当前位置: 首页 > >

典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响_以云南小江流域为例_图文

第 60 卷 第 5 期 2005 年 9 月

地理学报
ACTA GEOGRAPHICA SINICA

Vol.60, No.5 Sep., 2005

典型岩溶农业区土地利用变化对 土壤性质的影响
—— —以云南小江流域为例
蒋勇军 1, 袁道先 1, 3, 章 程 1, 3, 况明生 1, 王建力 1, 谢世友 1, 张 贵 2, 何绕生 2
(1. 西南大学资源与环境科学学院,重庆 400715;2. 云南省地质调查院,昆明 650041; 3. 中国地质科学院岩溶地质研究所、国土资源部岩溶动力学开放研究实验室,桂林 541004)
摘要:以云南省泸西县小江典型岩溶农业流域为研究单元,分析了流域 1982 ̄2003 年土地利 用的变化及定点对比分析不同土地利用变化下土壤性质的变化,结果表明:小江流域 1982 ̄2003 年 610.12 km2 的土地利用发生了变化,变化类型主要是由未利用地向耕地、林地以 及林地向耕地的转变,人口的增加、社会、经济的发展和理智的生态决策是流域土地利用变 化的主要原因;林地、未利用地转变为耕地后,土壤有机质、全氮、全磷含量大幅度降低, 土壤 pH 明显升高,全钾、速效钾含量增加;短时间的退耕还林,土壤性质变化不明显;耕地 转变为园地后,土壤性质得到明显的改善;而耕地转变为石漠化土地后,土壤性质发生显著 变化,土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量大幅度降低,土壤 pH 明显升高;同 时,研究表明土地利用变化对碳酸盐岩地层中发育的土壤性质的影响强度明显大于砂页岩地 层中发育的土壤,表明碳酸盐岩地层中发育的土壤十分脆弱。 关键词:岩溶农业区;土地利用;土壤性质;小江流域;云南
土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映,其变化不仅可以改变土地覆被状 况,如地表植被的变化[1],影响植物凋落物和残余量[2],土地利用变化还会引起土壤管理 措施的改变[3],从而导致土壤性质的变化[4-7]。因此,人类的土地利用与管理等在很大程度 上决定着土壤质量变化的程度和方向,合理的土地利用可以改善土壤结构,提高土壤质 量;不合理的土地利用会增加土壤侵蚀,导致土壤质量下降[8, 9]。
岩溶区由于特殊的地质背景,生态环境十分脆弱,随着岩溶区人口的迅速增加,社 会、经济的迅速发展,区域人口—资源—环境之间的矛盾越来越突出,土地利用变化必 将对岩溶土壤性质产生极大的影响[10, 11]。我国土地利用变化对土壤性质的影响研究集中在 集约农业区[12]、干旱区[13]、低山丘陵区[14]和自然保护区[15],因此开展岩溶生态脆弱区土地 利用变化对土壤性质的影响具有重要的理论意义和实用价值。
1 研究区概况
小江流域位于云南省东南部泸西县,东经 103o32' ̄104o00',北纬 24o12' ̄24o45',面积 1034 km2,小江河为珠江支流南盘江左岸一级支流;气候为亚热带高原季风气候,多年平
收稿日期:2005-06-09; 修订日期:2005-07-28 基金项目:西南大学自然地理学重点学科开放基金项目(250-411109); 重庆市科委项目 (20027534; 20048258); 国土资源
部 项 目 (200310400024) [Foundation* The Open Foundation of Physical Geography of Southwest China University, No.250-411109; Foundation of Science and Technology Committee of Chongqing, No.20027534; No. 20048258); Project of Ministry of Land and Resources, No.200310400024] 作者简介:蒋勇军 (1968-), 男, 汉族, 湖南益阳人, 副教授, 博士, 主要从事资源环境与 GIS 应用等方面的研究。 Email: jiangjyj@swu.edu.cn
751-760 页

752

地理学报

60 卷

均气温 15.2 oC,多年平均降水量 966.8 mm,流域出露地层以中生界三叠系的地层为主, 其中碳酸盐岩面积 616.5 km2,占流域面积的 59.62%,为一典型岩溶流域;土壤以红壤为 主 , 面 积 730 km2。 2003 年 流 域 总 人 口 22.7 万 , 其 中 农 业 人 口 20 万 , 占 总 人 口 的 87.9%;2003 年流域国内生产总值 3.34 亿元,其中农牧业生产总值 2.27 亿元,占流域国 民生产总值的 67.96%;农产品以水稻、玉米、烤烟为主。因此,流域是以种植业为主的 典型岩溶农业区。

2 数据来源与研究方法

根据 《全国土地利用现状调查技术规程 》 规定的土地利用分类系统,通过转绘、解

译流域 1982 年的航片和 2003 年的 TM 影像,并经过野外的详细调查,得到流域 1982 和

2003 年 1:50000 的土地利用矢量空间数据,考虑到数据的操作方便,将流域土地利用分

为耕地、林地、园地、水域、未利用地、建设用地 6 个一级类型;数据获取、分析处理

分别在 Mapgis、Erdas Image、Arcgis 和 MapInfo 等软件中完成。

1982 年土壤数据和土壤剖面分布图是流域全国第二次土壤普查的数据和 1:50000 的

土壤图,2003 年土壤剖面的野外采样是在 1982 年流域第二次土壤普查的剖面基础上,根

据土地利用变化 (由于土地利用一级类型中的土壤性质差异较大,故土壤取样时将土地利

用类型划分到二级类型),用 GPS 定位,于 2003 年 7 ̄8 月选取对应点位 62 个,其中林地

(有林地) 转变为耕地 (旱地) 19 个样点,未利用地 (荒草地) 转变为耕地 (旱地) 12 个样

点,耕地 (旱地) 转变为林地 (疏林地、未成林造林地) 13 个样点,耕地 (旱地)转变为园

地 (果园地) 7 个样点,耕地 (旱地)转变为未利用地 (石漠化地) 11 个样点 (图 1);取 0 ̄20

cm 的表层土壤,每个样点周围选取 4 个点,充分混合后作为一个样点,测定土壤 pH、

有机质、全氮、全磷、全

钾、碱解氮、速效磷、速

效钾八个指标,同时记录

每个样点土层的厚度、地

质背景和地貌特征。土壤

样品的处理和分析均采用

常规的处理和分析方法。

土壤性质的统计分析及

土壤性质变化显著性的配

对样本 t 检验均在 SPSS 软 件中完成。

图例

图例

3 结果与讨论
3.1 土地利用变化 在 GIS 支 持 下 , 对 两
期土地利用图进行矢量叠 加分析,得到流域 20 年来 的土地利用变化转移矩阵 (表 1)。
由土地利用转移矩阵得 到流域 20 年来土地 利 用 变

对应土壤样点 林地转变为旱地 未利用地变为旱地 旱地变为林地 旱地变为园地 旱地变为石漠化地 石漠化地 小江河
0 3 6km
图 1 1982、2003 年小江流域土壤对应样点分布图 Fig. 1 The soil corresponding samples sites distribution in Xiaojiang watershed
in 1982 and 2003

5期

蒋勇军 等:典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响

753

表 1 小江流域 1982- 2003 年土地利用转移矩阵 (km2)

Tab. 1 The land use change matr ix in Xiaojiang water shed fr om 1982 to 2003

 ?? ?? ?? ???¤ ?? ???¤ 2003 ??? ??? (%)

?? 123.1 134.29 0.12
0 3.99 210 471.5 (45.6%)

?? 37.19 114.67
0 0 1.14 131 284 (27.47%)

?? 0.44 0.39
0 0 0.13 0.54 1.5 (0.15%)

???¤ 5.63 2.99 0 19.5 0.08 5.3 33.5
(3.24%)

?? 1.7 1.65 0 0 1.05 3.6 8 (0.77%)

???¤ 34.94 33.91 0.1 0 0.99 165.56 235.5
(22.77%)

1982 ??? (???%) 203(19.63%) 287.9(27.84%) 0.22(0.02%) 19.5(1.89%) 7.38(0.72%) 516(49.9%) 1034 (100%)

???¤??§ t1 ??? i ???¤??§¨??? t2 ??? j ???¤??§¨?????? t1 ???¤?
???¤??§ t2 ???¤??§¨???????°±???? ?·? ??? ?
化的总面积为 610.12 km2,占流域总面积的 59%;土地利用变化的类型主要是未利用地 向耕地和林地的转化,变化面积分别为210 km2、131 km2,以及林地向耕地的转化,其变 化面积 134.29 km2,三种土地利用变化类型占流域土地利用变化总面积的 77.8%。

对流域 20 年的耕地变化数据和人口变化数据在 SPSS 软件中进行曲线拟合,得到以

下二次曲线方程关系式:

y = 1034.12 - 130.07x + 4.7328x2

R2 = 0.988

式中,y 为历年耕地面积,x 为历年人口总数。

对流域 20 年来耕地和国内生产总值、农业生产总值在 SPSS 软件中进行相关分析,

在 0.01 的显著水平上的相关系数分别为 0.782、0.855。

说明在生产技术水平相对落后、自然环境较差的岩溶区,急剧增长的人口及相应增

加的粮食需求造成区域垦殖活动不断加强,从而导致未利用地和林地向耕地的转变,分

析表 1 可知流域 20 年来未利用地对耕地变化的贡献率为 46.28%,林地对耕地变化的贡献

率为 24.56%;贫困落后的岩溶区的经济活动主要与耕地密切相关,耕地是维系当地人民

生存的重要经济来源,而生存型经济的发展主要表现为耕地面积的扩大;同时,80 年代

中期以来,粮食价格受国家政策的保护以及烟草业在云南的快速发展,使得毁林开荒种

粮、烟的经济效益较高,这也导致流域林地和未利用地向耕地的转变。因此,人口的增

长、社会经济的发展以及比较经济利益的存在是流域 20 年来耕地剧增,进而引起未利用

地、林地等系列土地利用变化的根本原因。

然而经过长期的过度开垦,流域脆弱的生态环境进一步恶化,水土流失、土地退化、

土地石漠化等十分严重,又由于流域处于珠江上游地区,其生态环境的恶化必将对整个

珠江流域的生态环境带来严重的影响。因此,流域的生态环境在 90 年代开始受到国家及

云南省政府的高度关注,特别随着 90 年代中后期的“珠防工程”的实施,流域退耕还

林、还草等生态保护措施得到加强,从而导致未利用土地、耕地向林地的转变。因此,

理智的生态决策也是流域土地利用变化的重要原因。

3.2 土壤性质变化 小江流域 1982 年和 2003 年土壤性质的统计分析 (表 2) 和土壤性质变化显著性的配

对样本 t 检验 (表 3) 表明:20 年来,流域土壤 pH 值升高,全钾、速效钾含量提高,而土

壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量明显降低;除速效磷外,其它指标的变化

十分显著;两期土壤性质指标中除 pH 的变异系数较小外,其它各指标的变异系数都较

大,表明其变异程度大;同时 20 年来除速效磷的变异系数增大外,其它指标的变异系数

都有降低趋势,表明其空间变异程度减小。

20 年来,土壤 pH 升高 0.43,变异系数略有降低。岩溶区土壤由于钙、镁的富集,

土壤 pH 值较高;土壤 pH 值的升高与流域 20 年来大量土地利用由林地、未利用地转变

754

地理学报

60 卷

表 2 1982- 2003 年小江流域土壤性质各指标统计特征 Tab. 2 Statistical char acter istics of soil pr oper ties indices of the cor r esponding samples sites in 1982 and 2003

1982 ?

???¤??
pH ??? (gkg-1) ?? (gkg-1) ??? (mgkg-1) ?? (gkg-1) ??? (mgkg-1) ?? (gkg-1) ??? (mgkg-1)  2003 ?

??? 62 62 62 62 62 62 62 62

???   6.30  38.02   1.86 144.42   1.63  11.65  10.94  84.69

???  0.62 20.19  1.12 83.4  1.23 8.32  7.10 38.10

???¤ (%)  9.8 53.1 60.3 57.8 75.6 71.5 64.9 44.9

???  4.99 13.40  0.42 40.40  0.57  1.35  4.00 20.99

???   7.70 124.80   7.37 509.90   7.79  43.10  37.37 182.60

???¤??
pH ??? (gkg-1) ?? (gkg-1) ??? (mgkg-1) ?? (gkg-1) ??? (mgkg-1) ?? (gkg-1) ??? (mgkg-1) 

??? 62 62 62 62 62 62 62 62

???   6.73  25.76   1.44 113.43   1.01  11.43  12.60 119.42

???  0.66 13.27  0.75 61.90  0.47 11.74  7.93 48.48

???¤ (%)   9.7  51.5  52.1  46.1  46.5 102.7  62.9  40.6

???  5.63  1.90  0.19 25.24  0.30  0.96  4.10 59.04

???   7.97  65.40   3.80 308.30   2.22  61.36   43.60 390.00

表 3 2003 年与 1982 年小江流域土壤性质各指标配对样点的 t 检验 Tab. 3 Par ed samples t- test of soil pr oper ties indices of cor r esponding samples sites in 2003 and 1982

?? ??? (Mean) t ??? (df) ???¤ Sig(2-tailed) ???

pH

0.43

10.202

61

0.000

???

???

-12.26

-4.717

61

0.000

???

??

-0.42

-3.292

61

0.002

???

???

-30.99

-2.917

61

0.005

???

??

-0.62

-4.011

61

0.000

???

???

-0.22

-0.309

61

0.759

???

??

1.66

6.154

61

0.000

???

???

34.73

6.579

61



0.000

???

为耕地相关。随着植被的清除,土壤微环境由湿润变得相对干燥,土壤淋溶作用变弱,

导致土壤 pH 值的升高;同时植被的清除,土壤中 CO2 含量的降低,引起土壤中 H+ 浓度 降低[16],从而导致土壤 pH 值的升高。
20 年来土壤有机质含量降低 32.5%,岩溶区土壤由于钙、镁的富集,岩溶土壤腐殖 质中胡敏酸含量高,而胡敏酸与钙结合生成胡敏酸钙,造成土壤有机质含量较高[17];但随 着大量植被的清除,进入土壤的植物残体和枯枝落叶等减少,同时随着农业翻耕等措施 的实施,水土流失加剧,从而导致土壤有机质含量的降低;碳酸盐岩地层中土壤有机质 含量高于砂页岩地层中土壤有机质含量是流域 2 期土壤变异系数都较大的主要原因;而 变异系数的降低与流域碳酸盐岩地层中土壤有机质含量大幅度降低相关。
土壤有机质是土壤全氮、全磷的主要来源[17, 18],岩溶土壤有机质含量高以及腐殖质中 胡敏酸中存储大量的 N、P 等元素,同时土壤钙、镁的富集,钙与磷结合形成磷酸钙,这 样造成岩溶土壤中全氮、全磷含量高[17],随着土地利用的变化,特别是大量的林地、未利 用地转变为耕地,土壤有机质含量的降低,水土流失的加剧,导致土壤全氮、全磷含量 的降低,因此,20 年来全氮、全磷含量分别降低 22.6%、38%;全氮、全磷含量的降低 引起样点间的差异减小,从而导致其变异系数的降低,变异系数分别降低 8.2%、29.1%。

5期

蒋勇军 等:典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响

755

由于土壤有机质、全氮和全磷是土壤碱解氮和速效磷的主要来源,随有机质、全氮 和全磷含量的降低必然导致碱解氮、速效磷含量的降低;同时碱解氮、速效磷含量受施 肥的影响,流域氮肥使用普遍,因此其变异系数呈降低趋势,而磷肥的施用水平低,同 时存在明显的差异,从而导致其变异系数的增大。
岩溶区土壤由于钙、镁的富集,土壤全钾含量相对较低,同时钾的迁移能力较弱, 因此 2 期土壤全钾含量和变异系数变化不大;而土壤速效钾含量主要受施肥水平的影响, 由于流域施用钾肥十分普遍,从而导致土壤速效钾含量的增加及其变异系数的降低。 3.3 不同土地利用变化下土壤性质的变化分析 3.3.1 林地转变为旱地后的土壤性质变化 林地转变为旱地后,土壤 pH 值明显升高; 土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量明显降低;而速效钾含量增加,全钾含 量变化不大;各指标 (除全钾外) 变化显著 (表 4)。20 年来土壤 pH 值平均升高 6.23%; 土 壤 有 机 质 含 量 急 剧 下 降 , 降 低 44.94% ; 全 氮 含 量 降 低 31.05% ; 碱 解 氮 含 量 降 低 40.89%;全磷含量降低 57.87%;速效磷含量降低 38.61%;速效钾含量增加 42.44%。
林地转变为旱地后,由于地表覆盖发生显著的变化,随着地表覆盖物的清除,土壤 微环境由比较湿润变为干燥,土壤的淋溶作用变弱,导致土壤 pH 值的升高,同时由于植 被的清除,土壤中 CO2 的含量降低,根据岩溶动力系统[16],则土壤中 H2CO3 含量随之降 低,H+ 含量也降低,导致土壤 pH 值的升高;随着地表覆盖物的清除,以及作物的根茎 等又被带走,这样进入土壤中的枯枝落叶等植物残体急剧减少,同时耕作措施常使表层 土壤充分混合,干湿交替的频率和强度增强,土壤通气性变好,土壤有机质的分解速度 加快,从而导致土壤有机质含量的减少,有机质含量的降低也是土壤 pH 值升高的一个重 要原因;而有机质是土壤全氮、全磷的主要来源[17, 18],随着有机质含量的降低,土壤全 氮、全磷含量随之降低;林地转变为旱地处一般坡度较大,开垦后土壤侵蚀加剧,导致 土壤营养物质的大量流失,特别是土壤有机质、全氮和全磷的流失;同时由于坡度较大, 农民的经营粗放,投入相对较低,管理水平较低,因此,随着土壤有机质、全氮和全磷 含量的降低,土壤碱解氮、速效磷含量也随之降低;而随着土壤 pH 值的升高,土壤的固 钾能力提高[18],造成土壤全钾含量的增加,速效钾含量的增加与旱地普遍使用钾肥相关。
表 4 小江流域林地转变为旱地后土壤性质的变化 Tab. 4 The soil pr oper ties change after for est land conver ted into cultivated land

??? ? ? ? ?? ??? ? ? ? ??

pH ??? gkg-1

? ? 15.5  9 1982

6.16 71.46

? ?

2003

6.57 37.21

? ?

???

+0.41 -34.25

? ?

???¤% +6.66 -47.93

? ? 11.9  5 1982

? ?

2003

6.78 7.27

44.64 25.34

? ?

???

+0.49 -19.3

???¤%

? 15.8  5 1982

?

2003

+7.23 5.94 6.15

-43.23 31.46 20.41

?

???

+0.21 -11.05

???¤% +3.54 -35.12

? 14.6 19 1982

6.26 53.87

?

2003

6.65 29.66

???

+0.39 -24.21

???¤??

???¤% +6.23 -44.94 ??? ???

???¤??P<0.01   ???P<0.05   ???¤P>0.05

??? mgkg-1 282.3 164.07 -118.23 -41.88 167.00 103.36 -63.64 -38.11 127.07 75.48 -51.59 -40.60 211.11 124.78 -86.33 -40.89
??

??? mgkg-1 105.32 99.15 -6.17 -5.86 95.74 173.78 +78.04 +81.51 89.03 188.8 +99.77 +112.06 98.51 140.32 +41.81 +42.44
??

??? mgkg-1 19.11
9.25 -9.86 -51.60 19.24 14.78 -4.46 -23.18 13.28 8.52 -4.76 -35.84 17.61 10.81 -6.80 -38.61 ???

?? gkg-1 3.50 2.33 -1.17 -33.43 1.62 1.13 -0.49 -30.25
1.7 1.25 -0.45 -26.47 2.48 1.71 -0.77 -31.05 ???

?? gkg-1 10.92 10.94 +0.02 +0.18 6.18 6.30 +0.12 +1.94 19.88 21.18 +1.3 +6.54 11.83 12.42 +0.59 +4.99 ???

?? gkg-1 3.33 1.09 -2.24 -67.27 1.33 0.97 -0.36 -27.07 2.10 0.85 -1.25 -59.52 2.35 0.99 -1.36 -57.87 ???

756

地理学报

60 卷

表 5 小江流域未利用地转变为旱地后土壤质量变化 Tab. 5 The soil pr oper ties change after unused land conver ted into cultivated land

??? ? ? ?? ?? ??? ? ? ? ??

pH ??? gkg-1

? ? 10.7  7 1982

6.50 33.70

? ?

2003

6.81 21.80

? ?

???

+0.31 -11.90

? ?

???¤% +4.77 -35.31

? ? 18.1  5 1982

6.35 32.78

? ?

2003

6.59 26.74

? ?

???

+0.24 -6.04

?

???¤% +3.78 -18.43

? ? 13.8 12 1982

6.40 33.32

?

2003

6.70 23.87

???

+0.30 -9.45

???¤??

???¤% +4.69 -28.36 ??? ??

???¤??P<0.01   ???P<0.05   ???¤P>0.05

??? mgkg-1 113.92 115.08 +1.16 +1.02 127.28 129.87 +2.59 +2.03 119.48 121.22 +1.74 +1.45 ???

??? mgkg-1 106.48 127.86 +21.38 +20.08 79.64 114.22 +34.58 +43.42 95.30 120.68 +25.38 +26.63
??

??? mgkg-1
7.45 12.51 +5.06 +67.92 12.18 10.30 -1.88 -15.44 10.25 12.42 +2.17 +21.18 ??

?? gkg-1 1.34 1.20 -0.14 -10.45 1.54 1.45 -0.09 -5.84 1.42 1.31 -0.11 -7.75 ???

?? gkg-1 11.16 11.20 +0.04 +0.36 13.86 16.90 +3.04 +21.93 12.28 13.58 +1.30 +10.59 ???

?? gkg-1 1.29 0.68 -0.61 -47.29 1.46 0.86 -0.60 -41.10 1.36 0.71 -0.65 -44.85 ???

由于地质背景的不同,林地转变为旱地后土壤性质的变化存在着差异 (表 4)。开垦 后,碳酸盐岩地层中土壤有机质含量降低 34.25 g kg-1,全氮、全磷含量分别降低 1.17 g kg-1、2.24 g kg-1,碱解氮、速效磷含量分别降低 118.23 mg kg-1、9.86 mg kg-1,而砂页岩 地层中土壤的相应指标分别降低 11.05 g kg-1、0.45 g kg-1、1.25 g kg-1、51.59 mg kg-1、 4.76 mg kg-1,从变化幅度来看,碳酸盐岩地层中土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速 效磷分别降低 47.93%、33.43%、67.27%、41.88%、51.60%,而砂页岩地层中土壤的相应 指标分别降低 35.12%、26.47%、59.52%、40.60%、35.84%;而碳酸盐岩地层中土壤 pH 升高 0.41,升幅为 6.66%,砂页岩地层中土壤 pH 升高 0.21,升幅为 3.54%。因此,林地 转变为旱地后,碳酸盐岩地层中土壤性质指标的变化量和变化幅度要大于砂页岩地层中 土壤的相应指标的变化量和变化幅度,表明碳酸盐岩地层发育的土壤十分脆弱性。 3.3.2 未利用地转变为旱地后土壤性质的变化 未利用地转变为旱地后,土壤 pH 值呈 升高趋势,土壤有机质、全氮、全磷含量呈明显下降趋势,而速效钾、速效磷含量呈增 加趋势,全钾和碱解氮含量略有增加;各指标 (除全钾、碱解氮外) 变化显著 (表 5)。20 年来,未利用地转变为旱地后,土壤 pH 平均升高 4.69%,有机质含量降低 28.36%;全 氮含量降低 7.75%,全磷含量降低 44.85%,速效磷含量增加 21.18%,速效钾含量增加 26.63%。
未利用地转变为旱地后土壤性质变化与林地转变为旱地后土壤性质变化相似,其原 因也相似。因为流域 1982 年的未利用地地表主要为草丛、灌丛等覆盖,因此土壤有机 质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷等含量较林地土壤的含量低,而 pH 值相对林地较高; 开垦后随地表覆盖物的清除,引起土壤微环境、耕作措施等发生变化导致其土壤性质发 生比较显著的变化,土壤有机质、全氮、全磷含量降低,而土壤 pH 升高;但由于坡度较 小,农民管理水平相对较高,投入较大,因此,土壤中碱解氮、速效磷、速效钾的含量 有所升高。
由于地质背景的不同,未利用地转变为旱地后土壤性质的变化存在着差异 (表 5)。未 利用地转变为旱地后,碳酸盐岩地层中土壤有机质含量降低 11.9 g kg-1,全氮含量降低 0.14 g kg-1,全磷含量降低 0.68 g kg-1,土壤 pH 升高 0.31;而砂页岩地层土壤的有机质含 量降低6.04 g kg-1,全氮含量降低 0.09 g kg-1,全磷含量降低 0.60 g kg-1,土壤 pH 升高 0.24;从其变化幅度来看,碳酸盐岩地层中土壤有机质、全氮、全磷分别降低 35.31%、 10.45%、47.29%,pH 升高 4.77%,而砂页岩地层土壤的有机质、全氮、全磷分别降低

5期

蒋勇军 等:典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响

757

表 6 小江流域土地利用改变后土壤性质的变化 Tab. 6 The soil pr oper ties change after cultivated land conver ted into for est land

??? ? ? ? ?? ??? ? ? ? ??

pH ??? ??? gkg-1 mgkg-1

?? ??

? 20.7  9 1982

?

2003

6.05 6.45

35.71 142.22 32.58 133.25

?

?

?? ?

???

+0.4

???¤% +6.61

-3.13 -8.77

-8.97 -6.31

? 16.1  4 1982

?

2003

6.20 6.36

27.48 24.85

95.20 84.83

?

???

+0.16 -2.63 -10.37

???¤%

? 19.3 13 1982

?

2003

+2.58 6.10 6.40

-9.57 33.00 30.20

-10.89 127.76 117.11

???

+0.30 -2.80 -10.65

???¤% +4.92 -8.48 -8.34



???¤?

?? ??? ???

?? ? 6 7 1982

6.68 18.70 73.28

?? ?

?

?

?? ?

2003 ??? ???¤%

6.52 -0.16 -2.40

36.24 +17.54 +93.80

162.08 +88.8 +121.20



???¤?

??? ??? ???

?? ? 17.6 11 1982

??? ?

2003

6.50 7.20

33.92 119.57 9.19 51.28

?? ?? 

? ? ???¤??

??? ???¤%

+0.70 +10.77 ???

-24.73 -72.91 ???

-68.29 -57.11 ???

???¤??P<0.01   ???P<0.05   ???¤P>0.05

??? mgkg-1 84.05 88.34 +4.29 +5.10 58.54 80.83 +32.29 +55.19 76.20 86.03 +9.83 +12.90 ??? 72.47 195.37 +122.9 +169.59 ??? 70.36 82.59 +12.23 +17.38 ??

??? mgkg-1 12.03
8.86 -3.17 -26.35 6.33 5.56 -0.77 -12.16 10.35 7.52 -2.83 -27.34 ??? 4.74 28.25 +23.51 +495.99 ??? 9.62 2.11 -7.51 -78.07 ???

?? gkg-1 2.02 1.74 -0.28 -13.86 1.55 1.55
0 0 1.88 1.70 -0.18 -9.57 ??? 1.00 1.80 +0.80 +80.00 ??? 1.74 0.73 -1.01 -58.05 ???

?? gkg-1 10.06 11.09 +1.03 +10.24 11.75 14.78 +3.03 +25.79 10.58 13.23 +2.65 +25.05 ??? 13.47 15.00 +1.53 +11.36 ??? 6.41 9.15 +2.74 +42.75 ??

?? gkg-1 1.66 1.25 -0.41 -24.70 1.73 1.53 -0.20 -11.56 1.68 1.34 -0.34 -20.24 ??? 0.83 1.60 +0.77 +92.77 ??? 1.19 0.65 -0.54 -45.38 ???

18.43%、5.84%、41.10%,pH 升高 3.78%。因此,未利用地转变为旱地后,碳酸盐岩地 层中土壤性质指标的变化量和变化幅度要大于砂页岩地层中土壤的相应指标的变化量和 变化幅度,再次表明碳酸盐岩地层发育的土壤十分脆弱。 3.3.3 旱地转变为林地后土壤性质的变化 退耕还林后,土壤 pH 升高,土壤有机质、 全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量降低,土壤全钾、速效钾含量略有增加;但各指标 (除 pH) 的变化均不显著 (表 6)。
流域退耕还林是在 20 世纪 90 年代中期开始,退耕还林的时间短,还处于幼林阶段, 地表裸露程度比耕地还大,同时退耕还林处坡度较大,土壤侵蚀强烈;加上退耕后的土 地管理水平降低,农民又基本没有投入。因此,造成土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、 有效磷的含量降低,土壤 pH 值的升高。 3.3.4 旱地转变为园地后土壤性质的变化 旱地转变为园地后土壤性质的变化情况表 明,尽管 1982 年旱地中土壤有机质、全氮、全磷等含量较低,但由于比较经济利益的存 在,转变为园地后农民投入相当大,土壤性质的各个指标发生极显著变化。土壤 pH 值平 均 降 低 0.16, 土 壤 有 机 质 含 量 增 加 了 93.8% , 全 氮 含 量 增 加 了 80% , 全 磷 含 量 增 加 92.8%,全钾含量增加 11.4%,碱解氮含量增加 121.2%,速效磷含量增加 496%,速效钾 含量增加169.6%。
旱地转变为园地后,一方面由于农民的投入加大,施用大量的有机肥和无机肥,导 致土壤有机质、全氮、全磷、全钾等增加;另一方面随果树的成长,枯枝落叶大量进入 土壤,有机质含量增加,同时土地利用方式转变后,土壤翻耕次数减少,土壤有机质的 分解减弱,有利于有机质的积累,随着有机质的积累,土壤全氮、全磷的含量也相应增

758

地理学报

60 卷

加;随果树的成长和枯枝落叶覆盖土壤,土壤的微环境由干燥变得湿润,土壤淋溶作用 加强,加上土壤有机质等的积累,导致土壤 pH 值的降低,同时土壤中 CO2 的含量也增 加,造成土壤中 H+ 浓度的增加,导致土壤 pH 值的降低。因此,在比较经济利益的驱动 下,旱地转变为园地后,不但农民得到较好的经济效益,土壤性质也得到明显的改善。 3.3.5 旱地转变为石漠化地后土壤性质的变化 旱地转变为石漠化地后,土壤性质发生 了显著性变化,各指标的变化幅度是各土地利用变化后土壤性质变化幅度中最大的。土 地石漠化后主要表现为土壤 pH 值的升高,土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷的 含量降低,而全钾、速效钾含量略有增加。20 年来,土壤 pH 值上升 10.77%,土壤有机 质含量降低 73%,全氮含量降低 58%,碱解氮含量降低 57.1%,全磷含量降低 45.4%,速 效磷含量降低 78.1%,全钾和速效钾含量呈增加趋势;其中土壤有机质、全氮、全磷、碱 解氮、速效磷等含量已经退化到“谷底”严重贫瘠的状况,同时根据野外调查,这些地 方坡度在 15 ̄25o 之间,土层厚度都在 10 cm 以下,大部分土层厚度只有 3 ̄5 cm。
碳酸盐岩坡度较大的地方,由于耕作条件差,农民管理水平低,加上长期的翻耕等 影响,缺乏 C 层过渡层的岩溶土壤侵蚀强烈,水土流失严重,致使土层变薄,土壤中营 养物质大量流失,造成土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量的急剧降低;由 于地表长期裸露,土壤微环境十分干燥,土壤淋溶作用降低,同时无植被和作物的覆盖, 土壤中 CO2 含量降低,同时有机质等营养物质的大量流失,而钙、镁大量富集,从而导 致土壤 pH 值的上升;尽管水土流失强烈,但土壤中含钾矿物依然存在 , [18] 同时随土壤 pH 值的升高,土壤的固钾能力相对增强[18],导致土壤全钾及速效钾含量表现出增加趋势。
因此,岩溶区的土壤,由于本身的脆弱性,如果不合理利用,加上管理水平低、投 入低,土壤将朝石漠化方向发展,导致土壤质量的降低。

4 结论
(1) 研究岩溶生态脆弱区土地利用变化和土壤性质变化具有典型性。近年来,岩溶区 人口的快速增加以及社会经济的迅速发展,区域人口—资源—环境之间的矛盾越来越突 出,加剧了岩溶生态环境的脆弱性,并且,同样的问题比非岩溶区要严重得多。
(2) 岩溶区近年来土地利用发生显著变化,其中人口的快速增加和社会经济的迅速发 展是区域土地利用变化的直接驱动力。
(3) 岩溶区土地利用变化对土壤性质产生显著的影响,但不同土地利用变化对土壤性 质的影响则不同。林地、未利用地转变为旱地后,土壤性质变化显著,土壤 pH 值明显升 高,土壤有机质、全氮、全磷含量显著降低,全钾、速效钾含量略有增加;由于退耕还 林的时间较短,土壤有机质、全氮、全磷含量降低,土壤 pH 值升高,但变化不显著;耕 地转变为园地后,土壤性质得到较大改善,土壤有机质、全氮、全磷、全钾等含量显著 升高,土壤 pH 降低;由于土地管理水平的低下,土地石漠化后土壤性质发生显著变化, 表现为土壤 pH 的升高,而土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量的急剧下降。
(4) 林地、未利用地转变为旱地后,碳酸盐岩地层中土壤的有机质、全氮、全磷等指 标降低的量和降低幅度明显大于砂页岩地层中土壤相应指标降低的量和降低幅度,而其 pH 的升高量和升高幅度则高于砂页岩地层土壤的 pH 的升高量和升高幅度。因此,碳酸 盐岩地层中发育的土壤表现出明显的脆弱性。

致谢: 云南地质调查院的周翠琼、彭淑蕙、侯丽在地图数字化以及吕爱华、吴艳萍女士和李继红、王劲、 钱润先、陈定宁、杨颖兵先生在野外调查、取样提供了大量的帮助,在此深表谢忱!

5期

蒋勇军 等:典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响

759

参考文献 (Refer ences)
[1] Turner B L II, Meyer W B. Land use and land cover in global environmental change: considerations for study. International Social Science, 1991, 130: 669-679.
[2] Dalal R C. Long-term trends in fertility of soils under continuous cultivation and cereal cropping in Southern Queensland: II. total organic carbon and its rate of loss from the soil profile. Soil Res., 1986, 24: 281-292.
[3] Halvorson A D, Reule C A, Anderson R L. Evaluation of management practices for converting grassland back to cropland. Soil Water Conserv., 2000, 55: 57-62.
[4] Islam K R, Weil R R. Land use effects on soil quality in a tropical forest ecosystem of Bangladesh. Agriculture, Ecosystem and Environment, 2000, 79: 9-16.
[5] Mcalister J J, Smith B J, Sanchez B. Forest clearance: impact of landuse change on fertility status of soils from the Sao Francisco area of Niteroi, Brazil. Land Degradation & Development, 1998, 9: 425-440.
[6] Braimoh A K, Viek P L G. The impact of land-cover change on soil properties in northen Ghana. Land Degradation & Development, 2004, 15: 65-74.
[7] J C Voundi Nkana, J Tonye. Assessment of certain soil properties related to different land-use syetems in the Kaya watershed of the humid forest zone of Cameroon. Land Degradation & Development, 2003, 14: 57-67.
[8] Warkentin B P. The change concept of soil quality. Soil Water Conserv., 1995, 50: 226-228. [9] Lal R, Mokma D, Lowery B. Relation between soil quality and erosion. In: Rattan Lal (ed.), Soil Quality and Soil
Erosion. Washington D. C.: CRC Press, 1999. 237-258. [10] Williams P W. Karst terrains: environmental changes and human impact. Catena, 1993, 25(suppl.): 268. [11] Daoxian Yuan. Environmental change and human impact on karst in southern China. In: Karst Terrains: Environmental
Changes and Human Impact. Catena, 1993, 25(suppl.): 99-107. [12] Kong Xiangbin, Zhang Fengrong, Qi Wei et al. The influence of land use change on soil fertility in intensive
agricultural region. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(3): 332-342. [ 孔祥斌, 张凤荣, 齐伟 等. 集约农业区土地利用 变化对土壤养分的影响. 地理学报, 2003, 58(3): 332-342.] [13] Chen Fu, Pu Lijie, Peng Buzhuo et al. The effect of land use changes on soil conditions in Korla city, Xinjiang. Acta Ecologica Sinica, 2001, 21(8): 1290-1295. [陈浮, 濮励杰, 彭补拙 等. 新疆库尔勒市土地利用变化对土壤性状的影 响. 生态学报, 2001, 21(8): 1290-1295.] [14] Guo Xudong, Fu Bojie, Chen Liding et al. Effects of land use on soil quality in a hilly area. Acta Geographica Sinica, 2001, 56(4): 447-455. [郭旭东, 傅伯杰, 陈利顶 等. 低山丘陵区土地利用方式对土壤质量的影响. 地理学报, 2001, 56(4): 447-455.] [15] Liu Shiliang, Fu Bojie, Chen Liding et al. Effects of land use change on soil properties in Wolong Nature Reserve. Geographical Research, 2002, 21(6): 682-688. [刘世梁, 傅伯杰, 陈利顶 等. 卧龙自然保护区土地利用变化对土壤性 质的影响. 地理研究, 2002, 21(6): 682-688.] [16] Yuan Daoxian. Carbon circulation and global karst. Quaternary Sciences, 1993, (1): 1-6. [袁道先. 碳循环与全球岩溶. 第四纪研究, 1993, (1): 1-6.] [17] Cao Jianhua, Yuan Daoxian, Pan Genxing. Some soil features in karst ecosystem. Advance in Earth Sciences, 2003, 18 (1): 37-44. [曹建华, 袁道先, 潘根兴. 岩溶生态系统中的土壤. 地球科学进展, 2003, 18(1): 37-44.] [18] Zhao Qiguo. The Circulation of Materials and Control on Red Soil. Beijing: Science Press, 2002. 73-163. [赵其国. 红 壤物质循环及其调控. 北京: 科学出版社, 2002. 73-163.]

Impact of Land Use Change on Soil Pr oper ties in a Typical Kar st Agr icultur al Region:
A Case Study of Xiaojiang Water shed, Yunnan

JIANG Yongjun1, YUAN Daoxian1, 3, ZHANG Cheng1, 3, KUANG Mingsheng1, WANG Jianli1, XIE Shiyou1, ZHANG Gui2, HE Raosheng2
(1. College of Resources and Environment Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. Institute of Geology Investigation in Yunnan Province, Kunming 650041, China;
3. Institute of Karst Geology, CAGS, Karst Dynamics Laboratory, MLR, Guilin 541004, China)

Abstr act: Karst has been regarded as a fragile environment by environmental scientists.

760

地理学报

60 卷

Because of karst system with a low capacity, it is difficult to restore if once disturbed. Changes in environment are not unique throughout the karst region, but a karst region is more sensitive than other regions. In the present study we analyzed the land use changes from 1982 to 2003, and assessed the effects of land use changes on pH value, organic matter (OM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), available nitrogen (AN), available phosphorus (AP), available potassium (AK) in soils of Xiaojing watershed, a typical karst agricultural region in Yunan province, Southwest China. The results indicate: (1) The total land converted covers an area of 610.12 km2, of which 134.29 km2 of forestland were converted into cultivated land, and 210 km2 of unused land were converted into cultivated land during the past 20 years in Xiaojiang watershed. (2) The rapid growth of population and the economic development were the main driving forces of cultivated land change, and the comparative economic benefits from the macro-policies such as eco-environmental protection were important driving forces of forestland change in Xiaojiang watershed during the past 20 years. (3) Because of land use change, the soil properties have been changed significantly. The pH value, OM, TN, TP, TK, AN, AP and AK in soils in 1982 were 6.3, 38.02 g/kg, 1.86 g/kg, 1.63 g/kg, 10.94 g/kg, 114.42 mg/kg, 11.65 mg/kg and 64.69 mg/kg, respectively; and those in 2003 were 6.73, 25.26 g/kg, 1.41g/kg, 0.99 g/kg, 12.6 g/kg, 113.43 mg/kg and 11.11 mg/kg, 151.59 mg/kg, respectively. Pared samples t-test of the tested indices of soil properties indicate that those indices have changed significantly during the past 20 years. (4) Because of the differences of land use change, the soil properties change differently. The contents of the soil OM, TN, TP in 2003 were significantly lower than those in 1982 after the forestland and unused land were converted into cultivated land, but the pH of soil increased significantly in 2003, especially the properties of the soils developed from the carbonate rock strata changed most significantly. The soil properties change was mainly attributed to deforestation, water and soil erosion, and the low land management level after the forestland and unused land were converted into the cultivated land. Because of lack of the vegetation cover and the land management, the contents of soil OM, TN, and TP for short-time reforested land also decreased, but the soil pH increased. Because of the use of more fertilizer and the improvement of land management, the soil properties improved significantly after the cultivated land was converted into orchard land. But due to unreasonable human activities to the fragile soils in the karst region, the land became rock desertified. The content of the soil OM, TN, TP, AN and AP decreased significantly, but the soil pH increased significantly after land converted became rock desertified. (5) Also, with the changes in land use and soil ameliorative measures, the modifications of properties of soils developed from the carbonate rock strata were more sensitive than those from the sandstone strata. Key wor ds: land use; typical karst agricultural region; soil properties; Xiaojiang watershed; Yunnan



相关推荐


友情链接: hackchn文档网 营销文档网 爱linux网 爱行业网 时尚网