土地利用变化对土壤有机碳、全氮的影响——以右玉县牛心堡乡为例

贾宇平，侯志华，安祥生

（1.太原师范学院地理科学学院，山西太原030619；2.太原师范学院管理系，山西太原030619）

土地利用变化对土壤有机碳、全氮的影响
——以右玉县牛心堡乡为例

贾宇平1，侯志华1，安祥生2

（1.太原师范学院地理科学学院，山西太原030619；2.太原师范学院管理系，山西太原030619）

研究土地利用变化中土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）的变化是为了正确评价其生态效应。在对右玉县牛心堡乡耕地、由耕地变更而来的苗圃地、人工林地和休耕地的土壤样品测试基础上，运用单因素方差分析方法，探讨了土地利用方式变化对SOC，TN的影响。结果显示，土地利用方式变化加大了不同深度土层间以及同一深度土层不同土地利用类型间SOC，TN含量的差异程度，增强了SOC与TN含量的线性正相关性，显著提升了土壤C/N值；利用方式变化后，剖面深度0～30 cm内SOC平均含量比耕地增加了15.10%～41.26%，其中，休耕地和林地的SOC平均含量显著高于耕地，TN平均含量为休耕地＞耕地＞苗圃地＞林地，耕地休耕或转换为林地有利于SOC的累积，研究区土地利用方式变化已经产生了正面的生态效应。

土地利用变化；土壤有机碳；全氮

土壤有机碳、全氮含量是土壤肥力的关键指标，且与全球变化密切相关[1]。有学者认为，土壤有机碳、氮含量主要受自然因素影响。如陈昌华等[2]对东北地区的研究表明，自然因素特别是土壤性质对该区土壤碳氮的空间分布起主导作用；李林海等[3]对黄土高原王东沟小流域的研究发现，在不同地形下土壤有机碳和不同活性有机碳表现出中到高度的变异特征；武小钢等[4]研究显示，芦芽山土壤有机碳和全氮含量与海拔呈极显著的线性正相关；郭月峰等[5]研究认为，在高度、坡度、坡向3个地形因子中，海拔梯度变化是影响老哈河流域土壤有机碳的主导因素。也有学者认为，农田管理、经营时间等人为因素对土壤有机碳、氮含量有显著影响[1，6-7]，近年来有学者还开展了土地利用对土壤有机碳、全氮的影响研究[8-12]，研究区域主要集中在我国西南地区、北方农牧交错带的内蒙古草原、黄土丘陵区和东北地区，研究结果普遍显示，土地利用变化对土壤有机碳、全氮有显著影响。

晋西北是我国北方农牧交错带的重要组成部分，是京津唐地区绿色生态屏障建设的重点地区之一。退耕还林还草等生态工程在该区持续实施多年。近年来，随着青壮年劳动力外出务工增多，该区耕地撂荒现象日益增多；同时农户为获得较高的土地经济收益，耕地改作林木苗圃地在该区也较为常见，这些现象直接导致了区域土地利用结构的变化。然而，学术界多年来对晋西北地区的研究主要集中在防护林建设、生态修复和杂粮作物引种试验方面[13-15]，对土地利用的研究仅限于土地利用动态变化和驱动力分析[16]、土地利用变化对区域土地退化风险的影响[17]等方面，至于该地区土地利用变化（本研究的土地仅指农用地）是否会引起土壤碳、氮含量的变化尚未见有相关报道。

本研究通过对晋西北右玉县野外调研、土壤样品采集分析，运用统计学方法，探讨土地利用方式变化对土壤有机碳、氮的影响，旨在增进对该地区土壤有机碳、氮的变化成因的理解，对于深入了解区域土地利用变化的生态效应具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况与样地设置

研究区为晋西北右玉县牛心堡乡（112°26′12″～112°38′27″E，40°00′08″～40°08′51″N），该乡属于黄土缓坡丘陵区，气候是温带大陆性季风气候，四季分明，多风沙，年平均气温3.9℃，年均降水量约为410.6 mm，地带性土壤为栗钙土，自然植被以针茅草、蒿类为主，次生林、灌丛也有一定发育。全乡土地面积19 896.25 hm2，其中，耕地（全部为旱地）约占29.44%，林地约占25.66%，其他草地约占41.65%。近年来，随着农村劳动力转移和各项生态工程的实施，全乡土地利用方式正在发生变化，部分耕地转为经济收益较高的林木苗圃地，部分耕地变更为人工林地，还有部分耕地被撂荒成为休耕地，土地耕种面积数量减少，休耕地、人工林地和林木苗圃地面积扩大。

根据当地土地利用的实际状况，以种植农作物的耕地为参照，利用方式变化后的土地选择了林木苗圃地（简称为苗圃地）、人工林地（简称为林地）、休耕地3类样地，这3类用地在5 a前均由耕地转换而来，且海拔高度、地形坡度、土壤类型等自然条件基本与参照耕地一致，样地基本情况如表1所示。

耕地以种植马铃薯、玉米、莜麦等农作物为主，苗圃地栽培的是樟子松苗木，林地栽种的是华北落叶松（林下有针茅草等草本植物），休耕地上生长的主要有针茅草、百里香等草本植物。

表1 样地基本情况

1.2 土样采集与分析测试

土壤样品采集集中在2014年11月初完成。在4类样地上分别随机选取3个10 m×10 m的样方，按S型在每个样方内选取7个钻孔取样点。取样时，先除去土体表面的枯枝落叶，取样共分3层，深度分别为0～10，10～20，20～30 cm。将同一样方内各取样点上的土壤样品分层混合，去除砾石、植物残体等，用四分法采集混合样品。样品带回室内自然风干、研磨粉碎、过0.149 mm筛，装入保鲜袋，用于测定土壤有机碳和全氮含量。

土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定，全氮（TN）含量采用半微量开氏法测定[18]，土壤样品测试分析于2015年3月完成。

1.3 数据处理

本研究数据处理和制图采用软件Excel 2003和SPSS 19.0进行，对不同土地利用方式、不同深度土层之间的SOC，TN含量的统计分析选用单因素方差分析（ANOVA）方法，多重比较采用LSD法，同一土地利用方式下SOC与TN含量的关系研究采用回归分析法。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化对SOC含量的影响

由图1可知，在0～30 cm土壤剖面上，4类用地的SOC含量均随土层深度增加而逐渐减少，SOC含量最大值（7.79 g/kg）出现在休耕地的0～10 cm土层（简称表层），最小值（4.19 g/kg）出现在耕地的20～30 cm土层（简称底层）。剖面底层与表层SOC含量相比，耕地、苗圃地、林地、休耕地分别减少了18.88%，28.11%，33.32%，26.58%，耕地减少幅度最小，林地减少幅度最大。4类用地都是表层的SOC含量显著高于底层，而与10～20 cm土层（简称中间层）差异不显著，除苗圃地外，其他3类用地的中间层与底层的SOC含量也都有显著差异（P＜0.05）。

0～30 cm耕地、苗圃地、林地、休耕地的SOC平均含量分别为4.83，5.56，6.01，6.82 g/kg，与耕地相比，其他3类用地的SOC平均含量分别增加了15.10%～41.26%，增加幅度从大到小依次为休耕地＞林地＞苗圃地；林地和休耕地与耕地间均有显著差异，且休耕地与苗圃地间也有显著差异，说明土地利用方式变化已经使0～30 cm范围内土壤的SOC平均含量产生了显著分化。

各土层中，与同层耕地相比，其他3类用地的SOC含量均增加，增幅顺序都是休耕地＞林地＞苗圃地。其中，表层SOC含量的分化最明显，与耕地相比，其他3类用地表层SOC含量增加了23.52%～50.94%，3类用地的SOC含量显著高于耕地，并且苗圃地与休耕地之间也存在显著差异；中间层SOC含量的分化程度低于表层，虽然其他3类用地的SOC含量比耕地增加了11.23%～35.32%，但是苗圃地与耕地之间差异已不再显著；底层SOC含量的分化程度最低，其他3类用地的SOC含量比耕地增加了9.47%～36.61%，只有休耕地与耕地的SOC含量之间有显著差异。

2.2 土地利用变化对TN含量的影响

由图2可知，0～30 cm土壤剖面上，4类用地的TN含量均随土层深度增加逐渐减少，TN含量最大值（0.84 g/kg）出现在林地表层，最小值（0.41 g/kg）出现在林地的底层。剖面底层与表层TN含量相比，耕地、苗圃地、林地、休耕地分别减少了7.04%，13.60%，50.99%，16.18%，耕地减少幅度最小，林地减少幅度最大。耕地和休耕地各深度土层之间TN含量都没有显著差异，苗圃地表层与底层有显著差异，林地的各土层间都有显著差异。可见，土地利用方式转换使不同土层间的TN含量出现了分化，分化的程度林地高于苗圃地，苗圃地高于休耕地。

与0～30 cm耕地的TN平均含量（0.69 g/kg）相比，休耕地增加了7.06%，苗圃地和林地分别减少了8.35%和11.24%，3类用地与耕地的TN平均含量之间差异不显著，但林地与休耕地之间出现了显著差异，说明土地利用方式转换对土壤TN平均含量的影响已经显现。

与同一土层耕地的TN含量相比，表层苗圃地减少了3.28%，林地和休耕地分别增加了18.77%和13.14%，只有林地的TN含量显著高于耕地且显著高于苗圃地；中间层苗圃地和林地的TN含量分别减少了11.80%和16.98%，休耕地增加了5.66%，只有林地与耕地有显著差异且与休耕地也有显著差异；底层苗圃地和林地分别减少了10.11%和37.38%，休耕地增加了2.02%，林地与其他3类用地间都有显著差异。可见，土地利用变化初期，土壤TN含量变化最大的是林地，最小的是休耕地。

2.3 不同土地利用方式下SOC与TN含量的关系

4种土地利用方式下SOC与TN含量的线性关系如图3所示。回归分析显示，耕地的TN与SOC含量呈显著正相关（R2＝0.543 5），苗圃地、林地和休耕地的TN与SOC含量均呈极显著正相关（R2分别为0.906 6，0845 0和0.739 2），TN含量随着SOC含量增加而增加的速率以林地最快，苗圃地最慢，休耕地慢于耕地。

由表2可知，除林地外，耕地、苗圃地和休耕地的C/N均随深度增加而减少，耕地和苗圃地的各土层深度之间C/N值均没有显著差异，林地的表层与下部2层间有显著差异，休耕地的表层与底层有显著差异。剖面上土壤C/N的平均值以耕地最低、苗圃地次之、休耕地较高、林地最高，耕地与其他3类用地的C/N平均值均有显著差异。若分深度层次看，上部2层耕地与其他3类用地的C/N值差异明显，底层耕地只与林地的C/N值有显著差异，表明土地利用变化引起了SOC和TN累积速度的差异性变化，从而导致土壤C/N的改变。

表2 不同土地利用方式的C/N值

3 结论

本研究结果表明，土地利用方式转换引起了同深度土层SOC含量的显著分化，表层SOC含量的分化程度最明显，中间层次之，底层分化程度最低。土地利用方式变化导致土壤剖面0～30 cm的SOC平均含量比耕地增加了15.10%～41.26%，增幅从大到小依次为休耕地＞林地＞苗圃地，林地和休耕地的SOC平均含量均显著高于耕地。

土地利用方式变化使TN含量发生差异性的变化。林地的各土层间、苗圃地的底层与表层间TN含量变化明显；林地与耕地在各土层均有显著差异，并且林地与苗圃地在表层和底层、林地与休耕地在中间层和底层之间都有显著差异，苗圃地与休耕地在中间层有显著差异；土壤深度0～30 cm内TN平均含量为休耕地＞耕地＞苗圃地＞林地，苗圃地、林地和休耕地均与耕地的TN平均含量间差异不明显，但林地与休耕地的TN平均含量间有显著差异。

土地利用方式改变增强了SOC与TN含量的线性正相关性，TN含量随着SOC含量增加而增加的速率为林地＞耕地＞休耕地＞苗圃地。土地利用方式变化显著提升了土壤C/N值，升幅顺序为林地＞休耕地＞苗圃地，耕地转换为林地和休耕地更有利于SOC的累积，研究区土地利用变化已经产生了正面的生态效益。

4 讨论

4类土地利用方式下，SOC和TN含量均随土层深度增加而减少，减少速度是林地、休耕地和苗圃地大于耕地，与郑杰炳等[8]的研究结果基本一致。

由于耕地受人类扰动强烈，研究区农田在作物收获后秸秆大多数没能还田，再加上机械耕作的影响，土壤有机质的分解加速[12]，导致耕地SOC含量较低。耕地变更为林地、休耕地和苗圃地后，几乎全部的凋落物都直接向土壤提供有机物质，而且人类活动对土地的机械扰动也减轻，特别是林地和休耕地受人类活动影响很小，土壤有机质的分解速度放缓，所以，林地、休耕地和苗圃地剖面上各层SOC的含量均高于耕地，尤其在表层差异最为显著，这与其他学者[8-9，11]的研究成果相类似，表明在研究区土地休耕和退耕还林有利于SOC的累积。4类用地的SOC与TN含量间均呈显著或极显著正相关，证实了前人的研究结果[8-9，11-12]。林地、休耕地和苗圃地的土壤C/N值都高于耕地，进一步说明土地退耕后土壤的固碳能力得到大幅度提升，在生态较为脆弱的晋西北地区土地利用变化已经产生了正面的生态效益。至于土地利用变化对土壤SOC和TN的长期影响将会怎样，还有待于进一步研究。

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Effects of Land Use Changes on Soil Organic Carbon and Total Nitrogen—Taking Niuxinbao Township in Youyu County as an Example

JIAYuping1，HOUZhihua1，ANXiangsheng2
（1.College of Geography Science，Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China；2.Department of Management，Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China）

A deep understanding of the change of soil organic carbon（SOC）and total nitrogen（TN）during land use changes is significantly important for its ecological benefits evaluation.Based on the soil samples analysis on cultivated land,nurseryl and,plantation forestland and abandoned land,taking Niuxinbao township in Youyu county as an example,the effects of land use changes on SOC and TN were discussed by ANOVA.The results showed that due to land use changes,the differences of SOC and TN content among soil layers and land use types in the same depth soil layer increased,the linear positive correlation between the contents of SOC and TN enhanced, and the soil C/N value significantly increased.After land use changes,the average content of SOC increased by 15.10%-41.26%in the depth of0-30 cm.The SOC average content of plantation forestland and abandoned land were far higher than that of cultivated land.The average content of TN was in the order of abandoned land＞cultivated land＞nursery land＞plantation forestland.Land fallow and returning farmland to forest were beneficial to the accumulation of SOC.Land use changes already had positive effects on the ecological environment in the study area.

land use changes;soil organic carbon;total nitrogen

S153.6

A

1002-2481（2016）11-1648-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.18

2016-07-03

国家自然科学基金项目（41271143）

贾宇平（1968-），女，山西长子人，副教授，硕士，主要从事土壤地理、土地利用等研究工作。