不同土地利用方式對哈尼梯田土壤肥力的影響

張永慧，李貝貝，張紫妍，劉 娟，2，常換換，2，蘇友波*

（1．云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650210；2．云南農業(yè)大學植物保護學院，云南 昆明 650210；3．甘肅省康樂縣農業(yè)農村局，甘肅 康樂 731500）

2013年哈尼梯田被列入世界文化遺產(chǎn)名錄，是我國少數(shù)民族農耕文明的典范［1］。哈尼梯田農田養(yǎng)分最主要的來源是高山區(qū)森林流出的地表水所輸送的養(yǎng)分，其次是秸稈還田和用農家肥水灌溉回田［2］。獨特的稻作模式，是研究農業(yè)土壤肥力可持續(xù)綠色發(fā)展的天然窗口［1］。然而，隨著元陽梯田的申遺成功以及旅游業(yè)的快速發(fā)展，古老的哈尼梯田在外來文化的影響下正發(fā)生著變化，其中就包括土地利用方式的改變。農民意識到單一種植水稻經(jīng)濟效益較低，由此將一些水分不好的水田改作旱地或設施栽培［3］。根據(jù)課題組實地調查發(fā)現(xiàn)，元陽梯田一部分農民種植玉米、果樹等大田作物，另有一部分農民在此基礎上搭建設施大棚，進行設施蔬菜水果的栽培。土地利用方式的變化不僅會影響梯田的種植結構、景觀格局［4］，還會影響土壤肥力以及梯田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)等變化，使哈尼梯田的保護和發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。因此，不同土地利用方式對哈尼梯田土壤肥力有何影響值得思考。

隨著全球氣候變化、人口數(shù)量增長、環(huán)境問題越來越多，如何科學、高效地利用土地資源是亟須解決的問題。李曉琴等［5］研究指出，不同的土地利用方式下土壤肥力與土壤退化指數(shù)存在線性關系。土地利用方式的改變影響土壤肥力，可通過土壤的物理肥力、化學肥力和生物肥力評價土壤質量［6］；許夢璐等［7］發(fā)現(xiàn)，不同的土地利用方式對灘涂土壤活性有機碳的影響不同，林地和水田土壤活性有機碳含量高于旱地。劉旭陽等［8］研究指出，水稻田、菜地和茉莉園土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量學特征差異顯著，土壤碳、氮、磷含量茉莉園最低，菜地土壤含量及儲量較高。在不同的土地利用方式下，對傳統(tǒng)梯田養(yǎng)分循環(huán)進行的研究不多，是否會破壞土壤肥力、影響梯田土壤健康、打破梯田持續(xù)發(fā)展稻作系統(tǒng)，目前尚不明確。

因此，本文以元陽梯田典型區(qū)域內5種典型的土地利用方式為研究對象，結合野外調查和室內測定分析的方法，對不同土地利用方式下土壤肥力特征進行研究，通過比較不同土地利用方式下土壤的生物、化學和物理肥力的變化，揭示土地利用方式對原始稻作梯田土壤肥力帶來的變化，為元陽梯田的可持續(xù)發(fā)展和保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于云南省元陽縣的元陽梯田境內，年平均降水量102.81 mm，5～8月為雨季，12月至次年3月為旱季。年平均氣溫19℃，全年氣候變化不大，但晝夜溫差較大。從土壤質地來看，元陽梯田所選取的土質以砂質粘土為主。樣地坡度均小于5°；每種土地利用方式均選擇性采集3個地塊，每塊地進行“S”形采樣，采集2個混合土壤樣本。水田海拔為1680 m，地塊面積為133～200 m2；旱地玉米與水田的空間距離為100 m，與水田的海拔差為13 m，地塊面積為1333～2000 m2；旱地柑橘與水田的空間距離約10000 m，與水田的海拔差為1392 m，地塊面積為1333～2000 m2；設施葡萄與水田的空間距離約10000 m，海拔差為1388 m，地塊面積為2667～3333 m2；設施辣椒與水田的空間距離為100 m，海拔差為9 m，地塊面積為2667～3333 m2。

1.2 樣品采集

采取試驗樣地與周圍環(huán)境一致性原則，在土壤類型、地勢起伏的半陽坡，以100 m為半徑的圓形研究區(qū)范圍內，共15個地塊，選取樣點設為10 m×10 m。采用“S”形采樣法采集剖面土壤樣品，土壤剖面按層次采樣，自下而上分層采取原狀土，每個層次分為0～20和20～40 cm，每層各一袋，將土壤樣品鮮土現(xiàn)場過2 mm篩后裝入無菌自封袋、保鮮盒內（團聚體土樣），冷藏帶回實驗室4℃保存。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤團聚體

土壤的機械組成分析就是把土粒按其粒徑大小不同分成若干級別，定出各粒徑的數(shù)量，測定機械組成采用比重計法，比重計法測量的是懸浮的土粒含量，比重計所排開的懸液重量和比重計相等時，會懸停在某一深度，由此可以換算出懸液中土粒濃度［9］；

土壤團聚體的平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的計算方法如下：

式中，Wi第i粒級團聚體質量百分數(shù)，Xi為相鄰兩級團聚體的平均粒徑。

式中，Wi為土壤不同粒級團聚體的重量（g）；lnxi為土壤粒級的平均直徑的自然對數(shù)。

1.3.2 土壤化學性狀

土壤化學性狀均參考《土壤農業(yè)化學分析方法》［10］方法測定。土壤pH用pH計（PHS-3C）測定，土壤有機碳采用高溫重鉻酸鉀氧化-容量法，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤有效磷采用Olsen法，土壤有效鉀采用乙酸銨浸提法，土壤陽離子交換量采用NH4OAc浸提法，土壤交換性鈣、鎂用原子吸收分光光度計測定。

1.3.3 土壤酶活性

脲酶活性采用靛酚藍比色法［6］，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法［11］，蛋白酶活性采用Folin-Ciocalteu比色法測定［12］。酸性磷酸酶活性采用以對硝基苯磷酸二鈉為基質，測定釋放的對硝基苯酚的含量［13］。芳基硫酸酯酶水解對硝基苯硫酸鉀，通過比色法反應后釋放的對硝基苯酚的含量，來估算芳基硫酸酯酶的活性［13］。

1.3.4 土壤微生物量碳、氮

土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法［14］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過Excel 2016建立數(shù)據(jù)庫進行整理統(tǒng)計，采用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗土壤各指標的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 梯田不同土地利用方式對土壤物理肥力的影響

2.1.1 土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性

土壤團聚體分形維數(shù)能夠對土壤結構的穩(wěn)定性作出響應，土壤團聚體分形維數(shù)越小，土壤結構穩(wěn)定性越好。不同土地利用方式下土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)如圖1所示，不同土地利用方式梯田土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)的范圍為2.73～2.57，在0～20 cm土層，不同利用方式下土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)表現(xiàn)為旱地玉米<水田<旱地柑橘<設施葡萄<設施辣椒。從方差分析來看，旱地玉米的土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)顯著低于其他幾種旱地土地利用方式（P<0.05）。在20～40 cm土層，不同利用方式下土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)與土壤表層趨勢一致，即旱地玉米<水田<旱地柑橘<設施葡萄<設施辣椒，從方差分析來看，旱地柑橘、設施葡萄和設施辣椒顯著高于旱地玉米和水田，而旱地柑橘、設施葡萄和設施辣椒三者之間差異不顯著。

土壤團聚體幾何平均直徑（GMD）和平均質量直徑（MWD）作為指示土壤團聚體穩(wěn)定性的指標，其值越大，表明團聚體穩(wěn)定性越好。不同土地利用方式下GMD和MWD如圖2所示，在0～20和20～40 cm土層土壤團聚體GMD和MWD值均為旱地玉米田最高；同一土層，不同土地利用方式的土壤團聚體GMD旱地玉米最高，在0～20 cm土壤深度內，GMD為旱地玉米>水田、旱地柑橘>設施葡萄>設施辣椒，旱地玉米田、水田和旱地柑橘田間無顯著性差異（P>0.05）；MWD為旱地玉米、水田、旱地柑橘>設施葡萄、設施辣椒（P<0.05）。同樣在20～40 cm土層中，GMD表現(xiàn)為旱地玉米>水田>旱地柑橘、設施葡萄、設施辣椒（P<0.05）；MWD表現(xiàn)為旱地玉米、水田>旱地柑橘、設施葡萄、設施辣椒（P<0.05）。從方差分析來看，旱地玉米、旱地柑橘、水田顯著高于設施葡萄和設施辣椒，而水田、旱地玉米、設施葡萄三者之間差異不顯著。

2.2 梯田不同土地利用方式對土壤化學肥力的影響

由表1可知，同一土地利用方式下，0～20 cm土層中土壤化學肥力均高于20～40 cm土層；改變土地利用方式后土壤全氮、有效磷含量增加，水田改為旱地、設施大棚后土壤陽離子交換量（CEC）、交換性鈣、交換性鎂的含量顯著增加，而pH出現(xiàn)下降趨勢；水田和旱地玉米土壤中有機碳含量最高，其次是設施辣椒（P<0.05）；全氮、速效鉀、有效磷含量旱地玉米最高，設施辣椒次之（P<0.05）；土壤CEC設施辣椒顯著高于其他4種土地利用類型，交換性鈣、交換性鎂含量為設施葡萄高于其他4種土地利用方式；在20～40 cm土層中，水田的pH和有機碳含量最高，旱地玉米次之（P<0.05）；旱地玉米的全氮含量和速效鉀含量顯著高于其他四者，旱地柑橘的有效磷和交換性鈣、交換性鎂含量顯著高于其他四者，設施辣椒的CEC顯著高于其他四者（P<0.05）；水改旱、改設施土壤后，造成了土壤養(yǎng)分累積，顯著影響了土壤理化性質，水田和旱地玉米土壤中的有機碳和全氮含量較高，當?shù)貙τ谶@2種作物的種植有長久的經(jīng)驗，能維持好養(yǎng)分供給。

表1 不同土地利用方式對土壤化學指標的影響

2.3 梯田不同土地利用方式對土壤生物肥力的影響

2.3.1 不同土地利用方式對土壤酶活性的影響

總體來看，同一土地利用方式下，土壤酶活性表層土壤（0～20 cm）高于深層土壤（20～40 cm）；同一土層，不同土地利用方式下，土壤酶活性均存在顯著性差異（圖3，P<0.05）；總體來說，土地利用方式的改變，對土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、芳基硫酸酶影響較大，而對酸性磷酸酶影響較小。土壤蔗糖酶、蛋白酶、芳基硫酸酯酶及0～20 cm脲酶活性變化趨勢表現(xiàn)為水田顯著高于其他4種土地利用方式，但酸性磷酸酶活性和深層（20～40 cm）土壤脲酶活性與其他酶活性相反，土壤酸性磷酸酶活性旱地玉米和設施辣椒高于其余3種土地利用方式（圖3c，P<0.05）；20～40 cm土層設施葡萄和設施辣椒土壤脲酶活性高于其余3種土地利用方式（圖3a，P<0.05）。

2.3.2 不同土地利用方式對土壤微生物量碳氮的影響

5種土地利用方式下，SMBC含量在土壤20～40 cm土層均顯著低于0～20 cm土層（表2）；總體上表層SMBC含量對土地利用方式的改變更敏感，且SMBC含量表現(xiàn)為水田>旱地>設施大棚的趨勢。從土層垂直分布看，水田和辣椒的SMBC含量隨著土層加深逐漸降低，而旱地玉米、旱地柑橘、設施葡萄的SMBC含量則隨著土層加深而升高。0～20 cm土層SMBC含量范圍為53.71～241.24 mg·kg-1，SMBC含量水田最高，其次旱地玉米；在20～40 cm土層中，SMBC含量范圍為123.40～46.01 mg·kg-1，SMBC含量水田最高，其次設施葡萄。

表2 哈尼梯田不同土地利用方式下的土壤微生物量碳氮特征 （mg·kg-1）

表層SMBN含量對土地利用方式的改變更加敏感。從土層深度看，5種土地利用方式下，SMBN含量隨著土層加深逐漸降低。在0～20 cm土層中，由水田轉變旱地、設施用地后，表層SMBN含量平均分別降低10%～54%、74%，其中SMBN含量水田最大，旱地玉米次之；在20～40 cm土層中，由水田改為旱地玉米后，SMBN含量增加3.72%；水田改為旱地柑橘、設施葡萄、設施辣椒時，SMBN含量分別降低49%、58%、50%。由此可見，表層SMBN含量對土地利用方式的改變更加敏感。

3 討論

3.1 不同土地利用方式對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體是有機碳的主要儲存場所，是表征固碳潛力的重要指標。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)、GMD和MWD中均表現(xiàn)為水田、旱地玉米的團聚體穩(wěn)定性最好，設施土壤團聚體穩(wěn)定性較差。說明水田有利于提高團聚體結構穩(wěn)定性，改善土壤抗蝕性；原因之一是水田經(jīng)過開墾后，土壤所需水分減少，作物水分供給能力變差，土壤養(yǎng)分流失，土壤有機碳含量下降，土壤大團聚體分散，從而降低了土壤團聚體的穩(wěn)定性［15-16］。在旱地耕種管理中，要通過合理的施肥管理［17］和保護性耕作［18-19］等措施對土壤有機碳進行改善，從而提高土壤大團聚體含量和穩(wěn)定性。

3.2 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分的影響

研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型對土壤養(yǎng)分呈“上高下底”的規(guī)律，這與殷陶剛等［20］關于蘭州新區(qū)土地利用方式研究結果一致，同一剖面淺層土壤養(yǎng)分高于深層土壤；其中土壤有機碳含量是土壤、植被類型、氣候、母質以及人類活動等因素綜合作用下動態(tài)平衡的結果［21］；研究發(fā)現(xiàn)，哈尼梯田改為設施大棚、旱地后，土壤有機碳含量下降。原因之一是土壤處于干旱形式下，有機質的來源減少，有機碳積累較慢，導致土壤有機碳含量下降，微生物活性降低，土壤有機質的分解速率下降［22-23］；土壤長期處于氧化環(huán)境，有機質很難積累，土壤團粒體結構發(fā)生變化，對碳的吸附能力降低，最終導致土壤有機碳含量降低，這與王振芬［24］研究結果一致。

土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分是自然因子和人為因子共同作用的結果，人為活動對土地進行干擾的綜合反映，與土壤中的氮、磷、鉀養(yǎng)分有著緊密的相關性。研究結果表明，土壤全氮、有效磷、速效鉀含量整體隨土層深度的增加逐漸降低，這與Tian等［25］和Cleveland等［26］研究結果相似，其主要是由于地表土壤相對于下層土壤更易形成腐殖質，根系隨土層深度增加逐漸減少，再加上蒸騰所導致的物質運移，使得土壤全氮、有效氮、有效磷、有效鉀在土壤剖面發(fā)生變化［27］，旱地玉米土壤中有效磷含量較高，這與以往研究結果一致［28］。本文研究結果表明，改變哈尼梯田土地利用方式后，土壤全氮、有效磷、土壤陽離子交換量、交換性鈣、鎂的含量顯著增加，而pH出現(xiàn)下降趨勢，說明水改旱、改設施土壤后，造成了土壤養(yǎng)分累積，顯著影響了土壤理化性質，這與前人關于水田和旱地土壤養(yǎng)分差異研究結論一致［29-30］。設施土壤中的交換性鈣、交換性鎂含量較高，可能是設施栽培環(huán)境濕熱、水分容易蒸發(fā)所致［31］。

3.3 不同土地利用方式對土壤酶活性的影響

脲酶是調節(jié)土壤氮轉化的關鍵酶，主要來源于植物和微生物，在養(yǎng)分循環(huán)過程中起著不可或缺的作用［32］。本研究結果，水田利用方式下土壤脲酶活性最高，顯著高于其他幾種土地利用方式，而且水稻土中的有機碳含量和脲酶呈正相關關系。水田改旱地和設施地后土壤酶活性降低［33］。土壤蛋白酶參與土壤中存在的氨基酸、蛋白質以及其他含蛋白質的有機化合物的轉化。水田改變土地利用方式后，土壤蛋白酶活性降低，與土壤中的有機碳、全氮含量呈正相關關系。磷酸酶是土壤酶系中唯一催化有機磷水解成可供植物吸收的無機磷的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化和生物有效化，它們對有機磷礦化的促進作用是非常明顯的［34］。旱地玉米、設施辣椒地的土壤磷酸酶活性升高，這可能受到人為施肥的影響。土壤中的芳基硫酸酯酶活性不僅與土壤有機質、有效硫供應有關，也與土壤本身的物理化學性質有關。土壤有機質高時，其芳基硫酸酯酶活性也高［35］。本文研究結果表明，不同土地利用方式下，土壤芳基硫酸酯酶活性隨土層深度的增加而降低，且和養(yǎng)分變化規(guī)律一致，說明土壤芳基硫酸酯酶主要靠表層土壤中的微生物和地表作物分泌［36］。

3.4 不同土地利用方式對土壤微生物量碳氮的影響

SMBC是土壤有機碳中活性較高的部分，對于環(huán)境因子的變化非常敏感［37］。水田改為設施大棚、旱地后土壤微生物生物量降低，這與以往學者關于水田改為旱地的研究結果相類似［38-40］，但相關研究尚未涉及水田改為設施大棚對土壤微生物量的影響；一方面，稻田土壤為微生物提供了相對充足的有機碳源、氮源和水分等主要營養(yǎng)物質，使得土壤微生物的生長旺盛，土壤微生物量相對較高；另一方面，水改旱后土壤酸化，抑制了土壤微生物活性［37］。

本研究結果顯示，水田和旱地玉米的SMBN含量顯著高于其他類型的土地利用，這也和水田、旱地玉米土壤中氮含量最高有關。SMBN被認為是土壤質量的一個指標，其對土地利用變化和耕作活動引起的土壤擾動非常敏感，并被用來衡量植物氮的有效性［40］，SMBN控制土壤氮的有效性和損失，特別是在高投入系統(tǒng)中［41］。

3.5 化學指標和生物指標對土壤肥力影響的關聯(lián)性分析

土壤中的碳、氮、磷、硫等營養(yǎng)元素的循環(huán)和土壤礦物的礦化過程均有土壤微生物的參與，對土壤團聚體的產(chǎn)生及其穩(wěn)定性起著關鍵性作用［42］。薛萐等［43］研究表明，土壤養(yǎng)分與土壤酶活性有顯著相關性，本研究結果中土壤酶活性和微生物量碳氮與有機碳之間存在顯著或極顯著正相關關系（表3，表4），說明不同種類的酶活性在土壤中參與不同作用的生化反應，與養(yǎng)分息息相關。這一研究成果與薛萐等［43］和馬婧怡［44］研究結果一致。本文研究結果中土壤微生物生物量碳、氮和土壤有機碳呈正相關關系（表3，表4），與陳安磊等［45］研究結果一致；說明水田中微生物數(shù)量較多，傳統(tǒng)的稻作方式為水田微生物提供了碳源，營造了適宜的微生物生長條件。從酶活性和微生物量碳氮變化情況來看，元陽梯田中改為旱地和設施土壤的生物肥力低于水田（表3，表4），說明在旱地和設施條件下，元陽梯田土壤微生物活性相對較低，雖然施肥會提高土壤養(yǎng)分，但是養(yǎng)分循環(huán)不高；如果長期種植旱地和設施作物，會降低梯田土壤質量，對梯田的長久可持續(xù)發(fā)展帶來不利影響。這與徐海軍等［46］研究的大慶地區(qū)的土地利用方式結果一致，人為干擾增強時，土壤理化性質異質性下降；元陽梯田中提高有機碳含量能夠增加土壤中的酶活性以及微生物量碳氮含量，從而提升梯田土壤肥力。梯田中的有機碳含量較高，也和當?shù)卦谒痉N植過程中秸稈還田、采用稻魚鴨生態(tài)養(yǎng)殖模式有明顯關系，這一農業(yè)種養(yǎng)殖模式，也為梯田的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供了寶貴的實踐意義。

表3 0～20 cm土層土壤養(yǎng)分和微生物特性間的相關性

表4 20～40 cm土層土壤養(yǎng)分和微生物特性間相關性

4 結論

（1）水田改為旱地或者設施大棚，土壤的脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和芳基硫酸酯酶活性均降低，但旱地玉米土壤的磷酸酶活性最高。

（2）不同土地利用方式對土壤微生物量碳氮含量的影響存在顯著差異。水田經(jīng)過人為活動影響，土壤微生物水平降低，所以水田土壤的微生物量碳氮含量最高。

（3）水田受到秸稈還田的作用增加了土壤中的有機質含量，水田土壤的pH和有機碳含量最高，而旱地玉米土壤的全氮、速效鉀、有效磷含量最高，設施辣椒土壤的陽離子交換量最高，設施葡萄土壤的交換性鈣、交換性鎂含量最高。

（4）土壤團聚體穩(wěn)定性均為水田穩(wěn)定性最好，旱地玉米團聚體穩(wěn)定性較好，設施土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性較差。

（5）土壤中的有機碳含量與脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、微生物量碳氮關系極為密切。土壤酶活性能夠促進有機碳的轉化，土壤微生物量碳能反映土壤微生物水平，從而影響土壤酶活性。