喀斯特山區(qū)土地利用方式對土壤質量的影響

譚玉蘭，楊 豐，陳 超*，莫本田，郝 俊，周 麗

(1.貴州大學 動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省草地技術試驗推廣站，貴州 貴陽 550025；3. 貴州省農(nóng)業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)研究所，貴州 貴陽 550005)

【研究意義】喀斯特地貌是自然界中獨特的地理景觀，主要特征為土壤淺薄貧瘠、養(yǎng)分和水分保存能力差、抗干擾能力和穩(wěn)定性差，受干擾后自然恢復困難[1-2]。我國喀斯特山區(qū)主要分布在貴州、云南和廣西，面積約為5.03×104km2，其中貴州省的喀斯特地貌面積占全省土地面積的73.6 %[3]。20世紀60年代毀林開荒、草地開墾等活動頻繁，導致土地利用方式多樣化[4]。喀斯特環(huán)境的脆弱性及不合理的人類活動導致水土流失嚴重，產(chǎn)生以石漠化為特征的生態(tài)環(huán)境退化，嚴重制約社會經(jīng)濟的發(fā)展[5]。【前人研究進展】長久以來，我國加大了生態(tài)環(huán)境保護力度，生態(tài)環(huán)境質量有所改善，近年習近平指出，建設生態(tài)文明，是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計。土壤作為人類賴以生存的自然資源，是諸多生態(tài)過程的載體，土壤質量好壞決定著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。深入解析土壤質量與土地利用方式之間的關系，是了解生態(tài)系統(tǒng)結構和功能、實現(xiàn)土壤資源持續(xù)利用、喀斯特生態(tài)系統(tǒng)修復和健康發(fā)展的關鍵[7]。馬志敏等[8]對黑河荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式下的土壤肥力狀況的研究表明，人為長期的耕作及農(nóng)田的不斷擴張是土壤肥力退化的主要原因。敖登高娃等[9]對內蒙古土地利用方式對土壤質量的研究表明，林地轉變?yōu)楦貢r，土壤質量明顯下降，土壤生態(tài)環(huán)境趨向退化；草地轉變?yōu)楣嗄玖值睾土值兀寥蕾|量改善。唐夢迎等[10]關于渭干河-庫車河三角洲綠洲不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分的影響研究結果表明，林地土壤養(yǎng)分的綜合水平高于草地和鹽漬地。合理的土地利用方式，即可改善土壤結構，還可提高土壤肥力；不合理的土地利用方式，不僅會導致土壤肥力下降，還使得生態(tài)環(huán)境趨向惡化。 【本研究切入點】有關土壤質量在貴州西部喀斯特地區(qū)對不同土地利用方式的響應報道較少。【擬解決的關鍵問題】以貴州西部喀斯特地區(qū)的農(nóng)田、棄耕地、天然草地、人工草地及林地等 5種土地利用方式為研究對象，分析不同土地利用方式對其土壤質量的影響，以期為喀斯特山區(qū)生態(tài)文明建設和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省盤州市(N 25°19′～26°17′，E 104°17′～104°57′，海拔2280～2717 m)，屬于亞熱帶高原季風氣候區(qū)，年均溫15.0 ℃，≥10 ℃積溫3876 ℃，最冷月日均溫為4.8 ℃，最熱月日均溫為20.5 ℃；無霜期210～237 d；年日照時數(shù)約1390 h；年均降水量約1100 mm，主要集中在4-10月。樣地選擇研究區(qū)內的農(nóng)田、棄耕地、人工草地、天然草地和林地，各樣地的基本信息見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集 2017年8月對農(nóng)田、棄耕地、人工草地、天然草地和林地界面影響寬度范圍內的典型區(qū)域土壤進行取樣，每種土地利用類型隨機設置3個樣地，樣地間隔大于20 m，每個樣地面積約2 hm2，在每個樣地設置3～5個取樣點，取0～20 cm土層混合為土樣，每個土樣質量≥1 kg；土樣自然風干、挑出植物根莖和石礫后過2 mm篩存于密封袋以備室內化學分析所用。

1.2.2 樣品測定方法 用環(huán)刀(100 cm3)取土芯測定土壤容重，容重測定后用環(huán)刀內的土樣測定土壤田間持水量；pH采用1∶2.5土水比-酸度計法測定；陽離子交換量采用NH4CL-NH4Ac交換法測定；有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸油浴法測定；全氮采用硫酸-高氯酸凱式定氮法測定；全磷含量采用濃硫酸和高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法；速效氮含量采用0.02 mol/L氯化鉀提取，液土比5∶1，用BranlubbeAA3型連續(xù)流動分析儀分析；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗色法測定；速效鉀含量采用火焰分光光度計法測定；土壤有效態(tài)銅、鋅含量經(jīng)過DTPA浸提，原子吸收分光光度法測定。

表1 樣地基本信息

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 土壤養(yǎng)分有效性評價采用單項指數(shù)(Ei)和綜合指數(shù)(EC)相結合方法，先計算各養(yǎng)分有效性指數(shù)，再采用均根法計算綜合有效性指數(shù)：

式中，i為土壤養(yǎng)分指標；Ci為土壤中某項指標i的實測值；Si為土壤中i項指標在整個研究區(qū)域的平均值或臨界值(當土壤中i項指標為土壤有效態(tài)微量元素時則為臨界值)。

基礎數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進行整理，采用SPSS 19.0軟件利用單因素方差分析對不同利用方式下土壤性質進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土地利用方式對土壤物理性質的影響

從表2看出，研究區(qū)土壤容重為1.30～1.49 g/cm3，不同土地利用方式間差異顯著，從小到大依次是林地、人工草地、棄耕地、農(nóng)田和天然草地。究其原因：林地土壤疏松可能是因為林地的枯落物較多，經(jīng)生物分解有效地避免了土壤板結。土壤孔隙度為35.29 %～48.59 %，土壤孔隙度與土壤容重變化趨勢相反，表明，天然草地土壤透氣性較差。土壤田間持水量在不同土地利用方式間差異顯著，其中林地持水量最大，為48.38 %，人工草地和棄耕地次之，農(nóng)田和天然草地最差，與土壤容重變化趨勢相同，表明土壤的緊實度與土壤的持水量緊密相關，土壤越疏松，越有利于土壤蓄水保水。

2.2 土地利用方式對土壤化學性質的影響

從表3看出，土壤pH為4.59～5.53，不同土地利用方式間差異顯著，其中，農(nóng)田土壤pH顯著低于其余4種土地利用方式，說明農(nóng)田的土壤酸化。林地的土壤陽離子交換量高于其他4種土地利用方式20.31 %～37.83 %，且差異達顯著性水平，表明林地土壤對離子形態(tài)的養(yǎng)分吸附和解吸能力較強。土壤有機質含量為28.40～76.27 g/kg，以林地最高，顯著高于除人工草地以外的3種土地利用方式；人工草地和天然草地次之；棄耕地和農(nóng)田相對較差。說明，林地有利于保存土壤有機質。土壤全氮含量的表現(xiàn)為農(nóng)田>棄耕地>人工草地>林地>天然草地，農(nóng)田的全氮含量最高，為3.10 g/kg，較天然草地、林地、人工草地和棄耕地分別高47.74 %、25.81 %， 22.58 %和6.45 %；土壤堿解氮含量與土壤全氮含量變化規(guī)律基本相同，農(nóng)田的堿解氮含量顯著高于其他4種土地利用方式，說明人為活動和土地利用方式對土壤氮素的變化有影響。土壤全磷含量和有效磷含量與土壤氮素在不同土地利用方式下變化基本相同，農(nóng)田的土壤磷素顯著高于另4種土地利用方式，與當?shù)剞r(nóng)戶習慣施用氮磷肥有關。

不同土地利用方式的土壤全鉀含量為3.18～8.94 g/kg，其中天然草地顯著高于林地、人工草地、農(nóng)田及棄耕地64.42 %、44.85 %、35.23 %和23.49 %；土壤速效鉀與全鉀含量變化趨勢一致，表明不同土地利用方式對土壤鉀素影響較大。土壤有效銅和有效鋅的含量在不同土地利用方式間差異顯著，林地和天然草地的有效銅和有效鋅含量顯著高于人工草地、農(nóng)田及棄耕地，表明土壤中有效銅和有效鋅的含量可能與地表覆被、土壤的形成與發(fā)育及人類干擾程度等有關。

2.3 不同土地利用方式土壤的養(yǎng)分有效性

從表4看出，研究區(qū)土壤陽離子交換量，土壤有機質，全氮，農(nóng)田和棄耕地中的全磷、堿解氮和有效磷，人工草地的全磷和有效磷的單項有效性指數(shù)均大于1，表明上述養(yǎng)分含量大于相應養(yǎng)分的平均含量。研究區(qū)土壤全鉀、速效鉀，天然草地和林地堿解氮、全磷和有效磷，人工草地堿解氮的單項性指數(shù)均小于1，表明研究區(qū)可能缺乏以上養(yǎng)分含量。研究區(qū)土壤有效銅的有效性指數(shù)為5.03～6.67，有效鋅的有效性指數(shù)為6.50～14.65，表明研究區(qū)土壤含有大量的有效銅和有效鋅。研究區(qū)土壤養(yǎng)分有效性綜合指數(shù)(Ec)為3.22～5.41，總體表現(xiàn)依次為林地>天然草地>人工草地>農(nóng)田>棄耕地，說明，林地土壤肥力最好，天然草地和人工草地次之，農(nóng)田和棄耕地較差。

表2 不同土地利用方式土壤的物理性質

注：同列不同小寫字母表示5 %水平下差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant at 5 % level. The same as below.

表3 不同土地利用方式土壤的化學性質

表4 不同土地利用方式土壤的養(yǎng)分有效性指數(shù)

3 討 論

3.1 土壤物理性質對土地利用方式的響應

研究5種土地利用方式下土壤物理性質的變化，土壤容重和土壤孔隙度在不同利用方式下差異顯著。其中土壤容重以天然草地最大，林地最小；土壤孔隙度相反，以林地最大，天然草地最小，這與梁博等[12]的研究結果相同，當?shù)孛磕甑?-10月，在天然草地上放牧牛羊，牛羊對草地長期不斷地啃食和踐踏，外加又缺乏人工翻耕，因此土壤易板結成塊[13]。林地的土壤田間持水量最高，為48.38 %；而農(nóng)田最低，為34.01 %，表明林地的土壤有利于保水蓄水，林地的土壤結構性較好，土壤顆粒細膩且質地疏松，可以容納大量的水和空氣；而農(nóng)田暴露在外面的面積較大，長期遭受風沙侵蝕和人類反復的干擾，逐漸形成較大的土壤顆粒，土壤的通氣蓄水能力較差[14]。

3.2 土壤化學性質對土地利用方式的響應

土壤化學性質是衡量土壤肥力的重要指標，影響土壤的保肥性、緩沖性及土壤養(yǎng)分元素的有效性。研究區(qū)林地土壤的有機質含量比其余4種土地利用方式高6.45 %～47.74 %，其中，農(nóng)田的土壤有機質含量最低，與岳慶玲等[15]的研究結果大致相同，土壤有機質含量明顯受到土地利用方式的影響，當?shù)刂饕r(nóng)田經(jīng)濟作物(玉米)生長發(fā)育從土壤中吸收有機質等大量養(yǎng)分，且在收獲后將地上玉米秸稈移除，大幅減少土壤有機質的來源；另外，頻繁的人為耕作破壞了土壤團聚體結構，將土壤有機物翻耕到地表促使微生物的分解，加速了土壤有機質的流失[16]。土壤全鉀和有效鉀的單項有效性指數(shù)表明，研究區(qū)土壤缺鉀，與吳志丹等[17]的研究結果相同，不同土地利用方式改變了土壤pH，因土壤pH變低時導致粘土礦物中的鉀不斷釋放成可溶性態(tài)，加劇了淋溶損失導致土壤鉀庫的貧化。

土壤微量元素銅和鋅是作物營養(yǎng)物質的重要組成部分，植物吸收的微量元素主要取決于有效態(tài)[18]。土壤有效銅和有效鋅含量的臨界值分別為0.2和0.5 mg/kg，研究區(qū)土壤有效銅和有效鋅的含量超出臨界值6.5～14.65倍，與楊霖等[19]在巖溶區(qū)的研究結果基本一致。土壤微量元素主要來源于成土母質，其含量和分布與母巖密切相關，碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性土壤的微量元素含量普遍高于砂巖和頁巖等發(fā)育的土壤；因研究區(qū)土壤酸化，土壤pH在5.0左右，銅和鋅在酸性土壤中有效性較高[20]；另外，農(nóng)業(yè)上大量施用農(nóng)藥、除草劑及有機肥等對土壤有效銅和有效鋅的影響較大，許多農(nóng)用化學藥品和化肥中含有銅和鋅的有機和無機化合物，進而影響土壤中的有效銅和有效鋅含量[21]。土壤有效銅和有效鋅含量過高，是否會對當?shù)刂参锂a(chǎn)生毒害，甚至對土壤造成污染，有待深入探究。

3.3 土地利用方式對土壤質量的影響

根據(jù)各類型土壤養(yǎng)分有效性綜合指數(shù)分析得出，林地的土壤養(yǎng)分有效性綜合指數(shù)最高，分別是棄耕地、農(nóng)田、人工草地及天然草地的1.68、1.61、1.55、1.15倍。與文小琴等[22]研究結果一致，土地利用方式對土壤養(yǎng)分影響較大，林地生態(tài)系統(tǒng)的生物豐富多樣，大量的動植物殘體經(jīng)由微生物分解成土壤有機質、氮素等養(yǎng)分，提高了土壤肥力；森林的樹木高大繁盛且根深葉茂，具有很強的光合作用，而植物通過光合作用將其固定的養(yǎng)分輸送至發(fā)達的根系中，再由根系分泌到土壤中以增加養(yǎng)分含量；翻耕等人類活動較少，土壤團聚體結構不被破壞，包裹在土壤團聚體的養(yǎng)分得以保護，降低土壤養(yǎng)分流失。

4 結 論

研究區(qū)5種不同土地利用方式對土壤容重、孔隙度影響差異顯著，天然草地和農(nóng)田容重較大，孔隙度較小；林地、棄耕地及人工草地土壤容重相對較小，孔隙度較大。土壤田間持水量為34.01 %～48.38 %，且不同土地利用方式間的差異顯著。土壤pH為4.59～5.53，其中農(nóng)田pH最小；林地、人工草地及棄耕地的陽離子交換量高于天然草地和農(nóng)田；土壤有機質含量均以林地和草地較高；農(nóng)田的土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量高于其余4種土地利用方式；土壤全鉀和速效鉀含量在研究區(qū)不同土地利用方式差異顯著且有效性指數(shù)均小于0.9；5種土地利用方式的土壤有效銅和有效鋅有效性指數(shù)為6.50～14.65。土壤養(yǎng)分有效性綜合評價結果為林地土壤質量最好，其次是天然草地和人工草地，農(nóng)田和棄耕地的土壤質量最差。說明，林地和草地的土壤質量優(yōu)于農(nóng)田和棄耕地；退耕還林還草有利于喀斯特地區(qū)土壤質量的提升及生態(tài)環(huán)境的恢復。通過研究不同土地利用方式對土壤質量的影響，對區(qū)域土地資源合理開發(fā)利用具有一定的指導意義。