土地利用變化對(duì)土壤養(yǎng)分及土壤質(zhì)量的影響

仝金輝　胡業(yè)翠　李英

摘要：研究選取廣西喀斯特異地安置點(diǎn)進(jìn)行采樣，研究自然林地（NF）開墾后土壤養(yǎng)分分布及土壤質(zhì)量的變化情況。選擇桉樹林地（UG）、甘蔗地（SF）、玉米地（CF）3種當(dāng)?shù)刂饕淖匀涣值亻_墾后的利用類型，采用室外采樣與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合方法，基于空間位置代替時(shí)間序列的理論，分析了自然林地開墾后土壤養(yǎng)分分布狀況；并運(yùn)用土壤質(zhì)量綜合評(píng)分和Markov方法研究了自然林地開墾后土壤質(zhì)量的變化情況。研究結(jié)果，自然林地開墾后土壤有機(jī)碳及全養(yǎng)分含量在不同開墾類型及各個(gè)土層中均會(huì)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；通過(guò)土壤質(zhì)量綜合評(píng)分和Markov方法對(duì)土壤質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量均出現(xiàn)退化趨勢(shì)，且退化主要集中在10～40 cm的土壤表層，隨土層深度增加，退化程度逐漸減弱。結(jié)果表明，林地開墾會(huì)造成土壤養(yǎng)分流失和土壤質(zhì)量下降，在喀斯特地區(qū)異地安置過(guò)程中，要充分考慮異地安置點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)的人口承載力和農(nóng)業(yè)用地的供給能力，避免因大量開墾造成土壤退化、生態(tài)環(huán)境破壞使遷入?yún)^(qū)出現(xiàn)貧困化和石漠化的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：喀斯特地區(qū)；開墾；土地利用類型；土壤養(yǎng)分；土壤質(zhì)量

中圖分類號(hào)： S158文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）15-0243-05

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是衡量土壤質(zhì)量的量化指標(biāo)[1]。土壤養(yǎng)分與土地利用方式具有密切的關(guān)系，土地利用方式的轉(zhuǎn)變可以通過(guò)影響有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤，微生物的活動(dòng)以及土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)等影響土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量[2-3]。廣西喀斯特移民遷入?yún)^(qū)人口數(shù)量增加，不斷挑戰(zhàn)生態(tài)系統(tǒng)承載力閾值，再加上土地產(chǎn)能低，糧食產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足正常生活需求，從而迫使當(dāng)?shù)刈匀涣值夭粩啾婚_墾。眾多研究表明，在我國(guó)喀斯特地區(qū)土地利用變化，尤其是自然林地退化后土壤容重增加，土壤養(yǎng)分含量大大降低，土壤質(zhì)量不斷退化，增加了土壤侵蝕的危害[4-10]。由于針對(duì)廣西喀斯特移民遷入?yún)^(qū)自然林地開墾后土壤養(yǎng)分及土壤質(zhì)量變化的研究仍顯不足，本研究采集了桉樹林地、甘蔗地、玉米地3種當(dāng)?shù)刂饕拈_墾類型土壤樣本，基于空間位置代替時(shí)間序列的理論，分析土壤養(yǎng)分的分布狀況，并運(yùn)用土壤質(zhì)量綜合評(píng)分和Markov方法研究了土壤質(zhì)量的變化情況，以期為進(jìn)一步研究喀斯特地區(qū)不同土地利用方式下土地質(zhì)量變化及生態(tài)移民工程的規(guī)劃實(shí)施提供一定的借鑒與參考。

1材料與方法

1.1樣地的選取與樣品采集

采樣地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江縣（107°51′～108°43′E，24°44′～25°33′N），地處黔中高原南部邊緣的斜坡地帶，地勢(shì)北高南低；屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨水充沛，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)，年均降水量北部為1 750 mm；包含紅壤、黃紅壤、黃壤、棕色石灰土、黑色石灰土5個(gè)土壤亞類。成土母巖以砂頁(yè)巖、石灰?guī)r為主。玉米、桉樹、甘蔗是主要的種植作物。該地區(qū)作為生態(tài)移民工程遷入?yún)^(qū)，原始林地被大幅度開墾為其他用地，本研究以玉米地、甘蔗地、桉樹林地為自然林地開墾后主要的土地利用方式。

采樣于2013年1月對(duì)自然林地開墾15年以上的玉米地、10年以上的甘蔗地、5年以上的桉樹林地以及未開墾的自然林地進(jìn)行，每種土地利用方式選擇5塊樣地，各樣地直線距離在 250～300 m，樣地大小在0.067～0.100 0 hm2。每塊樣地采集5個(gè)樣點(diǎn)，并且采用蛇形布點(diǎn)、多點(diǎn)取樣的方法分層取[LM]樣（共分6層：分別為0～10 cm、>10～20 cm、>20～40 cm、>40～60 cm、>60～80 cm、>80～100 cm）。將全部樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)土層的樣品充分混合后，四分法取500 g土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干，去除動(dòng)植物殘?bào)w等非土壤物質(zhì)，粉碎，過(guò)80目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2土壤質(zhì)量指標(biāo)的選取與測(cè)定

土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)綜合體現(xiàn)在土壤質(zhì)量的高低，而影響土壤質(zhì)量的因子眾多，目前還沒(méi)有形成完備統(tǒng)一的土壤質(zhì)量指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。本研究主要選取對(duì)土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量影響較大的土壤容重、土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤全氮（TN）、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤微生物碳、土壤微生物氮作為指標(biāo)，對(duì)土壤質(zhì)量變化進(jìn)行分析。土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[11]，土壤全氮測(cè)定采用凱氏定氮法[12]，土壤全磷測(cè)定用硫酸-高氯酸消煮-流動(dòng)分析儀法[13]，土壤氨態(tài)氮和硝態(tài)氮測(cè)定采用氯化鉀提取-流動(dòng)分析儀法[14]，土壤微生物碳測(cè)定用氯仿熏蒸浸提-TOC測(cè)定法[15]，土壤微生物氮測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法[16]，試驗(yàn)重復(fù)3次取其平均值。

1.3評(píng)價(jià)因子隸屬度及權(quán)重的確定

由于各評(píng)價(jià)因子之間沒(méi)有明確的外延，也沒(méi)有統(tǒng)一的量綱，測(cè)算結(jié)果無(wú)法直接進(jìn)行比較，采用隸屬度函數(shù)對(duì)各因子進(jìn)行歸一化處理。主要運(yùn)用兩類隸屬函數(shù)：

（1）上界型函數(shù)。這類因子在一定范圍內(nèi)，指標(biāo)值與土壤質(zhì)量呈正相關(guān)，超出這一范圍對(duì)土壤質(zhì)量的影響較小。

土層中4種土地利用方式SOC濃度在8.8～12.5 g/kg。天然林地SOC濃度最高，為12.5 g/kg，玉米地SOC濃度最低，為8.8 g/kg，桉樹林、甘蔗地分別為 10.3、9.5 g/kg。天然林地與開墾后其他3種土地利用類型之間SOC濃度均存在顯著性差異。天然林地轉(zhuǎn)變?yōu)殍駱淞值?、甘蔗地、玉米地SOC濃度分別下降了 17.6%、24.0%、29.6%。原因一方面可能是由于天然林地開墾后大大減少了有機(jī)物進(jìn)入土壤，導(dǎo)致有機(jī)碳的輸入遠(yuǎn)低于天然林地；另一方面，甘蔗地和玉米地秸稈移除以及頻繁翻耕也加快了土壤有機(jī)質(zhì)分解，雙重作用下導(dǎo)致開墾后SOC含量遠(yuǎn)低于天然林地。

2.1.2土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

SOC濃度在不同土層深度是變化的。從表2可以看出，未開墾的自然林地以及開墾后的桉樹林地、甘蔗地、玉米地SOC濃度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，>80～100 cm土層相比0～10 cm土層，SOC濃度分別下降了70.07%、68.83%、66.54%、68.26%。這可能是由于SOC的輸入主要集中在土壤表層，隨著土層深度增加，SOC的輸入量減少，導(dǎo)致底層SOC濃度遠(yuǎn)低于表層土壤。計(jì)算分析結(jié)果，4種土地利用類型SOC濃度的差異主要集中在0～40 cm 的土層，在0～40 cm土層范圍內(nèi)，SOC濃度分別下降了58.70%、58.11%、45.94%、37.14%，而>40～100 cm土層減少的SOC濃度僅相當(dāng)于0～10 cm SOC濃度的0.37%、7.58%、3.04%、20.44%。表明SOC濃度下降主要集中在土壤表層0～40 cm，底層>40～100 cm SOC濃度變化較小。endprint

2.2不同土地利用類型的全量養(yǎng)分分布

2.2.1不同土地利用類型全氮、全磷的水平分布

從圖2可以看出，不同土地利用類型全氮含量集中在0.6～1.0 g/kg。在0～100 cm土層中，天然林地全氮含量最高，為1.03 g/kg；桉樹林含量最低，為0.63 g/kg；甘蔗地、玉米地全氮含量分別為0.83 g/kg、0.76 g/kg。天然林地退化為桉樹林、甘蔗地、玉米地后全氮含量分別下降38.8%、19.4%、26.2%。多重分析結(jié)果，不同土地利用方式全氮含量差異顯著；不同土地利用方式全磷含量沒(méi)有顯著差異，甘蔗地最高，為0.085 g/kg；桉樹林最低，為0.073 g/kg；天然林地、玉米地均為0.084 g/kg。

2.2.2不同土地利用類型土壤全氮、全磷的垂直分布

全量養(yǎng)[CM（25]分含量變化情況見圖3，在整個(gè)采樣土層中不同土地利用類型全氮含量隨土層深度逐漸減少。自然林地全氮含量在6個(gè)土壤分層中均表現(xiàn)為最高水平。因此，在天然林開墾后，全氮含量會(huì)呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，在0～10 cm土層下降趨勢(shì)最大，隨著土層深度增加，下降趨勢(shì)逐漸減弱。土壤全磷剖面分布特征與土壤有機(jī)碳和全氮剖面特征相似，隨著土壤深度增加含量呈下降趨勢(shì)。在0～10 cm土層，天然林地全磷含量最高，且下降趨勢(shì)也是最劇烈的。在20 cm以下土層，不同土地利用類型土壤全磷含量極為接近，且變化較小（圖4）。

3結(jié)論與討論

喀斯特移民遷入?yún)^(qū)土地利用變化對(duì)土壤養(yǎng)分具有深刻的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，自然林地開墾后土壤有機(jī)碳及全養(yǎng)分含量在不同的利用類型及同一利用類型的各個(gè)土層中均會(huì)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)自然林地開墾為玉米地時(shí)有機(jī)碳濃度下降最多，甘蔗地次之。主要原因可能是頻繁的翻耕以及不合理的管理方式加速了微生物的活動(dòng)，破壞了土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有機(jī)碳排放大大增加，土壤有機(jī)碳濃度下降；自然林地開墾后有機(jī)碳在剖面上的下降趨勢(shì)主要集中在>10～40 cm 的土壤表層，隨著土壤深度的增加，受人類活動(dòng)影響較小，下降趨勢(shì)逐漸減緩。0～10 cm的表層土壤養(yǎng)分含量下降趨勢(shì)較小主要得益于施肥等農(nóng)業(yè)管理措施。

通過(guò)土壤質(zhì)量綜合分值法和Markov方法分析土壤質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)，自然林地開墾為桉樹林、玉米地及甘蔗地后土壤質(zhì)量進(jìn)步度在各個(gè)土層均為負(fù)值，說(shuō)明自然林地開墾后土壤質(zhì)量在不同利用類型的各個(gè)土層中均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；土壤質(zhì)量進(jìn)步度的最小值通常出現(xiàn)在>10～40 cm的土壤層，表明土壤質(zhì)量與土壤有機(jī)碳及全養(yǎng)分含量的變化趨勢(shì)是一致的。

自然林地開墾可以帶來(lái)暫時(shí)的經(jīng)濟(jì)利益，但大量自然林地破壞后造成的土壤質(zhì)量損失是不可估量的，并且林地破壞后的恢復(fù)過(guò)程極其緩慢[17]。因此，在喀斯特地區(qū)異地安置實(shí)施過(guò)程中，要充分考慮異地安置點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)的人口承載力和農(nóng)業(yè)用地的供給能力，避免因大量開墾造成土壤退化、生態(tài)環(huán)境破壞使遷入?yún)^(qū)出現(xiàn)貧困化和石漠化的問(wèn)題。

土壤質(zhì)量受土地利用方式、土壤母質(zhì)、氣候及人為管理方式等因素的綜合影響[4，18-21]，本研究基于空間位置代替時(shí)間序列，且僅限于一次采樣和有限的土壤性狀進(jìn)行分析。因此，以后研究應(yīng)側(cè)重于從多時(shí)空尺度和多因子綜合分析角度開展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉世梁，傅伯杰，呂一河，等. 坡面土地利用方式與景觀位置對(duì)土壤質(zhì)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（3）：414-420.[HJ1.75mm]

[2]傅伯杰，郭旭東，陳利頂，等. 土地利用變化與土壤養(yǎng)分的變化——以河北省遵化縣為例[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（6）：926-931.

[3]劉璐，曾馥平，宋同清，等. 喀斯特木論自然保護(hù)區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（7）：1667-1673.

[4]陳超，楊豐，趙麗麗，等. 貴州省不同土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)及其有效性的影響[J]. 草地學(xué)報(bào)，2014，22（5）：1007-1013.

[5]袁海偉，蘇以榮，鄭華，等. 喀斯特峰叢洼地不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮素分布特征[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（10）：1579-1584.

[6]宋希娟，王克林，劉淑娟，等. 桂西北喀斯特地區(qū)不同土地利用方式土壤的有機(jī)碳含量及養(yǎng)分特征[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自科科學(xué)版），2013，39（6）：655-659.

[7]龍健，黃昌勇，李娟. 喀斯特山區(qū)土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量演變的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（1）：76-79.

[8]陳高起，傅瓦利，沈艷，等. 巖溶區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2015，29（3）：123-129.

[9]章程. 典型巖溶泉流域不同土地利用方式土壤營(yíng)養(yǎng)元素形態(tài)及其影響因素[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（4）：165-169.

[10]劉艷，宋同清，蔡德所，等. 喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤肥力特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25（6）：1561-1568.

[11]阿米娜木·艾力，常順利，張毓?jié)? 天山云杉森林土壤有機(jī)碳沿海拔的分布規(guī)律及其影響因素[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（7）：1626-1634.

[12]張薇，付昀，李季芳，等. 基于凱氏定氮法與杜馬斯燃燒法測(cè)定土壤全氮的比較研究[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（35）：172-175.

[13]鄭華，蘇以榮，何尋陽(yáng)，等. 土地利用方式對(duì)喀斯特峰林谷地土壤養(yǎng)分的影響——以廣西環(huán)江縣大才村為例[J]. 中國(guó)巖溶，2008，27（2）：177-181.

[14]安通偉. 土地利用方式對(duì)南大港濕地土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的影響[D]. 保定：河北大學(xué)，2011.

[15]曾全超，李鑫，董揚(yáng)紅，等. 黃土高原不同喬木林土壤微生物量碳氮和溶解性碳氮的特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（11）：3598-3605.

[16]唐旭，陳義，吳春艷，等. 測(cè)定土壤微生物生物量碳氮用氯仿熏蒸裝置及熏蒸方法：CN105277404A [P].2015-10-08.

[17]趙成章，石福習(xí)，董小剛，等. 祁連山北坡退化林地植被群落的自然恢復(fù)過(guò)程及土壤特征變化[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（1）：115-122.

[18]曾艷，李征，張靜涵，等. 不同施肥類型下設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量的累積特征[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（6）：465-469.

[19]孫佳佳，王培，王志剛，等. 不同成土母質(zhì)及土地利用對(duì)紅壤機(jī)械組成的影響[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015（3）：54-58.

[20]劉沖，王茂文，劉興華，等. 蘇北沿海灘涂秸稈還田對(duì)大麥生長(zhǎng)及土壤質(zhì)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（7）：414-415，425.

[21]董丙鋒. 土壤環(huán)境質(zhì)量及其演變的影響因素[J]. 污染防治技術(shù)，2007（1）：53-55.endprint