土地利用变化与土壤性质关系的研究进展

土地利用变化与土壤性质关系的研究进展

土地使用和土壤覆盖物（luc）的变化是全球环境变化的重要组成部分和主要原因。近年来，随着全球环境的恶化，土地利用和屋顶（luc）的变化引起了国际各国的广泛关注，成为现代研究的中心主题之一。土壤作为陆地生态系统最大的碳库,在土地利用变化的研究中占有十分重要的位置,大量研究表明,土地利用变化可以引起陆地生态以及生物地球化学循环过程的变化,导致土壤性质变化和土地生产力改变,进而影响土壤质量和土壤环境变迁。土壤性质是一系列土壤水分、物理和化学性质等的综合反映,体现了土壤环境的基本状况,是土壤质量变化最基本的表征和核心研究内容。国内外在研究土地利用变化对土壤性质的影响开展较早,且中国的研究主要集中在集约农业区、干旱区、低山丘陵区和自然保护区。中国亚热带地区地处21°30′N～34°N之间,在纬度上多处于副热带范围内,但自然景观却与同纬度的中亚、西亚和北非等著名的干旱沙漠地带截然不同,这里是东亚季风盛行的地区,具有冬冷夏热、四季分明、水热同季、湿润多雨的特点,从而造就了这里成为生态系统复杂、生物多样性丰富、生物生产力很高的特殊区域,是世界上常绿阔叶林植被和红壤、黄壤等强淋溶土类分布最广泛的地区。该区山高坡陡,土壤抗蚀性能差、降雨量大且集中,但随着人口不断增多和人们对经济利益的过分追求,大面积天然林经皆伐、炼山和整地后改为人工林、次生林、经济林、橘园和坡耕地,群落结构简单与树种单一,且幼林郁闭前水土肥流失较为严重,生态环境遭到严重破坏。人类活动已使本区域的土地利用方式发生了巨大变化。本研究通过对中亚热带山区(福建建瓯市)本底条件基本一致的天然林、人工林、次生林、农业用地(橘园和坡耕地)7种典型土地利用方式的土壤性质的对比研究,探讨亚热带山区土地利用变化对土壤性质的影响,为亚热带山区土地资源的合理利用、生态恢复和重建提供科学依据。1试验地与天然林研究地点位于福建省建瓯市闽北水土保持科教园区(118°23′E、27°04′N)和福建省万木林自然保护区(118°09′E、27°03′N),地处武夷山脉东南部,鹫峰山脉西北部;属于中亚热带季风性气候,海拔390～430m,研究区为典型的东南低山丘陵地貌,中亚热带季风气候,年均气温18.7℃,1月平均气温8℃,7月平均气温28.5℃,极端最低气温为-7.3℃,极端最高气温为41.4℃,年均降水量为1670mm,3～6月多年平均降雨量约占年降雨量的60%,年均蒸发量1466mm,全年无霜期达277d。试验地土壤均为山地红壤,一般包括腐殖质层(Ah)、铁铝层(Bs)和母质(C),良好植被覆盖的剖面上还有2～3cm厚枯枝落叶层(O)。天然林历时600a自然演替而成,建群种为细柄阿丁枫(Altingiagracilipes),乔木分层明显,灌木层不明显,草本稀少。人工林、次生林、橘园前身均为次生杂木林,1986年砍伐后造林,其中用材林为木荷(Schimasuperba)人工林和杉木(Cunninghamialanceolata)人工林;林下灌木稀疏,草本覆盖度较高;经济林树种为锥栗(Castaneahenryi),每年依季节劈草和翻耕;次生林于1986年开始封山育林,乔木幼树、灌木和草本密布。橘园果树品种为柑橘(Citrusaurantium),定期施肥,以施化肥为主,有机肥为辅,管理病虫害时适当喷洒农药,旱季灌溉,每年对园面除草翻耕2～3次,梯壁劈草处理,坡耕地于2000年由橘园转变而成,垄作,每年种一季红薯,种前施用草木灰,定期施肥、灌溉、除草。除细柄阿丁枫天然林位于万木林自然保护区外,其余土地利用方式均位于闽北水土保持科教园同一小流域。2材料和方法2.1样品的采集和测定在每种土地利用方式内设3块长期固定标准地。采用环刀法测定土壤容重,每个标准地重复5个,取其平均数作为每个标准地的容重值。同时,在每个标准地内,采用不锈钢取土钻(内径5cm)按照“S”形布设8个土壤取样点,按照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则对0～20cm土壤进行采样,并混合成1个土壤样品。取样时间在10月份(坡耕地等农用地中作物未收割时)。同时为避免施肥的影响,养分含量测定需要的土壤样品统一在作物收获后(12月份),同时农用地(经济林、橘园和坡耕地)采样地点避免田边、路边、沟边和特殊地形的部位以及堆过肥料的地方。采取土壤样品带回室内,拣去石砾、植物根系和动植物残体如根、茎、叶、虫体,在室内通风处风干,过2mm土壤筛密闭储藏备用,同时采用四分法分取部分样品过1mm土壤筛(用于测定pH);分取50g左右样品过100目筛(用于测定有机质、全氮、全磷、全钾)。土壤有机碳用重铬酸钾外加热法测定;全氮用全自动凯氏定氮法测定;全磷用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定;全钾用氢氧化钠熔融―火焰光度计法;pH值用电位方法测定。2.2对结果的分析利用Excel2003与SPSS13.0统计软件对结果进行分析,采用单因素方差分析方法(ANOVA)比较不同土地利用类型间土壤性质的差异。3结果与分析3.1提高土壤质量天然林砍伐及随后的耕种以及一些不合理的过度利用破坏了土壤原有结构,使土壤易于侵蚀,土壤质量明显增加。次生常绿阔叶林、木荷人工林和杉木人工林土壤容重相近,但明显高于天然林(p<0.001)(图1);农业用地(橘园和坡耕地)由于受到剧烈的人为活动扰动,土壤容重也明显高于天然林(p<0.001),尤其是坡耕地,其土壤容重较天然林增加了36.2%。3.2不同林分质量不高,土壤有机质比降低中亚热带山区天然林转化为人工林、次生林和农业用地后导致土壤有机质、全氮的大量损失(图1)。木荷人工林、杉木人工林、经济林和次生林土壤有机质分别较天然林降低了52.2%,55.3%,60.2%和57.7%,而全氮的含量则分别下降了108.6%,79.8%,78.0%和65.7%;农业用地由于人为活动扰动更为强烈,损失更为严重,坡耕地、橘园土壤有机质、全氮分别较天然林降低了81.5%,65.3%和172.6%,58.0%。3.3不同林分土壤全磷量土地利用变化对土壤全磷、全钾的影响的规律较为不明显。中亚热带山区天然林转化为人工林后土壤全磷量增加,而全钾量降低(图1)。木荷人工林土壤全磷量(0.6g/kg)显著大于天然林土壤全磷量(0.4g/kg)(p<0.001),杉木人工林土壤全磷量(0.4g/kg),也大于天然林,但差异不显著(p<0.05);木荷人工林和杉木人工林土壤全钾含量较天然林有所降低,但差异不明显(p>0.05);天然林转化为次生林后,土壤全磷量显著下降,而全钾量明显增加(p<0.001)(图1);经济林由于磷钾含量较高的子实归还土壤使得土壤磷钾含量都增加。天然林转化为农业用地后土壤全磷、全钾的变化比较复杂,坡耕地由于水土流失严重导致土壤磷钾含量都降低,橘园全磷量增加,全钾量却降低(图1)。3.4现增大的趋势中亚热带山区天然林转化成人工林、次生林和农业用地后土壤pH均呈现增大的趋势(图1)。杉木人工林、木荷人工林和次生林的pH值相近,分别为4.3、4.4和4.3,而经济林略高,为4.6。而农业用地pH值高于天然林,橘园和坡耕地的pH值分别为4.5和4.6。4讨论4.1不同类型植被对土壤有机质、氮素和养分元素的影响一般认为,耕地、森林、草地的土壤容重大多在0.8～1.6g/cm3之间。不同的区域研究结果表明天然林的土壤容重明显低于人工林的容重,郭旭东等研究发现森林砍伐及随后的耕种增加了土壤容重。同林地相比,草地、当年开垦的农地、板栗以及耕种3a的农地容重值分别升高了13.3、14.2、27.5和39.7%。而土壤紧实度增加,孔隙度下降,导致植物根系的伸展能力下降,土壤持水能力减弱和气体交换能力衰退。利用方式不同,地表覆盖及人为干扰的程度也不同,直接影响土壤养分物质的输入和输出,进而深刻影响土壤的养分含量。自然条件下,土壤有机质是土壤氮素的主要来源,天然林转化成次生林、人工林后,引起土壤有机质和氮素水平的显著降低。天然林地表枯枝落叶层现存量远大于次生林等其他土地利用方式,且每年还有大量的凋落物归还土壤,有利于土壤腐殖质的积累,而人工林和次生林在转化过程中由于砍伐、火烧等剧烈的人类干扰措施导致了有机质的大量损失,而且人工林的细根分解速率要小于天然林,加速土壤有机质和养分元素的流失。天然林转化为农业用地(农田、橘园)后由于人为活动的干扰不但减少了表层有机质的输入量,而且降低了地表植物的覆盖度,使土壤暴露在大气中,加上耕作带来的土壤团聚体结构的破坏,使土壤有机质分解速度加快,降低了土壤有机质的含量。而森林被砍伐后,光照增强,温度升高,加速了土壤氮素的矿化速率,大量的养分元素转化为无机形态,硝态氮库含量增加,在缺乏植物吸收,地表径流增强的情况下,硝态氮不但通过地表冲刷流失,也通过反硝化、挥发和渗漏等方式损失,因此大大减小了土壤氮素的养分库储量。4.2土地利用变化土壤pH值是土壤性质的重要指标之一,它不仅影响土壤微生物的生长,而且影响土壤肥料养分的转化和有效性。土壤pH值在天然林及其次生林中要低于农田与人工林,这是因为天然林土壤表层聚集大量的枯枝落叶,分解过程中向表层土壤释放出大量的有机酸,从而明显地降低表层土壤的pH值,此外,天然林中土壤腐殖质含量较高,腐殖酸等也能使土壤pH值有较大程度的降低。同时微环境下的水分温度等的差别,使得在天然林与次生林内土壤次生母质的风化作用强烈,产生大量的铝离子,强烈的基本粒子的淋溶等引起土壤酸化。土壤磷素主要来源于土壤矿物,人工林土壤由于受到人为干扰较多,土壤团聚体结构受到破坏,增加了土壤和岩石磷的释放,有利于磷素的积累。与人工林不同的是,天然林在转化为次生林后土壤磷的含量显著降低,次生林里面含有大量的灌木和杂草,根系也比较浅,主要吸收表层土壤中的磷。天然林转化为人工林后,土壤全钾含量有所降低,但是二者差异不显著;次生林土壤钾的含量明显高于天然林土壤钾的含量(48.58%),土壤钾素的释放被灌木和杂草的根系固定在土壤中,且林下植被快速的养分归还能迅速补充土壤钾素。土壤温度、水分条件以及其它非生物因子的改变,引起土壤微生物、土壤动物种类组成和结构的变化,从而影响着土壤有机质、氮、磷和钾等主要养分元素的周转,中国不同纬度带间土地利用变化研究结果表明,天然林转变为人工林以后,土壤表层(0～20cm)主要养分性质的变化幅度在20～25°N间最大,SOM的平均下降幅度将近50%,而全N达到30%,土壤容重增加了43%,全P、K降低幅度均超过了10%,但pH值的变化较小(表2);高纬度地区35～40°N间变化次之,SOM和全N分别下降了40%和28%,但其它性质变化不明显。而转变为农用地后,SOM与全N的变化除在25～30°N间较小外,在35～40°N间下降幅度最大,分别达到67%和59%;其次为20～25°N间,分别达到43%和29%;全P的变化幅度10～30°N间变化大致相同,均超过20%,全K含量除在25～30°N间呈增加趋势(18%)以外,其它纬度带呈减少趋势,35～40°N之间降低幅度最大,达到43%,其次为20～25°N间(12%),耕作明显增加土壤容重,增加幅度在7%～63%间,但pH值的变化不显著。总体上,土地利用变化后对土壤性质的影响在20～25°N间影响较大,这与本研究结果相似,可能的主要原因是本区山地多、坡度陡,而且降雨量大,雨热同季,在加剧土壤有机质分解的同时,再加上水土流失也比较严重,使表层比较疏松肥沃的土壤及部分凋落物随降雨流失,大大降低了表层土壤中有机碳和全氮的含量。因而,天然林转化为次生林、人工林、