魯中南山地丘陵區(qū)土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響

李子君,李英姿,王海軍

魯中南山地丘陵區(qū)土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響

李子君1,李英姿1,王海軍2*

1. 山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250358 2. 山東省水文中心水情部, 山東 濟(jì)南 250014

為探討魯中南山地丘陵區(qū)土地利用方式與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，以祊河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過野外采樣和室內(nèi)測試分析，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析等方法，分析了耕地、林地、草地、園地土壤理化性質(zhì)在表層土壤（0 ～ 20 cm）的差異及其在0 ～ 40 cm土層的垂直變化。結(jié)果表明：（1）耕地的表層土壤含水量最高，孔隙度較小而容重較大，砂粒、粉粒含量較高而黏粒含量較低；草地的表層土壤含水量較高，其他物理性質(zhì)與耕地的正好相反；林地的表層土壤含水量較低，孔隙度最大而容重最小，砂粒含量最低而粉粒、黏粒含量最高；園地的表層土壤含水量最低，其他物理性質(zhì)與林地的正好相反；表層土壤團(tuán)聚體以WSA＞0.25 mm為主，林地的WSA＞0.25 mm含量、MWD值和GMD值均顯著高于耕地和園地；林地和草地的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量明顯高于耕地和園地。（2）各土地利用方式下，土壤含水量（除草地外）、容重均隨著土壤深度的增加逐漸增大，土壤孔隙度則隨土壤深度的增加而減??；土壤機(jī)械組成隨土壤深度增加變化較小，總體表現(xiàn)為砂粒減少，粉、黏粒增加；土壤WSA＞0.25 mm含量、MWD值和GMD值總體均隨土壤深度的增加而呈下降趨勢；耕地、林地、園地的土壤pH值均隨土壤深度的增加而增大，草地則相反；土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度的增加而逐漸降低。（3）土壤容重和砂粒含量對多種土壤性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，而土壤孔隙度、黏粒含量、WSA＞0.25 mm含量、MWD值、GMD值和有機(jī)質(zhì)含量等對多種土壤性質(zhì)有促進(jìn)和改善作用。綜上，不同土地利用方式下，表層土壤（0 ～ 20 cm）理化性質(zhì)存在明顯差異，且土壤理化性質(zhì)在0 ～ 40 cm土層的垂直變化明顯，土壤理化性質(zhì)之間存在較強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)系。應(yīng)當(dāng)采取更加合理的土地利用與管理方式，提高研究區(qū)域耕地和園地的土壤質(zhì)量。

丘陵地; 土地利用方式; 土壤理化性質(zhì)

土壤作為所有陸地生命系統(tǒng)賴以生存與發(fā)展的重要資源，能夠提供生物生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、水分凈化、養(yǎng)分循環(huán)等眾多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到作物生產(chǎn)以及糧食安全、水資源保護(hù)、生物多樣性維持、氣候變化等[1,2]。隨著近年來人口增加和社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，給土壤資源帶來了巨大的壓力，全球范圍內(nèi)約有30%的土地已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的退化。我國土地資源嚴(yán)重不足，人均耕地面積不足世界平均水平的1/3，加上長時(shí)間不合理和高強(qiáng)度的土地利用，導(dǎo)致近年來土壤侵蝕和退化十分嚴(yán)重，約20%的耕地因受到不同程度的破壞而退化。土壤質(zhì)量的退化制約了水土資源的開發(fā)和利用，對社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展造成了顯著的影響[3]。而土地利用方式直接影響土壤中水、肥、氣、熱等理化性質(zhì)的特征與差異[4]，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量。因此，探討土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響，對提高土壤質(zhì)量和土地資源的合理利用具有重要的意義。

土壤質(zhì)量是土壤理化性質(zhì)特征的綜合反映，因而研究者多選取土壤理化指標(biāo)對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，分析土壤理化性質(zhì)的特征、變化和驅(qū)動機(jī)制[4-8]，從而達(dá)到對土壤進(jìn)行有效管理和保護(hù)的目的。其中土地利用方式作為土壤理化性質(zhì)變化的重要驅(qū)動機(jī)制受到廣泛關(guān)注，許多學(xué)者圍繞不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的差異開展了大量研究[4-11]。有研究發(fā)現(xiàn)林地或草地改為耕地減少了土壤含水量、孔隙度、黏粒含量、pH值和有機(jī)質(zhì)，但增加了土壤容重、砂粒含量[8,9,12-15]。有研究則認(rèn)為林地的土壤pH值明顯地高于草地和耕地的[16,17]，還有研究認(rèn)為土壤pH值受土地利用方式的影響較小[6]。隨著開墾時(shí)間的增加，土壤孔隙度和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量不斷變小，大部分土壤養(yǎng)分明顯降低，土壤退化明顯[18]。有研究表明耕作土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）低于牧場土壤[19]，但對黃河三角洲的研究發(fā)現(xiàn)耕作土壤的MWD要高于荒草地和裸地[20]。不同土地利用方式下土壤含水量、孔隙度隨著土壤深度的增加而減小[9,18]；但深層土壤pH值差異較小，而且不再隨土層深度的增加而變化[21]；有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而減小[22,23]。大量研究均表明，不同土地利用方式下土壤的理化性質(zhì)發(fā)生了明顯的變異，即使是相同的土地利用方式，在不同的研究區(qū)域和不同的時(shí)空尺度上，對土壤理化性質(zhì)的影響也不同。目前國內(nèi)研究區(qū)域主要集中在水土流失較為嚴(yán)重或生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)[4,9-12,14,15,17,20,21]，對于魯中南山地丘陵區(qū)的相關(guān)研究較少，且研究重點(diǎn)多局限于土壤表層，忽視了土壤理化性質(zhì)的垂直變化特征以及土壤理化性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系。因此，土地利用方式對土壤理化性質(zhì)影響的評估要注意區(qū)域差異、時(shí)間和空間尺度的差異，需要在更多典型區(qū)域內(nèi)開展相關(guān)研究，為區(qū)域土地利用優(yōu)化與生態(tài)建設(shè)等相關(guān)管理與決策提供有價(jià)值的信息。

祊河流域位于魯中南山地丘陵區(qū)，是典型的土石山區(qū)。流域內(nèi)地形破碎，溝壑密布，土層疏松淺薄，人口稠密，加上多暴雨的氣候條件，使得該區(qū)域成為淮河流域水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。近幾十年來，隨著流域人口增加以及社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境發(fā)生較大變化，土地利用方式也發(fā)生了一定變化，但仍然存在不合理的土地利用導(dǎo)致的水土流失、土壤退化等問題。因此，本研究以祊河流域作為研究區(qū)域，分析流域內(nèi)耕地、林地、草地、園地4種土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）理化性質(zhì)的變化規(guī)律及差異，以及0～40 cm土層土壤理化性質(zhì)的垂直變化特征，并進(jìn)一步探討土壤理化性質(zhì)間的內(nèi)在關(guān)系，擬為區(qū)域土壤質(zhì)量的提高和土地資源的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祊河流域（117°21＇28＂－ 118°22＇31＂E，35°0＇55＂－35°42＇56＂N）位于山東省南部，流域面積3363.11 km2，主要包括平邑縣、費(fèi)縣大部分以及蘭山區(qū)小部分（圖1）。該流域地勢西北高東南低，以山地、丘陵為主。氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.2 ℃，多年平均降水量818 mm，主要集中于夏、秋兩季且多暴雨。流域水系呈樹枝狀，河流源短流急。土壤類型主要有粗骨土、褐土、棕壤等，其中粗骨土層較薄且多夾礫石，保水能力差。植被類型以針闊葉混交林、灌木和草本為主，植被覆蓋率較低。2021年祊河流域總?cè)丝诩s178萬人，人均GDP 42124元，第一、二、三產(chǎn)業(yè)分別占10.8%、42.4%和46.8%。流域土地利用類型以耕地為主，其次是林地、建設(shè)用地、草地、水域和未利用地。

圖 1 祊河流域位置及采樣點(diǎn)分布圖

1.2 樣品采集與測定方法

2019年4月，在祊河流域選取耕地、林地、草地和園地四種土地利用類型進(jìn)行土壤采樣，樣點(diǎn)設(shè)置采用格網(wǎng)法（圖1），共設(shè)置50個(gè)土壤樣點(diǎn)，包括24個(gè)耕地樣點(diǎn)、7個(gè)林地樣點(diǎn)、6個(gè)草地樣點(diǎn)和13個(gè)園地樣點(diǎn)。每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土層（部分采樣點(diǎn)因土層淺薄深度達(dá)不到40 cm）的混合土樣各500 g左右用于測定土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量和pH值，同時(shí)采集原狀土樣約1 kg裝入塑料盒中用以測定土壤團(tuán)聚體，另使用100 cm3的環(huán)刀取樣用于測定土壤含水量、孔隙度和容重，最終共獲得185個(gè)分層土樣。將采集的混合土樣去除石塊、動植物殘?bào)w等雜物，風(fēng)干后過2 mm篩。將原裝土樣沿著自然裂隙掰成直徑10 mm左右的小土塊，放置風(fēng)干。

土壤含水量采用烘干法測定，土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測定，土壤機(jī)械組成采用Mastersizer3000型激光粒度儀測定，土壤團(tuán)聚體采用濕篩法測定[24]，pH值采用pH計(jì)（pHs－3E）測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸油浴法測定[25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One－Way ANOVA）和最小顯著性差異法（LSD）對不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，利用Pearson相關(guān)分析法和多元回歸分析法進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤含水量、孔隙度和容重的差異

2.1.1 不同土地利用方式下表層土壤含水量、孔隙度和容重的變化由表1可見，表層土壤（0～20 cm）含水量為耕地（18.22%）＞草地（16.85%）＞林地（16.66%）＞園地（13.47%），耕地的含水量顯著高于園地。土壤孔隙度為林地（57.34%）＞草地（54.40%）＞耕地（48.00%）＞園地（46.01%），林地和草地的孔隙度顯著高于耕地和園地。土壤容重為園地（1.43 g/cm3）＞耕地（1.38 g/cm3）＞草地（1.20 g/cm3）＞林地（1.13 g/cm3），耕地和園地的容重顯著高于林地和草地，表明林地和草地具有更好的土壤結(jié)構(gòu)。

表 1 不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）含水量、孔隙度和容重變化

注：同列數(shù)據(jù)后相同小寫字母代表不同土地利用方式間差異不顯著（＞0.05），不同小寫字母代表不同土地利用方式間差異顯著（＜0.05），下同。

Note: The same lowercase letters in the same column of data represent no significant differences between different land use modes (>0.05), while different lowercase letters represent significant differences between different land use modes (<0.05), the same below.

2.1.2 不同土地利用方式下土壤含水量、孔隙度和容重的垂直變化由圖2可見，除草地外，各土地利用方式下土壤含水量均隨著土壤深度的增加逐漸增大，且隨深度增加，各土地利用方式間的差異越大。各土地利用方式0～10 cm土層的土壤含水量差異并不顯著，耕地10～20 cm土層的土壤含水量顯著高于園地，林地20～30 cm、30～40 cm土層的土壤含水量顯著高于耕地和園地。隨著深度增加林地的土壤含水量增長最多。

各土地利用方式下土壤孔隙度均隨土層深度的增加而減小。林地和草地0～10 cm、10～20 cm土層的土壤孔隙度顯著多于耕地、園地，林地20～30 cm、30～40 cm土層的土壤孔隙度均顯著多于園地。各土層均為林地的土壤孔隙度最高，園地的最低。

各土地利用方式下土壤容重均隨土壤深度的增加逐漸增大，各土層不同土地利用方式間存在顯著差異。耕地和園地0～10 cm土層的土壤容重顯著高于林地和草地、10～20 cm土層的土壤容重顯著高于林地，園地20～30 cm、30～40 cm土層的土壤容重顯著高于林地。各土層均為林地的土壤容重最小、園地的土壤容重最大。

2.2 不同土地利用方式下土壤機(jī)械組成的差異

2.2.1 不同土地利用方式下表層土壤機(jī)械組成的變化由表2可見，各土地利用方式表層土壤（0～20 cm）機(jī)械組成均以粉粒為主，無顯著差異。表層土壤（0～20 cm）砂粒含量為園地（33.95%）＞耕地（21.05%）＞草地（20.47%）＞林地（14.47%），粉粒含量為林地（61.66%）＞耕地（60.72%）＞草地（58.38%）＞園地（58.03%），黏粒含量為林地（23.87%）＞草地（21.04%）＞耕地（18.70%）＞園地（8.02%）。林地和草地的土壤黏粒含量較高，砂粒含量較低。園地的砂粒含量顯著高于耕地、草地和林地，但其黏粒含量顯著低于其他土地利用方式。

注：相同小寫字母代表同一土層不同土地利用方式間差異不顯著（＞0.05），不同小寫字母代表同一土層不同土地利用方式間差異顯著（＜0.05），下同。

Note: The same lowercase letter means no significant difference between different land use modes in the same soil layer (>0.05), while different lowercase letter means significant difference between different land use modes in the same soil layer (<0.05), the same below.

表 2 不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）機(jī)械組成變化/%

2.2.2 不同土地利用方式下土壤機(jī)械組成的垂直變化表3顯示，各土地利用方式下0～40 cm各土層均以粉粒為主，隨土壤深度增加，土壤機(jī)械組成有小幅波動變化，總體表現(xiàn)為砂粒減少，粉粒、黏粒增加。園地0～10 cm、10～20 cm土層的土壤砂粒含量顯著高于耕地、林地和草地，但其黏粒含量顯著低于其他土地利用方式；園地20～30 cm土層的土壤砂粒含量顯著高于耕地和林地，其黏粒含量顯著低于耕地和林地；而林地30～40 cm土層的土壤黏粒含量顯著高于耕地和園地。0～40 cm各土層均為園地的土壤砂粒含量最高，黏粒含量最低，且差異都達(dá)到了顯著性水平；而林地的土壤黏粒含量最高，砂粒含量最低。

表 3 不同土地利用方式下土壤機(jī)械組成的垂直變化

2.3 不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

2.3.1不同土地利用方式下表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)主要以＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WSA＞0.25 mm）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）來表示。WSA＞0.25 mm是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，能夠維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其含量越高土壤抗蝕性越好；MWD和GMD能夠反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其值越大土壤團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性則越強(qiáng)。

各土地利用方式表層土壤（0～20 cm）團(tuán)聚體均以WSA＞0.25 mm為主，其含量為林地（68.14%）＞草地（66.78%）＞園地（65.13%）＞耕地（61.44%）（表4）。不同土地利用方式下WSA＞0.25 mm含量差異顯著，林地表層土壤WSA＞0.25 mm含量顯著高于耕地的。土壤團(tuán)聚體MWD值為林地（1.81 mm）＞草地（1.77 mm）＞園地（1.52 mm）＞耕地（1.38 mm），土壤團(tuán)聚體GMD值也為林地（0.77 mm）＞草地（0.73 mm）＞園地（0.61 mm）＞耕地（0.54 mm）。林地表層土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值均顯著高于耕地和園地，表明林地較耕地和園地具有更好的團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

表 4 不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化

2.3.2 不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的垂直變化除耕地的土壤WSA＞0.25 mm含量在10～20 cm土層增加并達(dá)到最高值外，其他土地利用方式下土壤WSA＞0.25 mm含量均隨土壤深度的增加而減少（圖3）。隨土壤深度的增加不同土地利用方式間土壤WSA＞0.25 mm含量的差異逐漸減少，0～10 cm土層林地的土壤WSA＞0.25 mm含量顯著多于耕地的，20～40 cm土層各土地利用方式間的差異均不顯著，表明土地利用方式對水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響更多集中于土壤表層。

除林地的土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值在20～30 cm土層有一定波動外，其他土地利用方式下土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值均隨土壤深度增加總體呈下降趨勢（圖3）。0～40 cm各土層不同土地利用方式間土壤團(tuán)聚體MWD值的差異均不顯著；隨土壤深度增加不同土地利用方式間土壤團(tuán)聚體GMD值的差異減小，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層林地的土壤團(tuán)聚體GMD值均顯著高于耕地的，30～40 cm土層各土地利用方式間土壤團(tuán)聚體GMD值的差異極小，表明當(dāng)土壤達(dá)到一定深度，土地利用方式對土壤團(tuán)聚體GMD值的影響也會隨之下降。

2.4 不同土地利用方式下土壤pH值的差異

2.4.1 不同土地利用方式下表層土壤pH值的變化由圖4可見，不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）pH值為草地（6.74）＞林地（6.40）＞耕地（5.99）＞園地（5.73），土壤整體呈中性和弱酸性。不同土地利用方式之間差異顯著，園地和耕地的土壤pH值顯著低于草地的，且pH值較低，酸化現(xiàn)象較為顯著。

圖 4 不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）pH值的變化

2.4.2 不同土地利用方式下土壤pH值的垂直變化如圖5所示，除草地10～20 cm土層的土壤pH值低于0～10 cm土層外，其他土地利用方式下土壤pH值均隨土壤深度的增加而增大，表層土壤均呈現(xiàn)一定程度的酸化現(xiàn)象。不同土地利用方式下0～10 cm土層的土壤pH值為草地（6.81）＞林地（6.28）＞耕地（5.86）＞園地（5.67），草地的土壤pH值顯著高于園地的；各土地利用方式間10～20 cm、20～30 cm土層的土壤pH值差異并不顯著；不同土地利用方式下30～40 cm土層的土壤pH值為林地（7.24）＞耕地（6.47）＞園地（5.81），林地的土壤pH值顯著高于園地和耕地的。0～40cm各土層園地的土壤pH值均為最低，土壤的酸化最為嚴(yán)重。

圖 5 不同土地利用方式下土壤pH值的垂直變化

2.5 不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)的差異

2.5.1 不同土地利用方式下表層土壤有機(jī)質(zhì)的變化由圖6可見，不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）的有機(jī)質(zhì)含量為林地（33.34 g/kg）＞草地（24.82 g/kg）＞耕地（16.25 g/kg）＞園地（14.08 g/kg）。林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他三種土地利用方式，草地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于耕地和園地的。根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量處于二級，草地的處于三級，而園地與耕地的均處于四級。因而研究區(qū)域林地和草地的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較好，耕地和園地的土壤有機(jī)質(zhì)含量處于相對缺乏狀態(tài)。由此可見，林地和草地較耕地和園地能夠更好的產(chǎn)生、儲存有機(jī)質(zhì)，從而提高土壤的保水保肥性能和抗侵蝕能力。

圖 6 不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)含量的變化

2.5.2 不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)的垂直變化 由圖7可見，各土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土壤深度的增加逐漸降低，體現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)分布的表聚性特征。0～10 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量為林地（38.56 g/kg）＞草地（28.36 g/kg）＞耕地（18.43 g/kg）＞園地（16.31 g/kg），林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著多于其他土地利用方式，草地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著多于耕地和園地的；10～20 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量也為林地（27.25 g/kg）＞草地（19.51 g/kg）＞耕地（14.07 g/kg）＞園地（11.85 g/kg），20～30 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量為林地（26.69 g/kg）＞耕地（10.47 g/kg）＞園地（8.92 g/kg），而30～40 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量為林地（15.64 g／kg）＞園地（8.30g/kg）＞耕地（7.47g/kg），林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于耕地和園地的?？傮w來看，0～40 cm各土層林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于園地和耕地。

圖 7 不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量的垂直變化

2.6 土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系

為揭示土壤屬性因子之間的相互作用和關(guān)聯(lián)程度，對表層土壤（0～20 cm）的理化性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性分析（表5）。土壤容重與砂粒含量呈顯著正相關(guān)，與孔隙度、含水量、黏粒含量、WSA＞0.25 mm含量、GMD值、pH值、有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)。這表明容重過高會導(dǎo)致黏粒含量降低、團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降、通氣透水性變差、土壤酸化、有機(jī)質(zhì)下降等。而土壤孔隙度正好相反，表明其能促進(jìn)土壤水分保持，降低容重，改善土壤質(zhì)地，促進(jìn)和改善團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性。土壤砂礫含量與孔隙度、含水量、粉粒含量、黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤粉粒含量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤黏粒含量與孔隙度、含水量、pH值呈顯著正相關(guān)。這表明土壤中細(xì)顆粒越多，其表面電荷越有助于吸持水分，越能促進(jìn)土壤酸堿度的保持，增加土壤的通透性。土壤有機(jī)質(zhì)含量與孔隙度、黏粒含量、WSA＞0.25 mm含量、MWD值、GMD值呈顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤中微生物的活動也越頻繁，加快了土壤顆粒細(xì)化，降低了土壤容重，形成了有助于土壤團(tuán)聚體膠結(jié)作用的條件，使得團(tuán)聚體形成的幾率、數(shù)量和穩(wěn)定性提高。

綜上所述，土壤容重和砂粒含量對多種土壤性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，而土壤黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、WSA＞0.25 mm含量、MWD值、GMD 值等的增加對土壤質(zhì)地改善、土壤水熱條件調(diào)節(jié)、土壤養(yǎng)分保持等具有積極意義。

表 5 不同土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)分析

注：**表示極顯著相關(guān)（＜0.01）；*表示顯著相關(guān)（＜0.05）。

Note: ** means very significant correlation (<0.01); * indicates significant correlation (<0.05).

3 討論

3.1 不同土地利用方式對土壤含水量、孔隙度和容重的影響

土壤水分對土壤中有機(jī)質(zhì)的合成分解、礦物元素的遷移和富集以及淋失、土壤通透性、團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、植物的生長發(fā)育等有著重要作用[13,26]。土壤含水量是土壤水分狀況的表征，與土地利用方式關(guān)系密切[27]。研究區(qū)耕地的表層土壤含水量最高并且顯著高于園地，主要由于耕地受到長期灌溉，因而含水量較高；而各土層園地的土壤含水量均為最低，土壤水分狀況最差，這是因?yàn)楣麡湓谏L過程中耗水較多，且多分布在山坡上，農(nóng)戶管理粗放，缺少水源灌溉，使得含水量最低。隨著土層深度增加，林地的土壤含水量增長最多，主要由于其地表植被覆蓋情況較好，截留了大量水分，良好的土壤孔隙結(jié)構(gòu)和根系分布有利于水分的入滲和儲存，使得深層土壤水分含量較高，表明林地土壤有利于保水蓄水[28,29]。

土壤孔隙度反映土壤蓄水保水和通氣透水性能，并能夠有效地調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱環(huán)境，直接影響著土壤的肥力和土壤水分的有效性，是評價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一[27,30]。研究區(qū)林地和草地表層土壤的孔隙度顯著高于耕地和園地的，主要由于林地和草地根系密集、土壤生物活動頻繁、有機(jī)質(zhì)含量高，使得土壤通氣、透水以及保持養(yǎng)分的能力較好，有效改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)；而耕地和園地的孔隙度較少，一方面由于根系發(fā)育水平較低，化肥農(nóng)藥的施用可使土壤生物活動受到抑制，另一方面澆水、播種等農(nóng)事活動和頻繁的踩踏行為使得土壤壓實(shí)板結(jié)，破壞了土壤孔隙連通性。隨土層深度的增加，各土地利用方式下土壤孔隙度均減小，這與自然重力壓實(shí)，植被根系、有機(jī)質(zhì)含量和土壤動物活性隨土層深度增加而降低有關(guān)[27]。各土層均為林地的土壤孔隙度最高，園地的最低，表明以黑松、側(cè)柏、楊樹等木本植物為主的林地能夠增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，而種植果樹以及打藥、踩踏等人類活動會惡化土壤結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)，孔隙結(jié)構(gòu)變差[27]。

土壤容重是土壤肥力高低的重要指標(biāo)之一，它能綜合反映土壤結(jié)構(gòu)、松緊狀況和孔隙狀況[13,31-32]。研究區(qū)耕地和園地表層土壤的容重顯著高于林地和草地，表明林地和草地具有更好的土壤結(jié)構(gòu)。林、草地多年枯落物腐爛后使得有機(jī)質(zhì)含量高，發(fā)達(dá)的根系進(jìn)一步改善了土壤質(zhì)量，形成松軟多孔的土壤結(jié)構(gòu)，因而土壤容重較小。而園地和耕地植物根系發(fā)育水平較低，受到人為擾動性較大，造成土壤壓實(shí)，改變了土壤體積密度、孔隙度等結(jié)構(gòu)，使得土壤容重較大，土壤結(jié)構(gòu)差[33]。隨土層深度增加，各土地利用方式下土壤容重均增加，這可能與有機(jī)質(zhì)含量減少有關(guān)，同時(shí)隨著土壤深度增加，土體也由于所負(fù)荷的壓力而更加緊實(shí)。各土層均為林地的土壤容重最小，這與黑松、側(cè)柏等喬木根系發(fā)達(dá)，改善了土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。各土層園地的土壤容重最大，表明園地土壤的通氣、透水性能最差，存在土壤板結(jié)、退化風(fēng)險(xiǎn)，這不僅不利于土壤肥力保持，同時(shí)會加大根系穿透的阻力，影響果樹生長發(fā)育。

3.2 不同土地利用方式對土壤機(jī)械組成的影響

土壤機(jī)械組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤重要的物理特性之一，對土壤肥力狀況、水分特征等物理性質(zhì)有著明顯影響[34]。有研究發(fā)現(xiàn)，人為干擾活動直接或間接影響了土壤的機(jī)械組成，導(dǎo)致土壤發(fā)生退化[35]，在研究區(qū)也得到了相似的研究結(jié)果。研究區(qū)園地表層土壤的砂粒含量顯著高于耕地、草地和林地，但其黏粒含量顯著低于其他土地利用方式，因其重用輕養(yǎng)使得有機(jī)質(zhì)含量低，表層土壤團(tuán)粒易分散，細(xì)顆粒被地表徑流搬運(yùn)流失，導(dǎo)致黏粒含量減少，土壤粗化。林地和草地表層土壤的黏粒含量較高，砂粒含量較低，這與其地表覆被良好有關(guān)，細(xì)小顆粒不易流失，在一定程度上起到改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。各土層均為園地的土壤砂粒含量最高，黏粒含量最低，主要由于研究區(qū)內(nèi)山楂、板栗、核桃等園地大多分布于山坡處，土壤侵蝕嚴(yán)重，同時(shí)修枝、除草等增產(chǎn)性活動導(dǎo)致地表覆蓋物減少，地表缺乏保護(hù)，表明果樹的長時(shí)間種植和管理會使土壤中細(xì)顆粒流失，導(dǎo)致土壤粗化。

3.3 不同土地利用方式對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體的數(shù)量、結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性影響孔隙度的分布、養(yǎng)分保持以及抗侵蝕的能力，對于改善土壤結(jié)構(gòu)具有重要意義[36]，而土地利用方式對土壤團(tuán)聚體有著直接的影響[11]。研究區(qū)林地表層土壤WSA＞0.25 mm含量顯著高于耕地的，表明林地表層土壤的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體最多，土壤膠結(jié)能力最好，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，而耕地由于人為管理活動（施肥、耕作等）影響，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體易在外力作用下破碎成小粒徑團(tuán)聚體，團(tuán)聚體數(shù)量較少。林地表層土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值均顯著高于耕地和園地，表明林地較耕地和園地具有更好的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，林地根系纏繞固結(jié)作用和根系分泌物有助于大團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定[36]，而人為干擾頻繁的耕地和園地土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較差。

土地利用方式對團(tuán)聚體的影響更多集中于土壤表層，對深層影響較小。研究區(qū)林地、草地、園地土壤WSA＞0.25 mm含量均隨土壤深度的增加而減少，這主要與土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低以及根系活動減弱有關(guān)；而耕地的土壤WSA＞0.25 mm含量在10～20 cm土層增加并達(dá)到最高值，可能與該土層根系分泌物較多以及根系物理作用促使土壤膠結(jié)有關(guān)。耕地、草地、園地土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值隨土壤深度增加呈下降趨勢，這可能與根系減少、有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤膠結(jié)能力下降有關(guān)。林地的土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值在20～30 cm土層較大，主要與該土層黑松、側(cè)柏、楊樹等樹木根系發(fā)達(dá)有關(guān)。

3.4 不同土地利用方式對土壤pH值的影響

土壤pH是影響土壤養(yǎng)分有效性及供肥能力的重要因素[37]，進(jìn)而影響植物生長發(fā)育[6]。研究區(qū)各土地利用方式下表層土壤pH值均小于7，土壤整體呈中性和弱酸性，這與研究區(qū)降水多且集中、淋溶過程顯著有關(guān)。園地和耕地的表層土壤pH值較低，酸化現(xiàn)象較為顯著，可能與長期施用銨態(tài)氮肥等酸性化肥有關(guān)。耕地、林地、園地的土壤pH值均隨土壤深度的增加而增大；而草地10～20 cm土層土壤pH值偏低，主要與該層根系密集，根系呼吸產(chǎn)生的CO2以及分泌的有機(jī)酸較多有關(guān)。各土地利用方式下表層土壤均呈現(xiàn)一定程度的酸化現(xiàn)象，這可能與降雨導(dǎo)致表層堿性離子的淋溶流失以及根系分泌物、凋落物分解釋放的有機(jī)酸有關(guān)[38]。

3.5 不同土地利用方式對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)（Soil Organic Matter，SOM）是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，作為土壤的重要組成部分，其含量可以反映土壤肥力狀況，對作物的生長發(fā)育具有顯著的影響[39]。研究區(qū)不同土地利用方式下，林地表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他土地利用方式，主要由于林地大量枯枝落葉殘留于地表，歸還土壤中的凋落物較多，有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)量較大。草地表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于耕地和園地，因?yàn)椴莸馗蛋l(fā)達(dá)，生態(tài)系統(tǒng)更新演替速度較快，易形成有機(jī)質(zhì)的富集。耕地由于小麥、玉米、花生等農(nóng)作物生長發(fā)育消耗了大量有機(jī)質(zhì)，加之頻繁的耕作活動改變了土壤溫度、濕度和微生物環(huán)境，加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，使得有機(jī)質(zhì)處于較低水平。園地多種植蘋果、桃、板栗等經(jīng)濟(jì)樹種，枯枝落葉較少且生長發(fā)育消耗大量有機(jī)物，農(nóng)戶對于有機(jī)肥料的投入較少，使得有機(jī)質(zhì)含量最低。園地有機(jī)質(zhì)含量最低還與其砂粒含量高而黏粒含量低有關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量隨黏粒含量增加而增加，隨砂粒含量增加而減少[40]。由此可見，林地和草地較耕地和園地能夠更好的產(chǎn)生、儲存有機(jī)質(zhì)，提高土壤的保水保肥性能和抗侵蝕能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨土壤深度的增加，各土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈逐漸降低趨勢，和土壤有機(jī)質(zhì)分布的表聚性特征相一致[20,41]。在30～40 cm土層深度內(nèi)，園地的土壤有機(jī)質(zhì)含量（8.30g/kg）高于耕地的（7.47g/kg），主要由于翻耕等農(nóng)業(yè)活動增加了土壤透氣性、水分等條件，加劇了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，而園地在較深土層受外界干擾較小。總體來看，各土層林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于耕地和園地。耕地和園地受人類活動影響較大，有機(jī)質(zhì)的投入小于產(chǎn)出，使土壤長期處于透支狀態(tài)，導(dǎo)致各土層中園地和耕地的土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低。林地受到人類活動影響較少，自然條件下植被枯落物能夠全部回歸土壤，同時(shí)根系分泌的有機(jī)酸提高了土壤中有效養(yǎng)分的利用效率，使得各土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均為最高。

因此，今后應(yīng)改變耕地、園地重用輕養(yǎng)的經(jīng)營方式，大力推廣保護(hù)性耕作技術(shù)，實(shí)施測土配方施肥、堆肥還田、秸稈還田、種養(yǎng)結(jié)合、增施有機(jī)肥、覆膜蓋草等措施，培肥地力、蓄水保墑，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累、分解和轉(zhuǎn)化，提升土壤質(zhì)量。同時(shí)在當(dāng)?shù)胤e極開展土地利用適宜性評估，對于不適合開展農(nóng)業(yè)活動、水土流失嚴(yán)重的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，要適當(dāng)降低人類活動強(qiáng)度，開展退耕還林、退耕還草等自然恢復(fù)措施，促進(jìn)流域土地資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

（1）不同土地利用方式下表層土壤（0～20 cm）理化性質(zhì)存在明顯差異。耕地和園地的土壤容重、砂粒含量高于林地和草地，但是土壤孔隙度、黏粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值、pH值以及有機(jī)質(zhì)含量均低于林地和草地；研究區(qū)耕地和園地存在土壤容重高、土壤粗化、酸化、養(yǎng)分不足的問題，土壤質(zhì)量存在退化趨勢；

（2）不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的垂直變化明顯。隨著土壤深度的增加，各土地利用方式下土壤含水量（除草地外）、容重、粉粒含量、黏粒含量、pH值（除草地外）均呈增加趨勢，而土壤孔隙度、砂粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值、有機(jī)質(zhì)含量呈減少趨勢；各土層園地的土壤含水量、孔隙度、黏粒含量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量均為最低，而土壤容重、砂粒含量最高；各土層林地的土壤孔隙度、黏粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值、有機(jī)質(zhì)含量最高，而土壤容重、砂粒含量最低；

（3）土壤理化性質(zhì)之間存在較強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)系。土壤容重和砂粒含量對多種土壤性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，而土壤孔隙度、黏粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤團(tuán)聚體MWD值和GMD值、有機(jī)質(zhì)含量等對多種土壤性質(zhì)有促進(jìn)和改善作用。

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Effects of Land Use Types on Soil Physical and Chemical Properties in Mountainous and Hilly Areas in Central and Southern Shandong Province

LI Zi-jun1, LI Ying-zi1, WANG Hai-ju2*

1.2503582.250014

In order to explore the relationship between land use types and soil physical and chemical in mountainous and hilly areas in central and southern Shandong Province, the Benghe River Basin was chosen as the study area. The physical and chemical properties of soils in the surface soil (0-20 cm) and their vertical variation (0-40 cm) under four land use types (cultivated, forest land, grassland and garden land) were analyzed by field sampling, laboratory tests, statistical methods and correlation analysis. The results show that: (1) The surface soil of cultivated land had the highest water content, lower soil porosity and greater bulk density, higher sand and silt content and lower clay content. The water content of the surface soil of grassland was higher, and other physical properties were opposite to those of cultivated land. The surface soil of forest land had lower water content, the highest soil porosity and the lowest bulk density, the lowest sand content and the highest silt and clay content. The water content of surface soil of garden land was the lowest, and the other physical properties were exactly opposite to those of forest land. The surface soil aggregates were dominated by WSA＞0.25 mm, and the WSA＞0.25 mm content, MWD and GMD of forest land were significantly higher than those of cultivated land and garden land. The soil pH and organic matter content of forest land and grassland were significantly higher than those of cultivated land and garden land. (2) For different land uses, soil water content (except grassland) and bulk density gradually increased with increasing soil depth, while soil porosity decreased with increasing soil depth. The mechanical composition of the soil changed slightly with increasing soil depth, generally showed a decrease in sand particles and an increase in silt and clay particles. The WSA＞0.25 mm content, MWD and GMD of the soil showed an overall decreasing trend with increasing soil depth. The soil pH of cultivated land, forest land and garden land increased with increasing of soil depth, while the pH of grassland was the opposite. Soil organic matter content decreased with increasing soil depth. (3) Soil bulk density and sand content negatively affected a number of soil properties, while soil porosity, clay content, WSA＞0.25 mm content, MWD, GMD and organic matter content can promote and improve a number of soil properties. In summary, the physical and chemical properties of the surface soil (0-20 cm) differed significantly among different land uses types, with vertical variation evident in the 0-40 cm soil layer. There were strong intrinsic relationships among various indicators of soil physical and chemical properties. To improve the soil quality of cultivated land and garden land in the study area, more rational approaches to land use and management should be adopted.

Hill land;Land use type; Soil physical and chemical properties

S284/S153

A

1000-2324(2023)02-0254-13

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.014

2022-10-28

2022-11-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101079);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2020MD008);山東水土保持學(xué)會重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2019003)

李子君(1974-),女,博士研究生,教授,主要從事水土資源利用方面的研究. Email:lizijun@sdnu.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:navy83@163.com