摘 要：本文以乌兰布和沙漠绿洲区为研究区，分别对乔木、灌木、农田、弃荒地四种土地利用方式下土壤氮素含量进行测定。结果表明，不同利土地用方式对土壤氮素含量影响很大。（1）乔木林地是碱解氮含量最高，但全氮和有机质含量最低的林地；农田是有机质含量最高，全氮和碱解氮含量稍次的土地；灌木是全氮含量最高，有机质、碱解氮含量不算最差的林地；对照弃荒地有机质和全氮含量是高于乔木的。（2）碱解氮含量乔木整体稍高于灌木，全氮和有机质含量却相反。故而建议有条件灌溉时，多造乔木林，既可较快改善土壤质量，又可防护农地；在沙区干旱条件下，建议推广对土壤质量提高和生态环境改善更具潜力的固氮沙生灌木。（3）在0～40cm土层中，各林地间氮素含量有差异。小美旱杨林地有机质、全氮、碱解氮含量都是最高的。所选灌木林地的氮素含量都高于弃荒地。旱柳和新疆杨林地全氮和碱解氮含量都比较低。（4）各形态氮素在不同林地剖面内的分异规律不同。各林地有机质含量绝大部分表现为表层高于下层(与荒漠对照相反)，这说明造林对表层有机质状况的改善作用更明显。
关键词:林地；农田；乌兰布和沙漠；土壤氮素
Soil Nitrogen Characteristics on Farmland and Woodland in the Northeast Sandy Area of Ulanbuh Desert
Abstract: This study investigated the effects of changes in land-use type on soil Nitrogen content in Ulanbuh desert. Four land-use types include forest, Shrub land, farmland, abandoned land. Results show that the effects of changes in land-use type on soil is significant. (1) Land alkali-hydro nitrogen content is the highest, but total nitrogen and organic matter content of forest is the lowest; Soil organic matter of Farmland is the highest, and content of total nitrogen and alkali-hydro nitrogen content of land is good; a Bush was the highest content of total nitrogen, and organic matter and alkali-hydro nitrogen content is not the worst forest, Controls the wasteland nitrogen content and the content of soil organic is higher than the trees. (2) Trees overall alkali-hydro nitrogen levels above the shrubs, but total nitrogen and organic content instead. So suggest that conditional irrigation, planting the arbor can quickly improve soil quality and protection of farmland; in drought sandy area, sandy shrubs of nitrogen fixation with the potential for enhancing soil quality and improving eco-environment should be extended widely.(3) In the 0-40cm in soil, the nitrogen content is different between the woodland. Populus simonii ×(Populus pyramidalis + Salix matsudana) cv. Poplaris trees organic matter, total nitrogen, alkali-hydro nitrogen content is the highest. The nitrogen content of shrub land is higher than the farmland. Populus bolleana Lauche and hankow willow nitrogen fixation is poor. (4) Differentiation rules of the form of nitrogen in different sections of forestland are different. The organic matter content of forest in the surface apparent is mostly higher than in the sub layer. It indicate that forest have an obvious mend effect in surface.
Keywords: woodland; farmland; Ulanbuh desert; soil nitrogen
1 绪论
1.1研究目的与意义
土地资源可以为人类社会提供广泛的用途。它不仅是农业生产与植物生长的基础；还是非再生资源储存和持续供应的基地，只有加强土地管理，合理利用土地资源，把土地作为重要生态环境要素进行保护，保障合理的生态用地，才能避免土地利用造成生态环境破坏。随着我国社会经济的飞速发展，人们对土地资源开发利用的强度越来越大，所面临的生态安全问题也越来越严重。土地利用结构的变化引起各种土地利用类型种类、面积和空间位置的变化，即导致了各种生态系统类型、面积和空间分布的变化。土地利用变化过程、规律以及驱动因素的分析研究，是生态环境变化研究的重要基础，也是调控人类行为的科学决策依据。土地利用变化可以改变土地被覆状况并影响许多生态过程，如生物多样性的分布和地球化学循环等。合理的土地利用方式可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力，不合理的土地利用方式会导致土壤质量下降，增加土壤侵蚀，降低生物多样性。研究不同土地利用方式可以为合理利用土地自然提供科学依据，使人类获得生态经济双收益。
氮是植物生长发育必需的三大营养元素之一，也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素，它是蛋白质、核糖核酸(RNA)等的关键成分。土壤氮含量的高低会干扰生物圈物质的正常循环过程,进而影响生态环境安全。由于土壤氮含量存在时空分异特征,需比较两个或多个时相变化才能更好的了解土壤氮含量变化的本质和机理。土地利用方式的变化一方面导致进入土壤中的肥料和植物残体的数量和性质各异；另一方面土壤施肥管理、耕作方式等农艺措施的差异，影响土壤氮素的矿化、运输和植物的吸收与利用，从而导致土壤氮素的差异，引起土壤氮素肥力的不同。土壤有机质和氮素是土壤肥力的重要物质基础，对于土壤生产力和土地可持续利用及环境保护等方面有着重要作用和意义。研究表明，在气候和土壤等自然条件基本相同的条件下，土地利用方式对土壤有机碳和全氮及其组分（土壤微生物生物量碳和氮）的含量具有影响[1,2,3]。
乌兰布和沙漠位于我国西北荒漠区，自然环境敏感易变，风蚀强烈，但光热资源丰富，位于黄灌区，目前仍有大面积宜耕荒地，占该区总面积的一半，且地势平坦，土层深厚，沙丘密度小，平均覆沙厚度30cm，都有引黄灌溉和发展井灌的条件。所以此处绿洲农业有一定发展，是在荒漠中可贵的可利用土地，因此怎样更合理的利用本区土地成为一个急待解决的课题。本文就以乌兰布和沙区磴口县为研究基地，选择乔木林地、灌木林地、农田、弃荒地四种土地利用方式，研究土地利用方式的调整对土壤有机质及氮素的影响，旨在为乌兰布和沙漠的土地合理利用提供依据。
1.2国内外研究现状
随着人口迅速增加，人类活动对区域的影响日益增强，土地利用与土地覆被变化成为当前全球变化研究的热点问题。土地利用，作为人类利用土地各种活动的综合反映，会引起许多自然现象和生态过程变化，因此土地利用方式对土壤理化性质的影响这一课题的研究已有很多人在做。
有些单独研究某一土地利用方式的，探求单一利用方式中何种树种达到最优。有探求灌木林地对土壤理化的影响，如许文强等选择天山北坡绿洲荒漠过渡带的3种类型的灌丛为研究对象，研究灌丛土壤资源的聚集效应，结果表明，灌丛土壤有机质、全氮含量在冠幅下最高，其次为灌丛见低矮植物下，灌丛间裸地最低，呈现明显“肥岛”[4]。Whitford等研究认为荒漠中灌木植物的根冠结构及树叶特征有利于大气降尘在叶面及枝干表面积累，大气降尘和植物叶子分泌物中的营养物质由树冠截留的降雨形成的树干径流输送到灌木根系周围的土壤形成“肥岛”[5]。这与苏永中等的研究一致，同样研究灌木“肥岛”，研究表明灌丛对土壤风蚀物质，降尘和凋落物等的截获，形成灌丛“肥岛”，并通过发达的根系沉积的形式向土壤输入大量的有机物质，从而使周围土壤的肥力性状得以改善[6]。因为种植防护林不人为施肥，林木生长所需营养元素主要通过自身生长过程中，代谢物质分解形成的灰分元素补充，一般认为种植防护林会导致土壤肥力下降。但在某些地区却是相反，阿迪力等一准噶尔盆地新建防护林为研究对象，发现防护林对土壤肥力起改善作用[7]。
不同地区，不同土地利用方式对土壤理化性质的影响也没有一个统一的规律。在黄土高原，乔木灌木混交林是较好的生态重建和植被恢复方式，粗放农耕是土地退化，而摞荒地一定程度上起到培肥作用[8]。李生等在云南石漠化地区，尹刚强等在湖南地区得到结论相同[9,10]。但在城市中，土壤肥力却是农田高于林地，这与城市农田耕作方式有密切联系，土壤氮含量的变化在不同用地类型之间存在着明显的规律,很大程度上归结于农户对农田的肥料投入、耕作方式和作物吸收的差异[11]。研究区域土地利用变化受自然因素和人文因素的共同影响,其中自然因素具有相对稳定性,社会经济政策因素是区域土地利用格局变化的直接驱动[3,11]。自然土壤植被被破坏或转为农田，土壤伞氮含量持续下降，但农田化肥和有机肥配施后，土壤全氮含量显著增加；草地经过多年的植被恢复，土壤全氮含量显著高于农田化肥和无肥处理，土壤氮库储量显著提高[1]。
I.Celik等研究对退草还耕和退林还耕进行了研究，发现转化为耕地后，原来的草地变得容易遭受侵蚀，草地和林地对土地生态恢复有积极作用[12]。草地转化为耕地时，耕地0-20cm土层土壤有机质库相对于草地同土层有了明显减少，减少了49%。0-20cm土层的土壤容重也有很大差别：耕地(1.33Mgm-3),草地(1.19Mgm-3),林地(1.25Mgm-3)。只有林地，0-10cm土层和10-20cm土层的土壤容重不同。0-20cm土层的土壤容重也有很大差别：耕地(1.33Mgm-3),草地(1.19Mgm-3),林地(1.25Mgm-3)。只有林地，0-10cm土层和10-20cm土层的土壤容重不同。
2 研究内容与方法
2.1研究区概况
2.1.1研究区自然状况
乌兰布和沙漠是中国境内八大沙漠之一，地处我国西北干旱荒漠区的东缘，也是中国北方东部季风气候区的最西缘，自然环境敏感而易变。乌兰布和沙漠绿洲分布于乌兰布和沙漠东北缘沙区，其地理位置为106°09′～107°10′E，40°09′～40°55′N，绝大部分隶属于内蒙古西部巴彦淖尔市磴口县。乌兰布和沙漠区内固定沙丘、半固定沙丘、丘间低地与流动沙丘相间分布，丘间多分布有粘土质平地，是乌兰布和沙漠中最优越的区域，现许多地方已开发成为沙漠中的绿洲。气候终年为西风环流控制，属于温带荒漠大陆性气候。气候干旱，降水稀少，分配不均,降水多集中于6～9月。年均气温7.6℃，绝对最高气温39℃，绝对最低气温－29.6℃。≥10℃的有效积温为3289.1℃。风沙频繁，地表风蚀强烈。
土壤表层主要由第四纪河湖沼红棕色粘土层组成，为中细沙、亚粘土和粘土层的湖相沉积物。全境以风沙土为主，其他土壤类型有盐土、灌淤土、草甸土、龟裂土、原始沼泽土等。其中，风沙土主要以沙丘形态分布着。地下水埋深浅，浅层水资源丰富，水质良好宜于灌溉。研究区发育的自然植被以荒漠植被种类较多，区内植物群落中的建群种均为旱生植物，优势种多半为强旱生植物。常见植物群落类型有油蒿沙质荒漠、籽蒿沙质荒漠、白刺沙质荒漠。人工植被主要由两部分组成。一部分为绿洲内部防护林网、小面积片林和农作物，这是绿洲的主体部分，另一部分为绿洲开发时在绿洲外围营造的许多固沙林、防护林带、防护林网等。天然植被以白刺(Nitraria tangutorum)、沙竹(Psammochloa mongolica Hitchc)、沙蓬(A riophyllum squarrosum)、油蒿(A rtemisia ordosica Kraschen.)等居多；在原植被基本一致的基础上，新造主要人工植被有沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、沙枣(Eaeagnus angustifolia L.)、新疆杨(Populus alba L.var.pyramidalis Bunge.)、小美旱(Populus simonii×(Populus pyramidalis+Salix matsudana)cv.Poplaris)等。
2.1.2研究区社会状况
实验区土地资源广阔，总面积为32.62×104hm2，占磴口县土地面积78.3%。其中耕地27.73×104hm2、林地6862.2hm2，牧草地22.98×104hm2。研究区人均耕地0.75hm2，远高于全国人均0.07hm2，全部采用黄灌或井灌。研究区目前仍有宜耕荒地18.58×104hm2，占该区总面积的57%，且地势平坦，土层深厚，沙丘密度小，平均覆沙厚度30cm，都有引黄灌溉和发展井灌的条件。
据统计，1999年实验区人口3.7万，其中农牧民占91.5%，占全县人口的31.0%，研究区农业生产为主导产业，并已有一定基础，农业水利化程度也较高，耕地、园地和林地共3.5×104hm2，全部采用井灌或黄灌。研究区农业生产总值12877×104元，农牧民人均纯收入2413元，现已建成蔬菜、瓜果、肉食品、啤酒花、甘草、饲料加工等龙头项目，带动了各业全面发展，实现农业经济高效、快速前进。
2.2 研究内容
本文以磴口县农田（苜蓿、籽瓜地、玉米），乔木（旱柳、小美旱杨、新疆杨），灌木（向阳沙棘、向阳沙枣、棕丘沙棘），弃荒地为研究对象，对各个景观的土地氮素及有机质含量特征进行研究。以土壤学为理论基础，探讨土地调整对土壤氮素及有机质影响的规律：
（1）探讨四种不同的土地利用方式对土壤氮素和有机质的积累规律：对四种土地利用方式选取某些植被做代表，对其土壤进行处理分析，对其氮素和有机质进行测定
（2）探讨各形态氮素和有机质的垂直分布规律：氮素和有机质的垂直变异分析是准确选择造林树种和进行合理施肥管理的重要基础。比较同一植物地不同土壤深度的氮素和有机质含量，对作物不同土层对氮素的积累效果进行比评。
（3）对相同土地利用方式不同林地对土地氮素和有机质改善规律探讨：对同种土地利用方式不同林地土壤氮素和有机质含量进行比较，探求改善土壤氮素含量最显著的树种。
2.3研究方法
2.3.1样品采集
为了减少农田施肥带来的分析误差，采样在土壤开冻未施肥以前；乔灌林地按不同树种进行土样采集，农田分区域按照不同开垦或耕种年限采集土样，按“X”型分0～20cm和20～40cm两层取样，每层2点混合。以油蒿荒漠3点混合样为对照。
2.3.2样品处理
采集的土样带回实验室后及时进行自然风干，以避免发霉而引起性质的改变。具体将土壤样品平铺在干净的纸上，趁半干状态时，把土壤压碎，挑出残根等杂物，弄成碎块，摊成薄层放于室内阴凉通风处，慢慢风干，可以经常翻动，加速其干燥。
将风干后的土样，碾碎，过2mm的标准筛子。将过筛后的细土反复按照四分法弃取。留下250g左右的土样，装袋备用。
根据不同分析实验的要求，取出部分过2mm标准筛的土壤样品，继续碾碎，磨细，过0.5mm的标准筛。
2.3.3样品分析
（1）有机质(organic matter)：采用重铬酸钾容量法测定。称取制备好的风干试样0.5g，置入150mL三角瓶中，加粉末状的硫酸银0.1g，然后用自动调零滴定管，准确加入0.4mol/L重铬酸钾-硫酸溶液10mL摇匀。将盛有试样的三角瓶装一个简易的空气冷凝管，移置已预热到200～230℃的电砂浴上加热。当简易空气冷凝管下端落下第一滴冷凝液，开始记时，消煮5±0.5min。冷却后，将试管内溶物洗入原三角瓶，总体积控制在60～80mL，加3～5滴菲啉指示剂，用硫酸亚铁标准溶液滴定剩余的重铬酸钾。溶液的变色过程是先由橙黄变为蓝绿，再变为棕红，即达终点。记录所消耗硫酸亚铁体积数。取0.5g粉末状二氧化硅代替试样，其他步骤与试样测定相同，取其平均值。
土壤有机质含量X（按烘干土计算），由式（1）计算：
X= [(V0-V)×C2×0.003×1.724×100]/m……………………（1）
式中：X——土壤有机质含量，%
V0——空白滴定时消耗硫酸亚铁标准溶液的体积，mL
V——测定试样时消耗硫酸亚铁标准溶液的体积，mL
C2——硫酸亚铁标准溶液的浓度，mol/L
0.003——1/4碳原子的摩尔质量数，g/mol
1.724——由有机碳换算为有机质的系数
m——烘干试样质量，g
平行测定的结果用算术平均值表示，保留三位有效数字。
（2）全氮（total nitrogen)：用半微量开氏蒸馏法测定。称取风干土样(0.25mm筛)1g克，放入干燥的50mL开氏瓶中，分别加入催化剂1.8g、2mL水和5mL浓硫酸，摇匀。盖上小漏斗，放在电炉上，开始用小火加热，然后微消煮，当消煮液呈灰白色时，加高温度，待完全变为灰白稍带绿色后，再继续消煮1小时，仔细观察消煮液中及瓶壁是否有黑色炭粒，如有，应延长消煮时间至炭粒消失为止，取下开氏瓶，冷却。冷却完全后用去离子水将消化液转移至100mL容量瓶定容，用FIAstar5000流动注射分析仪测定。
用公式（2）计算土壤中全氮含量
N(%in sample)=（C×0.001×0.1/m）×100………………（2）
C——FIAstar获得的被测液浓度，单位mg/N
m——样品质量，单位g
（3）碱解氮(available nitrogen)：用碱解扩散法测定。称取通过1mm筛的风干土样2g和硫酸亚铁粉剂0.2g均匀铺在扩散皿外室。在扩散皿的内室中，加入2mL2％含指示剂的硼酸溶液，然后在皿的外室边缘涂上碱性甘油，盖上毛玻璃与扩散皿边缘完全粘合，再慢慢转开毛玻璃的一边，使扩散皿露出一条狭缝，迅速加入10mL1.07mol/LNaOH液于扩散皿的外室中，立即将毛玻璃旋转盖严，在实验台上水平地轻轻旋转扩散皿，使溶液与土壤充分混匀，并用橡皮筋固定；随后小心放入40℃的恒温箱中。24小时后取出，用微量滴定管以0.005mol/L的H2SO4标准液滴定扩散皿内室硼酸液吸收的氨量，其终点为紫红色。另取一扩散皿，做空白试验，不加土壤，其他步骤与有土壤的相同。
根据公式（3）计算土壤中碱解氮的含量
土壤碱解氮=×1000………………………（3）
公式中C——H2S04标准液的浓度,mol/L
V——样品测定时用去H2S04标准液的体积，mL
V0——空白测定时用去H2S04标准液的体积，mL
14——氮的摩尔质量，g/mol
1000——换算系数
m——土壤重量，g
2.3.4数据处理
数据用Excel软件进行处理，并绘制图表。
3结果与分析
3.1不同土地利用方式土壤氮素变化特征
地表植被覆盖越大，土壤表层获取的光和热越少，进而增加有机质的积累。随着有机质的逐步矿化，N素逐步释放出来，土壤全氮量提高。因此，有机质常常与各形态的氮素含量具有紧密联系。氮素是构成蛋白酶的主要成分，在成土过程中由生物的固氮作用积累而成，是评价土壤氮素肥力的一个重要指标。
（1）不同土地利用方式有机质变化特征
土壤有机质是指土壤中来源生命的物质，包括土壤微生物和土壤动物及其分泌物，土体中植物残体和植物分泌物和腐殖质。土壤有机质被认为是土壤质量一个重要的指示指标,它是土壤养分的源与库,能改善土壤的物理和化学性状,促进土壤生物活性。土壤有机质是土壤固相的一个重要组成部分，也是土壤营养的的主要来源。土壤有机质是反应土壤潜在肥力的主要指标，它是植物N、P、K等营养的主要来源。有机质含量不仅取决于自然因素，也取决于人类生产活动，如利用方式、施肥与灌溉等管理措施。分析土壤有机质的含量，对于合理利用和改良土壤是十分重要的[11,13,14]。
图1各土地利用方式有机质含量
从图1可以看出，(Ⅰ)不同土地利用方式下，0～20cm表层土壤有机质含量变化次序为：农田>灌木林地>乔木林地>弃荒低，表明农田、灌木林地有利于提高0～20cm土层有机质含量。而在0～40cm土层有机质含量变化依次为：农田>灌木林地>弃荒地>乔木林地，表明农田、灌木林地无论在表层土壤还是整个土层对有机质含量都有积累作用。(Ⅱ)0～40cm表层土壤有机质含量为1.94～3.07g/kg,变化幅度较小，其中农田有机质含量最高，这可能是因为农田施肥及良好的管理措施等有关。灌木林地的枯落物在土壤动物和微生物的分解作用下形成养分元素进入土壤，从而在一定程度上增加了土壤中有机质含量[6,14]。乔木林地的有机质含量在表层略高于弃荒地，但整个土层有机质含量明显低于弃荒地，林地有机质含量低可能是因为乔木林不人为施肥，林木生长所需要的营养元素主要是通过自身生长过程中，代谢物质分解形成的灰分元素来补充。所以种植乔木林会导致土壤肥力下降。
（2）不同土地利用方式氮素变化特征
图2各土地利用方式全氮含量 图3各土地利用方式碱解氮含量
土壤全氮包括所有形式的有机和无机氮素，是标志土壤氮素总量和供应植物有效氮素的源和库，综合反映了土壤的氮素状况。从图2可以看出在0～20cm土层，有全氮含量灌木林地>农田>乔木林地>弃荒地，灌木林地在表层聚氮效果最好。但因为裸地植被被人为破坏，缺乏植物荫蔽，强烈气象条件增强土壤氮素矿化速率，产生的矿质态氮很容易随降水渗入到土层深处或随径流损失，导致土壤全氮含量低于草地[1]。在整个土层中，全氮含量变化为灌木林地>农田>乔木林地>弃荒地，这与有机质含量趋势有相似性，灌木林地和农田全氮含量较高，乔木林地全氮含量最低。在风蚀强烈的乌兰布和沙漠，灌木土壤养分的积累主要是其自身掉落物及对周围风蚀物质的截获、沉积和分解以及根系的活动，同时一定程度上提高了全氮含量。说明在沙区极端干旱条件下，供水状况稍好时，推广沙旱生灌木对土壤质量的提高和生态环境的改善最具潜力，特别是具有固氮能力的抗逆沙生灌木树种。
土壤碱解氮也称土壤水解性氮或土壤有效氮，它包括无机态氮和部分有机物质中易分解的比较简单的有机态氮，是氨态氮，硝态氮，氨基酸，酰胺和易水解的蛋白质氮的总和。碱解氮的含量和有机质含量及质量有关，有机质含量高，熟化程度高，有机性氮含量也高；反之，有机质含量低，熟化程度低，有效性氮的含量也低。碱解氮含量作为植物氮素营养较无机氮有更好的相关性，所以测定碱解氮比测定氨态氮和硝态氮更能确切的反映出近期内土壤的供氮水平。从图3可以看出在0～20cm土层，土壤碱解氮变化依次是弃荒地>灌木林地>乔木林地>农田。结合图2可以看出弃荒地在表土层全氮含量低，但碱解氮含量却最低，这说明弃荒地表层土壤有机氮的矿化作用明显，在表层植物可利用的有效氮相对较高，近期土壤供氮能力较好。这是由于弃荒地长期闲置，没有植物吸收，碱解氮在全氮中含量较高。农田表土层碱解氮含量较少主要是因为农作物为自身生长对有效氮的吸收利用，农田的氮素各个状态的含量变受人为因素影响较大，稳定性较差。在0～40cm土层，土壤碱解氮含量为乔木林地>农田>灌木林地>弃荒地。这说明乔木林地虽说全氮含量低，但碱解氮含量却相对时最高的，这应该是因为乔木林地的微环境有利于碱解氮的转化。结合图2灌木林地和农田虽说碱解氮含量稍微次于乔木林地，但全氮含量较高，这就是说着这些土地中虽说近期内可供植物利用的氮量不是最好但土地长期供氮能力还是由于乔木林地和弃荒地的。
3.2土壤氮素的垂直变异
土壤氮素的垂直变异分析是准确选择造林树种和进行合理施肥管理的重要基础。从整体来看，各林地各形态氮素素在剖面内的分异规律并不一致。
（1）有机质的垂直分异
图4各林地有机质垂直分异 图5各农田有机质垂直分异
从图4中，各林地有机质在土层内的分异规律并不一致。灌木和乔木中的新疆杨都是表层有机质含量大于下层，但弃荒地和小美旱杨表层有机质含量低于下层。从图5中可以看出，农作物有机质垂直变异规律也不一致，只有苜蓿地表层有机质含量低于下层，其他作物有机质含量表层都大于下层。表层土壤有机质含量高于下层不仅受植物根系影响，而且受枯落叶及小气候环境影响较大有关。土壤养分含量表现为表土层大于下层，反映了植被对土壤养分的表聚效应[7]。
（2）全氮的垂直分异
图6各林地全氮垂直变异 图7各农田全氮垂直变异
从图6和图7中可以看出全氮在土层中的垂直分布情况。对于荒漠对照地而言，各形态氮素含量均表现为表层明显低于下层，这是因为对照地属半流动性沙丘油蒿荒漠景观，其表层土壤多是由风力客移堆积而成的未经熟化(施肥或林地改善)的土壤，其养分含量自然较下层低。
农田总体有机质含量是表层全都低于下层。而在林地中，只有向阳沙棘、旱柳、新疆杨林表现出了聚氮效应，其他都显出了与农田相同的情况。在农田还可以看出上下层全氮含量差值（下土层高出上土层）范围在0.016g/kg～0.092g/kg，而在林地上下层全氮含量差值是-0.073g/kg～0.094g/kg。
（3）碱解氮的垂直分异
图8各林地碱解氮垂直分异 图9各农田碱解氮垂直分异
从图8和图9中可以看出，对于各林地而言,碱解氮含量绝大部分表现为表层高于下层，但整体差异性显著。一方面说明造林对沙区土壤碱解氮状况的提升表层快于下层,这是因为沙区造林若干年后，林地土壤基本被固定,表层腐殖质等营养源较丰，加之表层土壤较为疏松，水热条件和通气状况较好，有利于微生物活动，从而提升土壤有效养分水平，而下层土壤的这些性状相对较差,有效氮素含量因此而降低；另一方面说明在恶劣的沙区生境条件下，造林对土壤氮素的提升(特别是表层土壤)是一个持久性过程。
没有表现出表聚效应的有向阳沙棘、小美旱杨和玉米，这些土地中表土层碱解氮含量低于下层。各林地碱解氮上下层差值（下层含量高于上层含量）范围是-14.658mg/kg～8.848mg/kg，农田各作物用地碱解氮上下层差值为-17.130mg/kg～6.283mg/kg。
在多种利用方式中，只有旱柳林地、小美旱杨林地、玉米地全氮垂直型和碱解氮垂直型规律一致。其他土地中碱解氮与全氮分布方式呈相反趋势，这可能是因为林木对有效氮素的常年消耗，反而促进了难以被植物利用的有机氮转换为容易被植物利用有效氮的过程。
3.3不同林地土壤氮素变化特征
（1）各林地土壤氮素变化特征
图10各林地有机质含量 图11各林地全氮、碱解氮含量
因为有机质与各态氮素的紧密联系，所以，在比较各林地氮素含量的变化时先比较它们的有机质含量变化。从图10中可以看出，在各个林地中小美旱杨的有机质含量最高，但乔木与灌木总的来看，显然灌木林地有机质含量较高，这可能是因为灌木一般会有灌丛效应。
从图11可以看出碱解氮和全氮含量在但趋势是相同的，和图10相结合发现，全氮含量的变化更贴近有机质含量变化。从图11可以看出在个别树种林地中如向阳沙棘和新疆杨，全氮含量不高碱解氮含量高，这说明在这些林地中，有机氮的矿化作用受到促进。从图11总体上看小美旱杨和灌木树种全氮含量较高，这说明所选灌木和小美旱杨改善土壤氮素状况的能力好，旱柳和新疆杨相对较差。这可能是因为，一方面沙枣和沙棘是固氮树种，有利于提高氮素含量；另一方面，测定显示土壤含水量小美旱(10.48%)相对较高，而新疆杨(6.01%)相对较低。在沙区干旱条件下，土壤含水量较高更有利于微生物的滋长，进而提高有效氮素含量。需要说明的是，小美旱杨是造林密度较大的多行片状农田防护林，土壤含水量高于2～3行的新疆杨道旁树[15]。
（2）农田氮素变化特征
图12各农田有机质含量 图13各农田全氮碱解氮含量
从图12可以看出农田各作物用地有机质含量情况，番茄地>苜蓿地>籽瓜地>玉米地>弃荒地。番茄地是蔬菜用地，精耕细作使得土壤有机质含量丰富，这也是农田有机质高于弃荒地的原因。从图12看出，农田全氮含量番茄地>苜蓿地>籽瓜地>玉米地>弃荒地，而碱解氮含量变化依次是苜蓿地>籽瓜地>番茄地>玉米地>弃荒地。番茄地全氮含量最高，意味着土壤氮素总量和供应植物有效氮素的源和库较大，土壤的氮素状况丰富，但碱解氮也就是有效氮含量相对却不是最好的，这说明土壤近期供氮水平不高。不同作物用地的全氮和碱解氮的含量不同于作物自身及植物生长所造成的微环境有关。这也可以看出种植蔬菜和牧草是本地区改善土地状况中农业措施中较好的作物选择。
4 结论
（1）本研究区内，在不同的土地利用方式中氮素含量不同。乔木林地是碱解氮含量最高，但全氮和有机质含量最低的林地；农田是有机质含量最高，全氮和碱解氮含量稍次的土地；灌木是全氮含量最高，有机质、碱解氮含量不算最差的林地；对照弃荒地有机质和全氮含量是高于乔木的。农田中土地养分受人为因素作用较大，虽然有机质含量最高，但氮素供应能力不是最好的，且它的氮素含量稳定性较差，一旦弃耕氮素含量就会变化。综合讲，在沙漠地区要改善环境，恢复沙漠生态，栽植耐旱沙生性的灌木是最佳选择。
（2）有效氮含量乔木整体稍高于灌木,全氮和有机质含量却相反。故而建议有条件灌溉时，多造乔木林，既可较快改善土壤质量，又可防护农地；水分条件不好时，大力推广具有固氮能力的抗逆灌木对土壤质量提高和生态环境改善更具潜力。
（3）在0～40cm土层中，各林地间氮素含量有差异。小美旱杨林地有机质、全氮、碱解氮含量都是最高的。所选灌木林地的氮素含量也都高于弃耕地。旱柳和新疆杨固氮作用明显较差。
（4）各形态氮素在不同林地剖面内的分异规律不同。各林地有机质含量绝大部分表现为表层高于下层(与荒漠对照相反)，这说明造林对表层有机质状况的改善作用更明显；灌木中向阳沙枣碱解氮含量表层低于下层，其他两种表层碱解氮含量高于下层，而全氮含量相反。农田中苜蓿地、玉米地碱解氮含量在土层中有显著差异，但籽瓜地、番茄地没有；农田中全氮含量表现为表层低于下层，这说明耕作主要消耗表层土壤的氮素。
5讨论
地表植被覆盖越大，土壤表层获取的光和热越少，进而增加有机质的积累。随着有机质的逐步矿化，N素逐步释放出来，土壤全氮量提高。因此，所研究的各个指标中有全氮含量和有机质含量相一致的情况，如，各景观比较、乔木各树中比较，这也是通常以全氮含量衡量有机质含量的原因。
在多数同类研究中式农田有机质含量一般是较低的，如赵仕花等[16]的研究，这是因为阔叶林地凋落物量多，且受人为扰动少，植被覆盖度和生物量相对较高，土壤有机质积累多分解少，所以林地土壤有机质含量普遍较高。王清奎等[17]对湖南会同低山丘陵的研究也表明，不同土地利用方式对土壤有机质总量有明显的影响，总体上表现为林地>农田>竹林地，但农田和竹林地差别较小。农田粗放的耕作措施和作物对N的吸收同化作用，是使得农田有机质含量在土地类型中较低。但本文结论却相反，农田的有机质含量确实最高的，这可能是因为人为因素的影响。研究区域土地利用变化受自然因素和人文因素的共同影响，其中自然因素具有相对稳定性，社会经济政策因素是区域土地利用格局变化的直接驱动。这里显然是人为因素占了决定性因素，因为在研究区目前仍有宜耕荒地18.58×104hm2，占该区总面积的57%，且地势平坦，土层深厚，沙丘密度小，平均覆沙厚度30cm，都有引黄灌溉和发展井灌的条件；研究区农业生产为主导产业，并已有一定基础，农业水利化程度也较高，耕地、园地和林地共3.5×104hm2，全部采用井灌或黄灌。可以看出农田管理较好，因此是因为人工管理使得农田土壤结构较好，小气候环境优越，使得土壤有机质含量较高。这与冯万忠等[11]的研究是一致的，农田土壤肥力最高，这是因为城市农田耕作时间长，大多为菜地，当地农民精耕细作，投入较大。在相识研究中，灌木对土壤有机质含量的提高是有利的。如同夏志光等[14]的研究，栽植沙枣以后土壤有机质含量得到很大的改善，尤其表现在表层，这是由于栽植沙枣以后能有效的防止风对表层土壤的侵蚀，沙枣的枯落物在土壤动物和微生物的分解作用下形成养分元素进入土壤从而在一定程度上增加了土壤中的有机质含量。有研究表明，恢复的植被不但可以起到防风固沙的作用，还可以在很大程度上改善土壤的理化性质。巩杰等[18]对黄土丘陵小流域植被恢复对土壤有机质的影响进行了研究表明，灌木林地土壤有机质含量大于乔木林地，人工灌木林地对土壤培肥作用那个高于乔木林地。在本研究中，灌木有机质含量仅次于农田，这可能是因为灌木有灌丛效应。Whitford等[5]认为，灌丛下土壤养分的富集是植物、土壤和土壤风蚀物质和掉落物的截获、沉积和分解，根系对养分的吸收，大气降尘、叶子的分泌物以及茎杆粗糙层中的微生物活动产物和其它物质通过灌丛茎流和透灌雨输入土壤，以及动物对养分的输入等均会促进肥岛的形成和发育，在风蚀作用极为强烈的乌兰布和东北区地区，灌丛下土壤养分的积累主要是其自身凋落物及对周围风蚀物质的截获、沉积和分解以及根系的活动。不同灌木种类，不同的空间位置养分含量存在明显的差异，说明同一生境下的不同灌木种对土壤环境的适应性存在一定的差异。
本文研究的林地有机质含量比弃荒地含量还低。弃耕地的土壤质量综合指数比林地的还高，人类干扰活动大大减少，逐渐形成了以灌木为主的植物群落，土壤质地得到明显改善，土壤结构得到恢复，营养元素逐渐积累。林地有机质含量低可能是因为乔木林不人为施肥，林木生长所需要的营养元素主要是通过自身生长过程中，代谢物质分解形成的灰分元素来补充。所以种植乔木林会导致土壤肥力下降。
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Land-use effects on organic matter and physical properties of
soil in a southern Mediterranean highland of Turkey
I. Celik*
Faculty of Agriculture, Department of Soil Science, C¸ ukurova University, 01330 Balcalı-Adana, Turkey
Received 8 July 2003; received in revised form 2 June 2004; accepted 6 August 2004
Abstract
Forest and grassland soils in highlands of southern Mediterranean Turkey are being seriously degraded and destructed due to extensive agricultural activities. This study investigated the effects of changes in land-use type on some soil properties in a Mediterranean plateau. Three adjacent land-use types included the cultivated lands, which have been converted from pastures for 12 years, fragmented forests, and unaltered pastures lands. Disturbed and undisturbed soil samples were collected from four sites at each of the three different land-use types from depths of 0–10 cm and 10–20 cm in Typic Haploxeroll soils with an elevation of about 1400 m. When the pasture was converted into cultivation, soil organic matter (SOM) pool of cultivated lands for a depth of 0–20 cm were significantly reduced by, on average 49% relative to SOM content of the pasture lands. There was no significant difference in SOM between the depths in each land-use type, and SOM values of the forest and pasture lands were almost similar. There was also a significant change in soil bulk density (BD) among cultivation (1.33 Mg m3), pasture (1.19 Mg m3), and forest (1.25 Mg m3) soils at depth of 0–20 cm. Only for the pasture, BD of the depth of 0–10 cm was significantly different from that of 10–20 cm. Depending upon the increases in BD and disruption of pores by cultivation, total porosity decreased accordingly. Cultivation of the unaltered pasture obviously increased the soil erodibility measured by USLE-K factor for each soil depth, and USLE-K factor was approximately two times greater in the cultivated land than in the pasture indicating the vulnerability of the cultivated land to water erosion. The mean weight diameter (MWD) and water-stable aggregation (WSA) were greater in the pasture and forest soils compared to the cultivated soils, and didn’t change with the depth for each land-use type. Aggregates of >4.0 mm size were dominant in the pasture and forest soils, whereas the cultivated soils comprised aggregates of the size [1]0.5 mm. I found that samples collected from cultivated land gave the lowest saturated hydraulic conductivity values regardless of soil depths, whereas the highest values were measured on samples from forest soils. In conclusion, the results showed that the cultivation of the pastures degraded the soil physical properties, leaving soils more susceptible to the erosion. This suggests that land disturbances should be strictly avoided in the pastures with the limited soil depth in the southern Mediterranean highlands.
Keywords: Land uses; Mediterranean highlands; Soil degradation; Soil physical properties; Turkey
1. Introduction
Conversion of forest and grassland into agricultural land is of considerable concern worldwide in the context of environmental degradation and global climate change (Wali et al., 1999; Mahtab and Karim, 1992). Ecologically incompatible human land-use and management practices implemented locally such as deforest tion, and soil fertility depletion have led cumulatively to an alteration in the global biogeochemical cycles. Between 1938 and 1991 in Turkey, pasture area decreased by approximately 47% from 41 to 21.8 million hectare (Mha), while arable crop land increased by about 80% from 13.3 to 24 Mha (SIS, 2002). Clearance of forests for agricultural production and grazing is widespread, in particular, in highlands of Turkey. Additionally, semi-arid climate and inclined topography prevailing in the Mediterranean plateaus of Turkey render ecosystems vulnerable and unable to recover from incompatible changes in land-se type.
Upon conversion of the land to arable agriculture, loss of soil organic matter (SOM) occurs, and Elliott (1986) and Grupta and Germida (1988) reported that cultivation of pasture soils has resulted in 25–50% decrease in soil organic carbon. Furthermore, despite its variation as a function of abiotic and biotic factors, organic carbon losses in former grassland and forest soils by conventional tillage practices are estimated to range from 20 to 50% of the initial content in the zone of cultivation within the first 40–50 years of cultivation (Bruce et al., 1999). These losses show a rapid exponential decline over the first 20 years after which soil organic carbon levels gradually stabilize at a new steady state over about the next 30 years.
Loss of soil organic carbon with cultivation is connected to the destruction of macroaggregates (Tisdall and Oades, 1982; Elliott, 1986). Pore size distribution and connectivity together with bulk density, aggregation and aggregate stability is important soil physical property that can be to a great extent influenced by the land degradation due to the cultivation. Because of its effect on porosity, soil aggregate stability is significant, and its influence on other soil physical properties is generally high, especially pertaining to bulk density and hydraulic conductivity. (Cerda, 1996). Soil erodibility is also directly linked to the quality of the aggregation in the soil surface. Soil aggregation usually implies the presence of large and linked macropores and largely controls movement of water, particularly near the soil surface, where crust formation and compaction can seal the surface (Morin et al., 1989; Cerda, 1996). The conversion of forest and pastureland into cropland is known to deteriorate soil properties, especially reduce SOM and change the distribution and stability of soil aggregates (Ross, 1993; Singh and Singh, 1996). Soils become more susceptible to erosion since macroaggregates are disrupted (Elliott, 1986; Cambardella and Elliott, 1993; Six et al;2000).
Overgrazing, deforestation, and increase in the agricultural activity have intensified pressures on high-altitude fragile ecosystems. Ecosystems of Turkey with the elevation of 1500 m and higher, and the slope range of 15–40% account for about 26 and 34% of the total land area of 759,978 km2, respectively (Atalay, 1997). High altitude arable agriculture and overgrazing put ecological sustainability of the land resources at risk in southern Mediterranean plateaus of Turkey. Therefore, it is thought that assessment of organic matter and physical properties of soil upon conversion of natural pastures for agriculture is very significance to distinguish early variations in soil quality. The objective of this study was to quantify effects of changes in land-use type on organic matter and physical properties of soil in a Mediterranean highland region of Turkey.
4. Conclusions
The degradation of the highland soils with the restricted depth by the cultivation seriously impaired soil properties and resulted in significant decreases in the soil organic matter, aggregate stability, mean weight diameter and the hydraulic conductivity. Decreases of organic matter up to 49% in such short time of clearance as 12 years and its crucial effects on soil physical properties well explained the vulnerability of the structure and function of the highaltitude ecosystems. Determination of USLE-K factor further showed that the cultivated soils were more susceptible to the water erosion than the forest and pasture soils. The erodibility of the pasture-cleared cultivated land was 2.4 and 2.0 times greater than those of the forest and pasture, respectively. In conclusion, when these systems are converted for agriculture without the use of proper practices of securing organic matter and soil stability, they are easily threatened. Therefore, the measures should be implemented urgently to sustain high-altitude ecosystems and reinstate the degraded lands in the southern Mediterranean region of Turkey.
土地利用方式对土壤理化性质的影响
——以土耳其南地中海高原为例
I. Celik*
Faculty of Agriculture, Department of Science , Cukurova University, 01330 Balcalt, Turkey
2003-7-8日收稿；2004-6-2修改；2004-8-6接收
摘要
土耳其的南地中海高原林地及草原地应为广泛开展的农业活动正遭受着严重的破坏与侵蚀。本文要研究的是南地中海高原土地利用方式的转变对土壤理化性质的影响。三个相邻土地类型包括，从草地转化了12年的耕地，不相连的林地，没有转化的草地。被侵蚀土壤样本是从海拔1400m的Haploxeroll典型土壤中上述三种土地利用类型中采集的，每种土地利用类型有四个采集地点，采集土层是0-10cm，10-20cm。草地转化为耕地时，耕地0-20cm土层土壤有机质库相对于草地同土层有了明显减少，减少了49%。每种土地利用类型不同土层之间的有机质含量没有显著不同，而且林地与草地的有机质测定标准几乎是相同的。0-20cm土层的土壤容重也有很大差别：耕地(1.33 Mg m-3), 草地(1.19 Mg m-3),林地 (1.25 Mg m-3)。只有林地，0-10cm土层和010-20cm土层的土壤容重不同。由于土壤容重的增加和空隙的破坏，总空隙率降低。对每个土层运用通用土壤流失方程，未改变的草地的耕作活动明显的增加了土壤的流失性，USLE-K因素在耕地中大约是草地的两倍表明耕地更容易遭受水蚀。重量平均直径和水稳定性团聚体在草地和林地土壤总比耕地土壤中大，而且在每个土地利用类型中不会随着土层改变.粒径大于4.00mm的团聚体在草地和林地中含量较大，而耕地则含有大量的粒径≤0.5mm的团聚体。从耕地采集的样本显出不随土层改变的最低的饱和导水率，而林地土壤则显出最高值。总之，结论表明：被耕作的草地的土壤理化性质更容易退化，容易发生土壤流失。这表明在南地中海高原，有限的土壤层要求要严格避免土地扰动。
关键词：土地利用；地中海高原；土壤退化；土壤物理性质；土耳其
1 引言
在全球气候变化的大背景下，退林还耕和退草还耕研究成为热门课题(Wali et al., 1999; Mahtab and Karim,1992)。人类的土地利用和生态相容的管理实践,实现局部,如森林砍伐和土壤肥力耗竭使累积的变更,在全球的生物地球化学循环。土耳其在1938年到1991年，牧场面积从41亿公顷减少到21.8亿公顷，减少了月47%，而耕地种植面积从13.3亿公顷增加到24亿公顷，增加了80%(SIS,2002)。退林还耕和放牧在土耳其的高原是普遍存在的。此外，干旱的气候和倾斜的地形使得地中海高原生态环境脆弱，并且很难从不兼容的土地利用方式改变中恢复。
退林还耕会导致有机质的流失，Elliott(1986)和Germida和 Grupta（1988）报告说草场的耕
本论文是在廖超英教授的指导下完成的，特此感谢廖老师的精心指导。从论文选题到资料查找，从论文提纲到初稿完成，论文的每一步均得到了导师的精心点拨和热忱鼓励，这些无不凝聚导师的心血和汗水。导师睿智的思维，广博精深的知识，严谨的治学态度以及诲人不倦的高尚师德，让我受益匪浅。在论文完成之际，衷心的感谢导师廖超英老师！
本次论文的完成还借助于赵志强师兄，师兄在进行试验时给予了十分及时的指导，在试验后期数据处理又给予了帮助。赵志强师兄不仅帮我解决了很多问题，还让我学到了很多新东西，在这里要特别感谢他！除了导师和师兄的悉心指导和鼎力帮助外，还得到了实验室同级同学的无私帮助，在此对他们表示感谢。
感谢大学四年来所有的老师，为我打下了水保专业知识的基础；感谢陪伴我在西北农林科技大学度过了本科阶段学习生活的419宿舍的伙伴以及其他同学，他们给我营造的良好的学习生活环境，是我试验能够顺利完成的有力保证。感谢四年来各个辅导员给及的照顾，感谢班主任刘怀老师。感谢在大学期间给予我帮助的朋友！
然后，感谢资源环境学院和我的母校—西北农林科技大学四年来给我提供了良好的学习环境和试验条件，为我的毕业论文的完成打下了基础。
最后要感谢我的父母、家人。感谢他们在生活上给予的精心照顾和精神上的支持和鼓励，使我能够全力以赴的地投入到学习和试验中，并顺利完成学业！
杨凤粉
2010-5-20
