岷江上游杂谷脑河流域不同土地利用类型土壤碳氮特征

刘正刚，王勇军，王宪帅

（四川农业大学林业生态工程省级重点实验室，四川 雅安 625014）

岷江上游杂谷脑河流域不同土地利用类型土壤碳氮特征

刘正刚，王勇军，王宪帅

（四川农业大学林业生态工程省级重点实验室，四川 雅安 625014）

对杂谷脑河流域不同区段（上、中、下游）6种不同土地利用类型土壤有机碳和全氮进行测定。结果表明：该流域土壤有机碳含量为经济林地 > 农耕地 > 人工成熟林地 > 灌木林地 > 人工幼龄林地 > 天然次生林地；土壤全氮含量为农耕地 > 经济林地 > 天然次生林地 > 人工成熟林地 > 灌木林地 > 人工幼龄林地；C/N为人工幼龄林地 > 人工成熟林地 > 经济林地 > 灌木林地 > 农耕地 > 天然次生林地。同一土地利用类型在不同区段中，经济林土壤有机碳和全氮含量表现为中游 > 下游；农耕地土壤有机碳含量为中游 > 上游 > 下游；土壤全氮含量为下游 > 中游 > 上游；灌木林地土壤有机碳和全氮含量为中游 > 下游。同一区段不同土地利用类型中，流域下游土壤有机碳表现为经济林地 > 农耕地 > 灌木林地，全氮含量表现为农耕地 > 经济林地 > 灌木林地；流域中游土壤有机碳和全氮含量均表现为含量农耕地 > 经济林地 > 灌木林地；流域上游土壤有机碳含量表现为人工成熟林地最高 > 农耕地 > 人工幼龄林地 > 天然次生林地，全氮含量表现为天然次生林地 > 人工成熟林地 > 农耕地 > 人工幼龄林地。

土地利用类型；有机碳；全氮；杂谷脑河

土地利用是人类根据土地的特点，为了一定的社会经济目的而进行的一系列生物和技术活动，对土地进行长期或周期性的经营活动[1]，是人类利用土地各种活动的综合反映[2]，对各种生态环境有着重要的影响，它的变化直接导致土壤养分的变化[3～5]。在陆地生态系统中，土壤有机碳和氮在全球碳、氮循环中起着重要作用。土壤有机质不仅能为植物生长提供养分，而且是影响土壤结构形成、土壤养分生物有效性以及土壤生物多样性的重要因素[6～7]。已有的研究表明，土壤有机碳的多少很大程度上依赖于地表植被和土地利用状况，且土壤有机碳的变化会影响植物对水分和营养元素的吸收，进而影响生产量[8～10]。氮是调节陆地生态系统生产量、结构和功能的关键性元素，能够限制群落初级和次级生产量，而且土地利用方式的不同容易引起土壤氮循环格局的不同，从而影响整个生态系统的稳定性和可持续性[10～11]。

岷江上游杂谷脑河干旱河谷属干暖河谷，该区植物种类较少，具有荒漠化半荒漠化性质[12～14]。近年来，随着水电开发、退耕还林还草等土地利用结构的调整，杂谷脑河流域土地利用、土地覆被发生了明显变化，改变了土壤有机质及土壤全氮含量[15～18]。本文以杂谷脑河流域不同河段土地利用类型为研究对象，分析其土壤有机碳和氮含量特征及其相互关系，以期为该流域不同土地利用类型土壤肥力恢复及区域土地利用规划提供参考。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况

杂谷脑河是四川岷江的一级支流，发源于四川省阿坝藏族羌族自治州理县西北的鹧鸪山北麓的红水沟，从海拔4 451 m由西北向东南奔流而下，纵贯理县全境，流经理县的米亚罗、夹壁、沙坝、朴头、杂谷脑、甘堡、薛城、木卡、通化、桃坪等乡镇，至汶川县城汇入岷江，全长157 km。历年平均流量为63.9 m3/s，其特点是水流湍急，落差大，流量随雨季而变化。多年平均总输沙量2.10×106t左右。山地为燥褐土（过去曾称灰褐土），是发育在干燥河谷地带旱生灌木草丛植被下的土壤，主要分布在海拔2 000 m以下的河谷地带。由于受焚风的影响，土壤水分蒸发强烈，整个土体中聚积着大量的游离碳酸钙，且很少有分层现象，全剖面呈碱性反应，pH值7.4 ～ 8.4。这种土与石灰性褐土有显著区别，形成条件和理化性状亦与褐土不同，在分布上有特定的地理空间，地面植被稀疏，乔木难以生存，以灌草为主，冲刷严重[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 分别在杂谷脑河流域上、中、下游的农耕地、经济林地、灌木林地、天然次生林地、人工幼林地和人工成熟林地6种土地利用类型中设置面积为20 m×20 m的标准地3个。样地基本情况见表1。

表1 样地基本概况Table 1 Basic situation of sample plots

1.2.2 样品采集与测定 在所选的样地中，土壤按品字形设置三个剖面，用100 cm3环刀在0 ～ 20 cm土层取样，带回室内测定土壤物理性质。采用四分法取混合土样，带回室内自然风干过2.0 mm和0.25 mm土壤筛，处理后土样有机质用重铬酸钾氧化—外加热法测定，全氮用凯氏定氮法测定[20]。

1.3 数据统计与分析

利用Excel统计软件对实验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型的土壤有机碳、全氮含量

由表2可以看出，研究区不同土地利用类型土壤有机碳含量差异较大，其中以经济林地有机碳含量最高，为3.71 g/kg，比农耕地、人工成熟林地、灌木林地和人工幼龄林地分别高4.6%、12.1%、32.3%和51.2%，这主要是由于经济林地在利用过程中，经济林的枯枝败叶返回土壤，且人工施用了有机肥，增加了经济林地有机碳含量。经济林地与农耕地差异不大，这是因为这两种土地利用方式之间的人为干扰活动相近。人工幼龄林地土壤有机碳含量相对偏低，为1.81 g/kg，这主要是由于人工幼龄林苗木生长消耗了大量的有机碳，而外界又没有及时地补充输入所致。

表2 不同土地利用类型土壤有机碳和全氮含量Table 2 Soil organic carbon and total nitrogen content under different land use types

土壤中氮素含量受自然因素（气候、地形及植被）和农业措施（肥料、耕作、灌溉及土地利用方式）的影响，其含量处于动态变化中[21]。由表2可以看出，不同土地利用类型土壤全氮含量有明显差异，介于0.10 ～ 0.37 g/kg；土壤全氮含量以农耕地最高，比经济林地、天然次生林地、人工成熟林地、灌木林地和人工幼龄林地分别高32.4%、37.8%、43.2%、51.4%和73.0%。这是因为农耕地在耕作过程中输入了大量的氮肥，且还有部分氮素归还土壤，因而农耕地全氮含量高；而人工成熟林比人工幼龄林含氮量高是因为前者返回土壤的动植物残体更多。

2.2 不同土地利用类型的土壤C/N

土壤C/N在土壤有机质分解过程中具有重要作用，是土壤质量评价的重要因子，它决定了有机质改善土壤结构和增强碳固定的有效性，并影响土壤作为大气CO2“源/汇”的潜能和氮素在土壤中的调节[22]。一般认为，如C/N > 30，在其矿化作用下的最初级阶段则不能对植物产生供氮效应；如C/N < 15，其矿化作用开始，所提供的有效氮量就会超过微生物的同化量，使植物有可能从有机质矿化过程中获得有效氮的供应[23～24]。由表2可以看出，6种土地利用类型的C/N从大到小排序为人工幼龄林地 > 人工成熟林地 > 经济林地 > 灌木林地 > 农耕地> 天然次生林地，以人工幼龄林最高，为17.99，天然次生林最低，为6.32。这表明人工幼龄林地、人工成熟林地和经济林地有机质矿化程度不高，植物不能从矿化过程中获得足够的有效氮供应。

2.3 同一土地利用类型在不同区段中的土壤有机碳、氮特征

由表3可以看出，经济林地中游土壤有机碳和全氮含量均比下游高，C/N下游高于中游；农耕地土壤有机碳含量中游比下游和上游高60.4%和54.7%，土壤全氮含量下游比中游和上游分别高20.8%和66.0%，C/N为上游 > 中游 > 下游；灌木林地土壤有机碳和全氮含量中游均比下游高，C/N中游高于下游。

表3 同一土地利用类型在不同区段中土壤有机碳和全氮含量Table 3 Soil organic carbon and total nitrogen content under same land use at different reaches

2.4 同一区段不同土地利用类型的土壤有机碳、氮特征

由表4可以看出，在流域下游，经济林地土壤有机碳含量最高，比农耕地和灌木林地分别高24.7%和47.0%；土壤全氮农耕地含量最高，比经济林地和灌木林地分别高75.5%和77.4%；C/N为经济林地 > 灌木林地 > 农耕地。在流域中游，土壤有机碳含量以农耕地最高，比经济林地、灌木林地分别高11.2%和41.0%；土壤全氮含量农耕地最高，比灌木林地、经济林地高45.2%和11.9%；C/N表现为灌木林地 > 经济林地 > 农耕地。在流域上游，土壤有机碳含量以人工成熟林最高，比人工幼龄林地、天然次生林地、农耕地分别高44.5%、56.1%和19.6%；土壤全氮含量以天然次生林地最高，比人工成熟林地、人工幼龄林地、农耕地分别高8.7%、56.5%和21.7%；C/N为人工幼龄林地 > 人工成熟林地 > 农耕地 > 天然次生林地。

表4 同一区段不同土地利用类型的土壤有机碳和全氮含量Table 4 Soil organic carbon and total nitrogen content at the same reaches under different land use

3 讨论

在本研究中，由于施肥、灌溉等农事活动，农耕地和经济林地有机碳和全氮含量均较高，这与已有的研究结果基本一致[10～11]。而在有林地上，由于植被和经营措施的差异，导致了土壤有机碳和全氮含量差异。尤其是人工幼龄林地，土壤有机碳和全氮含量都很低，C/N为17.99，说明人工幼龄林地有机质和有机氮的分解和矿化慢，土壤固定有机碳能力低，氮素流失的可能性大。天然次生林地虽然有机碳含量不高，但C/N为6.32，表明天然林采伐后经过多年的自然演替仍可保持较高土壤肥力。因此，采取天然林保护、退耕还林等措施，可以改善土壤理化特性、增加土壤中根系以及残茬数量和质量，进而提高林地土壤中有机碳和全氮含量，调整C/N，促进整个生态系统中碳和氮循环的稳定性和可持续性。

氮是植物生长中不可缺少的营养元素，但在森林土壤中，除氮极端缺乏条件下植物能吸收简单有机氮外，99%以上的氮不能被植物直接吸收利用，需要经过微生物的矿化作用转化为有效氮才能被植物吸收利用[9]。因此森林土壤中氮的矿化过程对生态系统生产力的氮循环起着十分重要的作用，同时氮的有效性与微生物的活动、植物吸收过程、人类经营管理、氮的固定有着紧密的联系[10～11]。本研究表明，同种土地利用类型下，流域中游经济林地土壤有机碳和全氮含量均比下游高，C/N下游高于中游；农耕地土壤有机碳含量表现中游 > 上游 > 下游，土壤全氮含量表现为下游 > 中游 > 上游，C/N表现为上游 > 中游 > 下游。灌木林地土壤有机碳和全氮含量表现为中游均比下游高，C/N中游高于下游。张鹏等对祁连山北麓山体垂直带土壤碳氮特征及影响因子的研究表明，随着海拔的升高，土壤碳氮含量会降低，C/N升高[25]。这与本次研究结果基本一致。

李春燕等研究表明，四川沱江流域上、中、下游紫色土有机碳总量总体上差异显著，且以上游区段紫色土壤有机碳总量最高；流域中下游紫色土有机碳总量在不同区段情况变化较为复杂。其中，林地以下游高于中游，果园及草坡地中游高于下游；而且菜园地、玉米地在3个区段上差异未达显著水平[26]。本研究进一步表明，杂谷脑河流域不同区段各土地利用类型方式下，流域下游土壤有机碳表现为经济林地 > 农耕地 > 灌木林地，全氮含量表现为农耕地 > 经济林地 > 灌木林地，C/N为经济林地 > 灌木林地 > 农耕地；流域中游土壤有机碳和全氮含量均表现为农耕地 > 经济林地 > 灌木林地，C/N表现为灌木林地 > 经济林地 > 农耕地；流域上游土壤有机碳含量表现为人工成熟林 > 农耕地 > 人工幼龄林地 > 天然次生林地，全氮含量表现为天然次生林地 > 人工成熟林地 > 农耕地 > 人工幼龄林地，C/N为人工幼龄林地 > 人工成熟林地 > 农耕地 > 天然次生林地。这可能与杂谷脑河流域不同区段的人为活动强度有关。

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Characteristics of Soil Carbon and Nitrogen Content under Different Land Use at Zagunao River Basin

LIU Zheng-gang，WANG Yong-jun，WANG Xian-shuai
（Sichuan Provincial Key Lab of Forestry Ecological Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China）

Soil organic carbon and total nitrogen content under 6 different land use at different reaches (upper, middle and lower) of Zagunao River basin, Sichuan province were measured. The results showed that soil organic carbon, total nitrogen content and C/N of the river basin were in order as follows: economic forest > farmland > planted mature forest > shrub > planted young forest> natural secondary forest, farmland > economic forest > natural secondary forest > planted mature forest> shrub > planted young forest and planted young forest > planted mature forest > economic forest > shrub > farmland > natural secondary forest, respectively. With same land use at different reaches, soil organic carbon and total nitrogen content of economic forest showed middle reaches> lower reaches, soil organic carbon and total nitrogen content of farmland showed middle reaches > upper reaches> lower reaches and lower reaches> middle reaches> upper reaches respectively, and the two contents of shrub were middle reaches > upper reaches. At same reaches under different land use, the soil organic carbon and total nitrogen content separately showed economic forest > farmland > shrub and farmland > economic forest > shrub at the lower reaches; at the middle reaches, they all showed farmland > economic forest > shrub; at the upper reaches, they separately showed planted mature forest > farmland > planted young forest > natural secondary forest and natural secondary forest > planted mature forest > farmland > planted young forest.

land use; soil organic carbon; total nitrogen; Zagunao River

S714.4

A

1001-3776（2011）04-0001-05

2011-04-18；

2011-06-15

国家“十一五”科技支撑项目“长江中上游西南山地退化生态系统综合整治技术与模式”（2008BADC2B01）；四川省教育厅重点项目“马尾松低效林改造对土壤碳汇功能的影响”

刘正刚（1969-），男，重庆涪陵人，助理研究员，硕士，从事森林培育研究。