河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究

ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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Ⅳ
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Ｖ
１．引言
１．引言
随着现代人类文明的进步，农业和工业的发展，人类对生态环境的开发和利用不断加强，一方面极大了促进了区域经济的发展，另一方面也造成了严重的生态环境问题。

因此，生态与农业环境问题成为研究学者们关注的热点之一。

近些年来，国内学者对此做了大量广泛而深入的研究。

这些研究从不同的方面和不同的角度，涉及自然生态系统和农业生态系统。

不难发现，多数研究都围绕黄土高原１１－３１和黄河下游平原地区和三角洲地区１４，５】进行，而对低山丘陵地区研究较少Ｉ良引。

土壤是生态系统的重要组成部分，为系统中各个营养级提供必需的元素和营养，并参与关键的物质和能量循环，尤其对于农业生态系统，土壤的状况能够反映一定的生态系统的基本功能和服务功能，在很大程度上决定农业生态系统的可持续发展。

低山丘陵地区虽在农业生产中的地位不比平原地区，但对该类地区不同景观生态系统的土壤理化性质研究对于当地农业生态系统平衡的维持和生物多样性的保护方面有其特殊的意义。

本文以河南省新密市典型丘陵地区为研究区，在划分样区的基础上，选择三种主要的景观类型（农田，泡桐林，山地灌草丛）对土壤表层进行取样并带回室内测定其主要的理化性质，揭示其分布状况，对不同景观类型的土壤理化性质进行比较并做出合理的解释。

１．１农业景观研究综述
１．１．１农业景观空间格局研究
景观是在空间上具有高度异质性的区域，它是由相互作用的斑块、基质、廊道按照一定的规律所组成的１９１。

景观空间格局分析是景观研究中的核心问题之一。

景观空间格局分析有助于探讨景观格局与生态过程之间的相互关系。

农业景观与自然景观相比，具有更高的变异性。

一方面受自然环境条件的制约，另一方面又受人类活动影响和干扰。

对农业景观格局进行分析对于土地资源的合理利用、景观生态设计以及生态保护建设规划均具有指导意义。

傅伯杰对黄土区农业景观中的沟间地和沟谷地的景观类型组成及其多样性进行比较，提出在沟谷地可以通过逐渐增加景观类型及多样性并建造生态廊道，以控制水土侵
河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究
蚀和恢复和保护本地物种１９］。

张艳芳等对秦巴山地农业景观格局和动态进行研究，发现人类活动是其主要的驱动因子，提出农业景观的重建必须充分考虑人类活动的性质和程度Ｉｌｏ】。

字振荣等对江汉平原农业景观格局进行分析，认为其变化受大、小两种尺度因素相互作用的影响Ｉ…。

王仰麟等对我国半湿润半干旱地区的农业景观格局特征和形成过程进行了分析１１２】。

王学雷等对江汉平原四湖地区湿地农业景观中不同景观类型的比例和破碎化程度进行了研究‘１３１。

许丽等通过对半干旱丘陵区农业景观空间格局分析，对景观变化趋势做出预测１１４Ｊ。

１．１．２农业景观生物多样性研究
生物多样性历来是生态学研究的热点问题，然而传统生态学观点认为农业景观不可能具有高的生物多样性，因此对农业景观中的生物多样性未有足够重视。

随着大量科学研究的进行，许多学者指出农业景观在生物多样性保护方面具有重要的作用和地位［１５－１７】。

宇振荣等对江汉平原不同农业景观类型的生物多样性进行研究，认为树篱、林地及农田边界是保持生物多样性的重要景观单元【Ｉｌｌ。

马克明等对农业景观中山体的植物多样性分布特征进行研究，认为土地利用与地形因素共同作用决定了山体的植物多样性１１８】。

刘云慧等从过程和格局两个角度概括和总结了农业景观生物多样性保护的一般原则ｌ。

９１。

此外，也有研究者对农业景观的动物昆虫的种群动态和迁移做了大量研究ｆ２０’２¨。

１．２土壤理化性质研究综述
１．２．１土壤肥力的概念
土壤肥力的概念和内容经历长期的争论，到目前为止仍未能获得统一的认识。

但土壤肥力作为土壤的基本属性是客观存在的，它决定于土壤本身的物质组成和组成状态并受自然条件的影响１２２１。

随着利比希植物矿质营养学说的提出，欧美学者所定义的土壤肥力侧重土壤对植物营养的贡献大小，通常使用土壤养分含量的多少来评价土壤肥力高与低１２３１。

前苏联学者Ｗｉｌｌｉａｍｓ则认为土壤肥力的定义应是“在植物的整个生长发育过程中，土壤同时向植物供应最高水分养分的能力＂，他将水分和养分视作土壤肥力的两个基本的要素，并且是在整个生活史中连续的供应。

现代美国土壤学会（ＳｏｉＪＳｃｉｅｎｃｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ）将土壤肥力定义为在光照、环境湿度、温度、土壤的物理状况及其他因子都满足特定植物生长的需
２
１．引言
要时，土壤向植物供应适当的比例和量的养分的能力【２４１。

而同本学者的观点与欧美类似，同样认为土壤肥力主要是指土壤对于满足植物对水、养分需求的能力，其中心是土壤本身的性质；并且认为土壤肥力应至少包括基本的生产能力和对外界不良的逆境条件的抵御能力，对土壤进行改良的主要目的是提高土壤向植物生长供应所需的水分和养分的能力，提高土壤对外界不良逆境条件的忍耐和抗力【２５】。

我国学者对土壤肥力研究较早，早在春秋战国时期就有古人提出根据质地和色泽对土壤的肥力进行评估１２６１。

其概念由于不同的研究者其研究的范围和内容有所不同，侧重点不尽相同。

郑顺安等认为土壤肥力不仅是土壤为作物的生长发育提供营养的能力，还
应包括为作物提供合适的环境条件的能力，是对土壤的物理、化学以及生物等性质的一种综合反映‘２７１。

朱祖祥等认为土壤肥力的概念也至少要包括养分和水分这两层含义１２引。

周鸣铮等认为土壤肥力有广义和狭义两种定义；广义上说，是指土壤的水、肥、气、热等因素之间互相协调，狭义上说，即土壤的水分、养分１２９１。

陈恩风等认为对土壤肥力进行研究时应当包括土壤肥力的物质特性、土壤对植物的营养及土壤所具备的生态条件三个方面。

认为土壤对营养物质的吸收、储存和供应能力及其协调性是影响土壤肥力的重要因素，提出在对土壤肥力进行评价时，土壤特征团聚体的组成和比例可以视为反映土壤肥力的综合性指标１３０Ｊ。

近些年来，国内比较公认的土壤肥力是指：土壤为植物的生长发育提供水分、养分以及合适的环境条件的能力，是土壤基本性质的综合表现，是土壤区别于成土母质和其他自然体的最本质的特征，也是土壤作为自然资源和农业生产资料的物质基础川。

１．２．２土壤养分的空间变异
得益于ＧＩＳ技术和地统计学的发展，对土壤主要理化性质的空间变异特征的研究，近些年来逐渐成为土壤研究学者的研究热点。

土壤养分的空间变异是指土壤养分在不同的空间地理位置表现出来的差异。

对土壤养分的空间变异特征进行研究对于农田合理施肥，养分利用率的提高意义重大。

大尺度的土壤空间变异研究能够改进土壤分类系统，提高土壤调查和制图的质量【３２１；中小尺度的土壤空间变异研究则有利于合理布局作物种植及林业结构，有利于改善田间和林业管理。

金继运等对我国黄淮海平原进行了不同尺度土壤养分变异特征研究，结果表明，在中小尺度上，影响土壤养分变异性的主要因素是土壤养分管理；而在大尺
度上，影响土壤养分变异性的因素主要是一些区域因素，如当地气候、地形、土壤所属
３
河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究
类型等１３３１。

空间尺度、地理区域、干扰背景的不同，控制其空间演变的因素亦有所不同，因此形成了不同的空间变异特征。

某一地区的土壤空间变异都不能代表其他地区。

不同的尺度都有其特定约束和临界，尺度的外推则必定会超出这些约束和临界，其结论将变得难以理解１３４，３５］。

因此，当前大多研究都明确其选择的空间尺度以解决相应尺度上的科学问题【３６４们。

２０世纪９０年代以来，中小尺度的土壤养分空间变异国内外专家学者进行了许多研究［４１－４５】。

周惠珍等通过网格法对土壤进行采样，分析放牧区表层土壤的速效磷、钾等含量的空间变异性１４６１。

李世清等采用均匀布点采样的方法，分别在水平和垂直方向对土壤有机质、硝态氮、铵态氮等性质的空间变异规律进行的测定与分析１４７１。

史利江等通过研究面积２５６．２ｈｍ２的农业区的土壤ｐＨ值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的空间变异，结果发现，ＧＩＳ和地统计学的方法能够很好地用于研究和反映农田土壤养分的空间变异规律，各养分要素在一定的范围内均存在空间自相关性，且不同的养分要素其空间自相关性强弱不同，其影响因素亦不同【４８】。

在大尺度上对土壤养分空间变异进行定量研究的一个难以克服的困难即地统计学原理中的均匀取样。

Ｙｏｓｔ等人较早利用地统计学原理和方法在较大尺度上对土壤养分空间变异进行研究１４９１，分析了夏威夷岛上的土壤养分的空间自相关性，其研究结果表明，多数土壤养分类型的空间相关距离在３２－－４２ｋｍ范围之内。

张有山等也利用地统计学的原理方法对北京昌平县大约２６４０ｈｍ２范围内的土壤理化性质进行了定量分析，并绘制了等值线刚５０】。

程先富等在江西省兴国县对土壤全氮和有机质的空间变异特征进行了详细的分析，使用克里格法进行最优无偏线性插值，得出上述主要土壤理化性质的分布格局【ｓ１１。

１．２．３土壤理化性质的影响因素
土壤理化性质受诸多因素的影响，在土壤类型、地貌类型、土地利用类型等因素的影响下，土壤养分的有效量和全量、有机质、ＰＨ值、含水量、土壤孔隙度都会产生不同程度的变化，揭示影响土壤各种理化性质的主控因素，不仅具有重要的理论意义，而且对于土壤营养合理施肥、土地利用的合理规划、土壤的可持续生产和土壤重金属污染防治都有着重要的实际应用意义。

母质是土壤形成的物质基础，并对土壤发育有很大的影响【５Ｚｌ。

不单是土壤中的矿物质来自于母质，土壤有机质中的矿质养分的主要来源同样是母质。

母质是土壤发育的开始，不同土壤母质的矿物组成、理化性质有很大不同，在其它成土因素的限制下，影响４
１．引言
成土的速率、性质和方向【５３】。

不同的土壤类型是由不同的土壤母质发育形成的，其在土壤理化性质和对植物生长的影响方面具有较大差异。

研究表明，母质对土壤物理性质如土壤的质地【５４１、土层的厚薄程度１５５１、土壤的水分特性ｆ５６，５７】、土壤团粒结构特性１５８】等往往具有较显著的影响；而在化学性质方面，对土壤ｐＨ、全钾及全磷含量也有较大的影响［５９－６１］
地形是影响土壤理化性质的另一个非常重要的因素，通过引起物质、能量的再分配而间接地作用于土壤。

首先，地形能够影响成土作用，不同母质分布的地形部分往往不同，这就导致了土壤的养分含量存在差异，加大了土壤养分的空间异质性；其次，地形的不同导致土壤水热状况和植被覆盖不同，影响土壤养分的积累和分解，还可能发生地表水土流失。

表现为降水和湿度随海拔升高而发生垂直的变化，导致不同的气候和植被带的形成，使得土壤的组成成分和理化性质发生显著的分化１６２ｌ。

随着社会经济的发展与人口的增长，人口、资源、环境之间的矛盾日益突出，土地利用／覆被变化以及土地资源的优化与可持续利用等问题逐渐成为研究的热点之一。

土地利用／覆被变化对许多生态过程产生影响１６３１，如生物多样性１６４１、地表径流以及土壤侵蚀１６５，６６１、土壤微环境‘６７，６８】等。

对土地进行合理利用能够改善土壤的结构，增强其对外界变化的耐性和抗性１６９，７０ｌ，利用不合理则会导致土壤质量的下降１７¨，土壤侵蚀更加严重１７２１，生物多样性的丧失１７３１。

土壤养分是自然环境和人为因子共同作用的结果。

土地利用与土壤养分之间有着紧密的联系，是人类利用土地状况的综合反映１．７４】。

土地利用变化直接导致地表植被的变化１７５１，地表反射的变化１７６，７７】，影响地表枯枝落叶量１７８】，以及土壤微生物群落的各种代谢过程１７９１。

此外，土壤管理措施也会随着土地利用的变化而发生改变【８们。

以上的变化都会对引起养分在土壤系统的再分配产生重要的影响。

人类生产活动对土壤形成的影响亦不容忽视，主要表现在通过影响成土过程从而影响土壤的形成和演变，进而影响土壤理化性质。

在农业生产中，人类通过各种管理措施等改变了土壤各种物理化学性质。

一方面，由于人类对土壤的良性管理，能够使土壤结构得到改善，培育出适合作物种植的耕作土壤：另一方面，如果违反自然的成土过程，恶性管理也会造成严重的土壤退化。

另外，不同的土壤理化特性受各种因素的影响程度亦不同。

吕晓东等对民勤绿洲２５年来土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾的时空变异特征及其影响因素进行详细分析，发现不同灌区化肥投入、种植结构的差异是决定该地区空间分布特点的主要因素【引】。

杨
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河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究
艳丽等对江苏北部区域尺度下的土壤养分空间变异及其影响因素做了研究，得出土壤类型和成土母质对土壤养分产生显著影响，土壤类型对全氮和全磷的变异起主导作用，而速效磷受成土母质的影响较大，土壤类型和成土母质对速效钾的影响较小，土壤类型和成土母质对全量养分的影响大于速效养分的结论瞰１。

于洋等定量研究了榆树市土壤养分空间变异的主要影响因素，研究表明土壤中碱解氮主要受河流、居民点、小路三个因子影响；速效磷的主要影响因子是距离居民点的远近、距离小路的远近，说明速效磷主要受人文因素的影响；速效钾影响因素相对复杂，水文因素、人文因素、地貌对其均有影响；土壤有机质受湖泊、河流、大路、居民点、坡度等因素影响，且各因素Ｉ＇ａＪ的影响相对均衡１８３】。

赵彦锋等以江苏省无锡市城市交错区为例，在小尺度范围内研究了土壤全量和速效氮、磷、钾的空间变异特征，并对其影响因素进行了探讨。

结果表明土壤全氮受到土壤类型的影响，土壤全磷与居民点分布有关，全钾与土壤粘粒关系最密切，同时土壤全磷和土壤速效养分受土地利用影响也较大１８４１。

１．２．４土壤退化与可持续研究
土壤退化（ｓｏｉｌｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）是指在各种自然，特别是人为因素影响下所发生的导致土壤的农业生产能力或土地利用和环境调控能力，即土壤质量及其可持续性下降（包括暂时性的和永久性的）甚至完全丧失其物理的、化学的和生物学特征的过程。

近几十年，由于人类对土地资源的不合理开发和利用，土壤质量下降，土壤退化问题逐渐凸显，引起了许多专家学者的关注并对土壤退化特征ｌａｓ，ｓ６）、土壤退化的过程和机理１８７＇８引、土壤退化指标体系的建立１８９１以及土壤退化的保护、防治【９０，９１１和恢复对策睇Ｊ开展了大量的研究工作。

土壤是一种特殊的资源，它介于可再生与不可再生资源之间，当合理利用土地时，它是可再生的，能被持续利用；利用不合理土壤资源就变得不可再生。

孙波等指出土壤质量的维持和改良，实现土壤的可持续利用要兼顾生产性、稳定性、持续性、生存性和可接受性五个方面的内容，缺一不可【９３】。

许多学者都认为防止土壤退化，改良退化土壤周围的生态环境是实现土壤可持续利用的关键步骤之一【９４删。

水土流失等问题所造成的土壤退化导致土壤结构的持续恶化、土层瘠薄、污染物增多，土壤质量急速下降，制约了土壤的可持续利用。

实现土壤可持续利用不仅对土壤自身生产力的维持十分关键，更大程度上还意味着土壤自身生态功能的改善、维持和提高，尤其是在土壤肥力方面。

因此，提高土壤肥力质量问题日益得到６
１．引言
相关学者的重视。

然而，在中原丘陵地区农业生态系统不同土地利用类型下的土壤肥力状况的研究尚未见报道。

１．３研究对象、目的及意义
本文的研究对象即为河南省新密市丘陵地区农业生态系统不同景观类型下的表层土壤，主要研究了不同景观类型下各表层土壤的土壤理化性质状况。

研究目的即通过对比研究不同景观类型之间及同一景观类型下不同样地表层土壤理化性质的差异，分析其土壤理化性质特征及产生差异的原因。

研究意义即通过对比研究，了解表层土壤理化性质分布状况，对于当地农业生态系统平衡的维持和生物多样性的保护有其特殊的意义，并对该地区的土壤肥力恢复和土地资源的合理利用具有一定的指导意义，并提出一些在进行土壤恢复过程中需要注意的问题。

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河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究３
２．研究区域概况
２．研究区域概况
２．１自然地理概况
研究区域见图２一ｌ。

河南省新密市位于省会郑州西南部４０ｋｍ处，总面积１００１ｋｍ２。

地理坐标介于３９０１９＇－３４０４０＇Ｎ、１１３００９’～１１３０４ｌ’Ｅ之问。

该区域属嵩山山脉，地势由西南向东北倾斜，平均海拔３３０ｍ，处于伏牛山余脉低山丘陵区，区内沟壑纵横，地形破碎，水土流失十分严重。

境内主要河流有贾鲁河，双泊河等，隶属于淮河支系。

北温带大陆性气候，四季分明。

春季温暖，干燥多旱，夏季炎热，多雨易涝，秋季天气多变，旱涝交错，冬季寒冷多风，冬旱频繁。

年平均气温１４．８℃，全年大于１０℃的积温为４５００℃，无霜期２２３ｄ，年降雨量６１６．９ｍｍ。

主要生态系统类型有：农田、泡桐林地、山地灌草丛。

土壤主要有褐土、棕壤土和立黄土，呈微碱性。

农田受人工管理杂草较少，土壤表层主要为秸秆覆盖，泡桐林和山地灌丛草本层相对丰富，但不同地点的地被物覆盖情况存在一定的差别。

泡桐林多处于中幼龄期，且农田与泡桐林均以小型斑块状分布为主。

图２－１研究区数字高程图
Ｆｉｇ．２－１Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ
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河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究
２．２社会经济概况
新密市地处豫西浅山丘陵区，全市总人口７８万人。

其中，农业人口６５．６万，乡村劳动力３６．５万。

境内耕地面积４．２４万ｈｍ２，其中旱地面积为３．５８万ｈｍ２，占耕地面积的８４．５％１９７１。

平整地较少，小块并难以耕作的地多，农户普遍存在重工轻农的思想，且农业资金投入不足。

区内林业用地面积２．０７万ｈｍ２，由于受金融危机的影响，新密市出现部分外出农民工失业返乡的社会现象，新密市政府出台鼓励群众发展林业的优惠政策，积极引导返乡农民工参与造林绿化。

林改后农民成为山林真正的主人，造林热情空Ｉｊ｛『高涨，自发成立了民间林业协会和林业合作经济组织，创办了股份制、联营制等各类民营林场，新密林业已成为农民增加收入最快的行业之一【９引。

新密资源丰富，物阜品优。

矿产资源遍布全境，已探明矿藏有２５种，煤炭、铝钒土、石灰石、硅石等储量大、品位高，为工业发展奠定了雄厚的物质基础，由此逐步形成了煤炭、耐材、造纸、建材四大支柱产业。

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３．研究方法
３．１样地的设置
３．研究方法
本研究以河南省新密市为研究区，自城市北面由郊区向北延伸至较自然的低山丘陵，在面积为２４ｘ１６ｋｍ２的区域内，均匀设置２４块１×ｌｋｍ２的大样地，在每个大样地中，选取分布较多的三种景观类型：农田、泡桐林、山地灌草丛进行土壤取样。

除土壤样品的采集外，还包括对样地生境特征的描述与记录，如海拔高度、坡度和坡向、凋落物厚度、群落盖度、林地乔木高度及冠幅，并调查农耕地的灌溉、施肥情况。

用到的工具有ＧＰＳ以及罗盘等。

３．２样品的采集
地ｉ露川、
图２－２取样点分布图
Ｆｉｇ．２－２ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｔｅｓ
于２０１１年６月选择晴朗天气进行采样。

取样时，在每种景观类型中，按照其面积大小，在样地内部随机选取３～５个取样点，挖取表层土壤（Ｏ，－，２０ｃｍ）并进行混合，采用四分法取约１ｋｇ混合土样装入聚乙烯封口袋中保存。

另在取样点处用ｌＯＯｃｍ３环刀取原状土并立即称重，并迅速将土壤倒入封Ｅｌ袋中保存【矧。

河南省新密市丘陵地区主要生态系统土壤理化性质研究
３．３样品的处理
将野外采集的土壤样品带回实验室，在避免光照射的条件下用牛皮纸自然风干，磨碎，分别过筛后贮于封口袋中，以备分析使用。

３．４样品的测定
土壤化学性质采用常用土壤农化分析方法。

测定的物理化学性质有：土壤容重、比重、孔隙度、土壤颗粒组成、ｐＨ值、有机质、速效钾、速效磷以及碱解氮含量。

其中，容重采用环刀法；比重采用比重瓶法；孔隙度利用公式１一容重／ＬＩ＇．重进行计算；土壤颗粒组成利用同本ＨＯＲＩＢＡ公司生产的ＬＡ．９２０型激光粒度分析仪进行测定；土壤ｐＨ值采用电位测定法；土壤有机质采用重铬酸钾法；速效钾采用ｌｍｏｌ／Ｌ醋酸铵浸提一火焰光度法；速效磷采用０．５ｍｏｌ／Ｌ碳酸氢钠浸提一钼锑抗比色法：碱解性氮采用扩散吸收法１１００ｉ。

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３．研究方法
３．５技术路线及数据处理
本文研究思路主要有：一、实地调查以及设置固定样地；二、样本采集、处理和测定分析；三、文献资料查阅及归纳总结：四、数据计算分析等。

实验所得出的所有数据以及图形均用办公软件Ｅｘｃｅｌ２００３、Ｗｏｒｄ２００３、数据和图形处理软件ＳＰＳＳ１７．０和Ｏｒｉｇｉｎ７．０进行分析处理得出。

具体研究步骤与技术路线如下：
：资料收集、整理与分析】
之土
，、
阅读文献，确定研究内容和调查方法，并精心设
置样点
Ｌ
』上
在所选定的研究区域内进行细致的踩点调有，并做好记
录，尽量选定调查地点，为野外调奄取样做好铺垫和准备
』土
厂
野外调有，采集士样。

认真填写设计好的记录
表并拍摄样地照片，以及样品的室内测定
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数据的输入整理与分析并
撰写论文
１３。