科爾沁沙地中部沙地農田土壤全n和有機c含量空間分布特征

科爾沁沙地中部沙地農田土壤全n和有機c含量空間分布特征

科爾沁沙地曾經是中國北方的三大牧場之一。但是,由于人口的增加、水土資源的不合理利用,導致了沙漠化的發(fā)生與發(fā)展,這里一度成為我國沙漠化發(fā)展最為嚴重的地區(qū)之一。沙漠化發(fā)展的直接表現不僅是植被的破壞、沙丘景觀的出現,而且伴隨著地表空間分異的加強和土壤結構的變化。而后者的變化,必然導致土壤養(yǎng)分和土壤水分等重新分配,發(fā)生空間分布的‘富集’與‘匱乏’現象,導致土地生產力的下降,影響了沙漠化地區(qū)農業(yè)生產的布局、管理和產量,制約了沙漠化地區(qū)農業(yè)經濟的發(fā)展。科爾沁沙地是我國沙地中水、肥與熱力條件相對比較好的地區(qū)。為了探索該地區(qū)沙漠化過程中土壤退化與恢復的機理、基礎變化過程與土壤結構、生產力重建的途徑,研究者對科爾沁沙地土壤形成變化的地質基礎、土壤的理化性質、沙漠化土壤養(yǎng)分的時序變化與改良途徑、土壤水分動態(tài)和土壤有機質動態(tài)等進行了觀測、測定與分析研究。本文從系統(tǒng)的角度出發(fā),通過測定和分析灌溉農田、旱作農田和流動沙丘土壤全氮和有機碳含量的連續(xù)空間變化,揭示沙漠化土壤全N和有機C含量的空間變化規(guī)律與分布特征,闡明沙漠化土壤養(yǎng)分的分異規(guī)律及其分布特征,為該地區(qū)不同土壤利用方案的制定以及土壤資源的保護與有效利用、避免誘發(fā)新的土地退化的發(fā)生和促進風沙環(huán)境的綜合整治提供理論依據。1地點和方法1.1沙漠化階段35年土地和微生物多樣性分析研究區(qū)位于科爾沁沙地東南部的奈曼旗境內。該區(qū)地處我國東部大陸性季風與非季風氣候交錯區(qū),也是大興安嶺西南丘陵區(qū)向西遼河平原過渡區(qū)和我國農牧交錯區(qū)的東段。多年平均氣溫為-7℃,多年平均降水在350~500mm之間,而且分布不均勻。年降水量的70%~80%集中在7~9月。年蒸發(fā)量1500~2500mm,近70%的蒸發(fā)發(fā)生在4~7月。干旱、多風、少雨和植被凋枯期在時間上的同期性(集中于11月至翌年5月份)以及西遼河水系巨厚的沙物質沉積,共同構成了該地區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境的自然基礎,加之不合理的人類活動,導致了沙漠化的發(fā)生與發(fā)展,形成了以現代風沙土為主的土壤結構特征。該地區(qū)沙質土壤有機質的平均含量在0.3%~0.8%之間;耕作層N和P的含量分別為0.04%~0.06%和0.03%~0.045%,甚至更低。研究區(qū)地貌類型以固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘和面積不等的平緩沙地和低洼地交錯分布為特征。灌溉農田主要分布在具有一定面積的低洼地和平緩沙地。旱作農田主要分布在地勢較高的平緩沙地、固定沙丘和半流動沙丘上。研究區(qū)植被主要由差不嘎蒿(Artemisiahalondendron)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和黃柳(Salixgordejevii)等灌木與禾本科植物組成,草本植物層嚴重退化。研究區(qū)地下水平均埋深2~5m,為當地發(fā)展灌溉農業(yè)提供了條件。但是,近年來出現了明顯的地表水體萎縮和地下水位下降的趨勢。1.2土壤樣品的采集測定地點位于奈曼旗中部的昂乃鄉(xiāng)堯勒甸子村的一塊面積約10hm2的多年灌溉農田。在農田中間選擇三個點進行剖面的挖掘、描述和土樣采集。剖面的挖掘深度為1.7m。根據剖面的自然發(fā)生層次,采集土樣用于全N和有機C的測定。挖掘剖面共分為九層。由這塊灌溉農田往西依次為高度不同的旱作農田和流動沙丘。在灌溉農田內距離與旱作農田交界10~20m的地方,選三個樣點進行取樣。由灌溉農田與旱作農田的邊緣向旱作農田內沿一條樣線,每隔10m取一個樣。在選定的樣點上,用土鏟切出一塊10cm×10cm×10cm的土塊,即取土樣深度為10cm。每一種土壤類型中設三個樣點,每個樣點取三個重復,然后,將同一類型土壤的9個土樣混合。在取樣的同時,測定每個樣點的相對高度。在位于流動沙丘上的旱作農田中只取了兩個點。然后在實驗室內對土樣的全N含量和有機C的含量進行測定。2結果與討論2.1灌溉農田土壤有機碳-全氮含量的變化由于沙質土壤保水保肥的性能差,在重力作用下,相對高度的變化可以導致土壤水分的再分配,從而導致養(yǎng)分在土壤剖面中分布的變化,進一步影響到不同部位植物的分布。所以,相對高度的變化是影響近地面生物、大氣與土壤之間物質與能量變化的重要因素之一。在沙漠化地區(qū),伴隨流沙景觀出現的是地表土壤的高度破碎化與地表破壞后出現的以沙丘、丘間地和具有一定面積的平緩沙地或洼地鑲嵌分布的景觀。這種地表結構往往在不大的空間尺度內,導致植被組成、分布的巨大差異。圖1顯示了有機C與全N含量與相對高度變化的關系。本項測定中的相對高度是指樣線上某一點相對于灌溉農田平均地表面的高度。本次試驗中的相對高度是以灌溉農田中距離灌溉農田與旱作農田交界5m處的點為0點(代表灌溉農田的平整地面),然后,用腳距為2m的坡度儀沿著灌溉農田到旱作農田以及流動沙丘的樣線測定的。圖1中橫坐標上相對高度為0.3的點是灌溉農田與旱作農田的交界;相對高度為0.2m與0m的兩個點位于流動沙丘內。從圖1可以看到,由灌溉農田到旱作農田的交界處,有機碳由0.68%減小到了約0.1%左右。全N的含量也有相對明顯的減少,表現了兩種土壤養(yǎng)分狀況的差異和變化的一致性。在進入具有半固定沙丘性質的旱作農田土壤斷面上,即圖1中高度為0.3~2.5m代表的范圍內,有機碳與全氮的含量隨著相對高度的增加而逐漸減少,而且隨著相對高度的增加,這種減少趨勢的變化比較平緩。有機C與全N含量和相對高度的相關關系可以定量地用下面的方程(1)和(2)來表示。有機C∶y=0.2821e?0.2305xR2=0.6142(1)全N∶y=0.0355x?0.9588R2=0.8279(2)有機C∶y=0.2821e-0.2305xR2=0.6142(1)全Ν∶y=0.0355x-0.9588R2=0.8279(2)全N與相對高度的關系比有機C含量與相對高度的關系更為密切。由圖1還可以發(fā)現,從旱作農田進入流動沙丘地后(圖1中高度為2.5m、0.2m和0m的三個點代表的范圍),有機碳與全氮的含量隨著相對高度的降低而減小。這一方面表明該類土壤本身有機碳和全氮含量比較低,同時也與風蝕導致該部位的土壤發(fā)生養(yǎng)分流失有關。值得注意的是從0.2到0m,二者的含量又略有增加。這種變化可能與地勢變低,生長的植物增加,同時植物通過凋落物及分解等過程對土壤養(yǎng)分的補充有關,這一點有待進一步的研究。灌溉農田土壤有機碳含量高與有機肥的使用有關。在研究區(qū),灌溉農田每年有機肥的使用量在37500~45000kg·hm-2之間。為了進一步量化比較有機碳、全氮含量與相對高度的關系,僅對取樣點比較多的旱作農田土壤有機碳和全氮的含量進行分析發(fā)現(如圖2、方程(3)和方程(4)所示):旱作農田土壤的有機碳和全氮含量與所在土壤的相對高度之間存在著較好的線性關系。隨著相對高度的增加,二者的含量減少。特別是全氮的含量與取樣點的相對高度關系更為顯著。有機C∶y=?0.0099x+0.1146R2=0.7867(3)全N∶y=?0.001x+0.0126R2=0.9257(4)有機C∶y=-0.0099x+0.1146R2=0.7867(3)全Ν∶y=-0.001x+0.0126R2=0.9257(4)從圖2中還可以看到,地勢較高的旱作農田土壤與流動沙丘的有機碳和全氮的含量非常低,有機碳的最大含量是0.112%,全氮的含量為0.011%。由此可見,在受到比較弱的人類活動干擾的條件下,除了本身養(yǎng)分含量低的原因外,兩類土壤所在位置的相對高度成了影響土壤有機C和全N含量及其分布的主要因素。從理論意義的角度考慮,上述線性關系體現了沙地土壤有機碳與全氮空間分布的可預測性。從實際應用的角度來講,上述事實說明在科爾沁沙地,為了有效地利用和保護現有土地資源,應該盡可能地避免開墾利用地勢比較高的固定與半固定沙丘草場,提高現有地勢比較低的農田的管理、涵養(yǎng)與種植技術,退耕地勢比較高的旱作農田。2.2土壤有機碳、全氮含量的分布特征灌溉農田是科爾沁沙地重要的農業(yè)資源之一,其結構特征與水肥分布在很大程度上決定了該類土壤的生產力水平?？茽柷呱车剞r田土壤的組成以沙物質為主,保水保肥性能差。土壤剖面中粘土層或有機質層的出現與否直接關系到土壤的水肥狀況和生產力的高低。由于受使用農家肥和耕作的影響,研究區(qū)灌溉農田的表層土壤一般含有比較高的沙物質、有機質和粘土成分,厚度0~20cm不等。在耕作層以下的土壤,特別是經歷多年農作的灌溉農田土壤(本文測定討論的土壤)具有粘土層或有機質層與沙土層交互迭置分布的多層結構特征。粘土層含量高的土壤層有機質含量也高,而且具有比較好的團粒結構,所以保水、保肥性能好。沙土層不但有機質含量少,而且是單粒結構,所以表現出保水、保肥差的特點。由于土壤沉積環(huán)境變化與耕作變化的干擾,使研究區(qū)的土壤常常出現粘土層與沙層不完全整合分布的現象。所以,在研究測定沙地土壤剖面特征時,首先要注意選擇剖面所處位置的代表性,然后要增加測定剖面的重復,通過對比,選擇具有代表性的土壤剖面進行測定與分析。這不僅有利于增加對土壤形狀進行正確判定的準確性,而且有利于研究區(qū)土壤的開發(fā)利用。由于粘土層與沙層的交互出現,有機質和養(yǎng)分在沙土層發(fā)生淋失后,在下面的粘土層發(fā)生沉積,從而導致研究區(qū)沙地土壤有機碳和全氮含量在土壤剖面上表現出多重‘峰谷’變化的分布特征(圖3)。圖3中每一個峰值代表一層粘土或有機質層。相反,每一個‘谷值’代表一層沙土層。由圖3發(fā)現,在0~23cm深度的耕作土層中,有機C和全N素的含量并不高。在23~38cm、68~86cm和99~102cm深的土層內二者的含量卻達到峰值,而且在23~38cm處的含量最高。這可能是由于第一層(0~23cm)有機質分解后,養(yǎng)分元素和有機C逐漸受到水分淋溶并在此發(fā)生沉積的緣故。由于沙地農作物根系的大部分分布在0~60cm的范圍內,所以,68~86cm土壤層內有機碳與全氮含量高可能主要受到根系分泌、殘留物分解形成的有機物和養(yǎng)分積累的影響,這一點有待于進一步的研究加以證實。至于99~102cm深的土壤層,有機碳和全氮的增加,顯然與該類土壤形成時有機質的積累和組成有關。這一點得到了有關全新世以來科爾沁沙地沉積變化研究的證實。在23~38cm深的土層內出現有機C和全N的積累對保持和提高農田生產力有重要的意義。有機C和全N的含量的最低值出現在113~165cm深的沙土層里,分別約0.08%和0.01%。全N含量的變化趨勢與有機C含量的變化相似。與不同相對高度下旱作農田土壤10cm深度的全N和有機C的含量幾乎相等。分析還發(fā)現,全N和有機C的含量在該沙地土壤剖面上的分布顯著相關,其相關系數為0.999。這一結果為已知一種物質(元素)預測另外一種元素(或物質)提供了理論依據。在測定中還發(fā)現,在土壤深度超過測定深度后,依然有有機質含量高的土層出現。該層土壤中,沙質含量明顯增加,但是顏色呈現灰黑色,表現出類似于古土壤的特征。3土壤養(yǎng)分元素含量與相對高度的關系N素是土壤的重要的養(yǎng)分元素之一,而有機C是土壤結構的重要組成成分。通過以上對科爾沁沙地中部灌溉農田土壤、旱作農田土壤和流動沙丘土壤全N和有機C含量空間分布特征的分析,發(fā)現盡管灌溉農田與旱作農田土壤之間存在著巨大的差異,但是,在不大的空間范圍內,二者的全N和有機C含量之間存在著顯著的相關性,并可以用方程(1)和(2)來表示,并與相對高度有著密切的關系。由灌溉農田到旱作農田,隨著相對高度的增加,土壤的全N和有機C含量減小;由旱作農田到流動沙丘,出現了隨著相對高度的減小,全N和有機C含量減少的趨勢。相同土壤類型的全N和有機C含量與相對高度的相關性較不同土壤類型的全N和有機C含量與相對高度的相關性更為顯著,并可用直線方程(3)和(4)來表示。研究和探索土壤養(yǎng)分元素和有機C的含量與相對高度的關系不僅有助于再理論上闡明沙地土壤養(yǎng)分空間分布與變化的規(guī)律和沙地農田土壤養(yǎng)分變化與結構的關系,而且用事實證明以往選擇位置比較高的沙地作為旱作農田的不合理性,有助于定量地指導研究區(qū)居民正確選擇農田的位置,促進當地風沙環(huán)境的保護與治理