土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響的研究進(jìn)展及展望

李娟， 魏甲彬， 楊寧

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005)

土地利用變化指人類通過(guò)土地利用和土地管理方式的改變，導(dǎo)致土地覆被的變化[1]。其具體表征為地表反射率和粗糙度的改變[2]、植被覆蓋和土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化[3]、地表熱量及大氣溫室氣體濃度的變化[4-5]等。土地利用變化的程度隨著社會(huì)發(fā)展，范圍不斷擴(kuò)張、強(qiáng)度不斷加劇，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter，SOM)的影響更不言而喻。

SOM是指存在于土壤中的所有含碳有機(jī)化合物[6]，包括土壤中動(dòng)、植物及微生物殘?bào)w的不同分解、合成階段的各種產(chǎn)物[7]。SOM是土壤生物生命活動(dòng)的碳源和能源[6]，能提供生物生長(zhǎng)需要的各種營(yíng)養(yǎng)元素，也能改變土壤的理化、熱學(xué)及生物活性，對(duì)維持土壤質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用[8]：一是對(duì)農(nóng)藥、重金屬等各種污染物質(zhì)有吸附降解作用[9]；二是在緩和“溫室效應(yīng)”保證糧食安全方面具有潛在作用，可保持農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定的產(chǎn)量[10]。而土地利用發(fā)生變化時(shí)，SOM的自然合成與轉(zhuǎn)化受到影響，土壤肥力、環(huán)境保護(hù)及全球碳循環(huán)等方面也會(huì)隨之改變。

SOM與土地利用變化的相互關(guān)系一直是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。當(dāng)自然生態(tài)系統(tǒng)受到人為干擾轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)后，土壤有機(jī)碳庫(kù)在溫帶地區(qū)降低60%，在熱帶地區(qū)降低75%以上[11]。從宏觀角度看，嚴(yán)重的土壤有機(jī)碳庫(kù)縮減可影響“溫室效應(yīng)”與全球糧食安全問(wèn)題；從微觀角度看，SOM減少，會(huì)導(dǎo)致土壤退化，耕作層變淺，土壤物理性質(zhì)降低，不利于土壤水肥氣熱的協(xié)調(diào)。因此，了解土地利用變化對(duì)SOM影響，可為土壤培肥和改良提供參考。

1 土地利用變化對(duì)SOM含量的影響

1.1 土地利用方式變化對(duì)SOM含量的影響

土地利用方式主要有三大類：農(nóng)用地(耕地/林地/草地)、建設(shè)用地和未利用地[12]，其中與SOM相關(guān)研究主要集中在農(nóng)用地，且以耕地為主。耕地相對(duì)于其它土地利用方式，其SOM的淋失具有典型特征：(1)土壤物理結(jié)構(gòu)破壞，土壤中的水、熱、氣及生物活性發(fā)生改變，SOM氧化礦化過(guò)程加快；(2)土壤裸露后，土壤侵蝕加快，SOM淋溶過(guò)程也加快[13]。例如由于土地的不合理利用，紫色土的營(yíng)養(yǎng)性退化，表現(xiàn)為紫色土中缺少SOM與氮[14]。由此，以耕地為參照，分析土地利用方式變化對(duì)SOM含量的影響。

1.1.1 其它農(nóng)用地改為耕地

其它農(nóng)用地改為耕地后，在傳統(tǒng)的耕作條件下，SOM會(huì)降低，因?yàn)橥恋馗脖话l(fā)生改變，土壤裸露，SOM易淋失。例如，砍伐原始森林改為耕地過(guò)程中SOM含量降低[15]，微生物活性降低，土壤礦化度增強(qiáng)[16]。草地開(kāi)墾為耕地后有機(jī)質(zhì)含量下降[17]。泥碳與濕地轉(zhuǎn)向耕地后SOM含量下降。天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂睾?，土壤表層有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出較大下降的趨勢(shì)，次生林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田之后，表層SOM含量降低了33.6%[18]。

1.1.2 耕地改為其它農(nóng)用地

若采取生態(tài)修復(fù)措施，即退耕還草/林后，SOM含量會(huì)提高。因?yàn)榱植莸赜糸]度較高，地上凋落物、根系分泌物及土壤生物的數(shù)量及種類慢慢累積，有利于SOM合成，且土壤物理結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)，其水、氣、熱等情況改善，降低了有機(jī)質(zhì)分解，兩個(gè)過(guò)程促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的累積[19]。例如，退耕還草10年后，且隨時(shí)間延長(zhǎng)，SOM含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，另外退耕后植被恢復(fù)和植被群落演替的進(jìn)行，物種多樣性和生物量也會(huì)增加[20]。退耕還林22年后，SOM含量也明顯增加，其結(jié)果與土壤的物理性質(zhì)呈現(xiàn)顯性相關(guān)[21]。

1.1.3 非耕地之間的轉(zhuǎn)變

非耕地具體指草地與林地之間的轉(zhuǎn)變，當(dāng)草地轉(zhuǎn)為林地后，植被恢復(fù)重建，土壤結(jié)構(gòu)、水分和養(yǎng)分均會(huì)改善，有利于SOM累積，反之則SOM淋溶加快。非耕地之間的轉(zhuǎn)變會(huì)引起土壤層SOM含量的變化，也會(huì)改變SOM的活性和穩(wěn)定性。例如，草地活性SOM含量明顯大于林地[22]，而林地土壤團(tuán)聚體碳和穩(wěn)定性高于草地[23]。Murray等[24]也提出草地轉(zhuǎn)向造林地有機(jī)質(zhì)含量增加，李正才等[25]提出林地間的轉(zhuǎn)變SOM含量也有明顯變化，如次生林轉(zhuǎn)變成集約經(jīng)營(yíng)早竹林后，SOM含量也會(huì)下降近48.5%。

1.2 土地管理方式變化對(duì)SOM含量的影響

土地管理方式的研究大部分集中在農(nóng)用地(耕地/林地/草地)上，不同用地方式其管理措施不同，對(duì)土壤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)影響的程度也不同。由此，從耕地、林地和草地三方面出發(fā)，分析土地管理方式變化對(duì)土壤SOM含量的影響。

1.2.1 耕地的管理方式變化

耕地的管理方式主要包括施肥管理、秸稈還田、耕作管理等。長(zhǎng)期有機(jī)培肥可以增加農(nóng)作物的直接產(chǎn)量，也能夠提高土壤肥力。在祁陽(yáng)市紅壤、吉林省黑土、新疆維吾爾自治區(qū)灰漠土三種農(nóng)田土壤，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)16年的施肥對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)配施能維持和提高SOM含量[26]。在江西省進(jìn)賢縣的紅壤水稻土施肥試驗(yàn)表明，0～20 cm的表層土壤中SOM含量表現(xiàn)為單施化肥+早稻施綠肥+晚稻施豬糞+冬季稻草還田>單施化肥+早稻施綠肥+冬季稻草還田>單施化肥>不施肥，即以有機(jī)培肥(晚稻施豬糞)的方式有機(jī)質(zhì)含量最高[27]。秸稈還田可以提高有機(jī)碳貯量[28]。在山西省忻州市玉米秸稈還田的研究中發(fā)現(xiàn)，9年后SOM含量增加0.09%～0.12%[29]。在陜西省三原縣進(jìn)行秸稈還田試驗(yàn)表明，由于有機(jī)質(zhì)礦化量小于累積量，秸稈還田后土壤耕層有機(jī)碳貯量顯著提高[30]。水旱輪作、水改旱、旱改水等耕作方式可以改變SOM含量。周期性的水旱輪作可協(xié)調(diào)SOM的腐殖化過(guò)程和礦質(zhì)化過(guò)程，提高土壤肥力[31]。水改旱后，旱作土壤通透性增強(qiáng)[32]，水熱狀況改變[33]，有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程加快，SOM含量會(huì)下降。而旱改水后，農(nóng)田普遍存在土壤酸化和土壤貧瘠的問(wèn)題[34]，由于改變了土壤長(zhǎng)期處于淹水的嫌氣條件，土壤微生物群落多樣性下降且變異大[35]，SOM的輸入過(guò)程受限，SOM呈下降趨勢(shì)。例如，楊東方等[36]提出水改旱后，能引起胡敏酸(Humic acid，HA)含量降低，富里酸(Fulvic acid，F(xiàn)A)含量升高，土壤腐殖質(zhì)中易礦化的SOM組分增加。

1.2.2 林地的管理方式變化

林地的管理方式主要包括采伐間伐期、采伐方式、伐區(qū)管理等人為因素。林地采伐后，可引起地上凋落物減少，郁閉度減少，土壤環(huán)境溫度升高，根系分泌物及土壤生物活性加強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)礦化速度加快，SOM減少等，但適度的采伐及合理的伐區(qū)管理，不僅可維持土壤有機(jī)碳貯量、減緩林地退化，還可以保持林地的可持續(xù)利用。例如，對(duì)黑龍江省帽兒山林場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，間伐與未間伐林的土壤肥力差異明顯，撫育間伐15年后，森林凋落物相對(duì)積累較多，且在微生物作用下有機(jī)物質(zhì)的釋放和歸還提高，土壤肥力相對(duì)未間伐林較高[37]。

1.2.3 草地的管理方式變化

草地的管理方式主要包括放牧方式、施肥管理等人為因素。這些管理方式均可改變SOM的輸入與分解，影響草地的有機(jī)質(zhì)平衡。放牧方式對(duì)草地的影響來(lái)源于放牧強(qiáng)度和放牧周期等，適當(dāng)強(qiáng)度的放牧能刺激草地補(bǔ)償性生長(zhǎng)，但過(guò)度放牧或長(zhǎng)周期放牧?xí)种撇莸厣L(zhǎng)，降低生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和有機(jī)質(zhì)輸入[38]。因此可以采取休耕、輪耕或者適當(dāng)頻次的放牧來(lái)維持草地生產(chǎn)力。施加有機(jī)肥有助于改善草地物理結(jié)構(gòu)，有效增加有機(jī)質(zhì)含量，但施肥也要考慮碳氮比，碳氮比過(guò)高肥效慢，碳氮比過(guò)低又會(huì)刺激有機(jī)質(zhì)分解。因此草地的管理應(yīng)采取合理的施肥方式。如馬興旺等[39]提出經(jīng)過(guò)10年的草原修復(fù)，松態(tài)腐殖質(zhì)增加，其次是穩(wěn)態(tài)腐殖質(zhì)，緊態(tài)腐殖質(zhì)增加較少。

2 土地利用變化對(duì)SOM組分的影響

SOM組成、結(jié)構(gòu)及存在方式十分復(fù)雜，有關(guān)SOM的研究總是與其分組特性聯(lián)系在一起[40]。SOM組分主要集中在以下兩方面。一是從物理方面，根據(jù)土壤礦質(zhì)在有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定和周轉(zhuǎn)中的作用，可按團(tuán)聚體、密度和顆粒進(jìn)行分組。其中，團(tuán)聚體可分為大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體；密度可分為輕組有機(jī)質(zhì)(Light fraction organic matter，LFOM)和重組有機(jī)質(zhì)(Heavy fraction organic matter，HFOM)[41]；顆?？煞譃樯傲?、粉粒和粘粒。二是從化學(xué)方面，根據(jù)腐殖質(zhì)類物質(zhì)在酸/堿中的溶解性，分為FA、HA和胡敏素(Humin，HM)[42]；腐殖質(zhì)與礦物結(jié)合的緊密程度可分為3類，即松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)和緊結(jié)合態(tài)。目前，許多學(xué)者采取物理-化學(xué)結(jié)合的方法研究SOM組分的數(shù)量與性質(zhì)。

2.1 關(guān)于團(tuán)聚體與化學(xué)分組結(jié)合方式的SOM組分研究

土壤團(tuán)聚體是土壤能發(fā)揮肥力和環(huán)境功能，不同土粒直徑的結(jié)構(gòu)單位[1]。不同土地利用方式，土壤團(tuán)聚體中腐殖質(zhì)的化學(xué)分組和性質(zhì)不同。由表1可見(jiàn)，同種土地利用方式不同團(tuán)聚體粒徑，無(wú)論是耕地、休閑地還是裸地，HA和FA的含量大致趨勢(shì)表現(xiàn)為隨團(tuán)聚體粒徑的減小含量降低[40]，其中粒徑<0.053 mm含量最低；Bongiovanni等[43]也提出大團(tuán)聚體HA和FA的含量大于小團(tuán)聚體。這說(shuō)明不同利用方式下，腐殖質(zhì)表現(xiàn)一致，即隨團(tuán)聚體粒徑減小，腐殖質(zhì)的分解程度增加。另一方面，相同粒徑團(tuán)聚體在不同土地利用方式下，HA和FA的含量上來(lái)說(shuō)耕地>休閑地>裸地，這反映大團(tuán)聚體對(duì)土壤管理措施敏感[1]，且隨土地利用的變化，腐殖質(zhì)可從大團(tuán)聚體到小團(tuán)聚體進(jìn)行再分配。

表1 不同利用方式下土壤團(tuán)聚體中腐殖質(zhì)組成Table 1 Composition of humus in soil aggregates under different utilization modes

2.2 關(guān)于密度與化學(xué)分組結(jié)合方式的SOM組分研究

輕組有機(jī)質(zhì)的主要成分為動(dòng)植物未完全分解的殘?bào)w、微生物和礦質(zhì)顆粒[44]。重組有機(jī)質(zhì)為存在于有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體中的有機(jī)質(zhì)[45]。由表2可見(jiàn)，不同土地管理方式下，以施用有機(jī)肥的效果更加明顯。另一方面，同種土地管理方式下，長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥，LFOM和HFOM含量均呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)。同種土地管理方式下，腐殖質(zhì)含量為HFOM>LFOM，說(shuō)明HFOM為土壤有機(jī)碳的主要碳庫(kù)，也可以反映HFOM的穩(wěn)定性更高[46]。HFOM中腐殖質(zhì)的差異，竇森等[47]通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)無(wú)論是松結(jié)合態(tài)還是穩(wěn)結(jié)合態(tài)的腐殖質(zhì)，其腐殖質(zhì)組成均表現(xiàn)為HA>FA。

表2 長(zhǎng)期試驗(yàn)土壤輕組和重組腐殖質(zhì)含量動(dòng)態(tài)變化Table 2 Dynamic changes of light group and reconstituted humus content in long-term test soil

2.3 關(guān)于顆粒與化學(xué)分組結(jié)合方式的SOM組分研究

顆粒分組與團(tuán)聚體分組的試驗(yàn)方法不同，均可得到穩(wěn)定的不同粒徑的有機(jī)質(zhì)復(fù)合體。由表3可見(jiàn)，不同土地利用方式下，從含量上來(lái)說(shuō)，森林與草地表現(xiàn)為砂粒>粉粒>粘粒；農(nóng)田表現(xiàn)為粉粒>砂粒>粘粒[48]，該結(jié)論與趙蘭坡等[49]的觀點(diǎn)不同，趙蘭坡等[49]提出SOM含量表現(xiàn)為粘粒>粉粒>砂粒，可推測(cè)該差異具有不確定性。另一方面，分析粘粒、粉粒和砂粒中的腐殖質(zhì)組成發(fā)現(xiàn)，HA+FA的總和表現(xiàn)為粉粒高于粘粒，且HM的濃度大于HA+FA[50]。

表3 不同土地利用方式下顆粒有機(jī)碳特征Table 3 Characteristics of particulate organic carbon under different land use patterns

3 結(jié)論與展望

當(dāng)土地利用發(fā)生變化時(shí)，SOM的自然合成與轉(zhuǎn)化受到影響，SOM數(shù)量及組分均發(fā)生改變，所以了解土地利用變化對(duì)土地有機(jī)質(zhì)影響，可為土壤肥力、環(huán)境保護(hù)及全球碳循環(huán)等方面提供參考。土地利用方式變化主要分為其它農(nóng)用地改為耕地、耕地改為其它農(nóng)用地和非耕地之間的改變；土地管理方式變化主要分為耕地管理、林地管理和草地管理，這些因素均會(huì)影響SOM數(shù)量的變化。大部分研究表明其它農(nóng)用地改為耕地后有機(jī)質(zhì)會(huì)降低，而采取修復(fù)措施退耕還草或還林，有機(jī)質(zhì)會(huì)逐年提高，且合理的土地管理方式能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的提高，但這些土地利用變化均屬于靜態(tài)的橫向比較來(lái)對(duì)比SOM的變化，而忽視了動(dòng)態(tài)的縱向時(shí)間變化，沒(méi)有具體分析土地利用變化的時(shí)間跨度對(duì)SOM數(shù)量的影響。因此需要采取長(zhǎng)時(shí)間的方式監(jiān)測(cè)土地利用變化對(duì)SOM含量的動(dòng)態(tài)變化特征。

而土地利用變化后SOM組分的也會(huì)隨之改變，結(jié)合土地利用方式和土地管理方式分析對(duì)不同團(tuán)聚體、不同密度、不同顆粒和不同化學(xué)SOM組分中SOM數(shù)量及特性的研究?，F(xiàn)有的研究主要涉及到耕地、林地、草地等土地利用方式及管理方式的變化對(duì)SOM組分的影響。但由于物理分組與化學(xué)分組結(jié)合方式測(cè)定SOM數(shù)值存在不確定性，SOM組分的特征沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)律。因此需要采取多種方法、增加試驗(yàn)數(shù)量的方式來(lái)提高土地利用變化對(duì)SOM組分影響結(jié)果的精度。