馬志敏，呂一河，孫飛翔，王江磊

(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

土地利用與土地覆被變化是全球環(huán)境變化的重要組成部分，是基于自然環(huán)境條件的人類(lèi)活動(dòng)的集中反映［1］，引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程的變化［2-3］，如地表植被變化影響植被凋落物量、生物多樣性、地表徑流和侵蝕過(guò)程、土壤養(yǎng)分和水分的變化以及生物地球化學(xué)循環(huán)［4-6］等。土地利用變化會(huì)引起土壤管理措施的改變，從而對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響［7］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就不同土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響做了大量工作，一致認(rèn)為，不同土地利用方式的變化必然導(dǎo)致土壤性質(zhì)和土地生產(chǎn)力的改變［8］。傅伯杰等在河北遵化縣對(duì)土地利用變化與土壤養(yǎng)分變化的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出河北遵化縣1980—1999年大量的旱地轉(zhuǎn)換為林草地后土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷及速效氮)全面提高［9］。信忠保等在黃土丘陵溝壑區(qū)羅玉溝、呂二溝的研究表明，林地、坡耕地、梯田、果園和草地等五種土地利用方式中，草地土壤養(yǎng)分最差，坡耕地的土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效養(yǎng)分)都較草地的高［10］。土壤養(yǎng)分的變化不僅受到土地利用類(lèi)型的影響，還因土地利用結(jié)構(gòu)的不同而存在差異。在黃土丘陵區(qū)的研究表明，從梁底到梁頂?shù)耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)中，坡耕地—草地—林地、梯田—草地—林地的結(jié)構(gòu)模式具有較好的土壤保持能力，其土壤養(yǎng)分的平均含量要高于其它土地利用結(jié)構(gòu)［11-13］。此外，土壤養(yǎng)分變化受到多重因素(地表覆蓋類(lèi)型、地形地勢(shì)、氣候、灌溉條件等)的影響，在不同地區(qū)地理氣候條件下土壤養(yǎng)分變化呈現(xiàn)多樣性特征［3］。

西北干旱區(qū)位于我國(guó)內(nèi)陸，其面積較廣，生態(tài)環(huán)境脆弱，在高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)影響下存在較高的生態(tài)退化風(fēng)險(xiǎn)，并且生態(tài)系統(tǒng)一旦退化就難以恢復(fù)。甘肅省張掖市的甘州區(qū)和臨澤縣位于西北干旱區(qū)的河西走廊，是典型的荒漠綠洲交錯(cuò)鑲嵌的生態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)荒漠開(kāi)墾為農(nóng)田綠洲后，土壤質(zhì)量會(huì)隨之發(fā)生顯著變化［7］。劉文杰等對(duì)黑河中游綠洲農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分時(shí)空變化特征的研究表明，2008年土壤速效養(yǎng)分含量比1982年有顯著提高，尤其是速效磷增加了225.6%，認(rèn)為土壤缺磷不再是臨澤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要限制因子［14］。合理評(píng)估土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，對(duì)于揭示土地利用的生態(tài)效應(yīng)具有重要意義;探討土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化的影響因子對(duì)于土壤養(yǎng)分和土壤碳庫(kù)的科學(xué)管理具有積極意義。

土壤養(yǎng)分的相關(guān)指標(biāo)中，土壤有機(jī)質(zhì)直接影響土壤的保肥性、緩沖性、通氣狀況和土壤溫度，氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)的必須營(yíng)養(yǎng)元素，是土壤肥力的重要基礎(chǔ)［15］。土壤酸堿度更是一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映土壤的酸堿平衡體系，是土壤養(yǎng)分循環(huán)的一個(gè)主控因子［16］。本文以黑河中游的張掖市甘州區(qū)和臨澤縣為典型區(qū)，研究土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分變化的影響，從整體、土地利用、土地利用轉(zhuǎn)變或保持三個(gè)角度，分析土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀以及土壤pH值對(duì)土地利用的響應(yīng)特征，探討土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分變化的影響特征及其潛在風(fēng)險(xiǎn)，為土地利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是位于甘肅省張掖市的甘州區(qū)和臨澤縣，地處甘肅省河西走廊中部，地理范圍為東經(jīng)99°51'— 100°6'，北緯38°32'—39°42'，南依祁連山，北接合黎—龍首山系，黑河從境內(nèi)貫穿而過(guò)，該區(qū)水資源較為豐富、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。四季云量少，光照充足，年平均日照時(shí)數(shù)約為3050 h，年均降雨量約為120 mm，變動(dòng)范圍多在80—140 mm，臨澤縣和甘州區(qū)的年均蒸發(fā)量分別為1830 mm和2047 mm，野外樣點(diǎn)調(diào)查海拔分布范圍1276—2300 m。張掖市改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，1978年國(guó)民生產(chǎn)總值為2.52億元，2011年國(guó)民生產(chǎn)總值已經(jīng)達(dá)到256.84億元，是原來(lái)的100多倍。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是典型的綠洲農(nóng)業(yè)和大型灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，盛產(chǎn)玉米、小麥、豆類(lèi)、紅棗及各種蔬菜，是全國(guó)重點(diǎn)商品糧基地和制種基地。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，耕地面積持續(xù)擴(kuò)大，土地利用格局發(fā)生了顯著改變，林地、草地、荒漠被持續(xù)地開(kāi)墾為耕地，同時(shí)耕地、草地、荒漠、林地之間也發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。

土地利用方式以耕地為主，絕大部分耕地種植玉米(Zea mays L.)，少量耕地用于小麥(Triticum aestivum L.)、溫室蔬菜、葡萄(Vitis vinifera)及藥材等的栽培。草地類(lèi)型主要為山前荒漠草地和濱河濕地草地，受人為干擾和破壞程度較小，優(yōu)勢(shì)種為蘆葦(Phragmites australis(cav.)Trin.ex Steud.)和苣荬菜(Sonchus arvensis Linn.)，其土壤類(lèi)型以灌漠土、荒漠風(fēng)沙土、灰棕漠土等為主。林地類(lèi)型包括旱地林場(chǎng)、濱河樹(shù)林和人工種植的林地3種類(lèi)型，旱地林場(chǎng)的主要樹(shù)種為小葉楊(Populus simonii Carr.)和沙棗(Elaeagnus angustifolia Linn.)，濱河樹(shù)林建群植被有紅柳(Tamarix ramosissima Ledeb.)、小葉楊和沙棗，人工種植林地則以小葉楊、新疆楊(Populus alba Linn.var.pyramdalis Bunge)為主。荒漠則多分布于綠洲周邊和龍首山周邊，前者植被稀少，地表多有少許石礫，后者分布海拔較高，在1700 m以上;荒漠典型特點(diǎn)是土壤較干，植被以珍珠豬毛菜(Salsola passerina Bunge)和合頭草(Sympegma regelii Bunge)為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

圖1 研究區(qū)位置及樣地分布Fig．1 The location of study areas and distribution of sample plots

2011—2012年野外布點(diǎn)采集土樣，從南部的祁連山山前到北部的龍首—合黎山，在荒漠綠洲區(qū)選擇典型的耕地、林地、荒漠等類(lèi)型布點(diǎn)采樣，共布設(shè)53個(gè)樣地(圖1)。每個(gè)樣地利用GPS記錄經(jīng)緯度，收集表層0—20 cm的土壤，在樣地不同位置重復(fù)取土樣3次，裝入布袋，并做標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過(guò)100目篩子，測(cè)定土壤全量養(yǎng)分，包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和pH值。

收集甘州區(qū)(1980)、臨澤縣(1982)的全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)得到的黑河流域1∶100萬(wàn)土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)集，該1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)圖編制工作始于1986年，其中屬性表里的土壤表層養(yǎng)分屬性包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷和酸堿度。全國(guó)第二次土壤普查時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法測(cè)定，采用的介質(zhì)是液體石蠟油，在高溫185—190℃ 條件下，用過(guò)量的標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀-濃硫酸溶液氧化土壤中有機(jī)碳，加鄰菲羅啉指示劑后，用硫酸亞鐵溶液滴定多余重鉻酸鉀;土壤全氮采用的是高氯酸-濃硫酸硝化后，光電比色測(cè)定;土壤全磷同樣采用高氯酸-濃硫酸消解體系，外加鉬銻抗顯色劑，光電比色測(cè)定;土壤全鉀采用CaCO3-NH4CL焙燒，用火焰光度計(jì)測(cè)定其水浸提液;土壤酸堿度用5∶1水土比與永久色階進(jìn)行比色測(cè)定或通過(guò)電位法測(cè)定［17］。收集黑河中游1986年1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)集中的矢量數(shù)據(jù)，采用中國(guó)科學(xué)院土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，該數(shù)據(jù)集剪裁于1986年中國(guó)1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)集，同時(shí)收集黑河中游2000、2005、2007年三期的土地利用矢量數(shù)據(jù)。

1.3 土壤樣品測(cè)試方法［18］

土壤pH值用pH計(jì)測(cè)定，具體方法是測(cè)定常溫下以5∶1的水土質(zhì)量比例溶于規(guī)格為50 mL燒杯中(土壤5 g，去離子水25 mL)，用玻璃棒攪拌使其溶解，靜置，取其上清液與玻璃試管中，用標(biāo)準(zhǔn)試劑液校準(zhǔn)(兩點(diǎn)校正)過(guò)的pH計(jì)測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，具體為稱(chēng)取0.5 g100目土壤于50 mL的比色管中，加入5 mL濃度為0.800 mol/L的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液和5 mL濃硫酸，置于試管架上，在烘箱中于105℃下加熱10 min中，冷卻后，從試管移入錐形瓶中，加入鄰菲羅林指示劑2—3滴，用濃度為0.2 mol/L的硫酸亞鐵溶液滴定。土壤全氮用德國(guó)Vario ELⅢ元素分析儀測(cè)得，具體為稱(chēng)取30 mg的100目土壤于專(zhuān)用的錫舟中，包好后放于分析儀的轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)，所用的標(biāo)準(zhǔn)土樣為GSS-8。全磷和全鉀用(ICP-OES)同時(shí)測(cè)定，具體為稱(chēng)取0.1 g(精確到0.001 g)100目土壤于聚四氟乙烯坩堝中，依次加入各種酸后再電熱板上消煮，消煮體系為硝酸-高氯酸-氫氟酸-鹽酸，消煮方法采用的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9836-88，鉀測(cè)定采用的分析線(xiàn)波長(zhǎng)為766.491 nm，磷測(cè)定采用的分析線(xiàn)波長(zhǎng)為214.914 nm。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用ArcGIS 9.3生成采樣點(diǎn)的圖層，疊置于全國(guó)第二次土壤普查黑河流域1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)集上，得到樣點(diǎn)處80年代初的表層土壤養(yǎng)分值，結(jié)合實(shí)際測(cè)定土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)比分析30年耕層土壤養(yǎng)分的變化;結(jié)合研究區(qū)1986、2000、2005和2007年4期土地利用數(shù)據(jù)集來(lái)比對(duì)樣點(diǎn)尺度30年來(lái)土地利用類(lèi)型變化對(duì)土壤養(yǎng)分的影響?；?PASW)18.0軟件進(jìn)行土壤養(yǎng)分特征的分析。運(yùn)用單因素方差分析(One-way ANOVA)來(lái)檢驗(yàn)土地利用間土壤養(yǎng)分變化的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分的總體變化

研究區(qū)土壤養(yǎng)分的總體情況如表1所示。全國(guó)第二次土壤普查時(shí)，研究區(qū)表層(0—20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的平均值依次為15.83、0.91、0.80、20.14 g/kg，pH值8.3。在5項(xiàng)土壤指標(biāo)中，土壤pH值變異系數(shù)最小，僅為0.038，變異系數(shù)最大的為土壤有機(jī)質(zhì)、全氮，變異系數(shù)大小分別為0.63和0.59。這表明80年代初，研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量比較低，氮、磷俱缺，土壤鉀相對(duì)豐富［19］。2011—2012年，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的平均值分別為15.27、1.59、0.71 g/kg和40.03 g/kg，它們的變異系數(shù)分別為0.34、0.37、0.41、0.04，同時(shí)土壤的pH值平均值為8.65，變異系數(shù)為0.024。30年來(lái)，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全磷分別降低了3.54%、12.5%，而全氮和全鉀及pH值分別增加了74.7%、98.2%與4.9%。土壤中有機(jī)質(zhì)含量減少了0.56 g/kg，而土壤全氮和全鉀的含量大幅增加，土壤堿性增強(qiáng)。

2.2 不同土地利用的土壤養(yǎng)分特征

研究區(qū)內(nèi)不同土地利用的土壤養(yǎng)分情況如表2所示。

表1 研究區(qū)兩個(gè)時(shí)期土壤養(yǎng)分及其變化情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of soil nutrients and the variation in study area of two periods

表2 不同土地利用類(lèi)型土壤養(yǎng)分不同時(shí)期的對(duì)比Table 2 Contrast of soil nutrients under different land use types between different periods

(1)土壤有機(jī)質(zhì)變化 全國(guó)第二次土壤普查時(shí)，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高的是林地(28.47 g/kg)，耕地(16.74 g/kg)次之，其后為草地(12.59 g/kg)，荒漠(12.3 g/kg)最小。林地土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于其他土地利用類(lèi)型，而耕地、草地和荒漠之間土壤有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有顯著差異;就土壤有機(jī)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)差大小而言，荒漠(13.3)＞林地(11.1)＞草地(10.82)＞耕地(6.97)，荒漠土壤有機(jī)質(zhì)變異性最大，耕地土壤有機(jī)質(zhì)變異性最小。2011—2012年時(shí)，林地表層(0—20 cm)平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為17.82 g/kg，荒漠為15.66 g/kg，耕地為14.77 g/kg，其標(biāo)準(zhǔn)差大小為林地(7.26)＞耕地(5.03)＞荒漠(3.80)。30年來(lái)，林地和耕地的土壤有機(jī)質(zhì)呈下降趨勢(shì)，而荒漠的土壤有機(jī)質(zhì)則呈累積效應(yīng)，并且區(qū)內(nèi)荒漠土壤有機(jī)質(zhì)的變異性減少最為明顯。

(2)土壤全氮、全磷、全鉀的變化 全國(guó)第二次土壤普查時(shí)，土壤全氮、全鉀在土地利用間呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，林地 ＞耕地 ＞草地＞荒漠;土壤全磷的大小特點(diǎn)為耕地含量最高，草地次之，其后為林地，荒漠的土壤全磷最小;土壤全磷的標(biāo)準(zhǔn)差在0.17—0.26之間，土壤全鉀的標(biāo)準(zhǔn)差變動(dòng)范圍是1.86—4.44，土壤全氮的標(biāo)準(zhǔn)差在0.48—0.57之間。2011—2012年時(shí)，表層土壤全氮、全磷、全鉀在各土地利用間的大小關(guān)系較全國(guó)第二次土壤普查時(shí)期發(fā)生了改變。土壤全氮含量大小次序?yàn)楦?＞林地＞荒漠，土壤全鉀的大小次序?yàn)榱值?＞荒漠＞耕地，土壤全磷的含量大小次序?yàn)楦?＞荒漠 ＞林地。從時(shí)間上比較，耕地和荒漠的土壤全氮和全鉀含量增加明顯、土壤全磷稍微降低，而林地的土壤全鉀含量增加，但土壤全氮和全磷含量都減少，流失較為突出。

(3)土壤pH值變化 各土地利用間的土壤pH值相差不大。全國(guó)第二次土壤普查時(shí)，林地(7.6)＜耕地(8.31)＜草地(8.27)＜荒漠(8.36)，荒漠土壤pH值最大，林地土壤pH值最小;2011—2012年時(shí)，區(qū)內(nèi)土壤pH值呈增大趨勢(shì)，土壤表層趨向堿性變化，荒漠(8.59)＜耕地(8.66)＜林地(8.71)，并且林地、耕地的土壤pH值趨堿性程度較荒漠更強(qiáng)。

2.3 樣地尺度土地利用變化的土壤養(yǎng)分效應(yīng)

樣地尺度上，比較土地利用保持不變或者發(fā)生改變后的土壤養(yǎng)分變化趨勢(shì)來(lái)揭示土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分變化的直接影響。根據(jù)野外調(diào)查樣地經(jīng)緯度信息和土地利用類(lèi)型以及1986年土地利用數(shù)據(jù)，確定土地利用變化類(lèi)型是維持還是改變。選取耕地-耕地、荒漠-荒漠、草地-耕地、草地-荒漠和草地-林地5種典型土地利用變化類(lèi)型來(lái)比較其土壤養(yǎng)分變化特點(diǎn)(表3)。如“耕地-耕地”表示全國(guó)第二次土壤普查時(shí)的土地利用類(lèi)型和2011—2012年的土地利用類(lèi)型相同，均為耕地，同理，草地-耕地表示全國(guó)第二次土壤普查時(shí)草地類(lèi)型轉(zhuǎn)變成了2011—2012年的耕地。

不同土地利用變化類(lèi)型有著不同的土壤養(yǎng)分變化效應(yīng)，土壤有機(jī)質(zhì)增加的土地利用變化類(lèi)型按增加量大小排列依次為荒漠-荒漠、草地-荒漠和草地-耕地，土壤有機(jī)質(zhì)平均增量依次為5.23 g/kg、4.25 g/kg和1.51 g/kg，耕地-耕地維持類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)減少0.85 g/kg、草地-林地變化類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)平均減少10.30 g/kg。耕地-耕地土壤全氮增加量最大，為0.91 g/kg，草地-耕地土壤全氮增加量為0.73 g/kg，草地-荒漠土壤全氮增加量為0.62 g/kg，荒漠-荒漠土壤全氮增量最小，為0.33 g/kg，相反，草地-林地的土壤全氮減少了0.10 g/kg。按土壤全鉀的變化量大小依次荒漠-荒漠、草地-荒漠、耕地-耕地、草地-耕地和草地-林地，前4種土地利用變化類(lèi)型間的土壤全鉀變化量沒(méi)有顯著差異，荒漠-荒漠和草地-荒漠的土壤全鉀變化量要極顯著地高于草地-林地。

5種土地利用變化類(lèi)型中，唯草地-耕地的土壤全磷增加，增量為0.15 g/kg，其它土地利用變化類(lèi)型的土壤全磷含量減少，減少最多的為草地-荒漠，土壤全磷減少量為0.45 g/kg，荒漠-荒漠的土壤全磷減少量為0.24 g/kg，草地-林地土壤全磷減少0.16 g/kg，耕地-耕地的土壤全磷減少量最小，僅為0.05 g/kg，并且唯有草地-耕地與草地-荒漠土壤全磷變化量差異顯著。土壤pH值變化在土地利用變化類(lèi)型中也有明顯差異，草地-林地土壤pH值增大了0.82，耕地-耕地土壤pH值增大了0.39，而荒漠-荒漠土壤pH值則減少了0.12，這3種土地利用變化類(lèi)型間土壤pH值變化量存在極顯著差異。

表3 基于樣地的土地利用維持或改變后土壤養(yǎng)分的變化量Table 3 The variation of soil nutrients with land use condition based on field plots

耕地-耕地與荒漠-荒漠，這兩種土地利用保持的土壤養(yǎng)分效應(yīng)有著截然不同的特點(diǎn)，前者土壤有機(jī)質(zhì)含量減少，后者明顯增加;前者土壤pH值增大堿性增強(qiáng)，后者土壤pH值減小趨于脫堿;兩者的全氮、全鉀都增加，但前者全氮的增加要大于后者，前者土壤全鉀的增加小于后者，同時(shí)全磷都減小，但前者的效應(yīng)弱于后者。

草地-耕地與草地-荒漠是草地的兩種土地利用變化類(lèi)型，草地-耕地土壤全磷含量增加0.15 g/kg，但草地-荒漠土壤全磷含量減少0.45 g/kg;草地-荒漠的土壤有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)效應(yīng)強(qiáng)于草地-耕地，在全氮和全鉀上兩者都有增加，草地-耕地土壤全氮增量大于草地-荒漠，但前者的土壤全鉀增量小于后者，兩者土壤pH值都增加，分別增加了0.44和0.46。

3 討論

土地利用是環(huán)境屬性的綜合反映，由不同土地利用構(gòu)成的異質(zhì)景觀影響土壤養(yǎng)分的分布和遷移［12］。與分析不同土地利用的土壤養(yǎng)分大小相比，土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分的長(zhǎng)期時(shí)間效應(yīng)更值得關(guān)注和探討。本研究的結(jié)果表明，黑河中游荒漠綠洲區(qū)，耕地長(zhǎng)期利用造成土壤養(yǎng)分的變化，土壤中全氮、全鉀含量增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤pH值增大;荒漠自然演替使得土壤有機(jī)質(zhì)的含量平均提升了5.23 g/kg，同時(shí)土壤pH值下降了0.12。這說(shuō)明荒漠區(qū)灌叢植被定居和演替對(duì)土壤化學(xué)性狀具有明顯的改變。土壤理化性狀的改變既是植被對(duì)土壤的作用，也是影響植被演替方向的重要因素［20］。

土地利用發(fā)生變化后，土壤養(yǎng)分含量在時(shí)間和空間上發(fā)生改變。王根緒等在黑河流域中游土地利用變化的環(huán)境影響研究中表明，草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? a后，0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量略有減少;耕種10 a以上，0—50 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量大幅度減少，逐漸形成亞穩(wěn)態(tài)［21］。原因是土地利用的改變伴隨著人類(lèi)對(duì)土地的作用方式和強(qiáng)度的變化。草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀殡S翻耕、施肥和灌溉等農(nóng)業(yè)管理措施，有機(jī)物降解加快，消耗加劇，土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低，同時(shí)化肥大量使用使得土壤的全鉀、全氮含量升高，土壤pH值增加。草地轉(zhuǎn)化為荒漠，水分減少，土壤漸干，較為抗旱的植被代替原來(lái)的草地植被，生長(zhǎng)緩慢、消耗養(yǎng)分較少，荒漠植被低葉面積，適口性差，高比例的土壤枝葉凋落物［22］，使得土壤養(yǎng)分含量增加。

可見(jiàn)，荒漠綠洲區(qū)耕地開(kāi)墾后，在粗放的管理模式下，隨著耕作管理時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤質(zhì)量發(fā)生退化，突出地表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)減少，堿化程度升高，這將對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理帶來(lái)重要挑戰(zhàn)。因此，控制農(nóng)田擴(kuò)張、改善農(nóng)田的水肥管理［23］對(duì)于維系荒漠綠洲區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康非常重要。相反，荒漠生態(tài)系統(tǒng)作為少受人為干擾的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，其自然演替能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累，表現(xiàn)出顯著的土壤固碳效應(yīng)，同時(shí)，堿化程度降低。所以，從維持荒漠綠洲區(qū)生態(tài)健康的角度，有必要加大荒漠生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)。

土壤養(yǎng)分變化動(dòng)態(tài)不僅取決于土地利用的變化還受到土壤類(lèi)型的影響。表3中的草地-林地轉(zhuǎn)換，土壤有機(jī)質(zhì)降低了10.30 g/kg，經(jīng)過(guò)2000、2005、2007年三期土地利用數(shù)據(jù)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，從1986年至2007年一直是草地，直接原因是兩個(gè)樣點(diǎn)位的土壤類(lèi)型不同，即土壤養(yǎng)分的初始狀態(tài)不同，一個(gè)為荒漠風(fēng)沙土，一個(gè)為石灰性草甸土，草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值赝寥鲤B(yǎng)分效應(yīng)，在荒漠風(fēng)沙土上增加累積，在石灰性草甸土上下降。Bellamy等在研究英格蘭和蘇格蘭1978—2003年土壤碳庫(kù)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳的變化率與土地利用、降雨類(lèi)型、土壤質(zhì)地類(lèi)型不存在統(tǒng)計(jì)上的顯著相關(guān)關(guān)系，但是土壤有機(jī)碳改變速率與初始有機(jī)碳含量呈顯著線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系［12］。即土壤養(yǎng)分的損失，特別是土壤有機(jī)質(zhì)的損失與土壤的初始狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)，一定程度上土壤類(lèi)型影響土壤養(yǎng)分的變化。另外土壤養(yǎng)分中的氮的循環(huán)還受到土壤pH值的影響。Cheng等在加拿大亞伯達(dá)省中部利用氮-16同位素示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)土壤pH值增加促使氮素礦化［8］，這說(shuō)明土壤pH值增加，一定程度上可能加劇了土壤有機(jī)物的分解。

4 結(jié)論

整體上，2011—2012年表層土壤養(yǎng)分含量較全國(guó)第二次土壤普查20世紀(jì)80年代時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)、全磷含量分別降低了3.54%和12.5%，土壤全氮增加了74.4%，土壤全鉀近乎翻番，土壤pH值上升4.9%。

表層土壤養(yǎng)分的時(shí)間動(dòng)態(tài)因土地利用不同而異，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)而言，耕地的長(zhǎng)期耕作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)顯著降低，而荒漠生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)質(zhì)累積效果明顯，表現(xiàn)出良好的土壤固碳效應(yīng)，表明荒漠有較高的長(zhǎng)期固碳潛力;荒漠和耕地土壤中都呈現(xiàn)全氮含量的增加，但來(lái)源不同，荒漠的全氮增量來(lái)源于含氮有機(jī)物，耕地的全氮增量則來(lái)源于化肥的施用;耕地土壤持續(xù)堿化，荒漠土壤pH值在減小。土地利用轉(zhuǎn)換對(duì)土壤養(yǎng)分變化具有驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，但也要注意土壤類(lèi)型和土地利用轉(zhuǎn)換對(duì)土壤養(yǎng)分的耦合影響。

本研究表明，盡管我國(guó)西北荒漠綠洲區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的壓力日益增加，自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)仍然是必須強(qiáng)化和長(zhǎng)期堅(jiān)持的重要工作，關(guān)系到區(qū)域生態(tài)安全的維持。嚴(yán)格控制耕地向自然、半自然生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)張，大力提升農(nóng)田經(jīng)營(yíng)管理水平，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

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