劉正剛，王勇軍，王憲帥

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 雅安 625014）

岷江上游雜谷腦河流域不同土地利用類型土壤碳氮特征

劉正剛，王勇軍，王憲帥

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 雅安 625014）

對(duì)雜谷腦河流域不同區(qū)段（上、中、下游）6種不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和全氮進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：該流域土壤有機(jī)碳含量為經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地 > 人工成熟林地 > 灌木林地 > 人工幼齡林地 > 天然次生林地；土壤全氮含量為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 天然次生林地 > 人工成熟林地 > 灌木林地 > 人工幼齡林地；C/N為人工幼齡林地 > 人工成熟林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地 > 天然次生林地。同一土地利用類型在不同區(qū)段中，經(jīng)濟(jì)林土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)為中游 > 下游；農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳含量為中游 > 上游 > 下游；土壤全氮含量為下游 > 中游 > 上游；灌木林地土壤有機(jī)碳和全氮含量為中游 > 下游。同一區(qū)段不同土地利用類型中，流域下游土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地 > 灌木林地，全氮含量表現(xiàn)為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地；流域中游土壤有機(jī)碳和全氮含量均表現(xiàn)為含量農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地；流域上游土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為人工成熟林地最高 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地 > 天然次生林地，全氮含量表現(xiàn)為天然次生林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地。

土地利用類型；有機(jī)碳；全氮；雜谷腦河

土地利用是人類根據(jù)土地的特點(diǎn)，為了一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)目的而進(jìn)行的一系列生物和技術(shù)活動(dòng)，對(duì)土地進(jìn)行長(zhǎng)期或周期性的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)[1]，是人類利用土地各種活動(dòng)的綜合反映[2]，對(duì)各種生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，它的變化直接導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的變化[3～5]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳和氮在全球碳、氮循環(huán)中起著重要作用。土壤有機(jī)質(zhì)不僅能為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，而且是影響土壤結(jié)構(gòu)形成、土壤養(yǎng)分生物有效性以及土壤生物多樣性的重要因素[6～7]。已有的研究表明，土壤有機(jī)碳的多少很大程度上依賴于地表植被和土地利用狀況，且土壤有機(jī)碳的變化會(huì)影響植物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而影響生產(chǎn)量[8～10]。氮是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性元素，能夠限制群落初級(jí)和次級(jí)生產(chǎn)量，而且土地利用方式的不同容易引起土壤氮循環(huán)格局的不同，從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[10～11]。

岷江上游雜谷腦河干旱河谷屬干暖河谷，該區(qū)植物種類較少，具有荒漠化半荒漠化性質(zhì)[12～14]。近年來，隨著水電開發(fā)、退耕還林還草等土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，雜谷腦河流域土地利用、土地覆被發(fā)生了明顯變化，改變了土壤有機(jī)質(zhì)及土壤全氮含量[15～18]。本文以雜谷腦河流域不同河段土地利用類型為研究對(duì)象，分析其土壤有機(jī)碳和氮含量特征及其相互關(guān)系，以期為該流域不同土地利用類型土壤肥力恢復(fù)及區(qū)域土地利用規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

雜谷腦河是四川岷江的一級(jí)支流，發(fā)源于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣西北的鷓鴣山北麓的紅水溝，從海拔4 451 m由西北向東南奔流而下，縱貫理縣全境，流經(jīng)理縣的米亞羅、夾壁、沙壩、樸頭、雜谷腦、甘堡、薛城、木卡、通化、桃坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，至汶川縣城匯入岷江，全長(zhǎng)157 km。歷年平均流量為63.9 m3/s，其特點(diǎn)是水流湍急，落差大，流量隨雨季而變化。多年平均總輸沙量2.10×106t左右。山地為燥褐土（過去曾稱灰褐土），是發(fā)育在干燥河谷地帶旱生灌木草叢植被下的土壤，主要分布在海拔2 000 m以下的河谷地帶。由于受焚風(fēng)的影響，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，整個(gè)土體中聚積著大量的游離碳酸鈣，且很少有分層現(xiàn)象，全剖面呈堿性反應(yīng)，pH值7.4 ～ 8.4。這種土與石灰性褐土有顯著區(qū)別，形成條件和理化性狀亦與褐土不同，在分布上有特定的地理空間，地面植被稀疏，喬木難以生存，以灌草為主，沖刷嚴(yán)重[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 分別在雜谷腦河流域上、中、下游的農(nóng)耕地、經(jīng)濟(jì)林地、灌木林地、天然次生林地、人工幼林地和人工成熟林地6種土地利用類型中設(shè)置面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地3個(gè)。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of sample plots

1.2.2 樣品采集與測(cè)定 在所選的樣地中，土壤按品字形設(shè)置三個(gè)剖面，用100 cm3環(huán)刀在0 ～ 20 cm土層取樣，帶回室內(nèi)測(cè)定土壤物理性質(zhì)。采用四分法取混合土樣，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干過2.0 mm和0.25 mm土壤篩，處理后土樣有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定，全氮用凱氏定氮法測(cè)定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳、全氮含量

由表2可以看出，研究區(qū)不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量差異較大，其中以經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)碳含量最高，為3.71 g/kg，比農(nóng)耕地、人工成熟林地、灌木林地和人工幼齡林地分別高4.6%、12.1%、32.3%和51.2%，這主要是由于經(jīng)濟(jì)林地在利用過程中，經(jīng)濟(jì)林的枯枝敗葉返回土壤，且人工施用了有機(jī)肥，增加了經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)碳含量。經(jīng)濟(jì)林地與農(nóng)耕地差異不大，這是因?yàn)檫@兩種土地利用方式之間的人為干擾活動(dòng)相近。人工幼齡林地土壤有機(jī)碳含量相對(duì)偏低，為1.81 g/kg，這主要是由于人工幼齡林苗木生長(zhǎng)消耗了大量的有機(jī)碳，而外界又沒有及時(shí)地補(bǔ)充輸入所致。

表2 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 2 Soil organic carbon and total nitrogen content under different land use types

土壤中氮素含量受自然因素（氣候、地形及植被）和農(nóng)業(yè)措施（肥料、耕作、灌溉及土地利用方式）的影響，其含量處于動(dòng)態(tài)變化中[21]。由表2可以看出，不同土地利用類型土壤全氮含量有明顯差異，介于0.10 ～ 0.37 g/kg；土壤全氮含量以農(nóng)耕地最高，比經(jīng)濟(jì)林地、天然次生林地、人工成熟林地、灌木林地和人工幼齡林地分別高32.4%、37.8%、43.2%、51.4%和73.0%。這是因?yàn)檗r(nóng)耕地在耕作過程中輸入了大量的氮肥，且還有部分氮素歸還土壤，因而農(nóng)耕地全氮含量高；而人工成熟林比人工幼齡林含氮量高是因?yàn)榍罢叻祷赝寥赖膭?dòng)植物殘?bào)w更多。

2.2 不同土地利用類型的土壤C/N

土壤C/N在土壤有機(jī)質(zhì)分解過程中具有重要作用，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要因子，它決定了有機(jī)質(zhì)改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)碳固定的有效性，并影響土壤作為大氣CO2“源/匯”的潛能和氮素在土壤中的調(diào)節(jié)[22]。一般認(rèn)為，如C/N > 30，在其礦化作用下的最初級(jí)階段則不能對(duì)植物產(chǎn)生供氮效應(yīng)；如C/N < 15，其礦化作用開始，所提供的有效氮量就會(huì)超過微生物的同化量，使植物有可能從有機(jī)質(zhì)礦化過程中獲得有效氮的供應(yīng)[23～24]。由表2可以看出，6種土地利用類型的C/N從大到小排序?yàn)槿斯びg林地 > 人工成熟林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地> 天然次生林地，以人工幼齡林最高，為17.99，天然次生林最低，為6.32。這表明人工幼齡林地、人工成熟林地和經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)質(zhì)礦化程度不高，植物不能從礦化過程中獲得足夠的有效氮供應(yīng)。

2.3 同一土地利用類型在不同區(qū)段中的土壤有機(jī)碳、氮特征

由表3可以看出，經(jīng)濟(jì)林地中游土壤有機(jī)碳和全氮含量均比下游高，C/N下游高于中游；農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳含量中游比下游和上游高60.4%和54.7%，土壤全氮含量下游比中游和上游分別高20.8%和66.0%，C/N為上游 > 中游 > 下游；灌木林地土壤有機(jī)碳和全氮含量中游均比下游高，C/N中游高于下游。

表3 同一土地利用類型在不同區(qū)段中土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 3 Soil organic carbon and total nitrogen content under same land use at different reaches

2.4 同一區(qū)段不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳、氮特征

由表4可以看出，在流域下游，經(jīng)濟(jì)林地土壤有機(jī)碳含量最高，比農(nóng)耕地和灌木林地分別高24.7%和47.0%；土壤全氮農(nóng)耕地含量最高，比經(jīng)濟(jì)林地和灌木林地分別高75.5%和77.4%；C/N為經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地。在流域中游，土壤有機(jī)碳含量以農(nóng)耕地最高，比經(jīng)濟(jì)林地、灌木林地分別高11.2%和41.0%；土壤全氮含量農(nóng)耕地最高，比灌木林地、經(jīng)濟(jì)林地高45.2%和11.9%；C/N表現(xiàn)為灌木林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地。在流域上游，土壤有機(jī)碳含量以人工成熟林最高，比人工幼齡林地、天然次生林地、農(nóng)耕地分別高44.5%、56.1%和19.6%；土壤全氮含量以天然次生林地最高，比人工成熟林地、人工幼齡林地、農(nóng)耕地分別高8.7%、56.5%和21.7%；C/N為人工幼齡林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 天然次生林地。

表4 同一區(qū)段不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 4 Soil organic carbon and total nitrogen content at the same reaches under different land use

3 討論

在本研究中，由于施肥、灌溉等農(nóng)事活動(dòng)，農(nóng)耕地和經(jīng)濟(jì)林地有機(jī)碳和全氮含量均較高，這與已有的研究結(jié)果基本一致[10～11]。而在有林地上，由于植被和經(jīng)營(yíng)措施的差異，導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳和全氮含量差異。尤其是人工幼齡林地，土壤有機(jī)碳和全氮含量都很低，C/N為17.99，說明人工幼齡林地有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮的分解和礦化慢，土壤固定有機(jī)碳能力低，氮素流失的可能性大。天然次生林地雖然有機(jī)碳含量不高，但C/N為6.32，表明天然林采伐后經(jīng)過多年的自然演替仍可保持較高土壤肥力。因此，采取天然林保護(hù)、退耕還林等措施，可以改善土壤理化特性、增加土壤中根系以及殘茬數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而提高林地土壤中有機(jī)碳和全氮含量，調(diào)整C/N，促進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中碳和氮循環(huán)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

氮是植物生長(zhǎng)中不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素，但在森林土壤中，除氮極端缺乏條件下植物能吸收簡(jiǎn)單有機(jī)氮外，99%以上的氮不能被植物直接吸收利用，需要經(jīng)過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為有效氮才能被植物吸收利用[9]。因此森林土壤中氮的礦化過程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的氮循環(huán)起著十分重要的作用，同時(shí)氮的有效性與微生物的活動(dòng)、植物吸收過程、人類經(jīng)營(yíng)管理、氮的固定有著緊密的聯(lián)系[10～11]。本研究表明，同種土地利用類型下，流域中游經(jīng)濟(jì)林地土壤有機(jī)碳和全氮含量均比下游高，C/N下游高于中游；農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)中游 > 上游 > 下游，土壤全氮含量表現(xiàn)為下游 > 中游 > 上游，C/N表現(xiàn)為上游 > 中游 > 下游。灌木林地土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)為中游均比下游高，C/N中游高于下游。張鵬等對(duì)祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮特征及影響因子的研究表明，隨著海拔的升高，土壤碳氮含量會(huì)降低，C/N升高[25]。這與本次研究結(jié)果基本一致。

李春燕等研究表明，四川沱江流域上、中、下游紫色土有機(jī)碳總量總體上差異顯著，且以上游區(qū)段紫色土壤有機(jī)碳總量最高；流域中下游紫色土有機(jī)碳總量在不同區(qū)段情況變化較為復(fù)雜。其中，林地以下游高于中游，果園及草坡地中游高于下游；而且菜園地、玉米地在3個(gè)區(qū)段上差異未達(dá)顯著水平[26]。本研究進(jìn)一步表明，雜谷腦河流域不同區(qū)段各土地利用類型方式下，流域下游土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地 > 灌木林地，全氮含量表現(xiàn)為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地，C/N為經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地 > 農(nóng)耕地；流域中游土壤有機(jī)碳和全氮含量均表現(xiàn)為農(nóng)耕地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 灌木林地，C/N表現(xiàn)為灌木林地 > 經(jīng)濟(jì)林地 > 農(nóng)耕地；流域上游土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為人工成熟林 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地 > 天然次生林地，全氮含量表現(xiàn)為天然次生林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 人工幼齡林地，C/N為人工幼齡林地 > 人工成熟林地 > 農(nóng)耕地 > 天然次生林地。這可能與雜谷腦河流域不同區(qū)段的人為活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。

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Characteristics of Soil Carbon and Nitrogen Content under Different Land Use at Zagunao River Basin

LIU Zheng-gang，WANG Yong-jun，WANG Xian-shuai
（Sichuan Provincial Key Lab of Forestry Ecological Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China）

Soil organic carbon and total nitrogen content under 6 different land use at different reaches (upper, middle and lower) of Zagunao River basin, Sichuan province were measured. The results showed that soil organic carbon, total nitrogen content and C/N of the river basin were in order as follows: economic forest > farmland > planted mature forest > shrub > planted young forest> natural secondary forest, farmland > economic forest > natural secondary forest > planted mature forest> shrub > planted young forest and planted young forest > planted mature forest > economic forest > shrub > farmland > natural secondary forest, respectively. With same land use at different reaches, soil organic carbon and total nitrogen content of economic forest showed middle reaches> lower reaches, soil organic carbon and total nitrogen content of farmland showed middle reaches > upper reaches> lower reaches and lower reaches> middle reaches> upper reaches respectively, and the two contents of shrub were middle reaches > upper reaches. At same reaches under different land use, the soil organic carbon and total nitrogen content separately showed economic forest > farmland > shrub and farmland > economic forest > shrub at the lower reaches; at the middle reaches, they all showed farmland > economic forest > shrub; at the upper reaches, they separately showed planted mature forest > farmland > planted young forest > natural secondary forest and natural secondary forest > planted mature forest > farmland > planted young forest.

land use; soil organic carbon; total nitrogen; Zagunao River

S714.4

A

1001-3776（2011）04-0001-05

2011-04-18；

2011-06-15

國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目“長(zhǎng)江中上游西南山地退化生態(tài)系統(tǒng)綜合整治技術(shù)與模式”（2008BADC2B01）；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目“馬尾松低效林改造對(duì)土壤碳匯功能的影響”

劉正剛（1969-），男，重慶涪陵人，助理研究員，碩士，從事森林培育研究。