新疆昌吉州耕地开垦轨迹对土壤肥力变化的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

许咏梅^,¹, 周黎明², 张兆彤^,³^,⁴

1.新疆农科院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091

2.昌吉州农业技术推广中心,昌吉 831100

3.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101

4.中国科学院大学,北京 100049

Effect of cultivated land reclamation tracks on soil fertility changes in Changji Prefecture, Xinjiang

XU Yongmei^,¹, ZHOU Liming², ZHANG Zhaotong^,³^,⁴

1. Institute of Soil, Fertilizer and Agricultural Water Reduction, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China

2. Agricultural Technology Extension Center of Changji City, Changji 831100, Xinjiang China

3. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 张兆彤（1994-）,女,山东济南人,博士研究生,主要从事土地利用变化及其环境效应研究。E-mail: zhangzt.19b@igsnrr.ac.cn

收稿日期:2020-09-4接受日期:2021-02-9网络出版日期:2021-03-10

基金资助:

国家自然科学基金项目.41561070
国家重点研发项目.2017YFD0201506

Received:2020-09-4Accepted:2021-02-9Online:2021-03-10
作者简介 About authors
许咏梅（1973-）,女,广东潮州人,博士,研究员,主要从事农业资源高效利用研究。E-mail:xym1973@163.com

摘要
定量刻画区域尺度耕地开垦轨迹（初始地类、初始土壤类型和耕作年限）对土壤肥力变化的影响,对指导区域农业施肥管理措施、提高农田土壤肥力具有重要意义。本文以新疆昌吉州为研究区,通过叠加5期土地利用数据来识别耕地开垦轨迹,基于1980年和2018年两期大量样点数据,分析耕地开垦前的土地利用方式和土壤类型以及开垦后耕作年限的差异对土壤肥力变化的影响。结果表明：① 1980—2018年间新开垦耕地面积的90.12%来源于草地,9.88%来源于未利用地。在此期间除碱解氮含量降低之外,其他土壤肥力指标含量均增加。② 高覆盖度草地被开垦会造成土壤有机质的损失,草地（高、中、低覆盖度草地）和未利用地（盐碱地和裸土地）被开垦会降低土壤碱解氮含量,增加有效磷和速效钾含量。③ 随耕作年限增加,土壤有机质呈现缓慢的增加态势并逐步趋于平稳;而速效养分含量短期内增加,当耕作年限达到中长期（19~28年）后趋于稳定或开始下降,存在阈值效应。④ 草地开垦造成的有机质损失在耕作年限达到中长期之后逐渐得以恢复。草地和未利用地开垦造成的碱解氮损失在耕作38年之后仍未得到恢复。⑤ 初始土壤类型为草甸土和灌漠土的现状土壤肥力较高,棕钙土和灰漠土的肥力较低。建议随耕地经营年限的增加,合理配比氮磷钾肥,改善重氮肥轻磷钾肥的现状,增加磷钾肥施用量,少量多次施用氮肥。
关键词： 新疆昌吉州;耕地开垦轨迹;土壤肥力;土地利用方式

Abstract

It is meaningful for guiding regional agricultural fertilization management measures and improving farmland soil fertility to quantitatively describe the impact of cultivated land reclamation tracks on soil fertility changes at a regional scale. This study identified the cultivated land reclamation tracks by superimposing multiple periods of land use data based on a large number of sample data in 1980 and 2018, to analyze the effects of initial land use and soil types and cultivation years on soil fertility changes in Changji Prefecture, Xinjiang. The result were as follows: (1) Among the current cultivated land in 2018, 90.12% of the original land type was grassland, and 9.88% of the original land type was unused land. The content of other soil fertility indexes increased except for the decrease of available nitrogen (AN) content. Except for soil organic matter (SOM), the spatial variability of other indicators increased. (2) The SOM content reduced because of the reclamation of high-coverage grassland. The reclamation of grassland and unused land would reduce AN content. (3) With the increase of cultivation years, SOM showed a slow increase and gradually stabilizes; while the available nutrient content increased in a short period of time, and stabilized or began to decrease after reaching a certain number of years because of the threshold effect. (4) The loss of SOM caused by grassland reclamation gradually recovered after the cultivation period reached the medium-long term. The SOM content of current cultivated land that the original land type was unused land was always positive. The loss of AN caused by reclamation of grassland and unused land had not been recovered after 38 years of cultivation. (5) The plots with the initial soil types of meadow soil and shrub desert soil had higher nutrient content, and brown calcium soil and gray desert soil had lower nutrient content. The SOM content of current cultivated land that the original soil type was meadow soil decreased. Therefore, it is recommended that the application ratio of fertilizer should be reasonably adjusted, and the potassium fertilizer should be increased. In addition, nitrogen fertilizer should be applied in low intensity and high frequency.

Keywords：Changji Prefecture,Xinjiang;land reclamation track;soil fertility;land use type

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本文引用格式
许咏梅, 周黎明, 张兆彤. 新疆昌吉州耕地开垦轨迹对土壤肥力变化的影响. 地理研究[J], 2021, 40(3): 657-672 doi:10.11821/dlyj020200849
XU Yongmei, ZHOU Liming, ZHANG Zhaotong. Effect of cultivated land reclamation tracks on soil fertility changes in Changji Prefecture, Xinjiang. Geographical Research[J], 2021, 40(3): 657-672 doi:10.11821/dlyj020200849

1 引言

耕地开垦会改变土壤环境,影响土壤养分的存储、分解与转化^[1]。耕地开垦前的初始土地利用类型直接决定植被残留物和根系分泌物的多少,并间接影响土壤中有机物质的分解矿化作用和速效养分的吸收利用^[2]。耕地开垦后的耕作年限代表农业活动的持续时间,持续的施肥和灌溉等活动可以通过改变土壤的温度和湿度、作物生长状况、作物残茬的数量和质量来影响土壤养分的流动与转换^[2,3]。此外,土壤类型决定土壤质量以及耕作的难易程度,从而影响土壤肥力。因此,探究耕地开垦前的土地利用类型和土壤类型以及耕地开垦后耕作年限对土壤肥力变化的差异化效应,为干旱区发展精准农业以及制定合理的农田管理措施提供科学参考^[3]。

国内外****针对林地、草地、荒地、盐碱地开垦成耕地之后土壤肥力的变化做了一系列研究^{[4,5,6,7,8,9,10]},研究表明天然林地和草地被开垦成耕地之后土壤有机质和速效养分含量会下降^[4,5,6,7],而荒地和盐碱地开垦成耕地后,土壤有机质和速效养分含量显著增加^[8,9,10,11]。此外,土壤肥力随着耕作年限的增加呈现出来的变化趋势也不尽相同。杨玉海^[1]研究发现开垦自荒地的耕地土壤的耕作年限越长则有机质和速效养分含量越高。张晓东^[3]的研究得出开垦土壤有机质和速效养分含量在短期内提高,长期（开垦年限>13年）则下降的结论。而谷海斌^[12]研究发现各土壤肥力指标在开垦后短期内降低,而长期耕作后逐渐上升。

以往关于耕地开垦对土壤肥力影响的研究多基于点位尺度开展,如将少量样本点导入Google Earth后利用遥感影像确定耕作年限^[13],或者采用查找资料、实地考察的方法^[1,3,12,14]来推测耕作年限,通过这些方法确定耕作年限的不足之处在于样本量偏少,难以准确揭示较大尺度范围内耕地开垦对土壤肥力影响的一般规律。再者,以往研究的样品数据多为一期,应用空间代替时间的方法来研究不同耕作年限的现状土壤肥力状况^{[1,3,8,12,14]},缺乏基于大量样点对区域尺度不同时段土壤肥力变化的探讨。

鉴于此,本文以新疆昌吉州为研究区,选取1980年和2018年分布于整个区域耕地上位置基本相近的两期土壤样点数据共1480个（每期740个）,同时利用5期土地利用图叠加来识别区内所有耕地的开垦轨迹,在区域尺度上探究初始土地利用类型和土壤类型以及耕作年限对耕地土壤肥力动态的影响,以期为干旱区耕地土壤肥力提高和可持续利用提供科学参考。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

研究区为昌吉回族自治州,隶属新疆维吾尔自治区,位于天山北麓、准噶尔盆地东南缘。日照和热量充足,夏季降水多于冬季,南部降水高于北部。地势南高北低,自南向北依次为山地、冲积平原和沙漠盆地。土壤分布具有明显的地带性特点,沿纬度分布最为明显,土壤带大多数呈东西方向的条带状分布。

2.2 数据收集与处理

本研究所用的5期土地利用数据（包括1980年、1990年、2000年、2010年和2018年）和中国1:100万土壤类型空间分布数据均来源于资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn/）。土地利用类型包括6个一级类型和25个二级类型。考虑到土地利用数据的可获取性,本文将1980年设定为耕地开垦的初始时间。

本研究涉及的耕地土壤肥力指标包括土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾,共有1980年和2018年两期样点数据。其中2018年土壤样点数据来源于昌吉州农技推广中心土肥站,样点数量总数为893个。去除缺少数据以及数据异常的样点之后,最终选取有效土壤样点数740个,不同的初始土地利用类型和土壤类型以及耕作年限的土壤样品数量统计见表1。1980年的土壤样点数据来源于面向陆面模拟的中国土壤数据集（http://www.ncdc.ac.cn/portal/）,使用ArcGIS软件在土壤数据集中提取与2018年位置相同的740个样点的4项土壤肥力指标的值,以便与2018年的数据进行比较分析（图1）。

Tab. 1
表1
表1研究区土壤样点数量
Tab. 1Number of soil samples in research area

耕地开垦历史初级分类	耕地开垦历史具体分类	样点数
初始土地利用类型	耕地	503
	高覆盖度草地	26
	中覆盖度草地	50
	低覆盖度草地	126
	盐碱地	15
	裸土地	20
耕作年限	参考地块（1980年之前开垦为耕地）	503
	长期（29~38年）	51
	中长期（19~28年）	106
	中期（9~18年）	36
	短期（1~8年）	44
初始土壤类型	栗钙土	60
	棕钙土	35
	灰漠土	260
	风沙土	22
	草甸土	56
	潮土	174
	盐土	68
	灌漠土	65

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图1

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图1昌吉州2018年耕地样点布设

注：此图基于新疆维吾尔自治区自然资源厅标准地图（审图号：新S（2019）060号）绘制,底图无修改。
Fig. 1Layout of the sampling points at Changji Prefecture in 2018

2.3 研究方法

本研究的总体流程是：以昌吉州2018年耕地范围作为研究区域,首先与1980年土地利用图相叠加,确定耕地开垦前的初始土地利用类型;其次通过不同时间节点的土地利用图相叠加来量化耕地开垦轨迹,确定耕作年限;然后将2018年耕地范围与1:100万土壤类型空间分布数据叠加,确定耕地开垦前的初始土壤类型;探讨不同初始土地利用类型、耕作年限和初始土壤类型对4项土壤肥力指标现状含量及变化量的影响。

2.3.1 确定耕地开垦前的初始土地利用类型和土壤类型将2018年耕地范围与1980年土地利用图相叠加得出耕地开垦前的土地利用类型。耕地开垦前的初始土地利用类型包括草地、未利用地、林地、水域和建设用地,其中后三种地类的面积较小,且空间过于分散,所以本研究只针对初始土地利用类型为草地和未利用地的耕地进行分析。

将2018年的耕地范围与1:100万土壤类型空间分布数据相叠加可以得到耕地开垦之前的初始土壤类型。

2.3.2 量化耕地开垦历史轨迹为了在区域尺度上辨识所有耕地的开垦轨迹,本文借鉴将不同时间节点的土地利用图叠加来识别耕地开垦历史的方法^[2]。即根据1980—2018年期间5期土地利用数据,通过以下公式确定耕地开垦历史。

（1）LUCT={Luc_t₁, Luc_t₂, ……, Luc_tn}

式中：LUCT为土地利用变化轨迹;Luc_t₁,Luc_t₂和Luc_tn表示在t1,t2和tn时间节点的土地利用类型。本研究有五个时间节点：t1=1980年,t2=1990年,t3=2000年,t4=2010年,t5=2018年,将1980年设为本研究的初始时间。

Luc1980=耕地表示该地块在1980年之前被开垦成耕地,这些耕地被标记为参照地块。之后再与1990年、2000年和2010年的土地利用图叠加,通过比较各时间节点的土地利用类型,识别发生在草地和未利用地上（Luc1980=草地和未利用地）的耕地开垦历史。使用此方法可以将耕地的耕作年限分为以下5类：参照地块（1980年之前开垦）、长期（29~38年）、中长期（19~28年）、中期（9~18年）、短期（1~8年）。例如{草地,草地,草地,耕地,耕地}的耕地开垦轨迹为2001—2010年期间,土地利用类型为草地的地块被开垦成耕地,耕地耕作年限为中期（9~18年）。此外,有些区域在1980—2018年期间不止发生过一次土地利用变化（即存在开垦-弃耕-再开垦的情况）,这些区域的空间分布可以用上述的方法确定,由于涉及到多次土地利用变化导致耕作年限较难确定,所以本研究没有将这些区域考虑在内。

2.3.3 统计分析通过SPSS 25.0统计软件对1980年和2018年的耕地土壤4项肥力指标数据进行描述性统计分析。同时使用单因素方差分析和多重比较（P<0.05）对各土壤肥力指标进行差异性显著检验。

3 结果分析

3.1 耕地开垦历史分析

1980—2018年间开垦的耕地面积90.12%来源于草地,9.88%来源于未利用地。由草地开垦而来的耕地面积为2377.47 km²,其中高、中和低覆盖度草地的面积分别为165.36 km²、669.65 km²和1542.47 km²。由未利用地开垦成耕地的面积260.75 km²,其中盐碱地108.10 km²,裸土地152.65 km²（图2a）。

图2

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图2耕地开垦历史空间分布

注：此图基于新疆维吾尔自治区自然资源厅标准地图（审图号：新S（2019）060号）绘制,底图无修改。
Fig. 2Spatial distribution of the agricultural reclamation histories

根据公式（1）的空间识别方法对昌吉州耕地不同地块的耕作年限进行分析,结果表明：1980年之前开垦成耕地（参照地块）的区域面积为4786.36 km²,占耕地总面积的64.76%。1980年之后开垦的耕地面积占耕地总面积的35.24%,其中耕作年限为短期、中期、中长期和长期的耕地面积分别为918.29 km²、302.75 km²、861.49 km²和555.69 km²（图2b）。

在耕地开垦之前的初始土壤类型中面积最大的是灰漠土,为2654.07 km²,其次是潮土,为1204.83 km²,风沙土的面积最小,仅为213.84 km²（图2c）。

3.2 土壤肥力现状与变化

分别对昌吉州1980年和2018年各740个土壤样点的肥力指标进行描述性统计分析,结果表明（表2,见第662页）：1980—2018年期间,土壤有机质的变异系数由41.71%降低至36.69%,空间变异性逐渐降低,空间分布逐渐趋向均一化。土壤碱解氮、有效磷和速效钾的变异系数分别由36.13%、48.06%和43.35%增加至68.69%、48.26%和52.76%,表明土壤中速效养分的空间变异性逐渐上升,空间分布变得更加不均匀。在上述4个指标中,土壤有机质的变异系数较小,受施肥、灌溉等人为干扰或外来作用的程度较小,为相对稳定的指标。

Tab. 2
表2
表2土壤肥力指标描述性统计分析
Tab. 2Descriptive statistics analysis results of soil nutrient indicators

指标	时期	平均值	标准差	变异系数
有机质（g/kg）	1980年	10.54	4.40	41.71%
有机质（g/kg）	2018年	18.59	6.82	36.69%
碱解氮（mg/kg）	1980年	71.61	25.87	36.13%
碱解氮（mg/kg）	2018年	66.44	45.64	68.69%
有效磷（mg/kg）	1980年	7.50	3.60	48.06%
有效磷（mg/kg）	2018年	26.46	12.77	48.26%
速效钾（mg/kg）	1980年	238.21	103.26	43.35%
速效钾（mg/kg）	2018年	320.62	169.16	52.76%

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2018年昌吉州耕地土壤有机质含量平均值为18.59 g/kg,属第4等级（表3）,低于全国耕地24.30 g/kg的平均水平,整体含量偏低。土壤碱解氮、有效磷和速效钾的平均含量分别为66.44 mg/kg（第4级）、26.46 mg/kg（第2级）和320.62 mg/kg（第1级）。

Tab. 3
表3
表3全国第二次土壤普查养分分级标准
Tab. 3Nutrient classification standard of the second national soil survey

养分名称	单位	分级
养分名称	单位	1	2	3	4	5	6
有机质	g/kg	≥ 40	30~40	20~30	10~20	6~10	<6
碱解氮	mg/kg	≥ 150	120~150	90~120	60~90	30~60	<30
有效磷	mg/kg	≥ 40	20~40	10~20	5~10	3~5	<3
速效钾	mg/kg	≥ 200	150~200	100~150	50~100	30~50	<30

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1980—2018年期间,全国耕地有机质含量由19.80 g/kg^[15]增加至24.30 g/kg,年均增长率为0.60%。研究区内土壤有机质含量由10.54 g/kg增加至18.59 g/kg,年均增长率为2.01%,高于全国平均水平。土壤速效养分中有效磷含量平均值由7.50 mg/kg增加至26.46 mg/kg,等级由第5级上升至第2级,增加幅度较大;速效钾含量由238.21 mg/kg增加至320.62 mg/kg。土壤碱解氮含量略有下降,由71.61 mg/kg减少至66.44 mg/kg,主要因为昌吉州气候干燥,降水稀少,氮肥极易挥发,此外灌溉量相对较大也会导致土壤中氮素的流失。

3.3 初始土地利用类型对土壤肥力的影响

3.3.1 初始土地利用类型对现状土壤肥力的影响初始（1980年）土地利用方式不同会对现状（2018年）耕地土壤的养分含量产生影响（图3,见第663页）。总体来看,1980年之前被开垦的耕地的现状土壤总体肥力状况显著高于1980年之后被开垦的耕地,在草地上开垦耕地的现状土壤总体肥力高于在未利用地上开垦的耕地。

图3

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图32018年不同初始土地利用方式的土壤肥力指标含量

注：相同字母表示不同初始土地利用类型的土壤肥力指标含量之间无显著性差异
Fig. 3Soil nutrient contents of different initial land use types in 2018

1980年之前被开垦的耕地的现状土壤拥有较高的有机质含量（19.36 g/kg）,仅次于初始土地利用方式为高覆盖度草地的地块,显著高于其他4类初始土地利用方式。在盐碱地上开垦的耕地的现状土壤有机质含量最低,为12.62 g/kg。

初始地类为高覆盖度草地的地块碱解氮含量最高,其次为中覆盖度草地,初始地类为盐碱地的地块碱解氮含量最低。土壤有效磷和速效钾含量的土地利用方式排序大体一致,均是1980年之前被开垦耕地的现状土壤拥有最高的有效磷含量和速效钾含量,与1980年后开垦的耕地存在显著性差异（P<0.05）,其次为高覆盖度草地,盐碱地的含量最低。

3.3.2 初始土地利用方式对土壤肥力变化的影响基于不同的土地利用初始状态分析1980—2018年两期耕地土壤样品数据,发现1980年之前已经开垦成耕地的土壤在1980—2018年期间有机质含量增加8.48 g/kg,速效养分中有效磷和速效钾增加,而碱解氮的含量降低1.20 mg/kg。此外,初始土地利用方式不同,会导致未来一段时间土壤肥力指标含量的变化存在较大差异（图4,见第664页）。总体来看,开垦会造成土壤中的有机质和碱解氮含量的损失,却使有效磷和速效钾含量增加。

图4

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图41980—2018年不同初始土地利用方式的土壤肥力指标含量变化值

Fig. 4Change of soil nutrient contents with different initial land use types between 1980 and 2018

由高覆盖度草地开垦成的耕地,其土壤有机质含量降低。而由其他4种地类开垦成耕地的土壤有机质含量均增加,其中盐碱地的增加值高于其他地类,中覆盖度草地的增加值最低。总体来看,未利用地开垦成耕地后的土壤有机质增加幅度大于草地。

对于速效养分来说,耕地开垦会造成碱解氮的损失以及有效磷和速效钾的增加。1980年之后开垦的耕地中,使碱解氮含量降低幅度最大的初始地类是高覆盖度草地,最小的是裸土地。使有效磷和速效钾含量增加幅度最大的初始地类是高覆盖度草地。

3.4 耕作年限对土壤肥力的影响

3.4.1 耕作年限对现状土壤肥力的影响将1980年之前已开垦为耕地的地块作为参照地块,1980年之后开垦成耕地的地块根据耕作年限的不同分为长期（耕作年限为29~38年）、中长期（耕作年限为19~28年）、中期（耕作年限为9~18年）、短期（耕作年限为1~8年）。对不同耕作年限的土壤肥力进行分析后发现,开垦后农田经营在短期内有利于提高土壤肥力,而长期耕作则造成土壤肥力趋于稳定甚至降低。当耕作年限相同时,由草地开垦而来的耕地土壤肥力状况优于未利用地上开垦的地块。

土壤有机质含量在开垦初期增加迅速,耕作年限为中长期后趋于稳定（图5,见第 665页）,但始终显著低于参照地块的含量（19.36 g/kg）,这表明1980年之前开垦的耕地是自然条件最好的土地。

图5

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图52018年不同耕作年限的土壤肥力指标含量

Fig. 5Soil nutrient contents of different cultivation years in 2018

对于土壤速效养分来说,1980年之后开垦的耕地的速效养分含量低于参照地块的含量,耕地开垦后速效养分含量会在短期内增加迅速,耕作年限为中长期时达到顶峰,之后趋于平稳或者降低。不同的是土壤碱解氮和速效钾含量在中长期之后开始下降,而有效磷含量则趋于稳定。

3.4.2 耕作年限对土壤肥力变化的影响比较1980年与2018年的土壤肥力数据发现,草地开垦造成的有机质损失在耕作年限达到中长期之后逐渐得以恢复。草地和未利用地开垦造成的碱解氮损失在耕作38年之后仍未得到恢复。

由草地开垦成的耕地土壤有机质变化量在开垦初期为负值,耕作年限达到中长期之后变为正值,有机质损失开始逐渐得以恢复。由未利用地开垦而来的耕地土壤有机质含量变化值一直为正值（图6,见第666页）。

图6

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图61980—2018年不同耕作年限的土壤肥力指标含量变化值

Fig. 6Change of soil nutrient contents with different cultivation years between 1980 and 2018

对于耕地土壤速效养分来说,碱解氮含量变化值一直为负值,在开垦38年之后,全部地块的碱解氮变化量仍为负值（-1.20 mg/kg）,氮素的流失量始终高于施加量。有效磷变化值一直为正值,在开垦短期内增加,耕作年限达到中长期之后降低,主要是因为随着耕作年限的增加,磷肥施加量的增加率有所降低。土壤速效钾的变化量在开垦短期内为负值,耕作年限达到中期之后开始转为正值。

3.5 初始土壤类型对土壤肥力的影响

3.5.1 初始土壤类型对现状土壤肥力的影响初始（1980年）土壤类型不同会对现状（2018年）耕地土壤的肥力产生影响（见图7,见第667页）。初始土壤类型为灌漠土的地块现状土壤有机质含量最高（21.72 g/kg）,其次为草甸土（21.58 g/kg）,含量最低的为棕钙土（16.36 g/kg）,棕钙土与其他土壤类型存在显著性差异（P<0.05）。初始土壤类型为草甸土和灌漠土的地块现状土壤碱解氮和速效钾含量较高,灰漠土的含量较低。初始土壤类型为潮土的地块有效磷含量最高（32.13 mg/kg）,其次为盐土（31.53 mg/kg）,含量最低的为棕钙土（21.61 mg/kg）。

图7

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图72018年不同初始土壤类型的土壤肥力指标含量

Fig. 7Soil nutrient contents of different initial soil types in 2018

3.5.2 初始土壤类型对现状土壤肥力变化的影响基于不同的土壤类型初始状态分析1980—2018年两期耕地土壤样品数据,发现初始土壤类型为草甸土的地块在1980—2018年期间有机质含量降低了1.56 g/kg,与其他土壤类型差异显著（P<0.05）,其他地块的有机质含量均呈增加趋势,其中风沙土的增加值最高,灌漠土的增加值最低（图8,见第 668页）。

图8

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图81980—2018年不同初始土壤类型的土壤肥力指标含量变化值

Fig. 8Change of soil nutrient contents with different initial soil types between 1980 and 2018

初始土壤类型为栗钙土、灰漠土、潮土和盐土的碱解氮含量在1980—2018年期间降低,其中灰漠土的降低值显著高于其他土壤类型,棕钙土、风沙土、草甸土和灌漠土的碱解氮含量增加,棕钙土的增加值显著高于其他土壤类型。随着耕地开垦之后土壤的演变与熟化,所有地块的有效磷含量均增加,其中增加值最高的是风沙土（22.45 mg/kg）,增加值最低的是棕钙土（12.03 mg/kg）,均与其他土壤类型存在显著性差异（P<0.05）。初始土壤类型为风沙土的地块在1980—2018年期间速效钾含量降低,其他地块的速效钾含量均增加。

4 讨论

多数传统方法在研究土壤肥力变化时,会建立一个或数个典型样地^[1,3,8,9],以典型样地的土壤肥力变化规律来推断某一区域的一般规律,但存在较大的不确定性。本文以研究区域奇台县、呼图壁县、阜康市和吉木萨尔县各125、136、65和94个耕地土壤样点为典型样地区,分析其初始土地利用方式对土壤养分变化的影响,并与昌吉州整个区域情况进行比较,结果发现：1980—2018年期间,奇台县内开垦自草地和未利用地的耕地碱解氮含量的变化值分别为23.47 mg/kg和16.21 mg/kg,均为正值;呼图壁县分别为-31.47 mg/kg和4.77 mg/kg,吉木萨尔县分别为12.08 mg/kg和-49.34 mg/kg,这与整个昌吉州碱解氮含量变化值为负值的一般规律不一致（表4,见第668页）。奇台县内耕地的碱解氮含量在开垦初期降低,当耕作年限达到中长期之后有所上升;阜康市和呼图壁县的碱解氮含量短期内呈降低趋势,在耕作年限达到中期之后有所上升。这与整个昌吉州碱解氮含量开垦初期增加,耕作年限达到中长期之后开始下降的变化规律不同（表5,见第668页）。可见,单独样地或小尺度区域内的土壤养分变化状况不一定能够准确地反映整个研究区域内的土壤肥力动态。而本文利用多期土地利用图叠加的方法来识别整个研究区域上的耕地开垦轨迹,且样点数量大,在整个区域耕地范围内都有分布,相比较建立典型样地的传统方法而言,更有利于准确和科学地探索区域尺度上土壤肥力变化的基本规律。此外,本文共包括1980和2018年两期土壤样点数据,可以从时间维度上分析土壤肥力的变化情况,弥补传统研究中以空间代替时间的缺陷,使研究结果更加全面。

Tab. 4
表4
表41980—2018年间昌吉州和典型样地不同初始土地利用方式下土壤碱解氮含量变化
Tab. 4Change of soil available nitrogen contents with different initial land use types in Changji Prefecture and typical sample plots between 1980 and 2018

区域名称	单位	初始土地利用方式为耕地	初始土地利用方式为草地	初始土地利用方式为未利用地
昌吉州	mg/kg	-1.20	-35.59	-27.67
奇台县	mg/kg	35.06	23.47	16.21
呼图壁县	mg/kg	6.64	-31.47	4.77
吉木萨尔县	mg/kg	21.71	12.08	-49.34

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Tab. 5
表5
表52018年昌吉州和典型样地不同耕作年限的土壤碱解氮含量
Tab. 5Soil available nitrogen contents of different cultivation years in Changji Prefecture and typical sample plots in 2018

区域名称	单位	参照地块	长期	中长期	中期	短期
昌吉州	mg/kg	69.09	51.80	74.05	57.30	46.76
奇台县	mg/kg	102.30	100.80	91.55	127.55	143.37
阜康市	mg/kg	54.88	43.56	36.42	30.28	57.28
呼图壁县	mg/kg	88.39	53.42	65.36	48.52	57.23

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土地开垦会改变土壤养分含量,从而导致土壤属性演变^[8]。已有研究表明^[4-7,16-19],天然林地和草地被开垦成耕地之后土壤有机质和速效养分含量会下降,这与本文中将草地开垦成耕地导致有机质损失的研究结果一致。究其原因,耕作措施在一定程度上会破坏土壤结构,加强土壤呼吸作用和有机质分解速度。本文中将草地开垦成耕地也会造成碱解氮含量损失,可能是因为耕作措施加速了土壤中的氮素挥发,开垦后的灌溉措施加快土壤中氮素的流失,导致碱解氮含量下降。还有****在研究中发现将荒地和盐碱地开垦成耕地后,土壤速效养分含量较开垦前显著增加^[1,8,9],这与本文中将未利用地开垦成耕地造成碱解氮损失的研究结果存在差异。造成这种差异的原因可能与选择的耕作年限长短不同有关。在以往研究中,耕地耕作年限在10年以内,开垦前的土壤是荒漠土壤和盐碱土,本身养分贫瘠,开垦后增施氮肥必然使碱解氮含量在短期内增加。而本文的耕作年限为38年,且研究区土壤氮素利用率低,易流失,长期的耕作使得土壤中氮素的流失量高于施加量,导致碱解氮含量下降。

就土壤基础肥力而言,耕地开垦后的农业活动例如施肥、灌溉等在短期内有利于提高土壤肥力,而长期耕作则造成土壤肥力趋于稳定甚至降低,可能是常规的化肥施用等经营措施无法持续提高土壤肥力,存在阈值效应。本研究表明随着耕作年限的增加,土壤中的有机质含量在短期内呈增加趋势,之后趋于一个比较稳定的状态,这与其他****的研究结果一致^[9,10,20]。主要是因为随着耕作年限的增加,农业管理措施长期不变导致土壤性质处于相对稳定状态,使得有机质趋于稳定水平^{[21, 22]}。但是由于开垦造成的土壤有机质损失要在耕作年限达到中长期之后才逐渐得以恢复,因此在今后的耕作中,应该继续大力推进秸秆还田,提高作物秸秆的直接还田率,增施有机肥,促进耕地土壤基础肥力稳步上升。

关于土壤速效养分方面,研究结果表明在开垦初期由于施加肥料导致土壤速效养分呈增加趋势,而随着耕作年限的增加,单纯的施加氮磷钾化肥已经不能促使土壤中的速效养分含量持续稳定的增长,开始趋于稳定或下降,这与一些****^[1,3,23]的研究结果一致。新疆作为一个盐渍化比较严重的地区,长期开垦会因为灌溉措施的不合理而形成土壤盐渍化,降低土壤的速效养分含量^[3]。此外有机肥投入少会使得土壤腐殖质得不到及时地补充,降低土壤的保肥能力,使得土壤中的速效养分含量降低。通过对1990—2018年期间昌吉州氮磷钾肥的施加情况分析可知,氮肥施用量占氮磷钾肥总施用量的比重始终高于55%,虽然氮肥施加比例很高,但是挥发严重、利用效率低,使得耕地开垦造成的碱解氮含量损失在耕作38年之后仍未得到恢复,所以在今后的施肥中,应该少量多次施用氮肥,提高氮肥的利用效率。此外,虽然昌吉州土壤母质中含有较丰富的钾元素,但是施肥措施中重氮肥,轻磷钾肥,1990—2018年期间钾肥施用量占氮磷钾肥总施用量的比重始终低于12%,远低于磷肥和氮肥的施用比重（图9）,所以土壤有效钾含量短期内增加,中长期之后开始下降。因此在之后的农业活动中,应注重合理配比氮磷钾肥,改善重氮肥轻磷钾肥的现状,增加磷钾肥施用量。

图9

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图91990—2018年间昌吉州氮磷钾肥施肥量占总施肥量的比重变化趋势

Fig. 9Changes in the proportion of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers in Changji Prefecture from 1990 to 2018

5 结论

本文以新疆昌吉州为研究区,基于1980—2018年5期土地利用数据和2期共1480个土壤样点数据,通过多期土地利用图叠加来识别耕地开垦轨迹,并探究耕地开垦前的土地利用方式和土壤类型以及耕地开垦后的耕作年限对土壤肥力变化的影响,得到以下结论：

（1）1980—2018年期间昌吉州研究区内开垦的耕地90.12%来源于草地,9.88%来源于未利用地。此期间土壤有机质、有效磷和速效钾平均含量增加,碱解氮平均含量降低。

（2）初始土地利用类型为高覆盖度草地的耕地当前土壤有机质和碱解氮含量最高,初始土地利用为耕地的地块现状土壤有效磷和速效钾含量最高。由高覆盖度草地开垦成的耕地土壤有机质含量降低,由草地和未利用地开垦成的耕地土壤有效磷和速效钾含量增加,而碱解氮含量降低。

（3）开垦初期,昌吉州土壤中有机质含量总体呈增加趋势,之后趋于平稳状态。土壤速效养分含量在开垦初期增加,耕作年限达到中长期之后逐渐趋于平稳或开始下降。

（4）草地开垦造成的有机质损失在耕作年限达到中长期之后逐渐得以恢复。草地和未利用地开垦造成的碱解氮损失在耕作38年之后仍未得到恢复。

（5）初始土壤类型为草甸土和灌漠土的现状土壤的养分含量较高,棕钙土和灰漠土的养分含量较低。

致谢

真诚感谢二位匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文研究思路、方法选择、结果分析、结论梳理方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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