基于土地整治的復(fù)墾耕地生態(tài)質(zhì)量研究

陳 敏

（1. 上海市巖土工程檢測中心有限公司，上海 200436；2. 自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，上海 200003）

耕地為人類賴以生存的基本資源和條件[1]。我國人口眾多，可耕地面積較少，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，土地整治成為我國低效用地減量和提升質(zhì)量的措施與手段[2]。土地整治工程通過改善耕地的自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施，提高耕地質(zhì)量，是開展“提質(zhì)改造”與“補(bǔ)改結(jié)合”的有效措施。近年來我國生態(tài)文明的建設(shè)加強(qiáng)，國家將生態(tài)建設(shè)納入到國土空間規(guī)劃戰(zhàn)略當(dāng)中。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記從生態(tài)文明建設(shè)的整體視野提出“山水林田湖草是生命共同體”，要求在國土規(guī)劃與整治當(dāng)中統(tǒng)籌兼顧生態(tài)環(huán)境治理，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作[3]?！笆奈濉币?guī)劃要求生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步，國土空間開發(fā)保護(hù)格局得到優(yōu)化，生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放總量持續(xù)減少，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，生態(tài)安全屏障更加牢固，城鄉(xiāng)人居環(huán)境明顯改善。生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)成為國家和社會(huì)高度關(guān)注的熱點(diǎn)[4-5]。

近年來，全國各地紛紛試點(diǎn)將土地整治與國土空間生態(tài)修復(fù)工作相結(jié)合，逐漸開展了以國土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)為目標(biāo)的土地整治工作。秦嶺地區(qū)及巢湖流域均開展了以“山水林田湖草”為理念的國土生態(tài)規(guī)劃整治，將土地整治與生態(tài)修復(fù)作為一體化建設(shè)[6-7]。明確國土空間生態(tài)修復(fù)后的耕地生態(tài)質(zhì)量狀況，開展系統(tǒng)診斷是國土空間生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)。已有研究表明土地整治后耕地質(zhì)量等別提高、土壤中的黏粒含量下降以及含鹽量降低等[8-9]。目前，現(xiàn)有的耕地等別質(zhì)量評定工作往往參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》（GB/T 28407-2012）中因素法對耕地進(jìn)行評價(jià)，只停留在單一的對土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、鹽漬化、有效土層厚度、土壤質(zhì)地以及農(nóng)用耕地面積的研究評價(jià)，忽略了其他肥力指標(biāo)、土壤功能和生物要素，難以有針對性地反映土地整治實(shí)施后的耕地的生態(tài)修復(fù)效果以及存在問題，缺乏從生態(tài)角度對土地整治工作的反饋。

國內(nèi)外學(xué)者針對使用生物學(xué)指標(biāo)評價(jià)耕地生態(tài)質(zhì)量開展了大量研究。一些特定的土壤動(dòng)物如蚯蚓、線蟲、原尾蟲作為指示生物廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、森林、草原等一些生態(tài)系統(tǒng)中評價(jià)土壤質(zhì)量[10]。土壤動(dòng)物可以通過取食和非取食作用影響土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分循環(huán)，且對環(huán)境變化或擾動(dòng)較為敏感，能夠很好地指示土壤生態(tài)質(zhì)量[11]；同時(shí)通過調(diào)節(jié)土壤微生物群落來影響土壤中的碳氮礦化[12]，可以科學(xué)地反映土地整治前后耕地生態(tài)質(zhì)量的變化和土地整治相關(guān)工程的問題。由于微生物群落結(jié)構(gòu)的變化受環(huán)境變化影響較大，能較好地反映外界環(huán)境的變化，土壤微生物多樣性和結(jié)構(gòu)群落等指標(biāo)在評價(jià)土壤質(zhì)量方面也被廣泛采用[13]。綜上，本研究以上海市某市級土地整治項(xiàng)目為例，以整治后的質(zhì)量建設(shè)耕地（ZL）為對照，2處典型復(fù)墾新增耕地（XZ1和XZ2）為研究對象，篩選與土壤質(zhì)量相關(guān)的理化和生物指標(biāo)從土壤肥力、土壤動(dòng)物多樣性和酶活性等反映生態(tài)質(zhì)量方面的指標(biāo)，綜合對比土地整治后的新增耕地和質(zhì)量建設(shè)耕地的生態(tài)質(zhì)量。旨在為土地整治的生態(tài)修復(fù)效果和存在問題提供反饋以及為后續(xù)的國土空間生態(tài)修復(fù)與生態(tài)規(guī)劃提供有效的數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于上海市松江區(qū)新浜鎮(zhèn)，所處地區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，四季分明，日光充足，雨量充沛，無霜期長；春季冷暖多變，夏季高溫多雨，秋季降溫較快，冬季低溫陰雨，年平均降雨量為1226.8 mm。項(xiàng)目區(qū)屬太湖流域黃浦江水系，水文特征屬平原河網(wǎng)強(qiáng)感潮區(qū)。該地區(qū)主要的糧食作物為水稻，一年一熟制，種植模式以水稻—綠肥輪作，綠肥為紫云英（Astragalus sinicus L.）。新增耕地主要來源坑塘填埋和房屋拆除平整兩大工程，通過住宅用地整理復(fù)墾可增加耕地45.29 hm2，通過坑塘水面整理可增加耕地5.90 hm2?？犹撂盥窨屯镣羴碜愿浇鼌^(qū)域耕地表土剝離項(xiàng)目；宅基地復(fù)墾平整的客土來源主要為牛欄、豬圈、禽舍表土及陳舊土坯磚。本研究分別選取了兩處具有代表性的新增耕地（XZ1源于坑塘填埋復(fù)墾、XZ2源于宅基地復(fù)墾）。水稻品種為松香粳1018，種植方式為上海市郊區(qū)農(nóng)民常規(guī)水稻種植和管理模式，施用化學(xué)肥料和普通化學(xué)農(nóng)藥防治病蟲害。

1.2 采樣方法與指標(biāo)測定

（1）采樣方法

2021年1月21日，選取新增耕地（XZ1、XZ2）和質(zhì)量建設(shè)耕地（ZL）進(jìn)行土壤布點(diǎn)采樣，從水稻收獲后的表層土壤中采集土壤樣本。在2處新增耕地和1處質(zhì)量建耕地各選取3個(gè)樣點(diǎn)的表層土，每個(gè)采樣點(diǎn)遵循五點(diǎn)取樣法，采集0～20 cm的表層土壤，去除表層雜物，采用四分法留取0.5～1.0 kg的鮮土。將所有土壤樣品放入無菌密封塑料袋中，一部分土壤樣本并裝有液態(tài)氮的冰箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，凍干后提取DNA；另一部分鮮土用保溫箱4℃保存，測酶活性和理化指標(biāo)。用直徑為5 cm的不銹鋼采樣器采集0～10 cm的土樣用于調(diào)查土壤動(dòng)物，所有土樣帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

（2）指標(biāo)測定

土壤理化指標(biāo)測定：土壤pH、全氮（TN）、水解氮（AN）、土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、全鉀（TK）、速效鉀（AK）、全磷（TP）、有效磷（AP）和陽離子交換量（CEC），分別根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤檢測第2部分：土壤pH的測定》（NY/T 1121.2-2006）、土壤《森林土壤氮的測定》（LY/T 1228-2015）、《森林土壤全鉀、全鈉的測定》（LY/T 1254-1999）、《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》（NY/T 889-2004）、《土壤全磷測定法》（NY/T 88-1988）、《土壤檢測第7部分:土壤有效磷的測定》（NY/T 1121.7-2014）和《森林土壤陽離子交換量的測定》（LY/T 1243-1999）測定。

土壤酶活性測定：土壤酶活性主要選取過氧化氫酶（CAT）、中性磷酸酶（NP）、蔗糖酶（SC）、脲酶（UE）4種酶測定，測定方法參考關(guān)松蔭等編著的《土壤酶及其研究法》[14]。

大型土壤動(dòng)物指標(biāo)測定：動(dòng)物指標(biāo)測定采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)干漏斗法分離土壤動(dòng)物，土壤動(dòng)物收集在95%的乙醇溶液中。分離所得的土壤動(dòng)物采用體視顯微鏡觀察和分揀，參考《中國土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[15]和《中國亞熱帶土壤動(dòng)物》[16]進(jìn)行分類鑒定，并統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究動(dòng)物多樣性指數(shù)計(jì)算參考孫濡永的《動(dòng)物生態(tài)學(xué)原理》[17]，土壤動(dòng)物群落的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H'）、Pielou均勻度指數(shù)（Js）、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）、Margalef豐富度指數(shù)（D）計(jì)算公式如下：

式中：ni為第i個(gè)類群的個(gè)體數(shù)；N為群落中所有類群的個(gè)體總數(shù)；S為類群數(shù)，本研究定義類群密度占總密度10%及以上者為優(yōu)勢類群。

數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，采用單因素Anova均值檢驗(yàn)，選用LSD法進(jìn)行方差檢驗(yàn)，顯著性水平為0.05。圖表的制作用Origin 9.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)是土壤健康及可利用性的基本表現(xiàn)，土壤pH如圖1a所示，XZ1、XZ2和ZL的土壤pH均大于8，該項(xiàng)目耕地土壤偏堿性。如圖1b所示，土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為13.16～19.63 g/kg，XZ2土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于XZ1和ZL土壤的有機(jī)質(zhì)含量，這可能是由于XZ2地塊在房屋拆除覆蓋表土?xí)r，利用的是附近牛欄、豬圈、禽舍表土，此類土壤可能之前含有部分家禽畜牧糞便，有機(jī)質(zhì)含量較高，從而使得新增耕地有機(jī)質(zhì)含量較高。CEC即土壤中可交換性陽離子的含量，是土壤肥力保持能力的間接反映[18]，如圖1c所示，ZL、XZ1和XZ2的CEC含量分別為18.83、19.56和30.4 cmol(+)/kg，XZ2和XZ1均顯著（P＜0.05）高于ZL土壤的CEC，可見新增耕地的陽離子交換量較高，原因可能為新增耕地客土前經(jīng)底層土的壓實(shí)工序，有利于將土壤肥力保持在耕作層，且新增耕地未經(jīng)過長期耕作，地力未被破壞，肥力不易流失。

圖1 土壤理化性質(zhì)Fig.1 Soil physical and chemical properties

2.2 土壤肥力

土壤肥力是土壤的基本性質(zhì)，是土壤物理化學(xué)、生物反應(yīng)的綜合特征，也是對內(nèi)外環(huán)境變化做出的整體響應(yīng)[19]。如圖2a所示，三處耕地的土壤總氮含量差異顯著，范圍為0.94～1.17 g/kg，XZ2地塊的土壤總氮比ZL和XZ1地塊分別高20.21%和44.87%，三者的NH4+-N和NO3--N占比差異不明顯，NH4+-N和NO3--N是植物可以大量吸利用的無機(jī)氮，三處耕地氮素肥力水平相當(dāng)。XZ1地塊的AN占比高于XZ2和ZL地塊，分別為27.83%和7.24%。由圖2b可知，有效磷約占土壤全磷含量的1%，XZ2地塊土壤全磷含量與有效磷占比均顯著（P＜0.05）高于XZ1和ZL地塊。如圖2c所示，ZL地塊的全鉀含量顯著高于（P＜0.05）XZ1、XZ2地塊，XZ1地塊的土壤全鉀含量雖低，但速效鉀占比較高，約2.13%?？傊?，XZ2地塊的氮磷含量較高，鉀元素含量較低，說明客土土源的氮磷較高，鉀含量偏低。家禽畜牧的糞便中往往氮磷含量高于鉀元素含量[20]，與牛欄豬圈附近表土的理化規(guī)律相似，間接驗(yàn)證了新增耕地的土壤肥力受客土理化性質(zhì)影響較大，需合理選擇客土來源。

圖2 不同區(qū)域點(diǎn)位土壤肥力Fig.2 Soil fertility in different regions

2.3 土壤酶活性

土壤酶是由土壤微生物分泌的具有高效性的活性物質(zhì)，其活性是土壤中微環(huán)境和土壤生態(tài)的狀態(tài)的綜合體現(xiàn)[21]，亦是參與有機(jī)物分解和養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵成分，可作為衡量土壤健康的指標(biāo)[22]。如圖3所示，ZL耕地土壤的CAT活性顯著高于（P＜0.05）新增耕地，CAT活性分別較新增耕地XZ1、XZ2高0.93%和0.77%；土壤NP和SC活性方面在三處耕地表現(xiàn)出規(guī)律一致，即XZ2＞XZ1＞ZL，XZ2的NP和SC活性分別可達(dá)到2.22 μmol/d/g和76.66 mg/d/g；XZ2地塊比ZL地塊土壤的UE活性高7.85%，但ZL地塊比XZ1地塊的土壤UE活性高70.45%。綜合，ZL耕地的CAT活性較高，XZ2耕地的NP、SC、UE活性高于ZL耕地。

圖3 土壤4種酶活性Fig.3 Four enzyme activities in soil

2.4 土壤動(dòng)物多樣性

本研究在新浜鎮(zhèn)3塊樣地共捕獲土壤動(dòng)物1604頭（圖4），隸屬于11個(gè)類群，以蜱螨目為主，其中蜱螨目和彈尾綱分別占總捕獲量的的86.25%和6.49%，為優(yōu)勢類群。新增耕地土壤中動(dòng)物的數(shù)量明顯高于質(zhì)量建設(shè)地塊，但新增耕地中動(dòng)物分布不均勻，同一地塊不同點(diǎn)位動(dòng)物數(shù)量差異性較大，質(zhì)量建設(shè)耕地中動(dòng)物分布較為均一。

圖4 不同區(qū)域點(diǎn)位土壤動(dòng)物數(shù)量Fig.4 Number of soil animals in different regions

經(jīng)土地整治后新增耕地（XZ1、XZ2）與質(zhì)量建設(shè)地塊的動(dòng)物類群數(shù)、均勻度以及豐富度無明顯差異（表1）。新增耕地XZ1的動(dòng)物多樣性明顯高于（P＜0.05）質(zhì)量建設(shè)耕地ZL，復(fù)墾耕地XZ2的土壤動(dòng)物多樣性最低，說明XZ2地塊土壤的動(dòng)物種類少且分布不均勻，在客土?xí)r土壤的差異性較大。

表1 不同區(qū)域點(diǎn)位土壤動(dòng)物多樣性Table 1 Diversity of soil animals in different regions

2.5 環(huán)境因子與動(dòng)物多樣性相關(guān)性分析

土壤環(huán)境因子與動(dòng)物多樣性相關(guān)性分析如圖5所示，可知土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與CEC、TN、AN呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）關(guān)系，說明土壤pH對土壤的理化性質(zhì)與肥力指標(biāo)影響較大。土壤動(dòng)物豐富度與有機(jī)質(zhì)含量以及全氮含量具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），土壤動(dòng)物多樣性和均勻度與速效鉀、有效磷呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與全磷、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），說明土壤動(dòng)物多樣性有利于提高土壤磷肥、鉀肥的可利用性；土壤中環(huán)境因子與土壤動(dòng)物總體數(shù)量未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。土壤動(dòng)物優(yōu)勢度與CEC、全磷、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)(P＜0.05)，說明蜱螨目動(dòng)物能提高有機(jī)質(zhì)，增加土壤含氮量和可利用性。

圖5 環(huán)境因子與土壤動(dòng)物指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.5 Correlation Analysis of Environmental Factors and Soil Animal Indexes

3 討論

土地整治項(xiàng)目的主要手段在于平整土地、客土覆蓋，對未利用、低效利用以及閑置、損毀和退化土地進(jìn)行綜合治理[24-25]。這些手段打破了原有穩(wěn)定性的土壤生態(tài)環(huán)境。本研究所選取的土地整治區(qū)域主要是通過土地平整手段（拆除、清障、客土、回填）增加了新增耕地。經(jīng)過土地整治后，新增耕地的CEC大于質(zhì)量建設(shè)耕地中的CEC，分析原因可能是經(jīng)整治后土壤容重降低，孔隙度增加，土壤對各種離子的吸附能力增強(qiáng)，此外在新增耕地客土之前耕作層以下經(jīng)過機(jī)械壓實(shí)，表層土壤養(yǎng)分不易流失，因而新增耕地的保肥性能得到提高。有研究認(rèn)為土地整治會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，降低土壤養(yǎng)分[9]，然而本研究中XZ2地塊的全氮、全磷均高于ZL地塊，原因可能是XZ1的地塊客土的土源來自附近區(qū)域耕地的表土剝離，XZ2地塊土源來自于豬圈牛欄等養(yǎng)殖區(qū)附近表土，二者的土壤養(yǎng)分含量均較高，可見土壤養(yǎng)分不僅受土地整治施工工序的影響，更直接受到客土土源的影響。

土壤酶是具有生物催化活性的特殊物質(zhì)，土壤中的大多數(shù)生化過程均與酶催化相關(guān)[10]。過氧化氫酶是促進(jìn)氧化氫分解有利于防止它對生物體的毒害作用，過氧化氫酶的活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)，可間接反映土壤有機(jī)質(zhì)含量。磷酸酶與土壤中的碳、氮含量呈正相關(guān)，與有效磷含量及pH也有關(guān)，磷酸酶是評價(jià)土壤中磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強(qiáng)度的指標(biāo)，也是肥力指標(biāo)的體現(xiàn)。蔗糖酶是一種土壤轉(zhuǎn)化酶，它對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要作用。有研究證明，土壤肥力越高，蔗糖酶活性越強(qiáng)，它不僅能夠表征土壤生物學(xué)活性強(qiáng)度，也可作為評價(jià)土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個(gè)指標(biāo)。脲酶廣泛存在于土壤中，其酶促產(chǎn)物NH3是植物的氮源之一，脲酶的活性與土壤氮素含量密切相關(guān)，同時(shí)也與有機(jī)質(zhì)含量和微生物有。本研究中ZL耕地的過氧化氫酶活性較高，XZ2耕地的磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性高于ZL耕地，不同的環(huán)境因子會(huì)影響酶活性，但總體上因?yàn)橘|(zhì)量建設(shè)耕地的長期耕作，土壤肥力有所下降，而新增耕地由于未被長期耕作利用，還保持較高的肥力以及酶活性，需要我們在后續(xù)耕作中多施用有機(jī)肥以及推廣保護(hù)性耕作，從而維持耕地土壤肥力。已有研究表明土壤微生物和酶活性受到土壤本身環(huán)境的影響[26]，如土壤有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀等養(yǎng)分含量等因素，土壤酶活性還受到不同復(fù)墾類型的交互影響[27]。

土壤動(dòng)物對于土壤環(huán)境的變化具有靈敏的指示作用[28]，土壤動(dòng)物群落研究對于評估城市土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要的指導(dǎo)意義[29]。從土壤動(dòng)物類群來看，蜱螨目動(dòng)物對整治后土壤環(huán)境波動(dòng)性的抗性能力更高，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤動(dòng)物的多樣性、豐富度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），這與王海燕[30]等人研究廬山垂直自然帶動(dòng)物分布得出的結(jié)果不同，可能是因?yàn)橥寥绖?dòng)物群落特征同時(shí)還受到溫度、降水、濕度、地形、日照等其他環(huán)境因子的影響[31]。XZ2地塊的動(dòng)物優(yōu)勢度較高，多樣性、均勻度和豐富度較低，這可能是由于XZ1地塊的土源來自于附近區(qū)域需要?jiǎng)冸x的耕地表土，土質(zhì)相對于XZ2地塊的土源較為均勻且生態(tài)環(huán)境更穩(wěn)定、土壤更均勻；XZ2地塊的土源來自于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的部分地區(qū)表土，按照施工原則就近剝離回填，沒有經(jīng)過充分分類混勻，因而土壤豐富度和多樣性較低。由于XZ2地塊的土源為牛欄豬圈附近表土，表2中的XZ2地塊的細(xì)菌真菌豐富度較高，但因施工工序原因沒有充分混勻，導(dǎo)致XZ2地塊土壤真菌細(xì)菌的多樣性最低。

綜上，土地整治對土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)質(zhì)量帶來的變化是多樣的，本研究結(jié)果顯示，就常見的土地平整工程為代表的土地整治而言，新增耕地的客土來源和施工工序十分重要，可直接影響土壤的養(yǎng)分含量、均勻程度、動(dòng)物、微生物的多樣性。建議在今后的土地整治工作中注意客土來源，做好分類工作，做到因地制宜，依據(jù)耕地需求客土，同時(shí)在施工過程中注意混勻土壤，保證將來作物產(chǎn)量的均一性。

4 結(jié)論與建議

（1）XZ2的土壤有機(jī)質(zhì)含量與CEC顯著高于ZL，XZ2地塊的土壤全氮含量比ZL高20.21%，新增耕地全鉀（TK）含量低于質(zhì)量建設(shè)耕地；XZ2耕地的中性磷酸酶（NP）、蔗糖酶（SC）、脲酶（UE）活性以及土壤動(dòng)物優(yōu)勢度高于ZL地塊。

（2）蜱螨目動(dòng)物有利于土壤氮磷礦化和陽離子交換量（CEC）的提高，新增耕地土壤的動(dòng)物和微生物的豐富度較高但多樣性較低。

（3）客土土源直接影響土地整治后土壤的理化性質(zhì)和肥力，且根據(jù)耕地的利用需求采用不同土源，且建議使用客土前對在達(dá)到耕地土壤生態(tài)質(zhì)量提高的前提下保證客土土壤的合理化利用。

（4）XZ2的土壤肥力、酶活性和動(dòng)物多樣性高于ZL，建議以后耕地進(jìn)行保護(hù)性耕作，保持耕地地力和生態(tài)質(zhì)量。