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紫色土丘陵区小流域不同土地利用方式土壤氮磷储量特征

2018-05-14李义玲李太魁顾令爽杨小林

安徽农业科学 2018年31期

李义玲 李太魁 顾令爽 杨小林

摘要 [目的]了解紫色土丘陵區小流域不同土地利用方式下土壤氮磷特征。[方法]采集典型小流域林地、旱地、水旱轮作田的分层土壤样品,研究不同土地利用方式下土壤氮磷含量及储量变化,探讨土地利用方式对紫色土丘陵区小流域土壤氮磷库的影响。[结果]3种土地利用方式下,土壤全氮、硝态氮、全磷含量存在显著差异,相同土层土壤全氮含量表现为水旱轮作田>林地>旱地,旱地和水旱轮作田的硝态氮、全磷含量显著高于林地。土壤全氮、硝态氮、全磷含量均随土壤深度增加而下降,表现出明显的表聚性。土壤全氮储量表现为水旱轮作田(684 t/hm2)>旱地(448 t/hm2)>林地(372 t/hm2);土壤全磷储量与土壤全氮储量变化规律相似,水旱轮作田土壤全磷储量(389 t/kg)最高,其次是旱地(373 t/hm2)和林地(153 t/hm2);林地与旱地、水旱轮作田土壤硝态氮储量具有显著差异,且表现为旱地(104.68 kg/hm2)>水旱轮作田(79.70 kg/hm2)>林地(14.81 kg/hm2)。[结论]紫色土丘陵区林地土壤养分固持潜力较大,而耕地土壤氮磷等养分流失风险较高。

关键词 紫色土丘陵区;土地利用方式;土壤全氮储量;土壤全磷储量;垂直分布

中图分类号 S153.6文献标识码 A文章编号 0517-6611(2018)31-0133-05

Abstract [Objective]To clarify the characteristic of soil nitrogen and phosphorus of different land use modes in the purple soil area of central Sichuan Basin. [Method] Soil samples were collected on soil profile for forest land, upland filed and paddy field from 27 sampling sites within a small watershed,and the variation of soil nitrogen and phosphorus contents and reserves of different land use modes was researched, and the effect of the land use modes on the soil nitrogen and phosphorus pools in the watershed of Central Sichuan Basin was identified. [Result]The contents of soil total nitrogen(STN), nitrate nitrogen(NO3-N) and soil total phosphorus(STP) were significant influenced by land use modes, and the contents of STN in the same soil layer under different land use modes were as the following orders: paddy filed>forest land>upland field;and the contents of soil NO3-N and STP in paddy field and upland field were significantly higher than that in forest land. The contents of STN, NO3-N, and STP under different land use modes decreased with the increase of soil depth and showed obvious characteristic of surface accumulation. The stocks of STN under different land use modes were as the following orders: paddy filed (684 t/hm2)>upland field(448 t/hm2)>forest land(372 t/hm2);the STP stocks had the same trend as STN stocks, and the STP stocks was highest in paddy field(389 t/kg), followed by upland field(373 t/hm2) and forest land (153 t/hm2);the soil NO3-N stocks in forest land were significant different with the stocks in paddy field and upland field, and the NO3-N stocks were as the following order: upland field (101.68 kg/hm2)>paddy filed(70.70 kg/hm2)>forest land(14.8 kg/hm2). [Conclusion]The potential of soil nutrient sequestration was significant in forest land, especially for STN, and the risk of nutrient loss from upland field and paddy field was very high in the purple soil area of central Sichuan Basin.

Key words Purple soil hilly area;Land use modes;Soil total nitrogen stock;Soil total phosphorus stock;Vertical distribution

作为控制植物生长发育的必需养分元素,土壤氮磷在农业可持续发展和环境方面具有重要作用。土壤氮磷等养分储量体现了土壤生产力的高低和土壤质量的好坏[1],然而,“过剩”的土壤氮磷是水质恶化的重要来源。掌握不同土地利用方式下土壤氮磷等养分元素状况是农业可持续发展的基础,也是流域水环境管理的关键。目前关于土壤养分储量的研究主要集中在土壤碳储量方面,而对土壤氮储量,特别是土壤磷储量的研究相对较少[2]。

土壤氮磷储量特征受氮磷含量的深刻影响,而土壤氮磷含量分布受气候、成土母质、土地利用类型等因素的影响[3-4]。其中,土地利用方式不同,土壤有机物输入[5]、冠层结构[6]、土壤物理、化学性质[7-8]、人为影响[9]显著不同,对土壤碳氮磷等养分含量分布影响最为显著。如农田土壤因受人为扰动大,土壤全氮不断以无机氮形式释放,降低土壤氮含量,故林地、灌丛、草地等土壤全氮含量多高于农田土壤[10-12]。由于人为施肥的影响,耕地土壤全磷含量往往高于林地和草地[13-14],但生物量差异对土壤总磷影响也十分显著,研究表明,永久性草地的土壤全磷含量高于农田土壤[15]。因此,深入揭示区域不同土地利用方式对土壤氮磷养分含量及储量的影响,不仅可评价流域土壤生产力状况,也为流域土地资源优化管理、土壤氮磷的养分价值发挥以及减少面源污染提供理论依据。

目前,对于土壤养分特征的研究,主要集中于林地、草地、灌丛、湿地、耕地等,研究内容集中在表层土壤养分含量的空间变异特征、影响因素、驱动力以及单一土地利用方式下土壤养分储量,特别是林地、旱地和湿地生态系统土壤养分储量[4-6,12-14],缺少相同区域条件下,流域不同土地利用方式土壤养分储量的对比研究,特别是紫色土区不同土地利用方式土壤氮磷等养分垂直分布及其储量特征的研究更少。作为长江三峡乃至整个长江流域水环境的重要影响区,紫色土丘陵区强烈的农业活动以及严重的水土流失导致土壤氮磷流失逐年增加,造成区域内流域水体环境恶化严重,也给长江流域水环境安全造成巨大压力。由于目前缺少紫色土丘陵区土壤养分垂直分布及储量特征研究,也难以为流域土地资源、土壤养分资源的优化管理以及流域土壤氮磷流失控制提供依据。因此,笔者以川中丘陵紫色土区典型小流域为研究对象,研究该区域不同土地利用类型下土壤氮磷垂直分布特征与储量水平,以期为流域养分资源管理和氮磷污染控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择四川省盐亭县的截流堰小流域为研究对象,该区属于中亚热带季风气候,年均气温17.3 ℃,年均降水量826 mm。土壤类型以石灰性紫色土和水稻土为主,成土速度快,土层较薄,水土流失严重。小流域海拔380~680 m,总面积35 hm 其中林地占36.0%,旱地占420%,水旱轮作田占12.0%,居民点占3.5%,道路和坑塘等其他占 6.5%(图1)。林地为20世纪70年代种的柏木林(Cupressus funebri),灌木主要包括黄荆(Vitex negundo)、刺梨(Rosa roxburghii)、马桑(Coriaria sinica)、栓皮櫟(Quercus variablilis)等,草本多为豆科(Leguminosae)、禾本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)植物。旱地与水旱轮作田于5—9月分别种植玉米和水稻,10月至次年4月分别种植小麦和油菜。该区域多数农户于5月底和10月底对作物进行集中施肥,少数农户在作物种植30 d后进行追肥,氮、磷和钾肥年施用量分别为330 kg/hm2 N、180 kg/hm2 P2O5和72 kg/hm2 K2O。

1.2 样品采集与分析

为减少施肥对研究结果的干扰,故在冬季作物收获季采集土壤样品。根据截流堰小流域土地利用变化随机调查林地(n=11)、水旱轮作田(n=5)、旱地(n=11)共计27个样点,共采集97个土壤样品,其中林地33个样品、旱地44个样品、水旱轮作田20个样地(图1)。由于川中丘陵区紫色土土壤“浅薄化”特征明显,土层厚度主要分布在20~60 cm[16],该研究流域中林地和耕地土层深度分别在30和50 cm左右,因此旱地和水旱轮作田土壤剖面深度确定为50 cm,林地土壤样品深度确定为30 cm,按照土壤深度分3~4层(0~10、10~20、20~30、30~50 cm)分层取样。采用环刀法测定土壤容重,同时在土壤剖面周边随机选择3个采样点,用土钻分层取样,并将每层土样混合后装入自封袋。土壤混合样品带回实验室后分成2份:一份捡去残根、石子等杂物,自然风干后过0.149 mm筛,用于测定土壤全氮和全磷含量;一份鲜样过2 mm筛用于测定土壤硝态氮含量。其中,土壤全氮采用凯氏定氮法测定;土壤全磷采用钼锑抗比色法测定;硝态氮通过流动分析仪AA3(BRAN+LUEBBE,Germany)测定。

1.3 数据分析

基于土壤全氮、全磷和硝态氮含量和土壤容重计算每一个样点的土壤氮磷储量。其中,某一土层和一定土层深度的土壤氮磷储量分别采用公式(1)和(2)计算:

采用Excel 2010软件对试验数据进行统计分析。采用SPSS 13.0 软件进行方差分析和差异显著性检验,分析不同土地利用类型、不同土层深度对土壤氮磷含量与储量的影响,并在差异显著时进行多重比较(P<0.05,LSD,t检验)。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤氮磷含量特征

由表1可知,不同土地利用方式下各土层深度土壤全氮含量均表现为水旱轮作田>林地>旱地。单因素方差分析结果表明,旱地与水旱轮作田、林地的土壤全氮含量差异显著,但水旱轮作田与林地之间土壤全氮含量差异不显著。旱地和水旱轮作田的土壤硝态氮和土壤全磷含量在各土层中均高于林地,且旱地、水旱轮作田与林地之间硝态氮和全磷含量差异显著,但旱地与水旱轮作田之间差异不显著。可见,氮肥和磷肥的人为施用对土壤硝态氮和全磷含量影响显著。

2.2 不同土地利用方式下土壤氮磷含量垂直分布特征

由图2可知,3种土地利用方式下土壤全氮、硝态氮、全磷含量均随土壤深度增加而降低,具有明显的“表聚”效应。林地和水旱轮作田0~10 cm土层土壤全氮含量与其他土层土壤全氮含量差异显著(P<0.05),其中,林地0~10 cm土层土壤全氮含量分别为10~20、20~30 cm土层土壤全氮含量的1.40和150倍;水旱轮作田0~10 cm土层土壤全氮含量分别是10~20、20~30、30~50 cm土层土壤全氮含量的1.30、1.50和160倍。旱地土壤全氮垂向变异更加显著(图2a),0~10、10~20、20~30、30~50 cm土层土壤全氮含量分别为0.96、079、0.65、0.47 g/kg,0~10 cm土层土壤全氮含量分别为10~20、20~30、30~50 cm土层的1.22、1.48和2.04倍。

土壤硝态氮含量随土壤深度的变化趋势与全氮含量分布特征类似(图2b)。其中,林地0~10 cm土层土壤硝态氮含量是10~20、20~30 cm土层土壤硝态氮含量的1.8和2.4倍。水旱轮作田0~10 cm土层土壤硝态氮含量是10~20、20~30、30~50 cm土层土壤硝态氮含量的1.20、1.27和1.26倍。而旱地不同土层硝态氮含量分别为18.43、16.12、1352、13.58 mg/kg,0~10 cm土层土壤硝态氮含量是10~20、20~30、30~50 cm土层土壤硝态氮含量的1.14、1.36和1.36倍。

土壤全磷含量也随土壤深度的增加而逐漸减小,表现出明显的表聚性(图2c)。旱地和水旱轮作田0~10 cm土层土壤全磷含量分别是10~20、20~30、30~50 cm土层土壤全磷含量的1.10、1.30、1.80倍和1.10、1.40和1.60倍。林地0~10 cm土层土壤全磷含量分别是10~20、20~30 cm土层的110和1.20倍。可见,林地全磷含量的变异明显小于旱地和水旱轮作田。

2.3 不同土地利用类型下土壤氮磷储量特征

由表2可知,水旱轮作田各层土壤全氮储量均显著高于林地和旱地,0~50 cm土层土壤全氮储量累积为684 t/hm 分别是旱地(448 t/hm2)和林地(372 t/hm2)的1.53和1.84倍。从土壤全氮储量的垂向分布看,3种土地利用方式下0~10 cm土层土壤全氮储量占总储量的26.2%~40.6%,表明表层土壤全氮储量的贡献率最大。

3种土地利用方式下土壤全磷储量变化规律与土壤全氮相似,总体表现为水旱轮作田>旱地>林地,且旱地(373 t/hm2)和水旱轮作田(389 t/kg)的土壤全磷储量分别是林地(153 t/hm2)的2.43和2.54倍。从土壤全磷储量的垂向分布看,3种土地利用方式下0~10 cm土层土壤全磷储量占总储量的25.0%~35.3%,表明表层土壤全磷储量贡献率较大。

统计分析结果表明,3种土地利用方式下,林地与旱地和水旱轮作田土壤硝态氮储量具有显著差异,且表现为旱地>水旱轮作田>林地。旱地(104.68 kg/hm2)和水旱轮作田(79.70 kg/hm2)的土壤硝态氮储量分别是林地(14.81 kg/hm2)的7.07和5.38倍。从土壤硝态氮储量的垂向分布看,林地、旱地和水旱轮作田0~10 cm土层土壤硝态氮储量分别占总储量的49.4%、22.9%、22.2%,表明林地表层土壤硝态氮储量的贡献率较高,但旱地和水旱轮作田表层土壤硝态氮储量的贡献率相对较低,这可能与耕地、林地硝态氮主要来源差异以及人类耕作影响有关。

3 讨论

影响土壤氮磷等养分分布的因素包括气候状况、母质条件、土壤类型、土地利用方式、作物施肥等[17]。然而,对母质条件和气候状况较一致的区域,土地利用方式是影响土壤氮磷等养分元素输入和输出的关键因素,并深刻影响土壤中氮磷储量分布和有效性[18]。紫色土丘陵区地形复杂,坡耕地多整改为台地,台地过渡带之间多为陡坡林地,流域低洼处多为水旱轮作田,形成了旱地、林地、水旱田相互交错的特点,居民点又分散其中,地块单元十分分散,复杂的下垫面结构势必导致土壤氮磷含量和储量存在显著的空间异质性。该研究发现,紫色土丘陵区典型流域3种土地利用类型的土壤氮磷含量及储量具有明显差异,但各土地利用方式下土壤全氮、全磷和硝态氮的含量均随土壤深度增加而减少,表现出明显的表聚性[19-21],这可能与表层枯落物存量较高以及耕作层较浅有关[22]。

研究表明,林地枯枝落叶的存量对土壤有机碳影响很大,也引起土壤全氮含量增加,农田地表覆盖物少,且受人为扰动大,土壤中有机碳氮转化为CO2和无机氮的程度较高,从而导致农田全氮含量往往较低。Wang等[22]和Gelaw等[23]分别对我国北部和埃塞俄比亚北部山区的土壤碳氮储量进行研究,结果发现耕地转化为草地、次生灌丛和林地均可显著提高土壤碳氮含量和储量。但该研究发现,紫色土丘陵区3种土地利用方式中,相同土层深度土壤全氮含量表现为水旱轮作田>林地>旱地的特点。水旱轮作田全氮含量较高可能是由于该区域水田作物留茬量较大,秸秆还田比例较高,且土壤水分高、甚至是淹水条件降低了土壤有机物的分解和矿化[24]。旱地秸秆的收割与焚烧降低了土壤有机质输入,且人为耕作改变了土壤通透性和孔隙度,促进了表层土壤有机物的分解和矿化为无机氮,加速氮素的流失[13],并导致旱地土壤全氮含量较低。由于该区域林地人为干扰较小,长期的凋落物累积和植物根系更新等因素虽促进了表层土壤氮素累积,但研究区人工林多为常绿柏木林、且林龄较短,也限制了土壤有机物的输入总量。故研究区土壤全氮含量呈水旱轮作田>林地>旱地的趋势。

研究表明,人为施肥、耕作方式、耕作制度等随机性因素是中小尺度土壤磷素空间变异的主因,而土壤类型、土壤质地、矿化过程、成土过程等结构性因素影响程度较小[25]。该研究发现,旱地和水旱轮作田土壤全磷含量和储量远高于林地,说明人为施肥、耕作管理等随机性因素是导致旱地和水旱轮作田全磷含量和储量较高的主因,而林地人为干扰较小,土壤全磷含量与储量受结构性因素影响为主,导致土壤全磷含量较低。

生态系统中土壤硝态氮的水平取决于有机物矿化、大气沉降和作物施肥等输入量和微生物固定、植物吸收和淋溶损失等输出量之间的差额[26]。但人为施肥是农田土壤硝态氮水平的决定性因素[27]。Zhu等[28]对川中丘陵区坡耕地硝态氮流失特征研究发现,由于人为施肥的影响,紫色土区旱地土壤硝态氮年流失通量达34.3 kg/hm2。该研究也发现耕地土壤硝态氮含量显著高于林地,可见紫色土区强烈的人类活动显著增加了耕地土壤硝态氮流失的风险。

由于土壤氮磷含量、土壤容重和土层深度差异[19,29],区域尺度土壤氮磷儲量差异较大。研究表明,我国北方灌丛1 m深土壤全氮、全磷储量分别为710、420 t/hm2[4];豫西黄土丘陵区不同树龄的栎类、侧柏林表层土壤(0~20 cm)全氮储量为159~234 t/hm2[19];广西南亚热带林地土壤氮储量为1 059~1 791 t/hm2[30];若尔盖高原湿地1 m深土壤全氮、全磷储量分别为1 500~3 400、240~490 t/hm2[9];长江流域耕地表层土壤全氮储量(0~20 cm)为538~882 t/hm2[31],土壤全磷储量(0~30 cm)为230~480 t/hm2[32]。可见,川中紫色土丘陵区林地与耕地土壤全氮储量(372~684 t/hm2)总体水平较低,这可能与紫色土区林地类型、林龄以及耕地耕作管理方式有关。也说明应加强紫色土区林地植被的保护和恢复重建,促进不同类型植被群落演替更新,并通过增加耕地秸秆还田量以及保护性耕作等措施,提高紫色土区土壤有机碳氮含量,促进土壤生产力的自我恢复,降低作物施肥量,从而降低氮流失风险。相反,耕地土壤磷(373~389 t/hm2)和硝态氮储量(79.70~104.68 kg/hm2)水平却相对较高,这与紫色土区强烈的作物施肥活动有关,“过剩”的土壤磷和硝态氮势必随着耕地水土流失进入水体,增加紫色土丘陵区区域内地表水水质恶化和富营养化的风险。

4 结论

该研究以紫色土丘陵区典型小流域为研究对象,研究不同土地利用方式下土壤氮磷含量及储量特征,结果表明,紫色土丘陵区土地利用方式对土壤氮磷含量及储量影响显著,土壤全氮、全磷和硝态氮的含量均随土壤深度增加而减少,表现出明显的表聚性。

川中丘陵紫色土区林地与耕地土壤全氮储量(372~684 t/hm2)总体水平较低,应重视紫色土丘陵区的植被保护与恢复重建,优化耕作措施,增加土壤碳氮含量和储量,提高土壤生产力的自我恢复能力。

紫色土区强烈的作物施肥活动导致耕地土壤磷(373~389 t/hm2)和硝态氮储量(79.70~104.68 kg/hm2)水平较高,增加了区域内地表水水质恶化和富营养化的风险。

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