宁夏农牧交错带土地利用变化对土壤质量的影响

张静, 刘任涛, 赵娟, 常海涛, 刘佳楠, 罗雅曦, 马继



宁夏农牧交错带土地利用变化对土壤质量的影响

张静1, 刘任涛2,*, 赵娟2, 常海涛2, 刘佳楠2, 罗雅曦1, 马继1

1．宁夏大学农学院, 银川 750021 2．宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 银川 750021

在宁夏盐池县分别选取农田、弃耕地、天然草地、人工柠条林地和杨树林地5种土地利用类型作为研究样地，测定土壤理化性质指标，采用土壤质量综合技术指标，阐明中国北方典型农牧交错带土地利用变化对土壤质量的影响规律。结果表明：(1)土壤粗砂粒表现为弃耕地和天然草地显著高于农田、人工柠条林地和杨树林地(<0.05)，土壤细砂粒表现为杨树林地显著高于农田、弃耕地、天然草地和人工柠条林地(<0.05)，土壤极细砂粒和土壤黏粉粒均表现为农田和人工柠条林地显著高于弃耕地、天然草地和杨树林地(<0.05)。土壤含水量、土壤pH值和土壤电导率表现为农田显著高于弃耕地、天然草地、人工柠条林地和杨树林地(<0.05)。土壤有机碳含量表现为弃耕地和柠条林地显著高于农田、天然草地和杨树林地(<0.05)。土壤全氮含量表现为农田显著高于弃耕地、天然草地、柠条林地和杨树林地(<0.05)。(2)不同土地利用类型的土壤质量指标之间存在显著相关性(<0.05)。其中，杨树林地各评价指标之间的相关系数最高，天然草地次之，农田、柠条林地较低，而弃耕地最低。(3)土壤质量综合得分大小顺序为：农田>弃耕地>0>草地>柠条林地>杨树林地。研究表明，对水浇农田实行保护性耕作和精细管理，并且农田弃耕后自然恢复成草地，有利于宁夏农牧交错带沙地土壤质量改善，但天然草地和人工林建设样地土壤质量较差。

宁夏; 农牧交错带; 土地利用; 土壤质量; 土壤理化性质

0 前言

我国北方农牧交错带地处湿润气候与干旱气候、农业区与牧业区的过渡地带，草地植被类型和生态景观极具特殊性。由于长期受到人为强烈干扰，植被退化、沙化严重，生产力急剧下降，成为我国北方生态问题最严重的地区之一。在宁夏农牧交错带，由于不合理的土地利用，生态环境恶化、草地资源大面积遭到人为破坏而导致土地荒漠化和大量贫困人口产生，已成为制约区域生态建设、经济社会发展的重要因素。土地利用变化不仅可以改变土地覆被状况，还影响着许多生态过程，对土壤质量产生深刻影响[1]。土壤质量是维持地球生物圈稳定和可持续发展的重要因素之一[2]，包括土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量三方面的综合量度，即土壤在生态系统的范围内，维持生物的生产能力、保护环境质量及促进动植物健康的能力[3]。改变不合理的土地利用方式已经成为改善土壤结构和微环境，减少土壤侵蚀，提高土壤质量，促使已经退化的生态系统达到生态平衡和良性循环的重要生态措施[4]。

关于宁夏农牧交错带土地利用变化的研究，主要集中在银川市和盐池县。刘长宁等[5]以宁夏银川市滨河新区核心区为例，对基于生态绿当量的北方农牧交错带土地利用状况进行了分析，建立了基于生态绿当量的土地利用结构优化模型，从生态系统服务的角度对银川市滨河新区核心区的土地利用状况进行了定量研究。魏建群[6]以宁夏盐池县为例对北方农牧交错带封育区植被恢复进行了研究，发现人工封育是一种有效经济恢复植被的方法，对破坏程度较轻的地段通过人工封育，可使退化植被在较短期内得迅速的恢复。李瑞[7]以宁夏盐池为例调查了北方农牧交错带草地植被动态，发现退耕还草、植被自然恢复、撂荒等措施均起到了有效的植被恢复作用，尤其是退耕还草地。Liu et al[8]在宁夏盐池县对人工林建设和自然恢复和地面节肢动物多样性的关系开展了研究，发现自然恢复比人工林建设更能促进节肢动物多样性的恢复。邹亚荣[9]运用遥感、GIS技术和数学模型方法，以宁夏盐池为例研究了土地利用变化的驱动力及其对土壤侵蚀的影响，发现盐池土地利用转移主要表现为耕地与草地间的转移，草地的转移量最大。综合分析表明，关于宁夏农牧交错带土地利用变化的研究涉及了生态绿当量、植被、节肢动物和土壤侵蚀及驱动力解析，但是关于宁夏农牧交错带土地利用对土壤质量影响的研究，报道较少。

宁夏农牧交错带北部与毛乌素沙地相连，南部靠黄土高原，是典型草原向荒漠的过渡带[10]。由于其特殊的过渡区特点和自然地理位置，近年来国家颁布了退耕还林还草、草地封育等政策以改善生态环境，降低荒漠化程度，有利于植被恢复。目前主要包括农田、弃耕地、草地、柠条林地、杨树林地5种土地利用类型。本研究通过调查不同土地利用类型生境中地表植被分布情况和测定土壤理化性质，采用主成分分析法，计算不同土地利用类型生境样地的土壤质量综合评价值，旨在阐明宁夏农牧交错带土地利用对土壤质量的影响规律，为宁夏农牧交错带“退耕还林还草”、采取合理的土地利用方式及进行生态重建与恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处我国北方典型农牧交错带，位于宁夏河套平原东部，盐池县境内(37°04'—38°10'N，106°30'—107°41'E)[11]。属于典型中温带大陆性季风气候。该区年平均降水量289 mm，主要集中在夏季，占全年降雨量的58.8%，且降水年际变化率大。年蒸发量2710 mm。年无霜期120 d。年平均气温7.7 ℃，冬夏两季气候迥异，平均温差28 ℃[12]。年平均风速2.8 m·s–1，冬春风沙天气较多，每年5 m·s–1以上的扬沙达323次[11]。该区域地带性土壤主要有黄绵土与灰钙土，淡灰钙土；非地带性土壤主要有风沙土，盐碱土和草甸土等，其中风沙土在中北部分布广泛。土壤质地多为轻壤土、沙壤土和沙土，结构松散，肥力较低[13]。

研究样地包括农田(F)、弃耕地(Q)、天然草地(G)、人工柠条林地(N)和杨树林地(Y)5种土地利用类型。该研究区域农田以种植玉米()为主，平均高度为2.52 m，行距为75 cm，株距为25 cm，面积为11.8 hm2。由于该区域降雨较少，生态环境脆弱，农田在耕作6年之后常常由于农作物产量下降而导致弃耕，本研究弃耕地自然恢复草地面积为15.8 hm2。同时，在严重退化地段为了防风固沙和改善土壤环境，常常采取人工种植柠条林或者杨树林的措施促进植被恢复。人工种植柠条林()平均冠幅为0.42 m2，平均密度为0.52 株·m–2，面积为15.3 hm2，株距为7 m，行距介于5—8 m之间。人工种植杨树林(poplar)平均高度为4.5 m，胸径为9 cm，株距为5 m，行距介于8—10 m之间，面积为14.0 hm2。另外，该区域自2003以来施行禁牧政策，促进天然草地恢复，亦是一种重要生态恢复措施；本研究自然生长草地面积为13.3 hm2。目前，该区域存在农田、弃耕后自然恢复草地、天然草地、人工柠条林和杨树林地5种土地利用类型，为本研究提供了理想的研究样地模式。该区域地表植被主要包括猪毛蒿()、中亚白草()和牛枝子()等。各土地利用类型的基本情况见表1。

1.2 试验设计

于2016年夏季(7月底)，选择农田(玉米田)、弃耕地、天然草地、人工柠条林地、杨树林地5种土地利用类型为研究样地，在每个样地设置5个重复样区，面积为30×30 m2，样区间隔50 m。每个样区内以“N”型布设4个取样点，其中玉米田、柠条林地和杨树林地，每隔2行在行带间空白区布设调查样点。5种土地利用类型共有100个取样点(5种类型样地×5个重复样区×4个取样点)。

在弃耕地、天然草地、柠条林地和杨树林地中，在每个调查样点布设1个草本调查样方，面积为1× 1 m2，间隔15 m以上。采用样方法，进行地表草本植被调查，包括个体数(株·m–2)、丰富度、高度(cm)作为样地背景。

1.3 土壤样品采集与测定

在每个调查样点采用五点取样法取表层混合土样(0—10 cm)进行土壤指标测定。

首先，采集的新鲜土壤样品的1/4进行土壤含水量的测定。然后，将剩余3/4土壤样品经过2 mm土壤筛，以除去其中的杂质如草根、叶片等，在自然状态下风干，用来测定土壤粒径组成、土壤pH、土壤电导率、土壤有机碳和土壤全氮含量。

表1 土地利用类型基本概况

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；小写字母表示不同土地利用类型之间存在显著差异(<0.05)。

土壤含水量(%)采用烘干法测定，即将盛有新鲜土样的铝盒放在分析天平上称重，准确至0.01 g，然后置于105°烘箱中烘烤24 h后，冷却至室温立即称重[15]。土壤粒径组成采用Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪进行测定，其重复性误差≤±0.5%，准确性误差≤±1%。根据美国农业部(USAD)制土壤质地分级标准划分土壤质地：粗砂粒(250—1000 μm)、细砂粒(100—250 μm)、极细砂粒(50—100 μm)、黏粉粒(<50 μm)[14]。土壤pH值(水土比悬液比为2.5：1)和土壤电导率(μs·m–1)(水土比浸提液为5：1)用P4多功能测定仪器测定。土壤有机碳(g·kg–1)采用重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮(g·kg–1)采用半微量凯氏定氮法测定。

1.4 土壤质量评价方法

1.4.1 评价指标的选取

本文在参考与结合黄婷[16]对土壤质量评价体系研究的基础上，选取和建立适合本研究的土壤质量综合评价指标体系。具体指标共计9个，包括土壤粗砂粒(X)、土壤细砂粒(X)、土壤极细砂粒(X)、土壤黏粉粒(X)、土壤含水量(X)、土壤pH值(X)、土壤电导率(X)、土壤有机碳(X)、土壤全氮(X)。

1.4.2 主成分分析步骤

(1)列出原始数据矩阵。包括上述9个土壤指标。

(2)将原始数据进行标准化处理。由于各指标具有不同的量纲，为了排除不同量纲对评价结果的影响，对各实测指标原始数据进行标准化处理[17]。标准化公式如下：

(3)计算样本的相关矩阵。

(4)用雅可比法求解相关矩阵的特征值和特征向量。

(5)计算贡献率及累积贡献率，确定主分量个数，解释各主分量的意义，建立主分量方程。

(7)根据各个指标的权重，计算各样地类型土壤质量综合评价值，据此对不同土地利用类型土壤质量作相应评价。

不同土地利用类型的土壤质量综合评价值为：

式中，P为第种土地利用类型的土壤质量综合评价值；X为第种土地利用类型第个指标的标准化值；w为第个指标的权重值，由主成分分析法得到。为样地的个数(本文中=1, 2, 3, 4, 5)；为评价中所选指标的个数(本文中=9)。

1.5 数据处理与分析

所有数据采用SPSS20.0软件进行统计分析。采用单因素方差分析(One—Way ANOVA)和多重比较法分析不同数据组间的差异，采用Spearman相关系数分析不同指标间的相关性。显著水平为=0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

2.1.1 土壤粒径组成

由表2可知，不同土地利用类型之间的土壤粒径组成存在显著差异性(<0.05)。其中，粗砂粒表现为弃耕地和草地显著高于农田、柠条林地和杨树林地(<0.05)，而农田、柠条林地和杨树林地三者之间无显著差异(>0.05)。细砂粒表现为杨树林地显著高于农田、弃耕地、草地和柠条林地(<0.05)，草地显著高于柠条林地(<0.05)，而两者与弃耕地无显著差异(>0.05)，农田显著低于其他土地利用类型(< 0.05)。极细砂粒表现为农田和柠条林地显著高于弃耕地、草地和杨树林地(<0.05)，且前两者与后三者彼此之间无显著性差异(>0.05)。黏粉粒表现为农田显著高于其余4种土地利用类型生境样地(<0.05)，柠条林地显著高于其余3种土地利用类型生境样地(<0.05)，弃耕地显著高于杨树林地(<0.05)，且两者与草地无显著性差异(>0.05)。

2.1.2 土壤水分

由图1可以看出，不同土地利用类型的土壤含水量之间存在显著差异性(<0.05)。主要表现为农田土壤含水量最高，显著高于其他4种土地利用类型。生境样地(<0.05)。弃耕地土壤含水量显著高于柠条林地和杨树林地(<0.05)，而草地居于中间。草地与弃耕地之间、草地与柠条林地和杨树林地之间均无显著性差异(>0.05)。

表2 不同土地利用类型的土壤粒径组成(%)

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；小写字母表示不同土地利用类型之间存在显著差异(<0.05)。

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；小写字母表示不同土地利用类型之间存在显著差异(P<0.05)。

Figure 1 Variation of soil moisture content under land use

2.1.3 土壤pH值和电导率

由图2(A)可知，该地区的土壤属于弱碱性，且不同土地利用类型之间存在显著差异性(<0.05)。土壤pH值表现为农田显著高于弃耕地、草地、柠条林地和杨树林地(<0.05)，且弃耕地和草地显著高于柠条林地和杨树林地(<0.05)，但弃耕地与草地之间和柠条林地与杨树林地之间无显著性差异(>0.05)。

由图2(B)可知，农田土壤电导率显著高于弃耕地、草地、柠条林地和杨树林地(<0.05)，但后4者之间无显著性差异(>0.05)。

2.1.4 土壤有机碳和全氮

由图3(A)可知，不同土地利用类型的土壤有机碳存在显著差异性(<0.05)。弃耕地土壤有机碳最高，显著高于农田、草地、柠条林地和杨树林地(<0.05)，其中农田、草地和柠条林地土壤有机碳含量之间无显著性差异(>0.05)，但均显著高于杨树林地(<0.05)。

由图3(B)可以看出，土壤全氮表现为农田显著高于弃耕地、草地、柠条林地和杨树林地(<0.05)，弃耕地显著高于草地、柠条林地和杨树林地(< 0.05)，柠条林地显著高于杨树林地(<0.05)，而两者与草地之间均无显著性差异(>0.05)。

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；小写字母表示不同土地利用类型之间存在显著差异(P<0.05)。

Figure 2 Variation of soil pH (A) and electrical conductivity (B) under land use types

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；小写字母表示不同土地利用类型之间存在显著差异(P<0.05)。

Figure 3 Variation of soil organic carbon (A) and total nitrogen (B) under land use types

2.2 不同土地利用类型土壤质量指标之间的相关性分析

从表3可以看出，在农田中，土壤粗砂粒与土壤极细砂粒呈显著负相关(<0.01)；土壤细砂粒与土壤黏粉粒呈负相关(<0.05)；土壤极细砂粒与土壤含水量呈负相关(<0.05)；土壤含水量与土壤全氮呈正相关(<0.05)；其余指标之间均无相关性(>0.05)。弃耕地中所有指标之间均无相关性。天然草地中，土壤粗砂粒与土壤极细砂粒呈负相关(<0.05)，而与土壤有机碳呈正相关(<0.05)；土壤含水量与土壤电导率和土壤全氮呈负相关(<0.05)；土壤电导率与土壤全氮呈正相关(<0.05)。柠条林地中，土壤粗砂粒与土壤细砂粒和土壤极细砂粒呈负相关(<0.05)；土壤含水量与土壤电导率呈正相关(<0.05)。杨树林地中，土壤粗砂粒与土壤极细砂粒、土壤全氮和土壤有机碳呈负相关(<0.05)；土壤极细砂粒与土壤全氮呈显著负相关(<0.01)；土壤黏粉粒与土壤全氮和土壤有机碳呈正相关(<0.05)；土壤全氮与土壤有机碳呈显著正相关(<0.01)。综合分析可以看出，杨树林地各评价指标之间的相关系数最高，天然草地次之，农田、柠条林地较低，而弃耕地最低。

2.3 土壤质量综合评价

从表4可以看出，根据特征值>1的原则提取前三个主成分，这三个主成分的特征值分别为5.027、1.708和1.183，方差贡献率分别为55.858%、18.982%和13.150%。选取主成分时，除了要满足特征值>1的基本条件外，还要满足前n个主成分的累积贡献率达到85%以上的条件，只有同时满足这两个条件，才可以认为前n个主成分已基本能够反映出原变量的主要信息。在本研究中，前3个主成分累计贡献率为87.990%(>85%)，因此可以认为选取前三个主成分能够代表所有的信息。其中，第一主成分综合了土壤细砂粒(X)、土壤极细砂粒(X)、土壤黏粉粒(X)、土壤含水量(X)、土壤pH值(X)、土壤电导率(X)、土壤全氮(X)这7个评价指标的信息，其系数均大于0.5。第一主成分的贡献率最大，包含的指标也最多，说明这些土壤指标在土壤质量方面起着主导作用，可以用这一个综合指标来解释原9个土壤综合质量因子信息的55.858%。第二主成分包括了土壤粗砂粒(X)和土壤极细砂粒(X)这2个指标，其系数均大于0.5，可以解释原土壤综合质量的18.982%。第三主成分包括土壤pH值(X)和土壤有机碳(X)这2个指标，可以解释原土壤综合质量的13.150%。

根据主成分得分矩阵可以建立主成分得分方程，如下：

Z=–0.009X–0.171X+0.136X+0.171X+0.177X+

0.135X+0.178X+0.099X+0.176X(3)

Z=0.564X–0.116X–0.39X–0.145X+0.03X+

0.091X–0.027X+0.201X+0.174X(4)

Z=0.027X+0.196X–0.169X–0.207X+0.299X+

0.47X+0.281X–0.58X–0.095X(5)

式中Z、Z、Z分别表示三个主成分，X-X代表各评价指标进行标准化后的变量。

将标准化后的变量分别带入这3个函数方程，得到不同土地利用类型下的土壤得分，用因子的方差贡献率作为综合评价的权重，按照各自的方差贡献率加权相加得出各土地利用类型下得土壤质量综合得分，计算公式为:

=0.559Z+0.190Z+0.132Z(6)

表3 不同土地利用类型的土壤理化性质指标之间的相关系数

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；X=土壤粗砂粒，X=土壤细砂粒，X=土壤极细砂粒，X=土壤黏粉粒，X=土壤含水量，X=土壤pH值，X=土壤电导率，X=土壤有机碳，X=土壤全氮。

表4 主成分分析中各因子的特征向量、特征值、贡献率及累计贡献率

注：X=土壤粗砂粒，X=土壤细砂粒，X=土壤极细砂粒，X=土壤黏粉粒，X=土壤含水量，X=土壤pH值，X=土壤电导率，X=土壤有机碳，X=土壤全氮。

由表5可以看出，农田、弃耕地、草地、柠条林地和杨树林地的土壤质量综合得分分别为1.017、0.102、–0.112、–0.336、–0.671。其中农田的土壤质量综合得分最高，且只有农田和弃耕地的土壤质量综合得分为正值，说明这两种土地利用类型的土壤质量高于平均水平，而草地、柠条林地和杨树林地三种土地利用类型的土壤质量综合得分都为负值，低于平均水平。

3 讨论

3.1 土地利用变化对土壤理化性质的影响

近年来，人类活动和气候变暖导致土地利用类型发生了巨大的变化，同时也使得地表形态、物理化学循环和生态平衡发生了改变，并造成全球气候的显著变化和物种不可逆转的减少。由于土地利用对环境的可持续发展具有相当的影响力，因此成为导致全球环境变化的两大主要因素之一[5]，同时在一定程度上对土壤理化性质也有着重大影响。

表5 主成分因子得分与综合得分

注：F=农田，Q=弃耕地，G=天然草地，N=人工柠条林地，Y=杨树林地；Z=第一主成分因子得分，Z=第二主成分因子得分，Z=第三主成分因子得分，=土壤质量综合得分。

土壤粒径组成是决定土壤抗蚀性的重要因素[18]，不同土地利用方式体现了干扰对土壤粒径分布的改变[19]。本研究中，土壤粗砂粒含量从高到低为：天然草地>弃耕地>农田>柠条林地>杨树林地，土壤细砂粒含量从高到低为：杨树林地>天然草地>弃耕地>柠条林地>农田，土壤极细砂粒含量从高到低为：农田>柠条林地>弃耕地>杨树林地>天然草地，土壤黏粉粒含量从高到低为：农田>柠条林地>弃耕地>天然草地>杨树林地。其主要原因是：该地区农田作物为玉米，取样时玉米已长到一定高度且栽植密集，同时弃耕地、天然草地和柠条林地的地表植被覆盖度也相对较高，因此可以削弱近地表风速，减弱风蚀，固定地表的黏粉粒，阻截风沙流中的黏粉粒使之在农田、草地和柠条灌丛内沉积，这与陈新闯等[20]对乌兰布和沙漠沿黄段不同土地利用类型对土壤分形特征的影响的研究结果相似。其中农田的黏粉粒含量最高，可能是人为施有机肥带入了黏粉粒物质。而杨树林地由于干旱少雨导致树体长势较差，同时地表缺乏有效覆盖，致使风蚀严重，黏粉粒被吹失，造成细砂含量增加。

本研究中，农田的土壤含水量、土壤pH值和土壤电导率均高于弃耕地、天然草地、柠条林地、杨树林地。原因为：①弃耕地、天然草地、柠条林地和杨树林地的植被根部对土壤水分竞争激烈，导致表层土壤缺少水分，使得含水量较低，同时农田经长时间人为灌溉，使得地表含水量大大增加[21]。②由于该地区土壤本身盐渍化的原因，使得总体pH值偏高，呈碱性[15]。其中弃耕地、天然草地和柠条林地受人为扰动较小，地表植被覆盖度相对较大，蒸发量小，保护土壤免受侵蚀影响，且土壤返盐较轻，故土壤pH值和电导率相对较低[22]。

土壤有机碳、全氮是土壤肥力的重要指标，主要来源于植物地上和地下枯落物的分解，很大程度上受植被、气候、人为活动等的影响[23]。本研究中，土壤有机碳含量从高到低依次为弃耕地>柠条林地>农田>天然草地>杨树林地，土壤全氮含量从高到低依次为农田>弃耕地>柠条林地>天然草地>杨树林地，其主要原因有以下几个方面：①杨树林地土壤有机碳和全氮含量最小，是因为该地区的杨树林地多为人工种植的农田防护林，干旱少雨使得其长势较差，部分已经开始衰退和枯死，导致林地表层土壤极易发生侵蚀和退化[24]。②农田的土壤全氮含量高于弃耕地、草地、柠条林地和杨树林地，是因为该地区农田是经过精细化管理，在合理施肥、灌溉和农作物生长后提高了原有的土壤肥力[25]。但农田地表土壤的翻耕和开垦会促进土壤呼吸，加速碳元素的分解，或是由于农田在收获作物是大量地上或地下部分被移走，初级生产固定的碳元素向土壤中分配的比例较低，从而降低土壤中有机碳含量[23]。③弃耕地、天然草地和人工柠条林地的土壤有机碳和全氮含量较高是因为其地表有较大的植被盖度，可以有效地防止侵蚀，有利于有机质的积累[25–26]。

3.2 土地利用变化条件下土壤质量指标之间的相关关系

土地质量指标间的相互关系随着土地利用类型变化而变化。土壤质量指标间的相互作用及协调效应能够综合反映土壤生产力的高低和对逆境的适应能力[27]。

首先，土壤粒径组成对土壤的结构和性质起着决定性作用，可以影响土壤水分的吸收、阴阳离子的转化以及养分元素碳、氮的供应。本研究中，农田的土壤极细砂粒与土壤含水量之间呈负相关，这是因为相比弃耕地、天然草地、柠条林地和杨树林地而言，其极细砂粒含量最高，容易使水分下渗，降低地表含水量[14]。杨树林地中，土壤粗砂粒与土壤有机碳和土壤全氮之间呈负相关，且土壤极细砂粒和土壤黏粉粒与土壤有机碳呈显著正相关，这是因为土壤中黏粉粒是与有机质胶结的主要无机胶体，其为胶结作用提供了胶结环境和胶结动力，能对土壤良好的结构性能起到一定的保护作用[28–29]，而杨树林地的粗砂粒和细砂粒含量远远高于其黏粉粒含量，且差距大于农田、弃耕地、天然草地和柠条林地。这与苏永中[30]在科尔沁沙地的研究结果一致。但天然草地中，土壤粗砂粒与土壤全氮之间却呈正相关关系，这可能是因为实验重复较少出现了误差。

其次，土壤含水量直接影响土壤中各种盐类溶解、物质转化以及有机物的分解[31–32]。本研究中，柠条林地的土壤含水量与土壤电导率呈正相关关系，这是因为土壤中各种盐类充分溶解使其电导率变大，而天然草地、农田、弃耕地和杨树林地的土壤含水量和土壤电导率呈负相关关系甚至无相关性，可能是因为他们的植被盖度相对较小，且该研究区土壤盐碱化严重，土壤盐分与土壤电导率的影响远远大于土壤含水量[33]。另外，天然草地中土壤含水量与土壤有机碳之间呈负相关关系，是因为土壤盐碱化会影响土壤养分循环，导致土壤肥力下降，进而使得土壤有机碳含量降低[34]。而农田中由于人为灌溉的原因使得土壤含水量很高，土壤中盐分相对含量较小，与土壤电导率呈现不出相关性，但一定量的土壤含水量有利于土壤结构的维持，从而增加土壤的吸附性，进而增加土壤对养分的吸收和稳固能力，使得土壤有机碳含量增加[35]。

第三，土壤电导率与土壤全氮之间呈正相关关系，这可能是由于土壤电导率增加，土壤对有机物的积累和矿化速率增大所致[36]。本研究中，天然草地的这种相关性最为明显，而在农田、柠条林地和杨树林地中则无相关性，可能是因为天然草地地表植被和枯落物较多，植物枯枝落叶是土壤有机质的主要来源之一，土壤全氮含量受其影响更大。

第四，土壤有机碳、全氮含量是土壤肥力与土壤生产力的重要表征，土地利用和土壤管理对土壤有机碳、全氮含量的变化起着非常重要的作用[23]。本研究中，杨树林地土壤有机碳与土壤全氮之间呈显著正相关关系，而其他样地生境中土壤有机碳与土壤全氮间未呈现出相关性。原因可能是不同土地利用管理因素对土壤中氮素矿化作用、黏土矿物固定作用、硝化和反硝化过程、以及通过气态和溶解后淋溶、植物固氮作用、植物与微生物对氮素的竞争利用等的影响作用的结果[37]。一方面说明农田、弃耕地、天然草地和柠条林地的土壤有机碳和土壤全氮的富集处于动态变化之中，因为表层土的有机碳和全氮更容易受林分类型、气候环境、凋落物现存量及分解程度等因素的干扰[38]。例如农田受到耕作活动的影响，弃耕地和天然草地恢复过程，柠条林地演变均可对土壤有机碳和土壤全氮关系产生深刻影响[39]。同时，杨树林地林下地表草本植被覆盖稀少，土壤贫瘠，土壤有机碳和土壤全氮均处在较低水平，土壤微生物较少或活性比较低，使得土壤有机碳和土壤全氮处于一个相对平衡状态，当达到相对平衡时，土壤氮素含量大体上决定了有机碳含量，导致土壤有机碳和土壤全氮间呈现出较高的相关性[40]。

最后，由于研究区干旱少雨，生态环境恶劣，杨树林地和柠条林地的木本植物需要从土壤中吸取大量的水分和养分，使得其各土壤质量指标之间相关性大，土壤质量相对脆弱。而天然草地和农田存在大量的人为干扰，如灌溉、畜牧等，对其土壤质量指标之间的关系也存在较大的影响，而弃耕地受人为和自然干扰较小，且地表植被稀少，因此土壤质量指标之间相关性较小[41]。

3.3 土地利用变化对土壤质量的影响

进行土壤质量评价的目的是正确认识土壤，反映土壤管理的变化，从而有效管理和保护土壤[4]。通过上述结果可以看出，宁夏农牧交错带的5种不同土地利用类型的土壤质量综合得分排序为：农田>弃耕地>0>天然草地>柠条林地>杨树林地，其中综合得分越高，说明该植被类型下的土壤质量的综合程度越高，反之则越低。农田和弃耕地的综合得分为正值，说明该植被类型下的土壤质量高于平均水平，而草地、柠条林地和杨树林地综合得分值为负，则说明土壤质量低于平均水平[42]。

之所以会出现这样的结果，首先是由于该地区的农田经过合理施肥、灌溉等一系列精细化管理措施，具有一定的土壤培肥作用，有效提高土壤肥力避免土壤退化，因此农田的土壤质量得分最高，且得分高于平均水平[42]。其次弃耕地与天然草地相比，虽然都是草地，但由于该区域土壤盐渍化的影响，天然草地的土壤质量得分为负数，而弃耕后自然恢复的草地土壤中仍然保留有一些肥力，在一定程度上也可以改善土壤肥力水平[43]。最后柠条林地和杨树林地相较于草地而言，植被根部从土壤中吸收的养分更多，从而使得土壤质量降低。但由于灌丛具有明显的肥力岛屿效应，因此柠条林地的土壤质量高于杨树林地[29]。

北方农牧交错带作为将我国东部农区与西部草原牧区分隔开的生态过渡带，自然条件严酷，年降雨量少，且年际变异剧烈，是传统种植业的边际地区，因此依照土地性质对土地进行合理利用至关重要[6]。同时，为了进一步提高农牧生产力、改善生态条件也应从调整土地利用结构入手。研究表明，在宁夏北方农牧交错带，以农为主，发展精细化农业[43]，构建同时注重生产与生态的高效而安全的区域土地利用模式。虽然这与施陈银[44]等的研究结论相悖，可能是因为研究区域样地地理环境差异较大，但应遵守因地制宜的原则。

4 结论

宁夏农牧交错带不同土地利用类型中通过精细化管理的农田和弃耕后自然恢复成草地的土壤质量较好，而天然草地、人工柠条林地和杨树林地的土壤质量较差。综合分析表明，对水浇农田实行保护性耕作和精细管理，并且农田弃耕后自然恢复成草地，可以改善沙地土壤质量，减少水土流失，培肥地力，并能够逐步改善区域生态环境条件。

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Effects of land use changes on soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, Northern China

ZHANG Jing1, LIU Rentao2,*, ZHAO Juan2, CHANG Haitao2, LIU Jianan2, LUO Yaxi1, MA Ji1

1. College of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China 2. Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwestern China of Ministry of Education, Ningxia University, Yinchuan 750021, China

In Yanchi County of Ningxia, five land use types including farmland, abandoned farmland, natural grassland, and afforestedshrubland and poplar agroforestry land were selected as study sites. Soil physical and chemical properties were determined, and comprehensive technical indexes regarding soil quality were calculated in order to probe into the effects of land use changes on soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, northern China. All the results are as follows. (1) Soil coarse sand was found to be significantly (<0.05) greater in abandoned farmland and natural grassland compared with farmland, afforestedshrubland and poplar agroforestry land; soil fine sand was found to be significantly (<0.05) greater in afforested poplar agroforestry land compared with farmland, abandoned farmland, natural grassland and afforestedshrubland; both of soil very fine sand and soil clay and silt were found to be significantly (<0.05) greater in farmland and afforestedshrubland compared with abandoned farmland, natural grassland and afforested poplar agroforestry land. Soil moisture content, soil pH and soil electrical conductivity were found to be significantly (<0.05) greater in farmland compared with abandoned farmland, natural grassland, afforestedshrubland and poplar agroforestry land. Soil organic carbon was found to be significantly (<0.05) greater in abandoned farmland and afforestedshrubland compared with farmland, natural grassland and afforested poplar agroforestry land. Soil total nitrogen was found to be significantly (<0.05) greater in farmland compared with abandoned farmland, natural grassland, afforestedshrubland and afforested poplar agroforestry land. (2) There was a significant (<0.05) correlation between the above-mentioned soil quality indexes under land use types. The correlation coefficient between the evaluation indexes was found to follow the order of afforestedpoplar agroforestry land > natural grassland > farmland and afforestedshrubland > abandoned farmland. (3) The soil quality comprehensive index followed the order of farmland > abandoned farmland > 0 > natural grassland > afforestedshrubland > afforested poplar agroforestry land. It was concluded that the protective cultivation and intensive management on farmland, and the abandonment of cultivated farmland could facilitate the maintenance of soil quality, whereas the sandy natural grassland and afforested plantation could result in low soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, Northern China.

Ningxia; agro-pastoral transitional zone; land use; soil quality; soil physical and chemical properties

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.013

S159

A

1008-8873(2019)02-094-11

2018-05-02;

2018-11-27

宁夏自然科学基金(2018AAC02004); 国家自然科学基金项目(41661054, 41867005); 宁夏高等学校科学研究项目(NGY2018007);自治区科技基础条件建设计划创新平台专项资金项目(2018DPC05021); 宁夏大学“生态学”西部一流学科建设项目(NXYLXK2017B06)资助

张静(1994—), 女, 山西太原人, 在读硕士研究生, 主要从事恢复生态学相关研究, E-mail: zjbb13835137136@163.com.

刘任涛(1980—), 男, 河南邓州人, 博士、博士后/副研究员, 硕士生导师, 主要从事恢复生态学相关研究与教学工作, E-mail: nxuliu2012@126.com.

张静, 刘任涛, 赵娟, 等. 宁夏农牧交错带土地利用变化对土壤质量的影响[J]. 生态科学, 2019, 38(2): 94-104.

ZHANG Jing, LIU Rentao, ZHAO Juan, et al. Effects of land use changes on soil quality in agro-pastoral transitional zone in Ningxia, Northern China[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 94-104.