劉 暢，周明華，張博文,3，王興靈,3，任 兵，彭 韜，羅維均 ，谷 豐

(1.中國科學院 地球化學研究所，貴州 貴陽 550081； 2.中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

土壤健康是指在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用的范圍內(nèi)，土壤能持續(xù)作為有生命的系統(tǒng)維持生物生產(chǎn)力，保持空氣和水環(huán)境質(zhì)量，促進植物、動物和人類健康的能力[1]。土壤理化性質(zhì)是評價土壤健康程度的重要指標[2]，影響土壤持水能力和養(yǎng)分利用[3]。土壤容重、顆粒組成等物理性質(zhì)直接影響土壤持水性能和植被根系生長[4]。碳氮磷元素作為表征土壤肥力的重要指標，其缺乏不僅導致土壤質(zhì)量下降，也會限制植物生長[5]。土壤有效態(tài)微量元素如有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅等指標對植物生長發(fā)育過程中的光合作用、呼吸作用、生長素的合成及枝葉健康成長等至關重要[6-7]。

土地利用類型是人類活動和自然條件共同作用的綜合反映，對土壤理化性質(zhì)具有重要影響。不同土地利用方式下地表植被類型、物種豐富度及土壤微生物活性不同，不僅改變土壤理化性質(zhì)，也對養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生了強烈影響[8-9]，最終影響土壤理化性質(zhì)。王興靈等[10]對于華北土石山區(qū)的研究表明，耕作會破壞土壤團聚體結構，使土壤有機碳(SOC)極易遭受風和徑流侵蝕而損失，導致土壤的持水性和保肥能力下降。耕地長期施用有機肥能夠提高土壤SOC和總氮(TN)含量[11]，含鋅肥料、農(nóng)藥及牲畜糞便能夠提高土壤銅和鋅含量[12-13]。但耕地長期施肥也會導致土壤酸化[14]，長期耕作會壓實土壤，影響土壤的水分滲透和作物根系生長[15]。研究表明，當耕地轉化為森林時，物種豐富度會提高，表層土壤的水分蒸發(fā)量減少，細小根系和凋落物的分解以及微生物的殘留，會改善土壤結構，使土壤中SOC和TN含量增加[16-17]。與人工林地相比，草地植被覆蓋度高，草本植物枯死后生物歸還量高于林地，為草地土壤提供氮磷等營養(yǎng)元素[18]。而土壤微量元素主要受到人類活動的影響，因此其在森林和草地中的分布與耕地不同[19]。研究不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)，有助于了解土地利用變化對土壤健康的影響，從而為制定合理的土地管理措施，實現(xiàn)土地利用的可持續(xù)發(fā)展提供基礎科學依據(jù)。

張家口壩上地區(qū)處于內(nèi)蒙高原和華北平原過渡區(qū)，是典型的北方農(nóng)牧交錯帶，也是“三北”防護林工程實施的重點縣[20]。張家口處于首都經(jīng)濟圈內(nèi)，近年來隨社會經(jīng)濟發(fā)展，加速了土地利用方式轉變[21]，特別是蔬菜地(水澆地)占比逐漸升高[22]。因此，研究新形勢下土地利用類型對土壤理化性質(zhì)的影響十分必要。本文以張家口壩上地區(qū)的張北縣為研究區(qū)域，研究草地、林地、菜地和耕地等4種典型土地利用方式對土壤顆粒組成、容重、土壤SOC、TN、總磷(TP)、微量元素鐵、錳、銅和鋅的有效態(tài)含量的影響，闡明張家口壩上地區(qū)不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的差異及其影響因素，為該地區(qū)土地利用方式的優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)地處河北省張家口市張北縣內(nèi)(40°57′N～41°37′N，114°10′E～115°27′E，海拔1 300～2 128 m)，全區(qū)總面積4 185 km2，總人口37.2萬。張北縣位于內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū)，是離京津地區(qū)最近的高原地區(qū)。研究區(qū)屬于中溫帶大陸性季風氣候，多年降水量為300～400 mm，四季分明，晝夜溫差大，陽光充足。研究區(qū)土地利用類型主要為耕地、草地和林地，3類土地利用類型占比分別為40%、29.15%和17.84%。氣候條件使研究區(qū)成為農(nóng)產(chǎn)品、畜產(chǎn)品的生產(chǎn)基地，農(nóng)產(chǎn)品主要有甜菜、馬鈴薯等蔬菜，畜產(chǎn)品主要有牛肉、羊肉和乳品。

1.2 樣品采集與分析

研究選定張家口市張北縣草地(114.58°E，41.11°N)、人工林地(114.58°E，41.12°N)、集約化菜地(114.676°E，41.128°N)和常規(guī)耕地(114.58°E，41.10°N)等4種典型的土地利用類型為研究對象，進行了野外調(diào)查，并在實驗室分析測定土壤樣品。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，草地的植被類型以羊草(Leymuschinensis)為主，人工林地的主要植被類型為楊樹(PopulusL)，集約化菜地主要種植娃娃菜(BabyChineseCabbage)，常規(guī)耕地為莜麥(Avenachinensis)-玉米(ZeamaysL.)輪作。集約化菜地已連續(xù)種菜8年，春季施有機肥1次，翻地15～20 cm；常規(guī)耕地，僅施用化肥。2018年6月對草地、人工林地、集約化菜地和常規(guī)耕地等典型土地利用類型區(qū)域內(nèi)土壤進行采樣，每種土地利用類型選取了4個具有代表性的取樣點(10 m×10 m)，每個樣點內(nèi)挖掘3個土壤剖面進行分層采樣(0～15 cm和15～30 cm)。先采集環(huán)刀樣品，之后采集土層樣品，并將2個土層的3個剖面樣品分層混合。樣品帶回實驗室后仔細去除雜物，進行自然風干，風干后研磨，分別過20目和100目的篩。野外環(huán)刀采集的土樣，在回到實驗室后，立即稱取鋁盒與濕土的總重量，然后，在105℃恒溫的烘箱中烘干24h，稱重。

試驗分析指標包括土壤容重、土壤顆粒組成等土壤物理指標和土壤pH、SOC、TN、總磷(TP)、有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅等土壤化學指標。

樣品的分析測試方法參照《土壤農(nóng)化分析》[23]。采用吸管法進行測定土壤顆粒組成；土壤pH經(jīng)1∶2.5的土水比浸提后采用pH計(PHS-3C，上海儀電公司)測定；采用元素分析儀(vario TOC cube,Elementar,德國)測定SOC和TN；TP含量使用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定(TU-1900，北京普析)；采用三乙三胺乙酸(DTPA)浸提-ICP法測定有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2020進行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 24.0軟件中的單因素方差分析-最小顯著性差異法(LSD)分析不同土地利用類型間的顯著性差異，以獨立樣本T檢驗法來檢驗同一土地利用方式不同土壤指標之間的顯著性差異。使用Person相關分析法進行土壤參數(shù)之間的相關性分析；使用origin2021軟件進行主成分分析(PCA)及繪圖。

2 結果與分析

2.1 草地、林地、菜地和耕地土壤基本理化性質(zhì)的差異

不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響不同(表1)。4種不同土地利用方式下，0～15 cm的土層深度pH值為7.79～8.25，15～30 cm深度的pH值為8.04～8.49，均為堿性。0～30 cm土層土壤中，pH值最高的都為草地，最低的都為菜地，菜地和耕地pH之間無顯著差異，但均顯著低于草地和林地(P< 0.05)，草地和林地之間pH值無顯著差異。0～15 cm土層土壤容重變幅為1.37～1.55 g·cm-3，4種土地利用類型之間無顯著性差異。15～30 cm土層土壤容重變幅為1.37～1.62 g·cm-3，菜地和耕地容重最高，顯著高于草地(P<0.05)。不同土地利用方式下，土壤顆粒組成在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上無顯著差異。而草地和菜地土壤中，下層土壤pH和土壤容重顯著高于表層。

2.2 草地、林地、菜地和耕地土壤碳、氮和磷含量的差異

4種土地利用方式下，0～15 cm土層，菜地土壤SOC含量最高(25.2 g·kg-1)，分別比草地(13.8 g·kg-1)、林地(7.98 g·kg-1)和耕地(7.35 g·kg-1)高82%、215%和242%(表2)；菜地土壤TN含量(2.62 g·kg-1)顯著高于其余三種土地利用方式(P<0.05)，耕地和林地的TN含量無顯著差異；林地和菜地土壤C/N最高，且二者之間差異不顯著；菜地和草地土壤TP含量都顯著高于林地和耕地(P<0.05)，但兩處理間土壤TP含量無顯著差異(P>0.05)。15～30 cm土層，菜地土壤SOC含量(18.8 g·kg-1)分別比草地(12.4 g·kg-1)、耕地(7.41 g·kg-1)和林地(4.53 g·kg-1)高51%、153%和314%；草地和菜地15～30 cm土層TN含量顯著高于林地和耕地(P<0.05)；土壤TP含量表現(xiàn)為草地>菜地>耕地和林地(P<0.05)，耕地和林地土壤TP含量無顯著差異。

表2 4種土地利用類型不同深度土層土壤有機碳、總氮和總磷含量Table 2 SOC,TN and TP contents with different soil depths in 4 land use patterns

不同土地利用方式下土壤SOC、TN、C/N和TP在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上差異較小。除菜地土壤SOC及林地C/N在不同土層間存在顯著差異外，其余各土地利用方式下的表層和下層土壤SOC、TN、C/N和TP差異均不顯著。即菜地0～15 cm土層SOC含量顯著大于15～30 cm土層土壤(P<0.05)，林地土壤0～15 cm 土壤C/N顯著高于15～30 cm土層(P<0.05)。

2.3 草地、林地、菜地和常規(guī)耕地土壤有效態(tài)微量元素的差異

4種不同土地利用類型下，0～15 cm土層，不同土地利用方式間土壤有效鐵含量變幅為7.35～11.5 mg·kg-1，其中，菜地土壤有效鐵含量顯著高于林地(P<0.05)，其他土地利用方式間無顯著差異(表3)；不同土地利用方式間土壤有效錳含量變幅為9.63～15.2 mg·kg-1，其中，菜地土壤有效錳含量顯著高于耕地(P<0.05)，其他土地利用方式間無顯著差異(P>0.05)；土壤有效銅、有效鋅含量在不同土地利用方式間變幅為0.14～0.59 mg·kg-1、0.44～2.04 mg·kg-1，菜地土壤有效銅、有效鋅含量顯著高于其他三種土地利用方式(P<0.05)。

表3 4種土地利用類型不同深度土層土壤微量元素有效態(tài)含量Table 3 Trace elements contents with different soil depths in 4 land use patterns

15～30 cm土層，不同土地利用方式間土壤有效鐵含量變幅為5.92～10.2 mg·kg-1，其中菜地土壤有效鐵含量顯著高于林地(P<0.05)，其他土地利用方式間無顯著差異；不同土地利用方式間土壤有效錳含量變幅為8.00～11.7 mg·kg-1，草地、林地、菜地和耕地之間均無顯著差異；土壤有效銅、有效鋅含量在不同土地利用方式間變幅為0.12～0.64 mg·kg-1、0.27～1.26 mg·kg-1，菜地土壤有效銅、有效鋅含量顯著高于其他三種土地利用方式(P<0.05)。

不同土地利用方式下土壤微量元素含量在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上差異較小。草地和耕地在0～15 cm、15～30 cm土壤剖面上的有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅含量差異不顯著；林地和菜地土壤有效鋅含量在0～15 cm土壤剖面上有效鋅含量顯著高于15～30 cm土壤剖面，有效鐵、有效錳和有效銅含量差異不顯著(P>0.05)。

2.4 土壤指標之間的相關性和主成分分析

土壤的理化性質(zhì)之間多數(shù)表現(xiàn)出極顯著和顯著的相關性(表4、圖1)：SOC、TN和TP含量兩兩之間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)，且三者均與砂粒含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)，與粘粒含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)；SOC和TN均與有效鐵含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與有效錳和有效銅呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

表4 研究區(qū)土壤指標之間的相關系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between soil indices in the study area

有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅含量之間除有效銅與有效鋅含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，其余有效態(tài)微量元素兩兩之間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)；除有效銅外，其余三種有效態(tài)微量元素均與pH呈極顯著負相關關系(P<0.01)；有效銅含量與土壤砂粒含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)，與土壤粉粒和粘粒含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

利用主成分分析(PCA)對不同土地利用方式的土壤理化性質(zhì)進行排序(圖1和表5)。分析表明，前2個PCA軸的累積解釋方差比例達79%，特征值分別為6.05和3.30。其中第一主成分(PC1)對土壤理化性質(zhì)的貢獻率為46%，SOC、TN和有效銅的主成分荷載特征值分別為0.93、0.91和0.90；第二主成分(PC2)對土壤理化性質(zhì)的貢獻率為25%，粉粒和砂粒的主成分荷載特征值為0.88和0.82。2個主成分的累積貢獻率為71%，代表了采樣點土壤理化性質(zhì)71%的信息量。菜地的C/N、有效鐵、有效錳和有效鋅與其他土地利用方式離散，草地的粉粒含量明顯與其他土地利用方式離散。

注： FL：林地；GL：草地；VL：菜地；CL：常規(guī)耕地； PC1:主成分1； PC2:主成分2。Note:FL:forestland; GL:grassland; VL:vegetable land; CL:cropland; PC1:principal component 1;PC2:principal component 2.圖1 不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)主成分分析 Fig.1 Principal component analysis of soil physical and chemical properties with different land use patterns

3 討論

土壤pH是表征土壤性質(zhì)及影響土壤物質(zhì)循環(huán)的重要因子之一[24]，研究區(qū)地處我國華北壩上地區(qū)，土壤均呈現(xiàn)一定的石灰性。土地利用方式對土壤pH影響顯著，在長期耕作的菜地和耕地中，土壤pH均呈現(xiàn)下降的趨勢，原因可能是長期的化肥施用導致的土壤酸化[25]，特別是施肥量較高的菜地，其表層土壤酸化現(xiàn)象明顯，較下層土壤降低了0.24個單位。土壤容重主要受土地利用方式和耕作模式的影響，容重對植物根系生長具有重要影響[26]。研究區(qū)表層土壤容重無顯著差異，下層土壤中，草地容重最低(1.37 g·cm-3)，略低于其表層土壤，這可能是和草地植被的根系分布有關，在當?shù)剌^為干旱的氣候背景下，植物根系下扎明顯，根系腐爛后，會增加土壤孔隙度降低下層土壤土壤容重[27]。菜地和耕地下層土壤容重較表層增加18%和12%，其主要原因是長期耕作對犁底層土壤的壓實作用。研究表明，農(nóng)田犁底層土壤板結會極大影響土壤的水汽滲透和作物根系生長[18]。因此，在后期的耕作中應考慮適時深翻，打破犁底層，或推行免耕少耕措施，減少土壤壓實。

土壤碳庫不僅對固碳減排至關重要，還對土壤其他理化性質(zhì)有重要影響[28]。土地利用方式由林地或草地轉變?yōu)楦睾?，受翻耕影響，會加速土壤侵蝕作用和SOC的礦化作用，降低土壤SOC含量[10]。而研究區(qū)菜地土壤SOC含量顯著高于草地、林地和常規(guī)耕地，菜地SOC含量分別比草地、林地和耕地高67%、251%和197%，說明長期有機肥的施用會顯著增加土壤SOC含量，提高土壤肥力，而長期化肥施用，會對土壤SOC造成耗竭[29]。除了土地利用方式外，土壤的SOC還受土壤粘粒含量影響。本研究發(fā)現(xiàn)，SOC含量與土壤粘粒含量顯著正相關，與Araujo等[30]研究結果一致。因為粘粒中的各種礦物具有較大比表面積，能夠與有機質(zhì)形成有機-無機復合體或者團聚體進而影響SOC的固存[31-34]。

不同土地利用方式下，土壤TN和TP含量均隨土層加深而有降低趨勢，這與葛楠楠等[35]的研究結果一致。4種土地利用方式下，菜地土壤TN和TP含量均最高，這是因為有機肥的施用不僅能夠提高SOC的含量，并且能夠向土壤中輸入氮、磷等營養(yǎng)元素[36]。另外，植被類型也是影響土壤TN和TP含量的因素。草地在0～30 cm土層土壤TN和TP含量顯著高于林地，這與劉志祥等[37]在縉云山地區(qū)的研究結果一致。此外，植物根系的生長、腐解以及根系分泌物的產(chǎn)生都能提高根區(qū)土壤磷元素的含量[16]。與人工林地相比，草地物種豐富度高，植被覆蓋度高，草本植物枯死后生物歸還量高于林地，為草地土壤提供了碳、氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)[38-39]。人工林地植被類型較為單一，地表覆蓋程度較差，受風力侵蝕影響，土壤呈裸露狀態(tài)，枯落物難以原地腐解歸還土壤，導致林地土壤氮磷含量較低[40]。

鐵、錳、銅和鋅是參與植物生長發(fā)育的重要微量元素。本研究中菜地有效鐵、錳、銅、鋅含量均最高，其次為草地、耕地和林地。其原因主要是菜地每年有大量含有微量元素的有機無機肥施入，從而使得其有效態(tài)微量元素含量高于其它3種土地利用類型。菜地中有機肥的施用還增加了土壤有機質(zhì)的含量，而有機質(zhì)富含有機酸，能夠溶解部分結合態(tài)微量元素，從而增加微量元素的有效性[26，41]，本研究中有效鐵、錳、銅和鋅均與SOC呈顯著正相關，間接表明了菜地較高的有效態(tài)微量元素含量與其高SOC含量有關。pH也是影響土壤微量元素有效性的重要因素[42]。本研究中有效錳及有效鐵與均土壤pH呈顯著負相關關系(P< 0.05)，且有效鋅與土壤pH值呈極顯著負相關關系(P< 0.01)，這是因為pH升高能夠促進錳、鋅和銅與SOC中含氧官能團的結合，從而降低有效態(tài)微量元素含量[35]；高pH環(huán)境下，亞鐵離子更易被氧化成三價鐵離子，從而使土壤中有效鐵的含量降低[43]。有研究表明，隨著耕地種植年限的延長，土壤pH值有下降的趨勢，并且有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅含量不斷增加，特別是種植5年以上的菜地，有效態(tài)增加速度加快[40]。本研究除菜地和林地0～15 cm土層有效鋅含量顯著高于15～30 cm土層外，其它土地利用方式不同土層間有效態(tài)微量元素含量均沒有顯著差異性。菜地由于翻土深度較淺以及該地區(qū)淋溶水平總體較弱，因此表層具有較高含量有效態(tài)鋅[26]；林地表層具有較厚的有機質(zhì)層，其在吸附鋅的同時，改善了堿性土壤中碳酸鈣的力度，增強了對鋅的吸附[44]，因此，0～15 cm土層土壤有效鋅含量顯著高于15～30 cm土層土壤。另外值得注意的是，土壤中的銅和鋅是作物可吸收利用的微量元素，同時也是重要的土壤重金屬污染物之一，長期施用有機肥提高了土壤有效銅鋅含量的同時，也增大了其環(huán)境風險。

4 結論

本文以張家口市壩上地區(qū)4種土地利用類型為例，研究了土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)農(nóng)業(yè)用地類型下的菜地和常規(guī)耕地，相比人工林地和草地，土壤pH均有所降低，下層土壤容重顯著增加；與林地、草地和常規(guī)耕地相比，菜地土壤長期有機肥施用可顯著提高土壤SOC、TN、TP及微量元素含量，提高土壤肥力，而只施用化肥的常規(guī)耕地肥力出現(xiàn)耗竭，但同時應考慮長期施用有機肥帶來的重金屬超標等潛在的危害。

(2)自然草地的SOC、TN、TP含量高于人工林地，自然草地土壤除有效銅含量顯著高于林地外，兩種土地利用方式的微量元素含量并無顯著差異。

(3)林地SOC含量、有效鋅含量和菜地的有效鋅含量在不同土層上差異顯著，其他土地利用方式土壤SOC、TN、TP和其他有效態(tài)微量元素在垂直分布無顯著差異。