李義玲 李太魁 顧令爽 楊小林

摘要 [目的]了解紫色土丘陵區(qū)小流域不同土地利用方式下土壤氮磷特征。[方法]采集典型小流域林地、旱地、水旱輪作田的分層土壤樣品，研究不同土地利用方式下土壤氮磷含量及儲量變化，探討土地利用方式對紫色土丘陵區(qū)小流域土壤氮磷庫的影響。[結(jié)果]3種土地利用方式下，土壤全氮、硝態(tài)氮、全磷含量存在顯著差異，相同土層土壤全氮含量表現(xiàn)為水旱輪作田>林地>旱地，旱地和水旱輪作田的硝態(tài)氮、全磷含量顯著高于林地。土壤全氮、硝態(tài)氮、全磷含量均隨土壤深度增加而下降，表現(xiàn)出明顯的表聚性。土壤全氮儲量表現(xiàn)為水旱輪作田（684 t/hm2）>旱地（448 t/hm2）>林地（372 t/hm2）；土壤全磷儲量與土壤全氮儲量變化規(guī)律相似，水旱輪作田土壤全磷儲量（389 t/kg）最高，其次是旱地（373 t/hm2）和林地（153 t/hm2）；林地與旱地、水旱輪作田土壤硝態(tài)氮儲量具有顯著差異，且表現(xiàn)為旱地（104.68 kg/hm2）>水旱輪作田（79.70 kg/hm2）>林地（14.81 kg/hm2）。[結(jié)論]紫色土丘陵區(qū)林地土壤養(yǎng)分固持潛力較大，而耕地土壤氮磷等養(yǎng)分流失風險較高。

關(guān)鍵詞 紫色土丘陵區(qū)；土地利用方式；土壤全氮儲量；土壤全磷儲量；垂直分布

中圖分類號 S153.6文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）31-0133-05

Abstract [Objective]To clarify the characteristic of soil nitrogen and phosphorus of different land use modes in the purple soil area of central Sichuan Basin. [Method] Soil samples were collected on soil profile for forest land， upland filed and paddy field from 27 sampling sites within a small watershed，and the variation of soil nitrogen and phosphorus contents and reserves of different land use modes was researched， and the effect of the land use modes on the soil nitrogen and phosphorus pools in the watershed of Central Sichuan Basin was identified. [Result]The contents of soil total nitrogen（STN）， nitrate nitrogen（NO3-N） and soil total phosphorus（STP） were significant influenced by land use modes， and the contents of STN in the same soil layer under different land use modes were as the following orders： paddy filed>forest land>upland field；and the contents of soil NO3-N and STP in paddy field and upland field were significantly higher than that in forest land. The contents of STN， NO3-N， and STP under different land use modes decreased with the increase of soil depth and showed obvious characteristic of surface accumulation. The stocks of STN under different land use modes were as the following orders： paddy filed （684 t/hm2）>upland field（448 t/hm2）>forest land（372 t/hm2）；the STP stocks had the same trend as STN stocks， and the STP stocks was highest in paddy field（389 t/kg）， followed by upland field（373 t/hm2） and forest land （153 t/hm2）；the soil NO3-N stocks in forest land were significant different with the stocks in paddy field and upland field， and the NO3-N stocks were as the following order： upland field （101.68 kg/hm2）>paddy filed（70.70 kg/hm2）>forest land（14.8 kg/hm2）. [Conclusion]The potential of soil nutrient sequestration was significant in forest land， especially for STN， and the risk of nutrient loss from upland field and paddy field was very high in the purple soil area of central Sichuan Basin.

Key words Purple soil hilly area；Land use modes；Soil total nitrogen stock；Soil total phosphorus stock；Vertical distribution

作為控制植物生長發(fā)育的必需養(yǎng)分元素，土壤氮磷在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境方面具有重要作用。土壤氮磷等養(yǎng)分儲量體現(xiàn)了土壤生產(chǎn)力的高低和土壤質(zhì)量的好壞[1]，然而，“過?！钡耐寥赖资撬|(zhì)惡化的重要來源。掌握不同土地利用方式下土壤氮磷等養(yǎng)分元素狀況是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是流域水環(huán)境管理的關(guān)鍵。目前關(guān)于土壤養(yǎng)分儲量的研究主要集中在土壤碳儲量方面，而對土壤氮儲量，特別是土壤磷儲量的研究相對較少[2]。

土壤氮磷儲量特征受氮磷含量的深刻影響，而土壤氮磷含量分布受氣候、成土母質(zhì)、土地利用類型等因素的影響[3-4]。其中，土地利用方式不同，土壤有機物輸入[5]、冠層結(jié)構(gòu)[6]、土壤物理、化學(xué)性質(zhì)[7-8]、人為影響[9]顯著不同，對土壤碳氮磷等養(yǎng)分含量分布影響最為顯著。如農(nóng)田土壤因受人為擾動大，土壤全氮不斷以無機氮形式釋放，降低土壤氮含量，故林地、灌叢、草地等土壤全氮含量多高于農(nóng)田土壤[10-12]。由于人為施肥的影響，耕地土壤全磷含量往往高于林地和草地[13-14]，但生物量差異對土壤總磷影響也十分顯著，研究表明，永久性草地的土壤全磷含量高于農(nóng)田土壤[15]。因此，深入揭示區(qū)域不同土地利用方式對土壤氮磷養(yǎng)分含量及儲量的影響，不僅可評價流域土壤生產(chǎn)力狀況，也為流域土地資源優(yōu)化管理、土壤氮磷的養(yǎng)分價值發(fā)揮以及減少面源污染提供理論依據(jù)。

目前，對于土壤養(yǎng)分特征的研究，主要集中于林地、草地、灌叢、濕地、耕地等，研究內(nèi)容集中在表層土壤養(yǎng)分含量的空間變異特征、影響因素、驅(qū)動力以及單一土地利用方式下土壤養(yǎng)分儲量，特別是林地、旱地和濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分儲量[4-6，12-14]，缺少相同區(qū)域條件下，流域不同土地利用方式土壤養(yǎng)分儲量的對比研究，特別是紫色土區(qū)不同土地利用方式土壤氮磷等養(yǎng)分垂直分布及其儲量特征的研究更少。作為長江三峽乃至整個長江流域水環(huán)境的重要影響區(qū)，紫色土丘陵區(qū)強烈的農(nóng)業(yè)活動以及嚴重的水土流失導(dǎo)致土壤氮磷流失逐年增加，造成區(qū)域內(nèi)流域水體環(huán)境惡化嚴重，也給長江流域水環(huán)境安全造成巨大壓力。由于目前缺少紫色土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分垂直分布及儲量特征研究，也難以為流域土地資源、土壤養(yǎng)分資源的優(yōu)化管理以及流域土壤氮磷流失控制提供依據(jù)。因此，筆者以川中丘陵紫色土區(qū)典型小流域為研究對象，研究該區(qū)域不同土地利用類型下土壤氮磷垂直分布特征與儲量水平，以期為流域養(yǎng)分資源管理和氮磷污染控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇四川省鹽亭縣的截流堰小流域為研究對象，該區(qū)屬于中亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.3 ℃，年均降水量826 mm。土壤類型以石灰性紫色土和水稻土為主，成土速度快，土層較薄，水土流失嚴重。小流域海拔380～680 m，總面積35 hm 其中林地占36.0%，旱地占420%，水旱輪作田占12.0%，居民點占3.5%，道路和坑塘等其他占 6.5%（圖1）。林地為20世紀70年代種的柏木林（Cupressus funebri），灌木主要包括黃荊（Vitex negundo）、刺梨（Rosa roxburghii）、馬桑（Coriaria sinica）、栓皮櫟（Quercus variablilis）等，草本多為豆科（Leguminosae）、禾本科（Gramineae）、莎草科（Cyperaceae）植物。旱地與水旱輪作田于5—9月分別種植玉米和水稻，10月至次年4月分別種植小麥和油菜。該區(qū)域多數(shù)農(nóng)戶于5月底和10月底對作物進行集中施肥，少數(shù)農(nóng)戶在作物種植30 d后進行追肥，氮、磷和鉀肥年施用量分別為330 kg/hm2 N、180 kg/hm2 P2O5和72 kg/hm2 K2O。

1.2 樣品采集與分析

為減少施肥對研究結(jié)果的干擾，故在冬季作物收獲季采集土壤樣品。根據(jù)截流堰小流域土地利用變化隨機調(diào)查林地（n=11）、水旱輪作田（n=5）、旱地（n=11）共計27個樣點，共采集97個土壤樣品，其中林地33個樣品、旱地44個樣品、水旱輪作田20個樣地（圖1）。由于川中丘陵區(qū)紫色土土壤“淺薄化”特征明顯，土層厚度主要分布在20～60 cm[16]，該研究流域中林地和耕地土層深度分別在30和50 cm左右，因此旱地和水旱輪作田土壤剖面深度確定為50 cm，林地土壤樣品深度確定為30 cm，按照土壤深度分3～4層（0～10、10～20、20～30、30～50 cm）分層取樣。采用環(huán)刀法測定土壤容重，同時在土壤剖面周邊隨機選擇3個采樣點，用土鉆分層取樣，并將每層土樣混合后裝入自封袋。土壤混合樣品帶回實驗室后分成2份：一份撿去殘根、石子等雜物，自然風干后過0.149 mm篩，用于測定土壤全氮和全磷含量；一份鮮樣過2 mm篩用于測定土壤硝態(tài)氮含量。其中，土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定；硝態(tài)氮通過流動分析儀AA3（BRAN+LUEBBE，Germany）測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

基于土壤全氮、全磷和硝態(tài)氮含量和土壤容重計算每一個樣點的土壤氮磷儲量。其中，某一土層和一定土層深度的土壤氮磷儲量分別采用公式（1）和（2）計算：

采用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用SPSS 13.0 軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗，分析不同土地利用類型、不同土層深度對土壤氮磷含量與儲量的影響，并在差異顯著時進行多重比較（P<0.05，LSD，t檢驗）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤氮磷含量特征

由表1可知，不同土地利用方式下各土層深度土壤全氮含量均表現(xiàn)為水旱輪作田>林地>旱地。單因素方差分析結(jié)果表明，旱地與水旱輪作田、林地的土壤全氮含量差異顯著，但水旱輪作田與林地之間土壤全氮含量差異不顯著。旱地和水旱輪作田的土壤硝態(tài)氮和土壤全磷含量在各土層中均高于林地，且旱地、水旱輪作田與林地之間硝態(tài)氮和全磷含量差異顯著，但旱地與水旱輪作田之間差異不顯著。可見，氮肥和磷肥的人為施用對土壤硝態(tài)氮和全磷含量影響顯著。

2.2 不同土地利用方式下土壤氮磷含量垂直分布特征

由圖2可知，3種土地利用方式下土壤全氮、硝態(tài)氮、全磷含量均隨土壤深度增加而降低，具有明顯的“表聚”效應(yīng)。林地和水旱輪作田0～10 cm土層土壤全氮含量與其他土層土壤全氮含量差異顯著（P<0.05），其中，林地0～10 cm土層土壤全氮含量分別為10～20、20～30 cm土層土壤全氮含量的1.40和150倍；水旱輪作田0～10 cm土層土壤全氮含量分別是10～20、20～30、30～50 cm土層土壤全氮含量的1.30、1.50和160倍。旱地土壤全氮垂向變異更加顯著（圖2a），0～10、10～20、20～30、30～50 cm土層土壤全氮含量分別為0.96、079、0.65、0.47 g/kg，0～10 cm土層土壤全氮含量分別為10～20、20～30、30～50 cm土層的1.22、1.48和2.04倍。

土壤硝態(tài)氮含量隨土壤深度的變化趨勢與全氮含量分布特征類似（圖2b）。其中，林地0～10 cm土層土壤硝態(tài)氮含量是10～20、20～30 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的1.8和2.4倍。水旱輪作田0～10 cm土層土壤硝態(tài)氮含量是10～20、20～30、30～50 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的1.20、1.27和1.26倍。而旱地不同土層硝態(tài)氮含量分別為18.43、16.12、1352、13.58 mg/kg，0～10 cm土層土壤硝態(tài)氮含量是10～20、20～30、30～50 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的1.14、1.36和1.36倍。

土壤全磷含量也隨土壤深度的增加而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的表聚性（圖2c）。旱地和水旱輪作田0～10 cm土層土壤全磷含量分別是10～20、20～30、30～50 cm土層土壤全磷含量的1.10、1.30、1.80倍和1.10、1.40和1.60倍。林地0～10 cm土層土壤全磷含量分別是10～20、20～30 cm土層的110和1.20倍?？梢?，林地全磷含量的變異明顯小于旱地和水旱輪作田。

2.3 不同土地利用類型下土壤氮磷儲量特征

由表2可知，水旱輪作田各層土壤全氮儲量均顯著高于林地和旱地，0～50 cm土層土壤全氮儲量累積為684 t/hm 分別是旱地（448 t/hm2）和林地（372 t/hm2）的1.53和1.84倍。從土壤全氮儲量的垂向分布看，3種土地利用方式下0～10 cm土層土壤全氮儲量占總儲量的26.2%～40.6%，表明表層土壤全氮儲量的貢獻率最大。

3種土地利用方式下土壤全磷儲量變化規(guī)律與土壤全氮相似，總體表現(xiàn)為水旱輪作田>旱地>林地，且旱地（373 t/hm2）和水旱輪作田（389 t/kg）的土壤全磷儲量分別是林地（153 t/hm2）的2.43和2.54倍。從土壤全磷儲量的垂向分布看，3種土地利用方式下0～10 cm土層土壤全磷儲量占總儲量的25.0%～35.3%，表明表層土壤全磷儲量貢獻率較大。

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，3種土地利用方式下，林地與旱地和水旱輪作田土壤硝態(tài)氮儲量具有顯著差異，且表現(xiàn)為旱地>水旱輪作田>林地。旱地（104.68 kg/hm2）和水旱輪作田（79.70 kg/hm2）的土壤硝態(tài)氮儲量分別是林地（14.81 kg/hm2）的7.07和5.38倍。從土壤硝態(tài)氮儲量的垂向分布看，林地、旱地和水旱輪作田0～10 cm土層土壤硝態(tài)氮儲量分別占總儲量的49.4%、22.9%、22.2%，表明林地表層土壤硝態(tài)氮儲量的貢獻率較高，但旱地和水旱輪作田表層土壤硝態(tài)氮儲量的貢獻率相對較低，這可能與耕地、林地硝態(tài)氮主要來源差異以及人類耕作影響有關(guān)。

3 討論

影響土壤氮磷等養(yǎng)分分布的因素包括氣候狀況、母質(zhì)條件、土壤類型、土地利用方式、作物施肥等[17]。然而，對母質(zhì)條件和氣候狀況較一致的區(qū)域，土地利用方式是影響土壤氮磷等養(yǎng)分元素輸入和輸出的關(guān)鍵因素，并深刻影響土壤中氮磷儲量分布和有效性[18]。紫色土丘陵區(qū)地形復(fù)雜，坡耕地多整改為臺地，臺地過渡帶之間多為陡坡林地，流域低洼處多為水旱輪作田，形成了旱地、林地、水旱田相互交錯的特點，居民點又分散其中，地塊單元十分分散，復(fù)雜的下墊面結(jié)構(gòu)勢必導(dǎo)致土壤氮磷含量和儲量存在顯著的空間異質(zhì)性。該研究發(fā)現(xiàn)，紫色土丘陵區(qū)典型流域3種土地利用類型的土壤氮磷含量及儲量具有明顯差異，但各土地利用方式下土壤全氮、全磷和硝態(tài)氮的含量均隨土壤深度增加而減少，表現(xiàn)出明顯的表聚性[19-21]，這可能與表層枯落物存量較高以及耕作層較淺有關(guān)[22]。

研究表明，林地枯枝落葉的存量對土壤有機碳影響很大，也引起土壤全氮含量增加，農(nóng)田地表覆蓋物少，且受人為擾動大，土壤中有機碳氮轉(zhuǎn)化為CO2和無機氮的程度較高，從而導(dǎo)致農(nóng)田全氮含量往往較低。Wang等[22]和Gelaw等[23]分別對我國北部和埃塞俄比亞北部山區(qū)的土壤碳氮儲量進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)化為草地、次生灌叢和林地均可顯著提高土壤碳氮含量和儲量。但該研究發(fā)現(xiàn)，紫色土丘陵區(qū)3種土地利用方式中，相同土層深度土壤全氮含量表現(xiàn)為水旱輪作田>林地>旱地的特點。水旱輪作田全氮含量較高可能是由于該區(qū)域水田作物留茬量較大，秸稈還田比例較高，且土壤水分高、甚至是淹水條件降低了土壤有機物的分解和礦化[24]。旱地秸稈的收割與焚燒降低了土壤有機質(zhì)輸入，且人為耕作改變了土壤通透性和孔隙度，促進了表層土壤有機物的分解和礦化為無機氮，加速氮素的流失[13]，并導(dǎo)致旱地土壤全氮含量較低。由于該區(qū)域林地人為干擾較小，長期的凋落物累積和植物根系更新等因素雖促進了表層土壤氮素累積，但研究區(qū)人工林多為常綠柏木林、且林齡較短，也限制了土壤有機物的輸入總量。故研究區(qū)土壤全氮含量呈水旱輪作田>林地>旱地的趨勢。

研究表明，人為施肥、耕作方式、耕作制度等隨機性因素是中小尺度土壤磷素空間變異的主因，而土壤類型、土壤質(zhì)地、礦化過程、成土過程等結(jié)構(gòu)性因素影響程度較小[25]。該研究發(fā)現(xiàn)，旱地和水旱輪作田土壤全磷含量和儲量遠高于林地，說明人為施肥、耕作管理等隨機性因素是導(dǎo)致旱地和水旱輪作田全磷含量和儲量較高的主因，而林地人為干擾較小，土壤全磷含量與儲量受結(jié)構(gòu)性因素影響為主，導(dǎo)致土壤全磷含量較低。

生態(tài)系統(tǒng)中土壤硝態(tài)氮的水平取決于有機物礦化、大氣沉降和作物施肥等輸入量和微生物固定、植物吸收和淋溶損失等輸出量之間的差額[26]。但人為施肥是農(nóng)田土壤硝態(tài)氮水平的決定性因素[27]。Zhu等[28]對川中丘陵區(qū)坡耕地硝態(tài)氮流失特征研究發(fā)現(xiàn)，由于人為施肥的影響，紫色土區(qū)旱地土壤硝態(tài)氮年流失通量達34.3 kg/hm2。該研究也發(fā)現(xiàn)耕地土壤硝態(tài)氮含量顯著高于林地，可見紫色土區(qū)強烈的人類活動顯著增加了耕地土壤硝態(tài)氮流失的風險。

由于土壤氮磷含量、土壤容重和土層深度差異[19，29]，區(qū)域尺度土壤氮磷儲量差異較大。研究表明，我國北方灌叢1 m深土壤全氮、全磷儲量分別為710、420 t/hm2[4]；豫西黃土丘陵區(qū)不同樹齡的櫟類、側(cè)柏林表層土壤（0～20 cm）全氮儲量為159～234 t/hm2[19]；廣西南亞熱帶林地土壤氮儲量為1 059～1 791 t/hm2[30]；若爾蓋高原濕地1 m深土壤全氮、全磷儲量分別為1 500～3 400、240～490 t/hm2[9]；長江流域耕地表層土壤全氮儲量（0～20 cm）為538～882 t/hm2[31]，土壤全磷儲量（0～30 cm）為230～480 t/hm2[32]。可見，川中紫色土丘陵區(qū)林地與耕地土壤全氮儲量（372～684 t/hm2）總體水平較低，這可能與紫色土區(qū)林地類型、林齡以及耕地耕作管理方式有關(guān)。也說明應(yīng)加強紫色土區(qū)林地植被的保護和恢復(fù)重建，促進不同類型植被群落演替更新，并通過增加耕地秸稈還田量以及保護性耕作等措施，提高紫色土區(qū)土壤有機碳氮含量，促進土壤生產(chǎn)力的自我恢復(fù)，降低作物施肥量，從而降低氮流失風險。相反，耕地土壤磷（373～389 t/hm2）和硝態(tài)氮儲量（79.70～104.68 kg/hm2）水平卻相對較高，這與紫色土區(qū)強烈的作物施肥活動有關(guān)，“過?！钡耐寥懒缀拖鯌B(tài)氮勢必隨著耕地水土流失進入水體，增加紫色土丘陵區(qū)區(qū)域內(nèi)地表水水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化的風險。

4 結(jié)論

該研究以紫色土丘陵區(qū)典型小流域為研究對象，研究不同土地利用方式下土壤氮磷含量及儲量特征，結(jié)果表明，紫色土丘陵區(qū)土地利用方式對土壤氮磷含量及儲量影響顯著，土壤全氮、全磷和硝態(tài)氮的含量均隨土壤深度增加而減少，表現(xiàn)出明顯的表聚性。

川中丘陵紫色土區(qū)林地與耕地土壤全氮儲量（372～684 t/hm2）總體水平較低，應(yīng)重視紫色土丘陵區(qū)的植被保護與恢復(fù)重建，優(yōu)化耕作措施，增加土壤碳氮含量和儲量，提高土壤生產(chǎn)力的自我恢復(fù)能力。

紫色土區(qū)強烈的作物施肥活動導(dǎo)致耕地土壤磷（373～389 t/hm2）和硝態(tài)氮儲量（79.70～104.68 kg/hm2）水平較高，增加了區(qū)域內(nèi)地表水水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化的風險。

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