喀斯特山区土地利用方式对土壤质量的影响

谭玉兰，杨 丰，陈 超*，莫本田，郝 俊，周 丽

(1.贵州大学 动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省草地技术试验推广站，贵州 贵阳 550025；3. 贵州省农业科学院 畜牧兽医研究所，贵州 贵阳 550005)

【研究意义】喀斯特地貌是自然界中独特的地理景观，主要特征为土壤浅薄贫瘠、养分和水分保存能力差、抗干扰能力和稳定性差，受干扰后自然恢复困难[1-2]。我国喀斯特山区主要分布在贵州、云南和广西，面积约为5.03×104km2，其中贵州省的喀斯特地貌面积占全省土地面积的73.6 %[3]。20世纪60年代毁林开荒、草地开垦等活动频繁，导致土地利用方式多样化[4]。喀斯特环境的脆弱性及不合理的人类活动导致水土流失严重，产生以石漠化为特征的生态环境退化，严重制约社会经济的发展[5]。【前人研究进展】长久以来，我国加大了生态环境保护力度，生态环境质量有所改善，近年习近平指出，建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。土壤作为人类赖以生存的自然资源，是诸多生态过程的载体，土壤质量好坏决定着农业可持续发展及生态系统的稳定性[6]。深入解析土壤质量与土地利用方式之间的关系，是了解生态系统结构和功能、实现土壤资源持续利用、喀斯特生态系统修复和健康发展的关键[7]。马志敏等[8]对黑河荒漠绿洲区不同土地利用方式下的土壤肥力状况的研究表明，人为长期的耕作及农田的不断扩张是土壤肥力退化的主要原因。敖登高娃等[9]对内蒙古土地利用方式对土壤质量的研究表明，林地转变为耕地时，土壤质量明显下降，土壤生态环境趋向退化；草地转变为灌木林地和林地，土壤质量改善。唐梦迎等[10]关于渭干河-库车河三角洲绿洲不同土地利用方式对土壤养分的影响研究结果表明，林地土壤养分的综合水平高于草地和盐渍地。合理的土地利用方式，即可改善土壤结构，还可提高土壤肥力；不合理的土地利用方式，不仅会导致土壤肥力下降，还使得生态环境趋向恶化。 【本研究切入点】有关土壤质量在贵州西部喀斯特地区对不同土地利用方式的响应报道较少。【拟解决的关键问题】以贵州西部喀斯特地区的农田、弃耕地、天然草地、人工草地及林地等 5种土地利用方式为研究对象，分析不同土地利用方式对其土壤质量的影响，以期为喀斯特山区生态文明建设和社会经济的可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省盘州市(N 25°19′～26°17′，E 104°17′～104°57′，海拔2280～2717 m)，属于亚热带高原季风气候区，年均温15.0 ℃，≥10 ℃积温3876 ℃，最冷月日均温为4.8 ℃，最热月日均温为20.5 ℃；无霜期210～237 d；年日照时数约1390 h；年均降水量约1100 mm，主要集中在4-10月。样地选择研究区内的农田、弃耕地、人工草地、天然草地和林地，各样地的基本信息见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 样品采集 2017年8月对农田、弃耕地、人工草地、天然草地和林地界面影响宽度范围内的典型区域土壤进行取样，每种土地利用类型随机设置3个样地，样地间隔大于20 m，每个样地面积约2 hm2，在每个样地设置3～5个取样点，取0～20 cm土层混合为土样，每个土样质量≥1 kg；土样自然风干、挑出植物根茎和石砾后过2 mm筛存于密封袋以备室内化学分析所用。

1.2.2 样品测定方法 用环刀(100 cm3)取土芯测定土壤容重，容重测定后用环刀内的土样测定土壤田间持水量；pH采用1∶2.5土水比-酸度计法测定；阳离子交换量采用NH4CL-NH4Ac交换法测定；有机质采用重铬酸钾-浓硫酸油浴法测定；全氮采用硫酸-高氯酸凯式定氮法测定；全磷含量采用浓硫酸和高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法；速效氮含量采用0.02 mol/L氯化钾提取，液土比5∶1，用BranlubbeAA3型连续流动分析仪分析；速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗色法测定；速效钾含量采用火焰分光光度计法测定；土壤有效态铜、锌含量经过DTPA浸提，原子吸收分光光度法测定。

表1 样地基本信息

1.2.3 数据分析 土壤养分有效性评价采用单项指数(Ei)和综合指数(EC)相结合方法，先计算各养分有效性指数，再采用均根法计算综合有效性指数：

式中，i为土壤养分指标；Ci为土壤中某项指标i的实测值；Si为土壤中i项指标在整个研究区域的平均值或临界值(当土壤中i项指标为土壤有效态微量元素时则为临界值)。

基础数据采用Excel 2007软件进行整理，采用SPSS 19.0软件利用单因素方差分析对不同利用方式下土壤性质进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土地利用方式对土壤物理性质的影响

从表2看出，研究区土壤容重为1.30～1.49 g/cm3，不同土地利用方式间差异显著，从小到大依次是林地、人工草地、弃耕地、农田和天然草地。究其原因：林地土壤疏松可能是因为林地的枯落物较多，经生物分解有效地避免了土壤板结。土壤孔隙度为35.29 %～48.59 %，土壤孔隙度与土壤容重变化趋势相反，表明，天然草地土壤透气性较差。土壤田间持水量在不同土地利用方式间差异显著，其中林地持水量最大，为48.38 %，人工草地和弃耕地次之，农田和天然草地最差，与土壤容重变化趋势相同，表明土壤的紧实度与土壤的持水量紧密相关，土壤越疏松，越有利于土壤蓄水保水。

2.2 土地利用方式对土壤化学性质的影响

从表3看出，土壤pH为4.59～5.53，不同土地利用方式间差异显著，其中，农田土壤pH显著低于其余4种土地利用方式，说明农田的土壤酸化。林地的土壤阳离子交换量高于其他4种土地利用方式20.31 %～37.83 %，且差异达显著性水平，表明林地土壤对离子形态的养分吸附和解吸能力较强。土壤有机质含量为28.40～76.27 g/kg，以林地最高，显著高于除人工草地以外的3种土地利用方式；人工草地和天然草地次之；弃耕地和农田相对较差。说明，林地有利于保存土壤有机质。土壤全氮含量的表现为农田>弃耕地>人工草地>林地>天然草地，农田的全氮含量最高，为3.10 g/kg，较天然草地、林地、人工草地和弃耕地分别高47.74 %、25.81 %， 22.58 %和6.45 %；土壤碱解氮含量与土壤全氮含量变化规律基本相同，农田的碱解氮含量显著高于其他4种土地利用方式，说明人为活动和土地利用方式对土壤氮素的变化有影响。土壤全磷含量和有效磷含量与土壤氮素在不同土地利用方式下变化基本相同，农田的土壤磷素显著高于另4种土地利用方式，与当地农户习惯施用氮磷肥有关。

不同土地利用方式的土壤全钾含量为3.18～8.94 g/kg，其中天然草地显著高于林地、人工草地、农田及弃耕地64.42 %、44.85 %、35.23 %和23.49 %；土壤速效钾与全钾含量变化趋势一致，表明不同土地利用方式对土壤钾素影响较大。土壤有效铜和有效锌的含量在不同土地利用方式间差异显著，林地和天然草地的有效铜和有效锌含量显著高于人工草地、农田及弃耕地，表明土壤中有效铜和有效锌的含量可能与地表覆被、土壤的形成与发育及人类干扰程度等有关。

2.3 不同土地利用方式土壤的养分有效性

从表4看出，研究区土壤阳离子交换量，土壤有机质，全氮，农田和弃耕地中的全磷、碱解氮和有效磷，人工草地的全磷和有效磷的单项有效性指数均大于1，表明上述养分含量大于相应养分的平均含量。研究区土壤全钾、速效钾，天然草地和林地碱解氮、全磷和有效磷，人工草地碱解氮的单项性指数均小于1，表明研究区可能缺乏以上养分含量。研究区土壤有效铜的有效性指数为5.03～6.67，有效锌的有效性指数为6.50～14.65，表明研究区土壤含有大量的有效铜和有效锌。研究区土壤养分有效性综合指数(Ec)为3.22～5.41，总体表现依次为林地>天然草地>人工草地>农田>弃耕地，说明，林地土壤肥力最好，天然草地和人工草地次之，农田和弃耕地较差。

表2 不同土地利用方式土壤的物理性质

注：同列不同小写字母表示5 %水平下差异显著，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学性质

表4 不同土地利用方式土壤的养分有效性指数

3 讨 论

3.1 土壤物理性质对土地利用方式的响应

研究5种土地利用方式下土壤物理性质的变化，土壤容重和土壤孔隙度在不同利用方式下差异显著。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，这与梁博等[12]的研究结果相同，当地每年的3-10月，在天然草地上放牧牛羊，牛羊对草地长期不断地啃食和践踏，外加又缺乏人工翻耕，因此土壤易板结成块[13]。林地的土壤田间持水量最高，为48.38 %；而农田最低，为34.01 %，表明林地的土壤有利于保水蓄水，林地的土壤结构性较好，土壤颗粒细腻且质地疏松，可以容纳大量的水和空气；而农田暴露在外面的面积较大，长期遭受风沙侵蚀和人类反复的干扰，逐渐形成较大的土壤颗粒，土壤的通气蓄水能力较差[14]。

3.2 土壤化学性质对土地利用方式的响应

土壤化学性质是衡量土壤肥力的重要指标，影响土壤的保肥性、缓冲性及土壤养分元素的有效性。研究区林地土壤的有机质含量比其余4种土地利用方式高6.45 %～47.74 %，其中，农田的土壤有机质含量最低，与岳庆玲等[15]的研究结果大致相同，土壤有机质含量明显受到土地利用方式的影响，当地主要农田经济作物(玉米)生长发育从土壤中吸收有机质等大量养分，且在收获后将地上玉米秸秆移除，大幅减少土壤有机质的来源；另外，频繁的人为耕作破坏了土壤团聚体结构，将土壤有机物翻耕到地表促使微生物的分解，加速了土壤有机质的流失[16]。土壤全钾和有效钾的单项有效性指数表明，研究区土壤缺钾，与吴志丹等[17]的研究结果相同，不同土地利用方式改变了土壤pH，因土壤pH变低时导致粘土矿物中的钾不断释放成可溶性态，加剧了淋溶损失导致土壤钾库的贫化。

土壤微量元素铜和锌是作物营养物质的重要组成部分，植物吸收的微量元素主要取决于有效态[18]。土壤有效铜和有效锌含量的临界值分别为0.2和0.5 mg/kg，研究区土壤有效铜和有效锌的含量超出临界值6.5～14.65倍，与杨霖等[19]在岩溶区的研究结果基本一致。土壤微量元素主要来源于成土母质，其含量和分布与母岩密切相关，碳酸盐岩发育的石灰性土壤的微量元素含量普遍高于砂岩和页岩等发育的土壤；因研究区土壤酸化，土壤pH在5.0左右，铜和锌在酸性土壤中有效性较高[20]；另外，农业上大量施用农药、除草剂及有机肥等对土壤有效铜和有效锌的影响较大，许多农用化学药品和化肥中含有铜和锌的有机和无机化合物，进而影响土壤中的有效铜和有效锌含量[21]。土壤有效铜和有效锌含量过高，是否会对当地植物产生毒害，甚至对土壤造成污染，有待深入探究。

3.3 土地利用方式对土壤质量的影响

根据各类型土壤养分有效性综合指数分析得出，林地的土壤养分有效性综合指数最高，分别是弃耕地、农田、人工草地及天然草地的1.68、1.61、1.55、1.15倍。与文小琴等[22]研究结果一致，土地利用方式对土壤养分影响较大，林地生态系统的生物丰富多样，大量的动植物残体经由微生物分解成土壤有机质、氮素等养分，提高了土壤肥力；森林的树木高大繁盛且根深叶茂，具有很强的光合作用，而植物通过光合作用将其固定的养分输送至发达的根系中，再由根系分泌到土壤中以增加养分含量；翻耕等人类活动较少，土壤团聚体结构不被破坏，包裹在土壤团聚体的养分得以保护，降低土壤养分流失。

4 结 论

研究区5种不同土地利用方式对土壤容重、孔隙度影响差异显著，天然草地和农田容重较大，孔隙度较小；林地、弃耕地及人工草地土壤容重相对较小，孔隙度较大。土壤田间持水量为34.01 %～48.38 %，且不同土地利用方式间的差异显著。土壤pH为4.59～5.53，其中农田pH最小；林地、人工草地及弃耕地的阳离子交换量高于天然草地和农田；土壤有机质含量均以林地和草地较高；农田的土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量高于其余4种土地利用方式；土壤全钾和速效钾含量在研究区不同土地利用方式差异显著且有效性指数均小于0.9；5种土地利用方式的土壤有效铜和有效锌有效性指数为6.50～14.65。土壤养分有效性综合评价结果为林地土壤质量最好，其次是天然草地和人工草地，农田和弃耕地的土壤质量最差。说明，林地和草地的土壤质量优于农田和弃耕地；退耕还林还草有利于喀斯特地区土壤质量的提升及生态环境的恢复。通过研究不同土地利用方式对土壤质量的影响，对区域土地资源合理开发利用具有一定的指导意义。