賈宇平，侯志華，安祥生

（1.太原師范學院地理科學學院，山西太原030619；2.太原師范學院管理系，山西太原030619）

土地利用變化對土壤有機碳、全氮的影響
——以右玉縣牛心堡鄉(xiāng)為例

賈宇平1，侯志華1，安祥生2

（1.太原師范學院地理科學學院，山西太原030619；2.太原師范學院管理系，山西太原030619）

研究土地利用變化中土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）的變化是為了正確評價其生態(tài)效應。在對右玉縣牛心堡鄉(xiāng)耕地、由耕地變更而來的苗圃地、人工林地和休耕地的土壤樣品測試基礎上，運用單因素方差分析方法，探討了土地利用方式變化對SOC，TN的影響。結果顯示，土地利用方式變化加大了不同深度土層間以及同一深度土層不同土地利用類型間SOC，TN含量的差異程度，增強了SOC與TN含量的線性正相關性，顯著提升了土壤C/N值；利用方式變化后，剖面深度0～30 cm內(nèi)SOC平均含量比耕地增加了15.10%～41.26%，其中，休耕地和林地的SOC平均含量顯著高于耕地，TN平均含量為休耕地＞耕地＞苗圃地＞林地，耕地休耕或轉(zhuǎn)換為林地有利于SOC的累積，研究區(qū)土地利用方式變化已經(jīng)產(chǎn)生了正面的生態(tài)效應。

土地利用變化；土壤有機碳；全氮

土壤有機碳、全氮含量是土壤肥力的關鍵指標，且與全球變化密切相關[1]。有學者認為，土壤有機碳、氮含量主要受自然因素影響。如陳昌華等[2]對東北地區(qū)的研究表明，自然因素特別是土壤性質(zhì)對該區(qū)土壤碳氮的空間分布起主導作用；李林海等[3]對黃土高原王東溝小流域的研究發(fā)現(xiàn)，在不同地形下土壤有機碳和不同活性有機碳表現(xiàn)出中到高度的變異特征；武小鋼等[4]研究顯示，蘆芽山土壤有機碳和全氮含量與海拔呈極顯著的線性正相關；郭月峰等[5]研究認為，在高度、坡度、坡向3個地形因子中，海拔梯度變化是影響老哈河流域土壤有機碳的主導因素。也有學者認為，農(nóng)田管理、經(jīng)營時間等人為因素對土壤有機碳、氮含量有顯著影響[1，6-7]，近年來有學者還開展了土地利用對土壤有機碳、全氮的影響研究[8-12]，研究區(qū)域主要集中在我國西南地區(qū)、北方農(nóng)牧交錯帶的內(nèi)蒙古草原、黃土丘陵區(qū)和東北地區(qū)，研究結果普遍顯示，土地利用變化對土壤有機碳、全氮有顯著影響。

晉西北是我國北方農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分，是京津唐地區(qū)綠色生態(tài)屏障建設的重點地區(qū)之一。退耕還林還草等生態(tài)工程在該區(qū)持續(xù)實施多年。近年來，隨著青壯年勞動力外出務工增多，該區(qū)耕地撂荒現(xiàn)象日益增多；同時農(nóng)戶為獲得較高的土地經(jīng)濟收益，耕地改作林木苗圃地在該區(qū)也較為常見，這些現(xiàn)象直接導致了區(qū)域土地利用結構的變化。然而，學術界多年來對晉西北地區(qū)的研究主要集中在防護林建設、生態(tài)修復和雜糧作物引種試驗方面[13-15]，對土地利用的研究僅限于土地利用動態(tài)變化和驅(qū)動力分析[16]、土地利用變化對區(qū)域土地退化風險的影響[17]等方面，至于該地區(qū)土地利用變化（本研究的土地僅指農(nóng)用地）是否會引起土壤碳、氮含量的變化尚未見有相關報道。

本研究通過對晉西北右玉縣野外調(diào)研、土壤樣品采集分析，運用統(tǒng)計學方法，探討土地利用方式變化對土壤有機碳、氮的影響，旨在增進對該地區(qū)土壤有機碳、氮的變化成因的理解，對于深入了解區(qū)域土地利用變化的生態(tài)效應具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況與樣地設置

研究區(qū)為晉西北右玉縣牛心堡鄉(xiāng)（112°26′12″～112°38′27″E，40°00′08″～40°08′51″N），該鄉(xiāng)屬于黃土緩坡丘陵區(qū)，氣候是溫帶大陸性季風氣候，四季分明，多風沙，年平均氣溫3.9℃，年均降水量約為410.6 mm，地帶性土壤為栗鈣土，自然植被以針茅草、蒿類為主，次生林、灌叢也有一定發(fā)育。全鄉(xiāng)土地面積19 896.25 hm2，其中，耕地（全部為旱地）約占29.44%，林地約占25.66%，其他草地約占41.65%。近年來，隨著農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移和各項生態(tài)工程的實施，全鄉(xiāng)土地利用方式正在發(fā)生變化，部分耕地轉(zhuǎn)為經(jīng)濟收益較高的林木苗圃地，部分耕地變更為人工林地，還有部分耕地被撂荒成為休耕地，土地耕種面積數(shù)量減少，休耕地、人工林地和林木苗圃地面積擴大。

根據(jù)當?shù)赝恋乩玫膶嶋H狀況，以種植農(nóng)作物的耕地為參照，利用方式變化后的土地選擇了林木苗圃地（簡稱為苗圃地）、人工林地（簡稱為林地）、休耕地3類樣地，這3類用地在5 a前均由耕地轉(zhuǎn)換而來，且海拔高度、地形坡度、土壤類型等自然條件基本與參照耕地一致，樣地基本情況如表1所示。

耕地以種植馬鈴薯、玉米、莜麥等農(nóng)作物為主，苗圃地栽培的是樟子松苗木，林地栽種的是華北落葉松（林下有針茅草等草本植物），休耕地上生長的主要有針茅草、百里香等草本植物。

表1 樣地基本情況

1.2 土樣采集與分析測試

土壤樣品采集集中在2014年11月初完成。在4類樣地上分別隨機選取3個10 m×10 m的樣方，按S型在每個樣方內(nèi)選取7個鉆孔取樣點。取樣時，先除去土體表面的枯枝落葉，取樣共分3層，深度分別為0～10，10～20，20～30 cm。將同一樣方內(nèi)各取樣點上的土壤樣品分層混合，去除礫石、植物殘體等，用四分法采集混合樣品。樣品帶回室內(nèi)自然風干、研磨粉碎、過0.149 mm篩，裝入保鮮袋，用于測定土壤有機碳和全氮含量。

土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，全氮（TN）含量采用半微量開氏法測定[18]，土壤樣品測試分析于2015年3月完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)處理和制圖采用軟件Excel 2003和SPSS 19.0進行，對不同土地利用方式、不同深度土層之間的SOC，TN含量的統(tǒng)計分析選用單因素方差分析（ANOVA）方法，多重比較采用LSD法，同一土地利用方式下SOC與TN含量的關系研究采用回歸分析法。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化對SOC含量的影響

由圖1可知，在0～30 cm土壤剖面上，4類用地的SOC含量均隨土層深度增加而逐漸減少，SOC含量最大值（7.79 g/kg）出現(xiàn)在休耕地的0～10 cm土層（簡稱表層），最小值（4.19 g/kg）出現(xiàn)在耕地的20～30 cm土層（簡稱底層）。剖面底層與表層SOC含量相比，耕地、苗圃地、林地、休耕地分別減少了18.88%，28.11%，33.32%，26.58%，耕地減少幅度最小，林地減少幅度最大。4類用地都是表層的SOC含量顯著高于底層，而與10～20 cm土層（簡稱中間層）差異不顯著，除苗圃地外，其他3類用地的中間層與底層的SOC含量也都有顯著差異（P＜0.05）。

0～30 cm耕地、苗圃地、林地、休耕地的SOC平均含量分別為4.83，5.56，6.01，6.82 g/kg，與耕地相比，其他3類用地的SOC平均含量分別增加了15.10%～41.26%，增加幅度從大到小依次為休耕地＞林地＞苗圃地；林地和休耕地與耕地間均有顯著差異，且休耕地與苗圃地間也有顯著差異，說明土地利用方式變化已經(jīng)使0～30 cm范圍內(nèi)土壤的SOC平均含量產(chǎn)生了顯著分化。

各土層中，與同層耕地相比，其他3類用地的SOC含量均增加，增幅順序都是休耕地＞林地＞苗圃地。其中，表層SOC含量的分化最明顯，與耕地相比，其他3類用地表層SOC含量增加了23.52%～50.94%，3類用地的SOC含量顯著高于耕地，并且苗圃地與休耕地之間也存在顯著差異；中間層SOC含量的分化程度低于表層，雖然其他3類用地的SOC含量比耕地增加了11.23%～35.32%，但是苗圃地與耕地之間差異已不再顯著；底層SOC含量的分化程度最低，其他3類用地的SOC含量比耕地增加了9.47%～36.61%，只有休耕地與耕地的SOC含量之間有顯著差異。

2.2 土地利用變化對TN含量的影響

由圖2可知，0～30 cm土壤剖面上，4類用地的TN含量均隨土層深度增加逐漸減少，TN含量最大值（0.84 g/kg）出現(xiàn)在林地表層，最小值（0.41 g/kg）出現(xiàn)在林地的底層。剖面底層與表層TN含量相比，耕地、苗圃地、林地、休耕地分別減少了7.04%，13.60%，50.99%，16.18%，耕地減少幅度最小，林地減少幅度最大。耕地和休耕地各深度土層之間TN含量都沒有顯著差異，苗圃地表層與底層有顯著差異，林地的各土層間都有顯著差異?？梢姡恋乩梅绞睫D(zhuǎn)換使不同土層間的TN含量出現(xiàn)了分化，分化的程度林地高于苗圃地，苗圃地高于休耕地。

與0～30 cm耕地的TN平均含量（0.69 g/kg）相比，休耕地增加了7.06%，苗圃地和林地分別減少了8.35%和11.24%，3類用地與耕地的TN平均含量之間差異不顯著，但林地與休耕地之間出現(xiàn)了顯著差異，說明土地利用方式轉(zhuǎn)換對土壤TN平均含量的影響已經(jīng)顯現(xiàn)。

與同一土層耕地的TN含量相比，表層苗圃地減少了3.28%，林地和休耕地分別增加了18.77%和13.14%，只有林地的TN含量顯著高于耕地且顯著高于苗圃地；中間層苗圃地和林地的TN含量分別減少了11.80%和16.98%，休耕地增加了5.66%，只有林地與耕地有顯著差異且與休耕地也有顯著差異；底層苗圃地和林地分別減少了10.11%和37.38%，休耕地增加了2.02%，林地與其他3類用地間都有顯著差異。可見，土地利用變化初期，土壤TN含量變化最大的是林地，最小的是休耕地。

2.3 不同土地利用方式下SOC與TN含量的關系

4種土地利用方式下SOC與TN含量的線性關系如圖3所示?；貧w分析顯示，耕地的TN與SOC含量呈顯著正相關（R2＝0.543 5），苗圃地、林地和休耕地的TN與SOC含量均呈極顯著正相關（R2分別為0.906 6，0845 0和0.739 2），TN含量隨著SOC含量增加而增加的速率以林地最快，苗圃地最慢，休耕地慢于耕地。

由表2可知，除林地外，耕地、苗圃地和休耕地的C/N均隨深度增加而減少，耕地和苗圃地的各土層深度之間C/N值均沒有顯著差異，林地的表層與下部2層間有顯著差異，休耕地的表層與底層有顯著差異。剖面上土壤C/N的平均值以耕地最低、苗圃地次之、休耕地較高、林地最高，耕地與其他3類用地的C/N平均值均有顯著差異。若分深度層次看，上部2層耕地與其他3類用地的C/N值差異明顯，底層耕地只與林地的C/N值有顯著差異，表明土地利用變化引起了SOC和TN累積速度的差異性變化，從而導致土壤C/N的改變。

表2 不同土地利用方式的C/N值

3 結論

本研究結果表明，土地利用方式轉(zhuǎn)換引起了同深度土層SOC含量的顯著分化，表層SOC含量的分化程度最明顯，中間層次之，底層分化程度最低。土地利用方式變化導致土壤剖面0～30 cm的SOC平均含量比耕地增加了15.10%～41.26%，增幅從大到小依次為休耕地＞林地＞苗圃地，林地和休耕地的SOC平均含量均顯著高于耕地。

土地利用方式變化使TN含量發(fā)生差異性的變化。林地的各土層間、苗圃地的底層與表層間TN含量變化明顯；林地與耕地在各土層均有顯著差異，并且林地與苗圃地在表層和底層、林地與休耕地在中間層和底層之間都有顯著差異，苗圃地與休耕地在中間層有顯著差異；土壤深度0～30 cm內(nèi)TN平均含量為休耕地＞耕地＞苗圃地＞林地，苗圃地、林地和休耕地均與耕地的TN平均含量間差異不明顯，但林地與休耕地的TN平均含量間有顯著差異。

土地利用方式改變增強了SOC與TN含量的線性正相關性，TN含量隨著SOC含量增加而增加的速率為林地＞耕地＞休耕地＞苗圃地。土地利用方式變化顯著提升了土壤C/N值，升幅順序為林地＞休耕地＞苗圃地，耕地轉(zhuǎn)換為林地和休耕地更有利于SOC的累積，研究區(qū)土地利用變化已經(jīng)產(chǎn)生了正面的生態(tài)效益。

4 討論

4類土地利用方式下，SOC和TN含量均隨土層深度增加而減少，減少速度是林地、休耕地和苗圃地大于耕地，與鄭杰炳等[8]的研究結果基本一致。

由于耕地受人類擾動強烈，研究區(qū)農(nóng)田在作物收獲后秸稈大多數(shù)沒能還田，再加上機械耕作的影響，土壤有機質(zhì)的分解加速[12]，導致耕地SOC含量較低。耕地變更為林地、休耕地和苗圃地后，幾乎全部的凋落物都直接向土壤提供有機物質(zhì)，而且人類活動對土地的機械擾動也減輕，特別是林地和休耕地受人類活動影響很小，土壤有機質(zhì)的分解速度放緩，所以，林地、休耕地和苗圃地剖面上各層SOC的含量均高于耕地，尤其在表層差異最為顯著，這與其他學者[8-9，11]的研究成果相類似，表明在研究區(qū)土地休耕和退耕還林有利于SOC的累積。4類用地的SOC與TN含量間均呈顯著或極顯著正相關，證實了前人的研究結果[8-9，11-12]。林地、休耕地和苗圃地的土壤C/N值都高于耕地，進一步說明土地退耕后土壤的固碳能力得到大幅度提升，在生態(tài)較為脆弱的晉西北地區(qū)土地利用變化已經(jīng)產(chǎn)生了正面的生態(tài)效益。至于土地利用變化對土壤SOC和TN的長期影響將會怎樣，還有待于進一步研究。

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Effects of Land Use Changes on Soil Organic Carbon and Total Nitrogen—Taking Niuxinbao Township in Youyu County as an Example

JIAYuping1，HOUZhihua1，ANXiangsheng2
（1.College of Geography Science，Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China；2.Department of Management，Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China）

A deep understanding of the change of soil organic carbon（SOC）and total nitrogen（TN）during land use changes is significantly important for its ecological benefits evaluation.Based on the soil samples analysis on cultivated land,nurseryl and,plantation forestland and abandoned land,taking Niuxinbao township in Youyu county as an example,the effects of land use changes on SOC and TN were discussed by ANOVA.The results showed that due to land use changes,the differences of SOC and TN content among soil layers and land use types in the same depth soil layer increased,the linear positive correlation between the contents of SOC and TN enhanced, and the soil C/N value significantly increased.After land use changes,the average content of SOC increased by 15.10%-41.26%in the depth of0-30 cm.The SOC average content of plantation forestland and abandoned land were far higher than that of cultivated land.The average content of TN was in the order of abandoned land＞cultivated land＞nursery land＞plantation forestland.Land fallow and returning farmland to forest were beneficial to the accumulation of SOC.Land use changes already had positive effects on the ecological environment in the study area.

land use changes;soil organic carbon;total nitrogen

S153.6

A

1002-2481（2016）11-1648-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.18

2016-07-03

國家自然科學基金項目（41271143）

賈宇平（1968-），女，山西長子人，副教授，碩士，主要從事土壤地理、土地利用等研究工作。