北京山区山地自然土壤和耕作土壤养分状况研究

北京山区山地自然土壤和耕作土壤养分状况研究

中国是一个多山脉的国家。山地土壤的养分和变化对山地土壤的肥力和生产力有重要影响。山地土壤养分的垂直变异是山地土壤生物地球化学循环的结果,随着海拔高度的上升,植被、气候等立地条件发生变化,土壤的形成过程和土壤养分的累积、转化、迁移等过程也会发生明显的变化。同时山地也是一个脆弱的生态系统,不合理的毁林开荒,往往会导致土壤肥力下降和水土流失的加剧。土壤肥力是土壤形成过程的结果,研究北京百花山地区山地土壤不同立地条件下土壤养分的垂直变异规律以及养分含量与地理因子的相关关系,可为开发该地区山地土壤资源和生态保护提供科学的依据。1土壤样品的采集与分析1.1花山海拔高度分布研究样区在距北京市区约100km(直线距离70km左右)的北京市西部的门头沟区百花山地区,百花山属于太行山脉,其最高峰海拔1991m,百花山地区海拔高度相差很大。为了研究百花山山地土壤发生过程和理化性质的差异,在不同海拔高度上挖掘典型自然土壤剖面和相应的耕作土壤,然后在土壤剖面上根据土壤的发生学层次进行土壤样品的采集,对于农田土壤,则只采集耕层土样。采集后的样品风干后进行土壤有机质含量、组分及土壤养分含量的分析。本文从所调查的16个典型剖面中选取海拔1350m以下的山地自然土壤和农田土壤的养分进行分析,探讨自然土壤开垦后土壤养分的变异情况。1.2测定项目和方法土壤样品风干后,根据分析的内容置备成80目的分析样品。土壤质地分析采用吸管法;土壤有机质的分析方法为重铬酸钾外热源氧化法;土壤有机质的分组采用丘林法(浸提剂为0.1molL-1NaOH+0.5molL-1焦磷酸钠法);全磷的测定采用湿消化—钼锑抗比色法;土壤速效磷采用钼锑抗比色法;土壤速效钾采用火焰光度计法;有效锰、铜、锌用原子吸收光谱法测定。2百花山地区农田土壤、农田土壤表层养分含量状况百花山地区处于暖温带半干旱气候区,气候特点是冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。降水量为550～700mm之间,多年平均降水量为660mm。百花山地区属于北京西山的组成部分,最高海拔1750mm。800m上的中山面积和800m以下的低山丘陵为本地区的主要的地貌类型。百花山的中山地区平均海拔为1500m,地形特点是山高谷深平地少,坡度一般在35°以上,在植被生长良好的地方,土层一般为中厚层。800m以下的低山丘陵受侵蚀作用,土层一般较薄;在覆盖第四纪黄土的缓坡地带,土层较厚。山地土壤的农业利用在我国土壤利用中占有较大的比重。如何既做到对山地土壤资源的开发利用,同时作好山地生态环境的保护,是山地土地资源利用的难题。山地土壤开垦后,由于植被类型和土壤条件的改变,土壤有机质及养分的转化过程会发生明显的变化。表1是相同地点的农田表层土壤和自然土壤表层的养分含量对比,土层厚度在0～15cm之间。从表1、表2可以看出百花山地区自然土壤和农田的养分状况有以下几点变异规律:(1)百花山山地自然土壤有机质的含量总体上比较高,自然山地土壤的表层土壤有机质明显高于山下农田的含量。从表1可知:该海拔1300m以下的山地土壤有机质含量较高,变化范围在41～61.3gkg-1之间,而农田土壤表层土壤有机质的含量在17.9～42.90gkg-1之间,且都比附近的自然土壤的有机质含量低。(2)百花山山地自然土壤表层的全氮含量较高,但自然土壤与相近农田土壤的全氮含量的差异没有明显的规律。(3)百花山自然土壤表层全磷为0.26gkg-1,属于中等水平,而自然土壤开垦为农田经过多年种植后,土壤全磷含量呈上升趋势。从上述几个典型剖面可以看出,在安山岩残积母质上发育的土壤的全磷量比较高,而在黄土母质上发育的土壤的全磷含量较低。表层土壤的速效磷量与土壤类型没有明显关系。速效磷变化范围为0.49～11.74gkg-1,表层土壤速效磷的平均值分别为4.46gkg-1,从速效磷含量来看,百花山土壤多数处于缺磷状态。自然土壤和农田土壤相比,其表层全磷和速效磷的水平则明显低于山下农田土壤。调查剖面点中的梁家铺子农田、双涧子农田以及简昌农田中耕层土壤有效磷的含量极高,最高高达97.87mgkg-1,比自然土壤表层的有效磷高10～20倍;(4)百花山地自然土壤钾素供应比较充分,而且农田土壤的速效钾水平比周围的自然土壤高。梁家铺子、双涧子农田的速效钾水平比其相应的自然土壤高1-2倍。自然土壤速效钾变化范围分别为39.31～157.63mgkg-1,其表层土壤速效钾的平均值分别为67.61mgkg-1。与华北地区一般土壤肥力标准相比,自然土壤速效钾属于中等水平,而速效磷则属于较低或缺乏水平。该地区一般不缺钾,而土壤磷元素相对比较缺乏,尤其速效磷的水平明显偏低。(5)从表2可以看出,在该土壤垂直带谱上,从上到下,土壤有机质、全N的含量基本上呈下降趋势,但不同海拔高低处的耕作土壤的养分含量不具有递降的规律。(6)从三种微量元素来看,农田的有效铜含量与自然土壤多数相差不大,农田有效锌的含量均表现出比自然土壤较高的趋势。根据北京地区土壤微量元素的分级标准(参考表3),对比表1和表2可知:百花山地区土壤微量元素中有效锰、有效铜、有效锌的含量范围分别为0.32～5.36mgkg-1、0.47～1.25mgkg-1、0.05～0.55mgkg-1之间。表层有效锰和有效铜的水平较高,而有效锌的含量明显偏低着。3分析了山地自然土壤和耕地土壤肥力的差异(1)对土壤有机质含量的影响土壤有机质是土壤的重要组成部分,土壤的许多性质都直接或间接地与土壤有机质含量有关。在自然土壤中,由于各地点的植被不同,水热条件不同,每年进入土壤的动植物物质的数量不同,而且动植物的化学性质组成和土壤中的分解强度不同,因而各种土壤中有机质的含量和性质具有一定的差异性。在山地森林植被开垦后,每年进入土壤的有机质含量下降,使有机质的积累水平降低。土壤开垦后,土壤的通气性显著增加,导致土壤有机质的降解速率提高,使有机质含量下降;同时自然土壤改为农田后,土壤有机物质的输入量发生显著的变化,农作物秸秆很少还田,而山区有机肥的施用量很少或根本不施用有机肥,仅施用化肥,从而导致山地农田土壤有机质呈下降趋势,下降幅度在15%～50%之间,以黄安村农田土壤的有机质下降幅度最大。(2)土高原林地开采对土壤养分的影响土壤养分流失在开垦初期非常迅速。土壤剖面中A层的流失是土壤养分流失的标志。史衍玺等对黄土高原林地开垦后土壤养分的变化研究表明:林地开垦20年后,土壤有机质含量的下降与开垦年限呈指数关系,土壤腐殖质组成也随着开垦年限而发生变化。百花山海拔1130m以下,森林植被被农田作物代替后,水土流失加剧,加之施用有机肥不够,入不敷出,导致表层土壤有机质含量下降。(3)对自然土壤的氮素水平的测定尽管该地区自然土壤开垦为农田后土壤有机质数量都明显下降,但由于施用化肥的缘故,土壤氮素仍维持在自然土壤的氮素水平甚至更高的水平上。化肥氮素的添加使用,掩盖了由于土壤有机质含量下降而导致的土壤有机氮数量的减少。(4)对土壤养分及微量元素的认识而农民在生产中注重磷肥(目前普遍施用磷酸二铵)的施用,导致土壤全磷含量升高,在梁家铺子和双涧子的农田中土壤有效磷的含量达到了52.83和97.87mgkg-1的极高水平,这在自然土壤中是不可能的。过量施用磷肥不但不经济,反而会导致作物营养失去平衡,造成或加剧其他养分的缺乏。本地区的土壤母质主要是长石类岩石风化物及黄土性物质,母质中钾素比较丰富。有效钾的变异比较大,但一般含量都在50mgkg-1以上,而且多数剖面上速效钾通体差异不大。施用钾肥会导致土壤有效钾水平的提高。(5)对土壤微量元素的影响在百花山自然土壤中,安山岩风化母质上发育的各类土壤的全磷含量在0.15～0.47gkg-1之间,多数在0.3gkg-1左右;但黄土母质发育的土壤的全磷量较低,如黄安坨5号、6号剖面,表层全磷量只有安山岩母质上发育的土壤的全磷量的1/3或1/4,而两种母质上土壤速效磷的含量差异不大。该地区的成土母岩为安山岩,风化后易形成大量的CaCO3等石灰性物质,使得锌的活性大大降低。在黄土母质上发育的土壤表层土壤有效锌的含量极低。这说明,成土母质影响土壤磷、钾等矿质元素的含量。磷肥中含有较多的微量元素,但多数农田土壤的微量元素的含量依然偏低,锰和锌的有效含量为低水平;铜多为中等水平,黄安村和龙王村农田土壤和自然土壤中的有效铜的含量达到了极高的水平。4对山地土壤分析方法的探讨通过以上分析可以看出,百花山地区的土壤肥力总体上属于中等偏下的水平。该区山地土壤主要存在的问题是土层瘠薄,养分含量不均衡,土壤水分条件差,土体内水、肥、气、热不协调,生产性能低下。(1)针对该地区自然土壤的肥力特征,在施肥上要注意磷肥和微肥的使用。由于长期的封山育林和生态保护,该垂直带土壤的有机质和全氮含量较高,海拔高的地方的有机质积累已达到很高的水平,但土壤磷素水平,不管是全磷量和速效磷量都明显偏低,速效磷多处于缺乏状态,钾素水平含量中等。磷、钾可能是该地区土壤肥力的主要限制因子,在耕作土壤中应注意磷、钾肥的施用。施用磷肥是改善该山地土壤肥力状况的关键措施,但过量的施用磷肥,导致速效磷过高是不适当的,不仅不经济,而且还可以造成土壤营养失衡及面源污染等问题,应当提倡科学的施肥方法。土壤微量元素中锰、锌的水平较低,易发生植物缺锌现象。土壤微量元素对植物的生长有重要的影响。锰参加氮、无机酸的代谢和光合过程,尤其对豆科作物生长有重要作用。铜为植物呼吸作用的催化剂,有助于叶绿素的合成与碳水化合物及蛋白质的代谢过程。而锌在高等植物生长过程中与生长素的形成有密切的关系,果树缺锌发生黄叶病。对一般作物而言,有效锌低于0.5mgkg-1就可能出现缺锌症状。针对土壤养分不协调,在山地土壤的开垦利用过程中,要建立合理的施肥和培肥制度。不能只用地不养地,掠夺性利用;在施肥方案上优先考虑土壤中比较缺乏的速效磷和微量元素锌的施用。但对磷肥的施用不易过量,同时要注意磷肥的后效作用,当土壤中速效磷的水平较高时,可以暂停磷肥的施用。对于山区果树的施肥,应注意适当喷施适量的硫酸锌,以防止果树缺锌。(2)针对该地区的山地土壤开垦后土壤有机质含量、全氮量多数呈下降的趋势,应提倡施用有机肥,补充土壤有机质的来源,防止土壤结构退化;在农田土壤上,要注意秸秆还田,提倡大量施用有机肥,以维持土壤有机质的含量,防止由于土壤有机质含量降低而导致土壤肥力下降。(3)根据山地土壤的分布规律,因地制宜,针对不同的土壤类型进行合理的立体开发。百花山山地土壤的立地条件变异很大,土壤类型种类多而分布也比较复杂。由于山地坡度较大,径流侵蚀较为严重,土壤的抗旱能力差,应注意平整土地,涵养水分,提高其土壤抗旱能力。对坡度较大的山地要实行退耕还林。由于该地区雨量丰富,退耕还林后植被恢复较快,当植被盖度增加到一定程度后可有效地抑制径流的产生,并使土壤有机质的含量得到恢复和提高。从土体构型看,除在黄土母质形成的土壤层次较厚外,其他剖面的土壤层次都较薄,加上山高坡陡,土壤蓄水抗旱能力较差。在基岩残积母质上发育的土壤的土层较薄,土壤构型差,影响作物的根系发育和对水分、养分的吸收。应该根据不同的地形进行合理的生态规划,在土层较薄的地方以发展林、灌、草为主,封山育林,进行生态保护,防止水土流失。以旅游促进经济的发展,发挥山地的生态景观功能。总之,百花山地区的山地自然土壤的养分