全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
〕 , , 一
科尔沁沙地不同土地利用和管理方式对
土壤质量性状的影响 关
苏永中’“ 赵哈林 ,
‘ 天津理工学院环境科学与安全工程学院 , 天津 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 , 兰州
摘要 研究了科尔沁沙地退化草地开垦后 , 在 年不同的土地利用和管理方式下土壤物理 、 化学和生
物学性状的特征 结果表明 , 农林 林草 复合利用模式在土壤粒级组成 、 孔隙分布
、
持水性能
、
有机质和 、
养分
、 酶活性等方面表现出较好的质量性状特征 , 有机无机配施
、
精细管理的灌溉农田次之 , 而粗放管理
的旱作农田 , 土壤质量性状严重恶化 , 逐步向流沙方向演变 与科尔沁原生景观草地土壤相比 , 管理 良好的
利用系统 , 土壤物理性状 、 含量和一些酶活性指标提高 , 但有机质和全氮含量明显低 , 表明已退化生态系
统 、 库的恢复和重建需要较长的时间
,
研究结果表明 , 不同的土地利用方式和管理措施显著影响土壤
质量变化的程度和方向 调整土地利用结构 , 基本农田实行精细管理 , 旱作农田退耕还草还林是保护土地
资源 , 实现区域生态恢复和重建的根本选择
关键词 土地利用和管理 土壤质量性状 科尔沁沙地
文章编号 一 一 一 中图分类号
, 文献标识码
一 一 一 一 郎 ,
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一
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即
,
呀 ,
一
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引 言
土壤质量是一种指示土壤条件动态变化最敏感
的表示方法 , 它既能反映土壤管理的变化 , 也能反映
土壤恢复退化的能力 , 许多 自然和人为的生态过
程如气候波动
、
植被演替
、
土地利用变化等都显著影
响土壤质量的时空演变 ‘
, 礴, “, ”, ‘ , ’ , ’ 〕其中土地利
用方式和管理水平是影响土壤质量变化最普遍 、 最
直接 、 最深刻的 因素 , ’
, ‘“ 〕, 可 以导致土壤养分退
化 、水土流失 、 土地沙漠化等退化现象 , 亦可 以达到
提高土壤质量 、 改善生 态环境 的 目的〔,
, ‘, , ’ · ”·
研究不同土地利用和管理方式下土壤质量演化的过
程 、特征和机制 , 是建立科学的土壤质量调控体系 ,
改进土地管理水平的基础 , 也是 区域生态恢复和农
业可持续发展的需要 地处我国北方半干旱农牧交
错带的科尔沁沙地 , 生态环境脆弱 , 土地利用转化频
繁 , 干旱 、风蚀 、 沙漠化等生态演变过程严重威胁着
农业生产的稳定和 区域生态环境 , 不合理的土地利
用进一步加剧 了土地退化 沙漠化的进程 ”
· ’
,
本
文以时空转化的角度研究了科尔沁沙地退化草地开
垦后几种具有代表性的土地利用和管理方式对土壤
肥力质量性状的影响 , 为退耕还林还草 , 合理利用土
地 , 防治沙漠化提供科学依据
, 国家重点基础研究发展规划资助项目
, , 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
研究地区与研究方法
自然概况
研究地区位于内蒙古通辽市奈曼旗境内 , 地处我国北方
半干早农牧交错带东端的科尔沁沙地腹地 , 地理位置
‘ 一 “ ‘ , ‘ 一 ’ , 海拔 一 属大陆
性半干旱气候 , 年均气温 ℃ , 夯 ℃年积温 ℃ ,
无霜期 年均降水量 , 年均蒸发量
, 年平均风速
· 一 ‘ , 大风 日数 一 该地区地
势相对平缓 , 第四纪以来堆积了深厚的冲积 、 湖积和细沙夹
粘土层 , 经过风的吹扬形成佗甸相间的风沙地貌 , 而农 田大
多位于沙质草甸地或沱间缓坡地 , 沙质属性决定了它易遭受
表 调查样地土地利用方式和管理水平
住 胜 邢 岌
风蚀 , 尤其在干旱多风的春季 , 风蚀更为强烈 土壤类型主要
为退化的沙质栗钙土和风沙土 , 其特点是沙物质含量高 , 养
分含量低 , 保水保肥性能差 川
研究样地的土地利用系统及其管理水平
调查研究样地为中国科学院内蒙奈曼沙漠化研究站试
验地及其相邻的农户承包地 , 原为同一块平坦开阔的退化沙
质草地 , 年开垦后采取了不同的利用和管理 表 , 代
表了科尔沁地区典型的土地利用方式和管理水平 由于缺乏
开垦前土壤的基础资料 , 无法得到退化沙质草地土壤性状的
初始水平 , 我们重点对演变后的结果进行 比较分析 , 并以科
尔沁地区人为干扰相对较轻的原生景观草地土壤为参比 , 分
析不同土地利用方式和管理水平下土壤恢复的程度
样号 土地利用方式
爪
利用状况 管理水平
园地
果粮间作 即
一 。即
每公顷 株山植 , 树冠郁闭 , 行间定植多
年生草木择 、
钾
· 一 , 习 一
每公顷 株李树 , 与小麦 、 荞麦 、 豆类间
作
·
管理精细的水浇地
一
一 乙 , 一 , 的
,
种植 小麦 、 荞麦 、 玉 米 、 豆 类等
飞 , , ,
管理粗放的水浇地 一
保护性耕作的旱作农 田
昭
管理粗放的早作农 田 一
种植 小麦 、 荞麦
、 玉 米 、 豆 类等 。
, , 阳 反 ,
种植 小 麦 、 荞麦
、
糜谷 、 豆 类等
, , ,
种植 荞 麦 、 糜 谷 、 豆 类 等 盯
, ,
原生景观放牧草地 沙质稀疏榆树林草地 , 退化程度较轻
,
为稀
疏榆树林
一
黄篙
一
隐子草群落 , 现为放牧草
场
, 一
刀 如 勿魂材邵月打故
, 及刃知
必 泪拟罗” 犯姐
农肥和氮 、 磷化肥配施 , 无耕作 , 枯枝落叶还 田
亩 , ,
一 ,
农肥和氮 、磷化肥配施 , 常规耕作 。加 即
‘
明 , ,
一
农肥和氮 、 磷化肥配施 , 常规耕作
, ,
氮 、 磷 化 肥 配 施 , 常 规 耕作 ‘
, ,
一
少量农肥和氮、 磷化肥配施 , 保护性耕作 少耕
抓
,
,
。
少量化肥投人 , 千早年份弃耕
部分枯落物留在系统中
, 植被盖度 , 人为干
扰相对 较 轻
, 昭
取样方法
取样在 年 月中旬进行 在每块调查样地上 , 采用
网格随机取样的方法 , 以 的网格间隔选择 个点取 一
土样 , 混合后装入布袋 , 带回室内 , 风干处理后进行化
学性状和酶活性的测定 , 同时每个样地取 个环刀 土样 , 测
定容重和孔隙度
土壤质量性状的选择和分析
考虑沙质土壤的特性和当地风蚀严重的环境特征 , 选择
对利用和管理措施具有较强敏感性的一些物理 、化学和生物
学性状来表征土壤的肥力质量 , 选择的指标 、依据见表
结果与分析
土壤机械组成
各种利用系统下土壤沙粒 一 、 粉粒
一 和粘粒 分布特征
表明 图 , 退化沙质草地开垦后 , 经 年不同方式
的利用和不同水平的管理 , 耕层土壤 一 。 的
粒级分布已发生明显的分异 两种园地系统 、 精细管
理的水浇地 , 由于农 田小环境 的改善 , 风蚀作用减
轻 , 以及通过多年的有机无机配肥 、 枯枝落叶
、 根茬
的不断还田 , 粉粒含量明显高于粗放管理的农 田 比
较管理措施不同 、 利用方式相同的 种类型 和 、
和 、 和 , 山植 十 草木杯模式土壤中粘粉粒含
量较李树 十 农作物模式高 , 主要是第 种模
式其树冠的郁闭度高 , 且耕作扰动少 , 对土壤有很好
的保护作用 精细和粗放管理的灌溉农 田之间耕层
土壤沙粒含量相差近 倍 、 无农肥投人 、 粗放管理的
水浇地已发生严重风蚀 , 的粘粉粒含量
期 苏永中等 科尔沁沙地不同土地利用和管理方式对土壤质量性状的影响
仅是精细管理水浇地的 , 两者之间差异 明
显 这是由于精细管理的水浇地邻近园地 , 风蚀小 ,
每年有机肥的投人促进了团聚体的形成 , 使土壤结
构明显改善 , 增加了土壤的结持性能和抗蚀能力 的
缘故 从旱作农 田来看 和 , 长期采取少耕措施
和有机无机配合投人的旱作农 田只是轻度风蚀 , 而
粗放经 营的旱作农 田表 层 土 壤 沙粒 含量 达到 了
, 土壤粗粒化使其失去了保水保肥的物质基
表 土坡肥力质 指标及分析测定方法
住 闻
础 , 在干旱年份绝收或撩荒 不同土地利用系统和管
理措施下的土壤机械组成差异说明 , 合理的土地利
用和土壤管理 , 土壤由沙壤土 向壤土的 良性方向演
化 , 反之土壤发生严重风蚀 , 将很快演化为风沙土
广种薄收的土地经营方式是科尔沁沙地沙漠化蔓延
的主要根源之一
土壤容重 、孔隙分布及持水性能
土壤物理学特性影响土壤的通气 、 透水 、持水
、
指标
一
测定方法阳
,
功能和作用
· “、‘ 习
物理指标
机械组成 加 。 湿筛加吸管法 表征土壤结构 , 土壤受风蚀程度的量度
容重 环刀法 根系生产 , 水气热状况 , 土壤紧实程度
孔隙分布 计算法 水气热状况 土壤紧实程度
持水性能
一 叩 用环刀取原状土室内测定 水分保蓄能力 , 护蚀能力
化学指标 日
有机质 。 重铬酸钾氧化
一
外加热法 肥力基础
, 生物能源 , 土壤稳定性和侵蚀程度
全 凯氏定氮法 植物 素来源
全 、 高氯酸
、
硫酸消化
, 钥锑抗比色法 植物 素来源
碱解氮 碱解扩散法 植物有效氮
速效磷 , 碳酸氢钠浸提 铝锑抗比色法 植物有效磷
卜 水土 比悬液 计直接测定 决定土壤生物活性和各种养分的有效性
生物学指标 姐卫
过氧化氢酶活性 书 高锰酸钾容量法 土壤中有机物质的转化 , 腐殖质的形成
脉酶活性 画 苯酚钠
一
次氯酸钠比色法 参与土壤 素转化
碱性磷酸酶活性 。 、。 苯磷酸二她比色法 反旦农土坐丝应直效磷自勺替在韭力 一 一 一
圈 了
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节
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土地利用和管理方式
七
图 不同上地利用系统土壤粒级分布
阮 ‘ 飞“ 改。 搜
沙粒
,
粉粒 , , 粘粒
导热
、抗蚀等各种功能 , 是 土壤肥力的一个重要方
面 土壤容重 、孔隙度反映了土壤紧实状况 , 孔隙
分布可反映出土壤结构的好坏 , 影响土体中水 、 肥 、
气 、热诸肥力因素的变化与协调 ’ 从图 可见 , 园
地和管理 良好的农田比粗放经营的旱作农田容重明
显低 , 土壤总孔隙度和持水性能明显高 在粗放经营
下 , 粘粒和粉粒由于风蚀而飘移出系统之外 , 使得土
壤粗粒化 , 结构分散 , 导致土壤容重增加 , 孔隙度降
低 , 持水性能下降 风蚀旱地较正常旱地土壤容重增
加 , 孔隙度下降 , 毛管持水量和 田 间
持水量分别是正常旱地的 和 从孔隙分
布看 , 精细管理的园地和农田 , 毛管孔隙 、 通气孔隙
处于较为理想 的状况 粗放管理的农 田 , 总孔隙度
低 , 而非毛管孔隙度和通气孔隙度很高 , 说明严重风
蚀农 田土壤主要是 由单一的粗颗粒垒结而成 , 增加
了通透性 , 土壤对水
、 肥 、 气 、 热等诸肥力因素的容
蓄 、保持和释供能力的恶化和丧失
,
有机质 、 、 养分和土壤
不同利用系统和管理措施下土壤有机质和 、
养分状况之间有明显差异 图 经过多年有机 、
无机投入和用养结合管理措施 的园地和耕地 , 土壤
、 、 均处于扩大的再循环过程中 , 其养分库容的
演变以进化为主 , 逐渐得以恢复 山植 草木挥模式
和李树 农作物模式土壤有机质和 、 养分已处
于较为“ 理想 ” 的状况 , 土壤有机质和全氮含量高出
农田土壤约 一 倍 这是由于其每年的投人水平较
高 , 农林 林草 复合生态系统对农 田土壤有明显的
生态保护作用 , 木本植物和农作物 、 多年生牧草的间
作可有效地保护表层土壤免遭风蚀 , 并通过发达的
根系富集土壤养分 , 通过枯枝落叶和腐根将养分集
中到表土层 , 提高了土壤有机质和养分含量〔‘
, ”
两种园地比较 ,
、
养分库容之间的差异主要在于
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应 用 生 态 学 报 卷
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为长期合理的利用和培肥下有一定程度的恢复 , 但
、 库容的恢复和重建将是一个十分慢长的过程
园地和灌溉农 田土壤 含量已高于 原生景观草地
土壤 , 表明土壤 库的恢复和重建可通过人为投入
而实现
由图 可见 , 粗放管理的旱作农 田土壤 达
到 , 高出其它利用系统
,
一 个单位 , 园地
和灌溉农田之间变化不大 但各种利用系统土壤
较原生景观草地土壤明显升高 , 其原 因可能是耕层
根系生物量的显著差异所致 原生景观草地土壤有
保护较好的草皮层 , 耕层有较多的根系分布 , 根系正
常呼吸产生的 及根分泌的有机酸和 十 使土壤
降低 “
,
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称笛,超塑书次
土地利用和管理方式
“ 掬洲洲
,
一
勺
乃﹄
山护尸司曰。喇后即阳
吗葬神鳞洲
图 不同土地利用系统土壤容重
、
孔隙分布和持水性能
阮 , 即 一
哪
总孔隙度 卯 , 毛管孔隙度 口 即 , 班 非
毛管孔隙度 滋一 , 通气孔隙度 卯 ,
田 可持水量 一 。 , 班 毛管持水量 尽
一
戛 。
藻
一
嗜
,
嗜
山昌三召叫足之
口 圈匀刀一泛哎
遴口传喊象褥
间作作物的不同 , 与豆科牧草间作的山植 园可 以通
过固氮作用富集养分 , 和农作物间作的李树园因每
年农作物的收获使部分养分移出系统 另外山碴园
地因覆盖度高 , 土壤常年郁闭且人为干扰 耕作 少 ,
其 、 的矿化作用相对较小 , 也是 、 含量较高
的原因之一 耕地土壤养分的差异取决于人为的投
人 、 管理水平以及农田的风蚀强度 仅靠无机投人维
持作物生产的沙质农 田 , 其保畜养分的能力很低 , 土
壤结构的高度分散又使其抗蚀性能极差 , 在不合理
的耕作下富含营养物质的细颗粒被吹蚀 , 而移 出系
统之外 粗放经营的旱地农 田 土壤有机质 、 全 和
全 含量分别为 、 和
· 一 ‘ , 仅为保
护性耕作旱地土壤有机质 、 全 和全 含量的
、 和 , 已基本失去 了农业生产的土
壤营养物质基础 土壤 、 有效养分在各种利用系
统下的分异与有机质和全量养分有基本相同的变化
趋势
土壤有机碳和全 量一定程度上反映 了土壤
环境因子组合的最佳程度〔‘ 〕各种利用系统下土壤
有机质 、 全 的水平 只是 原 生 景观 草地 土壤 的
一 和 一 , 说明科尔沁沙
地在原生植被破坏后 , 土壤养分随之丧失 , 虽然在人
土地利用和管理方式
图 不同土地利用系统土壤化学性状
土壤酶活性
由土壤微生物生命活动和植物根系产生的土壤
酶 , 不但在土壤物质转化和能量 中起着主要 的催化
作用 , 而且通过它对进人土壤的多种有机物质和有
机残体进行生物化学转化 , 使生态系统的各种组分
有了功能上的联系 , 从而保持了土壤生物化学的相
期 苏永中等 科尔沁沙地不同土地利用和管理方式对土壤质量性状的影响
对稳衡状态 ‘〕土壤酶对因环境或管理因素引起的
变化较为敏感 , 并具有较好的时效性 , 是反映土壤质
量或土壤健康较为敏感的生物指标 ’”
, ‘ 〕分析结果
表明 图 , 各种利用方式和管理水平下土壤的几
种酶活性都比较低 , 过氧化氢酶
、脉酶和碱性磷酸酶
活性的变动范围分别为 一
· 一
,
· 一 · 一 , 一 拼
· 一 ’· 一 ’· ℃ , 和 一 “
·
一 ‘ · 一 ‘ , ℃ , 这与其它研究者在干旱 、 半干旱环
境下沙地土壤酶活性的研究结果一致 , ’ , 表明沙
质土壤既便有较好的水分和养分条件 , 其土壤微生
物活性和酶 活性也很低〔川 , 也 与取样是在旱 季有
关 , 长期的干旱可能导致了土壤微生物活性的降低
不同土地利用和管理系统下的土壤酶活性有着非常
明显的差异 , 其演变 的次序为山植 十 草木梅 李树
十 农作物 精细管理 的水浇地 原生景观草地
保护性耕作旱地 粗放管理的水浇地 粗放
管理的旱地 园地和精细管理的水浇地过氧化氢酶
和脉酶活性分别较原 生景观草地 土壤增加 一
倍和 一 倍 , 表明通过人为的耕作和合理培肥 ,
土壤氧化还原能力提高 , 从而有
一
利于土壤中某些有
毒物质的转化和土壤腐殖质的形成 以及土壤 素
循环强度的提高 同时也表明 , 土壤酶活性对耕作措
施的响应较土壤化学性状更为敏感
相关分析表明 , 过氧化氢酶 、脉酶和碱性磷酸酶
理 、化学和生物学性状之间的相互关系也是土壤本
身内部属性所决定的 , 从科尔沁沙地几种土地利用
和管理方式下土壤性状的特征演变分析 , 不合理的
利用和粗放管理 , 土壤风蚀作用加剧 , 表层细粒组分
被吹蚀而飘移出系统之外 , 土壤向粗粒化演变 , 导致
容重增加 , 持水性能降低 而土壤有机质和养分大部
分与细粒组分结合在一起 ‘“ 〕, 细粒组分的吹蚀 , 必
然导致有机质 、养分的衰减和退化 , 使其保肥能力降
低 结构的退化和有机质的丧失使土壤微生物失去
了赖以生存的基质条件和营养基础
, 导致土壤酶活
性等生物学性状的退化 反之 , 在合理的利用和管理
下 , 通过农 田小环境的改善和合理的耕作尽可能降
低或消除土壤风蚀 , 改善水分条件 施用有机无机肥
料 , 秸秆 、枯枝落叶还 田 , 使营养物质处在扩大的循
环中 , 导致有机物质的积累 、 结构的改善和生物学性
状的提高
讨 论
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‘︸八亡飞﹄︺戈,、飞︺‘马到妈
土地利用和管理方式
爪
图 不同土地利用系统土壤酶活性
肠 卿 、
·
过氧化氢 卜 一 认
· 一 ‘ · 、 一 ‘
脉酶活性 仁
一 · 一 · 一 ‘, ℃ , 碱性磷
酸酶活性 月 卜
· 一 · 一 , ℃
活性与土壤粘粉粒含量呈显著正相关 厂 ” 、
、 与土壤有机质呈显著和一定程度正
相关 、 、 , 而 与土壤容重呈
负相关 一 、 一 、 一 土壤物
科尔沁退化沙质草地开垦后 , 经过 年不同方
式的利用和不同措施的管理 , 土壤的一系列物理 、 化
学和生物学性状发生 了明显的分异 若合理利用和
精细管理 , 则土壤结构 、 持水性能
、
养分库容和酶活
性均有不同程度 的恢复和改善 , 逐渐 由沙壤土 向壤
土方向演化 , 达到控制沙漠化 、 提高土壤质量 的 目
的 而采用粗放管理的旱作农业经营方式 , 土壤质量
性状已严重恶化 , 沙漠化程度加剧 , 向流动沙地演
化 结果表明 , 土地利用和管理显著影响土壤质量变
化的程度和方向 极易发生风蚀
、 环境脆弱的科尔沁
沙地退化生态系统对人为干扰的响应敏感 , 响应的
时间很短
,
农林 林草 复合经营对沙地土壤有明显的生态
保护效应 多年生乔灌木 、 经济林果和农作物 、 牧草
间作有利于地表覆盖 , 减小风蚀 , 从多方面改善土壤
质量性状 , 是科尔沁沙地一种较为理想的土地利用
方式 粗放式经营的旱作农业加速了土壤风蚀 , 使土
壤质量恶化 , 并最终向沙漠化演变 , 是科尔沁沙地沙
漠化迅速蔓延的主要根源 实行退耕还林
、 还草是土
地资源保护 、 区域生态恢复和重建的理想选择 在围
封周边沙丘草场和旱作农田退耕还林 、还草的同时 ,
将水浇地作为基本农 田 , 实行保护性耕作和有机 、 无
机投人的精准管理 , 有利于土壤质量 的提高和农业
生产的稳定发展
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一
张福锁 肠
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作者简介 苏永中 , 男 , 年生 , 博士 , 副研究员 , 主要从
事干旱区恢复生态学和土壤学的研究 , 发表论文 余篇
。 。