人为开垦对自然杂木林土壤有机质的影响

杨青青, 丁兆运，余雪标，陈小花，崔喜博，李 然，高 刘

(1.海南大学环境与植物保护学院，海南 海口 571000；2.枣庄学院旅游与资源环境学院，山东 枣庄 277160；3.海南大学农学院，海南 海口 571000)

人为开垦对自然杂木林土壤有机质的影响

杨青青1, 丁兆运2，余雪标1，陈小花3，崔喜博1，李 然1，高 刘1

(1.海南大学环境与植物保护学院，海南 海口 571000；2.枣庄学院旅游与资源环境学院，山东 枣庄 277160；3.海南大学农学院，海南 海口 571000)

采用水合热重铬酸钾氧化-比色法对抱犊崮自然保护区同一海拔高度分布的自然生杂木林地和耕地的土壤剖面进行了有机质测定，结果表明，在抱犊崮自然保护区自然林地和耕地的土壤中，其有机质的分布差异明显，自然林地的土壤有机质于表层逐渐增多，而耕地的土壤有机质在其剖面的分布则较为均一，自然林地总SOM﹥耕地总SOM.在两种土地利用类型下土壤剖面上层的SOM含量最高，最大值往往出现在0～10 cm层，然后向下逐渐减小.结果说明，人为开垦对土壤有机质含量有明显影响，长期耕种会导致土壤养分流失，从而致使土壤有机质总含量相对较低.

土壤有机质； 土壤剖面； 人为开垦； 自然杂木林

土壤有机质(Soil organic matter，Som)作为土壤的重要组成成分，对土壤肥力起着重要作用.SOM不仅为植物生长提供无机养分(氮、磷、钾)，还在生态系统及碳循环中扮演重要角色[1].SOM的分布状态及数量变化还会对陆地生态系统平衡及全球气候变化等方面产生深刻的影响.国内外学者对SOM进行了广泛的研究，研究内容主要集中在不同的土地利用方式对土壤有机碳储量与排放的影响、不同施肥制度对土壤有机质的平衡效果、土壤碳排放的全球变化效应与土壤呼吸效应，土壤碳氮垂直分布规律等方面的研究[2-14].本研究以抱犊崮自然林地与耕地土壤为研究对象，对两类土壤中有机碳的含量进行测定，分析自然林地经人为开垦为耕地后土壤有机质的剖面分异规律以及影响因素，评价不同的土地利用方式对土壤有机质的影响，为合理开发利用土壤资源提供支持.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况抱犊崮国家森林公园(117°33′E，34°52′N)，位于山东省枣庄市东北20公里，枣庄市山亭区与临沂市兰陵县交界处，总面积约665.5 hm2，森林覆盖率为96.8%，崮顶海拔584 m，属暖温带季风气候区，年均温13.9 ℃，多年平均降水量898 mm，降水季节分配不均[15-17].园内植物种类繁多，被称为“天然植物园”.现初步查明有维管植物100科302属453种，其中，乔木树种36种，灌木树种119种，草本植物298种，具有亚热带与暖热带两大植物区系成分的特点，并相互渗透[17].该保护区的土壤包括棕壤与褐土两个类型，棕壤由紫色砂质页岩的残坡积物发育而成，主要分布在山体中上部；褐土成土母质系石灰岩的残坡积物，集中出现在山体下部[15].

1.2 研究方法

1.2.1 样本采集 于2014年3月对抱犊崮进行了实地考察，为了减少地形地势的误差，选择同一海拔高度的自然杂木林和耕地，共2个采样点，每个样点随机布设3个2 m×2 m的小样方，每个小样方内沿对角线挖3个剖面，在每个剖面自上而下2 cm分层取样，将各采样点每层9个土样混匀带回实验室分析.林地(LD)植被类型为自然杂木林，优势种为元宝槭(Acertruncatum)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、黄连木(Pistaciachinensis)、伴生种楸树(Catalpabungei)、黄檀(Dalbergiahupeana)、苦树(Picrasmaquas-sioides)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山合欢(Albizziakalkora)等.灌木层主要种类有黄栌(Cotinuscoggygriavar.cinerea)、圆叶鼠李(Rhamnusglobosa)、牡荆(Vitexnegundovar.cannabifolia)、一叶荻(Se-curinegasuffruticosa)、茅莓(Rubusparvifolius)、山胡椒(Linderaglauca)等.草本层以黄背草(Themedatriandravar.japonica)、土麦冬(Liriopespicata)、酢浆草(Oxaliscorniculata)、益母草(Leonurusheterophyllus)等为主[16]，采样深度为40 cm.耕地(GD)位于坡麓较平缓之处，在自然土壤褐土的基础上经长期的小麦、玉米轮作而成为耕地，采样深度为30 cm.在实验室将土样中的植物根系、可见植物残体和石块去除后，混匀、风干、研磨、过18目和100目筛后，分别装袋以供测试.

1.2.2 分析方法 (1)土壤有机质的测定采用水合热重铬酸钾氧化-比色法[18-19]，土壤有机质的计算方法见公式(1)：

(1)

式中：TOC——土壤中有机质的质量分数，%；

m1——由标准曲线查出的土样含碳量(mg)；

1.724——有机碳换算有机质的系数(按土壤有机质的平均含碳量为58%计)；

1.08——氧化纠正系数；

103——将mg换算成g的系数；

m——土样质量(g).

(2) 土壤吸湿系数用烘干法测量[18]，根据公式(2)进行计算.

(2)

式中：W——铝盒重量(g)；

W1——装了风干土的铝盒重量(g)；

W2——烘干之后的铝盒重量(g).

1.2.3 数据分析 数据采用Excel2003软件进行汇总及计算，图形采用Grapher8软件绘制.

2 结果与讨论

2.1 自然林地和耕地土壤有机质剖面分布特征

由图1看到，LD土壤有机质平均含量比GD低，分别为1.4%和1.8%.但二者有机质的剖面分布形式明显不同.LD的TOC在0～4cm段由表层的2.98%增加到峰值3.2%，从4cm处的峰值3.2%急剧降低到18cm处的0.51%.18～28cm有机质含量从0.51%回升到1.54%.从深度28cm往下，呈现出波状下降的趋势.GDTOC的垂直变化不如LD剧烈，相对来说比较平缓.0～12cm段有机质含量变化起伏不大，在1.8%～2.33%之间变动，最高值位于12cm处，含量为2.33%；深度12cm以下层段，TOC含量变幅较大，变动在1.48%～2.33%.

TOC总量由大到小顺序为：0～20cm、20～30cm、30～40cm.在0～20cm土壤有机质含量随土层深度的增加而减少，最大值出现在2cm处，且其有机质含量占总含量的68%.这说明自然林地的土壤有机质大部分分布在0～20cm的土层中，这是因为：林地在土壤表层有丰富的植物凋落物残体，且这些凋落物残体在分解过程中通过多种生化反应形成结构各异的有机物质，从而补充了土壤碳库，是土壤有机质的主要来源.林木植物根系的转化也是土壤碳的主要来源[5].在20～30cm土层中，土壤有机质含量随深度增加而增大，在土壤采样的时候观察到这一土层出现大量的动物洞穴，因此可以判断，出现这种逆增长可能是由于动物参与了有机质的迁移，把表层的有机质搬运到这一土层的缘故.有机质含量占总含量的20%，在底部30～40cm土层中，土壤有机质含量又随深度增加而减小，占总含量的12%，并在36cm之后有机质质量分数趋向于稳定值0.35%.自然林地地的土壤有机质剖面分布主要有3个特点：一是上层有机质含量高于下层；二是垂直变化非常显著；三是SOM在20～30cm出现随深度增加而增加的现象.

而耕地土壤有机质含量在垂直剖面的变化差异较小，SOM总量由大到小顺序为：0～10cm、10～20cm、20～30cm.从0cm到10cm是逐渐增大，并在10cm处出现最大值2.3%，原因是：植物根系主要分布在这一层，土层疏松，质地不砂不黏，结构良好，生物尤其是微生物的活动较强，物质转化快，同时透水，通气，水、热、气比较协调.随后从10cm到30cm大致减少，在25cm之后趋于稳定值1.5%，这是因为25cm之下的土层比较接近母质层.耕地的土壤有机质剖面分布主要有2个特点：一是总有机质含量较低；二是有机质在各土层的分布较平均.

图1 自然林地地和耕地的土壤有机质剖面分布特征图2 自然杂木林地与耕地吸湿系数对比

2.2 影响自然林地和耕地土壤有机质剖面分布差异的因素分析自然林地土壤是在5大自然成土因素(生物、气候、母质、地形和时间)综合作用下的自然成土过程的产物，而耕地则是在自然林地土壤的基础上，人类通过开垦、土壤改良、施肥、耕作等措施，经土壤熟化过程的产物[20].因此，人类活动是影响耕地土壤有机质分布的主要因素.从图1可以看出，耕地土壤有机质的垂直分布均一化，且有机质总量小于自然林地地，主要由以下2方面原因引起：其一，抱犊崮自然保护区的农业类型属于粗放型的，耕作比较原始，农作物年复一年的从土壤中吸取养分，政府又禁止焚烧秸秆，大部分秸秆都是从原土壤中带出并丢弃，得不到有效的分解，土壤有机物常年输出大于输入；其二，翻耕开垦一方面导致表层土壤发生混合过程，使耕地表层土壤中的SOM均一化；另一方面，增加了土壤的通气状况，有机质分解迅速而彻底，不利于有机质的积累并可引起土壤养分流失[21].不仅如此，在好气环境下，土壤中有机质的矿质化过程广泛的发生，使有机态物质中所含有的碳、氮、磷等元素被分解、氧化、转变为无机态物质，从而降低了耕地土壤有机质含量[7].此外,耕地翻耕后水土流失过程加剧,加速了土壤有机碳的流失.而自然林地土壤未经翻耕，对土壤侵蚀的抵抗能力较强，土壤有机碳不易流失，其有机质含量高于耕地土壤.耕地是在林地的基础上改良而成的，并且在长期进行小麦、玉米轮作的过程中施用无机肥，因此不利于土壤有机质的积累.因此，耕地的土壤有机质剖面分布比较平均，变化不大，平均值也略低于林地.

土壤质地在一定程度上影响着有机质的积累.一般认为，土壤吸湿系数越大，其土壤黏性也越大[6].黏土由于土粒微小，土壤中的非毛管孔隙少、毛管孔隙多，毛管作用力强，土壤透水通气性差；但保水蓄水及保肥性能强，有机质分解缓慢有利于积累[22].由图2可以看出，自然林地土壤吸湿系数随深度的变化与有机质的变化明显有相关性.在0～20cm随深度增加，吸湿系数缓慢减小，土壤黏性也减弱，所以有机质质量分数呈下降趋势.20～34cm吸湿系数急剧增大，土壤黏性也增强，所以有机质质量分数呈上升趋势，并且在34cm达到最大值(约10.29%)，土壤黏性达到最强，因而会导致本土层土壤通气状况不良，有机质则发生嫌气分解，其速度缓慢且分解也不彻底，常产生还原态产物如CH4、H2S、CO、NH3，并伴随低价铁、锰等有毒有害物的形成，最终制约有机质的转化并危害植物正常生长[23].从图2可以看出，在0～14cm的土层中，土壤吸湿系数大致缓慢增大的，与有机质质量分数的分布相关性较差，因为耕地上层是农业活动最强烈的土层，农业的施肥、灌溉、翻耕、种植等活动是影响有机质含量的重要因素，而不取决于土壤质地.在14cm处出现最大值(5.36%)，猜测可能是偶然因素导致的.在14cm以下，受农业活动的影响相对比14cm以上土层较小，土壤吸湿系数随深度增加而大致减小，土壤有机质质量分数也相同.耕地土壤吸湿系数和自然林地地土壤吸湿系数的相关性不显著，耕地土壤吸湿系数垂直变化比自然林地平缓.这也说明农业活动能改良土壤质地，使土壤质地在垂直变化上更均匀.

3 结 论

(1)抱犊崮自然保护区自然林地SOM自表层向下逐渐减小，在0～20cm土壤有机质含量随土层深度的增加而减少，有机质含量占总剖面含量的68%；在20～30cm土层中，土壤有机质含量随深度增加而增大，占总含量的20%；在底部30～40cm土层中，土壤有机质含量又随深度增加而减小，占总含量的12%，并在36cm之后有机质质量分数趋向于稳定值0.35%.最大值出现在2cm处.

(2)耕地表层SOM含量大于下层，在0～10cm段SOM逐渐增大，10cm处出现最大值2.3%；随后从10cm到30cm大致减少.

(3)抱犊崮自然保护区自然林地和耕地土壤有机质剖面分布差异明显.自然林地土壤有机质在剖面分布上呈表聚分布型，而耕地土壤有机质的剖面分布较为均一.自然林地总SOM﹥耕地总SOM.较强的生物积累使杂木林地具有较高的土壤有机质含量，耕地经长期耕种且水土流失严重，其土壤有机质总含量相对较低.

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Effects of Artificial Reclamation on Soil Organic Matter in Natural Mixed Forest

Yang Qingqing1，Ding Zhaoyun2, Yu Xuebiao1, Chen Xiaohua3, Cui Xibo1, Li Ran1, Gao Liu1

(1. School of Environment and Plant Protection, Hainan University, Haikou 571000, China; 2. School of Tourism, Resources and Environment, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China; 3. School of Agricultural College, Hainan University, Haikou 571000, China)

In the report, the heat of hydration of potassium dichromate oxidation-colorimetric method was performed to determine the soil organic matter of the natural born mixed forest and farmland from the same altitude of Baodugu Nature Reserve. The results showed that there are obvious distribution differences of soil organic matter between the natural woodland and farmland. On the surface of natural forest, soil organic matter increased gradually, however, in the section, the distribution of soil organic matter of arable land is more uniform than that of farmland. SOM of natural forest soil is greater than that of cultivated land. SOM of the upper soil profile of two types of land was the highest, the maximum value often appears in the 0～10 cm layer, and then, decreases downwards. Our findings suggested that artificial reclamation had obvious effects on the content of soil organic matter, the cultivation for a long period result in the loss of soil nutrient, and the soil organic matter and total content is relatively low.

soil organic matter; soil profile; artificial cultivation; natural mixed forest

2015-05-06

海南省科技厅耕地改良项目子课题“新型液体肥料研制与配套施用技术示范”(MI26377010)；枣庄学院国家级基金预研究项目(1131001)；海南大学研究生处“海南大学林业与生态研究生实践基地”项目(01J1N10001003)

杨青青(1992-)，男，江西瑞金人，海南大学环境与植物保护学院2014级硕士研究生，E-mail:624767243@qq.com

丁兆运(1966-)，男，山东薛城人，副教授，博士，研究方向：环境地理研究，E-mail:ding6888@163.com

1004-1729(2015)04-0372-05

S 7

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0065