土地利用变化对土壤养分及土壤质量的影响

2018-02-06仝金辉胡业翠李英

江苏农业科学 2017年15期

仝金辉　胡业翠　李英

摘要：研究选取广西喀斯特异地安置点进行采样，研究自然林地（NF）开垦后土壤养分分布及土壤质量的变化情况。选择桉树林地（UG）、甘蔗地（SF）、玉米地（CF）3种当地主要的自然林地开垦后的利用类型，采用室外采样与室内试验相结合方法，基于空间位置代替时间序列的理论，分析了自然林地开垦后土壤养分分布状况；并运用土壤质量综合评分和Markov方法研究了自然林地开垦后土壤质量的变化情况。研究结果，自然林地开垦后土壤有机碳及全养分含量在不同开垦类型及各个土层中均会出现明显的下降趋势；通过土壤质量综合评分和Markov方法对土壤质量分析发现，土壤质量均出现退化趋势，且退化主要集中在10～40 cm的土壤表层，随土层深度增加，退化程度逐渐减弱。结果表明，林地开垦会造成土壤养分流失和土壤质量下降，在喀斯特地区异地安置过程中，要充分考虑异地安置点生态系统的人口承载力和农业用地的供给能力，避免因大量开垦造成土壤退化、生态环境破坏使迁入区出现贫困化和石漠化的问题。

关键词：喀斯特地区；开垦；土地利用类型；土壤养分；土壤质量

中图分类号： S158文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）15-0243-05

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，土壤养分是衡量土壤质量的量化指标[1]。土壤养分与土地利用方式具有密切的关系，土地利用方式的转变可以通过影响有机质进入土壤，微生物的活动以及土壤团聚体的结构等影响土壤养分含量，进而影响土壤质量[2-3]。广西喀斯特移民迁入区人口数量增加，不断挑战生态系统承载力阈值，再加上土地产能低，粮食产量远远不能满足正常生活需求，从而迫使当地自然林地不断被开垦。众多研究表明，在我国喀斯特地区土地利用变化，尤其是自然林地退化后土壤容重增加，土壤养分含量大大降低，土壤质量不断退化，增加了土壤侵蚀的危害[4-10]。由于针对广西喀斯特移民迁入区自然林地开垦后土壤养分及土壤质量变化的研究仍显不足，本研究采集了桉树林地、甘蔗地、玉米地3种当地主要的开垦类型土壤样本，基于空间位置代替时间序列的理论，分析土壤养分的分布状况，并运用土壤质量综合评分和Markov方法研究了土壤质量的变化情况，以期为进一步研究喀斯特地区不同土地利用方式下土地质量变化及生态移民工程的规划实施提供一定的借鉴与参考。

1材料与方法

1.1样地的选取与样品采集

采样地点位于广西壮族自治区环江县（107°51′～108°43′E，24°44′～25°33′N），地处黔中高原南部边缘的斜坡地带，地势北高南低；属于亚热带季风气候，雨水充沛，日照充足，无霜期长，年均降水量北部为1 750 mm；包含红壤、黄红壤、黄壤、棕色石灰土、黑色石灰土5个土壤亚类。成土母岩以砂页岩、石灰岩为主。玉米、桉树、甘蔗是主要的种植作物。该地区作为生态移民工程迁入区，原始林地被大幅度开垦为其他用地，本研究以玉米地、甘蔗地、桉树林地为自然林地开垦后主要的土地利用方式。

采样于2013年1月对自然林地开垦15年以上的玉米地、10年以上的甘蔗地、5年以上的桉树林地以及未开垦的自然林地进行，每种土地利用方式选择5块样地，各样地直线距离在 250～300 m，样地大小在0.067～0.100 0 hm2。每块样地采集5个样点，并且采用蛇形布点、多点取样的方法分层取[LM]样（共分6层：分别为0～10 cm、>10～20 cm、>20～40 cm、>40～60 cm、>60～80 cm、>80～100 cm）。将全部样点对应土层的样品充分混合后，四分法取500 g土样带回实验室，风干，去除动植物残体等非土壤物质，粉碎，过80目筛，保存备用。

1.2土壤质量指标的选取与测定

土壤物理、化学和生物学性质综合体现在土壤质量的高低，而影响土壤质量的因子众多，目前还没有形成完备统一的土壤质量指标评价体系。本研究主要选取对土壤质量、作物产量影响较大的土壤容重、土壤有机碳（SOC）、土壤全氮（TN）、氨态氮、硝态氮、土壤微生物碳、土壤微生物氮作为指标，对土壤质量变化进行分析。土壤有机碳测定采用重铬酸钾氧化外加热法[11]，土壤全氮测定采用凯氏定氮法[12]，土壤全磷测定用硫酸-高氯酸消煮-流动分析仪法[13]，土壤氨态氮和硝态氮测定采用氯化钾提取-流动分析仪法[14]，土壤微生物碳测定用氯仿熏蒸浸提-TOC测定法[15]，土壤微生物氮测定采用氯仿熏蒸浸提法[16]，试验重复3次取其平均值。

1.3评价因子隶属度及权重的确定

由于各评价因子之间没有明确的外延，也没有统一的量纲，测算结果无法直接进行比较，采用隶属度函数对各因子进行归一化处理。主要运用两类隶属函数：

（1）上界型函数。这类因子在一定范围内，指标值与土壤质量呈正相关，超出这一范围对土壤质量的影响较小。

土层中4种土地利用方式SOC浓度在8.8～12.5 g/kg。天然林地SOC浓度最高，为12.5 g/kg，玉米地SOC浓度最低，为8.8 g/kg，桉树林、甘蔗地分别为 10.3、9.5 g/kg。天然林地与开垦后其他3种土地利用类型之间SOC浓度均存在显著性差异。天然林地转变为桉树林地、甘蔗地、玉米地SOC浓度分别下降了 17.6%、24.0%、29.6%。原因一方面可能是由于天然林地開垦后大大减少了有机物进入土壤，导致有机碳的输入远低于天然林地；另一方面，甘蔗地和玉米地秸秆移除以及频繁翻耕也加快了土壤有机质分解，双重作用下导致开垦后SOC含量远低于天然林地。

2.1.2土壤有机碳的垂直分布特征

SOC浓度在不同土层深度是变化的。从表2可以看出，未开垦的自然林地以及开垦后的桉树林地、甘蔗地、玉米地SOC浓度均呈现明显的下降趋势，>80～100 cm土层相比0～10 cm土层，SOC浓度分别下降了70.07%、68.83%、66.54%、68.26%。这可能是由于SOC的输入主要集中在土壤表层，随着土层深度增加，SOC的输入量减少，导致底层SOC浓度远低于表层土壤。计算分析结果，4种土地利用类型SOC浓度的差异主要集中在0～40 cm 的土层，在0～40 cm土层范围内，SOC浓度分别下降了58.70%、58.11%、45.94%、37.14%，而>40～100 cm土层减少的SOC浓度仅相当于0～10 cm SOC浓度的0.37%、7.58%、3.04%、20.44%。表明SOC浓度下降主要集中在土壤表层0～40 cm，底层>40～100 cm SOC浓度变化较小。endprint

2.2不同土地利用类型的全量养分分布

2.2.1不同土地利用类型全氮、全磷的水平分布

从图2可以看出，不同土地利用类型全氮含量集中在0.6～1.0 g/kg。在0～100 cm土层中，天然林地全氮含量最高，为1.03 g/kg；桉树林含量最低，为0.63 g/kg；甘蔗地、玉米地全氮含量分别为0.83 g/kg、0.76 g/kg。天然林地退化为桉树林、甘蔗地、玉米地后全氮含量分别下降38.8%、19.4%、26.2%。多重分析结果，不同土地利用方式全氮含量差异显著；不同土地利用方式全磷含量没有显著差异，甘蔗地最高，为0.085 g/kg；桉树林最低，为0.073 g/kg；天然林地、玉米地均为0.084 g/kg。

2.2.2不同土地利用类型土壤全氮、全磷的垂直分布

全量养[CM（25]分含量变化情况见图3，在整个采样土层中不同土地利用类型全氮含量随土层深度逐渐减少。自然林地全氮含量在6个土壤分层中均表现为最高水平。因此，在天然林开垦后，全氮含量会呈现不同程度的下降趋势，在0～10 cm土层下降趋势最大，随着土层深度增加，下降趋势逐渐减弱。土壤全磷剖面分布特征与土壤有机碳和全氮剖面特征相似，随着土壤深度增加含量呈下降趋势。在0～10 cm土层，天然林地全磷含量最高，且下降趋势也是最剧烈的。在20 cm以下土层，不同土地利用类型土壤全磷含量极为接近，且变化较小（图4）。

3结论与讨论

喀斯特移民迁入区土地利用变化对土壤养分具有深刻的影响。试验结果表明，自然林地开垦后土壤有机碳及全养分含量在不同的利用类型及同一利用类型的各个土层中均会出现明显的下降趋势。当自然林地开垦为玉米地时有机碳浓度下降最多，甘蔗地次之。主要原因可能是频繁的翻耕以及不合理的管理方式加速了微生物的活动，破坏了土壤团聚体的结构，导致有机碳排放大大增加，土壤有机碳浓度下降；自然林地开垦后有机碳在剖面上的下降趋势主要集中在>10～40 cm 的土壤表层，随着土壤深度的增加，受人类活动影响较小，下降趋势逐渐减缓。0～10 cm的表层土壤养分含量下降趋势较小主要得益于施肥等农业管理措施。

通过土壤质量综合分值法和Markov方法分析土壤质量变化发现，自然林地开垦为桉树林、玉米地及甘蔗地后土壤质量进步度在各个土层均为负值，说明自然林地开垦后土壤质量在不同利用类型的各个土层中均表现为下降趋势；土壤质量进步度的最小值通常出现在>10～40 cm的土壤层，表明土壤质量与土壤有机碳及全养分含量的变化趋势是一致的。

自然林地开垦可以带来暂时的经济利益，但大量自然林地破坏后造成的土壤质量损失是不可估量的，并且林地破坏后的恢复过程极其缓慢[17]。因此，在喀斯特地区异地安置实施过程中，要充分考虑异地安置点生态系统的人口承载力和农业用地的供给能力，避免因大量开垦造成土壤退化、生态环境破坏使迁入区出现贫困化和石漠化的问题。

土壤质量受土地利用方式、土壤母质、气候及人为管理方式等因素的综合影响[4，18-21]，本研究基于空间位置代替时间序列，且仅限于一次采样和有限的土壤性状进行分析。因此，以后研究应侧重于从多时空尺度和多因子綜合分析角度开展。

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