巫山县坡改梯地区不同土地利用方式下土壤质量研究

杨 敏，陈国建，魏兴萍，韦 杰，何干皓，李培霞

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 400047;2.四川农业大学信息与工程技术学院，四川雅安 625000)

土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)及其环境影响是当前国际研究的热点和前沿领域，其变化会影响土壤理化性质、地表植被［1］、地表反射率、植被对阳光的吸收利用率以及土壤管理措施等［2］，而这些变化又会引起土壤养分在土壤生态系统中的重新分配［3］。因此，合理的土地利用方式能增加生物多样性［4］，提高土壤抗蚀能力［3］，改变径流方式［5］，改善土壤环境;反之则会降低生物多样性，引起土壤退化，加剧土壤流失等。本研究以重庆市巫山县为例，研究不同土地利用方式下坡耕地土壤质量的变化，以定量分析的方式探讨土地利用方式对土壤质量的影响。

1 研究区概况

巫山县介于 E109°33'—110°11'、N30°45'—32°28'之间，位于重庆市东北部、三峡库区腹心，地处四川盆地东缘山地、鄂西高地和大巴山接壤带，素有“渝东门户”之称，县境东西宽约61.2 km，南北长约80.3 km，土地总面积2 958 km2。大巴山、巫山、七曜山三大山脉交汇于县境，形成了典型的喀斯特地貌，最低海拔73.1 m，最高海拔2 680 m，立体气候特征明显。属亚热带湿润季风气候区，受东南季风和县境北部高山屏障影响，气候温和，雨量充沛，日照充足，四季分明，雨热同季，年均≥10℃活动积温5 857.3℃，年平均气温18.4℃，无霜期305 d，年均降水量1 049.3 mm。全县有耕地40 274 hm2，其中大部分为坡耕地，并且主要分布在中高山区。随着我国西南地区坡改梯工程的实施，当地土地利用和覆被发生了较大变化，主要种植马铃薯、玉米、红薯、蚕豆、小麦、烤烟、油菜和莴笋等。

将采回的土样在室内风干、去杂质、过筛后，送实验室分析其有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、铵根离子氮和硝酸根离子氮含量。测定方法分别为：有机质采用重铬酸钾法，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法，全钾采用氢氧化钠(NaOH)熔解火焰光度法，速效钾采用1 mol/L NH4Ac浸提—火焰光度法，硝态氮采用氯化钾浸提紫外比色法，铵态氮采用氯化钾浸提流动注射仪法［6］。

2 研究方法

2.1 采样与试验方法

在巫山县官渡镇水库村坡改梯地区，选择5种不同的土地利用方式——经济作物、粮食作物、豆科植物(由于巫山地区豆科植物种植普遍，故将其作为一种土地利用方式单独列出)、经果林和撂荒地，设置采样点采集土样。各采样点所在地坡改梯时间均为7 a，土壤质地为壤质，土壤类型为黄壤。为了消除高程、坡度对试验数据的影响，采样时增加随机采样个数，在不同高程、坡度范围内对同一种土地利用方式进行多点采样，并根据作物种植面积合理确定采样个数。不同土地利用方式下采样个数、高程、坡度和作物类型见表1。

表1 采样点基本情况

2.2 土壤质量因子

以土壤养分反映土壤质量，本研究选择有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量等作为土壤质量因子［5］。

2.3 土壤质量综合指数

土壤质量综合指数(Integrated Fertility Index)是土壤各指标因子的综合和集成［7］。由于土壤质量因子变化具有连续性，故采用连续的隶属度函数，根据因子分析法分析各因子负荷量值的正负性，确定隶属度函数分布的升降性［8］，这与各因子对植被的效应相符合。采用升型分布函数，其计算公式为

式中：F(xi)为第i项土壤质量因子的隶属度值;xi为第i项土壤质量因子值;ximax和ximin分别为第i项土壤质量因子的最大值和最小值。

2.4 分析方法

采用SPSS Statistics(17.0)中的因子分析法对试验结果进行分析。

3 结果分析

3.1 不同土地利用方式的土壤质量因子

表2是不同土地利用方式下土壤质量因子值。由表2知，不同土地利用方式下，土壤有机质含量排序为撂荒地(2.399%)＞粮食作物(1.768%)＞经果林(1.707%)＞经济作物(1.614%)＞豆科植物(1.463%)，其中撂荒地土壤有机质含量最高，豆科植物最低，粮食作物、经果林和经济作物差异不大。分析其原因，地表覆盖度会影响坡耕地生态系统生物量和立地条件(如光、热、水和微生物等)，地表覆盖度越大，地表获取的光和热就越少，从而土壤有机质分解减少增加了有机质的积累量［9］，而撂荒地主要是灌木，相比其他土地利用方式，地表覆盖度较大，因此土壤有机质含量较高。土壤全N含量排序为撂荒地(0.149%)＞粮食作物(0.118%)＞经济作物(0.114%)＞经果林(0.105%)＞豆科植物(0.102%)，土壤全N含量和有机质含量具有较高的相关性，其变化趋势和有机质变化趋势基本一致。土壤全P含量排序为粮食作物(0.052%)=经果林(0.052%)＞经济作物(0.044%)＞撂荒地(0.043%)＞豆科植物(0.035%)，粮食作物和经果林的全P含量相同，经济作物和撂荒地相差不大，豆科植物最低，不同土地利用方式的全P含量差异不显著。土壤全K含量排序为经济作物(2.129%)＞粮食作物(1.984%)＞撂荒地(1.927%)＞豆科植物(1.730%)＞经果林(1.705%)。根据SPSS相关分析，不同土地利用方式对土壤质量有明显影响，有机质、全氮、铵态氮和速效钾含量差异极显著，硝态氮、全磷和全钾含量差异显著，速效磷含量差异不显著。

表2 不同土地利用方式下土壤质量因子值

一方面，土地利用方式在一定程度上决定了土地施肥的种类和施肥量，导致了土壤养分含量的明显差异;另一方面，农地的翻耕使土壤接触到更多的水、气、热，导致土壤有机质分解降低了土壤肥力，而撂荒地土地资源荒废，避免了农业耕作，在一定程度上起到了培肥地力的作用。因此，研究区农业用地(经济作物、粮食作物、豆科植物、经果林等)土壤质量均呈退化趋势，而撂荒地土壤状况得到了一定程度的恢复。

3.2 不同土地利用方式的土壤质量综合指数

土壤质量综合指数(IFI)反映的是不同土地利用方式下土壤质量的相对值。由式(1)计算得到各土壤质量因子的隶属度值，再进行因子分析，得到因子得分系数矩阵，从而得到因子得分函数，然后选取因子累计方差贡献率＞0.90的特征值个数为因子数，根据因子分析结果共提取3个因子〔得分函数见式(2)〕，并以因子方差贡献率作为各因子权重，依次为0.396、0.323、0.183，最终得到土壤质量综合指数计算公式〔式(3)〕。

式中：F1、F2、F3为因子分析提取的3个因子;Xi(i=1，2，…，8)为各土壤质量因子的隶属度值;其中数值为各土壤质量因子在相应因子下的得分。

式中：IFI为土壤质量综合指数，其余符号意义同上。

由式(3)计算得到经济作物、粮食作物、豆科植物、撂荒地和经果林的土壤综合质量指数分别为0.479、0.519、0.063、0.609、0.248，即撂荒地 ＞ 粮食作物＞经济作物＞经果林＞豆科植物。一般来说，土壤养分的消耗主要有3种方式，即植物从土壤中吸取、随土壤下渗淋失以及在养分转化过程中以气态形式逸出等［10］。撂荒地土壤质量最高，一方面是因为没有作物从土壤中吸收养分，另一方面是因为撂荒地可以增加土壤有机质含量［11］，而有机质能增加土壤的保肥和供肥能力，提高土壤养分的有效性［12］。这也证实了撂荒地确实具有一定的培肥作用［13］。粮食作物和经济作物土壤质量综合指数比较接近，基本上是经果林的两倍，原因是粮食作物和经济作物都属于短期作物，在作物收割后有时间恢复地力;经果林因为果树生长周期长，果树生长持续从土壤中吸收养分，并且在生长过程中会产生一种抑制有机质生成的物质［14］，导致土壤质量降低。此外，经果林单一品种连作容易造成土壤养分失衡，进而导致产量下降、土壤肥力降低。豆科植物土壤质量综合指数最低，是因为豆科植物具有固氮作用，产生高氮的土壤条件，充裕的氮供应促使作物吸收更多的磷，导致土壤质量下降［14］。

4 结语

对重庆市巫山县官渡镇水库村坡改梯地区5种不同土地利用方式下土壤质量因子的试验结果表明，不同土地利用方式对土壤质量有明显影响，其中有机质、全氮、铵态氮和速效钾差异极显著，硝态氮、全磷和全钾差异显著，速效磷差异不显著。对不同土地利用方式下土壤质量因子进行排序：有机质，撂荒地＞粮食作物＞经果林＞经济作物＞豆科植物;全氮，撂荒地＞粮食作物＞经济作物＞经果林＞豆科植物;硝态氮，粮食作物＞豆科植物＞经济作物＞撂荒地＞经果林;铵态氮，经济作物＞撂荒地＞粮食作物＞豆科植物＞经果林;速效磷，经济作物＞粮食作物＞撂荒地＞豆科植物＞经果林;速效钾，撂荒地＞经济作物＞豆科植物＞粮食作物＞经果林;全磷，粮食作物=经果林＞经济作物＞撂荒地＞豆科植物;全钾，经济作物＞粮食作物＞撂荒地＞豆科植物＞经果林。

土壤质量综合指数计算结果表明，不同土地利用方式下土壤质量综合指数排序依次为撂荒地＞粮食作物＞经济作物＞经果林＞豆科植物。分析其原因，土地利用方式在一定程度上决定了耕作制度与管理活动，而这些都是影响土壤养分的重要因素。撂荒地土壤质量综合指数最高，是因为撂荒地能够在一定程度上恢复地力、培肥土壤;经济作物和粮食作物土壤质量综合指数较接近，经果林和豆科植物相对较低，是因为经济作物和粮食作物种类丰富，而经果林和豆科植物相对单一，不利于土壤养分均衡，加之经果林会产生一种抑制有机质生成的物质，豆科植物会从土壤中吸收大量磷素，这都导致经果林和豆科植物的土壤质量综合指数较低。

综上，本研究对巫山县坡改梯地区不同土地利用方式下土壤质量进行了初步探讨，研究成果对三峡库区梯田土壤改良和农作物选种具有参考价值。但是，本研究主要是从土壤养分方面探讨土壤质量变化，而土壤质量还受其物理性质如容重、含水量、总孔隙度，以及生物性质如转化酶活性、酸性磷酸酶活性、多酚氧化酶活性等的影响，因此想要更准确全面地衡量土壤质量，还需在以后的工作中加强对上述因素的监测和研究。

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