全 文 ：黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量
指标变异性的影响*
许明祥1,2**摇 刘国彬1,2 摇 赵允格1,2
( 1 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 2 中国科学院水利
部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 利用统计学方法分析了黄土丘陵区中部 700 km2 区域土壤质量的变异性、影响因子
及影响程度.结果表明:研究区不同土壤质量指标变异性有很大差异.土壤 pH、结构系数、粉
粒、比重、容重、总孔隙度和毛管孔隙度及过氧化氢酶为弱变异性指标;土壤养分(N、P、K)含
量、CaCO3 含量、阳离子交换量(CEC)、粘粒、微团聚体平均质量直径(MICMMD)、团聚体平均
质量直径(MMD)、水稳性团聚体、呼吸强度、微生物熵、蔗糖酶、磷酸酶、呼吸熵及微生物生物
量碳和氮为中等变异性指标;土壤活性有机碳、有效磷、抗冲性、渗透系数及脲酶为强变异性
指标.土地利用类型变化对土壤有机质、氮含量、水稳性团聚体、渗透性、微生物生物量碳和
氮、磷酸酶、蔗糖酶及呼吸强度等土壤动态质量指标的变异性起主导作用. 变异性较小的
CaCO3、全磷、全钾、CEC、质地、比重等内在土壤质量指标的变异性主要来源于地形等环境因
子的差异.土地利用类型可解释 97%的土壤质量指数的变异性,是黄土丘陵区土壤质量变异
的主导因子.在黄土丘陵区土壤质量评价中,应当充分考虑土地利用类型和地形等环境因子
的差异.
关键词摇 土壤质量摇 变异性摇 土地利用摇 环境因子摇 黄土丘陵区
*国家重点基础研究发展计划项目(2007CB407205)、中国科学院知识创新重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄443)和中国科学院“西部之光冶人才培
养计划项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: xumx@ nwsuaf. edu. cn
2010鄄07鄄19 收稿,2010鄄11鄄15 接受.
文章编号摇 1001-9332(2011)02-0409-09摇 中图分类号摇 S158摇 文献标识码摇 A
Effects of land use and environmental factors on the variability of soil quality indicators in
hilly Loess Plateau region of China. XU Ming鄄xiang1,2, LIU Guo鄄bin1,2, ZHAO Yun鄄ge1,2
( 1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil
and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2 Institute
of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,
Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(2): 409-417.
Abstract: Classical statistics methods were adopted to analyze the soil quality variability, its affect鄄
ing factors, and affecting degree at a regional scale (700 km2) in the central part of hilly Loess
Plateau region of China. There existed great differences in the variability of test soil quality indica鄄
tors. Soil pH, structural coefficient, silt content, specific gravity, bulk density, total porosity, cap鄄
illary porosity, and catalase activity were the indicators with weak variability; soil nutrients (N,P,
and K) contents, CaCO3 content, cation exchange capacity (CEC), clay content, micro鄄aggregate
mean mass diameter, aggregate mean mass diameter, water鄄stable aggregates, respiration rate, mi鄄
crobial quotient, invertase and phosphatase activities, respiratory quotient, and microbial carbon
and nitrogen showed medium variation; while soil labile organic carbon and phosphorus contents,
erosion鄄resistance, permeability coefficient, and urease activity were the indicators with strong vari鄄
ability. The variability of soil CaCO3, total P and K, CEC, texture, and specific gravity, etc. was
correlated with topography and other environmental factors, while the variability of dynamic soil
quality indicators, including soil organic matter content, nitrogen content, water鄄stable aggregates,
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 2 月摇 第 22 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2011,22(2): 409-417
permeability, microbial biomass carbon and nitrogen, enzyme activities, and respiration rate, was
mainly correlated with land use type. Overall, land use pattern explained 97% of the variability of
soil quality indicators in the region. It was suggested that in the evaluation of soil quality in hilly
Loess Plateau region, land use type and environmental factors should be fully considered.
Key words: soil quality; variability; land use; environmental factor; hilly Loess Plateau.
摇 摇 土壤是在自然和人为作用影响下形成和发育
的,具有明显的时间和空间变化特征. 由于受母质、
气候、植被、地形及人为等作用的影响,土壤性质在
不同的时空尺度上存在一定的差异,其中土壤特征
在空间分布上的非均一性称为土壤特性的空间变异
性[1] .研究土壤特性的时空分异可以更好地了解各
种管理措施对土壤质量的影响,准确预测土壤质量
的变化规律,同时还能为土壤属性研究中合理取样、
土壤退化防治及土壤质量保育提供理论依据.
土壤特性的变异性是普遍存在的,其变异来源
包括系统变异和随机变异两种. 土壤特性的系统变
异是由母质、气候、水文、生物、地形、时间、人类活动
等差异引起的,而随机变异则是由取样、分析等误差
引起的[2] .自 20 世纪 70 年代以来,国内外开展了大
量土壤空间变异研究. 研究内容主要集中在土壤物
理特性 (如颗粒组成[3]、团聚体大小[4-5]、水分含
量[6]、容重[7]、水力传导度等[7] )、土壤养分[8-10]、盐
分[11]及有机质含量等方面[12-13] . 空间尺度包括地
块、坡面、小流域、县域以及区域等不同尺度.研究方
法已经由最初的经典统计学方法发展到了时序分析
方法、地统计学方法、随机模拟方法、分形和分数维
方法以及应用 GIS 的研究方法,目前运用较多的是
地统计学方法.研究结果主要是得出这些空间变异
因子的概率分布类型、相关系数、相关距离、半方差
函数及经验表达式等. 目前的应用主要是确定合理
的取样数目和优化插值,进而绘制等值线图等.
尽管土壤特性的变异性已有大量研究并取得重
要进展,但大多数研究未能就产生变异性的影响因
素进行定量分析,尤其是在复杂地形条件下人类活
动和环境因子对土壤变异性的影响尚不明确. 从土
壤质量角度综合研究不同土壤特性的变异性及其影
响因素有助于科学地认识土壤变异性的本质.为此,
本文以黄土丘陵区中部几个小流域为研究单元,系
统分析了不同土地利用类型及环境条件下 32 项土
壤理化和生物学特性及土壤质量的变异性,并对土
地利用方式及环境因子对这些土壤特性的影响程度
进行了评判.以期为区域土壤质量评价、土壤保育及
合理取样等提供依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究样地选择在陕北黄土丘陵沟壑区安塞县中
部和南部的县南沟、纸坊沟、北宋塔、桥庄村陀山、坊
塔以及延安市附近的燕沟等小流域(图 1),可代表
黄土丘陵区中部 700 km2 区域的土壤、地形和气候
环境.研究区属暖温带半干旱季风气候. 平均海拔
1200 m,相对高差 100 ~ 300 m,年均气温 8郾 8 益,年
均降水量 505郾 3 mm,无霜期 160 d 左右. 地带性土
壤为黑垆土,由于严重的水土流失,黑垆土损失殆
尽,土壤以黄土母质上发育来的黄绵土(钙质干润
雏形土)为主.
1郾 2摇 样品采集及测定
在研究区选取不同土地利用类型(天然乔木
林、天然灌木林、人工乔木林、人工灌木林、天然草
地、人工草地、撂荒地、果园、农地和大棚菜地)样地
297 个,记录取样点的坡度、坡位、坡向、地形、海拔
等环境因子特征(表 1). 在取样点周围随机选择 5
个点,用土钻取 0 ~ 20 cm土壤混合样.风干,剔除土
样中的根系、石块等杂物,测定 32 项土壤理化和生
物属性(表 2).其中化学指标包括全氮、全磷、全钾、
有机质、活性有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾、
CaCO3、pH、阳离子交换量(CEC);物理指标包括粉
粒、粘粒、微团聚体平均质量直径(micro鄄aggregate
mean mass diameter,MICMMD)、结构系数、水稳性
图 1摇 取样小流域位置
Fig. 1摇 Location of the sampling watershed.
014 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 1摇 研究样地基本情况
Table 1摇 Basic status of the study plots
样点数
Sample
number
土地利用类型
Land use
type
海拔
Altitude
(m)
坡度
Slope
(毅)
坡 位
Slope position
坡 向
Slope aspect
地 形
Topography
植 被
Vegetation
4 大棚菜地
Greenhouse
vegetable land
1060 ~ 1049 0 FP 黄瓜 Cucumis sativus,番茄 Lyco鄄
persicon esculentum,辣椒 Capsi鄄
cum frutescens
20 人工灌木林
Planted shrub land
1156 ~ 1341 5 ~ 34 U4,M12,L4 A2, U8, SA4,
SU6
GS5, HS15 柠条 Caragana korshinskii
10 果园 Orchard 1211 ~ 1374 20 ~ 32 U3,M3,L4 A4,SA2,SU2 GS2,HS3,TR5 苹果 Malus domestica
63 撂荒地
Abandoned land
1122 ~ 1397 10 ~ 36 U14,M41,L8 A13,U11,
SA21,SU18
GS4,HS56,TR3 黄花蒿 Artemisia annua,茵陈蒿
A. capillaris,长芒草 Stipa bun鄄
geana,铁杆蒿 A. sacrorum
35 人工乔木林
Planted woodland
1101 ~ 1373 15 ~ 35 U7,M19,L9 A4, U4, SA14,
SU13
HS20,GS15 刺槐 Robinia pseudoacacia
126 农地 Cropland 1024 ~ 1386 3 ~ 30 U6,L5,M77 A7,U40,SA43,
SU7
HS88,TR27,
FP11
谷子 Setaria italica,玉米 Zea
mays,荞麦 Fagopyrum esculen鄄
tum
14 人工草地
Planted grassland
1226 ~ 1428 7 ~ 34 U8,M6 A2,U1,SA9,
SU2
HS13,TR1 草木樨 Melilotus suaveolens,苜
蓿 Medicago sativa
22 天然草地
Natural grassland
1081 ~ 1297 12 ~ 40 U6,M10,L6 SA8, SU7, U4,
A3
GS 铁杆蒿 A. sacrorum,长芒草
Stipa bungeana
4 天然灌木林
Natural shrub land
1123 ~ 1355 25 ~ 27 L U3,SU1 HS2,GS2 水荀子 Cotoneaster multiflora,
黄刺玫 Rosa xanthina
4 天然乔木林
Natural woodland
1125 ~ 1371 15 ~ 35 U3,L1 U2,SA2 GS2,HS2 辽东栎 Ouercus wutaishanica,白
桦 Betula platyphylla
U、M、L分别表示上、中、下坡位,A、U、SA、SU分别表示阳坡、阴坡、半阳坡和半阴坡,FP、GS、HS、TR分别表示川地、沟坡、梁峁坡和梯田,坡度、
坡向、地形中的数字代表样点数 U, M, L meant upper, middle, and lower position, respectively. A,U,SA,SU meant adret, udbac, semi鄄adret, and
semi鄄udbac, respectively. FP, GS, HS, TR meant flood plain, gully slope, hillside, and terrace, respectively. The numbers in the description of slope
position, slope aspect and topography were the number of samples.
团聚体、团聚体平均质量直径(mean mass diameter,
MMD)、总孔隙度、毛管孔隙度、比重、容重、渗透系
数(K10)、抗冲性;生物指标包括微生物生物量碳和
氮、磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、微生物熵、呼
吸强度和呼吸熵. 测定方法见文献[14]. 对上述 32
项指标采用加权综合法计算得出土壤质量指数(soil
quality index,SQI) [14]:
SQI =仪
n
i = 1
(C i) Ki
式中:C i 是各个评价指标的隶属度值;K i 是第 i个评
价指标的权重;n是评价指标的个数.
1郾 3摇 数据处理
土壤特性变异性的大小用变异系数 CV 的大小
来反映. CV臆10%为弱变异性,100% 中等变异性,CV逸100%为强变异性[15] .
为了区分土地利用类型及地形因子对土壤特性
的影响程度,用 SPSS 12郾 0 统计软件中一般线性模
型(general loglinear analysis,GLM)的方差成分估计
模块(variance components analysis)计算了土地利用
及地形因子等在土壤理、化、生物属性和土壤质量指
数变异(方差)中所占的百分比,并对其影响的显著
性程度进行了检验. 百分比的大小反映了各因子对
土壤特性的影响程度. 以土地利用为固定因子,坡
度、坡位、坡向、海拔、地形等为随机因子,用最小二
乘无偏估计法计算土壤特性的方差.
将定性的坡位、坡向和地形因子赋以不同的编
码,使其定量化. 坡位以 1 表示上坡,2 表示中坡,3
表示下坡.坡向以 1 表示阴坡,2 表示半阴半阳坡,3
表示阳坡.地形以 1 表示川台地和梯田,2 表示梁峁
坡,3 表示沟坡.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤质量指标的变异性
2郾 1郾 1 土壤物理性质的变异性摇 表 3 是研究区土壤
物理性质的变异系数,土壤结构系数、比重、粉粒、容
重、总孔隙度和毛管孔隙度的变异性很小,为弱变异
性,其中以比重、粉粒和结构系数的变异性最小. 粘
粒和 MICMMD 的变异性较小;水稳性团聚体和
MMD的变异性较大,为中等变异性;抗冲性和渗透
系数的变异性最大,为强变异性.不同土地利用类型
下土壤物理性质的变异性较总体变异性小.
就不同土地利用类型而言,农地和果园土壤物
理性质的变异性较大,人工草地和天然林地土壤物
理性质的变异性较小 . 土壤水稳性团聚体及MMD
1142 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 许明祥等: 黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量指标变异性的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 研究样地土壤理化和生物属性的描述性统计
Table 2摇 Descriptive statistics of soil chemphysical and biological properties in the study plots
土壤属性
Soil attributes
样本数
Sampling number
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准误
SE
全氮 Total N(g·kg-1) 297 0郾 21 2郾 91 0郾 48 0郾 020
全磷 Total P(g·kg-1) 248 0郾 41 1郾 62 0郾 61 0郾 007
全钾 Total K(g·kg-1) 297 9郾 25 98郾 02 23郾 03 0郾 498
有机质 Organic matter(g·kg-1) 297 2郾 90 66郾 20 8郾 64 0郾 406
碱解氮 Available N (mg·kg-1) 297 12郾 11 204郾 61 33郾 94 1郾 491
速效磷 Available P (mg·kg-1) 251 0郾 48 168郾 67 4郾 83 1郾 070
速效钾 Available K (mg·kg-1) 233 37郾 00 361郾 00 94郾 28 2郾 986
CaCO3(g·kg-1) 297 21郾 91 155郾 66 110郾 47 0郾 820
pH 212 7郾 86 9郾 24 8郾 77 0郾 011
CEC (cmol·kg-1) 297 4郾 11 16郾 57 5郾 09 0郾 075
粉粒 Silt (% ) 286 53郾 00 73郾 20 66郾 92 0郾 114
粘粒 Clay (% ) 286 15郾 50 34郾 70 22郾 53 0郾 128
结构系数 Structure coefficient 90 76郾 22 97郾 34 89郾 69 0郾 395
微团聚体平均质量直径 MICMMD (mm) 286 3郾 30 7郾 60 5郾 47 0郾 030
团聚体 Aggregate (% ) 297 7郾 50 91郾 30 44郾 04 0郾 880
团聚体平均质量直径 MMD (mm) 297 0郾 07 4郾 24 1郾 22 0郾 050
毛管孔隙度 Capillary porosity (% ) 291 37郾 97 63郾 79 48郾 29 0郾 130
容重 Bulk density (g·cm-3) 297 0郾 78 1郾 45 1郾 14 0郾 004
比重 Specific gravity (g·cm-3) 78 2郾 52 2郾 69 2郾 59 0郾 003
总孔隙度 Total porosity (% ) 253 44郾 33 69郾 36 54郾 29 0郾 171
渗透系数 Infiltration coefficient (K10) 295 0郾 01 6郾 95 0郾 62 0郾 049
抗冲性 Anti鄄scourability (L·min-1·g-1) 297 1郾 66 36郾 64 1郾 81 0郾 249
微生物生物量碳 Microbial biomass C (mg·kg-1) 297 12郾 92 380郾 17 58郾 91 2郾 236
微生物生物量氮 Microbial biomass N (mg·kg-1) 297 2郾 71 75郾 16 12郾 20 0郾 480
磷酸酶 Phosphate(mg phenol·g -1 soil) 296 0郾 78 11郾 36 2郾 03 0郾 063
过氧化氢酶 Catalase (ml 0郾 1 mol·L-1KMnO4·g-1) 297 6郾 62 9郾 04 8郾 00 0郾 109
蔗糖酶 Invertase [ml 0郾 1 mol·L-1Na2S2O3·g-1 soil·(24 h) -1)] 297 0郾 60 8郾 59 2郾 29 0郾 053
脲酶 Urease[滋g NH3 鄄N·g-1 soil·(24 h) -1] 297 0郾 12 12郾 22 1郾 67 0郾 070
呼吸强度 Respiration intensity [mg CO2·g-1 soil·(24 h) -1] 297 0郾 18 1郾 36 0郾 44 0郾 007
微生物熵 Microbial quotient (% ) 282 0郾 33 3郾 15 1郾 28 0郾 017
呼吸熵 Respiratory quotient (% ) 297 0郾 82 12郾 86 2郾 34 0郾 049
表 3摇 土壤物理性质变异系数
Table 3摇 Variation coefficient of soil physical properties (%)
土地利用类型
Land use type
水稳性
团聚体
Water
stable
aggregate
团聚体
平均质量
直径
MMD
抗冲性
Anti鄄
scourability
渗透系数
Infiltration
coefficient
结构系数
Structure
coefficient
微团聚体
平均质量
直径
MICMMD
粘粒
Clay
粉粒
Silt
比重
Specific
gravity
容重
Bulk
density
总孔隙度
Total
porosity
毛管孔隙度
Capillary
porosity
大棚菜地
Greenhouse vegetable land
11郾 8 49郾 2 50郾 3 45郾 0 6郾 0 11郾 5 9郾 7 3郾 1 0郾 8 3郾 5 6郾 2 5郾 3
果园
Orchard
5郾 2 19郾 0 292郾 3 51郾 0 5郾 4 9郾 1 9郾 1 3郾 2 0郾 5 2郾 0 1郾 9 2郾 0
撂荒地
Abandoned land
34郾 5 32郾 0 157郾 4 39郾 2 3郾 2 16郾 3 12郾 1 3郾 0 1郾 9 7郾 4 7郾 3 7郾 3
农地
Cropland
48郾 8 69郾 5 406郾 0 50郾 7 2郾 7 15郾 8 16郾 9 3郾 1 1郾 4 5郾 5 5郾 6 4郾 9
人工草地
Planted grassland
6郾 2 14郾 1 90郾 0 31郾 1 2郾 1 13郾 7 8郾 0 2郾 1 0郾 2 7郾 0 5郾 9 6郾 7
人工灌木林
Planted shrub land
22郾 8 27郾 8 129郾 1 27郾 5 0郾 6 9郾 6 15郾 6 0郾 9 0郾 2 15郾 2 17郾 5 1郾 4
人工乔木林
Planted woodland
38郾 3 48郾 5 97郾 2 94郾 4 3郾 3 24郾 3 11郾 0 1郾 6 1郾 0 11郾 2 6郾 2 4郾 4
天然草地
Natural grassland
21郾 2 25郾 9 129郾 3 83郾 7 3郾 4 10郾 1 7郾 5 1郾 6 1郾 0 11郾 6 13郾 4 5郾 2
天然灌木林
Natural shrub land
5郾 8 7郾 0 85郾 2 34郾 1 10郾 6 29郾 4 19郾 1 5郾 3 1郾 7 14郾 1 9郾 3 4郾 3
天然乔木
Natural woodland
15郾 4 23郾 7 46郾 4 16郾 4 8郾 7 25郾 2 12郾 0 2郾 6 2郾 4 6郾 8 4郾 3 8郾 6
总体 Total 49郾 3 63郾 8 236郾 2 141郾 8 4郾 2 14郾 5 15郾 1 2郾 9 1郾 5 10郾 0 8郾 9 7郾 4
214 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
的变异性以农地较大,达 50% ~ 70% ,天然灌木林
地较小,不足 10% . 人工乔木林和天然草地土壤渗
透系数的变异系数较大,接近强变异性.农地、果园、
人工灌木林地等利用类型下土壤抗冲性的变异较
大,属强变异性.
2郾 1郾 2 土壤化学性质的变异性 摇 从表 4 可以看出,
土壤 pH的变异性很小,为弱变异性;其余土壤化学
性质的变异性按大小顺序依次为:CaCO3 <全磷、全
钾的变异性较小,为中等变异性;土壤活性有机碳和有
效磷的变异性较大,为强变异性,其中以有效磷的变
异性最大.与研究区土壤物理性质的变异性相似,在
不同土地利用类型下,各化学性质的变异性较总体
变异性小.
就不同土地利用类型而言,土壤有机质、全氮、
有效氮的变异性以天然灌木林地和天然草地较大,
大棚菜地土壤全磷、农地土壤有效磷、人工草地土壤
CEC和速效钾的变异性较大.
2郾 1郾 3 土壤生物性质的变异性 摇 由表 5 可知,土壤
过氧化氢酶的变异性很小,为弱变异性;其次依次为
表 4摇 土壤化学性质变异系数
Table 4摇 Variation coefficient of soil chemical properties (%)
土地利用类型
Land use type
有机质
Organic
matter
全 N
Total
N
活性有机 C
Labile
organic C
全 P
Total
P
全 K
Total
K
有效氮
Available
N
有效磷
Available
P
速效钾
Available
K
阳离子
交换量
CEC
CaCO3 pH
大棚菜地
Greenhouse vegetable land
40郾 0 33郾 8 44郾 8 34郾 2 3郾 9 42郾 2 52郾 0 73郾 7 14郾 0 5郾 5 7郾 0
果园
Orchard
15郾 2 11郾 7 62郾 8 9郾 3 30郾 6 20郾 2 49郾 5 16郾 2 4郾 6 7郾 7 1郾 1
撂荒地
Abandoned land
27郾 4 24郾 5 61郾 8 9郾 9 21郾 4 36郾 3 37郾 2 41郾 4 10郾 9 11郾 0 1郾 2
农地
Cropland
39郾 0 37郾 4 55郾 8 10郾 5 15郾 1 42郾 1 83郾 1 28郾 3 13郾 5 14郾 7 1郾 9
人工草地
Planted grassland
8郾 9 11郾 6 58郾 6 7郾 8 5郾 0 28郾 7 44郾 7 86郾 3 52郾 4 12郾 7 1郾 3
人工灌木林
Planted shrub land
32郾 6 28郾 8 39郾 0 7郾 2 21郾 9 33郾 9 50郾 2 37郾 3 14郾 0 9郾 6 1郾 0
人工乔木林
Planted woodland
38郾 4 29郾 9 55郾 6 9郾 1 21郾 2 34郾 4 37郾 9 33郾 6 5郾 4 12郾 0 1郾 4
天然草地
Natural grassland
62郾 5 53郾 3 58郾 7 11郾 9 22郾 6 51郾 5 31郾 6 27郾 8 8郾 1 15郾 0 1郾 7
天然灌木林
Natural shrub land
66郾 9 63郾 3 57郾 8 4郾 4 32郾 8 70郾 3 67郾 7 44郾 2 8郾 2 26郾 9 2郾 6
天然乔木林
Natural woodland
40郾 1 30郾 3 50郾 5 5郾 6 32郾 2 19郾 9 57郾 2 15郾 7 16郾 7 27郾 1 2郾 5
总体 Total 86郾 2 73郾 9 124郾 4 19郾 8 18郾 0 81郾 6 348郾 9 48郾 3 45郾 0 14郾 9 1郾 9
表 5摇 土壤生物性质变异系数
Table 5摇 Variation coefficient of soil biological properties (%)
土地利用类型
Land use type
磷酸酶
Phosphatase
过氧化氢酶
Catalase
蔗糖酶
Invertase
脲酶
Urease
微生物
生物量 C
Microbial
biomass
cabon
微生物
生物量 N
Microbial
biomass
nitrogen
微生物熵
Microbial
quotient
呼吸强度
Respiration
intensity
呼吸熵
Respiratory
quotient
大棚菜地
Greenhouse vegetable land
25郾 5 5郾 8 17郾 7 43郾 5 28郾 6 31郾 1 19郾 6 17郾 2 43郾 7
果园
Orchard
28郾 0 4郾 8 12郾 5 15郾 1 51郾 3 8郾 4 59郾 7 56郾 1 93郾 8
撂荒地
Abandoned land
46郾 7 11郾 0 39郾 2 81郾 9 45郾 2 57郾 5 60郾 0 22郾 7 42郾 8
农地
Cropland
26郾 2 4郾 9 39郾 1 71郾 4 26郾 2 16郾 6 18郾 5 17郾 4 17郾 8
人工草地
Planted grassland
21郾 3 1郾 2 11郾 6 16郾 3 5郾 9 8郾 5 13郾 0 20郾 0 25郾 6
人工灌木林
Planted shrub land
17郾 0 8郾 0 21郾 8 58郾 0 38郾 5 22郾 9 30郾 5 26郾 7 24郾 1
人工乔木林
Planted woodland
52郾 3 9郾 6 48郾 3 74郾 1 44郾 1 41郾 6 51郾 4 18郾 6 55郾 6
天然草地
Natural grassland
76郾 2 7郾 7 70郾 1 63郾 3 69郾 9 47郾 2 46郾 9 20郾 6 102郾 5
天然灌木林
Natural shrub land
9郾 1 2郾 6 22郾 9 17郾 7 88郾 8 84郾 6 44郾 5 27郾 8 50郾 3
天然乔木林
Natural woodland
47郾 6 4郾 5 24郾 6 56郾 7 17郾 3 25郾 1 22郾 5 23郾 3 38郾 9
总体 Total 82郾 8 8郾 6 69郾 6 102郾 2 91郾 4 90郾 9 55郾 5 49郾 0 84郾 7
3142 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 许明祥等: 黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量指标变异性的影响摇 摇 摇 摇 摇
呼吸强度、微生物熵、蔗糖酶、磷酸酶、呼吸熵和微生
物生物量碳和氮,这些生物指标的变异性较小,为中
等变异性;在所测定的土壤生物指标中,土壤脲酶的
变异性最大,为强变异性.与研究区土壤理化性质的
变异性相似,不同土地利用类型下各生物性质的变
异性较总体变异性小.
就不同土地利用类型而言,撂荒地、天然草地和
人工乔木林地土壤生物性质变异性较大,人工草地
土壤生物性质变异性较小. 以天然草地土壤磷酸酶
和蔗糖酶、撂荒地土壤脲酶、天然灌木林地土壤微生
物生物量碳和氮、果园土壤呼吸强度的变异系数最
大,表现出较强的变异性.
2郾 2摇 土地利用及环境因子对土壤质量变异性的影
响
土地利用类型及环境因子在土壤物理性质变异
(方差)中所占的百分比见表 6. 土地利用类型对土
壤结构系数及渗透性有显著影响(P<0郾 05).土地利
用类型变化可以解释土壤 MICMMD 和水稳性团聚
体变异的 65% 、MMD变异的 59% 、K10变异的 58% ,
毛管孔隙度和容重变异中大约 50%是由土地利用
类型变化引起的.环境因子对土壤质地、比重等有较
大影响,地形差异可以解释土壤质地变异的 70%左
右,地形和坡位可以解释容重变异的 49% ,坡度可
以解释比重变异的 42% .总孔隙度变异的 77%来源
于坡向、地形、坡度和坡位的综合影响.
摇 摇 由表 7 可知,土地利用类型变化是土壤氮素和
有机质变异的主要来源(P<0郾 01),可以解释土壤全
氮变异的 91% 、有效氮变异的 94% 、有机质和活性
有机碳变异的 85%和 73% . 土地利用对土壤有效
磷、速效钾、pH和CEC也有较大影响,能够解释这
表 6摇 土地利用类型及环境因子在土壤物理性质变异(方差)中所占的百分比
Table 6摇 Contribution of land use type and environmental factors to the variation of soil physical properties (%)
方差来源
Variance source
抗冲性
Anti鄄
scourability
粉粒
Silt
粘粒
Clay
结构系数
Structure
coefficient
微团聚体
平均质量
直径
MICMMD
水稳性
团聚体
Water
stable
aggregate
团聚体
平均质量
直径
MMD
毛管孔
隙度
Capillary
porosity
容重
Bulk
density
比重
Specific
gravity
总孔隙度
Total
porosity
渗透系数
K10
Infiltration
coefficient
土地利用方式 20郾 68** 2郾 393 2郾 173 3郾 836 0郾 584** 165郾 2* 0郾 501 5郾 809 0郾 083 0郾 0003 2郾 897 0郾 060*
Land use type 78 9 6 34 65 65 59 46 47 37 21 58
地形 0郾 462 18郾 08 24郾 94 1郾 035 0郾 022 29郾 92 0郾 150 1郾 347 0郾 042 0郾 0001 1郾 737 0郾 011
Topography 2 68 74 9 3 12 17 10 24 10 13 11
海拔 0 0郾 754 0郾 697 0郾 322 0郾 025 5郾 693 0郾 035 1郾 140 0郾 001 0郾 000 0郾 233 0郾 010
Altitude 0 3 2 3 3 3 4 9 1 0 2 10
坡度 4郾 777 4郾 838 3郾 200 1郾 957 0郾 129** 26郾 12 0郾 108 2郾 715 0郾 003 0郾 0004 1郾 952 0郾 016
Slope 18 18 9 17 14 10 13 21 2 42 14 15
坡位 0 0郾 428 0郾 321 0郾 994 0郾 029 23郾 34 0郾 041 0郾 471 0郾 045 0郾 0001 2郾 102 0郾 002
Slope position 0 2 1 9 3 9 5 4 25 6 15 2
坡向 0郾 404 0 2郾 610 3郾 145 0郾 109** 2郾 665 0郾 015 1郾 267 0郾 001 0郾 0001 4郾 799 0郾 004
Slope aspect 2 0 8 28 12 1 2 10 1 5 35 4
每一指标的第 1 行为该指标在不同土地利用类型间的方差,第 2 行为该方差占这一指标总方差的百分比(% )The data on top and bottom of each line were the vari鄄
ance of soil attribute and the variance percentage of the attribute to total variance of the attributes, respectively. * P<0郾 05;** P<0郾 01. 下同 The same below.
表 7摇 土地利用类型及环境因子在土壤化学性质变异(方差)中所占的百分比
Table 7摇 Contribution of land use type and environmental factors to the variation of soil chemical properties (%)
方差来源
Variance source
全 N
Total
N
全 P
Total
P
全 K
Total
K
有机质
Organic
matter
活性
有机碳
Labile
organic C
有效 N
Available
N
有效 P
Available
P
速效 K
Available
K
CaCO3 pH CEC
土地利用方式 0郾 172** 0郾 0001 0郾 75 93郾 78** 1郾 954** 891郾 8** 0郾 372 594郾 6 20郾 56 0郾 010* 1郾 919**
Land use type 91 5 6 85 73 94 48 61 13 48 50
地形 0郾 001 0郾 0001 1郾 08 0郾 31 0郾 079 2郾 51 0郾 127 181郾 2 26郾 94 0郾 002 0郾 228
Topography 0 5 9 0 3 16 18 17 9 6
海拔 0郾 010 0郾 001* 0郾 20 12郾 92** 0郾 105 17郾 52 0郾 161 103郾 8 19郾 94 0郾 005* 0郾 233
Altitude 6 45 2 12 4 2 21 11 13 24 6
坡度 0郾 001 0郾 0005 2郾 03 0郾 69 0郾 481 1郾 74 0郾 024 33郾 64 49郾 16* 0 1郾 081
Slope 0 23 18 1 18 0 3 3 32 0 28
坡位 0郾 003 0郾 0003 2郾 25 1郾 35 0郾 045 7郾 00 0郾 078 58郾 17 6郾 59 0郾 001 0郾 024
Slope position 2 13 20 1 1 1 10 6 4 5 1
坡向 0郾 002 0郾 0002 5郾 14* 1郾 40 0郾 019 24郾 40** 0郾 019 10郾 75 31郾 96* 0郾 003* 0郾 387
Slope aspect 1 9 45 1 1 3 2 1 21 14 10
414 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 8摇 土地利用类型及环境因子在土壤生物性质及土壤质量变异(方差)中所占的百分比
Table 8摇 Contribution of land use type and environmental factors to the variation of soil biological properties and soil quality
(%)
方差来源
Variance source
微生物
生物量 C
Microbial
biomass
cabon
微生物
生物量 N
Microbial
biomass
nitrogen
磷酸酶
Phosphatase
过氧化
氢酶
Catalase
蔗糖酶
Invertase
脲酶
Urease
微生物熵
Microbial
quotient
呼吸强度
Respiration
intensity
呼吸熵
Respiratory
quotient
土壤质量
指数
Soil quality
index(SQI)
土地利用方式 2192** 102郾 6* 2郾 693* 0郾 068 1郾 418* 0郾 870 0郾 044* 0郾 026** 3郾 220* 0郾 029**
Land use type 56 43 50 11 50 32 15 72 36 97
地形 395郾 1 19郾 92 0郾 584 0郾 020 0郾 160 0郾 298 0 0郾 002 0 0郾 0003
Topography 10 8 11 3 6 11 0 6 0 1
海拔 57郾 6 0 0郾 151 0郾 162 0郾 055 0郾 257 0郾 054 0郾 003 4郾 947* 0郾 0002
Altitude 1 0 3 25 2 10 20 9 56 1
坡度 1091 100郾 3 1郾 728 0郾 184 1郾 028 0郾 417 0郾 083 0郾 003 0 0郾 0004
Slope 28 42 31 28 37 15 29 7 0 1
坡位 161郾 1 12郾 97 0郾 035 0郾 063 0郾 082 0郾 422 0郾 105 0 0郾 327 0
Slope position 4 5 1 10 3 16 37 0 4 0
坡向 26郾 8 4郾 911 0郾 248 0郾 147 0郾 064 0郾 417 0 0郾 002 0郾 380 0
Slope aspect 1 2 4 23 2 16 0 6 4 0
些土壤属性变异的 50%左右. 地形、海拔等环境因
子对土壤全 P、全 K、CaCO3 含量等有较大影响. 海
拔、坡度和坡位可以解释全 P变异的 81% ,坡向、坡
位和坡度可以解释全 K 变异的 83% ,坡向、坡度和
地形可以解释 CaCO3 含量变异的 70% .
摇 摇 不同土地利用类型及环境因子在土壤生物性质
及土壤质量变异(方差)中所占的百分比见表 8. 土
地利用类型变化对土壤微生物生物量碳和氮、磷酸
酶、蔗糖酶及呼吸强度等土壤生物性质有显著影响
(P<0郾 05),可解释其变异的 36% ~ 72% .环境因子
中,坡度对土壤微生物性质的影响较大.
总体上,土壤理化及生物性质的变异大部分是
由土地利用类型变化引起的,土地利用的变化是土
壤质量变异产生的主要来源,可解释 97%的土壤质
量指数的变异性(表 8).可见,土地利用类型的变化
是土壤质量变化的主导因子.
3摇 讨摇 摇 论
土壤质量变异性是土壤理化和生物属性空间变
异的综合体现.目前,国内外就土壤理化属性的空间
变异性研究已有很多,而且大多针对某些土壤特性
展开,如渗透性[7]、质地[3]、结构性[4]、养分[16-17]等,
而综合土壤理化和生物属性的土壤质量空间变异研
究还较少见.从土壤质量角度探讨土壤属性的空间
变异有利于从整体上把握土壤属性的变异特征,全
面了解土壤属性空间变异程度及影响因素.
已有的黄土高原土壤空间变异性研究表明,县
域尺度(4333 km2 )土壤养分空间变异不大,有机
质、全氮和全磷为中等变异性(CV 30% ~ 60% );小
流域尺度(3郾 5 km2)土壤质地和容重的空间差异较
小,属弱变异性;水稳性团聚体空间变异较大,稳定
入渗率变异最大[7] . 全磷变异较小,有机质、全氮、
有效氮变异较大,速效磷变异最大[10,18] . 坡面尺度
上土壤渗透性属中等变异性[19],有机质、全氮、有效
氮、有效磷属于中等变异性,而全磷属于弱变异
性[20] .
本研究结果表明,黄土丘陵区域尺度 ( 700
km2)不同土壤属性的变异性有较大差异.土壤物理
属性中的比重、粘粒含量是在成土过程中形成的土
壤本质属性,因此变异很小(CV<10% ),渗透性和
抗冲性是土壤多种性质的综合体现,与土壤有机质、
孔隙度等密切相关[21],因此表现出较强的变异性
(CV>100% ).土壤具有较强的缓冲性,因此在一定
的时空尺度内土壤 pH 变异较小(CV<10% ). 土壤
全磷和全钾含量主要受母质中矿物成分的影响,土
壤氮素含量主要受植被、气候、土壤质地、地形和地
势、耕作利用方式等因素的影响,因此全磷和全钾的
变异较小(CV<20% ),而全氮和有效氮的变异较大
(CV 45% ~ 90% ). 土壤生物属性对环境条件的变
化反应敏感,呼吸强度、微生物熵、蔗糖酶、磷酸酶、
脲酶等表现出较大的变异性(CV 50% ~ 102% ).以
上这些土壤属性变异性与黄土高原已有的研究结果
基本一致,也与国内外其他地区的研究结果相吻
合[22-24] .
土壤属性变异性是多重尺度上气候、地形、土壤
母质、土地利用及人为活动等多因子综合作用的结
果,就某一地区而言,土壤质量变异性存在主控因
子[1] .黄土丘陵区地貌类型多样,地形破碎,不同坡
5142 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 许明祥等: 黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量指标变异性的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 9摇 黄土丘陵区土壤质量指标的敏感性分级
Table 9摇 Sensibility classification of soil quality indicators in the hilly Loess Plateau region
指标敏感度
Sensitivity
变异系数
CV(% )
土壤属性
Soil attribute
高度敏感
High sensitive
逸100 速效 P、抗冲性、K10、活性有机碳、有机质、脲酶 Available P, anti鄄scorability, infiltration coeffi鄄
cient, labile organic C, organic matter, urease
中度敏感
Middle sensitive
40 ~ 100 微生物生物量 C、微生物生物量 N、磷酸酶、碱解 N、全 N、团聚体平均质量直径、蔗糖酶、团
聚体、微生物熵、呼吸强度、呼吸熵、速效 K、阳离子交换量 Microbial biomass C, microbial bi鄄
omass N, phosphate, available N, total N, MMD, invertase, aggregate, microbial quotient, res鄄
piration intensity, respiratory quotient, available K, CEC
低度敏感
Low sensitive
10 ~ 40 全 K、全 P、粘粒、CaCO3、微团聚体平均质量直径 Total K, total P, clay, CaCO3,MICMMD
不敏感
Insensitive
臆10 容重、总孔隙度、过氧化氢酶、毛管孔隙度、结构系数、pH、粉粒、比重 Bulk density, total po鄄
rosity, catalase, capillary porosity, structure coefficient, pH, silt, specific gravity
向、坡位的水分养分条件有所差异[16],明确这种复
杂地形条件下土壤质量变异性的影响因素及主控因
子就显得尤为重要. 地形与土壤属性的变异性密切
相关[24],地形影响水热条件和土壤物质的再分配,
因而不同地形部位具有不同的土壤属性. 在地形复
杂的黄土丘陵区,土壤粘粒、砂粒含量与地形有高度
的相关性;同时,地形亦是影响土壤有机质的重要因
素,土壤有机质随山坡位置变化而变化[8] .
土壤质量包括内在质量( inherent quality)和动
态质量(dynamic quality)两个方面[25] . 土壤内在质
量是自然的、相对稳定的属性,而动态质量则易受人
类活动的影响.本研究结果表明,土地利用类型变化
是土壤氮素和有机质变异的主要来源(P<0郾 01),受
其影响,土地利用类型变化对土壤水稳性团聚体、渗
透性、微生物生物量碳和氮、磷酸酶、蔗糖酶及呼吸
强度等土壤动态质量指标的变异性亦起主导作用.
而对于变异性较小的 CaCO3、全磷、全钾、CEC、质
地、比重等内在土壤质量指标,其变异性主要来源于
地形等环境因子的差异,反映了这些土壤属性对环
境因子变化的敏感性.
土壤质量指标变异性是土壤属性环境敏感性的
反映.用土壤质量指标的变异系数作为指标敏感性
判断依据(表 9),可对黄土丘陵区土壤质量指标的
敏感性进行分级,其中速效磷、抗冲性、K10、活性有
机碳、有机质、脲酶作为土壤质量评价的高度敏感指
标,是土壤质量恢复与调控的主要目标.土壤生物指
标属于高度敏感和中度敏感指标,反映了以土壤生
物指标作为土壤质量评价指标的巨大潜力. 但土壤
质量评价指标并非越灵敏越好,如果过于灵敏反而
不利于评价土壤质量和制定相应的土壤保育措施.
在定量评价黄土丘陵区土壤质量时,可以选择高度
和中度敏感指标.
4摇 结摇 摇 论
土壤 pH、微团聚体、结构系数、粉粒、比重、容
重、总孔隙度、毛管孔隙度及过氧化氢酶变异性很
小,为弱变异性.土壤养分、CaCO3、CEC、粘粒、微团
聚体平均质量直径、水稳性团聚体、团聚体平均质量
直径及生物指标呼吸强度、微生物熵、蔗糖酶、磷酸
酶、呼吸熵、微生物生物量碳和氮的变异性较小,为
中等变异性.土壤活性有机碳和有效磷、抗冲性、渗
透系数及脲酶的变异性最大,为强变异性.
土壤理化及生物属性的变异大部分由土地利用
类型的变化引起,土地利用类型变化是土壤质量变
异性产生的主要来源,可解释 97%的土壤质量指数
的变异性.因此,土地利用类型的变化是黄土丘陵区
土壤质量变异的主导因子.
土地利用类型变化对土壤有机质、氮含量、水稳
性团聚体、渗透性、微生物生物量碳和氮、磷酸酶、蔗
糖酶及呼吸强度等土壤动态质量指标的变异性起主
导作用. 而变异性较小的 CaCO3、全磷、全钾、CEC、
质地、比重等内在土壤质量指标的变异性主要来源
于地形等环境因子的差异.
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作者简介 摇 许明祥,男,1972 年生,博士,副研究员. 主要从
事侵蚀环境土壤质量演变及土壤鄄植被互动效应研究.
E鄄mail: xumx@ nwsuaf. edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
7142 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 许明祥等: 黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量指标变异性的影响摇 摇 摇 摇 摇