不同土地利用方式对华西雨屏区坡地土壤肥力及土壤酶活性的影响

何联君, 张鹏飞, 杨泽贵, 陈明忠, 林立金

（1. 绵阳市盐亭县水务局, 四川 绵阳 621600; 2.资阳市乐至县水务局, 四川 资阳 641500; 3.雅安市雨城区水务局, 四川 雅安 625000; 4.雅安市水务局, 四川 雅安 625000; 5. 雅安市水土保持生态环境监测分站, 四川 雅安 625000）

不同土地利用方式对华西雨屏区坡地土壤肥力及土壤酶活性的影响

何联君1, 张鹏飞2, 杨泽贵3, 陈明忠4, 林立金5

（1. 绵阳市盐亭县水务局, 四川 绵阳 621600; 2.资阳市乐至县水务局, 四川 资阳 641500; 3.雅安市雨城区水务局, 四川 雅安 625000; 4.雅安市水务局, 四川 雅安 625000; 5. 雅安市水土保持生态环境监测分站, 四川 雅安 625000）

利用坡面径流场, 采用修正后的内梅罗指数法, 通过对华西雨屏区坡地不同土地利用方式、不同坡度的自然生草、黑麦草和灌木的土壤肥力及土壤酶活性影响的研究, 结果表明：5°坡度, 自然生草土壤pH值、有机质和全氮含量小于黑麦草, 而土壤全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均高于黑麦草. 15°坡度, 土壤pH值大小顺序为灌木>黑麦草>自然生草; 全磷和有效磷含量大小顺序为灌木>自然生草>黑麦草; 有机质、全氮、全钾、碱解氮和速效钾含量大小顺序为自然生草>灌木>黑麦草. 土壤综合肥力系数大小为5°自然生草>5°黑麦草、15°灌木>15°自然生草>15°黑麦草,且五种土地利用方式的土壤肥力均为一般, 说明具有生物多样性的自然生草对华西雨屏区表层土壤的肥力提高效果优于黑麦草, 而木本植物对华西雨屏区表层土壤的肥力提高效果最好.

华西雨屏区; 坡地; 土壤肥力; 土地利用方式; 土壤酶活性

土壤肥力是满足植物正常生长的必要条件之一, 植被对土壤肥力的影响不仅表现在凋落物的归还上, 还表现在根系的周转上[1]. 不同植物种类对土壤养分的影响差异甚大[2-3]. 因此, 合理的土地利用方式对土壤的可持续生产利用非常重要. 研究表明, 生草覆盖能改善根际生态环境, 促进土壤微生物种类和数量的增加, 增加根际土壤生物多样性[4]. 不同种类植物混种后, 其根系相互间除存在竞争之外, 根系分泌物还可能相互促进对土壤水分和养分的利用效率, 达到共同抗逆的作用[5]. 作为土壤活性蛋白的土壤酶在生物地球化学循环中起着重要作用, 其来源主要是土壤微生物和植物根系分泌物[6]. 不同土地利用方式下的土壤酶活性差异显著, 且在一定程度上能够反映土壤肥力水平[7-8].

华西雨屏区地处四川盆地与川西高山/高原的过渡地带, 特殊的地理位置和气候条件使该区有着丰富的植物资源[9]. 四川省雅安市雨城区是华西雨屏区的中心地带, 也是全四川的多雨中心[10]. 本研究以华西雨屏区中心地带的雨城区典型水土保持监测点的不同土地利用方式的土壤为研究对象, 对不同土地利用方式的土壤肥力状况进行评价, 并分析其土壤酶活性的差异, 以期为华西雨屏区不同土地利用方式及水土流失治理工作提供参考.

1 研究点概况

研究点为全国水土保持监测网络建设二期工程——雅安市北郊坡面径流场(FC5121517150), 地理位置东经103°42′00″, 北纬29°11′00″[11]. 项目位于四川省雅安市雨城区北郊镇, 2010年7月建成, 观测小区共计5个, 其中坡度为15°的小区三个, 坡度为5°的小区两个. 三个15°的小区位于同一坡面上, 顺坡向布设, 每个小区宽5m, 长20.71m, 小区四周边墙宽0.12m, 高0.6m, 中间两道隔墙宽0.24m, 高0.6m. 两个5°的小区位于同一坡面上, 顺坡向布设, 每个小区宽5m,长20.08m, 小区四周边墙宽0.12m, 高0.6m, 中间两道隔墙宽0.24m, 高0.6m. 在种植植物前将所有小区内的土壤全部翻耕, 清除所有杂草. 15°小区的土地利用方式为自然生草、种植黑麦草(Lolium perenneL.)、栽植灌木水麻(Debregeasia orientalisC. J. Chen), 5°小区的土地利用方式为自然生草、种植黑麦草.所有小区的土壤均为紫色土, 自然生草主要有丝茅(Imperata koenigii(Retz.) Beauv.)、蛇莓(Duchesnea indica(Andr.) Focke)、野棉花(Anemone vitifoliaBuch.-Ham.)、白蒿(Artemisia sieversianaEhrhart ex Willd.)、千里光(Senecio scandensBuch.-Ham. ex D. Don)、马兰(Kalimeris indica(L.) Sch. -Bip.).

2 研究方法

2.1 土样采集与保存

2013年3月, 采用“S”型采样法在每个小区内的四角及中心采集0-20cm的表层土壤, 混匀后分成两份. 一份土样在室内进行风干、粉碎、过筛, 用于测定土壤基本理化性质; 另一份土样用塑料袋封装后置于4℃冰箱中保存, 用于测定土壤酶活性.

2.2 土壤基本理化性质及土壤酶活性的测定

土壤基本理化性质按照《土壤农化分析(第三版)》[12]的方法测定, 即pH采用酸度计测定, 有机质采用重铬酸钾法测定, 全氮采用凯氏定氮法测定, 碱解氮采用扩散皿法测定, 全磷及有效磷采用钼锑抗比色法测定, 全钾及速效钾采用火焰光度法测定. 土壤酶活性按照《土壤酶学》[6]的方法测定, 其中, 土壤中性磷酸酶活性以每克土在37℃培养24h释放酚的毫克数表示, 土壤脲酶活性以每克土在37℃培养24h释放NH3-N的毫克数表示, 土壤蔗糖酶活性以每克土在37℃培养24h释放葡萄糖的毫克数表示, 土壤纤维素酶活性以每克土在37℃培养24h生成葡萄糖的毫克数表示, 土壤过氧化氢酶活性以每克土壤在室温下(20min)消耗0.02mol/L KMnO4的毫升数表示.

2.3 土壤肥力评价

土壤基本肥力的单项指标根据全国第二次土壤普查养分分级进行评价(表1). 土壤肥力综合评价采用修正的内梅罗指数法进行计算, 得出土壤综合肥力系数. 综合评价参数为pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾, 并采用标准化方法进行无量纲化处理(表2)[13-14]. 之后, 用修正的内梅罗指数法对不同土地利用方式的土壤肥力进行综合评价[13].

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准Tab.1 Classification standard of the Second National Soil Nutrient Census

表2 土壤各属性无量纲化处理分级标准[14]Tab.2 Dimensionless processing classification standard of soil's attributes

3 结果与分析

3.1 不同土地利用方式对5°坡地土壤肥力的影响

从表3可以看出, 在5°坡度, 自然生草的土壤pH值小于黑麦草, 这与不同物种根系分泌的有机酸种类和多少有关. 自然生草的土壤有机质和全氮含量均小于黑麦草, 而土壤全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均高于黑麦草, 这说明自然生草提高了土壤养分有效性, 有利于植物从土壤吸收养分.

从土壤养分含量分级来看, 在5°坡度(表3), 两种利用方式的土壤有机质、碱解氮和速效钾含量均处于全国三级水平; 自然生草全氮含量处于全国五级水平, 黑麦草全氮含量处于四级水平; 自然生草全磷含量处于全国四级水平, 黑麦草全磷含量处于全国五级水平; 自然生草全钾含量处于全国一级水平, 黑麦草全钾含量处于全国二级水平; 自然生草有效磷含量处于全国四级水平, 黑麦草有效磷含量处于全国五级水平. 因此, 在5°坡度下的氮和磷两种元素含量偏低.

表3 不同土地利用方式对5°坡地土壤肥力的影响Tab.3 Effects of soil fertility on 5 °sloping fields in different land use pattern

3.2 不同土地利用方式对15°坡地土壤肥力的影响

在15°坡度(表4), 土壤pH值大小顺序为灌木>黑麦草>自然生草, 这与5°坡度下的pH值大小顺序相同, 反映了不同植物物种对土壤pH值影响的差异. 与5°坡度的养分指标不同, 自然生草的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾含量高于黑麦草, 而碱解氮含量低于黑麦草, 这进一步体现了自然生草对土壤养分提高的优越性. 灌木的土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮和速效钾含量介于自然生草和黑麦草之间, 而全磷和有效磷含量均最大, 这说明灌木对土壤养分的提高优于黑麦草.

从土壤养分含量分级来看, 在15°坡度(表4), 自然生草和灌木的土壤有机质含量处于全国一级水平, 黑麦草的土壤有机质含量处于全国二级水平; 自然生草的土壤全氮含量处于全国一级水平, 黑麦草的土壤全氮含量处于全国三级水平, 灌木的土壤全氮含量处于全国二级水平; 自然生草的土壤全磷含量处于全国四级水平, 黑麦草的土壤全磷含量处于全国五级水平, 灌木的土壤全磷含量处于全国三级水平; 自然生草的土壤全钾含量处于全国一级水平, 黑麦草和灌木的土壤全钾含量处于全国二级水平; 自然生草的土壤碱解氮含量处于全国四级水平, 黑麦草的土壤碱解氮含量处于全国二级水平, 灌木的土壤碱解氮含量处于全国三级水平; 自然生草和灌木的土壤有效磷含量处于全国四级水平, 黑麦草的土壤有效磷含量处于全国五级水平; 三种利用方式的土壤速效钾含量均处于全国三级水平. 因此, 15°坡度的磷元素含量偏低.

表4 不同土地利用方式对15°坡地土壤肥力的影响Tab.4 Effects of soil fertility on 15 °sloping fields in different land use pattern

3.3 不同土地利用方式的土壤肥力综合评价

从表5可以看出, 土壤综合肥力系数(P)的大小顺序为15°灌木>15°自然生草>15°黑麦草>5°自然生草>5°黑麦草, 说明不同坡度对土壤肥力影响较大. 从同一坡度的土壤综合肥力系数大小来看, 两种坡度下的自然生草土壤综合肥力系数均大于黑麦草, 说明生物多样性增加了土壤综合肥力水平. 由于本试验所取的土样为0-20cm表层土, 而灌木的根系分布较深, 大部分侧根分布在20cm以下的土层中, 因而对表层土壤养分的吸收较少. 同时, 灌木的落叶分解后主要在表层土壤积累, 因而使得灌木的土壤综合肥力最高. 此外, 从土壤综合肥力系数大小来看, 本研究的五种土地利用方式的土壤肥力均为一般, 这可能与土壤背景值的肥力有关.

表5 不同土地利用方式的土壤肥力综合评价Tab.5 Comprehensive evaluation of soil fertility in different land use pattern

3.4 不同土地利用方式的土壤酶活性

在5°和15°坡度下, 自然生草的土壤中性磷酸酶活性、土壤尿酶活性、土壤蔗糖酶活性、土壤纤维素酶活性和土壤过氧化氢酶活性均高于黑麦草(表6), 说明在自然生草条件下, 植物物种的生物多样性促使土壤酶活性提高, 土壤环境更加良好. 在15°坡度下, 土壤中性磷酸酶活性、土壤蔗糖酶活性和土壤过氧化氢酶活性的大小顺序为自然生草>灌木>黑麦草, 而土壤尿酶活性和土壤纤维素酶活性的大小顺序为自然生草>黑麦草>灌木(表6),这说明灌木的土壤酶活性也低于具有生物物种多样性的自然生草, 灌木与黑麦草的土壤酶活性因植物物种的不同而存在差异. 因此, 自然生草的利用方式对土壤环境的改善效果最好.

表6 不同土地利用方式的土壤酶活性Tab.6 Soil enzyme activity in different land use pattern

4 结论

1)该区域5°坡度的自然生草土壤pH值、有机质和全氮含量小于黑麦草, 而土壤全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均高于黑麦草. 15°坡度的土壤pH值大小顺序为灌木>黑麦草>自然生草, 全磷和有效磷含量大小顺序为灌木>自然生草>黑麦草, 有机质、全氮、全钾、碱解氮和速效钾含量大小顺序为自然生草>灌木>黑麦草.

2)土壤综合肥力系数大小为5°自然生草>5°黑麦草、15°灌木>15°自然生草>15°黑麦草, 且五种土地利用方式的土壤肥力均为一般.

3)具有生物多样性的自然生草对华西雨屏区表层土壤的肥力提高效果优于黑麦草, 而木本植物对华西雨屏区表层土壤的肥力提高效果最好, 更有利于该区域土地的永续利用.

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Effects of different land use patterns on soil fertility and Soil Enzyme Activity of sloping fields in Rainy Screen Area of West China

HE Lian-jun1, ZHANG Peng-fei2, YANG Ze-gui3, CHEN Ming-zhong4, LIN Li-jin5
（1. Mianyang Yanting Water Conservancy Bureau, Mianyang 621600, P.R.C.; 2. Ziyang Lezhi Water Conservancy Bureau, Ziyang 641500, P.R.C.；3. Ya'an Yucheng Water Conservancy Bureau, Ya'an 625000, P.R.C.；4. Ya'an Water Conservancy Bureau, Ya'an 625000, P.R.C.；5. Ya’an Soil and Water Conservation Monitoring Substation, Ya'an 625000, P.R.C.）

Based on the observation of slope runoff fields, the revised inside mei luo index method is adopted to do study on the effects of different land use patterns and different slopes of natural grass, perennial ryegrass and shrubs on the soil fertility and soil enzyme activity in the rainy screen area of West China. The results showed that in the case of 5° slope runoff fields, natural grass soil pH, organic matter and total nitrogen content are less than the perennial ryegrass, and soil total phosphorus, total potassium, alkali solution nitrogen, available phosphorus and available potassium content higher than that of perennial ryegrass. In the case of 15° slope runoff field, soil pH value size order for shrubs is higher than perennial ryegrass and perennial ryegrass is higher than natural grass; Total phosphorus and effective phosphorus content size order for shrubs is higher than natural grass and natural grass is higher than perennial ryegrass. The organic matter, total nitrogen, total potassium, alkali solution nitrogen, rapidly-available potassium content size order for natural grass > shrub > perennial ryegrass. Coefficient of soil integrated fertility of size 5° natural born grass > 5° ryegrass 15°, 15° shrubs > natural grass > 15° ryegrass, and the soil fertility of five kinds of land use pattern is the same. It illustrates in the rainy screen area of West China the effect of surface soil fertility of natural grass with biodiversity is better than that of perennial ryegrass area, and woody plants is the best.

Huaxi rain screen area; sloping field; soil fertility; land use pattern; soil enzyme activity

S15

A

1003-4271(2014)04-0613-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.28

2014-05-28

何联君(1974-), 男, 汉族, 四川盐亭人, 工程师; 研究方向: 水土保持项目管理、水土保持方案编制等工作.

林立金(1980-), 男, 汉族, 四川龙泉驿人, 工程师, 博士研究生; 研究方向: 水土保持和污染生态学研究.