巫山縣坡改梯地區不同土地利用方式下土壤質量研究

楊 敏，陳國建，魏興萍，韋 杰，何干皓，李培霞

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 400047;2.四川農業大學信息與工程技術學院，四川雅安 625000)

土地利用/土地覆蓋變化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)及其環境影響是當前國際研究的熱點和前沿領域，其變化會影響土壤理化性質、地表植被［1］、地表反射率、植被對陽光的吸收利用率以及土壤管理措施等［2］，而這些變化又會引起土壤養分在土壤生態系統中的重新分配［3］。因此，合理的土地利用方式能增加生物多樣性［4］，提高土壤抗蝕能力［3］，改變徑流方式［5］，改善土壤環境;反之則會降低生物多樣性，引起土壤退化，加劇土壤流失等。本研究以重慶市巫山縣為例，研究不同土地利用方式下坡耕地土壤質量的變化，以定量分析的方式探討土地利用方式對土壤質量的影響。

1 研究區概況

巫山縣介于 E109°33'—110°11'、N30°45'—32°28'之間，位于重慶市東北部、三峽庫區腹心，地處四川盆地東緣山地、鄂西高地和大巴山接壤帶，素有“渝東門戶”之稱，縣境東西寬約61.2 km，南北長約80.3 km，土地總面積2 958 km2。大巴山、巫山、七曜山三大山脈交匯于縣境，形成了典型的喀斯特地貌，最低海拔73.1 m，最高海拔2 680 m，立體氣候特征明顯。屬亞熱帶濕潤季風氣候區，受東南季風和縣境北部高山屏障影響，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，四季分明，雨熱同季，年均≥10℃活動積溫5 857.3℃，年平均氣溫18.4℃，無霜期305 d，年均降水量1 049.3 mm。全縣有耕地40 274 hm2，其中大部分為坡耕地，并且主要分布在中高山區。隨著我國西南地區坡改梯工程的實施，當地土地利用和覆被發生了較大變化，主要種植馬鈴薯、玉米、紅薯、蠶豆、小麥、烤煙、油菜和萵筍等。

將采回的土樣在室內風干、去雜質、過篩后，送實驗室分析其有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、銨根離子氮和硝酸根離子氮含量。測定方法分別為：有機質采用重鉻酸鉀法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，全鉀采用氫氧化鈉(NaOH)熔解火焰光度法，速效鉀采用1 mol/L NH4Ac浸提—火焰光度法，硝態氮采用氯化鉀浸提紫外比色法，銨態氮采用氯化鉀浸提流動注射儀法［6］。

2 研究方法

2.1 采樣與試驗方法

在巫山縣官渡鎮水庫村坡改梯地區，選擇5種不同的土地利用方式——經濟作物、糧食作物、豆科植物(由于巫山地區豆科植物種植普遍，故將其作為一種土地利用方式單獨列出)、經果林和撂荒地，設置采樣點采集土樣。各采樣點所在地坡改梯時間均為7 a，土壤質地為壤質，土壤類型為黃壤。為了消除高程、坡度對試驗數據的影響，采樣時增加隨機采樣個數，在不同高程、坡度范圍內對同一種土地利用方式進行多點采樣，并根據作物種植面積合理確定采樣個數。不同土地利用方式下采樣個數、高程、坡度和作物類型見表1。

表1 采樣點基本情況

2.2 土壤質量因子

以土壤養分反映土壤質量，本研究選擇有機質、全氮、銨態氮、硝態氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量等作為土壤質量因子［5］。

2.3 土壤質量綜合指數

土壤質量綜合指數(Integrated Fertility Index)是土壤各指標因子的綜合和集成［7］。由于土壤質量因子變化具有連續性，故采用連續的隸屬度函數，根據因子分析法分析各因子負荷量值的正負性，確定隸屬度函數分布的升降性［8］，這與各因子對植被的效應相符合。采用升型分布函數，其計算公式為

式中：F(xi)為第i項土壤質量因子的隸屬度值;xi為第i項土壤質量因子值;ximax和ximin分別為第i項土壤質量因子的最大值和最小值。

2.4 分析方法

采用SPSS Statistics(17.0)中的因子分析法對試驗結果進行分析。

3 結果分析

3.1 不同土地利用方式的土壤質量因子

表2是不同土地利用方式下土壤質量因子值。由表2知，不同土地利用方式下，土壤有機質含量排序為撂荒地(2.399%)＞糧食作物(1.768%)＞經果林(1.707%)＞經濟作物(1.614%)＞豆科植物(1.463%)，其中撂荒地土壤有機質含量最高，豆科植物最低，糧食作物、經果林和經濟作物差異不大。分析其原因，地表覆蓋度會影響坡耕地生態系統生物量和立地條件(如光、熱、水和微生物等)，地表覆蓋度越大，地表獲取的光和熱就越少，從而土壤有機質分解減少增加了有機質的積累量［9］，而撂荒地主要是灌木，相比其他土地利用方式，地表覆蓋度較大，因此土壤有機質含量較高。土壤全N含量排序為撂荒地(0.149%)＞糧食作物(0.118%)＞經濟作物(0.114%)＞經果林(0.105%)＞豆科植物(0.102%)，土壤全N含量和有機質含量具有較高的相關性，其變化趨勢和有機質變化趨勢基本一致。土壤全P含量排序為糧食作物(0.052%)=經果林(0.052%)＞經濟作物(0.044%)＞撂荒地(0.043%)＞豆科植物(0.035%)，糧食作物和經果林的全P含量相同，經濟作物和撂荒地相差不大，豆科植物最低，不同土地利用方式的全P含量差異不顯著。土壤全K含量排序為經濟作物(2.129%)＞糧食作物(1.984%)＞撂荒地(1.927%)＞豆科植物(1.730%)＞經果林(1.705%)。根據SPSS相關分析，不同土地利用方式對土壤質量有明顯影響，有機質、全氮、銨態氮和速效鉀含量差異極顯著，硝態氮、全磷和全鉀含量差異顯著，速效磷含量差異不顯著。

表2 不同土地利用方式下土壤質量因子值

一方面，土地利用方式在一定程度上決定了土地施肥的種類和施肥量，導致了土壤養分含量的明顯差異;另一方面，農地的翻耕使土壤接觸到更多的水、氣、熱，導致土壤有機質分解降低了土壤肥力，而撂荒地土地資源荒廢，避免了農業耕作，在一定程度上起到了培肥地力的作用。因此，研究區農業用地(經濟作物、糧食作物、豆科植物、經果林等)土壤質量均呈退化趨勢，而撂荒地土壤狀況得到了一定程度的恢復。

3.2 不同土地利用方式的土壤質量綜合指數

土壤質量綜合指數(IFI)反映的是不同土地利用方式下土壤質量的相對值。由式(1)計算得到各土壤質量因子的隸屬度值，再進行因子分析，得到因子得分系數矩陣，從而得到因子得分函數，然后選取因子累計方差貢獻率＞0.90的特征值個數為因子數，根據因子分析結果共提取3個因子〔得分函數見式(2)〕，并以因子方差貢獻率作為各因子權重，依次為0.396、0.323、0.183，最終得到土壤質量綜合指數計算公式〔式(3)〕。

式中：F1、F2、F3為因子分析提取的3個因子;Xi(i=1，2，…，8)為各土壤質量因子的隸屬度值;其中數值為各土壤質量因子在相應因子下的得分。

式中：IFI為土壤質量綜合指數，其余符號意義同上。

由式(3)計算得到經濟作物、糧食作物、豆科植物、撂荒地和經果林的土壤綜合質量指數分別為0.479、0.519、0.063、0.609、0.248，即撂荒地 ＞ 糧食作物＞經濟作物＞經果林＞豆科植物。一般來說，土壤養分的消耗主要有3種方式，即植物從土壤中吸取、隨土壤下滲淋失以及在養分轉化過程中以氣態形式逸出等［10］。撂荒地土壤質量最高，一方面是因為沒有作物從土壤中吸收養分，另一方面是因為撂荒地可以增加土壤有機質含量［11］，而有機質能增加土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養分的有效性［12］。這也證實了撂荒地確實具有一定的培肥作用［13］。糧食作物和經濟作物土壤質量綜合指數比較接近，基本上是經果林的兩倍，原因是糧食作物和經濟作物都屬于短期作物，在作物收割后有時間恢復地力;經果林因為果樹生長周期長，果樹生長持續從土壤中吸收養分，并且在生長過程中會產生一種抑制有機質生成的物質［14］，導致土壤質量降低。此外，經果林單一品種連作容易造成土壤養分失衡，進而導致產量下降、土壤肥力降低。豆科植物土壤質量綜合指數最低，是因為豆科植物具有固氮作用，產生高氮的土壤條件，充裕的氮供應促使作物吸收更多的磷，導致土壤質量下降［14］。

4 結語

對重慶市巫山縣官渡鎮水庫村坡改梯地區5種不同土地利用方式下土壤質量因子的試驗結果表明，不同土地利用方式對土壤質量有明顯影響，其中有機質、全氮、銨態氮和速效鉀差異極顯著，硝態氮、全磷和全鉀差異顯著，速效磷差異不顯著。對不同土地利用方式下土壤質量因子進行排序：有機質，撂荒地＞糧食作物＞經果林＞經濟作物＞豆科植物;全氮，撂荒地＞糧食作物＞經濟作物＞經果林＞豆科植物;硝態氮，糧食作物＞豆科植物＞經濟作物＞撂荒地＞經果林;銨態氮，經濟作物＞撂荒地＞糧食作物＞豆科植物＞經果林;速效磷，經濟作物＞糧食作物＞撂荒地＞豆科植物＞經果林;速效鉀，撂荒地＞經濟作物＞豆科植物＞糧食作物＞經果林;全磷，糧食作物=經果林＞經濟作物＞撂荒地＞豆科植物;全鉀，經濟作物＞糧食作物＞撂荒地＞豆科植物＞經果林。

土壤質量綜合指數計算結果表明，不同土地利用方式下土壤質量綜合指數排序依次為撂荒地＞糧食作物＞經濟作物＞經果林＞豆科植物。分析其原因，土地利用方式在一定程度上決定了耕作制度與管理活動，而這些都是影響土壤養分的重要因素。撂荒地土壤質量綜合指數最高，是因為撂荒地能夠在一定程度上恢復地力、培肥土壤;經濟作物和糧食作物土壤質量綜合指數較接近，經果林和豆科植物相對較低，是因為經濟作物和糧食作物種類豐富，而經果林和豆科植物相對單一，不利于土壤養分均衡，加之經果林會產生一種抑制有機質生成的物質，豆科植物會從土壤中吸收大量磷素，這都導致經果林和豆科植物的土壤質量綜合指數較低。

綜上，本研究對巫山縣坡改梯地區不同土地利用方式下土壤質量進行了初步探討，研究成果對三峽庫區梯田土壤改良和農作物選種具有參考價值。但是，本研究主要是從土壤養分方面探討土壤質量變化，而土壤質量還受其物理性質如容重、含水量、總孔隙度，以及生物性質如轉化酶活性、酸性磷酸酶活性、多酚氧化酶活性等的影響，因此想要更準確全面地衡量土壤質量，還需在以后的工作中加強對上述因素的監測和研究。

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