土地利用多樣化的原因分析

土地利用多樣化的原因分析

了解土壤養(yǎng)分的空間變化分布與場(chǎng)地環(huán)境（如氣候、土地使用和景觀(guān)位置）之間的關(guān)系，是了解生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的重要因素，也是土地利用和生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型變化對(duì)土壤養(yǎng)分的影響的重要因素。土地利用的變化可以影響到許多的自然現(xiàn)象與生態(tài)過(guò)程,包括土壤養(yǎng)分含量與土壤水熱交換等。目前許多的研究者將研究重點(diǎn)放于景觀(guān)或區(qū)域尺度上進(jìn)行。在坡面上,景觀(guān)位置與土地利用是決定土壤化學(xué)物理性質(zhì)變化的重要因素,沿坡面不同的土壤成土過(guò)程導(dǎo)致了其特性的不同,許多研究表明,不同的景觀(guān)位置土壤的化學(xué)物理特征變異明顯。不同的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型也影響植被生物量,土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入量,分解量等。山區(qū)坡面上土壤的變異往往十分的顯著。過(guò)去幾十年中,四川許多山區(qū)的自然生境被破壞,森林被砍伐或轉(zhuǎn)化為草地、農(nóng)田等。植被景觀(guān)的破碎化,生態(tài)系統(tǒng)的多樣化與土地利用的斑塊化是人類(lèi)干擾下山區(qū)景觀(guān)異質(zhì)性的特點(diǎn)。這不僅僅關(guān)系到長(zhǎng)江中上游的生態(tài)環(huán)境安全,生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性,同時(shí)也影響著本地區(qū)土壤質(zhì)量的變化,嚴(yán)重的干擾會(huì)造成土壤不可逆轉(zhuǎn)的退化。在土地利用,土地覆被與土壤特性關(guān)系的研究中,對(duì)于土壤質(zhì)量及其退化的研究仍十分少。坡面土地利用,景觀(guān)位置與土壤質(zhì)量關(guān)系需要進(jìn)一步的系統(tǒng)分析。單一的因子評(píng)價(jià)難以精確的評(píng)價(jià)與比較土壤質(zhì)量變化,應(yīng)利用綜合有效的土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法來(lái)定量化研究不同土地利用方式與景觀(guān)位置對(duì)土壤質(zhì)量的影響。本研究的目的是:分析不同坡位及土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分與水分含量的變化,定量化研究土地利用與景觀(guān)位置對(duì)土壤質(zhì)量的影響。1研究場(chǎng)所和研究方法1.1不同坡面的土地利用類(lèi)型研究地點(diǎn)在四川臥龍自然保護(hù)區(qū)皮條河流域臥龍關(guān)鎮(zhèn)(103°58′E,30°58′N(xiāo)),臥龍地區(qū)植被由于受到森林砍伐及人類(lèi)活動(dòng)等影響,而且由于放牧等活動(dòng)阻礙了森林的次生演替,逐漸在居民居住區(qū)產(chǎn)生了不同的植被類(lèi)型,同時(shí)該地區(qū)也有一定規(guī)模的人工林種植。所以在不同坡面位置有著不同的土地利用類(lèi)型。在研究地點(diǎn),灌叢、撂荒地、坡耕地和人工林的異質(zhì)化分布是土地利用的主要特點(diǎn)。臥龍自然保護(hù)區(qū)氣候?qū)儆趦?nèi)陸高山氣候,濕度大,冬季冷。屬于高山峽谷地段。年氣溫在8.5±0.5℃,年降雨量在890±100mm。相對(duì)濕度在75.5%～84.8%,土壤屬于山地棕壤。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1坡位、坡土、山地研究選取了臥龍關(guān)鎮(zhèn)的典型坡面進(jìn)行,坡面既有人類(lèi)干擾的痕跡,也有自然植被類(lèi)型,如農(nóng)田是完全干擾類(lèi)型,人工林荒地次之,而灌叢大部分是自然狀態(tài)情況。根據(jù)Brubaker劃分坡面景觀(guān)位置方法,根據(jù)實(shí)際的坡形,研究的坡位分為4個(gè)部分,上坡位,中坡位,下坡位與坡腳。上中下坡度均在30°左右,坡腳的坡度在10°左右,土壤層厚,研究的坡向是東南坡。在每一個(gè)坡位上分別選擇了4種不同的土地利用方式,即灌叢,主要是杜鵑(RododendronaugustiniiHems),野核桃(JuglanscathayensisDode)和柳屬(Salixspp.)等;撂荒地,優(yōu)勢(shì)種為蒿類(lèi)(Artemisiaspp.)和苔草類(lèi)(Carexspp.);人工林,主要種植四川紅杉(LarixmastersianaRehd.etWils.)與落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr);坡耕地,種植有玉米(ZeamaysL.)和土豆(Solanumtuberosum)等。分別在不同的土地利用方式下進(jìn)行土壤水分的測(cè)定與和土壤采樣。1.2.2土壤理化性質(zhì)的測(cè)定土壤水分利用便攜式TDR(時(shí)域反射儀)測(cè)定,在每個(gè)樣地中,隨機(jī)取3個(gè)剖面分兩層(0～20cm,20～40cm)采樣,每層測(cè)定重復(fù)6次,取其平均值。土壤養(yǎng)分測(cè)定取自樣地0～25cm表層土壤,隨機(jī)采樣,每樣地是3重復(fù)取平均值。土壤水分、養(yǎng)分是多點(diǎn)采樣測(cè)定的平均值,同時(shí)上中下坡位上采樣的坡度保持一致。土壤理化性質(zhì)分析見(jiàn)參考文獻(xiàn)。單因素方差分析(ANOVA)及其他的統(tǒng)計(jì)分析皆在SPSS程序中運(yùn)行。1.2.3土壤肥力綜合評(píng)價(jià)為了比較不同坡位對(duì)土壤質(zhì)量的影響,參考土壤退化指數(shù)的計(jì)算公式,提出了土壤質(zhì)量的相對(duì)坡位指數(shù)(PI)來(lái)定量化的比較不同坡位上的土壤質(zhì)量。其4個(gè)坡位上不同土壤性質(zhì)的平均值之間的差異程度與一個(gè)基準(zhǔn)的坡位相比較,并用百分比來(lái)表示,然后將不同土壤性質(zhì)之間的百分比平均起來(lái),得出PI的值。以上坡位為基準(zhǔn),其PI值為零。PI表達(dá)式如下:ΡΙ=n∑i=1((xi-x′i)/x′i)×100%/n(1)式中,xi是土壤質(zhì)量指示的物理和化學(xué)因子的元素含量;x′i這些相對(duì)的因子在上坡位的含量,但由于高的土壤容重值通常表明土地有退化的趨勢(shì),所以實(shí)際的計(jì)算中采用了容重差值的相反數(shù)。不同土地利用下QI值的計(jì)算參考張慶費(fèi)對(duì)于土壤肥力綜合指標(biāo)公式,對(duì)各個(gè)土壤質(zhì)量的指標(biāo)值采用加乘法則進(jìn)行合成,計(jì)算的公式如下:QΙ=n∑i=1Wi×Q(xi)(2)式中,Wi為各因子的權(quán)重向量;Q(xi)為各因子的隸屬度值。因子的隸屬度值Q(xi)是由各評(píng)價(jià)指標(biāo)采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)得出,并從主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性,確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。用權(quán)重向量Wi表示各個(gè)土壤質(zhì)量因子的重要性程度,利用SPSS軟件計(jì)算各質(zhì)量因子主成分的貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率,通過(guò)主成分分析的因子負(fù)荷量,計(jì)算各質(zhì)量因子在土壤質(zhì)量中的作用大小,確定其權(quán)重。2結(jié)果與分析2.1不同坡位土壤水分含量的差異圖1顯示土壤水分含量在不同的土地利用方式與不同的景觀(guān)位置中的差異,在不同的坡位上,土壤水分含量也有差異,上、中、下坡位與坡腳的水分含量分別是14.54%,12.52%,12.82%,19.95%。土壤水分的含量差異與坡度與植物覆蓋有很大的關(guān)系,坡腳由于坡度緩的原因,水分含量高于其他坡位。在灌叢、撂荒地、坡耕地與人工林中,土壤表層0～20cm的水分平均含量分別是16.28%,14.23%,14.93%和13.98%。灌叢中土壤水分含量比其他土地利用方式高出9%～14.6%。這主要是由于灌叢的層蓋度高,物種豐富度高,透光性差的原因。2.2土壤質(zhì)量因子的主成分分析土壤分析結(jié)果表明,土壤的pH值及機(jī)械組成在樣地之間差異極不顯著,篩選出如下的8種土壤性質(zhì)作為指示土壤質(zhì)量的指示因子(表1),主要用以指示土壤肥力水平。結(jié)果顯示有機(jī)質(zhì)、總氮、容重和速效鉀在不同土地利用方式之間有著顯著性差異,土壤有機(jī)質(zhì)與總氮的含量在農(nóng)田中低于灌叢與撂荒地的含量,但是容重值要高。結(jié)果表明耕作可以降低土壤養(yǎng)分的含量,許多研究者得出同樣的結(jié)論。在土壤養(yǎng)分元素中,土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤質(zhì)量的變化非常敏感,是一個(gè)重要的土壤質(zhì)量指示因子?？傗?、總磷的差異不顯著,但大部分養(yǎng)分元素的含量在農(nóng)田中的含量較低或最低。表2給出了不同土壤質(zhì)量因子主成分分析的結(jié)果,從因子主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率來(lái)看,第一主成分的貢獻(xiàn)率不能完全代表原變量的信息,所以計(jì)算中用第一、第二主成分的值。權(quán)重系數(shù)是利用第一、第二主成分的值來(lái)求出,通過(guò)公式(2)求出綜合土壤質(zhì)量指數(shù)。單一的因子評(píng)價(jià)的重點(diǎn)常集中在土壤有機(jī)質(zhì)或氮磷鉀含量變化上,由于對(duì)照土壤的不同,不同研究者的結(jié)果十分難以對(duì)比,且土壤質(zhì)量變化難以精確的評(píng)價(jià)比較。由于土壤質(zhì)量的因子的多樣性,許多研究者提出了的不同的綜合方法來(lái)將其定量化來(lái)描述土壤質(zhì)量的變化。本研究計(jì)算出的QI值反映了不同土地利用方式下的土壤質(zhì)量的變化程度。圖2顯示不同的土地利用方式下的QI值。灌叢、撂荒地、坡耕地和人工林的QI值分別是1.662,0.949,0.723,0.728和0.3183。灌叢的QI值最高而人工林的QI值最低。撂荒地、人工林的QI值比灌叢低,說(shuō)明灌叢轉(zhuǎn)換為撂荒地或人工林容易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失,導(dǎo)致土壤質(zhì)量的下降,結(jié)果也表明灌叢在坡面上有“肥力島嶼”作用。作為適合灌叢次生演替的濕潤(rùn)高山地區(qū),灌叢在恢復(fù)土壤性質(zhì)中有其較好的作用,同時(shí)也可降低土壤侵蝕,減少水土流失,改善土壤質(zhì)量。2.3土地利用方式對(duì)pi值的影響表3顯示了土壤養(yǎng)分含量在不同坡位的含量分布,結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在上坡與坡腳的位置,養(yǎng)分含量要稍高。坡腳的養(yǎng)分含量要高于其他坡位,是因?yàn)槠渌挛坏脑亓苋芎笤谄履_處匯集。但由于許多的物理化學(xué)性質(zhì)在不同坡位條件下,組內(nèi)的差異太大,所以組間差異不顯著。Pierson和Mulla發(fā)現(xiàn)與頂坡相比較,底坡與上坡的土壤有較高的有機(jī)質(zhì)的含量。Gregorich和Anderson報(bào)道了土壤有機(jī)質(zhì)含量從坡頂?shù)狡履_逐漸增加,土層厚度也漸厚。通過(guò)公式(1)計(jì)算出的PI值可以看作不同坡位土壤質(zhì)量差異的一個(gè)綜合指標(biāo),正值表示與頂坡相比,土壤質(zhì)量有所改善,而負(fù)值表示土壤有退化的趨勢(shì)。每一個(gè)坡位的PI值是所在坡位所有樣地質(zhì)量指標(biāo)的平均值,不同坡位的PI值反映了與上坡位土壤性質(zhì)的差異的百分比,結(jié)果見(jiàn)圖3。雖然不同的景觀(guān)位置的土壤質(zhì)量更大的取決于土地利用方式的變化,但研究表明,在下坡位的土壤質(zhì)量指數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他的坡位,下坡位的PI值為-20%,而中坡位與坡腳分別為-10%與4%。PI值呈現(xiàn)出“U”型。從地形方面來(lái)看,坡腳的位置不同于上中下坡位,原因是坡腳是其它坡位水土養(yǎng)分流失的一個(gè)匯,其它坡位的養(yǎng)分經(jīng)過(guò)淋溶等,主要集中到坡腳位置,坡腳也是坡面流域的出口處,雖然在臥龍地區(qū)土壤侵蝕微弱,但在多雨季節(jié),養(yǎng)分也有一定程度的淋溶,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分如總氮,速氮,速鉀在坡腳處的含量高,所以其土壤質(zhì)量的綜合值PI也高于其它的位置。土地利用方式的不同也是造成PI值不同的一個(gè)原因,在研究的下坡與坡腳處有一居民居住點(diǎn),在坡面上,不同土地利用所占地比例不同,上坡位以灌叢為主,土壤養(yǎng)分流失稍弱,而下坡位農(nóng)田比例較多,而且坡腳位置的坡度平緩,在10°左右,有利于植被的發(fā)育與土壤的形成,同時(shí)土壤侵蝕量也低。四川高山地區(qū)濕潤(rùn)多雨,植被類(lèi)型與景觀(guān)位置綜合影響土壤性質(zhì)。本研究4個(gè)坡位(4個(gè)樣帶)的某些土壤性質(zhì)的變化與以往有些研究結(jié)果不同,原因是他們的研究沒(méi)有考慮不同土地利用之間的區(qū)別。3不同坡位的土壤質(zhì)量了解土壤質(zhì)量與土地利用之間的復(fù)雜關(guān)系,是了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及生態(tài)過(guò)程、評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)生態(tài)因子影響的關(guān)鍵。在臥龍地區(qū),由于森林砍伐,次生演替,農(nóng)業(yè)耕作使與人工林種植使得形成異質(zhì)性景觀(guān),本研究中,選取了4種典型的土地利用類(lèi)型(灌叢,撂荒地,坡耕地和人工林)與4個(gè)坡面位置(上坡,中坡,下坡和坡腳),利用主成分分析與多元統(tǒng)計(jì)來(lái)定量化比較在不同土地利用與不同坡位的土壤質(zhì)量。結(jié)果表明,土壤質(zhì)量QI的值的高低是:灌叢>撂荒地>坡耕地>人工林。這表明灌叢有著肥力島嶼的作用,可