青海湖区域不同土地利用方式下土壤理化特征研究<br/>——以刚察县为例

青海湖区域不同土地利用方式下土壤理化特征研究
——以刚察县为例

2018-07-04曹广超鄂崇毅袁有靖

干旱地区农业研究 2018年3期

袁杰，曹广超，鄂崇毅，袁有靖

(1.青海师范大学/青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海西宁 810008；2.青海省环境地质勘查局，青海西宁 810008)

青海湖位于青藏高原东北部，处于西部干旱区、东部季风区、青藏高原高寒区三大区域的交汇地带，作为青藏高原的重要组成部分，其巨大的湖体、丰茂的植被以及高海拔成为了西部荒漠化向东蔓延的天然屏障[1-3]。然而近些年由于自然因素和人为因素的共同影响，湖区草地退化和沙漠化趋势加剧[4-5]，而目前对于导致湖区草地退化和土壤沙漠化的主要驱动因素，仍存在着争论，部分研究认为是由于气候变化导致风蚀加快，引起荒漠化或沙漠的扩张[6-7]；另一部分研究则认为主要是由于人类对高寒地区草地不合理利用所导致，例如开垦草地和过度放牧。对于前者，古气候学者通过大量的古环境载体如高原风成沉积物、高原湖泊沉积物及孢粉等获取了不同时间尺度气候变化[8-9]下高原地区的土地景观变化与沙漠扩张退缩；对于后者，科学家更多关注已沙化土壤的监测、模拟、生态恢复等工作[13-15]，却忽略了人类活动对湖区土壤的影响特别是对耕作模式和放牧模式下土壤理化性质差异性的研究，从而局限了人类活动对高寒地区土壤本底影响的理解。

土壤理化性质是研究土壤环境以及整个生态系统特征的基础，土壤理化性质状况对于植物的生长起着关键性的作用，直接影响植物群落的组成与生理活力，决定着生态系统的结构、功能和生产力水平[10-11]，是生态系统功能恢复与维持的关键指标之一[12]，而土地利用变化是影响土壤理化性质变化最普遍、最直接、最深刻的因素，它直接或间接地作用于土壤系统[13]，当土地利用方式发生变化时，将对土壤理化性质产生明显的影响，进而会带来土壤结构的改变，导致各土壤类型出现不同的变化规律和演化趋势[14]。因此，研究湖区耕作模式下土壤理化性质，进而预估人类活动对土壤的影响将是十分迫切的一个工作，基于此，通过该区1987、1995、2000、2005、2010年遥感图像解译，以湖区北部近30年未变耕地与草地为研究对象，分析其土壤理化性质的差异，探求耕作模式与放牧模式下土壤演替规律，力争为后期高寒区土地资源合理利用及湖区生态建设提供一些参考依据。

1 研究区概况

刚察县位于青海省东北部，海北藏族自治州西南部，青海湖北岸。它是以藏族为主的多民族聚居地，境内居住着藏、汉、蒙古族等12个民族。东隔哈尔盖河与海晏县为邻，西与海西蒙古族藏族自治州天峻县毗邻，南隔布哈河与海南州共和县相望，北隔大通河与祁连县接壤[15]。地理坐标为99°20′44″E～100°37′24″E，36°58′06″N～38°04′04″N。境内分布着高山、丘陵、平原地貌类型且大致呈北、中、南排列，平均海拔3300.5m，绝大部分地区海拔在3500m以上，海拔最高点4775m，位于县境西部的桑斯扎山峰，最低点3195m，位于县境南部的青海湖湖滨地带。刚察县分布着广阔的草地，草地面积为 71.20×104hm2，占土地总面积的 73.82% ，草地可利用面积为 69.07×104hm2，占草地面积的 97.01%。因地势以山地丘陵为主，草地植被垂直分异明显，不同海拔高度依次分布着高寒草甸、高寒草原、山地草原和平原草甸4个草原类型[16]，其中以高寒草甸为主，面积为 57.19×104hm2，占全县草地面积的80.31%。刚察县属典型的高原大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大，年降水量370.5mm，年蒸发量1500.6～1847.8mm。冬季寒冷，夏秋温凉，1月平均气温约为-17.5 ℃，7月平均气温约为11 ℃，年平均气温约-0.6 ℃[17]。

2 试验方法

2.1 土壤样地的选择

根据前期对环湖区1987-2010年五期遥感图像的解译，在GIS软件中对五期遥感解译的草地和耕地图层进行叠加相交，在湖区北部选取在该时段内相毗的且未曾变化的草地和耕地(图1)，其中草地选取以坐标37°16′43.29″N，100°17′37.12″E为中心且半径500m范围内，耕地选取以坐标37°16′42.79″N，100°17′28.62″E为中心且半径500m范围内。

2.2 土壤样品采集方法

于2014年10月在土壤采集区域采集土壤样品。其中采样间距为30m×30m，两类不同土地利用方式下分别选取5个采样点，每个采样点用直径为5cm的土钻钻取0～60cm深度(采样间隔为5cm)的12个土壤样品。两类土地利用方式下共选取了10个采样点，120个土壤样品。采集的所有土壤样品带回实验室后自然风干、除杂，研磨后过200目筛，排号收集待用。

2.3 土壤理化指标测定

文中所涉指标均在青海省自然地理与环境过程重点实验室中完成，其中土壤粒度分析所用仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪；土壤碳、氮利用德国Elementar公司Vario ELⅢ元素分析仪测定；磁化率采用由英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪测量(由于所测得的低频磁化率和高频磁化率，其整体趋势一致，只是低频磁化率值整体高于高频磁化率值，因此这里只选取低频磁化率值和频率磁化率进行对比分析。文中低频磁化率和频率磁化率分别表示为Xlf和Xfd)；色度由日本生产的美能达分光色度计测量；pH值用pH计(pHs-3C)进行测试。

3 结果与分析

3.1 草地和耕地土壤物理性质分析

3.1.1 草地和耕地土壤粒度含量分析通过对草地和耕地粒度组成分析后发现(表1)，草地砂含量(介于5.62%～12.64%，平均值为8.98%)明显小于耕地砂含量(介于9.81%～21.64%，平均值为15.25%)近一倍之多；而草地粉砂含量(介于66.42%～73.18%，平均值为70.8%)大于耕地粉砂含量(介于60.45%～71.48%，平均值为66.65%)，草地粉砂含量多出4.15%；草地粘粒含量(介于17.92%～21.99%，平均值为20.22%)亦明显大于耕地粘粒含量(介于16.2%～19.82%，平均值为18.1%)。此外，通过草地和耕地的“砂组-粉砂组-粘粒组”粒级三角图解(图2)，可以直观看出草地和耕地都属于砂-粉砂级，其中草地粒级整体上较细(绿色区域)，以粉砂级为主，耕地粒级分布杂乱且较草地粒级偏粗，有部分样品在砂级20%～40%范围内(红色区域)，对此区域进一步分析后得知，红色区域内样品为耕地样品中30cm以上样品，对于此种现象后文将做出解释。

图1 研究区域示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

采样点Sampling site特征值Eigenvalue砂粒Sand/%粉砂粒Silt/(%粘粒Clay/%草地Grassland最大值 Maximum value12.6473.8121.99最小值 Minimum value5.6266.4217.92平均值 Average value8.9870.820.22耕地Farmland最大值 Maximum value21.6471.4819.82最小值 Minimum value9.8160.4516.2平均值 Average value 15.2566.6518.1

通过对草地和耕地土壤纵向粒度变化特征可以看出(图3)，耕地在整个剖面深度内砂含量整体上大于草地，在0～20cm段，耕地砂含量达到了最大值，20～35cm段砂含量减小，而35～60cm又有增大趋势；草地粉砂含量在整个剖面深度内整体上大于耕地，且以0～30cm段为界，界上两者之间差异性最大，而界下两者之间差异不明显；草地粘粒含量在整个剖面深度内也整体上大于耕地，与粉砂含量变化相似同样以0～30cm段为界，界上两者之间差异性最大，而界下两者之间差异不明显。

3.1.2 草地和耕地土壤磁化率和色度分析从表2可以看出草地低频磁化率XIf介于(38.83～54.73)×10-8m3·kg-1之间，平均值为46.11×10-8m3·kg-1，耕地低频磁化率Xlf介于(45.6～64.2)×10-8m3·kg-1之间，平均值为54.33×10-8m3·kg-1，可以看出草地低频磁化率小于耕地；草地频率磁化率Xfd(介于5%～8.73%，平均值为7.22%)，耕地频率磁化率Xfd(介于4.64%～8.61%)平均值为6.96%，同样草地频率磁化率亦小于耕地。草地亮度介于43.79～50.01之间，平均值为47.35，耕地亮度介于50.02～55.34之间，平均值为52.37；草地红度介于4.79～6.03之间，平均值为5.25，耕地红度介于5.32～6.10之间，平均值为5.63；草地黄度介于13.26～15.53之间，平均值为14.02；可以看出耕地的亮度、红度、黄度都大于草地。

图2 草地和耕地土壤粒级分布三角图Fig.2 The triangular diagram of soil particle distribution of grassland and farmland

图3 草地和耕地土壤剖面粒径变化Fig.3 The particle size profile variation of grassland and farmland

图4是草地与耕地磁化率和色度沿剖面变化趋势。从图中可以看出草地低频磁化率在整个剖面上小于耕地且变幅较小，耕地低频磁化率剖面上变幅较大，局部上0～20cm段草地和耕地低频磁化率差异性不大，20～60cm段耕地低频磁化率值明显大于草地；两者频率磁化率基本以30cm为界，界上草地频率磁化率大于耕地，界下两者差异性不大。草地和耕地剖面上的色度纵向变化一致表明(见图4)：两者之间亮度和红度波动较黄度大，此外发现亮度和红度及黄度有相反的变化趋势。草地和耕地的亮度以35cm为界，界上草地亮度呈递增趋势，耕地亮度呈递减趋势，界下草地亮度值基本没有太大的变化而耕地则缓慢增加；草地和耕地红度在15cm以上基本不变，而在15cm以下是缓慢减少的趋势，只不过草地减少的趋势较耕地明显；草地和耕地黄度在整个剖面范围内都是缓慢减少的趋势且减幅较小。

表2 草地和耕地土壤低频和频率磁化率变化

图4 草地和耕地土壤剖面磁化率及色度变化Fig.4 The magnetic susceptibility and chroma variation of grassland and farmland profile

3.2 草地和耕地土壤化学性质分析

3.2.1 草地和耕地土壤总碳、全氮分析土壤碳和氮受区域气候、土壤承载体和人类活动等因素共同作用。从表3可以看出草地总碳含量(介于2.27%～5.07%，平均值为3.15%)，耕地总碳含量(介于2.39%～3.45%，平均值为2.82%)，两者总碳含量相差0.33%；草地全氮含量(介于0.11%～0.44%，平均值为0.22%)，耕地全氮含量(介于0.09%～0.23%，平均值为0.15%)，两者全碳含量相差0.06%，可以看出草地总碳和全氮含量都大于耕地。

同时从图5中看出，草地与耕地的总碳和全氮含量都随着土壤深度的增加而减少，并且二者含量明显高于30cm以下土壤而呈现出相同的变化趋势，而总碳和全氮含量以30cm为界且界上草地总碳和全氮含量大于耕地，界下则两者差异性较小，草地总碳和全氮含量最大值出现在0～10cm，耕地总碳和全氮含量最大值出现在10～20cm段。另外C/N值的大小和土壤有机质分解程度以及氮素的矿化程度呈反比关系[18]，从图5中可以看出耕地C/N含量自表层至底部整体上大于草地，说明草地土壤中有机质分解作用、氮素矿化程度都强于耕地，有利于草地中养分提供。

表3草地和耕地土壤总碳、全氮含量变化

Table 3 The total carbon and nitrogen content of grassland and farmland

采样点Sampling site特征值 EigenvalueC/%N/%C/N草地 Grassland最大值 Maximum value5.070.4423.64最小值 Minimum value2.270.1110.55平均值 Average value3.150.2216.66耕地 Farmland最大值 Maximum value 3.450.2327.29最小值 Minimum value2.390.0913.92平均值 Average value2.820.1519.4

图5 草地和耕地土壤剖面总碳、全氮含量变化Fig.5 The total carbon and nitrogen content’s variation of grassland and farmland profile

3.2.2 草地和耕地土壤pH分析作为土壤肥力的重要影响因子之一，土壤酸碱性的大小取决于盐基淋溶和积累的相对强度。从表4中可以看出：草地的pH值介于8.11～8.74之间，平均值为8.42，耕地的pH值介于8.13～8.58之间，平均值为8.38，两者都呈碱性，但整体上草地的pH值大于耕地。两者沿剖面的变幅不大，都呈现出先增后减的趋势，但10～40cm差异性大，草地的pH值明显大于耕地，40cm开始两者变化不大(图6)。

4 讨论

4.1 土地利用模式对土壤性状的影响

环湖区是阻碍西部荒漠化向东扩进的一个天然绿色屏障[3,4]，而环湖区放牧模式与耕作模式是两种最为常见的土地利用方式，那么近些年湖区荒漠化西部日益向东扩张的背景下，哪种土地利用模式更为合理值得细究，但想要客观反映这两种模式的利弊，必须寻求在一定时期内同一母质上发育而成的土壤且两种模式未被扰动过。笔者有幸通过近30年该区遥感影像解译在湖区北部发现了该时间段内未发生变动的两类用地，并对两类土地土壤理化性质进行了分析。以本研究对两类土地物理指标分析来看，两类土地经过长时间人类活动影响，土壤物理性质发生了明显变化。但是，单从上文分析两类土地各理化指标的结果来看，只是看出两者之间各指标的含量大小差异，但要全面反映两者是否存在显著差异，还需进一步检验。卡方检验广泛应用于测量学、天气预报、农业生产中[19]，是一种常用的假设检验方法。基于此，对两类土地各理化指标沿剖面每5cm进行差异性检验，其p-值 (Sig值)<0.005，说明具有显著性水平，即有显著性差异，说明两类土地在不同土地利用方式下土壤性状确实发生了变化。

表4 草地和耕地土壤pH值变化

图6 草地和耕地剖面pH变化Fig.6 The pH value variation of grassland and farmland profile

4.2 草地、耕地土壤物理性质差异性分析

土壤粒度、磁化率、色度作为研究土壤发育程度和土壤环境的代用指标[20-22]，因其测定速度快、反映直观已得到广泛应用，被用来反映全球环境变化和人类活动等综合信息[23]。对两类土地砂粒、粉粒、粘粒、低频磁化率、频率磁化率、亮度、红度和黄度自剖面0cm开始逐层(每5cm)向下进行差异性检验(表5)，由表可知各指标p-值(Sig值)都远小于p-值(0.005)，即草地和耕地各物理性质自表层至底层都存在显著性差异，说明通过近30年人类不同强度的扰动，土壤演替过程发生明显变化。土壤粒级组分产生差异性是由于整个环湖区中该区全年风速最大[24]，加之耕作模式下要进行人为翻耕撂荒，大风不断吹蚀土壤细颗粒组份，土壤细颗粒组分难以固结在表层而被吹蚀，而放牧模式下草地基本未受人为扰动，不受翻耕影响，风蚀影响小且有植被生长加之牲畜粪便提高土壤肥力，土壤细颗粒经土壤发育作用不易流失，所以两类土地粒级组分差异性明显且粘粒、粉粒组分明显多于耕地土壤。

土壤磁化率可以表征土壤中磁性物质种类和含量，土壤低频磁化率一般与粘粒含量、有机质含量呈负相关，而与粉砂含量呈正相关[23]，所以自然成土过程和人类影响因素是土壤磁化率垂直方向上变化的主要因素，其中耕作模式下土壤低频磁化率整体大于放牧模式土壤，这同样和长期翻耕、漫灌等人类活动密切相关。据刚察县地方志[25]记载，该区长年种植油菜籽，人工收割后其根系埋藏于地下，需要人为翻耕清除，在此过程中一方面作物根须携带部分土壤细颗粒而流失，一方面还是由于翻耕撂荒后土壤细颗粒组份被风蚀殆尽，而低频磁化率与土壤粘粒含量呈负相关，所以其低频磁化率大于草地，另外每年播种结束后要进行漫灌，这一过程使土壤中铁、钙等磁性物质自表层向下不断迁移、积累、转化，这同样使耕地低频磁化率高；相对于耕地，草地土壤发育过程中受人类活动的影响和强度远低于耕地，基本上以自然成土作用为主，所以草地低频磁化率沿剖面小于耕地。频率磁化率则反映了磁性矿物的相对含量，可以帮助人们了解土壤中超顺磁性(SP)到稳定单畴(SSD)过程中过渡态颗粒的含量[23]，而且和土壤粘粒含量及有机质含量呈一定的正相关，这就不难解释30cm以上草地频率磁化率大于耕地，而30cm以下两者差异较小的原因：30cm以上草地受人为活动影响小，土壤发育程度好，30cm以下耕地受人类活动影响小而和草地趋同。

土壤色度是土壤最明显的重要特征。一般认为，土壤色度中亮度主要受控于有机质含量和碳酸盐含量，有机质含量越高，土壤亮度越低，碳酸盐含量越高，亮度越高；红度主要受控于赤铁矿含量，赤铁矿含量越高，土壤红度越高；黄度主要受控于针铁矿含量，针铁矿含量越高，土壤黄度越高[26]。放牧模式下35cm以上草地土壤发育程度强，土壤细颗粒含量多，相应的有机质含量就越高，所以35cm以上草地土壤亮度值小于耕地且呈递增趋势，同理耕作模式下耕地土壤35cm以上土壤受翻耕等因素影响，土壤发育较弱，土壤细颗粒流失，所以相应的有机质含量就低，亮度在此范围内就高，35cm以下耕地土壤由于人类活动干扰较35cm以上土壤层小，所以两类土地亮度开始趋同。红度和黄度指标在整个剖面上皆表现为耕地大于草地，而红度和黄度分别与赤铁矿和针铁矿有关，在没有测出赤铁矿和针铁矿的相关实验分析以前，本研究暂不多做解释，需后期进一步研究和分析。

表5 草地和耕地土壤物理指标卡方检验

注：p值：在0.01水平(双侧)上显著相关。Note:pvalue: There has a significant difference atp<0.01(two-tailed).

4.3 草地、耕地土壤化学性质差异性分析

草地和耕地土壤化学性质与物理性质表现出相同的差异性，两类土地总碳、全氮、pH自剖面0cm开始逐层(每5cm)向下进行差异性检验后(表6)，各指标p-值(Sig值)同样等于0，也远小于p-值(0.005)，说明人类活动同样地改变了土壤的化学性质，使两类土地土壤化学性质明显发生变化。

表6 草地和耕地土壤化学指标卡方检验

注：p值：在0.01水平(双侧)上显著相关。

Note:pvalue: There has a significant difference atp<0.01(two-tailed).

5 结论

放牧和耕作模式下，草地和耕地土壤理化性质发生明显变化，不同利用模式下两类土地土壤理化指标差异性明显，且各指标基本以30cm土壤为界，界上各理化指标差异性较大，界下差异性较小，另外通过对两类土地土壤每5cm自表层向下进行各理化指标差异性检验后发现，放牧模式下草地作为“原生土地”在人类不干扰或活动强度较小的情况下土壤演化将趋于同质性，而耕作模式下耕地作为“扰动土地”在人类活动强度大的情况下，土壤粒径将进一步粗化，土壤总碳和全氮含量明显下降，会加剧荒漠化进程，破坏生态平衡。

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