质含量的极度降低,其中人为干扰最重的几种土地利用类型有机质含量降幅最大,干扰较轻的合欢林和草地降幅则相对较小,从而证明了人为活动是造成土壤有机质流失的主要原因。

图1 不同土地利用方式下土壤容重变化

图2 不同土地利用方式下土壤有机质变化

2.3 不同土地利用方式下的土壤全氮和全磷分异特征

氮素是一般植物需要较多的一个必需营养元素,其主要是依靠土壤供给。天然水桐树林破坏后土壤全氮含量变化规律和有机质规律相似(图3),分别仅为天然林的18.9%～50.0%,含量从高到低依次为合欢林地＞草地＞玉米地、花椒地＞桑地、甘蔗地。可知人类活动导致了向土壤中输送的物质减少是土壤氮素降低的主要因素之一。磷是植物必需的三大营养元素之一,土壤全磷直接影响着土壤的供磷能力,天然水桐树林破坏后,土壤全磷含量除草地外均显著降低,降幅分别为39.6%～58.4%(图4),其中合欢林、玉米地、桑地、甘蔗地和花椒地之间没有显著差异。土壤全磷含量主要受母质中矿物成分、土壤质地、剖面层次及耕作管理措施等因素影响,当人为活动造成磷素淋溶的同时,又不能增加土壤磷素的供给,势必导致该地区土壤全磷含量的降低。

2.4 不同土地利用方式下的土壤速效氮、磷、钾含量分异特征

土壤速效氮、磷、钾属于土壤中较易矿化的组分,表示在较短的时间内可以为植物所利用的土壤供肥能力。天然水桐树林改为其它土地利用方式后,土壤碱解氮含量显著降低(图5),降幅分别为11.2%～63.9%,其中合欢林降幅最小,其余5种利用方式没有显著差异;速效磷含量仅桑地和花椒地显著低于天然水桐树林(图 6),分别为后者的47.6%和50.0%,其余4种利用方式均没有显著差异;速效钾含量在改造后较水桐树林均有不同程度增加(图7),增幅分别为7.2%～106.2%,其中合欢林和玉米地增幅达到显著水平。可以看出,不同土地利用方式对速效养分各组分的影响不一,这不仅和人类干扰有关,还和植被的生理生态属性有关。

2.5 不同土地利用方式下土壤综合属性指数分异

为了克服各属性在反映土地利用方式下土壤属性分异特征的片面性,采用土壤综合属性指数作为土壤因子的综合作用表征,从而客观、全面地反映土壤属性的变化过程。如图8所示,天然水桐树林改为其它土地利用方式后,土壤属性指数呈现不同程度的降低,降幅分别为7.8%～93.0%,草地的降幅最低,仅为7.8%,其次依次为合欢林地、甘蔗地,桑地和花椒地降幅最大。天然林由于人为活动的减少,该生态系统基本处于封闭状态,没有物质输出,大量的枯枝落叶被归还到土壤中,因此土壤质量较高;随着天然林的破坏,特别是不合理的人为活动,导致水土流失加剧,生态系统由封闭状态转变为开放状态,物质元素不能有效地归还到土壤中,造成土壤质量的降低,而相对于玉米地、桑地、花椒地,草地和合欢林地人为干扰活动较少,因此土壤质量降幅相对较低。

图3 不同土地利用方式下土壤全氮含量分异特征

图4 不同土地利用方式下土壤全磷分异特征

图5 不同土地利用方式下土壤碱解氮分异特征

图6 不同土地利用方式下土壤速效磷分异特征

图7 不同土地利用方式下土壤速效钾变化

图8 不同土地利用方式下土壤属性指数分异特征

3 结论

(1)金沙江干热河谷地带天然植被水桐树林破坏改为其它土地利用方式后,土壤有机质、全氮、全磷和碱解氮含量显著降低,速效磷和容重没有显著变化,速效钾有一定程度升高,不同利用方式对其影响作用差异不同,但总体来说改造为合欢林和撂荒草地对土壤理化属性的影响相对较少。

(2)天然水桐树林改为其它利用方式后,土壤综合属性指数呈现不同程度降低,其降幅由小到大依次为草地＞合欢树林＞甘蔗地＞玉米地＞花椒地＞桑地,人为干扰越严重对土壤质量的破坏作用越大,因此减少人为活动,增加该区域土壤物质归还量是改善土壤质量的重要措施之一。

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