典型岩溶地区不同土地利用方式对土壤稳定性和养分的影响

彭东海， 秦 芳， 苏利荣， 李 琴， 成城， 苏天明

(1.广西职业技术学院，广西南宁 530226； 2.广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007)

岩溶地区生态脆弱，石漠化是岩溶地区最大的生态问题，岩溶区石漠化造壤能力低，营养元素匮乏，近20年来中国采取了一系列以植被修复为主的石漠化治理措施，如封山育林、退耕还林还草、建设防护林、种植经济作物等，大量研究及实践证实植被修复能够有效改善土壤的理化性质，但合理的土地利用可以增强土壤对外界环境变化的抵抗力，不合理的土地利用则会导致土壤质量下降。广西凤山县属于典型的岩溶山区，近年来当地政府通过各种措施形成了多种土地利用的生态修复方式，主要是引入核桃产业，在保障生态修复的同时，兼顾了当地经济的发展，取得明显的效果。在兼顾生态恢复与粮食生产的情况下，凤山县多年来形成了比较固定的土地利用方式，如核桃单种、核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树、撂荒地等多种模式，近十年来还利用当地中草药资源形成了核桃/十大功劳(中草药)模式，发展面积达到666.7 hm左右。岩溶地区土壤脆弱，人为干扰和自然因素影响程度不同，尤其在不同土地利用方式上对土壤的影响存在很多不可确定性，因而小尺度的研究往往更加适合作为区域生态修复、植被重建和农业产业结构调整的依据。而针对凤山县2种主要土壤类型的不同土地利用方式对土壤稳定性和氮磷钾养分含量特征的影响还没有报道，为此，本研究以广西凤山县2种主要土壤类型上的6种土地利用方式(自然裸地、核桃单种、核桃套种春玉米+秋大豆、核桃套种春大豆+秋大豆、核桃+桑树、核桃+十大功劳)为研究对象，研究不同土地利用方式对土壤稳定性和氮磷钾养分含量特征的影响，以期为该岩溶地区土地利用的合理管控和发展提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于广西凤山县(106°40′50″N，24°36′10″E)，属于典型的岩溶山区，年平均气温 19.7 ℃，年总降水量1 628.9 mm，降雨季节性变化明显，该县旱地土壤类型主要是红壤和棕色石灰性土壤。样地位于广西凤山县中亭乡柏林村(棕色石灰土)和凤城镇弄者村(红壤)。每种土壤类型均调查撂荒地、核桃单种、核桃套种春玉米+秋大豆、核桃套种春大豆+秋大豆、核桃套种桑树、核桃套种十大功劳6种模式。其中核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树连续种植10年以上，核桃/十大功劳均连续种植5年以上，撂荒地、核桃单种模式年限在15年以上。

1.2 样品采集

样品采样时间为 2019年11月。综合考虑土壤本底值对试验的影响，同一土壤类型的试验样地分布在1 km以内，各样地选取 25 m×25 m 样地各3处。在样地内随机选择10个取样点，去除土壤表层覆盖后，用环刀采集原状土，再用取样刀切取整块土壤，置于样品盒避免人为扰动，土样带回实验室经自然风干后，去除土样中的植物根系和碎石块，将大土块顺土壤自然结构轻轻地掰碎成粒径<10 mm的小土块，混合后分成2份，一份用于团聚体分析，另一份用于土壤理化性质的测定。

1.3 样品测定

采用沙维诺夫法测定土壤团聚体水稳性，包括干筛法和湿筛法2部分，干筛法的测定方法是取200 g土壤样品，使其通过一套筛孔直径分别为5、2、0.5、0.25 mm 的筛组，一次分离出>5.0、5.0～2.01、2.0～0.51、0.5～0.25、<0.25 mm的团聚体，并测定相应的土样质量。记录数据后，按比例取所需各级团聚体100 g，用于湿筛处理。湿筛法为取各级团聚体质量混合土样100 g 放置于团聚体分析仪套筒内，所用标准筛从大到小依次为 5、2、0.5、0.25 mm，缓缓向套筒里加入蒸馏水没过样品，以 30次/min的频率振荡5 min，采用烘干法测得每个粒径土壤团聚体的质量。土壤的土壤容重、孔隙度采用环刀法测定。土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾分别采用重铬酸钾容量法、碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO浸提-钼蓝比色法、1 mol/L中性乙酸铵提取-火焰光度计法、HSO消煮-半微量开氏法、NaOH熔融-钼锑抗比色法、NaOH熔融-火焰光度法进行测定。

1.4 数据计算与处理

土壤团聚体稳定性特征选取的指标有平均重量直径 (mean weight diameter，MWD)、几何平均直径(geometric mean diamete，GMD)、团聚体结构破坏率(aggregate destrution rate，PAD)，计算公式如下：

数据运用 Microsoft Excel 处理数据，用 SPSS 19.0 系统软件分析数据，用邓肯氏法对样本平均数的差异显著性进行比较。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式的土壤团集体稳定性

2.1.1 不同土地利用方式的土壤团聚体分布特征 从表1可以看出，红壤各粒级土壤机械团聚体含量由高到低依次为 >5.0 mm、5.0～2.01 mm、1.0～0.51 mm、2.0～1.01 mm、<0.25 mm 和0.50～0.25 mm。>5 mm 粒级团聚体的含量为 60.31%～86.95%，与撂荒地相比，各处理均显著提高了>5.0 mm 团聚体的含量。核桃单种、核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树、核桃/十大功劳分别增加了 44.17%、2.34%、5.06%、2.55%、30.91%。5.0～2.01 mm粒级团聚体的含量为 4.26%～17.67%，与撂荒地相比，除了核桃单种模式外，其余模式均提高了5.0～2.01 mm粒级团聚体的含量。2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量为 3.30%～13.17%，与撂荒地相比，除了核桃单种和核桃/十大功劳模式外，其余模式均提高了2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量。1.0～0.51 mm粒级团聚体的含量为 2.19%～6.39%，与撂荒地相比，除了核桃单种和核桃/十大功劳模式显著提高 1.0～0.51 mm粒级团聚体的含量外，其余模式间差异不显著。0.50～0.25 mm粒级团聚体的含量为 0.63%～3.41%，与撂荒地相比，除了核桃单种和核桃/十大功劳模式显著提高0.50～0.25 mm粒级团聚体的含量外，其余模式间差异不显著。<0.25 mm粒级团聚体的含量为 1.81%～16.49%，与撂荒地相比，各模式均显著降低了<0.25 mm粒级团聚体的含量76.89%～89.02%。从表1还可以看出，棕色石灰土壤各粒级土壤机械团聚体含量由高到低依次为 >5.0 mm、<0.25 mm、 5.0～2.01 mm、2.0～1.01 mm、1.0～0.51 mm和0.50～0.25 mm 。>5.0 mm 粒级团聚体的含量为 73.48%～88.05%，与撂荒地相比，其余处理均显著提高了 >5 .0 mm 团聚体的含量。5.0～2.01 mm粒级团聚体的含量为 2.31%～5.27%，与撂荒地相比，除了核桃单种模式外，其余模式均提高了该粒级团聚体的含量。2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量为 1.48%～3.51%，与撂荒地相比，各套种模式均提高了该粒级团聚体的含量。1.0～0.51 mm粒级团聚体的含量为 1.00%～2.80%，与撂荒地相比，除了核桃/春玉米+秋大豆和核桃/春大豆+秋大豆模式显著降低该粒级团聚体的含量外，其余模式间差异均不显著。0.50～0.25 mm粒级团聚体的含量为 0.33%～1.39%，与撂荒地相比，除了核桃/春大豆+秋大豆模式模式显著提高该粒级团聚体的含量外，其余模式间差异不显著。<0.25 mm粒级团聚体的含量为 5.73%～19.09%，与撂荒地相比，各模式均显著降低了该粒级团聚体的含量。

表1 不同土地利用方式的土壤机械团聚体结构

从表2可以看出，红壤各粒级土壤水稳性团聚体含量由高到低依次为 >5.0 mm、<0.25 mm、5.0～2.01 mm、1.0～0.51 mm、2.0～1.01 mm 和0.50～0.25 mm。>5.0 mm 粒级团聚体的含量为 29.11%～52.38%，与撂荒地相比，核桃/春玉米+秋大豆和核桃/春大豆+秋大豆模式显著降低>5 mm 团聚体的含量外，核桃单种和核桃/十大功劳模式显著提高>5 mm团聚体的含量。5.0～2.01 mm粒级团聚体的含量为 9.01%～19.14%，与撂荒地相比，各模式均提高了该粒级团聚体的含量。2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量为 3.38%～10.55%，与撂荒地相比，各模式均提高了2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量。1.0～0.51 mm粒级团聚体的含量为 3.65%～8.76%，与撂荒地相比，除了核桃/桑树模式显著提高1.0～0.51 mm粒级团聚体的含量外，其余模式间差异不显著。0.5～0.25 mm粒级团聚体的含量为 1.37%～2.61%，该粒级各模式间的差异不显著。<0.25 mm粒级团聚体的含量为 18.63%～43.13%，与撂荒地相比，各模式均显著降低了<0.25 mm粒级团聚体的含量。

从表2还可以看出，棕色石灰土壤各粒级土壤机械团聚体含量由高到低依次为>5 mm、<0.25 mm、 2.0～1.01 mm、1.0～0.51 mm、5.0～2.01 mm和0.50～0.25 mm 。>5.0 mm 粒级团聚体的含量为 26.60%～48.88%，与撂荒地相比，核桃/春玉米+秋大豆和核桃/十大功劳均显著提高了>5 mm团聚体的含量，核桃/春大豆+秋大豆和核桃/桑树模式显著降低了>5 mm团聚体的含量。5.0～2.01 mm粒级团聚体的含量为 3.79%～11.96%，与撂荒地相比，核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆和核桃/十大功劳均提高了5.0～2.01 mm粒级团聚体的含量。2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量为 1.72%～7.50%，与撂荒地相比，核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆模式提高了2.0～1.01 mm粒级团聚体的含量，其余模式间差异不显著。1.0～0.51 mm和0.50～0.25 mm 粒级团聚体的含量为 1.69%～10.31%，与撂荒地相比，除了核桃/春玉米+秋大豆显著提高这2个粒级团聚体的含量外，其余模式间差异均不显著。<0.25 mm粒级团聚体的含量为 17.79%～31.80%，与撂荒地相比，除核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆模式外，其余模式均显著降低了<0.25 mm粒级团聚体的含量。

表2 不同土地利用方式的土壤水稳性团聚体结构

2.1.2 不同土地利用方式的土壤团聚体稳定性特征 目前，常用土壤团聚体破坏率(PAD)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)反映和分析评价土壤团聚体稳定性。PAD可直观地反映团聚体在水蚀作用下的分散程度，其数值越小表示土壤团聚体越稳定，土壤结构越好；MWD和GMD越大表明土壤团聚体稳定性越强，土壤结构越好。从表2、表3可以看出，红壤上各模式的PAD顺序为核桃/桑树<核桃单种<核桃/十大功劳<核桃/春大豆+秋大豆<核桃/春玉米+秋大豆<撂荒地。其中核桃/春大豆+秋大豆、核桃/春玉米+秋大豆与撂荒地间差异不显著，说明红壤上不种植植被或者人为经常搅动，很容易导致土壤流失。从MWD、GMD、MWD和GMD数据看，以撂荒地的最小，核桃单种的最大，说明种植核桃比较利于增加红壤的稳定性，但核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树、核桃/十大功劳均较核桃单种降低了红壤的MWD、GMD、MWD和GMD的值，说明人为搅动会影响红壤的稳定性，其中核桃/春玉米+秋大豆最不利于土壤的稳定。

表3 不同土地利用方式的土壤团聚体稳定性指标

棕色石灰土壤上各模式的PAD顺序为核桃/十大功劳<核桃单种<撂荒地<核桃/桑树<核桃/春大豆+秋大豆<核桃/春玉米+秋大豆。其中核桃/春玉米+秋大豆和核桃/春大豆+秋大豆显著高于其他模式，核桃/十大功劳、核桃/桑树、核桃单种和撂荒地的差异不显著，说明人为搅动很容易导致土壤流失。从MWD和GMD数据看，以核桃/春玉米+秋大豆的最小，而核桃单种和核桃/十大功劳的MWD和 GMD最大，这2种模式下的土壤大团聚体比例增加，抵抗机械外力能力较大。从MWD和 GMD数据看，均以核桃单种的最大，说明该土壤下的核桃单种模式比较利于形成大水稳性团聚体，增加土壤对水力侵蚀的抵抗能力。而核桃/春玉米+秋大豆模式下的MWD和 GMD最小，说明人为搅动最不利于该土壤的稳定。

2.2 不同种植模式对土壤容重和孔隙度的影响

土壤容重可以总体地反映土壤质地、结构状况以及腐殖质含量的高低，是土壤重要的物理特性之一。一般耕作层土壤容重1.0～1.3 g/cm比较适合作物生长，在该范围内土壤容重越小说明土壤结构、通气透水性能越好。从表4可以看出，红壤上各模式的土壤容重为1. 16～1.42 g/cm之间，顺序为撂荒地>核桃/春玉米+秋大豆>核桃/桑树>核桃/春大豆+秋大豆>核桃单种>核桃/十大功劳，其中撂荒地与核桃/春玉米+秋大豆差异不显著，但显著高于其余模式。棕色石灰土壤上各模式的土壤容重为1. 32～1.46 g/cm之间，也以撂荒地的最大。该土壤上除了核桃/十大功劳模式与撂荒地无显著差异外，其余模式均降低了土壤的容重。

土壤孔隙度反映土壤的透气性，土壤毛管孔隙度还反映土壤毛管的持水能力。从表4可以看出，与撂荒地相比，各模式均增加红壤的总孔隙度和毛管孔隙度，而降低红壤的非毛管孔隙度。其中核桃/春大豆+秋大豆、核桃/十大功劳和核桃单种的土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度最大，土壤的通气性和毛管持水性较好。

对于棕色石灰土而言，与撂荒地相比，各模式均增加棕色石灰土壤的总孔隙度和毛管孔隙度，而降低土壤的非毛管孔隙度(表4)。其中核桃单种、核桃/十大功劳的土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度最大，土壤的通气性和毛管持水性较好。

表4 不同土地利用方式的土壤容重、孔隙度

2.3 不同种植模式对土壤养分的影响

从表5可以看出，凤山县的土壤有机质含量较高。2种类型土壤上的有机质和速效养分均以撂荒地的最低，其他各种模式均提高了土壤有机质和速效养分含量。2种类型土壤的核桃/十大功劳和核桃单种的有机质最高，这可能与每年核桃的落叶有关，加上不翻动土壤，利于有机质在土壤表层的积累。而土壤的速效养分含量以核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树模式的含量较高，这可能与不同种植模式的长期施肥有关。

表5 不同土地利用方式的有机质、速效氮磷钾养分

由表6可以看出，2种类型土壤的土壤全量氮磷钾养分均以撂荒地的最低，其他各种模式均较撂荒地提高了土壤全量氮、磷、钾养分含量，说明合理的土地利用可以提高土壤的可耕性。

表6 不同土地利用方式的全量氮磷钾养分

2.4 土壤稳定性与土壤肥力的相关性

由表7可以看出，红壤区土壤有机质与平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈极显著正相关，而与土壤团聚体破坏率(PAD)呈极显著负相关，说明有机质含量越高，红壤的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)越大，土壤结构越好，土壤抗水冲刷的能力越强。红壤速效钾与其几何平均直径(GMD)呈显著正相关，说明红壤速效钾含量越高，土壤几何平均直径(GMD)就越高，土壤团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定。红壤区土壤其他指标与平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)及土壤团聚体破坏率(PAD)的相关不显著。

表7 红壤不同土地利用方式的土壤稳定性与土壤肥力的相关性

由表8可以看出，棕色石灰土壤区土壤的有机质与平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈极显著正相关，说明有机质含量越高，红壤的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)越大，土壤结构越好，土壤抗水冲刷的能力越强。棕色石灰土壤速效磷与其几何平均直径(GMD)呈显著正相关，说明红壤速效磷含量越高，土壤几何平均直径(GMD)就越高，土壤团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定。而棕色石灰土壤速效钾与土壤团聚体破坏率(PAD)呈正相关关系， 说明红壤速效钾含量高

表8 棕色石灰土不同土地利用方式的土壤稳定性与土壤肥力的相关性

反而不利于该土壤类型的稳定。土壤毛管孔隙度与土壤平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈负相关关系，其中与MWD、GMD呈显著负相关；土壤毛管孔隙度与土壤团聚体破坏率(PAD)呈正相关关系。土壤非毛管孔隙度与土壤平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈显著正相关关系，而与土壤团聚体破坏率(PAD)呈极显著负相关关系。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对土壤团聚体分布特征的影响

不同土壤利用方式通过改变土壤黏粒发育、养分累积、有机质胶结等微生态环境进而影响土壤团聚体的含量及分布特征。本研究发现，红壤区和棕色石灰土区各种土地利用方式均较撂荒地显著降低了<0.25 mm土壤机械稳定性和水稳性团聚体粒级团聚体的含量。可能是地表覆被能有效抵挡降雨时雨滴的动能冲量以及径流的冲刷侵蚀，为大粒径团聚体的形成提供有利条件；同时植被的根系残体和分泌物等的胶结作用可使土壤颗粒黏合成粒径更大的团聚体。而核桃单种、核桃套种春玉米+秋大豆、核桃套种春大豆+秋大豆、核桃套种桑树、核桃套种十大功劳等不同土地同利用方式的土壤土壤团聚体分布特征有明显差异，如在棕色石灰土区，核桃/春玉米+秋大豆和核桃/十大功劳提高了>5.0 mm团聚体的含量，而核桃/春大豆+秋大豆和核桃/桑树模式降低了>5.0 mm团聚体的含量，这些差异可能是由于不同作物根系的穿插挤压以及腐殖酸生化反应作用差异的结果。

3.2 不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体稳定性是衡量土壤质量优良和健康程度的重要指标。土壤团聚体由机械稳性团聚体和水稳性团聚体组成，其组成情况可以反映土壤团聚体抵抗机械外营力破坏的能力，而水稳性团聚体的粒级组成可以反映其稳定性特征。目前，常用土壤团聚体破坏率(PAD)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)反映和分析评价土壤团聚体稳定性。PAD可直观地反映团聚体在水蚀作用下的分散程度，其数值越小表示土壤团聚体越稳定，土壤结构越好；MWD和GMD是评价土壤团聚体稳定性的2个重要指标，其值越大表明土壤团聚体稳定性越强，土壤结构越好。本研究发现，在红壤区，撂荒地的MWD和GMD最小，核桃单种的最大，该土壤红壤上各模式的土壤团聚体破坏率(PAD)顺序为核桃/桑树<核桃单种<核桃/十大功劳<核桃/春大豆+秋大豆<核桃/春玉米+秋大豆<撂荒地；在棕色石灰土区，核桃/春玉米+秋大豆模式下的MWD和GMD最小，土壤团聚体破坏率(PAD)也最大，该区各模式的土壤团聚体破坏率(PAD)顺序为核桃/十大功劳<核桃单种<撂荒地<核桃/桑树<核桃/春大豆+秋大豆<核桃/春玉米+秋大豆。可见，不同土壤类型上的不同土地利用方式对土壤的稳定性有不同影响，但该区域核桃单种、核桃/十大功劳是2种比较利于土壤稳定的模式，利于对岩溶区土壤的培育。因此，兼顾生态、经济社会的可持续发展，该区域的生态修复必须因地制宜优化种植结构，建议针对坡顶和坡腰地带等不宜频繁耕作的核桃林地，以套种生育周期长的作物，如中药材十大功劳为主，减少人为对土壤的搅动，保持土壤的稳定。在坡脚和坡底土层相对较厚、光照充足的核桃林地以套种粮食作物为主，通过科学施肥，达到提高作物产量并培育土壤的目的，促进提高农民增产增收。

3.3 土壤其他指标对土壤团聚体稳定性的影响

土地利用是自然环境与人类活动相互作用的综合过程，土地利用方式直接影响土壤的理化性状，从而影响土壤的稳定性。岩溶山区土地利用以保持土壤稳定性为首要任务。本研究发现，凤山县的2种类型土壤上的有机质均高于撂荒地。通过相关性分析发现，有机质与2种土壤的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈极显著正相关，而与土壤团聚体破坏率(PAD)呈极显著负相关，说明有机质含量越高，红壤的土壤结构越好，土壤抗雨水冲刷的能力越强，这与前人的研究结果一致。本研究还发现，凤山县的2种类型土壤上的土壤养分含量均高于撂荒地。通过相关性分析，发现红壤区土壤的速效钾与其几何平均直径(GMD)呈显著正相关外，其他指标与土壤稳定性指标间相关性不明显，说明红壤速效钾含量越高，土壤几何平均直径(GMD)就越高，土壤团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定。在棕色石灰土壤区，土壤速效磷与其几何平均直径(GMD)呈显著正相关，说明棕色石灰土的土壤速效磷利于土壤结构越稳定，而该区土壤速效钾与土壤团聚体破坏率(PAD)呈正相关关系，说明红壤速效钾含量高反而不利于该土壤类型的稳定。该区的土壤毛管孔隙度与土壤平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈负相关关系，其中与MWD、GMD呈显著负相关；土壤毛管孔隙度与土壤团聚体破坏率(PAD)呈正相关关系。土壤非毛管孔隙度与土壤平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈显著正相关关系，而与土壤团聚体破坏率(PAD)呈极显著负相关关系。可见，不同土壤类型上的不同土壤理化性状对土壤稳定性的影响不同。

4 结论

凤山县红壤区和棕色石灰土区采用核桃单种、核桃套种春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树、核桃/十大功劳等5种土地利用方式均较撂荒地显著提高了土壤的大团聚结构，提高土壤的稳定性。其中核桃单种和核桃套种十大功劳2种模式的土壤的稳定最佳。

凤山县2种土壤采用核桃单种、核桃/春玉米+秋大豆、核桃/春大豆+秋大豆、核桃/桑树、核桃/十大功等5种土地利用方式均较撂荒提高土壤有机质、土壤速效磷、土壤速效钾、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度，提高土壤的稳定性。因此，在凤山县红壤区，可通过合理的套种来增加土壤的有机质含量，提高土壤的稳定性；在棕色石灰土区，对坡顶和坡腰地带等有水土流失风险不宜频繁耕作的地块建议采用核桃单种，或者核桃套种生育周期长的作物，如中药材十大功劳为主，减少人为对土壤的搅动，保持土壤的稳定。在坡脚和坡底土层相对较厚、光照充足的核桃林地以套种粮食作物为主。