张 宏 ，刘建军

（1.西北农林科技大学 a.林学院；b.风景园林艺术学院，陕西 杨凌 712100；2.宁夏贺兰山森林生态系统国家定位观测研究站，宁夏 银川 750000）

黄土沟壑区不同土地利用方式下土壤养分及其与土壤颗粒组成关系

张 宏1a，2，刘建军1b，2

（1.西北农林科技大学 a.林学院；b.风景园林艺术学院，陕西 杨凌 712100；2.宁夏贺兰山森林生态系统国家定位观测研究站，宁夏 银川 750000）

对黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用方式下土壤表层及剖面养分的分布特征及其与颗粒含量之间的关系进行了研究，结果表明：（1）乔木林地表层土壤具有较高的氮素、有机质及全钾（与灌木林地、草地、农田均达到了极显著差异）；农田表层土壤具有较高的磷素及速效钾；乔木林地、灌木林地、草地及农田土壤有机质均随土壤深度的增加呈几何级数下降；土壤氮素在不同土地利用方式中的变化情况与有机质一致；农田磷素含量高于其它3种土地利用方式；不同土地利用方式下土壤钾素含量差异不显著，乔木林地土壤全钾含量略高，农田土壤的速效钾含量高于其它3种土地利用方式。（2）通过对土壤不同粒级与土壤养分的相关性分析，土壤各粒级（粉粒除外）与土壤养分之间具有显著相关作用；其中土壤的碳、氮和钾含量均与粘粒含量呈正相关，与砂砾含量呈负相关，磷含量则相反。

土地利用方式；土壤养分；分布特征；土壤颗粒组成

黄土高原是我国乃至世界水土流失最为严重的区域，由水土流失带来的土地退化问题一直是困扰黄土高原社会经济可持续发展的重要问题之一[1]。在水土流失严重的黄土高原丘陵沟壑区，土壤养分既是植被生长、植被恢复[2]以及土壤侵蚀过程[3]的主要影响因子，也是土壤肥力的重要标志。土壤养分的退化是限制黄土高原植被恢复的主要因素，土壤养分对黄土高原生态恢复和改善起着极其重要的支撑作用[4]。土地利用是人类利用土地各种活动的综合反映，不同的土地利用方式以及不同的管理措施将直接影响到土壤养分，必然导致土壤性质的变化以及土地生产力的改变[5]。合理的土地利用方式可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力，不合理的土地利用方式会导致土壤肥力下降[6]，增强土壤侵蚀，降低生物多样性[7]。同时，已有研究表明，土壤颗粒组成的不同是造成土壤养分差异的最主要的内在原因[8]。因此，研究该区不同土地利用方式下土壤养分的分布特征及其与土壤颗粒组成之间的关系，对于黄土高原丘陵沟壑区的合理施肥、减少养分流失量，提高土地生产力和农业的可持续发展具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于陕西省关中西陲千阳县南部 冉 家 沟 流 域（34°34′～ 34°36′N，107°06′～107°22′E，海拔 800～ 1 430.5 m）。该区年平均气温11.8 ℃，最热月（7月）平均气温为24.5 ℃，最冷月（1月）平均气温为-1.6 ℃，大于10 ℃年积温3 320 ℃，无霜期167 d，年日照时数2 100～2 200 h。年平均降水量627.4 mm，主要集中在6～8月。该区属渭北黄土高原丘陵沟壑区，地形复杂多样，地势从西南向东北千河谷底倾斜，地貌明显分为丘陵、山台、川三部分。

该区植被属暖温带落叶阔叶林，乔木树种主要以刺槐Robinia pseudoacacia、侧柏Platycladus orientalis、 油 松Pinus tabuliformis、 毛 白 杨Populus tomentosa为主；主要为人工林。少量侧柏和毛白杨为天然次生林。地被植物主要有荆条Vitex negundovar.heterophylla（天然灌丛）、龙牙草Agrimonia pilosa、白羊草Bothriochloa ischaemum、铁杆蒿Artemisia gmelinii、长芒草Stipa bungeana、紫花地丁Viola phitippica等。

采样地设置在冉家沟流域中部。该流域中下游以黄性土为主，兼有少量白墡土，流域源头主要为红土，兼有少量粗骨土分布，土层浅薄，石砾含量高，土壤肥力较低，保土蓄水功能差。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集与处理

2012年7月中旬在千阳县冉家沟流域依据相同的地形部位和不同土地利用现状（乔木林、灌木林、草地、农田）布设样地（样地基本情况见表1）。每块样地（20 m×20 m）随机设置面积1 m×1 m的样方3个，除去地块表层的覆盖物（地表凋落物及半腐殖质层）后做100 cm深土壤剖面，每20 cm为一层分五层取样，每层采集土壤样品量不低于1 000 g。将样品带回实验室，放置试验台上，使其自然风干，称量土样质量，挑出土样中石粒、枯枝落叶及植物根系，称其质量；将捡过杂质的土壤碾细，用400目筛过筛，土样备用。

表1 样地概况Table 1 Outlines of the plots

1.2.2 样品分析

分析项目包括土壤颗粒组成（粘粒、粉粒、砂砾）以及N、P、K全量、有机质、速效氮、速效磷和速效钾。具体分析方法是：颗粒组成采用美国S3500型激光粒度仪测定[9]；土壤养分测定采用常规分析方法[10]。全氮，凯氏法消解、全自动凯氏定氮仪测定；全磷，H2SO4-HClO4消解、钼锑抗比色法；全钾，NaOH熔融、火焰光度法；有机质，重铬酸钾容量法；速效氮，1.0 mol/L KCL浸提、AA3连续流动分析法；速效磷，0.5 mol/L NaHCO3浸提、硫酸钼锑抗比色法；速效钾，1.0 mol/L NH4OAc浸提、火焰光度法。

1.2.3 数据处理

采用Excel 2003进行原始数据的统计分析；Origin 9.0进行土壤养分与不同粒级颗粒含量之间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤养分分析

2.1.1 土地利用方式与表层土壤养分关系

在乔木、灌木、草地和农田4种不同土地利用方式下，土壤表层养分之间的差异极其显著（见表2～5）。土壤表层（0～20 cm）有机质在几种土地利用类型之间的比较是：乔木林＞灌木林＞草地＞农田。由表2可知，乔木林地中有机质含量（12.137 g/kg）位居第一，与灌木林、草地以及农田均达到极显著差异；灌木林有机质含量高略高于草地，但没有达到显著差异；农田由于连年耕作，有机质含量消耗严重，且得不到及时的补充，与灌木地和草地均达到了极显著差异。这正是体现了林地所受到的人为干扰较小，对自然因子抵御能力强的独特优势。全氮、全钾及速效氮在土壤表层（0～20 cm）的分布情况基本与有机质相似，均表现为；乔木林＞灌木林＞草地＞农田，全氮在四种土地利用方式中都达到了极显著差异；乔木林的速效氮含量显著高于灌木林、草地以及农田，速效氮在灌木林及非林地中却未达到显著差异。这说明虽然有机质、全氮、速效氮呈现很好的相关性，但是往往C/N才是反应土壤熟化程度的重要指标。土壤表层全磷、速效磷和速效钾在林地、灌木地、草地中均未达到显著差异，农田由于施肥的原因，土壤表层全磷、速效磷及速效钾与林地、灌木地及草地达到极显著差异。

2.1.2 不同土地利用方式下土壤有机质变化

由表2可知，土地利用方式对土壤有机质含量有明显的影响。乔木林、灌木林、草地、农田4种利用方式的土壤有机质含量分别为1.82～12.14 g/kg、2.79～ 10.34 g/kg、1.20～ 9.11 g/kg、1.40～ 6.81 g/kg，平均为 5.46 g/kg、5.13 g/kg、3.77 g/kg、3.62 g/kg，总体表明有机质含量为乔木林＞灌木林＞草地＞农田。不同土地利用方式下土壤有机质含量在0～100 cm土层均下降，因为土壤随着表层到底层的深度变化，土壤团粒结构发生明显的分层，表层的团粒结构松散，可以有效的吸附一些离子、微粒。而土层越深，团粒结构越是紧密，使得每个团粒之间更加紧密，不宜吸附。在0～60 cm土层内，4种土地利用方式，都下降较快，以乔木林地养分下降幅度最大；60 cm土层下，土壤有机质也下降，但下降趋势明显变缓。乔、灌木林地的土壤有机碳随着土壤厚度的增加下降速率较农田和草地快，主要是因为林地陡峭，且土壤石粒含量高，比平缓的黄土地淋溶性强，导致土壤中养分下降速率快。

表2 不同土地利用方式下土壤有机质分数测定Table 2 Quality score of organic matter in different land use types g/kg

2.1.3 不同土地利用方式下土壤氮素变化

由表3可知，乔木林、灌木林、草地、农田土壤全氮含量和速效氮含量分别为0.39～1.09 g/kg、0.34～ 0.78 g/kg、0.33～ 0.65 g/kg、0.33～ 0.49 g/kg和22.46～62.96 mg/kg、18.67～45.47 mg/kg、18.14～ 42.62 mg/kg、18.91～ 39.77 mg/kg， 全氮总体平均值为0.62 g/kg、0.48 g/kg、0.42 g/kg、0.38 g/kg，速效氮总体平均值为35.79 mg/kg、27.78 mg/kg、24.84 mg/kg、24.37 mg/kg，即土壤氮（全氮、速效氮）含量为乔木林＞灌木林＞草地＞农田。由此可以看出，乔木林、灌木林、草地、农田4种土地利用方式下土壤氮素含量在0～100 cm的分布情况与有机质相似，均呈现逐步降低的趋势。

2.1.4 不同土地利用方式下土壤磷素变化

表3 不同土地利用方式下土壤氮素含量测定表Table 3 Quality score of nitrogen in different land use types

由表4可知，乔木林、灌木林、草地、农田土壤全磷含量和速效磷含量分别为0.60～0.63 g/kg、0.56～0.61 g/kg、0.57～0.63 g/kg、0.70～0.74 g/kg和3.87～6.94 mg/kg、3.70～6.80 mg/kg、2.28～5.19 mg/kg、5.71～8.96 mg/kg，且全磷总体平均值为0.61、0.59、0.59、0.72 g/kg，速效磷总体平均值为5.51、5.35、3.73、7.23 mg/kg，即土壤全磷含量为乔木林≈灌木林≈草地＜农田，速效磷含量为草地＜乔木林≈灌木林＜农田。农田土壤因人为耕作及施用磷肥的影响，土壤全磷含量高于乔木林、灌木林、草地3种利用方式。因此，土地利用方式对土壤全磷含量无明显影响。草地的速效磷含量较低；乔木林和灌木林速效磷含量差异不显著；农田由于连年施用大量磷肥，其速效磷含量高于乔木林、灌木林、草地3种土地利用方式。

表4 不同土地利用方式下土壤磷含量测定表Table 4 Quality score of phosphorus in different land use types

2.1.5 不同土地利用方式下土壤钾素变化

由表5可知，乔木林、灌木林、草地、农田土壤全钾含量和速效钾含量分别为21.66～22.19 g/kg、20.03～ 20.14 g/kg、19.34～ 19.42 g/kg、19.19～19.41 mg/kg和111.00～161.98 mg/kg、97.58～ 130.27 mg/kg、109.17～ 142.31 mg/kg、112.95～202.26 mg/kg，且全钾总体平均值为21.87 g/kg、20.11 g/kg、19.38 g/kg、19.34 g/kg，速效钾总体平均值为124.58 mg/kg、106.44 mg/kg、117.63 mg/kg、134.77 mg/kg，土壤全钾含量表现为乔木林＞灌木林＞草地≈农田，速效钾含量表现为农田＞乔木林＞草地＞灌木林。乔木林、灌木林、草地及农田4种土地利用方式下土壤全钾在整个剖面的变幅不大。土壤速效钾垂直空间分布规律为表层（0～20 cm）土壤中速效钾含量显著高于其它各层，速效钾在除表层（0～20 cm）以外的其它各层含量的变化幅度不大。主要因为速效钾可以通过植物循环向上运移，从而使表土中相对含有更高的速效钾。

表5 不同土地利用方式下土壤钾质量分数测定表Table 5 Quality score of potassium in different land use types

2.2 土壤颗粒组成与土壤养分之间的关系

对黄土高原丘陵沟壑区土壤养分与不同粒级土粒含量之间的相关性进行分析，结果表明除了粉粒与土壤养分含量的相关系数很小（＜0.200），没有通过显著性检验外，其余的土壤各粒级与土壤养分之间的相关系数都通过了显著性检验（表6所示），这说明土壤质地和土壤养分之间确实有着密切的联系。通过表7我们可以发现，除了磷素以外的其它土壤养分都与土壤中粘粒含量呈正相关，与砂砾含量呈负相关，与粉粒含量无显著相关性。由此可见，该区土壤中的养分主要贮存于粘粒中。

表6 土壤养分与不同粒级颗粒含量之间的相关系数†Table 6 Relationship between soil nutrients and soil granule content

3 结论与讨论

3.1 讨 论

近年来，有关土地利用方式与变化对土壤性质和肥力的影响研究逐渐增多。不同的土地利用方式对土壤养分有显著的影响。本研究中，乔木林、灌木林、草地和农田4种土地利用方式下土壤有机质含量在0～100 cm土层均下降，并且表层有机质含量远远高于其它各层。这与Arrouays[11]等在垂直分布上有机质含量与土层深度密切相关，随深度增加呈下降趋势的研究结果一致。有机质在土壤层中呈现出这种垂直空间分布规律是由有机质的差异和土壤的结构组成共同作用引起的，有机质的含量主要取决于有机物的输入量和输出量[12]，洪瑜[13]等认为有机质主要来源于植物、动物、微生物残体和根系分泌物，并处于不断分解与形成的动态过程中，Jiang[14]的研究表明在自然生态系统中，土表枯枝落叶和细根的周转是有机质输入的主要途径，由于表土中有机质输入量大，土壤有机质含量一般随剖面深度的增加而降低，彭佩钦[15]等研究也表明表层有机质含量高于下层。在4种土地利用方式中，林地土壤有机质含量高最高，这是因为在乔木覆盖下土壤枯枝落叶等凋落物含量高，而且在根系分泌物的分解过程中会释放养分到土壤中[16]，故林地土壤中有机质含量高；农田有机质含量最低，该地区农田主要种植小麦等粮食作物，随着耕作年限的增加及作物产量的提高，土壤有机质消耗较大，虽然每年都有肥料的施入，但由于频繁耕作活动加速了土壤的矿化作用，因而相对来说有机质含量最低。土壤氮含量垂直空间分布与有机质相似，这与方晰[17]的研究结果一致。因为土壤中的氮素99%以上来源于有机质，以腐殖质的形式存在。因此，土壤中有机质含量增加，可以间接增加土壤氮素含量。土壤表层为土壤、植被、大气间物质能量交换的界面，生物小循环过程旺盛；植物残体及凋落物也集中在表层，有机质的积累和分解使得表层全氮含量远高处底层[18]。熊汉锋[12]的研究也表明，土壤全氮在土壤剖面中垂直变化的趋势是从上到下逐渐降低，与有机质的变化相同。土壤磷含量的高低，受土壤母质、成土作用和耕作施肥的影响很大。研究区土壤均发育于黄土性母质的石灰性土，成土作用基本相同，农田由于施用P肥的原因，土壤表层磷素与林地、灌木地及草地达到极显著差异。但是，即使没有任何化肥和农药的使用，全磷含量也不会随着耕种而降低。已有报道，一些森林土壤的全磷含量要普遍小于农业用地的土壤全磷含量[19]。不同土地利用方式下土壤全钾含量差异不显著，林地全钾含量稍高于其它土地利用方式。因为林草覆盖下，土壤表层湿度大，加速了土壤表层凋落物的分解，促进养分的释放，从而增加了全钾的含量[16]。

土壤颗粒组成对持水性和保肥能力有明显的影响，土壤颗粒组成的不同是造成土壤养分差异的主要内在原因之一[8]。土壤颗粒组成与土壤养分含量密切相关[20]，土壤有机质、氮和钾含量均随粘粒含量增加而增加，说明该区域土壤养分受土壤质地的影响较大，这与以往的研究结果一致[21-22]。对于土壤磷与粘粒含量的关系，姚军[23]等认为土壤速效磷含量是轻壤土明显高于砂壤土、中壤土、重壤土和粘土，随粘粒含量的提高，速效磷含量降低，这与本研究结果一致。但也有研究表明，速效磷含量主要受细粘粒的影响，随其含量的增加而增加[24]。分析造成该区土壤养分与不同颗粒含量之间这种相关性关系的可能原因有以下几点:一方面是不同土地利用方式下土壤颗粒组成差异大，即使同种土地利用方式，土壤颗粒组成也会存在差异；另一方面该区是水土流失严重的区域，水土流失导致水分径流量增加，渗透减少，储水能力下降，有机质和养分含量减少，土壤层变薄，有研究表明，氮、磷、有机质的流失量与土壤侵蚀量有较好的线性关系，达到极显著正相关[25]。

3.2 结 论

（1）乔木林地表层土壤具有较高的氮素、有机质及全钾（与灌木林地、草地、农田均达到了极显著差异）；受施肥状况的影响，农田表层土壤具有较高的磷素及速效钾；乔木林地、灌木林地、草地及农田土壤有机质均随土壤深度的增加呈几何级数下降；土壤氮素在不同土地利用方式中的变化情况与有机质一致；农田磷素含量高于其它3种土地利用方式；不同土地利用方式下土壤钾素含量差异不显著，乔木林地土壤全钾含量略高，农田土壤的速效钾含量高于其它3种土地利用方式。

（2）通过对土壤不同粒级与土壤养分的相关性分析，土壤各粒级（粉粒除外）与土壤养分之间具有显著相关作用；其中土壤的碳、氮和钾含量均与粘粒含量呈正相关，与砂砾含量呈负相关，磷含量则相反。

（3）建议在黄土沟壑区重点发展林木业，用养结合，以利于该区域农业的可持续性发展。

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Distribution of soil nutrient under different land use and relationship between soil nutrient and soil granule composition in Loess hilly region

ZHANGH Hong1,3, LIU Jian-jun2,3
(1a. College of Forestry,b.College of Landscape Architecture and Arts, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shanxi, China;2. Helan Mountains Forest Ecosystem Research Station of Ningxia, Yinchuan 750000, Ningxia, China)

Distribution of soil nutrient content and relationship between soil nutrient and soil granule composition in Loess hilly region.The results were as follows: (1) For N, organic matter or total K, the contents of woodland were the higher, which had the signi fi cant difference from other land use types (at 95% level); for P and available K, the farmland were the higher; the pro fi le organic matter of all land use types with geometric series as the depth of soil increased; the N had same variation with the organic matter in different land use types; the P of farmland was higher than other 3 land use types; the K was not signi fi cant difference in different land use types, the woodland had the higher total K, farmland had the higher available K than other 3 land use types. (2) The correlation analysis to different particle and soil nutrient showed that different particle had the signi fi cance correlation with soil nutrient (exit silt particle); the organic matter, N or K were positively correlated with clay particle, were negatively correlated with sand particle, the P was opposite.

land use types; soil nutrient; distribution feature; soil granule composition

S714.8

A

1673-923X(2016)11-0080-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.014

2016-02-23

国家科技支撑计划课题“困难立地植被恢复技术研究与示范”（2015BAD07B02）

张 宏，硕士研究生 通讯作者：刘建军，教授；E-mail：ljj@nwsuaf.edu.cn

张 宏，刘建军.黄土沟壑区不同土地利用方式下土壤养分及其与土壤颗粒组成关系[J].中南林业科技大学学报，2016,36(11): 80-85.

[本文编校：吴 毅]