不同土地利用方式下銀北鹽堿地土壤的理化性質(zhì)特征

吳霞 王長軍 樊麗琴 張永宏 王旭

摘要：以銀北地區(qū)鹽堿地為對象，研究了旱地、水田、灌木林和荒草地4種土地利用方式對0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重、總孔隙度、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、pH以及全鹽含量的影響。結(jié)果表明，銀北地區(qū)不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)差異顯著（P<0.05）。旱地和水田土壤容重高于灌木林和荒草地，土壤總孔隙度則低于灌木林和荒草地。4種土地利用方式土壤有機(jī)碳和全量養(yǎng)分含量在0～20 cm和20～40 cm土層表現(xiàn)較為相似，有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)為灌木林最高，旱地和水田次之，荒草地最低；旱地和水田土壤全磷含量顯著高于灌木林和荒草地（P<0.05）；全鉀含量在旱地土壤中最高，水田最低。除旱地20～40 cm土層外，土壤pH和全鹽含量均表現(xiàn)為荒草地顯著高于其他3種土地利用方式（P<0.05）。加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析顯示，0～20 cm和20～40 cm土層均表現(xiàn)為灌木林土壤理化性質(zhì)關(guān)聯(lián)度最大，旱地和水田次之，荒草地最小，說明灌木林對改良銀北鹽堿地土壤理化性質(zhì)的效果最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：鹽堿地；改良；土地利用方式；土壤理化性質(zhì)；灰色關(guān)聯(lián)分析；銀北地區(qū)

中圖分類號：S156.4+9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）04-0044-05

Characteristics of soil physical and chemical properties in saline-alkali land of Yinbei under different land use patterns

Abstract： Taking saline-alkali land in Yinbei area as the research object， the effects of four land use patterns （dry land， paddy field， shrubbery and grassland） on soil bulk density， total porosity， organic carbon content， total nitrogen content， total phosphorus content， total potassium content， pH and total salt content in 0～20 cm and 20～40 cm soil layers were studied. The results showed that the soil physical and chemical properties of different land use types in Yinbei area were significantly different （P<0.05）. The soil bulk density of dry land and paddy fields was higher than that of shrubland and grassland， and the total soil porosity was lower than that of shrubland and grassland. The soil organic carbon and total nutrients of four land use types were similar in 0～20 cm and 20～40 cm soil layers. The content of organic carbon and total nitrogen was the highest in shrubbery， followed by dry land and paddy fields， and the lowest in grassland. The soil total phosphorus content in dry land and paddy fields was significantly higher than that in shrubbery and grassland（P<0.05）. The total potassium content was the highest in dryland soil and the lowest in paddy fields. The soil pH and total salt content of grassland were significantly higher than those of the other three land use types（P<0.05）， except for the 20～40 cm soil layer of dry land. The weighted gray correlation analysis showed that the correlation degree of soil physical and chemical properties in 0～20 cm and 20～40 cm soil layers was the highest in shrubbery， followed by dry land and paddy fields， and the lowest in grassland， indicating that shrubbery had the best effect on improving soil physical and chemical properties in Yinbei saline-alkali land.

Key words： saline-alkali land； improvement； land use pattern； soil physical and chemical properties； gray correlation analysis； Yinbei region

土壤是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，人類從土壤中得到賴以生存的衣食住行等物質(zhì)資料［1］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土壤、氣候、地貌、水文等條件的要求十分嚴(yán)格，不同位置、不同質(zhì)量的土壤生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)品種、質(zhì)量和數(shù)量區(qū)別很大［2］；反之，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對土壤物理和化學(xué)性質(zhì)也產(chǎn)生了顯著影響，不合理的土壤耕種及不科學(xué)的管理措施導(dǎo)致水土流失、土地退化、土壤污染等問題［3］。不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)有所不同，國內(nèi)學(xué)者在南方紅壤區(qū)、黃土高原區(qū)、喀斯特地區(qū)等不同區(qū)域開展了土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響研究，結(jié)果表明土地利用方式對土壤理化性質(zhì)具有重要影響［4-8］。唐柄哲等［9］采用灰色關(guān)聯(lián)度法對川中丘陵區(qū)的研究表明，水保林對改善川中丘陵區(qū)土壤理化性質(zhì)的作用最佳，緩坡耕地效果最差。李慶梅等［10］對黃河三角洲鹽堿地的研究表明，撂荒對黃河三角洲退化土壤的恢復(fù)具有良好效果。目前，針對西北干旱區(qū)鹽堿地土地利用方式的研究較少，本試驗(yàn)以寧夏銀北地區(qū)鹽堿地為研究對象，分析了旱地、水田、灌木林和荒草地? ? ?4種典型土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響，并在層次分析法的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析法評價4種土地利用方式對改善銀北鹽堿地理化性質(zhì)的效果，以期為銀北地區(qū)鹽堿地改良利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于銀川平原北部的平羅縣，具有典型大陸性氣候特征，年平均氣溫2.8～16.0 ℃，平均日照時數(shù)3 008.6 h，歷年平均降水量173.2 mm，多集中在6—9月，多年平均蒸發(fā)量1 755 mm，是降雨量的近10倍［11］。研究區(qū)地下水位埋深較淺，一般為1.5 m左右，且礦化度較高，土壤類型以鹽化灌淤土和潮土為主，南部以種植水稻的水田為主，北部以旱田為主，種植作物有小麥、玉米、油葵等。平羅縣林地資源匱乏，僅占土地面積的1/10左右，主要以灌木林地為主，荒草地主要以蘆葦、堿蓬等自然植被為主［12］。

1.2 樣品采集

2021年10月上中旬，種植作物收獲后冬灌前，在研究區(qū)選取旱地、水田、灌木林和和荒草地4種具有代表性的土地利用類型進(jìn)行土壤樣品采集，每種土地利用類型選取4塊取樣地，每塊樣地按“S”形采樣法選取5個樣點(diǎn)，分0～20 cm、20～40 cm兩層進(jìn)行樣品采集，分層混合后取1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在室溫下自然風(fēng)干，研磨后過2 mm篩，裝袋備測；同時，利用100 cm3環(huán)刀分層采集土壤樣品以測定土壤容重和總孔隙度。

1.3 測定項(xiàng)目

測定的土壤物理指標(biāo)有土壤容重和總孔隙度，化學(xué)指標(biāo)有土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、pH及全鹽含量。其中，土壤容重和總孔隙度采用環(huán)刀法測定；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定；全氮含量采用硫酸消化-蒸餾法測定；全磷含量采用氫氧化鈉溶解-鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉溶解-火焰光度法測定；pH采用pH計(jì)測定；土壤水溶性全鹽含量采用電導(dǎo)法測定［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析法［14］分析研究區(qū)不同土地利用方式下土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)的差異性，并通過最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較，分析不同土地利用方式間的差異。隨后，針對研究區(qū)鹽堿地實(shí)際情況，運(yùn)用德爾菲法［15］和層次分析法［16］構(gòu)建理化因子判別矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算土壤各理化因子權(quán)重。通過灰色系統(tǒng)理論［17，18］計(jì)算不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度，從而選擇改良銀北地區(qū)鹽堿地的最佳土地利用方式。數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用方式對土壤容重和總孔隙度的影響

土壤容重和孔隙度可反映土壤的緊實(shí)度和持水性能，是評價土壤質(zhì)量和肥力狀況的重要指標(biāo)。從圖1可以看出，土壤容重和總孔隙度在不同土地利用方式及土層間均存在顯著差異（P<0.05），說明土地利用方式對鹽堿地土壤物理性質(zhì)影響顯著。0～20 cm土壤容重表現(xiàn)為荒草地<灌木林<旱地<水田，在旱地、水田和灌木林間差異不大，而荒草地土壤容重則小于其他3種土地利用方式。20～40 cm土壤容重表現(xiàn)為灌木林<荒草地<水田<旱地，灌木林土壤容重在20～40 cm顯著小于旱地、水田和荒草地（P<0.05）。從土壤垂直角度來看，旱地、水田和荒草地? ?3種土地利用方式下20～40 cm土壤容重均大于0～20 cm土層，而灌木林20～40 cm土壤容重則小于0～20 cm土層。土壤總孔隙度在0～20 cm和20～40 cm土層均表現(xiàn)為灌木林>荒草地>旱地>水田。20～40 cm土壤總孔隙度相較于0～20 cm土層均有不同程度的降低，其中灌木林降幅最?。?.67%），其次為旱地（11.54%），荒草地次之（14.29%），水田降幅最大（17.39%）。

2.2 土地利用方式對土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量的影響

土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量單因素方差分析結(jié)果如表1所示。土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀的含量在不同土地利用方式間均存在顯著差異（P<0.05）。不同土地利用方式下的土壤有機(jī)碳含量在0～20 cm和20～40 cm土層均表現(xiàn)為灌木林>旱地>水田>荒草地，其中，旱地、水田和灌木林0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量差異不明顯，而荒草地土壤有機(jī)碳含量則顯著低于其他3種土地利用方式；20～40 cm土層除灌木林土壤有機(jī)碳含量較高外，其他土地利用方式下的土壤有機(jī)碳含量較低且差異較小。土壤全氮含量在不同土地利用方式間表現(xiàn)出顯著差異（P<0.05），0～20 cm和20～40 cm土層均表現(xiàn)為灌木林最高，荒草地最低。土壤全磷含量和全鉀含量在4種土地利用方式間也存在顯著差異（P<0.05），其中，0～20 cm和20～40 cm土層旱地和水田土壤全磷含量均較高，顯著高于灌木林和荒草地，而全鉀含量在0～20 cm和20～40 cm土層均表現(xiàn)為旱地最高，水田最低。從垂直分布來看，旱地、水田和灌木林20～40 cm土壤有機(jī)碳和全氮含量明顯低于0～20 cm土層，而荒草地土壤有機(jī)碳和全氮含量在土層之間差異較小。4種土地利用方式下的土壤全磷和全鉀含量在20～40 cm和0～20 cm土層間的差異均較小。

2.3 土地利用方式對土壤pH和全鹽含量的影響

由圖2可知，不同土地利用方式下的土壤pH和全鹽含量在0～20 cm和20～40 cm土層均存在顯著差異（P<0.05），說明土地利用方式對銀北鹽堿地土壤pH和全鹽含量影響顯著。4種土地利用方式間土壤pH差異明顯，且均呈較強(qiáng)堿性，pH全部在8.50以上，其中荒草地土壤pH最高，其次為旱地，水田和灌木林土壤pH相對較低。不同土地利用方式下不同土層的土壤全鹽含量均表現(xiàn)為灌木林<水田<旱地<荒草地，旱地、水田和灌木林土壤全鹽含量相對較低，而荒草地土壤全鹽含量顯著高于其他3種土地利用方式（P<0.05），其中荒草地0～20 cm土層全鹽含量為2.94 g/kg，分別是旱地、水田和灌木林的2.72、3.72、5.25倍。

2.4 不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析

土壤容重、總孔隙度、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、pH和全鹽含量間均存在一定的相關(guān)性，但土地利用方式與土壤理化性質(zhì)的對比相關(guān)性并不明顯。因此，采用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)一步定量評價不同土地利用方式對銀北鹽堿土理化性質(zhì)的改良效果。首先，根據(jù)銀北地區(qū)鹽堿化土壤實(shí)際情況，利用層次分析法重要性等級的9級標(biāo)度確定土壤容重、總孔隙度、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、pH和全鹽含量8個影響因子的等級順序并構(gòu)建判斷矩陣A，通過計(jì)算得到矩陣A的一致性比率CR=0.083 5<0.1，說明矩陣A通過一致性檢驗(yàn)。其次，對土壤容重、pH和全鹽含量取倒數(shù)進(jìn)行數(shù)值變換，選取土壤容重、總孔隙度、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、pH和全鹽含量在旱地、水田、灌木林和荒草地中的最大值作為參考數(shù)列，將其余值作為比較數(shù)列，進(jìn)行無量綱化處理（表2）。最后，采用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算不同土地利用方式下土壤理化指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和加權(quán)關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表3所示。由表3可知，不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)加權(quán)關(guān)聯(lián)度在0～20 cm土層表現(xiàn)為灌木林>旱地>水田>荒草地，20～40 cm土層則表現(xiàn)為灌木林>水田>旱地>荒草地，表明灌木林對改善銀北鹽堿地土壤理化性質(zhì)的效果最優(yōu)，旱地和水田有一定的改善作用，而荒草地改善效果最差。

3 討論與小結(jié)

3.1 討論

研究表明，土壤理化性質(zhì)在不同程度上受到土地利用方式的影響［19-22］。本研究中銀北地區(qū)旱地、水田、灌木林和荒草地4種土地利用方式下的土壤容重、總孔隙度、養(yǎng)分含量、pH和全鹽含量等均存在顯著差異，且與土地利用方式關(guān)系密切。

銀北地區(qū)主要以鹽堿土為主，部分地區(qū)分布有土質(zhì)黏重的白疆土，土壤容重偏大而孔隙度較小。本研究中4種土地利用方式的土壤容重多在1.5 g/cm3左右，土壤總孔隙度多在30%左右。旱地和水田由于長期耕作影響，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致土壤容重較大，總孔隙度相對較??；灌木林和荒草地由于常年植被覆蓋及根系生長影響，土壤容重較小，總孔隙度較大，土壤物理性狀優(yōu)于旱地和水田。

本研究土壤有機(jī)碳和各養(yǎng)分含量受土地利用方式影響顯著。灌木林由于動植物殘體及微生物作用，土壤有機(jī)碳和全氮含量最高；旱地和水田耕種過程中有大量化肥和有機(jī)肥施入，有機(jī)碳和各養(yǎng)分含量較高；而荒草地大多土壤結(jié)構(gòu)差，植被覆蓋度較低，因此，土壤有機(jī)碳和各養(yǎng)分含量遠(yuǎn)低于灌木林和耕地。

銀北土壤鹽漬化區(qū)位于寧夏引黃灌區(qū)末端，地勢低平，灌排均難，鹽漬化土壤占耕地總量的80%以上，pH和全鹽含量是影響銀北地區(qū)耕地質(zhì)量和土壤肥力的重要因素［23］。旱地和水田在長期的耕種過程中土壤堿化程度有所下降，此外，鹽堿地改造過程中施用的磷石膏、脫硫石膏、腐殖酸、糠醛渣等酸性改良劑有效降低了堿化土壤的pH，而荒草地由于缺少耕種和改良措施，土壤pH遠(yuǎn)高于耕地，屬于重度堿化土壤。

“鹽隨水來，鹽隨水去”的規(guī)律說明土壤鹽分與水依存關(guān)系密切［24］。本研究銀北地區(qū)荒草地土壤鹽分含量遠(yuǎn)高于旱地、水田和灌木林。黃河水是銀北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的主要來源，水田大多位于地勢相對較高、灌排暢通的南部區(qū)域，在長時間的淹灌、排水和換水等排鹽措施下，水田土壤鹽分含量處于較低水平；旱地位于地勢較低的北部地區(qū)，灌排條件相對較差，部分排水渠末端出現(xiàn)黃河水位頂托現(xiàn)象，排水較困難，因而旱地土壤鹽分含量相對高于水田；荒草地多位于地勢低洼、排水極困難地區(qū)，土壤鹽分難以隨水排出，導(dǎo)致荒草地土壤鹽分累積明顯。

3.2 小結(jié)

本研究采用方差分析法對銀北地區(qū)不同土地利用方式下不同土層的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行差異性分析，并進(jìn)一步通過加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析4種土地利用方式對改良鹽堿地的效果，結(jié)果如下。

1）土壤容重在0～20 cm土層表現(xiàn)為荒草地<灌木林<旱地<水田，20～40 cm土層表現(xiàn)為灌木林<荒草地<水田<旱地；土壤總孔隙度在0～20 cm和20～40 cm土層均表現(xiàn)為灌木林>荒草地>旱地>水田。

2）4種土地利用方式0～20 cm和20～40 cm土層的土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為灌木林>旱地>水田>荒草地；土壤全氮含量均表現(xiàn)為灌木林最高，荒草地最低；土壤全磷含量旱地和水田較高，灌木林和荒草地較低；土壤全鉀含量旱地最高，水田最低。

3）土壤pH旱地和荒草地較高，水田和灌木林相對較低；旱地、水田和灌木林土壤全鹽含量較低且差異較小，而荒草地土壤全鹽含量顯著高于其他3種土地利用方式（P<0.05）。

4）加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明，灌木林對改良銀北鹽堿地土壤理化性質(zhì)的效果最優(yōu)，其次為旱地和水田，荒草地對改良土壤理化性質(zhì)效果最差。

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