喀斯特石漠化區土地利用方式對土壤質量性狀的影響

何秀++文小琴++舒英格++何騰兵

摘要：以貴州省晴隆縣喀斯特石漠化生態系統不同土地利用方式土壤為研究對象，采用空間代替時間的方法，以林地（封育）條件下石漠化生境土壤為對照，對比分析灌叢草地、草地和耕地3種土地利用方式對土壤物理、化學性狀的影響。結果表明：喀斯特石漠化區不同土地利用方式下土壤物理、化學性狀差異明顯。不同土地利用方式下土壤物理性黏粒含量表現為林地>耕地>灌叢草地>草地，草地土壤有機質含量（143.36 g/kg）、全氮含量（7.82 g/kg）和堿解氮含量（362.77 mg/kg）明顯高于其他土地利用方式。耕地土壤有機質含量（56.22 g/kg）、全氮含量（3.10 g/kg）、堿解氮含量（125.22 mg/kg）明顯低于其他土地利用方式。林地土壤速效鉀含量最高，為192.15 mg/kg，耕地最低，為 112.55 mg/kg，耕地土壤緩效鉀含量最高，為277.25 mg/kg；除土壤物理性黏粒、細粉粒和pH值呈弱-中等變異外，其他指標均呈中等變異；土壤物理性黏粒、有機質、堿解氮和速效磷的相關強度較大，在改善土壤物理性質和促進養分循環中起著重要作用，是土壤質量的關鍵因子；以林地（封育）為對照，草地、灌叢草地和耕地的土壤退化指數（soil degradation index，簡稱SDI）分別為 -1.18%、128.80%、-153.59%，耕地土壤退化指數最低，退化程度最高。研究表明，土地利用變化對喀斯特石漠化區土壤物理和化學性狀差異明顯，相對林地而言，在提高和維護土壤質量性狀方面，草地和灌叢草地具有較好的效果，草地土壤質量相對提高，耕地則相對較差，土壤質量發生了嚴重的退化。

關鍵詞：喀斯特石漠化區；土地利用方式；土壤性狀；土壤退化指數（SDI）

中圖分類號： X171.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0234-05

在喀斯特地區，由于地表破碎，成土過程緩慢，生態系統穩定性差，石漠化的形成受很多因素的影響，土地利用變化（強度）直接影響喀斯特石漠化程度的大小[1-2]。合理的土地利用方式可以改善土壤團粒結構和有機質土壤抵抗外界干擾的能力，提高土壤質量[3-4]。而土地利用強度越大，對土壤團粒結構、表層沙化、保水能力、有機質、次生植被、種子庫等有明顯影響，不僅造成地表植被覆蓋度低，土壤細顆粒流失、減少，粗顆粒富集、巖石裸露，而且不合理的土地利用方式還會導致土壤侵蝕加劇，土壤質量下降和退化，進而導致石漠化[3-4]。目前從土地利用、高程和喀斯特環境方面的研究認為，高原峽谷環境石漠化發生率最高，貴州省望謨縣、晴隆縣等地是土壤侵蝕發生主要地區且較為嚴重，林地、耕地和草地是土壤侵蝕較為嚴重的區域，尤其是草灌草叢地易退化成裸地，極可能發生石漠化[5-7]。

西南喀斯特石漠化地區正由于脆弱的生態經濟系統遭受長期破壞，普遍存在大量的陡坡開荒和耕種等一些不合理的土地利用方式[8-9]。在人地矛盾日益突出的情況下，采取合理的土地利用方式是改善、恢復和重建該區土壤生境和生態功能的重要舉措。本研究以貴州省晴隆縣典型喀斯特石漠化高原峽谷地區為例，分析不同土地利用方式對土壤質量性狀的影響，采用土壤退化指數定量分析土壤退化程度，為喀斯特石漠化生態脆弱區的土地利用、生態恢復和科學管理提供借鑒資料。

1材料與方法

1.1研究區自然概況

晴隆縣屬高原峽谷區，是典型的喀斯特地形地貌，地理坐標介于25°33′～26°11′N、105°01′～105°25′E之間，海拔為543～2 025 m，是貴州巖溶發育強烈、石漠化類型復雜及面積分布較大的地域之一。全縣面積為1 331.1 km2，石漠化面積496 km2，占全縣總面積的37.26%，巖溶面積817 km2，占土地總面積的61.38%。該縣屬高原亞熱帶濕潤季風氣候，年降水量在1 500～1 700 mm之間，多集中在5～9月，約占全年降水量的75%；冬春水量較少，尤其是境內海拔較低的地方，氣候干燥，水量稀少。由于歷史、地理等原因，晴隆農業基礎十分薄弱，經濟發展較為滯后[10]。

1.2研究方法

1.2.1研究樣地設置

研究樣地位于貴州省晴隆縣蓮城鎮和光照鎮2個典型的喀斯特石漠化范圍內，蓮城鎮和光照鎮無石漠化面積分別為16.59、33.27 km2，石漠化面積分別為56.60、129.98 km2[11]。采用空間代替時間的研究方法，以林地（封育）條件下石漠化生境土壤為對照，選取石漠化生境3種不同土地利用方式的灌叢草地、草地和耕地土壤為研究對象，樣地類型除土地利用方式不同外，其他因子大都一致，土壤母質均為石灰巖（表1）。

1.2.2土壤樣品采集

在研究區詳細踏查的基礎上，依據不同土地利用方式下石漠化區樣地類型上選定并設立具有代表性區域面積為20 m×20 m樣地1個，共選取21個土壤定點取樣樣地，其中2016年2月選取16個樣地，4月選取在2月的基礎上增加了5個樣地。在樣地中心按蛇形方式選5個采樣點，各點間距3 m左右，采集0～15 cm混合土壤，裝袋運回實驗室。

1.2.3土壤樣品處理與分析方法

對土壤樣品進行風干、碾磨和過篩后，儲存在玻璃瓶中，于2016年5月到7月期間完成樣品測定。土壤機械組成采用比重法測定；土壤pH值采用電位法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸法測定；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬藍比色法測定；土壤速效鉀含量采用中性乙酸銨浸提火焰光度法測定；土壤緩效鉀含量采用熱硝酸浸提火焰光度法測定，分析方法詳見《土壤農業化學分析方法》[12]。采用SPSS 20.0軟件進行方差分析、t檢驗、多重比較（Duncans檢驗）、相關性分析。

2結果與分析

2.1不同土地利用方式下的土壤物理性質

2.1.1土壤顆粒組成

由表2可知，在不同土地利用方式下，晴隆縣石漠化區域由石灰巖發育形成的土壤較黏重，林地、灌叢草地、草地和耕地的土壤物理性黏粒分別為 61.42%、54.25%、54.04%、56.18%，除林地為輕黏土外，其他質地均為重壤土。

變異系數（coefficient of variation，簡稱CV）是土壤性質的內在反映，它的大小表示土壤特性空間變異性的大小，對抵抗外界條件變化具有很強的敏感性，CV≤10%為弱變異，10%

土壤石漠化的核心是土壤顆粒粗化，喀斯特環境中土壤顆粒組成主要受母質影響[4]。本研究區域屬高原亞熱帶季風氣候，石灰巖為海相沉積巖，在風化過程中，化學風化和生物風化作用很強烈且迅速，故研究區內土壤質地為重壤土，與何騰兵等研究石灰巖發育形成的土壤質地為重壤土-輕黏土，認為土壤顆粒組成的差異性主要受母巖（質）的影響結果[15]相一致。不同的土地利用方式和植被覆蓋變化對土壤顆粒組成也有較大的作用，如長期的超墾、耕作和土壤侵蝕作用也會對表層土壤的顆粒組成產生影響[1，3]，由不同土地利用類型的石灰巖發育形成的土壤沙粒（粗沙及中沙粒+細沙[CM（25]粒）和粉粒（中粉粒+細粉粒）含量均偏低，含量分別在 12.22%～20.17%和59.15%～62.70%，黏粒含量偏低，在20.68%～25.09%之間。其中，林地土壤粉粒和黏粒含量最高，沙粒含量最低，而草地土壤沙粒含量最高，黏粒含量最低。與林地（封育）條件下相比，灌叢草地、草地和耕地土壤沙粒含量增加，粉粒和黏粒含量減少，即土壤中石英含量相對增加，土壤受到輕微侵蝕，而林地土壤受到高大喬木和草本植物的葉片、根系枯枝落葉覆蓋在地表的保護，減少了水土流失，降低了土壤侵蝕。壤質土具有沙土和黏土的優點，是較為理想的耕作土，灌叢草地、草地和耕地均為壤質土，但草地和灌叢草地相對耕地具有更高的抗侵蝕能力，故其土壤顆粒組成更加趨近于土地合理利用條件。

2.2不同土地利用方式下土壤化學性質狀況

2.2.1土壤有機質、pH值

由表3可見，不同土地利用方式下石漠化區土壤有機質含量由高到低為草地>灌叢草地>林地>耕地，CV為20.03%～56.22%，屬中等變異。草地土壤有機質含量最高，為143.36 g/kg；耕地土壤有機質含量最低，為56.22 g/kg，草地和耕地之間有機質含量相差2倍多，導致這種情況的原因有二，一是草地受人為干擾程度較小，土壤的植被明顯高于耕地，有機物來源較廣且較容易累積；二是耕地受人為干擾程度大，裸露的土壤中有機質易受雨水的沖刷而隨細粒物流失。草地與耕地之間土壤有機質有顯著差異，草地與林地、灌叢草地無顯著差異，表明在喀斯特石漠化區土壤有機質在不同土地利用方式下差異明顯，這與李陽兵等的研究結果[3，9，16]一致。

由表3可知，在不同土地利用方式下土壤pH值差異不顯著，土壤pH值CV為5.22%～12.06%，屬弱-中等變異；草地土壤pH值含量最高，為7.19，林地土壤pH值含量最低，為6.70。研究區土壤pH值接近且偏高，這是由于石灰巖風化殘留的黏土礦物質地較細，風化成土停留在脫鈣階段，且發育的土壤富含CaCO3，延緩了土壤的鹽基淋失和酸化進程，pH值較高[5]。

2.2.2土壤氮素

由表3可知，[HJ1.53mm]草地與耕地之間土壤全氮和堿解氮都有顯著差異，但草地與林地、灌叢草地無顯著差異。草地的全氮和堿解氮含量最高，分別為7.82 g/kg、362.77 mg/kg；其次是林地和灌叢草地，全氮含量分別為 5.45、5.10 g/kg，堿解氮含量分別為242.92、235.18 mg/kg；耕地土壤全氮和堿解氮含量最低，分別為3.10 g/kg、125.22 mg/kg。幾種土地利用方式下石漠化區土壤全氮和堿解氮的CV為23.55%～72.11%，均屬中等變異。

2.2.3土壤磷素

由表3可知，在不同土地利用方式下土壤全磷和速效磷變化不明顯，沒有達到顯著水平，表明石漠化生境土壤受土地利用類型的影響較小。研究區土壤全磷和速效磷含量變化不大，林地、灌叢草地、草地和耕地土壤全磷含量分別為1.38、1.22、1.28、0.99 g/kg，土壤速效磷含量分別為4.20、4.25、3.89、3.91 mg/kg。幾種土地利用方式下石漠化區土壤全磷和速效磷的CV為17.19%～61.02%，均屬中等變異，且變幅范圍較大。

2.2.4土壤鉀素

由表3可知，不同土地利用方式下石漠化區土壤速效鉀含量由高到低為林地>灌叢草地>草地>耕地，緩效鉀含量由高到低為耕地>灌叢草地>林地>草地。土壤速效鉀和緩效鉀CV在37.63%～83.61%，屬中等變異。不同土地利用方式下土壤速效鉀和緩效鉀沒有達到顯著水平，表明土壤速效鉀和緩效鉀在喀斯特石漠化區不同土地利用方式下差異不明顯。

2.3石漠化生境土壤物理和化學性質相關分析

由表4可知，石漠化區不同土地利用方式下土壤理化性質的物理性黏粒含量、有機質含量、堿解氮含量和速效磷含量等指標表現出較大的相關強度。有機質含量與全氮含量、堿解氮含量、全磷含量、速效磷含量呈極顯著正相關；全氮含量與堿解氮含量、全磷含量、速效磷含量呈極顯著正相關；堿解氮含量與全磷含量、速效磷含量呈極顯著正相關；全磷含量和速效磷含量呈極顯著正相關；pH值與緩效鉀含量呈顯著負相關；物理性黏粒含量與細沙粒含量、粗粉粒含量呈極顯著負相關；物理性黏粒含量與黏粒含量呈極顯著正相關；物理性黏粒含量與粗沙含量及中沙粒含量呈顯著負相關；物理性黏粒含量與細粉粒含量呈顯著正相關；黏粒含量與細沙粒含量、粗粉粒含量、中粉粒含量呈顯著負相關；細沙粒含量與粗粉粒含量、細粉粒含量呈極顯著負相關；粗粉粒含量與中粉粒含量呈顯著負相關。由此可見，土壤理化性質之間的相關性質和強度的變化，反映出不同土地利用方式對石漠化生境土壤的影響特點。石漠化生境中土壤物理性黏粒、有機質、堿解氮、速效磷在改善土壤物理性質和促進養分循環中起著重要作用，是土壤質量的關鍵因子。

注：X1為細沙粒含量；X2為粗沙及中沙粒含量；X3為粗粉粒含量；X4為中粉粒含量；X5為細粉粒含量；X6為黏粒含量；X7為物理性黏粒含量；X8為pH值；X9為有機質含量；X10為全氮含量；X11為堿解氮含量；X12為全磷含量；X13為速效磷含量；X14為速效鉀含量；X15為緩效鉀含量。“*”表示在0.05水平上差異顯著，“**”表示在0.01水平上差異極顯著。

2.4石漠化生境土壤理化性質季節波動特征

對不同時間林地（5個）、灌叢草地（4個）、草地（4個）和耕地（3個）定點采回的16個樣地土樣，8個土壤化學性質指標進行t檢驗，結果（表5）表明：8個土壤理化性質指標有4個指標存在顯著差異（P<0.05），其他4個指標無明顯變化。在不同季節，土壤堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量和緩效鉀含量有顯著差異，冬季（2月）的土壤堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量顯著的大于春季（4月），而冬季的土壤緩效鉀含量小于春季。

2.5不同土地利用方式下土壤退化特征

為了定量描述不同土地利用方式對喀斯特石漠化區土壤退化程度，采用Adejuwon等提出的土壤退化指數（soil degradation index，簡稱SDI）定量分析[17]，公式：SDI=[（X1-X1′）/X1′+（X2-X2′）/X2′+…+（Xn-Xn′）/Xn′]/n×100%，式中：SDI為土壤退化指數；X1′，X2′，…，Xn′為基準樣地（參照地）類型下土壤屬性1到屬性n的值；X1，X2，…，Xn為其他土地利用類型下土壤各屬性值；SDI<0，代表土壤退化程度低于參照值，值越小，退化越嚴重；SDI>0，則反之。本研究以林地作為基準樣地類型。選擇的土壤屬性包括土壤物理性黏粒含量、黏粒含量、細沙粒含量、細粉粒含量、有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、全磷含量、速效磷含量。土壤屬性沒有包括粗沙及中沙粒含量、粗粉粒含量、中粉粒含量、pH值、速效鉀含量和緩效鉀含量，是因為它們在不同土地利用類型樣地之間沒有顯著變化，且相關性也不強。SDI值是9個土壤指標的綜合計算結果，可較全面反映不同土地利用方式對喀斯特石漠化區土壤退化情況。

根據上述SDI計算公式及本研究選取的9個土壤理化指標，灌叢草地、草地和耕地的土壤退化指數分別為-1.18%、128.80%、-153.59%。與林地土壤退化指數相比，草地的土壤質量不但沒有退化，反而提高最多，與龍健等的研究結果[9，18]存在一定差異，是由于選取的基準樣地土壤質量特征存在較大差異，土壤質量賦值的高低直接影響土壤退化指數的定量結果，說明土壤對照樣地的選取是制約SDI定量分析的關鍵。耕地土壤退化指數很明顯低于林地（參照地），表明石漠化耕地土壤質量最差，土壤退化程度最為嚴重，耕作引起的土壤退化速率最快，耕地與林地的土壤質量相對位置的確定可作為防治喀斯特石漠化區土壤質量退化的參考。

結果表明，在喀斯特石漠化區土壤質量存在區域差異性，這與成土過程中的微環境及植物群落構成有關，草地植被群落的根系和枯枝落葉更有利于土壤質量的提高，更有利于形成更為穩定的土壤團聚體；而灌叢草地植被群落的根系穿插較草地淺、少且窄，土壤質量的提升速率較土壤退化速率低，所形成的有機質、土壤團聚體較差；耕地由于植被缺乏、土壤裸露，抗蝕能力差，土壤退化指數最低。

3結論

喀斯特石漠化區不同土地利用方式下土壤物理、化學性狀差異明顯，其中土壤物理性黏粒含量、細沙粒含量、細粉粒含量、有機質含量、全氮含量和堿解氮含量指標存在明顯差異；不同土地利用類型下土壤粗沙及中沙粒含量的變異范圍較小，程度最大；細沙粒含量、中粉粒含量、粗粉粒含量和黏粒含量變異范圍和程度適中；土壤物理性黏粒含量、細粉粒含量和pH值變異程度最小。

不同土地利用方式下石漠化生境土壤物理性黏粒、有機質、堿解氮和速效磷的相關強度較大，在改善土壤物理性質和促進養分循環中起著重要作用，是土壤質量的關鍵因子。

不同土地利用方式下石漠化生境土壤的退化特征不同，以林地（封育）為對照，灌叢草地、草地和耕地土壤退化指數分別為-1.18%、128.80%、-153.59%，灌叢草地土壤退化不明顯，基本保持不變，草地土壤沒有退化，反而提高，土壤質量最好，而耕地土壤質量退化程度最高。

土地利用變化方式對喀斯特石漠化區土壤物理和化學質量性狀差異明顯。相對林地而言，草地和灌叢草地2種土地利用方式在提高和維護土壤物理和化學質量性狀方面具有較好的效果，土壤顆粒組成更加趨近于土地合理利用條件，土壤物理性狀向好的方向發展，土壤有機質、全氮和堿解氮等含量優于或接近林地，土壤質量相對提高或變化不大。耕地土地利用強度較大，表現出相對較差的土壤理化質量性狀，土壤顆粒組成更接近于林地值，土壤抗侵蝕能力相對草地和灌叢草地較低，土壤化學質量性狀劣于林地，更劣于草地，土壤質量發生了嚴重的退化。

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