不同土地利用方式下土壤养分特征变化分析

2022-05-12阿丽娅阿力木丛小涵夏晓莹王卫霞

新疆农业科学 2022年4期

阿丽娅·阿力木，丛小涵，夏晓莹，席丽，王卫霞

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】土壤养分在评价土壤质量时起关键作用[1-2]。土地利用是影响土壤肥力最直接的因素[3-4]。土地利用方式改变会通过影响地表植被状况、凋落物及土壤微生物种类、数量等引起土壤养分在土壤系统中的再分配，进而影响土地的生产力和土壤质量[5-6]。研究不同土地利用方式下土壤养分的特征，对选择优化土地利用方式、提高研究区土壤生产力和土地管理水平具有重要意义。【前人研究进展】合理的土地利用方式可以改善土壤结构和质量，提高土壤对外界环境变化的抵抗能力，不合理的土地利用方式则会导致生物多样性降低、土壤养分流失，土壤质量下降[7-9]。当前土地利用方式对土壤养分的影响已有较多研究[5,7,9-13]。胡江铃等[14]研究发现，天然绿洲的土壤有机质、速效钾、有效磷和碱解氮平均含量最高，而荒漠土壤的养分含量则很低。崔东等[15]研究发现，该研究区内园地的速效钾和速效磷含量均高于林地、草地、耕地。王雪梅等[16]研究表明，不同土地利用方式对土壤养分含量之间有显著影响，不合理的土地利用方式可引起土壤质量的变化。高君亮等[17]研究认为，地表植被凋落物及残余量和土壤微生物作用会影响土地利用方式的变化，影响养分在土壤各层次间的再分配。【本研究切入点】近年来，新疆特色林果产业快速发展，农业产业结构进行调整，多数农田及荒地被更替为果园亦或果农间作模式，土地利用方式的变化无疑会对土壤养分产生一定的影响，但目前有关阿克苏地区农业产业结构调整过程中土地利用方式变化对土壤养分影响的研究还相对较少。亟需研究不同土地利用方式下土壤养分特征变化。【拟解决的关键问题】以新疆阿克苏地区小麦地、枣园、枣麦间作园、荒地枣园、撂荒地等5种典型的土地利用方式作为研究对象，运用土壤化学分析方法，测定土壤有机质及氮磷钾等含量。研究阿克苏地区不同土地利用方式对土壤养分特征的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

研究野外调查区位于新疆阿克苏地区的温宿县克孜勒镇。温宿县位于阿克苏地区西北部，塔里木盆地北缘，E 79°28′～81°30′，N 40°52′～42°21′。年均气温10℃，年均降水量65.4 mm，年均无霜期185 d。全县土壤可分为10个土类，69个土种。全县土壤表现为耕地土层深厚，质地适中，有机质含量在1.5%以上的耕地占28.5%，有机质含量在1%～1.5%的耕地占43.5%，有机质含量在1%以下的耕地占28%[18-19]。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

2018年7～8月，采用典型样方法在阿克苏地区温宿县克孜勒镇，设置样方进行野外调查并采集土壤样品。选取种植背景和管理方式及土壤理化性质等基本一致的小麦地、枣园、枣麦间作园、荒地枣园、撂荒地等5种典型的土地利用方式作为研究对象，其中枣园和枣麦间作园均为农田改建后形成的枣园，荒地枣园为开垦荒地后种植的枣园，枣树树龄均为10 a左右，以小麦地和撂荒地作为对照样地。

5种土地利用方式各选择3个作为试验样地的重复，共计15个样地。各样地内采样点的布设参考文献[19]，土壤样品按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm采集，并把同一个试验样地内不同采样点上采集的土壤样品按照相同层次分别混合。采集到的土壤样品带回室内自然风干，研磨后过筛，放入密封塑料袋中待测各养分指标。

1.2.2 土壤养分指标测定

测定土壤养分元素包括土壤有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)等指标。表1

表1 土壤养分指标及各指标测定[20]Table 1 Soil nutrient index and the analysis method

1.3 数据处理

所有数据采用SPSS23.0、Origin2018和Excel 2019进行处理分析，采用单因素方差(One-way ANOVA)分析不同土地利用方式对土壤各养分指标的影响，利用LSD多重比较(α = 0.05)。变异系数>100%为强变异，10%～100%为中等变异，<10%为弱变异。采用Pearson相关分析土壤中各养分指标之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 土壤养分总体特征

研究表明，枣麦间作园和枣园的土壤有机质、全氮和全钾的平均含量显著高于小麦地、荒地枣园和荒地(P<0.05)。而全磷、碱解氮和速效磷平均含量表现为枣麦间作园下显著高于小麦地、荒地枣园和荒地(P<0.05)，枣园显著高于荒地枣园和荒地(P< 0.05)。速效钾平均含量表现在枣麦间作园最高，且仅显著高于荒地枣园和荒地(P< 0.05)。

各土壤养分指标在不同土地利用方式下的变异系数在0.92%～94.00%，均为中等空间变异性，其中速效磷的空间变异性相对最强，全钾的空间变异性相对最弱。土壤全量养分的变异系数均小于速效养分的变异系数。表2

表2 不同土地利用方式下0～100 cm土壤养分描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil fertility of 0-100 cm under different land use types

2.2 不同土地利用方式对土壤养分含量的影响

2.2.1 土壤有机质

研究表明，土壤有机质含量均随土壤深度增加而下降。在0～100 cm土层范围内，农田小麦地土壤有机质含量为2.55～9.90 g/kg，枣园土壤有机质含量为5.23～17.13 g/kg，枣麦间作园土壤有机质含量为5.55～17.75 g/kg。由农田更替为枣园及枣麦间作后，提高了各层土壤有机质含量，其中0～20 cm土层各层土壤有机质均显著提高(P<0.05)，30～40 cm土层仅枣麦间作园显著提高(P<0.05)。在0～100 cm土层，荒地土壤有机质含量为0.40～2.7 g/kg，荒地改建为枣园后的土壤有机质含量为1.30～7.19 g/kg。由荒地改建为枣园后，各层土壤有机质均有提高，其中0～10 cm、20～30 cm土层显著提高(P<0.05)。图1

注：同列数据后不同小写字母表示同一土层不同土地利用方式之间差异显著(P<0.05) ，下同

2.2.2 土壤全量养分

研究表明，土壤全量养分含量总体表现为随着土壤深度的加深而下降。0～10 cm土层土壤全氮含量显著高于10 cm以下土层(P<0.05)。农田改建为枣园或枣园间作后，土壤全氮含量均有所增加，但仅在枣园土壤0～10 cm土层表现为显著增加(P<0.05)。荒地改建为枣园后，各层土壤全氮含量均有显著增加(P<0.05)。

土壤全磷含量在0.30～1.79 g/kg。农田更替为枣麦间作园后显著提高了0～40 cm土层全磷含量(P<0.05)，增幅为25%～79%。荒地更替为枣园后显著提高了各层土壤全磷含量(P<0.05)，增幅为80.4%～96.7%。

全钾的变化趋势较为平缓。农田更替为枣园或枣麦间作园后均增加了土壤全钾含量，但仅在枣麦间作园各层土壤中表现为显著增加(P<0.05)。荒地更替为枣园后提高了各层土壤全钾含量，仅在0～30 cm土层土壤全钾含量有了较大幅度的增加，但并未达到显著差异水平。图2

图2 不同土地利用方式下土壤全量养分含量变化Fig.2 Effects of different land use patterns on soil total nutrient

2.2.3 土壤速效养分

研究表明，土壤碱解氮、速效磷和速效钾等速效养分含量的垂直空间分布变化较土壤全氮、全磷和全钾等全量养分含量的空间分布变化剧烈，均随土层深度的增加而下降，且均表现为枣麦间作园>枣园>小麦>荒地枣园>荒地。

0～100 cm土层土壤碱解氮含量介于29.16～198.04 mg/kg。农田更替为枣园或枣麦间作园后，各层土壤碱解氮含量均有不同程度的增加，但仅在枣麦间作模式下的0～20 cm土层表现为显著增加(P<0.05)，0～10 cm、10～20 cm土层分别增加了71.91和40.84 mg/kg。荒地改建为枣园后，0～100 cm土层土壤碱解氮含量增加了13.76～39.44 mg/kg。

表3 土壤养分含量之间的相关性Table 3 The correlation of soil nutrients

0～60 cm土层土壤速效磷含量随着土层的加深下降幅度较大，60～100 cm土层逐渐趋于平缓。农田改建为枣园或枣麦间作园后，0～100 cm土层土壤速效磷含量呈波动式增加，其中农田改建为枣麦间作园后0～10 cm、20～30 cm、30～40 cm和60～80 cm土层土壤速效磷含量显著增加(P<0.05)。荒地改建为枣园后，仅0～30 cm土层土壤速效磷含量有了较大幅度的增加，但并未达到显著差异水平。

0～100 cm土层土壤速效钾含量介于128.80～ 543.58 mg/kg。农田改建为枣园或枣麦间作园后，土壤速效钾含量除在0～10 cm土层有显著差异外(P<0.05)，其余各层均无显著差异。荒地更替为枣园后，0～100 cm土层土壤速效钾含量均无显著差异。图3

2.3 土壤有机质与土壤各养分元素之间相关性

研究表明，土壤有机质与全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾彼此之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数在0.646 ～0.867。表3

图3 不同土地利用方式下土壤速效养分含量变化Fig.3 Effects of different land use patterns on soil available nutrient

3 讨论

研究显示，各土壤养分元素的空间变异性在不同土地利用方式下均表现为中等空间变异性，其中土壤全量养分的变异系数均小于速效养分的变异系数，与西北干旱荒漠绿洲区不同土地利用方式下的土壤养分特征分析结果较为一致[16]，主要是因为全量养分在土壤中比较稳定，受随机因素影响较小，而速效养分受土地利用方式的影响较大且较易流失[21-22]，速效养分的空间变异性较大。

土壤有机质是养分循环中的一个关键指标，与地表植被覆盖、植被生长情况、凋落物、根系分布及根系分泌物等有关[4,23]。研究区不同土地利用方式对土壤有机质含量有显著影响(P< 0.05)，与施陈银等[24]研究结果类似。当农田更替为枣园或枣麦间作园后及荒地改建为枣园后0～20 cm土层土壤有机质含量显著增加(P< 0.05)，主要是因为枣园和枣麦间作园相对于农田和荒地具有较高的郁闭度，可以减少土壤水分蒸发，导致土壤有机质的分解速率减缓进而促进了土壤有机质的积累[25-26]，另外由于枣园和枣麦间作园比农田和荒地具有较高的生物多样性及地表植被覆盖和丰富的根系分布，可能是枣园和枣麦间作园土壤有机质显著提高的主要原因[27]。

土壤中氮素主要受植被凋落物等影响[28]。研究中土壤全氮和碱解氮含量均表现为在枣园和枣麦间作园土壤中较高，可能主要是因为枣园和枣麦间作园凋落物数量相对农田和荒地较多使得土壤有机质含量增多，土壤有机质含量影响氮素供应水平，而氮素的来源主要靠有机质的矿化[29]。相关分析也表明，土壤有机质与全氮、碱解氮存在极显著正相关性，残留的有机质含量较多使得土壤中氮素含量也随之增加。

土地利用方式改变直接影响土壤养分物质的运输，进而使土壤养分含量发生变化[23]。研究发现，土壤全磷、全钾、速效磷、速效钾含量均表现为枣麦间作园>枣园>小麦地>荒地枣园>荒地，主要是因为土壤中磷元素含量的变化通常受土壤母质、成土作用及耕作施肥等人为干扰活动影响[17]。土壤钾元素含量受土壤类型、母质风化程度和土壤质地等因素影响，作物对钾的需求量也较大[4]。由于果树强大的根系会释放大量分泌物，使之牢固粘附土壤颗粒，有利于形成有机碳，影响土壤的理化性质和微生物含量，间接影响了土壤养分含量。农田易受人为干扰活动(翻耕、松土)的影响加速了土壤有机质的矿化作用，导致养分元素无法在土壤中大量积累[30]，加之农户对作物的收割也会导致土壤养分的大量损失[31]。

不同土地利用方式下，土壤各养分元素在垂直土壤剖面上的变化表现为土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量的垂直空间分布变化较土壤全氮、全磷和全钾含量的空间分布变化剧烈，均随土层深度的增加而下降，且0～20 cm土壤各养分含量均大于20 cm以下土壤，与许多学者对土壤养分特征研究的结果较为一致，土壤养分具有表聚性[32-35]。土壤养分在垂直空间分布上的变化主要是由于土地利用方式的改变影响地表植被凋落物及根系的分布，影响很多生态过程如影响土壤微生物的数量和质量，引起土壤养分在各土壤层次间的再分配[17]。