全 文 ：北方农牧交错带土地利用类型对土壤养分
分布的影响*
刘全友* * 童依平
(中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085)
摘要 对北方农牧交错带多伦县 5 种土地利用类型进行 118 个土壤样点分析表明, 农田土壤养分含量
最低, 草地含量处中等,林地含量最高. 分别对 4 种不同土地利用类型在 4 种> 15!坡的小流域进行布点采
样,研究不同土地利用结构对土壤有机质、速效磷、速效氮和全氮的影响. 结果表明,在垂直方向上, 由坡底
到坡中到坡顶, 对应的耕地草地林地土壤养分要比对应草地林地耕地这一土地利用类型中土壤营养元
素含量高出 1 倍左右, 说明此种土地利用类型具有较好的土壤养分保持能力, 从而优化出最适合当地的土
地利用类型, 为改善生态环境、提高当地经济效益提供科学依据.
关键词 北方农牧交错带 土地利用结构 土壤养分 土壤侵蚀
文章编号 1001- 9332( 2005) 10- 1849- 04 中图分类号 Q142 3 文献标识码 A
Effects of land use type on soil nutrient distribution in northern agropasture ecotone. L IU Quanyou, TONG
Yiping ( Research Center f or EcoEnv ir onmental Sciences , Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100085, Chi
na) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2005, 16( 10) : 1849~ 1852.
Soil samples under five land use types w ere collected from Duolun County in the no rthern agropasture ecotone.
Chemical analysis showed that soil nutrient content was the lowest in farmland, medium in g rassland, and the
highest in w oodland, indicating that reclamat ion accelerated t he decomposition o f soil o rganic matter and the fur
ther loss of soil nutrients. T o investig ate the effects of land use type on soil organic matter, av ailable phosphors,
available nitrog en and total nitro gen, soils from four differ ent land use types in t he catchments w ith slopes steeper
than 15! were sampled and analyzed. Ver tically, t he content of soil nutrients fr om slope bo ttom to its top was two
times higher in land use type croplandgrasslandw oodland than in grasslandwoodlandcropland. Such a differ ence
indicated the positive effects of the former land use type on soil nutrient retention. Ther efore, selecting this opti
mal land use type in studied area could improve local ecoenvir onment and economic benefits.
Key words Northern agr opastur e ecotone, Land use type, Soil nutrient, Soil er osion.
* 国家自然科学基金资助项目( 40173034) .
* * 通讯联系人.
2004- 11- 30收稿, 2005- 04- 08接受.
1 引 言
土地利用变化可引起许多生态过程的变化, 如
土壤养分、水分、地表经流与侵蚀[ 6, 8, 11] , 以及生物
地球化学循环等变化[ 9, 10] . 而氮、磷是生态系统中
含量最丰富的元素之一, 也是大多数农业和自然陆
地生态系统初级生产过程最受限制的元素之
一[ 12, 16, 19] ,同时, 氮与碳、硫、磷等元素的循环是相
互耦合的[ 15] .研究表明, 沙地生态系统中土壤 N 含
量明显不足,是影响生态系统生产力和生态系统稳
定性的主要原因之一[ 4, 13, 21] , 而且土地利用方式的
改变常常容易导致土壤氮循环格局的变化, 从而影
响整个生态系统的稳定性和可持续性[ 1, 3, 7, 22] . 因而
氮素等研究在沙地生态系统比其它元素受到更多的
关注[ 17, 20] , 目前大尺度的空间分布格局研究较
多[ 18] ,而小尺度下的空间格局分析常被忽视, 其实
不少研究表明, 土壤小范围内的空间异质性对植物
演替、生产力和稳定性具有更大的意义[ 2, 5] . 但土地
利用变化与土壤养分元素空间分布格局关系的研究
很少[ 14] .本文选择多伦县典型农牧交错区, 试图利
用不同土地利用结构对土壤中氮、磷的影响,进一步
评价京北农牧交错带土地利用变化及其对生态环境
的影响,对于了解区域生态环境,乃至北京和全球气
候变化具有重要意义. 同时为提出合理的土地利用
配置,指导京北农牧交错区生态环境建设提供科学
依据.
2 研究地区与研究方法
2 1 研究区域特征
研究区域地貌类型属低山丘陵, 为典型的半农半牧区,
土壤结构以灰褐土到栗钙土为主, 易风蚀沙化; 典型剖面分
别是滦河流域的蔡木山、三道沟、水泉村和储草站 ,流域内从
应 用 生 态 学 报 2005年 10 月 第 16 卷 第 10 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 2005, 16( 10)∀1849~ 1852
沟底到山顶的最大高差为 120 m, 抗蚀性较差, 水土流失较
严重, 据 1995~ 2002 年土壤年侵模数分别为 3 600、3 600、
1 000和 1 600 t#km- 2 . 该区域经过几年的小流域治理和土
地利用结构的调整,如凡大于 10!以上的坡耕地一律退耕还
草还林, 其自然景观正在发生变化, 在研究的 4 种土地利用
类型的前 2 种已不多见.
22 研究方法
本项目采用水平布点和典型剖面布点两种:一是在全县
布设农田和沙化农田、草地和沙化草地以及林地 5种不同土
地利用类型,共采集了 118 个 0~ 20 cm 表层土壤样品, 每个
样品由 3~ 5 个随机分布的子样混合而成. 二是选择多伦县
有代表性的土地利用结构类型进行研究.多伦县的地貌属于
低山丘陵, 草地和农田多位于缓坡地, 由坡底至坡顶因土地
利用类型的不同而形成多种结构.其中具有代表性的类型有
草地林地耕地( a类)、林地耕地草地 ( b 类)、耕地草地林
地( c类)、人工草地天然草地林地( d 类 ) . 由于该区域经过
几年的小流域治理和土地利用结构的调整,其自然景观正在
发生变化, 4 种土地利用结构类型中的前 2 种已列入被调整
中.本研究分别在多伦县的蔡木山乡、三道沟乡、大仓乡和储
草站选择已持续 50 余年的上述 4 种类型进行研究. 各剖面
的坡度基本一致,由底部的 10!到中上部的 30!左右,沿坡底
到坡顶根据土地利用类型设置样点, 采集 0~ 20 cm 的表层
土壤, 每种土地利用类型一般取 3 个样, 每一个样为 3 个样
点的混合样.
土样经风干、过筛后分析有机质、有效磷、有效氮和全氮
含量. 有机质含量用油浴加热重铬酸钾容量法测定; 有效磷
用 0 5 mol#L- 1碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法;有效氮用碱解
扩散法(康卫皿法) ;全氮用半微量凯氏定氮法.
3 结果与分析
31 水平方向上不同土地利用类型对营养元素分
布的影响
对全县 118个土壤表层样品的分析表明, 土地
利用类型对 4个测定指标的影响较大. 林地有机质
和全氮含量最高, 其次是草地,农田含量最低, 说明
土地开垦加速有机质的分解, 进而导致全氮含量的
降低.虽然农田有机质和全氮较低, 但有效氮、磷含
量与林地和草地的相当, 这与近年来农田增加肥料
投入有关.
土壤有机质在维持土壤团粒结构方面发挥着重
要作用,有机质含量的降低使土壤结构变差, 既不利
于涵养水肥,又会加重土壤风蚀沙化.土壤沙化又会
进一步加剧有机质分解和养分损失,形成难以逆转
的恶性循环.表 1的数据很好地说明了沙化农田和
草地的有机质和养分含量已显著低于未沙化的农田
和草地.
表 1 不同土地利用类型营养元素含量
Table 1 Organic matter, and nutrients contents in soil s under di fferent
land use types
土地利用类型
Land use type
样品数
Sample
size
有机质
Organic matter
( g#kg- 1)
全氮
Total N
( g#kg- 1)
有效氮
Available N
( mg#kg- 1)
有效磷
A vailable P
( mg#kg- 1)
农田
Cropland
未沙化
Nondesertified 21
209
( ∃ 158)
199
( ∃ 012) 2455 6 1529
沙化
Desertified
22
135
( ∃ 197)
062
( ∃ 013) 90 49 1151
平均 Mean 43 171 130 1662 2 1336
草地
Grass land
未沙化
Nondesertified 40
266
( ∃ 190)
164
( ∃ 006) 1583 1 1188
沙化
Desertified
13
142
( ∃ 347)
081
( ∃ 036) 92 11 8 49
平均 Mean 53 236 144 1420 7 1105
林地
Woodland
22
255
( ∃ 176)
163
( ∃ 083) 1453 8 1388
我们在研究中还观察到地貌类型对土壤有机质
和养分含量的影响,尤以有机质和有效氮更为明显.
以有效氮为例,丘陵高地和缓坡地土壤含量较低,分
别为 1721和 1623 mg#kg- 1; 滩地土壤含量中等,
平均 2474 mg#kg- 1; 低湿洼含量最高, 达到 4039
mg#kg- 1.这种规律性反映出水分是影响土壤有机
质和养分含量的重要因素.
32 垂直方向上不同土地利用类型对营养元素分
布的影响
在垂直方向上选择> 15!坡地的 4 种不同土地
利用类型进行布点采样作于图 1. 由图 1a 可见, 在
草地林地耕地结构类型中, 坡底到坡顶土壤有效
磷、有效氮的分布均呈下降趋势, 以草地养分最高,
林地次之,坡耕地最低:只有全氮和有机质由坡底到
坡顶,即由草地到林地到坡耕地呈一个偏% n&字型变
化,其原因是因林地为较平坦地带,故全氮处于富集
状态,但土壤养分整体均呈现出积累分布规律.
在林地耕地草地结构类型中(图 1b) , 从坡底
到坡顶,除土壤有效磷和有效氮呈下降趋势外, 有机
质、全氮呈 U 字型变化趋势, 以坡底部的林地土壤
含量最高,在林地和坡耕地的转换部,因处于坡面中
部,径流对坡耕地的侵蚀力加强,致使全氮等急剧下
降达 65%以上.
由图 1c 可见, 在耕地草地林地结构类型中,
从坡底到坡顶土壤有机质、有效磷、有效氮及全氮含
量均呈递增趋势, 以坡底最底, 坡顶最高. 只有全氮
含量在草地处于较强富集状态, 但所有元素分布规
律,从坡顶林地经过草地再到坡底耕地的径流后,其
递减幅度并不大.
由图 1d可见,由坡底到坡顶,全氮和有效氮呈
缓慢降低趋势,而有机质和有效磷及有效氮均呈偏
1850 应 用 生 态 学 报 16卷
图 1 不同土地利用方式下土壤营养元素的分布
Fig. 1 Dist ribution of soil nut rients under dif ferent land use type.
a) 草地耕地林地 Grassland croplandw oodland; b ) 林地耕地草地
Woodlandcroplandgrassland; c) 耕地草地林地 Croplandgrasslan d
w oodlan d; d)人工草地天然草地林地 Cult ivated grasslandgrasslan d
w oodlan d. ∋ 有机质 Organic matter; ( 全氮 Total N; ) 有效氮
Available N; ∗ 有效磷 Available P.下同 Th e same below .
U 字型分布, 天然草场有机质和有效磷含量较低,
说明因除坡形因素外,其天然草生长稀疏,对保持养
分不利,而人工草场, 除增施少量营养肥, 且具有较
强保持土壤养分的能力.
根据以上常用 4种土地利用结构类型中土壤养
分沿坡面的分布状况, 求出每种元素的坡底均值与
坡顶均值之比值作于图 2.
图 2 4种土地利用结构类型土壤养分坡底与坡顶比值图
Fig. 2 Slope top/ bottom rat ios of soil organic mat ter, t otal N, available
N, and available P contents in four land use st ructure types.
通过比较4种土地利用结构类型坡面的土壤养
分平均含量坡底与坡顶的比值, 可以看出 4种元素
的图 1a与 1b比值都较大, 说明这 2种土地利用类
型由于耕种引起风蚀及由坡顶到坡底通过径流而产
生元素富集系数较大, 是不可采用的两种类型: 而图
1c与 1d的比值均较小,说明图 1c和 1d这 2种土地
利用结构类型,由于人为影响因素较小而由坡顶到
坡底通过径流使元素富积系数较小, 是当地应采取
的 2种土地利用结构类型.
若依据滦河各小流域目前的土壤侵蚀模数计
算,图 1中土地利用类型 c、d相对于其它 2种土地
利用结构类型而言,每年有机质可少流失 4827 kg#
km- 2, 减少 480%; 有效磷可少流失 308 kg #
km
- 2
, 减少 610%; 速效氮可少流失 982 kg #
km- 2,减少 497% ;全氮可少流失1484 kg#km- 2,
减少611% .因此,土地利用结构类型 c和d具有较
好的土壤养分保持能力和水土保持效果, 是北方农
牧交错带较好的土地利用结构类型.
4 结 语
通过对多伦县不同土地利用类型与土壤养分变
化的关系研究,可以清楚地看出农田与草地、草地与
林地在营养元素上的差别. 这种被开垦的农用地,一
是造成风蚀沙化, 二是虽然土壤全氮含量并没有明
显下降,但其内部空间结构已发生了很大变化, 如质
地在变粗,有机质在明显降低等,这种破坏土壤原有
属性的现象应加紧在其利用结构中加以调整;从不
同地貌类型上看, 不同土地利用结构与养分的分布
关系,其结果说明,地貌类型是影响元素分布的重要
因素,而不同土地利用类型在垂直方向上更加剧了
土壤侵蚀的程度, 从而成为土壤氮、磷流失的主体.
因此,应该在较短的时期内, 调整土地利用结构, 提
高土壤团粒结构和土壤保水肥能力, 以减少风蚀沙
化及其水土流失程度, 进一步改善环境.
185110 期 刘全友等: 北方农牧交错带土地利用类型对土壤养分分布的影响
参考文献
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作者简介 刘全友, 男, 1950年 7 月生, 副研究员. 主要从事
环境地球化学与农业生态研究, 发表论文 60 余篇. Email:
QYL iu@ mail. rcees. ac. cn
1852 应 用 生 态 学 报 16卷