0引言 不同土地利用引起的土壤特性的变化各不相同．有关土地利用变化引起的土地覆被及土壤特性等方面的变化一直是众多学者研究的热点．例如，在地表植被［1］、植物凋落物和残余量［2］、土地管理措施［3］、土壤性质［4－7］、地表反射率［8］、土壤微生物活动［9］及土壤养分［10－11］等方面的变化研究均取得显著成果．同时，土地利用变化还可引起生物多样性［12］、地表径流和侵蚀［13］、土壤环境［14－16］等生态过程［17］的变化．合理的土地利用可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力［18］，反之将会导致土壤质量下降［19－20］，并导致土地沙漠化．古尔班通古特沙漠与绿洲交错带不仅土壤盐渍化严重，而且面临沙漠化的威胁．其植被群落结构简单，生态环境十分脆弱．随着人类活动干扰强度的增大，资源与环境之间的矛盾日益突出，土地利用变化必然对该区土壤特性产生重大的影响．我国土地利用变化对土壤特性的影响研究大多集中在典型岩溶区［10］、自然保护区［21］、低山丘陵区［22］和集约化农业区［23］等．而有关土地利用在干旱区的研究主要表现在绿洲［11，24－25］和典型流域［26］方面．因此，开展绿洲－沙漠交错带土地利用变化对土壤特性的影响研究具有重要意义．本文对比研究了绿洲－沙漠交错带不同土地利用类型对土壤机械组成、总盐和土壤养分等土壤特性的影响，并对其进行了土壤退化评价和养分评价．可为合理的利用土地资源、规划经营管理方式及土地评价和恢复等提供理论基础，对于土壤盐渍化的防治、改良、有效利用和沙漠化的防治，具有科学实践意义和生态价值． 1研究区概况 研究区位于古尔班通古特沙漠与奇台县绿洲的交错带．古尔班通古特沙漠位于新疆北部准噶尔盆地腹地，是我国面积最大的固定和半固定沙漠，地处44°11′～46°20′N和84°31′～90°00′E之间，面积约4．88×104km2．其年平均降水量不超过150mm，且主要集中在春季．年平均蒸发潜力较高，在2000mm以上，年均温为6～10℃．奇台县位于天山北麓，准噶尔盆地东南缘，地处89°13′～91°22′E，43°25′～49°29′N，全县面积1．93×104km2．农区年平均气温为4．7℃，7月份极端最高气温43℃，1月份极端气温为－42．6℃．年平均降水量为176mm，蒸发潜力2141mm，无霜期平均156d，年日照时数2840～3230h． 2材料与方法 2008年10月，在古尔班通古特沙漠与奇台县绿洲交错带8种土地利用类型土壤选择样地分别为：荒草地（花花柴Kareliniacaspic、芦苇Phrag－mitesaustralis及猪毛菜Salsolacollina为主，A1）、天然灌木林地（柽柳TamarixchinensisLour为主，A2）、无植被生长的盐碱地（A3）、种植3a的生态防护林地（沙枣树Elaeagnusangustifolia为主要建群种，A4）、耕种3a（B1）、5a（B2）、10a（B3）的农田及耕种5a的菜园地（B4）．按“S”型采样法，挖取深度为40cm的土壤剖面，按0～20cm和20～40cm土层取样．每种样地，分别从不同的地块上挖取6个土壤剖面，每样重复3次，每层共取样18个．采集的土样在实验室内自然风干，分散，过1mm筛，按水土比5∶1配置土壤浸提液．用残渣烘干法测定可溶性总盐含量；用数字式酸度计测定pH值；用K2Cr2O7容量法测定有机质含量；用半微量开氏法测定全氮；用硫酸－高氯酸消煮－钼锑抗比色法测定全磷；用碱解－扩散法测定碱解氮；用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定速效磷；用1mol•L－1乙酸铵浸提－火焰光度法速效钾；采用双指示剂－中和滴定法测定CO2－3和HCO－3；采用硝酸银滴定法测定Cl－；采用源自吸收分光光度法测定Ca2＋和Mg2＋；采用火焰光度法测定K＋和Na＋；采用硫酸钡质量法测定SO2－4．按美国制土壤分类标准分析土壤颗粒组成．分析测定由中国科学院新疆生态与地理研究所土壤理化分析实验室的专业人员完成．土壤有机碳含量源自于土壤有机质含量，其计算方法如下［27］：OM（％）＝C（％）×1．724（1）则，C（％）＝OM（％）×0．58（2）式中：OM为土壤有机质（％）；C为土壤有机碳（％）． 本文运用单因素方差分析、F检验法、综合指数法、聚类分析及相关分析等方法进行分析土地利用变化对土壤特性的影响．所有图表的绘制及数据的分析在Excel2003、DPS8．01及SPSS13．0软件上进行．利用综合指数的计算形式，定量地对某现象进行综合评价的方法，称为综合指数法（syntheticin－dex）．综合指数I较为复杂，没有统一的表达形式，一般根据实际问题确定计算模式，并可表示为各个指标的相加或相乘，如取相加，则有［28］：I＝1n∑m1y或I＝∑ki＝1∏lj＝1yij（3）式中：I为综合指数；y为个体指数；m为指标数；n为分组数；k为指标类别数；l为各类内的指标数． 3结果与分析 3．1土壤理化性质及盐分特征 绿洲－沙漠交错带各土地利用类型土壤（0～40cm土层）主要组成为极细砂（表1），其平均含量在63％～66％之间变化；其次为细砂，含量远低于前者，大体在19％～22％之间波动．按粒度的平均值衡量，土壤质地上层（0～20cm）和下层（20～40cm）没有显著差异．按照美国制土壤分类标准，属于砂土．土壤pH值＞8．0．据土壤肥力分类标准［29］，有机质平均含量在24～32g•kg－1之间，属于2～3级，为中上水平，有利于作物生长，但全磷含量（0．71～0．85g•kg－1）较低．上层土壤养分（除全钾外）均高于下层土壤，而且除有机质和全钾外上层和下层土壤养分元素均具有P＜0．05信度水平的显著性差异．按照土壤盐渍化分类标准，属于强盐渍土［30］．上层土壤盐分及其离子含量普遍大于下层土壤，但其含量不具有显著性的差异．#p#分页标题#e# 3．2土地利用变化对土壤机械组成的影响 不同的土地利用类型的上层、下层土壤的粉砂含量均具有显著性差异（表2），而极细砂和细砂的差异性不显著．上层土壤机械组成的变异系数均小于下层．同时，各土地利用系统上层土壤的粉砂和极细砂含量基本高于下层土壤，可能是由于上层土壤易受到外界自然因素（如风蚀、动物活动及植物根系等）和人为因素（如放牧、耕种等）的影响．受人类干扰活动较强的耕种3a及以上的农田和菜园地较无人类耕种活动的荒草地、盐碱地、天然灌木林地和人类干扰活动较弱的3a防护林地粉砂和极细砂（0～40cm土层）的平均增加率分别为31．59％和9．50％，而且粉砂含量以人类耕种时间较长、干扰强度较大的10a地最高；而细砂表现出与之相反的分布态势，平均减少率为17．60％．这反映出人类活动干扰的时间与强度对土壤机械组成的影响． 3．3土地利用变化对土壤养分和pH值的影响 3．3．1土壤养分和pH值的统计特征 土地利用变化对土壤养分（有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾）和土壤pH值的变化有着较大的影响（表3）．而且，不同土地利用系统的上层和下层土壤的有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾和上层土壤的全磷和pH值均具有显著的差异性土壤pH值在无人类耕作活动干扰的荒草地、天然灌木林地和盐碱地（＞8．34）明显高于有人类活动干扰的土地利用类型（＜8．33）．其中，盐碱地pH值最高（＞8．5），碱性较强．在有人类活动干扰的土地利用类型中，多年生防护林地、5a菜园地和10a农田地的土壤pH值明显低于耕种时间（≤5a）较短的一年生作物农田，一方面与植被特性有关；另一方面与人类活动干扰的时间、强度及管理方式（如：有机肥施用量、灌溉量等）有关．荒草地、盐碱地、防护林地和3a农田地有机质（表层＞35g•kg－1）、全氮（表层＞2．6g•kg－1）及碱解氮（表层＞125g•kg－1）的分布状况较为一致，且含量较高．荒草地和盐碱地反映了研究区土壤养分的背景值．因此，在养分循环尚未开始，人类活动干扰时间较短的防护林地和3a农田地的有机质和全氮含量高，仅是在土壤养分背景值较高条件下的延续．而后随着耕作时间的延长，对土壤养分的消耗进一步加大，5a农田地及菜园地有机质、全氮及碱解氮含量降低．但随着耕作时间的进一步加长，养分循环系统的功能逐步完善，10a地农田有机质、全氮及碱解氮含量逐渐升高．全磷在天然灌木林地和盐碱地含量明显高于其他土地利用类型，但其他土地利用类型的全磷含量相差不大．而全钾的分布则相反，并且在农田中，随着耕作时间的加长，全钾含量逐渐增加．菜园地的全钾含量最高，这与其有机肥施用量高有关．速效磷和速效钾在盐碱地和灌木林地含量最高，荒草地和防护林地次之，农田及菜园地含量较低．但菜园地速效磷含量明显高于其他农田． 3．3．2不同土地利用系统的土壤养分评价 为进一步明确土地利用变化对土壤养分的影响，特引入土壤养分指数．所谓土壤养分指数，是以土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾等土壤养分监测数据计算出的无量纲相对数，用来反映土壤养分的综合状况．利用综合指数法［28］，对各土地利用系统的土壤养分进行综合评价，进而求出其土壤养分指数（图1）．不同土地利用系统的土壤养分指数高低变化依次为：盐碱地＞生态防护林地＞荒草地＞天然灌木林地＞10a农田地＞5a菜园地＞3a农田地＞5a农田地．首先，采用欧式距离法将各土地利用类型的土壤养分指数聚类分析成4类（图2），然后依据土壤养分指数大小依次将各土地利用类型的土壤养分类别划分为4个等级：1级为盐碱地，属于最高等级；2级为生态防护林地、荒草地和天然灌木林地；3级为10a农田、5a菜园地和3a农田地；4级为5a农田地，属于最低等级．由于盐碱地无任何植被生长，并没有产生新的养分循环系统，而它的土壤养分等级最高，说明研究区在1970年代次生盐渍化发生之前土质肥沃，较适合作物生长．养分等级为二级的生态防护林地、荒草地和天然灌木林地均源自于盐碱地，且受人类活动影响少，故其延续了高养分背景值的特点．有人类耕作活动干扰的土地利用类型，在新的养分循环系统的功能较低（≤5a）时［31］，耕作时间越长，对背景值养分的消耗量越大，养分等级就越低．因此，3a农田地的养分等级高于5a农田地．但随着耕作时间的延长（＞5a），新的养分循环系统的功能不断加强，土壤养分的等级逐渐提高．所以，10a农田地的土壤养分等级高于5a农田地．另外，由于菜园地的耕作、管理方式不同，土壤养分等级高于与其耕作时间相同的农田地． 3．4土地利用变化对土壤盐分的影响 土地利用变化对土壤总盐含量及其离子组成的影响显著（表4）．而且，各土地利用类型的上层和下层土壤总盐及离子（HCO－3、Cl－、SO2－4、Ca2＋、Mg2＋、K＋和Na＋）含量均具有显著的差异性．未受人类活动影响的各土地利用类型（盐碱地、荒草地和天然灌木林地）上层总盐含量明显高于下层，且上下两层总盐含量较高（＞26g•kg－1）；而有人类活动干扰的各土地利用系统，上层总盐含量低于下层，且总盐含量较低（农田、菜园地小于2．5g•kg－1，生态防护林地小于18g•kg－1）．表明人类活动对土壤盐分的空间分布有着重要影响．在有人类活动干扰的土地利用系统中，人类活动干扰强度大的农田，随着耕作时间的延长，其总盐含量逐渐减少．另外，人类对5a菜园地特殊的耕作方式，使其总盐含量低于农田（≤10a）．说明人类活动干扰时间越长、强度越大，土壤含盐量越小，这与他人的研究结论一致［25，32］．生态防护林地总盐含量最高，这是因为人类仅对其进行每年1～2次的灌溉，洗盐量小，并未有深翻犁地等活动，对其干扰时间和强度较小．从变异系数来看，Cl－、SO2－4、Mg2＋和Na＋的变异性（CV＞1．0）最大，为强变异性．Ca2＋和K＋离子（CV＜1．0）次之，为中等（偏强）变异性．HCO－3离子（CV＜0．35）的变异性最小，为中等（偏弱）变异性．#p#分页标题#e# 3．5土壤盐分与其组成离子相关性分析 为进一步了解土地利用变化过程中，土壤盐分与其组成离子之间的变化关系，分别对其进行了相关分析．土壤总盐与Cl－、SO2－4、Ca2＋、Mg2＋、K＋和Na＋离子均呈极显著正相关性，而仅与HCO－3离子呈显著负相关性（表5）．而HCO－3易发生水解反应，其含量越高，碱性越强．表明土壤总盐与碱性呈反比．另外，HCO－3与Cl－、SO2－4、Ca2＋和Na＋离子均呈显著负相关性，而与Mg2＋和K＋离子相关性较差．Cl－与SO2－4、Ca2＋、K＋和Na＋离子（极显著正相关）的相关性要好于与Mg2＋离子（显著正相关）的相关性．SO2－4与其他阳离子（Ca2＋、Mg2＋、K＋和Na＋）均呈现极显著正相关性．阳离子（Ca2＋、Mg2＋、K＋和Na＋）之间，除Ca2＋与Mg2＋、Mg2＋与K＋离子呈显著正相关外，其他两两之间均呈极显著正相关性． 3．6不同土地利用类型的退化评价 为了定量描述土地利用变化引起的土壤退化程度，本文引进了土壤退化指数［33］．土壤退化指数的计算首先是以某种土地利用类型作为基准，假设其他的土地利用类型都是由作为基准的土地类型转变而来的；然后计算土壤各个属性在其他土地利用类型与基准土地利用类型之间的差异（以百分数％表示），最后将各个属性的差异求和平均，从而得到各土地利用类型的土壤退化指数．具体公式如下［22］：式中：DI为土壤退化指数；p1′，p2′，…，pn′为基准土地利用类型下土壤属性1，属性2，…属性n的值；p1，p2，…，pn为其他土地利用类型下土壤属性值；n为选择的土壤属性数．土壤退化指数可以为正数也可以为负数，负数表明土壤退化，正数表明土壤不仅没有退化，而且质量还有所提高．本文以无植被生长的盐碱地作为基准的土地利用类型，其上层土壤属性为基准值进行计算各土地利用类型的土壤退化指数．选择的土壤属性包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾．研究区5a农田地的土壤退化指数（－30．58％）最低（图3），表明其退化程度最高，且与盐碱地相比退化程度显著（通过P＜0．05水平下显著性检验）．而其他各土地利用类型的土壤退化指数均大于－21％，且与盐碱地相比退化不显著．另外，受人类活动干扰强度较小的荒草地、天然灌木林地和生态防护林地的退化指数明显高于人类活动干扰强度大的农田和菜园地．一方面表明农田退化速率高于耕种相同时间的菜园地；另一方面说明人类活动干扰的强度与土壤退化密切相关． 4结论 （1）研究区土壤主要由极细砂和细砂组成，其含量在不同土地利用类型下的差异性不显著，但粉砂含量的差异性显著（P＜0．05）．各土地利用类型的粉砂和极细砂含量与土层深度成反比，与人类活动干扰的时间、强度成正比．而细砂的分布规律与之相反．（2）土地利用类型对土壤养分和pH值的影响显著．不同土地利用类型的土壤养分指数由大到小依次为：盐碱地＞生态防护林地＞荒草地＞天然灌木林地＞10a农田＞5a菜园地＞3a农田＞5a农田．有人类活动干扰的土地利用类型的土壤pH值（＜8．33）明显低于无人类活动干扰的土壤（＞8．34）．（3）人类活动对土壤盐分的干扰，主要表现在空间和时间序列中．无人类活动干扰的土地利用类型的上层（0～20cm）土壤含盐量高于下层（20～40cm），且含量（上、下层平均为35．60g•kg－1、25．93g•kg－1）高；而有人类活动干扰的土壤盐分分布规律相反．（4）土地利用变化的过程中，土壤盐分与Cl－、SO2－4、Ca2＋、Mg2＋、K＋和Na＋离子均呈极显著正相关性，而与HCO－3离子呈显著负相关性．除HCO－3与Mg2＋、K＋相关性较差外，其他各离子之间相关性均较好．（5）与盐碱地相比，5a农田地退化显著（通过P＜0．05水平下显著性检验），而其他土地利用类型退化不显著．