巫山縣坡改梯地區(qū)不同土地利用方式下土壤質(zhì)量研究

楊 敏，陳國(guó)建，魏興萍，韋 杰，何干皓，李培霞

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 400047;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川雅安 625000)

土地利用/土地覆蓋變化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)及其環(huán)境影響是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，其變化會(huì)影響土壤理化性質(zhì)、地表植被［1］、地表反射率、植被對(duì)陽(yáng)光的吸收利用率以及土壤管理措施等［2］，而這些變化又會(huì)引起土壤養(yǎng)分在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重新分配［3］。因此，合理的土地利用方式能增加生物多樣性［4］，提高土壤抗蝕能力［3］，改變徑流方式［5］，改善土壤環(huán)境;反之則會(huì)降低生物多樣性，引起土壤退化，加劇土壤流失等。本研究以重慶市巫山縣為例，研究不同土地利用方式下坡耕地土壤質(zhì)量的變化，以定量分析的方式探討土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響。

1 研究區(qū)概況

巫山縣介于 E109°33'—110°11'、N30°45'—32°28'之間，位于重慶市東北部、三峽庫(kù)區(qū)腹心，地處四川盆地東緣山地、鄂西高地和大巴山接壤帶，素有“渝東門戶”之稱，縣境東西寬約61.2 km，南北長(zhǎng)約80.3 km，土地總面積2 958 km2。大巴山、巫山、七曜山三大山脈交匯于縣境，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，立體氣候特征明顯。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，受東南季風(fēng)和縣境北部高山屏障影響，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，四季分明，雨熱同季，年均≥10℃活動(dòng)積溫5 857.3℃，年平均氣溫18.4℃，無(wú)霜期305 d，年均降水量1 049.3 mm。全縣有耕地40 274 hm2，其中大部分為坡耕地，并且主要分布在中高山區(qū)。隨著我國(guó)西南地區(qū)坡改梯工程的實(shí)施，當(dāng)?shù)赝恋乩煤透脖话l(fā)生了較大變化，主要種植馬鈴薯、玉米、紅薯、蠶豆、小麥、烤煙、油菜和萵筍等。

將采回的土樣在室內(nèi)風(fēng)干、去雜質(zhì)、過(guò)篩后，送實(shí)驗(yàn)室分析其有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、銨根離子氮和硝酸根離子氮含量。測(cè)定方法分別為：有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，全鉀采用氫氧化鈉(NaOH)熔解火焰光度法，速效鉀采用1 mol/L NH4Ac浸提—火焰光度法，硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提紫外比色法，銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提流動(dòng)注射儀法［6］。

2 研究方法

2.1 采樣與試驗(yàn)方法

在巫山縣官渡鎮(zhèn)水庫(kù)村坡改梯地區(qū)，選擇5種不同的土地利用方式——經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物、豆科植物(由于巫山地區(qū)豆科植物種植普遍，故將其作為一種土地利用方式單獨(dú)列出)、經(jīng)果林和撂荒地，設(shè)置采樣點(diǎn)采集土樣。各采樣點(diǎn)所在地坡改梯時(shí)間均為7 a，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)，土壤類型為黃壤。為了消除高程、坡度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，采樣時(shí)增加隨機(jī)采樣個(gè)數(shù)，在不同高程、坡度范圍內(nèi)對(duì)同一種土地利用方式進(jìn)行多點(diǎn)采樣，并根據(jù)作物種植面積合理確定采樣個(gè)數(shù)。不同土地利用方式下采樣個(gè)數(shù)、高程、坡度和作物類型見(jiàn)表1。

表1 采樣點(diǎn)基本情況

2.2 土壤質(zhì)量因子

以土壤養(yǎng)分反映土壤質(zhì)量，本研究選擇有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量等作為土壤質(zhì)量因子［5］。

2.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(Integrated Fertility Index)是土壤各指標(biāo)因子的綜合和集成［7］。由于土壤質(zhì)量因子變化具有連續(xù)性，故采用連續(xù)的隸屬度函數(shù)，根據(jù)因子分析法分析各因子負(fù)荷量值的正負(fù)性，確定隸屬度函數(shù)分布的升降性［8］，這與各因子對(duì)植被的效應(yīng)相符合。采用升型分布函數(shù)，其計(jì)算公式為

式中：F(xi)為第i項(xiàng)土壤質(zhì)量因子的隸屬度值;xi為第i項(xiàng)土壤質(zhì)量因子值;ximax和ximin分別為第i項(xiàng)土壤質(zhì)量因子的最大值和最小值。

2.4 分析方法

采用SPSS Statistics(17.0)中的因子分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 不同土地利用方式的土壤質(zhì)量因子

表2是不同土地利用方式下土壤質(zhì)量因子值。由表2知，不同土地利用方式下，土壤有機(jī)質(zhì)含量排序?yàn)榱袒牡?2.399%)＞糧食作物(1.768%)＞經(jīng)果林(1.707%)＞經(jīng)濟(jì)作物(1.614%)＞豆科植物(1.463%)，其中撂荒地土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，豆科植物最低，糧食作物、經(jīng)果林和經(jīng)濟(jì)作物差異不大。分析其原因，地表覆蓋度會(huì)影響坡耕地生態(tài)系統(tǒng)生物量和立地條件(如光、熱、水和微生物等)，地表覆蓋度越大，地表獲取的光和熱就越少，從而土壤有機(jī)質(zhì)分解減少增加了有機(jī)質(zhì)的積累量［9］，而撂荒地主要是灌木，相比其他土地利用方式，地表覆蓋度較大，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。土壤全N含量排序?yàn)榱袒牡?0.149%)＞糧食作物(0.118%)＞經(jīng)濟(jì)作物(0.114%)＞經(jīng)果林(0.105%)＞豆科植物(0.102%)，土壤全N含量和有機(jī)質(zhì)含量具有較高的相關(guān)性，其變化趨勢(shì)和有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)基本一致。土壤全P含量排序?yàn)榧Z食作物(0.052%)=經(jīng)果林(0.052%)＞經(jīng)濟(jì)作物(0.044%)＞撂荒地(0.043%)＞豆科植物(0.035%)，糧食作物和經(jīng)果林的全P含量相同，經(jīng)濟(jì)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含量差異不顯著。土壤全K含量排序?yàn)榻?jīng)濟(jì)作物(2.129%)＞糧食作物(1.984%)＞撂荒地(1.927%)＞豆科植物(1.730%)＞經(jīng)果林(1.705%)。根據(jù)SPSS相關(guān)分析，不同土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量有明顯影響，有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量差異極顯著，硝態(tài)氮、全磷和全鉀含量差異顯著，速效磷含量差異不顯著。

表2 不同土地利用方式下土壤質(zhì)量因子值

一方面，土地利用方式在一定程度上決定了土地施肥的種類和施肥量，導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分含量的明顯差異;另一方面，農(nóng)地的翻耕使土壤接觸到更多的水、氣、熱，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解降低了土壤肥力，而撂荒地土地資源荒廢，避免了農(nóng)業(yè)耕作，在一定程度上起到了培肥地力的作用。因此，研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地(經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物、豆科植物、經(jīng)果林等)土壤質(zhì)量均呈退化趨勢(shì)，而撂荒地土壤狀況得到了一定程度的恢復(fù)。

3.2 不同土地利用方式的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(IFI)反映的是不同土地利用方式下土壤質(zhì)量的相對(duì)值。由式(1)計(jì)算得到各土壤質(zhì)量因子的隸屬度值，再進(jìn)行因子分析，得到因子得分系數(shù)矩陣，從而得到因子得分函數(shù)，然后選取因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率＞0.90的特征值個(gè)數(shù)為因子數(shù)，根據(jù)因子分析結(jié)果共提取3個(gè)因子〔得分函數(shù)見(jiàn)式(2)〕，并以因子方差貢獻(xiàn)率作為各因子權(quán)重，依次為0.396、0.323、0.183，最終得到土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算公式〔式(3)〕。

式中：F1、F2、F3為因子分析提取的3個(gè)因子;Xi(i=1，2，…，8)為各土壤質(zhì)量因子的隸屬度值;其中數(shù)值為各土壤質(zhì)量因子在相應(yīng)因子下的得分。

式中：IFI為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，其余符號(hào)意義同上。

由式(3)計(jì)算得到經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物、豆科植物、撂荒地和經(jīng)果林的土壤綜合質(zhì)量指數(shù)分別為0.479、0.519、0.063、0.609、0.248，即撂荒地 ＞ 糧食作物＞經(jīng)濟(jì)作物＞經(jīng)果林＞豆科植物。一般來(lái)說(shuō)，土壤養(yǎng)分的消耗主要有3種方式，即植物從土壤中吸取、隨土壤下滲淋失以及在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程中以氣態(tài)形式逸出等［10］。撂荒地土壤質(zhì)量最高，一方面是因?yàn)闆](méi)有作物從土壤中吸收養(yǎng)分，另一方面是因?yàn)榱袒牡乜梢栽黾油寥烙袡C(jī)質(zhì)含量［11］，而有機(jī)質(zhì)能增加土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養(yǎng)分的有效性［12］。這也證實(shí)了撂荒地確實(shí)具有一定的培肥作用［13］。糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物土壤質(zhì)量綜合指數(shù)比較接近，基本上是經(jīng)果林的兩倍，原因是糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物都屬于短期作物，在作物收割后有時(shí)間恢復(fù)地力;經(jīng)果林因?yàn)楣麡渖L(zhǎng)周期長(zhǎng)，果樹生長(zhǎng)持續(xù)從土壤中吸收養(yǎng)分，并且在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種抑制有機(jī)質(zhì)生成的物質(zhì)［14］，導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低。此外，經(jīng)果林單一品種連作容易造成土壤養(yǎng)分失衡，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量下降、土壤肥力降低。豆科植物土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最低，是因?yàn)槎箍浦参锞哂泄痰饔?，產(chǎn)生高氮的土壤條件，充裕的氮供應(yīng)促使作物吸收更多的磷，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降［14］。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)重慶市巫山縣官渡鎮(zhèn)水庫(kù)村坡改梯地區(qū)5種不同土地利用方式下土壤質(zhì)量因子的試驗(yàn)結(jié)果表明，不同土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量有明顯影響，其中有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和速效鉀差異極顯著，硝態(tài)氮、全磷和全鉀差異顯著，速效磷差異不顯著。對(duì)不同土地利用方式下土壤質(zhì)量因子進(jìn)行排序：有機(jī)質(zhì)，撂荒地＞糧食作物＞經(jīng)果林＞經(jīng)濟(jì)作物＞豆科植物;全氮，撂荒地＞糧食作物＞經(jīng)濟(jì)作物＞經(jīng)果林＞豆科植物;硝態(tài)氮，糧食作物＞豆科植物＞經(jīng)濟(jì)作物＞撂荒地＞經(jīng)果林;銨態(tài)氮，經(jīng)濟(jì)作物＞撂荒地＞糧食作物＞豆科植物＞經(jīng)果林;速效磷，經(jīng)濟(jì)作物＞糧食作物＞撂荒地＞豆科植物＞經(jīng)果林;速效鉀，撂荒地＞經(jīng)濟(jì)作物＞豆科植物＞糧食作物＞經(jīng)果林;全磷，糧食作物=經(jīng)果林＞經(jīng)濟(jì)作物＞撂荒地＞豆科植物;全鉀，經(jīng)濟(jì)作物＞糧食作物＞撂荒地＞豆科植物＞經(jīng)果林。

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，不同土地利用方式下土壤質(zhì)量綜合指數(shù)排序依次為撂荒地＞糧食作物＞經(jīng)濟(jì)作物＞經(jīng)果林＞豆科植物。分析其原因，土地利用方式在一定程度上決定了耕作制度與管理活動(dòng)，而這些都是影響土壤養(yǎng)分的重要因素。撂荒地土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最高，是因?yàn)榱袒牡啬軌蛟谝欢ǔ潭壬匣謴?fù)地力、培肥土壤;經(jīng)濟(jì)作物和糧食作物土壤質(zhì)量綜合指數(shù)較接近，經(jīng)果林和豆科植物相對(duì)較低，是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)作物和糧食作物種類豐富，而經(jīng)果林和豆科植物相對(duì)單一，不利于土壤養(yǎng)分均衡，加之經(jīng)果林會(huì)產(chǎn)生一種抑制有機(jī)質(zhì)生成的物質(zhì)，豆科植物會(huì)從土壤中吸收大量磷素，這都導(dǎo)致經(jīng)果林和豆科植物的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)較低。

綜上，本研究對(duì)巫山縣坡改梯地區(qū)不同土地利用方式下土壤質(zhì)量進(jìn)行了初步探討，研究成果對(duì)三峽庫(kù)區(qū)梯田土壤改良和農(nóng)作物選種具有參考價(jià)值。但是，本研究主要是從土壤養(yǎng)分方面探討土壤質(zhì)量變化，而土壤質(zhì)量還受其物理性質(zhì)如容重、含水量、總孔隙度，以及生物性質(zhì)如轉(zhuǎn)化酶活性、酸性磷酸酶活性、多酚氧化酶活性等的影響，因此想要更準(zhǔn)確全面地衡量土壤質(zhì)量，還需在以后的工作中加強(qiáng)對(duì)上述因素的監(jiān)測(cè)和研究。

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