CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY,Dec.2004,15(12)∶2292～2296
黄土丘陵区小流域土地利用和植被恢复
3
对土壤质量的影响
巩 杰 陈利顶
1
133
傅伯杰 李延梅 黄志霖 黄奕龙 彭鸿嘉
12111
(1中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室,北京100085;2中国科学院资源环境科学信息中心,兰州730000)
【摘要】 土壤质量的维护和提高是全球生物圈可持续发展的重要因素之一.对黄土丘陵小流域持续利用25年后的荒草地、山杏林地、农地、油松林地、灌木林地和撂荒地土壤性状的研究结果表明,不同土地利用方式和植被恢复类型对土壤质量有很大影响;植被恢复重建和农地撂荒将增加土壤有机质含量,提高土壤质量;粗放的农业耕作措施将降低土壤质量并引起土壤退化;灌丛有明显的肥力岛屿作用;撂荒在一定程度上可以培肥土壤.随着“西部大开发”“、退耕还林还草”和生态重建工程的开展,在半干旱黄土丘陵沟壑区,建植灌木、种植牧草、农地撂荒和自然恢复是较好的生态重建和植被恢复方式.关键词 土地利用/覆被变化 土壤养分 土壤质量 植被恢复 生态重建文章编号 1001-9332(2004)12-2292-05 中图分类号 Q143 文献标识码 A
EffectsoflanduseandvegetationrestorationonsoilqualityinasmallcatchmentoftheLoessPlateau.GONGJie1,CHENLiding1,FUBojie1,LIYanmei2,HUANGZhilin1,HUANGYilong1,PENGHongjia1(1KeyLabora2toryofSystemsEcology,ResearchCenterforEco2EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China;2TheScientificInformationCenterforResourcesandEnvironment,ChineseAcademyofSci2ences,Lanzhou730000,China).2Chin.J.Appl.Ecol.,2004,15(12):2292～2296.
Soilqualityimprovementplaysanimportantroleinsustainingglobalbiosphere.Thispaperstudiedthechangesofsoilqualityafter25years′landuseandvegetationrestorationattheAnjiapocatchmentofwesternLoessPlateau.Theanalysesofsoilcharacteristicsofwasteland,almondland,farmland,pineland,shrublandandfallowlandshowedthatdifferentlanduseandvegetationrestorationhaddifferenteffectsonsoilintegratedfertilityindex.Soilorganicmattercontentwasincreasedduetoplantingshrubsandforests.Bothvegetationrestorationandfal2lowcouldimprovesoilquality.Cultivationpracticecoulddecreasesoilnutrientlevels,andcroplandsoilwasde2graded.Shrubsoilformed“fertileisland”inthesemi2aridregion.Fallowcouldimprovesoilfertilitytosomeex2tent.Humanactivitiesandvegetationrestorationcouldaffectsoilnutrientcontentsafterlandusepatternwaschanged.Withthelaunchoutintothe“GranddevelopmentofWesternChina”“,GrainforGreenProject”ande2cologicalrestoration,bothshrubplantingandfallow(naturalrestoration)shouldbetheoptionalchoicestorestoresoilfertility,astheycoulddecreasesoilerosionandimprovesoilconditionatcatchmentscale,especiallyinthehillyandgullyloessarea.Integrativecontrolofsmallcatchmentmaybethebestwayforthesustainabledevelop2mentofthesemi2aridhillyareaofLoessPlateau.
Keywords Landuse/coverchange,Soilnutrients,Soilquality,Vegetationrestoration,Ecologicalreconstruction.
1 引 言
展、土壤管理和土地利用可持续评估指标和判断准则[22,25].研究土地利用和管理措施对土壤质量变化的影响已是现代土壤学的主要任务之一[12,18,23～26].
黄土丘陵沟壑区是我国乃至全球水土流失最严重的地区.水土流失、土地退化等成为困扰该区可持续发展和农民脱贫致富的主要问题[6,22,23].由于人类不合理的干扰活动,黄土丘陵沟壑区自然植被破
3国家基金委创新群体科学基金项目(40321101)和国家“十五”科技
()攻关资助项目2001BA606A203.
33通讯联系人.Tel:010262943840;E2mail:Liding@mail1rcees1ac1cn2004-04-09收稿,2004-06-22接受.
土地利用/覆被变化是全球变化研究的热点问题之一[2～5,11,12,14,19,20].土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程变化,如土壤养分、土壤水分、土壤侵蚀、土地生产力[1～3,7,14,16]、生物多样性和生物地球化学循环等[3,14,24].近年来,人类活动引起的土壤退化及其对生产活动和居住环境的影响受到广泛关注.土地利用和管理活动将在很大程度上影响土壤质量的时空变化.土壤质量是全球生物圈可持续发展的重要因素之一[15],亦是农业发
[11～13,16]
12期 巩 杰等:黄土丘陵区小流域土地利用和植被恢复对土壤质量的影响 2293
坏严重,土壤侵蚀和退化剧烈[5～7].自1950年以来,各级政府在黄土高原开展了大量的水土流失治理和植被建设工作,如兴修水利、种草种树、梯田建设等,虽然取得了很大的成效,但其水土流失和土地退化状况依然十分严重.近年来,随着“西部大开发”和“退耕还林还草”工程及生态环境重建工作的实施,各地在黄土高原开展了大规模的退耕和植被恢复工作,但是应采用何种方式进行植被恢复,现有的植被恢复措施对区域生态环境的影响如何,以前的植被恢复工作对目前所开展的植被恢复和生态重建提供何种借鉴和指导,本文就黄土丘陵沟壑区小流域不同植被覆盖下土壤性状和土壤质量变化进行研究,为黄土丘陵区“退耕还林还草”和生态环境重建提供理论依据,促进区域生态重建工作的开展.2 研究地区与研究方法
211 研究区域概况被种类有油松(Pinustabulaeformis)、山杏(Prunusarmemi2
aca)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和柠条(Caraganakor2shinskii).为了研究不同类型植被恢复对土壤性状的影响,选
择同一坡面地形因子相似、地理位置相邻的持续利用25年
(1978～2003年)的6种典型土地利用类型(除撂荒地,其撂
荒时间为8年),如荒草地(自然草地)、山杏林地、农地(马铃薯地)、油松林地、灌丛林地和撂荒地等,研究不同植被下土壤性状及土壤质量变化.各土地利用类型的采样点数分别为
7,8,8,7,6,6,采样点总数为42个.取样层次为0～20cm和20～40cm,每个样点设置5次重复.将5次重复的土样去除
植物根系和石块,充分混匀并用四分法取约1kg的土样带回实验室进行分析.同时测定各样层的土壤容重(BD).将土样风干、过筛后进行土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、全磷
(TP)、速效磷(AP)、硝态氮(NON)、铵态氮(NHN)和速效钾(AK)分析11)有机质采用重铬酸钾容量法;2)全氮采用半微
量凯氏法;3)全磷采用硫酸2高氯酸消煮2钼锑抗比色法;4)速效磷采用碳酸氢钠浸提2钼锑抗比色法;5)硝态氮采用氯化钾浸提紫外比色法;6)铵态氮采用氯化钾浸提流动注射仪法;7)速效钾采用乙酸铵浸提2原子吸收法.
21212土壤质量评价指标体系 本研究的土壤质量主要从
试验区位于甘肃省定西市东北3km处的安家坡小流域
(35°33′～35°35′N,104°38′～104°40′E),海拔1900～2250m,流域面积3184km2(图1).近30年平均降水427mm,60%集中在6～9月;平均蒸发量为1480mm.流域为典型
土壤养分考虑,即土壤肥力质量.由于土壤肥力形成机制的复杂性,不同研究人员对土壤肥力的内涵和外延的理解不同,因此,评价方法和指标体系也不尽一致.本文选择土壤容重、土壤有机质、全氮、全磷、速效磷、硝态氮、铵态氮和速效钾等作为土壤质量评价指标,采用多元统计分析,对黄土丘陵小流域不同植被类型对土壤性状的影响进行研究.
21213土壤质量综合指数(IFI)计算 土壤质量综合指数(integratedfertilityindex,IFI)是土壤各指标因子的综合和集
的黄土丘陵沟壑地貌,地形支离破碎,沟壑纵横,农地分布较广.土壤类型为黄土母质上发育而成的黄绵土及沟道盐渍土.黄土厚度达40～60m,无障碍层次.土质疏松,抗蚀性差.流域内坡度<15°的占6417%,15°～25°的占2411%,>
25°的占1112%.流域内土地利用受人类活动干扰较大,自然
植被破坏严重,土壤侵蚀强烈.主要土地利用类型有农地、灌木林地、人工林地、撂荒地和荒草地等.
成[28].由于土壤肥力因子变化具有连续性质,故各评价指标采用连续性质的隶属度函数,并从主成分因子负荷量值的正负性,确定隶属度函数分布的升降性.这与各因子对植被的效应相符合.土壤各项养分因子采用升型分布函数计算(式
1),土壤容重采用降型分布函数计算(式2).
F(xi)=(xij-ximin)/(ximax-ximin)F(xi)=(ximax-xi)/(ximax-ximin)
(1)(2)
式中,F(xi)为各肥力因子的隶属度值;xij为各因子肥力值;
ximax和ximin分别为第i项肥力因子中的最大值和最小值.
由于土壤质量的各个因子状况与重要性不同,通常用权重系数表示各因子的重要性程度,利用SPSS软件包计算肥力因子主成分的贡献率和累积贡献率,利用主成分因子负荷
图1 定西市安家坡流域地形示意图
Fig.1TopographyofAnjiapocatchmentinDingxiCity1
量计算各肥力因子在土壤肥力中的作用大小,确定其权重.
Wi=ComponentCapacityi/
212 研究方法
21211采样与实验分析 选取安家坡小流域典型坡面进行
i-1
6
n
(ComponentCapacityi)
(3)
研究,坡面既有人类活动干扰的痕迹,也有自然植被类型.对当地政府和村民问卷调查分析结果表明,该地曾于1978年前后进行过大面积的植被恢复和人工林建造,建植的主要植
式中,ComponentCapacityi是第i项土壤质量因子的因子负荷量.
不同土地利用下IFI的计算参考张庆费等[28]的土壤肥
应 用 生 态 学 报 15卷2294力综合指标公式,对各个土壤质量的指标值采用乘法进行合成1各土地利用下土壤质量的综合指标值的计算公式为:
IFI=
n
较大的影响,山杏林地、油松林地、灌木林地和撂荒地的速效磷和速效钾含量显著增加,而农地与荒草地差异不大.各土地利用类型之间速效磷差异不明
显(表1),这种土壤P和K含量的差异主要是由于人类干扰下各土地利用类型的生物和地球化学循环过程的不同而引起的[22].
研究结果表明,农地质量呈现退化趋势,耕作措施会降低土壤养分含量,但撂荒可在一定程度上恢复土壤肥力(表1).Davidson[4]报道,耕作会导致土壤质量下降.与非农地相比,农地含有较低的有机质.这是因为该地区农户施肥较少且为单一化肥.同时,作物收获会带走大量有机产品,随着耕种时间的推移,必然导致土壤有机质的分解和转化的加速,进而引起土壤退化.
312 土地利用类型对土壤质量的影响
i=1
6
Wi×F(xi)(4)
式中,Wi为各质量因子的权重向量,F(xi)为各质量因子的隶属度值.
213 分析方法
应用ANOVA分析,多元统计和LSD分析土地利用对土壤性状的影响.用F值对AVONA中的分析进行显著性检验.所有分析均在SPSS(2001)软件下进行.
3 结果与讨论
311 土地覆被与土壤性状变化
由表1可以看出,不同土地利用类型对土壤性状有明显的影响.不同土地利用类型下,BD和NON差异显著,而SOM、TN、AP、NHN和AK差异极显著,不同土地利用类型对土壤TP的影响不明显. 选取荒草地作为基准比较,山杏林地、油松林地
和灌木林地的有机质含量有大幅度提高(表1).灌木林地的有机质含量最高,农地最低,油松林地、山杏林地、荒草地和撂荒地居中.这是因为地表植被覆盖会改变生态系统生物量和微环境条件,如光、热、水和土壤生物等.地表植被覆盖越大,土壤表层获取的光和热量会减少,进而增加有机质的累积[18].但有研究指出,林木的生长会产生大量的抑制有机质生成的物质,因而林木和灌木的生长会减少土壤有机质含量[3].表明人类活动和植被恢复引起的不同土地利用类型对土壤养分含量有很大的影响.这与前人的研究结论相一致[3,4,7,21,22,24].
人类活动和植被恢复对土壤P和K含量也有
表1 不同土地利用类型对土壤性状的影响
土壤综合质量指数反映了不同土地利用类型的
相对质量.利用式(1)和式(2)计算土壤质量因子的隶属度值(表2).通常,土壤质量因子对土壤综合质量大小的重要性和贡献不同,须确定不同土壤性状因子对土壤质量的贡献率和累积贡献率,进而计算出各因子的负荷量,利用式(3)计算出各土壤性状因子的权重(表3).根据加乘法则对各个肥力因子指标值采用乘法进行合成,利用式(4)计算不同土地利用类型的土壤质量指数(图2).
经过25年的持续利用和植被恢复建设,不同植被类型和土地利用方式对土壤质量有很大的影响(图2).不同土地利用类型的土壤质量指数差异较大.荒草地(自然草地)、山杏林地、农地、油松林地、灌木林地和撂荒地的土壤质量指数分别为01486、
Table1Effectsoflandusetypesonselectedphysicalandchemicalproperties(0～20cm)(SD)
土地利用类型
Landusetypes
样点数
Samples
size788766
容 重有机质全氮
TotalN
(%)01162(01006)01205(01009)01105(01010)01148(01011)01178(01007)01172(01011)
全磷
TotalP(%)01074(01009)01071(01008)01069(01006)01072(01005)01078(01004)01065(01009)
速效磷
AvailableP(mg・kg-1)11627(01078)51281(01282)3192(01199)91339(01290)221702(21298)41753(01287)469143
3
荒草地
Wasteland
山杏林地
Almondland
BulkdensityOrganicmatter
(%)(g・m-3)
1116721071(01049)(01226)1117221160(01015)(01066)11162(01029)11285(01023)11127(01012)11175(01019)
1109401113)21231(01126)21863(01116)21151(01134)
NO3-2N(mg・kg-1)91249(01244)251354(3197)101885(01435)261933(01763)101592(01662)311088(2177)1491993
硝态氮
NH4+2N(mg・kg-1)61999(0126)111639(0174)81459(0139)71645(0141)7115(0115)61832(0127)1311383
3
铵态氮速效钾
AvailableK(mg・kg-1)218137(7118)344145(7174)219138(3114)30813(2147)275147(3190)334123(7103)10071573
3
农 地
Cropland
油松林地
Pineland
灌丛林地
Shrubland
撂荒地1)
Fallowland
Fvalue2145310332601653318819133
1)撂荒时间为8年Ithasbeenfallowedfor8years13P<0105;33P<0101.
12期 巩 杰等:黄土丘陵区小流域土地利用和植被恢复对土壤质量的影响 2295表2 不同土地利用类型土壤肥力因子及其隶属度值
Table2Valuesofsoilfertilityandtheirmembershipfunctionvaluesofdifferentlandusetypes
肥力因子
Factor
-3
荒草地
Wasteland
杏树林地
Almondland
农 田
Farmland
油松林地
Pineland
沙棘林地
Shrubland
撂荒地
Fallowland
B
0151401571012390142201546010770162401608ABABABABABA1115401637111670158811150015251128501610111270146111175容 重Bulkdensity(g・cm
有机质Organicmatter(%)2107101206211600158411094015112123101815218630156921151
()全 氮TotalN%0116201372012050159901105014940114801466011670139301150
全 磷TotalP(%)0107401532010710152601069015600107201073010770145201065
-1
11630161551280154531920169791340166922170014034175速效磷AvailableP(mg・kg
--1
NO32N(mg・kg)912501524251350125110188016252619301468101590140131109
+-1
()NH42Nmg・kg61990159711164013528146013047164015637115014086183
2181301446343160139521914014443081301597175150143933413速效钾AvailableK(mg・kg-1)A:土壤肥力因子数值Valueofthesoilfertilityfactor;B:土壤肥力因子隶属度值Membershipfunctionvalueofthesoilfertilityfactor.
表3 土壤肥力因子主成分的贡献率、负荷量和权重
Table3Cumulativepercentage,valuesofcomponentcapacityandweightofprincipalfertilitycomponents
壤肥力的提高有利于演替后续物种的生长和发展,促进群落演替[10]. 不同人工乔灌林有一定的土壤培肥作用.灌丛具有良好的肥力岛屿作用[11,25];乔木也有一定的土壤培肥作用.由图2可以看出,灌丛(沙棘)的土壤质量综合指数最大,油松最小,山杏居中.植被恢复和重建有助于土壤养分的富集.植被恢复后改变了土壤表层覆盖物的性状,大量的次生草本和枯枝落叶减少了水土流失,防止了土壤养分的流失,增强土壤的滞水纳墒能力,进而形成较好的土壤水肥条件,有助于土壤肥力的提高;良好的土壤肥力水平又促进了土壤生物繁殖和活力,植被的繁茂生长会产生大量的枯落物,在较好的水分和光热条件下,必然会加速枯落物的分解转化,导致土壤肥力性状的进一步良化.这促进了生态系统的良性循环,有助于生态系统服务功能的良好发挥,进而改善区域生态环境条件.建植山杏和油松也会培肥土壤,但油松林地的土壤将发生退化[26].这是因为松柏类植物的地被物较
贡献率累 计负荷量Capacity权重Weight
ComponentPercent贡献率
第1第2第3第1第2第3
principalofcapacityCumulative
主成分主成分主成分主成分主成分主成分(%)percentage
FirstSecondThirdFirstSecondThird(%)
compo2compo2compo2compo2compo2compo2nentnentnentnentnentnent1521815218101460171010801080124010421710769188019501240107’01170108010331311483102019101260107011601090103491229212401360116017801060105013755102971270159014001500111011301246210599132017701520112011401170106701459917701580148013901110116011880123100019401210110011701080105主成分
图2 不同土地利用方式下土壤综合质量指数(IFI)变化
Fig.2Soilintegratedfertilityindex(IFI)fordifferentlandusetypes.A:荒草地Wasteland;B:杏树林地Almondland;C:农田Farmland;D:油松林地Pineland;E:沙棘林地Shrubland;F:撂荒地Fallowland.
少,不利于草本植物的演替和土壤生物的繁殖活动,长期将导致土壤表层硬壳化,不利于土壤2植物系统的演替.因此在植被建植中,应注意乔灌草结合,创造多元生物系统,以发挥区域植被恢复重建的生态、环境和经济效应,促进区域可持续发展.4 讨 论
01627、01326、01592、01814和01469;各种土地利用
方式的IFI大小排序是灌木林地>山杏林地>油松
林地>荒草地>撂荒地>农耕地.以荒草地为基准可以看出,人工植被恢复有明显的土壤培肥作用,农耕措施会明显降低土壤肥力.荒草地与撂荒地的IFI相近,说明撂荒在一定程度上能恢复地力.这与前人的研究结果一致[3,4,7,12,18,21,23,24,27].农地经过植被恢复和撂荒,随着植被的生长发育和演替,会伴生大量的草本植物和土壤生物,形成新的生物群落,进而影响土壤质量的变化.大量的森林凋落物、林木庞大的根系和依赖于森林生存的特有生物,使森林具有其独特的成土条件[28]和自肥机制.土壤状况,尤其是肥力状况影响着植物群落的拓殖和更替,土
对黄土丘陵区小流域持续利用25年后的6种土地利用类型的土壤性状研究结果表明,人类活动和植被恢复对不同土地利用类型的土壤综合质量有较大的影响.植被恢复和农地撂荒有一定的土壤培肥作用,灌丛具有明显的肥力岛屿效应,粗放的耕作措施会降低土壤肥力,导致土壤退化.撂荒将在一定程度上恢复土壤肥力,改善土壤肥力水平.但由于以前建植的植被种类单一,形成大面积的纯林和小老树,也造成土壤干层的形成和植被成活率低下
应 用 生 态 学 报 15卷2296
等[8,9,10].为了避免上述问题的再次发生,在半干旱黄土丘陵沟壑区植被建设和生态恢复中,应以恢复生态学和景观生态学原理为指导,广泛采用农地撂荒(自然恢复)和乔灌草相结合的方式进行植被恢复.在农地退耕时进行大面积撂荒,同时在一定地貌部位(如沟道排洪口、沟坡边缘、地埂等)栽植一些乔灌木,既增加了景观异质性和连接度,又有利于控制水土流失.因地制宜,以种植乡土灌木和牧草为主,引进抗旱和强适应性品种,乔灌草结合,但不宜大面积栽植乔木.进行封育,充分发挥退化生态系统自然恢复能力,促进生物群落的次生演替,既可以避免人工植被建设带来的弊端(如小老树和土壤干层等),又可以利用植被建设来提高土壤肥力水平,逐步改善区域生态环境.通过自然和人工植被恢复,进行小流域综合治理,减少水土流失,培肥地力,逐步改善区域生态环境条件,促进生态环境建设的经济、生态和社会效益的统一,最终建立具有较高生态、社会、经济效益的可自我维持的生态系统,促进全球生物圈的可持续发展[1,16,17,20,25].
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作者简介 巩 杰,男,1975年生,博士生,主要从事土地利用/覆被变化2景观生态学和植被恢复方面的研究,发表论文5篇.E2mail:gj21st@1631com
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