南方長(zhǎng)期不同土地利用方式下土壤肥力變化特征
——以湖北省長(zhǎng)陽(yáng)縣火燒坪鄉(xiāng)為例

陳亞男，莊 媛，閆瑞瑞，秦 琪，金晶煒，楊培志，劉 洋，熊軍波，辛?xí)云?

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，湖北 武漢 430000）

土壤養(yǎng)分是影響植物生長(zhǎng)狀況和評(píng)價(jià)土地肥力水平的重要因子，其含量的高低受人類活動(dòng)和自然因素制約。至今國(guó)內(nèi)外學(xué)者，對(duì)土地利用類型與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系展開了相關(guān)研究：如Tiruneh等[5]、Bhowmik等[6]的研究表明土地利用方式變化會(huì)引起土壤化學(xué)性質(zhì)的改變；且影響程度最大，在不同土地利用方式下，團(tuán)聚體相關(guān)土壤碳與土壤微生物區(qū)系具有較好的相關(guān)性。Alatengxihuri等[7]探究了不同土地利用方式對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響及其時(shí)空變異性，結(jié)果顯示不同土地利用方式下的肥料施用水平、田間管理措施、耕作制度等可能是影響土壤養(yǎng)分變化的主要因素。Gong等[8]以黃土高原丘陵地區(qū)的6種不同利用類型土地為研究對(duì)象，對(duì)其土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析。結(jié)果表明植物的種植可改良土壤養(yǎng)分和質(zhì)量，通過(guò)更多的碳投入替代耕作方式對(duì)土壤條件的改善起積極作用。Zhao等[9]基于野外調(diào)查研究，對(duì)5種類型耕地的17種養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了差異性分析，探究了土地利用類型和土壤養(yǎng)分的關(guān)系，結(jié)果顯示土地利用方式對(duì)大量營(yíng)養(yǎng)元素影響最大，對(duì)中量和微量營(yíng)養(yǎng)元素影響次之。

土壤養(yǎng)分與土地利用方式關(guān)系緊密，土壤理化性質(zhì)會(huì)因土地利用方式的不同而不同，造成土壤養(yǎng)分含量差異。Xu等[10]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、速效氮(AN)、磷(AP)、鉀(AK)和全氮(TN)的含量主要受土地利用類型的影響。此外粗放式耕作會(huì)降低土壤養(yǎng)分含量，導(dǎo)致農(nóng)田土壤退化，而生態(tài)恢復(fù)可以改善土壤肥力。Liao等[11]研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分和活性成分存在顯著差異，土壤有機(jī)碳是影響土壤活性成分的主要因素。Liu等[12]研究發(fā)現(xiàn)：不同用途耕層土中堿解氮含量與有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系，植樹造林和種草后速效磷、鉀養(yǎng)分降低，土地利用方式的改變對(duì)土地肥力影響顯著。Ge等[13]針對(duì)不同土地利用類型對(duì)土壤養(yǎng)分含量和土壤剖面變化的影響程度進(jìn)行了多年定位田間試驗(yàn)，結(jié)果表明從農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗖輩不虿莸睾?，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著升高并隨土壤加深下降，同種土地利用方式下土壤的 SOM、TN 和堿解氮(AN)含量。Liu等[14]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳(SOC)、TN、AN和全磷(TP)受巖溶丘陵間洼地土地利用方式的影響最為顯著；其次是土壤微生物，尤其是土壤放線菌，隨著扦插除根、牧草種植等人為干擾梯度的增加，影響逐漸減弱。因此探究不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征，便于了解各土地利用方式下土壤養(yǎng)分狀況和土壤肥力水平，為改善土地肥力狀況制定科學(xué)的管理措施提供有效參考。

目前，在南方草山草坡區(qū)域內(nèi)對(duì)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征研究較少。近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)南方草山草坡也開展了相關(guān)研究。王亮亮等[15]對(duì)南方紅壤土丘陵區(qū)不同土地利用方式下的土壤水分性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同利用類型土地中水分運(yùn)動(dòng)的特征存在差異。紀(jì)仁婧等[16]對(duì)南方低山丘陵地區(qū)面源污染分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田對(duì)面源污染的貢獻(xiàn)最高。王芝麟等[17]對(duì)南方4種不同土地利用方式土壤N2O排放系數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示土壤N2O排放系數(shù)與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系。李忠武等[18]以南方3種不同土地利用方式(荒地、松林、草地)坡地土壤為研究對(duì)象，探究SOC分布特征，發(fā)現(xiàn)不同粒徑團(tuán)聚體SOC占比主要取決于土地利用方式，土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為草地>松林>荒地。

湖北省火燒坪鄉(xiāng)位于南方草山草坡典型區(qū)域，土地利用方式分明。因此本研究以火燒坪為例，采用主成分分析(PCA)方法綜合多個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)[19]，分析不同土地利用方式下南方草山草坡土壤養(yǎng)分差異，評(píng)價(jià)養(yǎng)分狀況，為南方草山草坡合理開發(fā)利用提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置在湖北省宜昌市長(zhǎng)陽(yáng)縣火燒坪鄉(xiāng)(30°30′5 4.06′′N，110°42′4 9.20′′E)。全鄉(xiāng)總面積為105.5 km2，平均海拔為 1800 m，年平均氣溫為7.6℃，全年無(wú)霜期為200天。所屬氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，氣候特點(diǎn)是夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，雨熱同期，年平均降水量約為1366.2 mm，降雨主要集中在7月初至10月初。土壤以黃棕壤和棕壤為主，成土母質(zhì)為石灰?guī)r、泥質(zhì)巖等組成。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在研究區(qū)域內(nèi)挑選最具代表性的3種利用類型土地作為研究對(duì)象：人工草地、天然草山草坡、農(nóng)田。人工草地于20世紀(jì)80年代開墾用于種植玉米，但由于坡度大、土壤中石塊較多等原因于1989年退耕，后用于人工草地的使用，主要植被以鴨茅(Dactylis glomerata L.)、多年生黑麥草(Lolium perenne L.)、紅三葉草 (Trifolium pratense)、白三葉草(Trifolium repens L.)等草本植物為主。天然草山草坡從80年代至今處于原始自然狀態(tài)。農(nóng)田于1990年初種植甘藍(lán)，之后逐步種植大白菜，由于當(dāng)?shù)胤N植大白菜導(dǎo)致根瘤病誘發(fā)一些病蟲害，后改種白蘿卜。2019至2021年間農(nóng)田于7月份播種，9月中旬收獲，7到10日噴灑一次防病蟲害藥水，種子發(fā)芽20天左右定苗，并除去雜草，白蘿卜種植期間施足底肥不另外追肥。樣地具體利用年限及坡度、蓋度見表1。對(duì)3種土地利用方式下環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，人工草地和農(nóng)田環(huán)境溫度和土壤溫度無(wú)明顯差異，天然草山草坡溫度較低，分析其原因是喬木、灌木多，樹蔭的遮蔽下土壤溫度降低。樣地和采樣點(diǎn)布設(shè)見圖1。3種土地坡度一致。本試驗(yàn)每種土地縱向劃分為規(guī)格60 m×20 m的樣地。同種類型土地共取9個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，并用土鉆分別采集0—10、10—20和20—30 cm土層土壤，每一層取3個(gè)重復(fù)之后均勻混合用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

圖1 研究區(qū)3種土地利用方式樣地樣點(diǎn)布設(shè)圖Fig. 1 Sample point layout of the three land use plots in the study area

表1 火燒坪鄉(xiāng)3種土地利用方式樣地基本描述Table 1 Basic description of the three land use patterns in Huoshaoping Town

1.3 土壤養(yǎng)分的測(cè)定

將同一采樣點(diǎn)同一土層的土樣混合，用 2 mm網(wǎng)篩將所取土樣中的大粒徑石子過(guò)濾，一部分陰干保存用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)，另一部分為保證土樣的鮮活，放置在 4℃冰箱內(nèi)保存，用于測(cè)定土壤酶活性和微生物的量，保存最多 1周時(shí)間用于養(yǎng)分的測(cè)定。具體測(cè)定方法如表2所示。

表2 土壤指標(biāo)測(cè)定方法Table 2 Soil index determination methods

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng) Microsolt Excel 2021 整理后，運(yùn)用SPSS 25.0對(duì)3種類型土地的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，Tukey法多重比較，PCA分析試驗(yàn)結(jié)果。用 OriginPro 2021 和 GraphpadPrism 8.0 完成圖表的制作。

印度原子能部2018年9月19日宣布，本國(guó)最大的醫(yī)用回旋加速器Cyclone-30已投入運(yùn)行。這臺(tái)加速器位于加爾各答(Kolkata)的可變能量回旋加速器中心，能夠生產(chǎn)醫(yī)用放射性同位素，并為材料科學(xué)及核物理研究提供專用射束。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤物理特征

土壤含水量作為土壤最基本的物理性質(zhì)之一，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程起到重要的作用。不同類型土地土壤含水量不同，基本表現(xiàn)為農(nóng)田 (31.3%)>人工草地 (29.0%)>天然草山草坡 (27.8%)。土壤容重大小能反映土壤的緊實(shí)程度和土壤的退化趨勢(shì)，土地容重表現(xiàn)為：農(nóng)田 (1.33 g/cm3)>天然草山草坡(1.27 g/cm3)>人工草地 (1.23 g/cm3) 土壤機(jī)械組成主要分為粘粒、粉粒、砂粒3個(gè)粒級(jí)。表3可以看出粉粒的占比最大，表現(xiàn)為農(nóng)田 (80.39%)>人工草地 (72.61%)>天然草山草坡 (65.41%)。

表3 不同利用方式土壤物理性質(zhì)Table 3 Soil physical properties under different land use types

2.2 不同土地利用方式下土壤化學(xué)特征

土壤有機(jī)碳在土壤養(yǎng)分循環(huán)中占主導(dǎo)地位，有機(jī)質(zhì)增加可改善土壤耕作性能，有降低土壤容重、穩(wěn)定氮含量等作用[20–21]。從圖2可以看出人工草地、天然草山草坡、農(nóng)田在3個(gè)土層中有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)，含量從高到低均為天然草山草坡>人工草地>農(nóng)田。人工草地有機(jī)碳含量在采樣的3個(gè)土層之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。天然草山草坡0—10 cm土層中有機(jī)碳含量為74.44 g/kg，顯著高于 20—30 cm 土層 (P<0.05)。

土壤全氮含量對(duì)作物生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量有很大影響，很大程度上會(huì)導(dǎo)致土壤物理化學(xué)及生物性質(zhì)變化[22–23]。由圖2可以看出，3種土地利用方式下全氮含量從高到低表現(xiàn)為天然草山草坡>人工草地>農(nóng)田。人工草地在0—10 cm土層中全氮含量為3.51 g/kg，顯著高于 10—20 和 20—30 cm 土層 (P<0.05)。

土壤堿解氮是評(píng)價(jià)土壤肥力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[24]。在不同土地利用方式下土壤堿解氮含量的變化整體表現(xiàn)為農(nóng)田>人工草地>天然草山草坡 。農(nóng)田在0—10 cm土層中堿解氮含量為285.47 mg/kg，顯著高于10—20和20—30 cm土層(P<0.05)。人工草地0—10 cm土層堿解氮含量為246.05 mg/kg，顯著高于 10—20 和 20—30 cm 土層 (P<0.05)。

磷是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的元素之一，土壤中磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育的限制性養(yǎng)分[25–26]。從圖2中可以看出，在3種土地利用方式下土壤的全磷含量整體上表現(xiàn)為農(nóng)田>人工草地>天然草山草坡，且在0—10 cm土層中差異顯著。在10—20和20—30 cm土層中人工草地與農(nóng)田的全磷含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。3種土地利用方式不同土層間的土壤全磷含量均無(wú)顯著差異(P>0.05)。不同土地利用類型下土壤有效磷含量表現(xiàn)為天然草山草坡>人工草地>農(nóng)田，人工草地與天然草山草坡有效磷含量在3個(gè)土層中均無(wú)顯著差異(P>0.05)。農(nóng)田與人工草地、天然草山草坡在3個(gè)土層中有效磷含量有顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同利用方式土壤養(yǎng)分含量Fig. 2 Soil nutrient content under different land use types

土壤全鉀可緩解干旱脅迫對(duì)植物造成的危害[27]。3種土地利用方式下土壤的全鉀含量整體表現(xiàn)為農(nóng)田>人工草地>天然草山草坡，且全鉀含量差異顯著(P<0.05)。3種土地利用方式在0—10、10—20和20—30 cm土層中的全鉀含量均無(wú)顯著差異(P>0.05)。不同土地利用下土壤速效鉀含量表現(xiàn)為天然草山草坡>農(nóng)田>人工草地。在0—10和10—20 cm土層中3種土地的土壤速效鉀含量差異顯著(P<0.05)。3種土地利用方式的土壤速效鉀含量在3個(gè)土層中均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.3 不同利用方式土壤酶活性特征

不同土地利用方式下呈現(xiàn)的土壤酶活性不同，如表4所示，在天然草山草坡土壤中過(guò)氧化氫酶活性顯著高于農(nóng)田(P<0.05)。人工草地中過(guò)氧化氫酶活性變化范圍在5.75～6.87 mL/(g·h)。過(guò)氧化氫酶活性隨土層深度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。脲酶活性在3 種土地中變化范圍為 33.03～76.37 μg/(g·h)，農(nóng)田土壤表層脲酶活性最大，在天然草山草坡0—30 cm土層脲酶活性最小。在3種土地同一土層間的差異并不顯著。在人工草地和天然草山草坡中脲酶活性呈現(xiàn)逐層遞減的趨勢(shì)，但在農(nóng)田中脲酶活性受土壤深度影響較小。蛋白酶活性受土地利用方式和土層深度影響較小，在各土層中蛋白酶活性均無(wú)顯著差異。轉(zhuǎn)化酶活性在4種酶中活性表現(xiàn)為最高，在不同土地利用方式和不同土層中變化規(guī)律與脲酶一致，都表現(xiàn)為人工草地與天然草山草坡轉(zhuǎn)化酶逐層遞減，0—10和20—30 cm分別減少了63%和83%。農(nóng)田轉(zhuǎn)化酶活性受土層影響較小，變化范圍在406.76～454.25 μg/(g·h)。

表4 不同土地利用類型各土層中土壤酶活性Table 4 Enzyme activities in each soil layer under different land use types

2.4 不同利用方式土壤微生物數(shù)量

不同土地利用方式和不同土層深度下各土壤微生物呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。如圖3所示，農(nóng)田固氮菌數(shù)量整體上高于人工草地和天然草山草坡。通過(guò)對(duì)比同一土層樣本均值發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下同一土層中固氮菌數(shù)量均無(wú)顯著差異(P>0.05)，固氮菌數(shù)量隨土層深度變化并不明顯。硝化細(xì)菌呈現(xiàn)出的變化規(guī)律與固氮菌一致。反硝化細(xì)菌數(shù)量在3種利用類型土地不同土層間無(wú)顯著差異，說(shuō)明土層深度對(duì)反硝化細(xì)菌數(shù)量影響不大。在10—20 cm土層中人工草地與農(nóng)田、天然草山草坡與農(nóng)田反硝化細(xì)菌數(shù)量存在顯著差異(P<0.05)，農(nóng)田反硝化細(xì)菌數(shù)量顯著高于人工草地和天然草山草坡。纖維素分解菌呈現(xiàn)出的變化規(guī)律與反硝化細(xì)菌一致。

圖3 三種不同土地利用方式下不同土層中土壤微生物特征Fig. 3 Characteristics of microorganisms in different soil layers under different land use practices

2.5 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)間相關(guān)性

將所有養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化后繪制27個(gè)樣本聚類熱圖(圖4)。將土地利用類型劃分為人工草地(GL)、天然草山草坡(WL)、農(nóng)田3個(gè)組(group)，根據(jù)取樣深度劃分為子組(subgroup)，指標(biāo)按類型(type)分為土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分(SEA)、土壤酶(SM)和土壤微生物(SN)。每一列分別表示不同指標(biāo)在同一樣本表達(dá)情況，每一行分別代表同一指標(biāo)在不同樣本中的表達(dá)情況。以同一樣本指標(biāo)表達(dá)量平均值為基準(zhǔn)，高于平均值表達(dá)量為正值用紅色標(biāo)記，低于平均值為負(fù)值用藍(lán)色標(biāo)記。顏色深淺表示養(yǎng)分表達(dá)量與均值的差異程度。結(jié)果顯示人工草地0—10、10—20 cm土層土壤樣本與農(nóng)田0—10 cm土層樣本的堿解氮和脲酶表現(xiàn)相似，在人工草地0—10 cm呈現(xiàn)為高表達(dá)。在天然草山草坡所有土層樣本中有效磷、全氮、全碳、有機(jī)碳表現(xiàn)情況相似，其中速效鉀在0—10 cm土層中呈現(xiàn)高表達(dá)。

圖4 27個(gè)樣點(diǎn)土壤理化指標(biāo)聚類圖Fig. 4 Cluster map of soil physicochemical indexes of 27 sample sites

以上結(jié)果主要展現(xiàn)了樣本間養(yǎng)分指標(biāo)表達(dá)情況。通過(guò)進(jìn)一步探討各土地類型中養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)性(圖5)，發(fā)現(xiàn)在3種土地利用類型下都有全氮(TN)與全碳(TC)、有機(jī)碳(SOC)、全磷(TP)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。全碳(TC)和有機(jī)碳(SOC)、全磷(TP)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。有機(jī)碳與全磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在人工草地中全氮(TN)、全碳(TC)、有機(jī)碳(SOC)和全磷(TP)與蛋白酶(PRT)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在天然草山草坡中全氮 (TN)、全碳 (TC)、有機(jī)碳 (SOC) 和全磷(TP) 與過(guò)氧化氫酶 (CAT)、蛋白酶 (PRT) 和轉(zhuǎn)化酶(IVT) 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。3種土地利用方式下的4種土壤微生物間均呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖5 不同土地利用方式土壤理化性狀指標(biāo)間的相關(guān)性熱圖Fig. 5 Heat map of correlation between soil physicochemical properties under different land use patterns

由于反映土壤養(yǎng)分狀況的指標(biāo)較多，各指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，使得部分土壤養(yǎng)分指標(biāo)彼此出現(xiàn)信息重復(fù)，從而增加了問(wèn)題分析的復(fù)雜性。如果對(duì)土壤的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，分析往往是獨(dú)立的，不能完全利用數(shù)據(jù)中的信息，而盲目減少指標(biāo)會(huì)損失很多重要信息，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)論[28]。因此本研究選用主成分分析方法[29]，對(duì)土壤17個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)(SOC、TC、TN、AN、TP、AP、TK、AK、pH、CAT、PRT、URE、IVT、BA、BC、BN、BDN)進(jìn)行分析。本研究提取了3個(gè)主成分方差貢獻(xiàn)率分別為39.8%、30.8%、10%，累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到80.6%，包含了原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。主成分PC1和PC2占比最大，根據(jù)其載荷系數(shù)和得分情況做出圖6所示雙標(biāo)圖。圖6中顯示，各變量在PC軸上的投影長(zhǎng)度即為變量在主成分PC上的載荷系數(shù)大小。因子載荷系數(shù)反映了因子對(duì)主成分的貢獻(xiàn)大小，系數(shù)大于0表示變量與主成分作用相同，二者呈正相關(guān)關(guān)系；系數(shù)小于0表示變量與主成分作用相反，二者呈負(fù)相關(guān)。結(jié)果顯示PC1主要綜合了TN、TC、SOC、AP、pH的信息。表5顯示了對(duì)應(yīng)的因子載荷系數(shù)分別為0.37、0.38、0.38、0.36、0.20，說(shuō)明PC1主要綜合了土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分的信息。第2主成分PC2主要綜合了BA、BN、BDN、BC的信息，對(duì)應(yīng)的因子載荷系數(shù)為0.37、0.38、0.39、0.37，說(shuō)明PC2主要是綜合了土壤微生物群落的全部信息。PC3主要綜合了4種土壤微生物以及4種酶活性，從載荷系數(shù)大小來(lái)看，PC3主要反映的是土壤酶活。各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的關(guān)系體現(xiàn)在圖中變量之間的夾角，夾角的大小可以直接說(shuō)明投影的大小，夾角越小投影越長(zhǎng)說(shuō)明變量間的相關(guān)性越強(qiáng)。圖6中天然草山草坡的載荷幾乎落在PC1上，其養(yǎng)分狀況主要以TN、TC、SOC、AP、pH來(lái)解釋，表明天然草山草地的養(yǎng)分狀況與這5個(gè)指標(biāo)相關(guān)強(qiáng)。人工草地與天然草山草坡置信橢圓有交匯，交匯處主要反映兩種土地的PRT、IVT、CAT相似，以及兩種土地利用方式與這3種土壤酶活性相關(guān)性較強(qiáng)。農(nóng)田與TK、TP、AN相關(guān)性較強(qiáng)。

表5 不同土地利用方式土壤指標(biāo)載荷矩陣Table 5 Indicator load matrix for different land use patterns

圖6 不同土地利用方式下土壤17項(xiàng)指標(biāo)主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of 17 indexes of soils under different land use patterns

綜上所述可以為3個(gè)主成分賦予其代表意義：PC1可以代表土壤中基本養(yǎng)分信息；PC2可以代表土壤微生物群落信息；PC3代表土壤酶活性信息。通過(guò)對(duì)比3種土地利用方式，土壤樣本在各主成分得分如圖7所示，結(jié)果表明在PC1土壤養(yǎng)分得分為天然草山草坡(WL)>人工草地(GL)>農(nóng)田 (CL)，PC2土壤微生物得分為天然草山草坡(WL)<人工草地(GL)<農(nóng)田(CL)，PC3土壤酶活性得分為人工草地>天然草山草坡>農(nóng)田。最后用主成分對(duì)應(yīng)系數(shù)為權(quán)重來(lái)計(jì)算3種土地利用方式的綜合得分來(lái)評(píng)估各土地土壤質(zhì)量。比較綜合得分，結(jié)果顯示整體土壤質(zhì)量得分為天然草山草坡(WL)>人工草地(GL)>農(nóng)田(CL)。

圖7 不同利用類型土地主成分得分和土壤質(zhì)量綜合得分Fig. 7 Principal component scores and combined soil quality scores for the tested land use types

3 討論

3.1 土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土地利用方式的不同能夠改變土壤的生態(tài)環(huán)境[30]，從而導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化。本研究對(duì)比分析不同土地利用方式下的土壤容重和含水量，發(fā)現(xiàn)在不同土壤深度下農(nóng)田的容重和含水量相對(duì)最大，原因可能是生長(zhǎng)期需對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行翻耕、施肥、除草等人為活動(dòng)，人為踩踏導(dǎo)致農(nóng)田土壤緊實(shí)，并且地下白蘿卜的逐漸生長(zhǎng)對(duì)周圍土壤具有擠壓作用，使得農(nóng)田土壤容重較大。農(nóng)田保持較高的含水量主要是由于研究所在區(qū)域?qū)賮啛釒Т箨懶韵臒岢睗駳夂?，年均降雨量達(dá)到1366 mm，農(nóng)田土壤蓄水能力強(qiáng)導(dǎo)致。本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田具有較高的全磷含量，且隨著土壤深度的增加而減小。相比天然草山草坡而言，農(nóng)田碳氮含量較低，主要原因是農(nóng)田地表覆蓋物少，而且受人為干擾較大，并且氮的輸入方式主要是施用有機(jī)肥，相比之下其凋落物輸入很少。人工草地表層有機(jī)碳含量較高，天然草山草坡深層有機(jī)碳含量最高，而農(nóng)田有機(jī)碳含量較低，主要原因在于相比于人工草地和天然草山草坡植被，農(nóng)作物根系不發(fā)達(dá)，同時(shí)土壤翻耕后，土壤表層的有機(jī)質(zhì)被充分暴露在空氣中，從而加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解作用，使得土壤呼吸作用增強(qiáng)，土壤中有機(jī)碳被大量釋放[31]，其次，農(nóng)作物被收割后凋落物被移出田地，有機(jī)碳和有機(jī)氮無(wú)法回歸到土壤中，降低了土壤有機(jī)碳和有機(jī)氮含量。本研究發(fā)現(xiàn)天然草山草坡全碳、全氮含量最高，且隨著土壤深度的增加而減小，高俊琴等[32]研究表明，土壤中全氮的輸入量主要依賴于植物殘?bào)w的歸還量以及生物固氮和水流輸入情況，也有少部分全氮的輸入量來(lái)源于大氣干濕沉降。天然草山草坡主要是荒草叢，地表枯落物量較大，使得天然草山草坡全氮含量較高。天然草山草坡堿解氮含量最低，表明受人為干擾程度較低的天然草山草坡土壤不利于堿解氮的積累。

3.2 不同土地利用方式對(duì)土壤生物學(xué)活性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)天然草山草坡和人工草地過(guò)氧化氫酶、蛋白酶和轉(zhuǎn)化酶活性均高于農(nóng)田，農(nóng)田具有較高的脲酶活性，天然草山草坡微生物量碳氮磷活性表現(xiàn)最高。許江等[33]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化物酶活性與土壤有機(jī)碳含量相關(guān)，過(guò)氧化物酶活性主要受控于土壤有機(jī)碳的含量，本研究中發(fā)現(xiàn)天然草山草坡具有較高的土壤有機(jī)碳含量，有機(jī)碳影響過(guò)氧化氫酶活性，因此天然草山草坡具有較強(qiáng)的過(guò)氧化氫酶活性。4種土壤微生物在農(nóng)田和天然草山草坡表層土壤中最多，根據(jù)相關(guān)性分析其原因可能是天然草山草坡表層土壤中有機(jī)碳和全氮含量較深層土壤高，能供給土壤微生物吸收利用。農(nóng)田土壤因施加有機(jī)肥等肥料，全氮、全磷和堿解氮含量高，4種土壤微生物在農(nóng)田中與堿解氮有較好的相關(guān)性，所以在農(nóng)田土壤表層土壤微生物較多。人工草地中4種微生物與大部分養(yǎng)分指標(biāo)并不存在顯著相關(guān)(P>0.05)，只與堿解氮顯著相關(guān)(P<0.05)，其原因可能與4種微生物類型有關(guān)，4種細(xì)菌大多是對(duì)氮素進(jìn)行分解吸收利用，所以與氮的速效養(yǎng)分關(guān)系密切。

3.3 不同土地利用方式土壤質(zhì)量特征

本研究分析了各土地利用類型土壤樣本與土壤指標(biāo)間的相關(guān)性，以及通過(guò)PCA降維提取了3個(gè)主成分并賦予代表意義，從土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、土壤微生物群落三方面對(duì)比，最后綜合評(píng)價(jià)了各土地利用方式下的土壤質(zhì)量情況。結(jié)果顯示天然草山草坡具有較高的土壤養(yǎng)分含量，其原因是天然草山草坡長(zhǎng)期處于原始自然條件下，沒(méi)有人為因素的干擾，加之植被類型豐富土壤對(duì)凋落物的分解利用得到長(zhǎng)期的有效積累，所以表現(xiàn)出較高的養(yǎng)分含量。人工草地在土壤微生物中得分較高，其原因是人工草地中草本植物包括豆科植物多，根系密集，固氮菌、硝化細(xì)菌、纖維素分解菌群落豐富。根據(jù)土壤質(zhì)量綜合得分顯示農(nóng)田土壤質(zhì)量最低，人工草地居中，說(shuō)明了農(nóng)田經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期耕作破壞了其土壤結(jié)構(gòu)，植被覆蓋稀少造成了土壤退化嚴(yán)重。文小琴等[34]發(fā)現(xiàn)林草間具有較高的土壤微生物活性，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境具有積極作用。人工草地綜合土壤質(zhì)量得分居中，與農(nóng)田相比植被類型豐富，對(duì)預(yù)防水土流失、土壤退化起到重要作用 ，能夠長(zhǎng)期積累土壤養(yǎng)分維持較高的土壤肥力水平。

4 結(jié)論

南方天然草山草坡改為人工草地和農(nóng)田后，土壤全碳、有機(jī)碳和全氮含量均顯著降低。天然草山草地由于沒(méi)有施用化肥，其全磷和全鉀含量顯著低于人工草地和農(nóng)田。天然草山草坡的有機(jī)質(zhì)和全氮含量隨土層深度的增加而降低，但人工草地和農(nóng)田在0—30 cm土層深度范圍內(nèi)，沒(méi)有顯著變化。天然草山草坡表土中的酶活性較高，而人工草地土壤中的微生物數(shù)量較高，土壤全氮、全碳、有機(jī)碳、有效磷和pH表征了39.8%的土壤肥力，微生物數(shù)量表征了30.8%的土壤肥力，綜合比較，土壤肥力水平為天然草山草坡>人工草地>農(nóng)田。