不同土地利用方式下银北盐碱地土壤的理化性质特征

吴霞 王长军 樊丽琴 张永宏 王旭

摘要：以銀北地区盐碱地为对象，研究了旱地、水田、灌木林和荒草地4种土地利用方式对0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重、总孔隙度、有机碳含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、pH以及全盐含量的影响。结果表明，银北地区不同土地利用方式土壤理化性质差异显著（P<0.05）。旱地和水田土壤容重高于灌木林和荒草地，土壤总孔隙度则低于灌木林和荒草地。4种土地利用方式土壤有机碳和全量养分含量在0～20 cm和20～40 cm土层表现较为相似，有机碳和全氮含量表现为灌木林最高，旱地和水田次之，荒草地最低；旱地和水田土壤全磷含量显著高于灌木林和荒草地（P<0.05）；全钾含量在旱地土壤中最高，水田最低。除旱地20～40 cm土层外，土壤pH和全盐含量均表现为荒草地显著高于其他3种土地利用方式（P<0.05）。加权灰色关联分析显示，0～20 cm和20～40 cm土层均表现为灌木林土壤理化性质关联度最大，旱地和水田次之，荒草地最小，说明灌木林对改良银北盐碱地土壤理化性质的效果最优。

关键词：盐碱地；改良；土地利用方式；土壤理化性质；灰色关联分析；银北地区

中图分类号：S156.4+9         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）04-0044-05

Characteristics of soil physical and chemical properties in saline-alkali land of Yinbei under different land use patterns

Abstract： Taking saline-alkali land in Yinbei area as the research object， the effects of four land use patterns （dry land， paddy field， shrubbery and grassland） on soil bulk density， total porosity， organic carbon content， total nitrogen content， total phosphorus content， total potassium content， pH and total salt content in 0～20 cm and 20～40 cm soil layers were studied. The results showed that the soil physical and chemical properties of different land use types in Yinbei area were significantly different （P<0.05）. The soil bulk density of dry land and paddy fields was higher than that of shrubland and grassland， and the total soil porosity was lower than that of shrubland and grassland. The soil organic carbon and total nutrients of four land use types were similar in 0～20 cm and 20～40 cm soil layers. The content of organic carbon and total nitrogen was the highest in shrubbery， followed by dry land and paddy fields， and the lowest in grassland. The soil total phosphorus content in dry land and paddy fields was significantly higher than that in shrubbery and grassland（P<0.05）. The total potassium content was the highest in dryland soil and the lowest in paddy fields. The soil pH and total salt content of grassland were significantly higher than those of the other three land use types（P<0.05）， except for the 20～40 cm soil layer of dry land. The weighted gray correlation analysis showed that the correlation degree of soil physical and chemical properties in 0～20 cm and 20～40 cm soil layers was the highest in shrubbery， followed by dry land and paddy fields， and the lowest in grassland， indicating that shrubbery had the best effect on improving soil physical and chemical properties in Yinbei saline-alkali land.

Key words： saline-alkali land； improvement； land use pattern； soil physical and chemical properties； gray correlation analysis； Yinbei region

土壤是人类生存和发展的重要基础，人类从土壤中得到赖以生存的衣食住行等物质资料［1］。农业生产对土壤、气候、地貌、水文等条件的要求十分严格，不同位置、不同质量的土壤生产的农业品种、质量和数量区别很大［2］；反之，农业生产方式对土壤物理和化学性质也产生了显著影响，不合理的土壤耕种及不科学的管理措施导致水土流失、土地退化、土壤污染等问题［3］。不同土地利用方式下的土壤理化性质有所不同，国内学者在南方红壤区、黄土高原区、喀斯特地区等不同区域开展了土地利用方式对土壤理化性质的影响研究，结果表明土地利用方式对土壤理化性质具有重要影响［4-8］。唐柄哲等［9］采用灰色关联度法对川中丘陵区的研究表明，水保林对改善川中丘陵区土壤理化性质的作用最佳，缓坡耕地效果最差。李庆梅等［10］对黄河三角洲盐碱地的研究表明，撂荒对黄河三角洲退化土壤的恢复具有良好效果。目前，针对西北干旱区盐碱地土地利用方式的研究较少，本试验以宁夏银北地区盐碱地为研究对象，分析了旱地、水田、灌木林和荒草地     4种典型土地利用方式对土壤理化性质的影响，并在层次分析法的基础上，采用加权灰色关联度分析法评价4种土地利用方式对改善银北盐碱地理化性质的效果，以期为银北地区盐碱地改良利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于银川平原北部的平罗县，具有典型大陆性气候特征，年平均气温2.8～16.0 ℃，平均日照时数3 008.6 h，历年平均降水量173.2 mm，多集中在6—9月，多年平均蒸发量1 755 mm，是降雨量的近10倍［11］。研究区地下水位埋深较浅，一般为1.5 m左右，且矿化度较高，土壤类型以盐化灌淤土和潮土为主，南部以种植水稻的水田为主，北部以旱田为主，种植作物有小麦、玉米、油葵等。平罗县林地资源匮乏，仅占土地面积的1/10左右，主要以灌木林地为主，荒草地主要以芦苇、碱蓬等自然植被为主［12］。

1.2 样品采集

2021年10月上中旬，种植作物收获后冬灌前，在研究区选取旱地、水田、灌木林和和荒草地4种具有代表性的土地利用类型进行土壤样品采集，每种土地利用类型选取4块取样地，每块样地按“S”形采样法选取5个样点，分0～20 cm、20～40 cm两层进行样品采集，分层混合后取1 kg土样带回实验室，在室温下自然风干，研磨后过2 mm筛，装袋备测；同时，利用100 cm3环刀分层采集土壤样品以测定土壤容重和总孔隙度。

1.3 测定项目

测定的土壤物理指标有土壤容重和总孔隙度，化学指标有土壤有机碳含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、pH及全盐含量。其中，土壤容重和总孔隙度采用环刀法测定；有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定；全氮含量采用硫酸消化-蒸馏法测定；全磷含量采用氢氧化钠溶解-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氧化钠溶解-火焰光度法测定；pH采用pH计测定；土壤水溶性全盐含量采用电导法测定［13］。

1.4 数据处理

采用单因素方差分析法［14］分析研究区不同土地利用方式下土壤各项理化指标的差异性，并通过最小显著差异法（LSD）进行多重比较，分析不同土地利用方式间的差异。随后，针对研究区盐碱地实际情况，运用德尔菲法［15］和层次分析法［16］构建理化因子判别矩阵并进行一致性检验，计算土壤各理化因子权重。通过灰色系统理论［17，18］计算不同土地利用方式下的土壤理化性质灰色关联系数及关联度，从而选择改良银北地区盐碱地的最佳土地利用方式。数据采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用方式对土壤容重和总孔隙度的影响

土壤容重和孔隙度可反映土壤的紧实度和持水性能，是评价土壤质量和肥力状况的重要指标。从图1可以看出，土壤容重和总孔隙度在不同土地利用方式及土层间均存在显著差异（P<0.05），说明土地利用方式对盐碱地土壤物理性质影响显著。0～20 cm土壤容重表现为荒草地<灌木林<旱地<水田，在旱地、水田和灌木林间差异不大，而荒草地土壤容重则小于其他3种土地利用方式。20～40 cm土壤容重表现为灌木林<荒草地<水田<旱地，灌木林土壤容重在20～40 cm显著小于旱地、水田和荒草地（P<0.05）。从土壤垂直角度来看，旱地、水田和荒草地   3种土地利用方式下20～40 cm土壤容重均大于0～20 cm土层，而灌木林20～40 cm土壤容重则小于0～20 cm土层。土壤总孔隙度在0～20 cm和20～40 cm土层均表现为灌木林>荒草地>旱地>水田。20～40 cm土壤总孔隙度相较于0～20 cm土层均有不同程度的降低，其中灌木林降幅最小（6.67%），其次为旱地（11.54%），荒草地次之（14.29%），水田降幅最大（17.39%）。

2.2 土地利用方式对土壤有机碳和养分含量的影响

土壤有机碳和养分含量单因素方差分析结果如表1所示。土壤有机碳、全氮、全磷和全钾的含量在不同土地利用方式间均存在显著差异（P<0.05）。不同土地利用方式下的土壤有機碳含量在0～20 cm和20～40 cm土层均表现为灌木林>旱地>水田>荒草地，其中，旱地、水田和灌木林0～20 cm土层土壤有机碳含量差异不明显，而荒草地土壤有机碳含量则显著低于其他3种土地利用方式；20～40 cm土层除灌木林土壤有机碳含量较高外，其他土地利用方式下的土壤有机碳含量较低且差异较小。土壤全氮含量在不同土地利用方式间表现出显著差异（P<0.05），0～20 cm和20～40 cm土层均表现为灌木林最高，荒草地最低。土壤全磷含量和全钾含量在4种土地利用方式间也存在显著差异（P<0.05），其中，0～20 cm和20～40 cm土层旱地和水田土壤全磷含量均较高，显著高于灌木林和荒草地，而全钾含量在0～20 cm和20～40 cm土层均表现为旱地最高，水田最低。从垂直分布来看，旱地、水田和灌木林20～40 cm土壤有机碳和全氮含量明显低于0～20 cm土层，而荒草地土壤有机碳和全氮含量在土层之间差异较小。4种土地利用方式下的土壤全磷和全钾含量在20～40 cm和0～20 cm土层间的差异均较小。

2.3 土地利用方式对土壤pH和全盐含量的影响

由图2可知，不同土地利用方式下的土壤pH和全盐含量在0～20 cm和20～40 cm土层均存在显著差异（P<0.05），说明土地利用方式对银北盐碱地土壤pH和全盐含量影响显著。4种土地利用方式间土壤pH差异明显，且均呈较强碱性，pH全部在8.50以上，其中荒草地土壤pH最高，其次为旱地，水田和灌木林土壤pH相对较低。不同土地利用方式下不同土层的土壤全盐含量均表现为灌木林<水田<旱地<荒草地，旱地、水田和灌木林土壤全盐含量相对较低，而荒草地土壤全盐含量显著高于其他3种土地利用方式（P<0.05），其中荒草地0～20 cm土层全盐含量为2.94 g/kg，分别是旱地、水田和灌木林的2.72、3.72、5.25倍。

2.4 不同土地利用方式土壤理化性质的加权灰色关联分析

土壤容重、总孔隙度、有机碳含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、pH和全盐含量间均存在一定的相关性，但土地利用方式与土壤理化性质的对比相关性并不明显。因此，采用加权灰色关联分析法进一步定量评价不同土地利用方式对银北盐碱土理化性质的改良效果。首先，根据银北地区盐碱化土壤实际情况，利用层次分析法重要性等级的9级标度确定土壤容重、总孔隙度、有机碳含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、pH和全盐含量8个影响因子的等级顺序并构建判断矩阵A，通过计算得到矩阵A的一致性比率CR=0.083 5<0.1，说明矩阵A通过一致性检验。其次，对土壤容重、pH和全盐含量取倒数进行数值变换，选取土壤容重、总孔隙度、有机碳含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、pH和全盐含量在旱地、水田、灌木林和荒草地中的最大值作为参考数列，将其余值作为比较数列，进行无量纲化处理（表2）。最后，采用加权灰色关联度分析法计算不同土地利用方式下土壤理化指标的关联系数和加权关联度，结果如表3所示。由表3可知，不同土地利用方式下的土壤理化性质加权关联度在0～20 cm土层表现为灌木林>旱地>水田>荒草地，20～40 cm土层则表现为灌木林>水田>旱地>荒草地，表明灌木林对改善银北盐碱地土壤理化性质的效果最优，旱地和水田有一定的改善作用，而荒草地改善效果最差。

3 讨论与小结

3.1 讨论

研究表明，土壤理化性质在不同程度上受到土地利用方式的影响［19-22］。本研究中银北地区旱地、水田、灌木林和荒草地4种土地利用方式下的土壤容重、总孔隙度、养分含量、pH和全盐含量等均存在显著差异，且与土地利用方式关系密切。

银北地区主要以盐碱土为主，部分地区分布有土质黏重的白疆土，土壤容重偏大而孔隙度较小。本研究中4种土地利用方式的土壤容重多在1.5 g/cm3左右，土壤总孔隙度多在30%左右。旱地和水田由于长期耕作影响，土体结构遭到破坏，导致土壤容重较大，总孔隙度相对较小；灌木林和荒草地由于常年植被覆盖及根系生长影响，土壤容重较小，总孔隙度较大，土壤物理性状优于旱地和水田。

本研究土壤有机碳和各养分含量受土地利用方式影响显著。灌木林由于动植物残体及微生物作用，土壤有机碳和全氮含量最高；旱地和水田耕种过程中有大量化肥和有机肥施入，有机碳和各养分含量较高；而荒草地大多土壤结构差，植被覆盖度较低，因此，土壤有机碳和各养分含量远低于灌木林和耕地。

银北土壤盐渍化区位于宁夏引黄灌区末端，地势低平，灌排均难，盐渍化土壤占耕地总量的80%以上，pH和全盐含量是影响银北地区耕地质量和土壤肥力的重要因素［23］。旱地和水田在长期的耕种过程中土壤碱化程度有所下降，此外，盐碱地改造过程中施用的磷石膏、脱硫石膏、腐殖酸、糠醛渣等酸性改良剂有效降低了碱化土壤的pH，而荒草地由于缺少耕种和改良措施，土壤pH远高于耕地，属于重度碱化土壤。

“盐随水来，盐随水去”的规律说明土壤盐分与水依存关系密切［24］。本研究银北地区荒草地土壤盐分含量远高于旱地、水田和灌木林。黄河水是银北地区农业生产用水的主要来源，水田大多位于地势相对较高、灌排畅通的南部区域，在长时间的淹灌、排水和换水等排盐措施下，水田土壤盐分含量处于较低水平；旱地位于地势较低的北部地区，灌排条件相对较差，部分排水渠末端出现黄河水位顶托现象，排水较困难，因而旱地土壤盐分含量相对高于水田；荒草地多位于地势低洼、排水极困难地区，土壤盐分难以随水排出，导致荒草地土壤盐分累积明显。

3.2 小结

本研究采用方差分析法对银北地区不同土地利用方式下不同土层的土壤理化性质进行差异性分析，并进一步通过加权灰色关联度分析法分析4种土地利用方式对改良盐碱地的效果，结果如下。

1）土壤容重在0～20 cm土层表现为荒草地<灌木林<旱地<水田，20～40 cm土层表现为灌木林<荒草地<水田<旱地；土壤總孔隙度在0～20 cm和20～40 cm土层均表现为灌木林>荒草地>旱地>水田。

2）4种土地利用方式0～20 cm和20～40 cm土层的土壤有机碳含量均表现为灌木林>旱地>水田>荒草地；土壤全氮含量均表现为灌木林最高，荒草地最低；土壤全磷含量旱地和水田较高，灌木林和荒草地较低；土壤全钾含量旱地最高，水田最低。

3）土壤pH旱地和荒草地较高，水田和灌木林相对较低；旱地、水田和灌木林土壤全盐含量较低且差异较小，而荒草地土壤全盐含量显著高于其他3种土地利用方式（P<0.05）。

4）加权灰色关联度分析结果表明，灌木林对改良银北盐碱地土壤理化性质的效果最优，其次为旱地和水田，荒草地对改良土壤理化性质效果最差。

参考文献：

［1］ 赵永志.土壤是人类赖以生存的根基［J］.河北农业，2014（10）：43-45.

［2］ 苏 芳，刘 钰，汪三贵，等.气候变化对中国不同粮食产区粮食安全的影响［J］.中国人口·资源与环境，2022，32（8）：140-152.

［3］ 杨志勇.农业生产方式对土壤肥料的主要影响及对策［J］.农业与技术，2018，38（18）：16-18.

［4］ 陈 超，杨 丰，赵丽丽，等.贵州省不同土地利用方式对土壤理化性质及其有效性的影响［J］.草地学报， 2014， 22（5）：1007-1013.

［5］ 杨智杰，崔纪超，谢锦升，等.中亚热带山区土地利用变化对土壤性质的影响［J］.地理科学， 2010， 16（3）：475-480.

［6］ 彭东海，秦 芳，蘇利荣，等.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［J］.江苏农业科学，2022，50（16）：251-259.

［7］ 焦 燕，赵江红，徐 柱.内蒙古农牧交错带土地利用对土壤性质的影响［J］.草地学报， 2009， 17（2）：234-238.

［8］ 赵锦梅，张德罡，刘长仲，等.祁连山东段高寒地区土地利用方式对土壤性状的影响［J］.生态学报， 2012， 32（2）：548-556.

［9］ 唐柄哲，何丙辉，闫建梅，等.川中丘陵区土地利用方式对土壤理化性质影响的灰色关联分析［J］.应用生态学报， 2016， 27（5）：1445-1452.

［10］ 李庆梅，侯龙鱼，刘 艳，等.黄河三角洲盐碱地不同利用方式土壤理化性质［J］.中国生态农业学报， 2009（6）：1132-1136.

［11］ 翟晓慧，宋乃平，刘孝勇，等. 1975—2009年宁夏平罗县气候的变化特征［J］.贵州农业科学， 2012，40（3）：110-114.

［12］ 杨 军，孙兆军，王 旭.龟裂碱土地下水埋深、矿化度和盐分离子年内时空变化特征研究［J］.节水灌溉， 2016（3）：45-48.

［13］ 鲍士旦.土壤农化分析［M］.第三版.北京：中国农业出版社， 2000.

［14］ 朱明德.方差分析与试验设计［M］.武汉：湖北科学技术出版社， 1989.

［15］ 夏既胜，葛 然.基于灰色关联法和德尔菲法的土壤侵蚀敏感性评价——以云南金沙江流域3个典型露天矿区为例［J］.云南地理环境研究，2014，26（5）：40-46.

［16］ 邓 雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究［J］.数学的实践与认识， 2012， 42（7）：93-100.

［17］ 苏志欣.加权灰色关联理想解法在多属性决策中的应用研究［D］.成都：成都理工大学， 2007.

［18］ 米雪慧，任小莉，安晓阳，等.三江平原小流域土地利用类型与土壤理化性质的灰色关联分析［J］.江苏农业科学，2018，46（17）：276-280.

［19］ 刘 萌.祁连山半干旱区不同土地利用方式下土壤理化特性及草地生产力研究［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2022.

［20］ 杨满元，魏甲彬，李 娟，等.衡阳紫色土丘陵坡地土地利用变化对土壤性质的影响［J］.湖南生态科学学报，2023，10（1）：75-85.

［21］ 梁 博，林田苗，任德智，等.土地利用方式对雅江中游土壤理化性质及颗粒分形特征的影响［J］.土壤，2018，50（3）：613-621.

［22］ 吕圣桥.黄河三角洲滩地土壤颗粒分形特征及其与土壤性质的相关性研究［D］.山东泰安：山东农业大学， 2012.

［23］ 刘福荣，李林燕.宁夏银北灌区耕地土壤盐渍化现状及治理对策［J］.宁夏农林科技， 2008（2）：63-64.

［24］ 李新举， 张志国， 刘勋岭.土壤含盐量对土壤水分蒸发影响的初步研究［J］.山东农业大学学报（自然科学版）， 2000， 31（2）：209-210.