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人类通过直接和间接的方式对土壤发生作用,改变着成土过程。目前关于人类是怎样改变全球土壤和临界区域是一个非常有意义的问题,但因为土壤形成在时间和空间尺度较多而使这一问题复杂化。因此,有必要进行不同时间尺度人类活动影响下土壤性质变化及其对比研究。江苏沿海地区自然条件复杂,自然资源丰富,历史上就是开发利用的重点地区,尤其是丰富的滩涂资源更是缓解人地矛盾的重要后备土地资源。本文选取江苏海岸带的东台和连云港为研究区域,运用时空互换法构建了东台滩涂土壤2000年和50年不同尺度的土地利用时间序列;通过连云港藤花落考古剖面,建立人类活动对土壤影响的史前文明时间背景。在野外采样和室内分析的基础上,分析不同时间尺度下人类活动对海岸带脆弱生态系统的土壤性质的影响,并进行不同时间尺度下的区域对比。从景观尺度上,分析了土壤景观格局指数空间变化和1992-2002东台土地利用景观格局变化特点,以及土地利用景观和土壤景观之间的关系。为合理开发利用滩涂资源提供科学依据。本文主要结果如下：
⑴2000年尺度下,东台土壤受到长期农业利用的人类活动影响,土壤性质时空变化特点如下:随着土地利用时间的增加土壤粘粒含量增加;pH值、肥力指标(有机质、速效磷、速效氮、全氮)在各采样区差异不大;总盐、Na+和Cl-等盐分指标含量最高出现在安丰样区,与该样区种植方式处于水旱交界处有关,排水不利导致土壤返盐而易发生次生盐渍化。土壤理化性质在垂直方向变化表现出随剖面深度增加,土壤pH值升高、肥力指标下降的特点,盐分指标由于受到地下水和耕作方式的影响表现出变化较复杂。土壤综合资源质量等级处于中等水平,在空间上各样区差异不大。上述表明,滩涂地区土壤培肥改良难度较大,经过长期的农业利用后土壤性质和综合质量的提高有限。土壤重金属含量由陆向海具有一定的地域分异规律。污染评价结果表明各样区土壤重金属污染并不严重,但对Cu和Hg的污染风险应引起重视。相关分析表明各采样区土壤pH值与重金属元素之间呈显著负相关,有机质与土壤重金属之间呈不显著正相关。主成分分析发现了土地利用时间与表层土壤重金属含量具有一定关系,其中Hg、Ni、Cr与土地利用时间关系密切。
⑵50年尺度下,东台滩涂在围垦后受到初步农业利用的人类活动影响,土壤性质时空变化特点如下:土壤的机械组成随着围垦年限的增加表现为粉砂和粘粒含量增加。在围垦初期,土壤肥力增加和盐分含量下降明显,pH值出现下降的趋势,但不及肥力和盐分指标明显。围垦10年后土壤化学性质变化较为平稳。理化性质随围垦时间变化表层土壤(0-20cm)要比底层土壤(20-40cm)更为明显。围垦区土壤资源综合质量指数处于中等以下,低于2000年尺度下土壤综合质量指数。土地利用方式和土地利用变化会对围垦后土壤性质和质量产生影响,合理的土地利用方式有利于围垦后土壤性质和质量的提高。围垦区少数样点出现As污染外,与围垦区种植棉花施用大量农药有关。对应分析发现土壤重金属受到土地利用时间和土地利用方式的影响,其中As受土地利用时间和方式的规律和其余元素相反。
⑶藤花落古文化遗址土壤在史前文明人类差异活动的影响下,其性质变化具有如下特点:现代耕作层出现酸化,古文化层土壤pH值在7左右,土壤pH值酸碱适度。土壤肥力指标总体上表现为现代耕层高于古文化层,古文化层中龙山早期高于龙山晚期的特点。从剖面C/N值变化可以看出,龙山晚期藤花落遗址周围环境发生了较大变化。对重金属元素归一化处理后发现Cu在生活区剖面所在文化层出现高值,这与当时冶炼使用铜器有关。Pb在现代耕作层富集的现象非常明显,表明Pb的来源与现代人类活动有密切关系。土壤理化性质和重金属在生活区剖面中的变异程度要大于生产区,这与史前人类活动在生活区的强度大于生产区有关。
⑷对三个不同时间尺度下土壤性质变化对比发现,藤花落史前文明(THL)的砂粒含量要低于2000年尺度(DT)和50年围垦尺度(WK),而后两者在砂粒含量上相差不大,这说明土壤机械组成主要受成土母质影响。pH值THL＜WK＜DT,其中DT和WK均大于8。肥力指标中速效磷THL＜DT＜WK,全氮和有机质THL＜WK＜DT,肥力指标THL均为最低,表明现代农业生产中可通过施用化肥在短时间内提高土壤肥力。C/N比上则表现出THL＞WK＞DT,这种差异与三个时间尺度下土壤组成的物质来源不同有关,此外,据剖面挖掘现场观察,古文化层地下水位高,土壤处于淹水厌氧的环境下也不利于有机质的分解。重金属在三个时间尺度下表现为,Cu含量DT＞THL＞WK,这与2000年尺度下采样区空间跨度较50年尺度大,外界环境更为复杂,也更易受到铜来源的影响有关。Cr含量THL＞DT＞WK,As、Cd、Ni和Pb等重金属元素含量。THL＞WK＞DT,除Cu外,其余5种重金属在古文化层的含量要高于其它两个时间尺度下的含量,这与古文化层母质重金属含量高有关。50年尺度下围垦区受种植棉花的影响,农用地施用农药的量较多,表现为多种重金属含量高于2000尺度下的土壤重金属含量。
⑸东台1992-2002年土地利用景观格局发生了剧烈变化,在东中部和西中部的交界地区土地利用景观变化最明显,与该区域受到城市扩张和提倡种植结构多样化的政策的影响有关。土壤景观多样性指数空间分布表现为东西两端低中部高,优势度指数在东部滩涂地区最高,破碎度指数空间分布与多样性指数类似。东台土壤和土地利用景观在空间上具有很强的相关性,土壤和土地利用景观之间相互联系,互相制约。
⑹对不同尺度下土壤磁化率空间变化研究发现,磁化率随剖面深度增加而下降的规律比较明显,在水平方向上由于受到外界环境的干扰和影响较大,磁化率变化比较复杂。此外,土地利用方式也会影响到土壤磁化率的高低,2000年尺度下表现为水田低于旱地,50年尺度下表现为园地＞旱地＞林地＞荒地,这与土地利用方式受到人类活动影响强弱相关。研究表明土壤磁化率对土壤受人类干扰程度具有一定的指示作用。