青海湖區域不同土地利用方式下土壤理化特征研究
——以剛察縣為例

袁 杰，曹廣超，鄂崇毅，袁有靖

(1.青海師范大學/青海省自然地理與環境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；2.青海省環境地質勘查局，青海 西寧 810008)

青海湖位于青藏高原東北部，處于西部干旱區、東部季風區、青藏高原高寒區三大區域的交匯地帶，作為青藏高原的重要組成部分，其巨大的湖體、豐茂的植被以及高海拔成為了西部荒漠化向東蔓延的天然屏障[1-3]。然而近些年由于自然因素和人為因素的共同影響，湖區草地退化和沙漠化趨勢加劇[4-5]，而目前對于導致湖區草地退化和土壤沙漠化的主要驅動因素，仍存在著爭論，部分研究認為是由于氣候變化導致風蝕加快，引起荒漠化或沙漠的擴張[6-7]；另一部分研究則認為主要是由于人類對高寒地區草地不合理利用所導致，例如開墾草地和過度放牧。對于前者，古氣候學者通過大量的古環境載體如高原風成沉積物、高原湖泊沉積物及孢粉等獲取了不同時間尺度氣候變化[8-9]下高原地區的土地景觀變化與沙漠擴張退縮；對于后者，科學家更多關注已沙化土壤的監測、模擬、生態恢復等工作[13-15]，卻忽略了人類活動對湖區土壤的影響特別是對耕作模式和放牧模式下土壤理化性質差異性的研究，從而局限了人類活動對高寒地區土壤本底影響的理解。

土壤理化性質是研究土壤環境以及整個生態系統特征的基礎，土壤理化性質狀況對于植物的生長起著關鍵性的作用，直接影響植物群落的組成與生理活力，決定著生態系統的結構、功能和生產力水平[10-11]，是生態系統功能恢復與維持的關鍵指標之一[12]，而土地利用變化是影響土壤理化性質變化最普遍、最直接、最深刻的因素，它直接或間接地作用于土壤系統[13]，當土地利用方式發生變化時，將對土壤理化性質產生明顯的影響，進而會帶來土壤結構的改變，導致各土壤類型出現不同的變化規律和演化趨勢[14]。因此，研究湖區耕作模式下土壤理化性質，進而預估人類活動對土壤的影響將是十分迫切的一個工作，基于此，通過該區1987、1995、2000、2005、2010年遙感圖像解譯，以湖區北部近30年未變耕地與草地為研究對象，分析其土壤理化性質的差異，探求耕作模式與放牧模式下土壤演替規律，力爭為后期高寒區土地資源合理利用及湖區生態建設提供一些參考依據。

1 研究區概況

剛察縣位于青海省東北部，海北藏族自治州西南部，青海湖北岸。它是以藏族為主的多民族聚居地，境內居住著藏、漢、蒙古族等12個民族。東隔哈爾蓋河與海晏縣為鄰，西與海西蒙古族藏族自治州天峻縣毗鄰，南隔布哈河與海南州共和縣相望，北隔大通河與祁連縣接壤[15]。地理坐標為99°20′44″E～100°37′24″E，36°58′06″N～38°04′04″N。境內分布著高山、丘陵、平原地貌類型且大致呈北、中、南排列，平均海拔3300.5m，絕大部分地區海拔在3500m以上，海拔最高點4775m，位于縣境西部的桑斯扎山峰，最低點3195m，位于縣境南部的青海湖湖濱地帶。剛察縣分布著廣闊的草地，草地面積為 71.20×104hm2，占土地總面積的 73.82% ，草地可利用面積為 69.07×104hm2，占草地面積的 97.01%。因地勢以山地丘陵為主，草地植被垂直分異明顯，不同海拔高度依次分布著高寒草甸、高寒草原、山地草原和平原草甸4個草原類型[16]，其中以高寒草甸為主，面積為 57.19×104hm2，占全縣草地面積的80.31%。剛察縣屬典型的高原大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大，年降水量370.5mm，年蒸發量1500.6～1847.8mm。冬季寒冷，夏秋溫涼，1月平均氣溫約為-17.5 ℃，7月平均氣溫約為11 ℃，年平均氣溫約-0.6 ℃[17]。

2 試驗方法

2.1 土壤樣地的選擇

根據前期對環湖區1987-2010年五期遙感圖像的解譯，在GIS軟件中對五期遙感解譯的草地和耕地圖層進行疊加相交，在湖區北部選取在該時段內相毗的且未曾變化的草地和耕地(圖1)，其中草地選取以坐標37°16′43.29″N，100°17′37.12″E為中心且半徑500m范圍內，耕地選取以坐標37°16′42.79″N，100°17′28.62″E為中心且半徑500m范圍內。

2.2 土壤樣品采集方法

于2014年10月在土壤采集區域采集土壤樣品。其中采樣間距為30m×30m，兩類不同土地利用方式下分別選取5個采樣點，每個采樣點用直徑為5cm的土鉆鉆取0～60cm深度(采樣間隔為5cm)的12個土壤樣品。兩類土地利用方式下共選取了10個采樣點，120個土壤樣品。采集的所有土壤樣品帶回實驗室后自然風干、除雜，研磨后過200目篩，排號收集待用。

2.3 土壤理化指標測定

文中所涉指標均在青海省自然地理與環境過程重點實驗室中完成，其中土壤粒度分析所用儀器為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀；土壤碳、氮利用德國Elementar公司Vario ELⅢ元素分析儀測定；磁化率采用由英國Bartington公司生產的MS-2B型磁化率儀測量(由于所測得的低頻磁化率和高頻磁化率，其整體趨勢一致，只是低頻磁化率值整體高于高頻磁化率值，因此這里只選取低頻磁化率值和頻率磁化率進行對比分析。文中低頻磁化率和頻率磁化率分別表示為Xlf和Xfd)；色度由日本生產的美能達分光色度計測量；pH值用pH計(pHs-3C)進行測試。

3 結果與分析

3.1 草地和耕地土壤物理性質分析

3.1.1 草地和耕地土壤粒度含量分析 通過對草地和耕地粒度組成分析后發現(表1)，草地砂含量(介于5.62%～12.64%，平均值為8.98%)明顯小于耕地砂含量(介于9.81%～21.64%，平均值為15.25%)近一倍之多；而草地粉砂含量(介于66.42%～73.18%，平均值為70.8%)大于耕地粉砂含量(介于60.45%～71.48%，平均值為66.65%)，草地粉砂含量多出4.15%；草地粘粒含量(介于17.92%～21.99%，平均值為20.22%)亦明顯大于耕地粘粒含量(介于16.2%～19.82%，平均值為18.1%)。此外，通過草地和耕地的“砂組-粉砂組-粘粒組”粒級三角圖解(圖2)，可以直觀看出草地和耕地都屬于砂-粉砂級，其中草地粒級整體上較細(綠色區域)，以粉砂級為主，耕地粒級分布雜亂且較草地粒級偏粗，有部分樣品在砂級20%～40%范圍內(紅色區域)，對此區域進一步分析后得知，紅色區域內樣品為耕地樣品中30cm以上樣品，對于此種現象后文將做出解釋。

圖1 研究區域示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

采樣點Sampling site特征值Eigenvalue砂粒Sand/%粉砂粒Silt/(%粘粒Clay/%草地Grassland最大值 Maximum value12.6473.8121.99最小值 Minimum value5.6266.4217.92平均值 Average value8.9870.820.22耕地Farmland最大值 Maximum value21.6471.4819.82最小值 Minimum value9.8160.4516.2平均值 Average value 15.2566.6518.1

通過對草地和耕地土壤縱向粒度變化特征可以看出(圖3)，耕地在整個剖面深度內砂含量整體上大于草地，在0～20cm段，耕地砂含量達到了最大值，20～35cm段砂含量減小，而35～60cm又有增大趨勢；草地粉砂含量在整個剖面深度內整體上大于耕地，且以0～30cm段為界，界上兩者之間差異性最大，而界下兩者之間差異不明顯；草地粘粒含量在整個剖面深度內也整體上大于耕地，與粉砂含量變化相似同樣以0～30cm段為界，界上兩者之間差異性最大，而界下兩者之間差異不明顯。

3.1.2 草地和耕地土壤磁化率和色度分析 從表2可以看出草地低頻磁化率XIf介于(38.83～54.73)×10-8m3·kg-1之間，平均值為46.11×10-8m3·kg-1，耕地低頻磁化率Xlf介于(45.6～64.2)×10-8m3·kg-1之間，平均值為54.33×10-8m3·kg-1，可以看出草地低頻磁化率小于耕地；草地頻率磁化率Xfd(介于5%～8.73%，平均值為7.22%)，耕地頻率磁化率Xfd(介于4.64%～8.61%)平均值為6.96%，同樣草地頻率磁化率亦小于耕地。草地亮度介于43.79～50.01之間，平均值為47.35，耕地亮度介于50.02～55.34之間，平均值為52.37；草地紅度介于4.79～6.03之間，平均值為5.25，耕地紅度介于5.32～6.10之間，平均值為5.63；草地黃度介于13.26～15.53之間，平均值為14.02；可以看出耕地的亮度、紅度、黃度都大于草地。

圖2 草地和耕地土壤粒級分布三角圖Fig.2 The triangular diagram of soil particle distribution of grassland and farmland

圖3 草地和耕地土壤剖面粒徑變化Fig.3 The particle size profile variation of grassland and farmland

圖4是草地與耕地磁化率和色度沿剖面變化趨勢。從圖中可以看出草地低頻磁化率在整個剖面上小于耕地且變幅較小，耕地低頻磁化率剖面上變幅較大，局部上0～20cm段草地和耕地低頻磁化率差異性不大，20～60cm段耕地低頻磁化率值明顯大于草地；兩者頻率磁化率基本以30cm為界，界上草地頻率磁化率大于耕地，界下兩者差異性不大。草地和耕地剖面上的色度縱向變化一致表明(見圖4)：兩者之間亮度和紅度波動較黃度大，此外發現亮度和紅度及黃度有相反的變化趨勢。草地和耕地的亮度以35cm為界，界上草地亮度呈遞增趨勢，耕地亮度呈遞減趨勢，界下草地亮度值基本沒有太大的變化而耕地則緩慢增加；草地和耕地紅度在15cm以上基本不變，而在15cm以下是緩慢減少的趨勢，只不過草地減少的趨勢較耕地明顯；草地和耕地黃度在整個剖面范圍內都是緩慢減少的趨勢且減幅較小。

表2 草地和耕地土壤低頻和頻率磁化率變化

圖4 草地和耕地土壤剖面磁化率及色度變化Fig.4 The magnetic susceptibility and chroma variation of grassland and farmland profile

3.2 草地和耕地土壤化學性質分析

3.2.1 草地和耕地土壤總碳、全氮分析 土壤碳和氮受區域氣候、土壤承載體和人類活動等因素共同作用。從表3可以看出草地總碳含量(介于2.27%～5.07%，平均值為3.15%)，耕地總碳含量(介于2.39%～3.45%，平均值為2.82%)，兩者總碳含量相差0.33%；草地全氮含量(介于0.11%～0.44%，平均值為0.22%)，耕地全氮含量(介于0.09%～0.23%，平均值為0.15%)，兩者全碳含量相差0.06%，可以看出草地總碳和全氮含量都大于耕地。

同時從圖5中看出，草地與耕地的總碳和全氮含量都隨著土壤深度的增加而減少，并且二者含量明顯高于30cm以下土壤而呈現出相同的變化趨勢，而總碳和全氮含量以30cm為界且界上草地總碳和全氮含量大于耕地，界下則兩者差異性較小，草地總碳和全氮含量最大值出現在0～10cm，耕地總碳和全氮含量最大值出現在10～20cm段。另外C/N值的大小和土壤有機質分解程度以及氮素的礦化程度呈反比關系[18]，從圖5中可以看出耕地C/N含量自表層至底部整體上大于草地，說明草地土壤中有機質分解作用、氮素礦化程度都強于耕地，有利于草地中養分提供。

表3草地和耕地土壤總碳、全氮含量變化

Table 3 The total carbon and nitrogen content of grassland and farmland

采樣點Sampling site特征值 EigenvalueC/%N/%C/N草地 Grassland最大值 Maximum value5.070.4423.64最小值 Minimum value2.270.1110.55平均值 Average value3.150.2216.66耕地 Farmland最大值 Maximum value 3.450.2327.29最小值 Minimum value2.390.0913.92平均值 Average value2.820.1519.4

圖5 草地和耕地土壤剖面總碳、全氮含量變化Fig.5 The total carbon and nitrogen content’s variation of grassland and farmland profile

3.2.2 草地和耕地土壤pH分析 作為土壤肥力的重要影響因子之一，土壤酸堿性的大小取決于鹽基淋溶和積累的相對強度。從表4中可以看出：草地的pH值介于8.11～8.74之間，平均值為8.42，耕地的pH值介于8.13～8.58之間，平均值為8.38，兩者都呈堿性，但整體上草地的pH值大于耕地。兩者沿剖面的變幅不大，都呈現出先增后減的趨勢，但10～40cm差異性大，草地的pH值明顯大于耕地，40cm開始兩者變化不大(圖6)。

4 討 論

4.1 土地利用模式對土壤性狀的影響

環湖區是阻礙西部荒漠化向東擴進的一個天然綠色屏障[3,4]，而環湖區放牧模式與耕作模式是兩種最為常見的土地利用方式，那么近些年湖區荒漠化西部日益向東擴張的背景下，哪種土地利用模式更為合理值得細究，但想要客觀反映這兩種模式的利弊，必須尋求在一定時期內同一母質上發育而成的土壤且兩種模式未被擾動過。筆者有幸通過近30年該區遙感影像解譯在湖區北部發現了該時間段內未發生變動的兩類用地，并對兩類土地土壤理化性質進行了分析。以本研究對兩類土地物理指標分析來看，兩類土地經過長時間人類活動影響，土壤物理性質發生了明顯變化。但是，單從上文分析兩類土地各理化指標的結果來看，只是看出兩者之間各指標的含量大小差異，但要全面反映兩者是否存在顯著差異，還需進一步檢驗。卡方檢驗廣泛應用于測量學、天氣預報、農業生產中[19]，是一種常用的假設檢驗方法。基于此，對兩類土地各理化指標沿剖面每5cm進行差異性檢驗，其p-值 (Sig值)<0.005，說明具有顯著性水平，即有顯著性差異，說明兩類土地在不同土地利用方式下土壤性狀確實發生了變化。

表4 草地和耕地土壤pH值變化

圖6 草地和耕地剖面pH變化Fig.6 The pH value variation of grassland and farmland profile

4.2 草地、耕地土壤物理性質差異性分析

土壤粒度、磁化率、色度作為研究土壤發育程度和土壤環境的代用指標[20-22]，因其測定速度快、反映直觀已得到廣泛應用，被用來反映全球環境變化和人類活動等綜合信息[23]。對兩類土地砂粒、粉粒、粘粒、低頻磁化率、頻率磁化率、亮度、紅度和黃度自剖面0cm開始逐層(每5cm)向下進行差異性檢驗(表5)，由表可知各指標p-值(Sig值)都遠小于p-值(0.005)，即草地和耕地各物理性質自表層至底層都存在顯著性差異，說明通過近30年人類不同強度的擾動，土壤演替過程發生明顯變化。土壤粒級組分產生差異性是由于整個環湖區中該區全年風速最大[24]，加之耕作模式下要進行人為翻耕撂荒，大風不斷吹蝕土壤細顆粒組份，土壤細顆粒組分難以固結在表層而被吹蝕，而放牧模式下草地基本未受人為擾動，不受翻耕影響，風蝕影響小且有植被生長加之牲畜糞便提高土壤肥力，土壤細顆粒經土壤發育作用不易流失，所以兩類土地粒級組分差異性明顯且粘粒、粉粒組分明顯多于耕地土壤。

土壤磁化率可以表征土壤中磁性物質種類和含量，土壤低頻磁化率一般與粘粒含量、有機質含量呈負相關，而與粉砂含量呈正相關[23]，所以自然成土過程和人類影響因素是土壤磁化率垂直方向上變化的主要因素，其中耕作模式下土壤低頻磁化率整體大于放牧模式土壤，這同樣和長期翻耕、漫灌等人類活動密切相關。據剛察縣地方志[25]記載，該區長年種植油菜籽，人工收割后其根系埋藏于地下，需要人為翻耕清除，在此過程中一方面作物根須攜帶部分土壤細顆粒而流失，一方面還是由于翻耕撂荒后土壤細顆粒組份被風蝕殆盡，而低頻磁化率與土壤粘粒含量呈負相關，所以其低頻磁化率大于草地，另外每年播種結束后要進行漫灌，這一過程使土壤中鐵、鈣等磁性物質自表層向下不斷遷移、積累、轉化，這同樣使耕地低頻磁化率高；相對于耕地，草地土壤發育過程中受人類活動的影響和強度遠低于耕地，基本上以自然成土作用為主，所以草地低頻磁化率沿剖面小于耕地。頻率磁化率則反映了磁性礦物的相對含量，可以幫助人們了解土壤中超順磁性(SP)到穩定單疇(SSD)過程中過渡態顆粒的含量[23]，而且和土壤粘粒含量及有機質含量呈一定的正相關，這就不難解釋30cm以上草地頻率磁化率大于耕地，而30cm以下兩者差異較小的原因：30cm以上草地受人為活動影響小，土壤發育程度好，30cm以下耕地受人類活動影響小而和草地趨同。

土壤色度是土壤最明顯的重要特征。一般認為，土壤色度中亮度主要受控于有機質含量和碳酸鹽含量，有機質含量越高，土壤亮度越低，碳酸鹽含量越高，亮度越高；紅度主要受控于赤鐵礦含量，赤鐵礦含量越高，土壤紅度越高；黃度主要受控于針鐵礦含量，針鐵礦含量越高，土壤黃度越高[26]。放牧模式下35cm以上草地土壤發育程度強，土壤細顆粒含量多，相應的有機質含量就越高，所以35cm以上草地土壤亮度值小于耕地且呈遞增趨勢，同理耕作模式下耕地土壤35cm以上土壤受翻耕等因素影響，土壤發育較弱，土壤細顆粒流失，所以相應的有機質含量就低，亮度在此范圍內就高，35cm以下耕地土壤由于人類活動干擾較35cm以上土壤層小，所以兩類土地亮度開始趨同。紅度和黃度指標在整個剖面上皆表現為耕地大于草地，而紅度和黃度分別與赤鐵礦和針鐵礦有關，在沒有測出赤鐵礦和針鐵礦的相關實驗分析以前，本研究暫不多做解釋，需后期進一步研究和分析。

表5 草地和耕地土壤物理指標卡方檢驗

注：p值：在0.01水平(雙側)上顯著相關。Note:pvalue: There has a significant difference atp<0.01(two-tailed).

4.3 草地、耕地土壤化學性質差異性分析

草地和耕地土壤化學性質與物理性質表現出相同的差異性，兩類土地總碳、全氮、pH自剖面0cm開始逐層(每5cm)向下進行差異性檢驗后(表6)，各指標p-值(Sig值)同樣等于0，也遠小于p-值(0.005)，說明人類活動同樣地改變了土壤的化學性質，使兩類土地土壤化學性質明顯發生變化。

表6 草地和耕地土壤化學指標卡方檢驗

注：p值：在0.01水平(雙側)上顯著相關。

Note:pvalue: There has a significant difference atp<0.01(two-tailed).

5 結 論

放牧和耕作模式下，草地和耕地土壤理化性質發生明顯變化，不同利用模式下兩類土地土壤理化指標差異性明顯，且各指標基本以30cm土壤為界，界上各理化指標差異性較大，界下差異性較小，另外通過對兩類土地土壤每5cm自表層向下進行各理化指標差異性檢驗后發現，放牧模式下草地作為“原生土地”在人類不干擾或活動強度較小的情況下土壤演化將趨于同質性，而耕作模式下耕地作為“擾動土地”在人類活動強度大的情況下，土壤粒徑將進一步粗化，土壤總碳和全氮含量明顯下降，會加劇荒漠化進程，破壞生態平衡。

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