川中丘陵區(qū)耕地撂荒對土壤肥力的影響

鄧利梅，陸傳豪，劉剛才

1.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049

在我國，“耕地閑置1年以上、不能創(chuàng)造農業(yè)價值就稱為撂荒地”[1]．隨著農村勞動力向城市轉移等多種因素的影響，撂荒現象在世界范圍內變得愈加突出[2]．雖然從目前的研究來看，撂荒在歐洲、美國等發(fā)達國家分布更廣泛[3]，不過在中國也有愈演愈烈的趨勢[1]．張學珍等[4]利用薈萃分析獲取了全國20個省的163個縣 (市) 的耕地撂荒數據，發(fā)現1992-2017年，有撂荒記錄的縣(市)數量和撂荒率逐漸增加．歐洲耕地撂荒問題特別嚴重，2008年烏克蘭西部撂荒率高達56%，世界各地區(qū)有關耕地撂荒的研究，以歐洲最為全面和典型[1]．目前國內外關于耕地撂荒的研究內容比較全面，從驅動因素、地域分布、發(fā)生程度，到撂荒的環(huán)境效應、應對措施等均有涉及，其中生態(tài)環(huán)境效應是當前撂荒效應研究的焦點[3]，其是積極的還是消極的存在較大的爭議．一些研究認為，耕地撂荒導致景觀異質性減少，植被同質化，會增加森林火災、土壤侵蝕和荒漠化的風險，減少可用水，導致生物多樣性的喪失和與傳統(tǒng)管理相關的文化景觀和美學價值的喪失；另一些研究認為，耕地撂荒后的景觀提供了許多生態(tài)系統(tǒng)服務，植被恢復增加碳固存，保護生物多樣性，改善水質和水供應，恢復土壤，增加土壤養(yǎng)分，有利于生境的可持續(xù)性[5]．撂荒的生態(tài)環(huán)境效應主要在生物多樣性、景觀和土壤3個方面[6]，已有的案例研究表明撂荒的生態(tài)效應存在顯著的區(qū)域差異[3]，效應積極與否取決于當地的環(huán)境狀況，如氣候、地形、植被狀況、人類活動，亦會隨撂荒時間而變化．因此，因地制宜地進行撂荒效應研究非常有必要，有利于評估當地撂荒對于自然、社會環(huán)境的影響，還可為撂荒政策的制定與實施提供參考．

我國有關撂荒對土壤等環(huán)境的影響研究區(qū)域以黃土丘陵區(qū)居多．川中丘陵區(qū)位于四川盆地的中部，是中國最典型的南方丘陵區(qū)，是四川盆地丘陵分布最集中的地區(qū)[7]，地形比較復雜，土壤主要為中生代紫色砂(頁)巖風化而成的紫色土，土壤中沙和碎石比例較高，質地松脆，極易遭受侵蝕和風化，抗蝕性極差，全區(qū)植被較少，森林覆蓋率極低，丘坡較陡，因此當雨季雨水較多時，水土流失常有發(fā)生，是長江上游泥沙的重要來源[8]．近年來，受環(huán)境資源、社會經濟等多種因素的影響，該區(qū)農村勞動力轉移率達50%以上[9]，耕地撂荒逐年增加．但是，該區(qū)耕地撂荒對土壤會造成什么樣的影響還缺乏深入研究．為此，本研究的目標是：1)認識紫色土耕地撂荒對土壤理化特性的影響特征；2)分析撂荒對土壤影響的機理．

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川鹽亭農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(105°27′E，31°16′N)所在的小流域—四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)截流村．該區(qū)地形為中丘，海拔400～600 m，由水平砂泥巖互層形成多級梯地，山頂為園丘、長崗狀．溝谷切割較深，沖溝發(fā)育，相對高差100～200 m，谷底寬50～150 m，比降1/100～1/350，兩側山坡較陡，平均坡度為8.7%～36.4%[10]．該區(qū)屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.3 ℃，多年平均降水量為826 mm，春季降水量占全年降水量的5.9%，夏季占65.5%，秋季占19.7%，冬季占8.9%．土壤類型以水稻土和石灰性紫色土為主，主要農作物有水稻、玉米、小麥、油菜等，林地植被以榿木和柏木為主[11]．

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集及數據處理

小區(qū)(4 m×2 m)試驗地從2005年開始自然撂荒，至2018年，已有13年時間．撂荒前小區(qū)內主要種植作物為玉米，目前小區(qū)內主要植被物種有：白茅、馬桑、小蓬草(表1)，其中白茅分布最多，覆蓋度最大．撂荒開始時(2005年)采集了5個試驗小區(qū)0～20 cm土層的土壤混合樣，測試了各理化指標．2018年8月2日從試驗地中5個小區(qū)分別采集0～20 cm土層的土壤混合樣，然后，用撂荒開始時同樣的方法測試以下理化指標：土壤顆粒組成、土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀．由于耕作深度和撂荒后植物根系作用深度基本都在0～20 cm，因此采集0～20 cm土壤樣品，能較好地反映撂荒前后土壤理化性質的變化．

表1 撂荒小區(qū)植被分布狀況

測試所得數據，用Excel 2010做基本處理，用IBM SPSS Statistics 22進行撂荒前后土壤各養(yǎng)分的配對樣本t檢驗，用OriginLab origin 2019作圖．

1.2.2 土壤肥力綜合評價

設參與評價土壤肥力的因子有n個，用U={U1，U2，…，Un}表示，集合中Ui是n個土壤養(yǎng)分因子的檢測數值集合；設有m種不同的評價等級，它們組成評價集V={V1，V2，…，Vm}，集合中Vj是與Ui中指標相對應的評價標準集合．用rij表示第i種因子的數值可以被評價為第j級的可能性(即i對j的隸屬度，它們的關系即為隸屬函數)，構成U，V之間模糊關系矩陣R：

rij通過以下隸屬函數來確定：

第1級，即j=1，其隸屬函數為：

(1)

第2～(m-1)級，即j=2，3，…，m-1時，其隸屬度函數為：

(2)

第m級，即j=m時，其隸屬度函數為：

(3)

式中：Xi為第i種因子實測值；Sij為第i種因子的第j級評價標準值．

已知權重矩陣W及模糊關系矩陣R，則n個評價指標的多指標模糊綜合評價矩陣可以表示為：

B=W·R

(4)

模糊綜合指數可以表示為：

FCI=B·G

(5)

式中：G為土壤養(yǎng)分等級標準向量，GT=(1，2，…，m)；FCI為土壤養(yǎng)分的綜合等級．

用MATLAB R2013b進行矩陣運算．

2 結果與分析

2.1 撂荒對土壤顆粒組成的影響

據圖1所示，撂荒前土壤砂粒(0.05～2 mm)比例為15.8%，撂荒后為28.4%，撂荒后增加12.6%；撂荒前土壤粉粒(0.002～0.05 mm)比例為65.4%，撂荒后為51.9%，撂荒后減少13.5%；撂荒前后土壤黏粒(<0.002 mm)比例分別為18.8%和19.7%，變化不大．根據美國土壤質地分類標準，撂荒前后的土壤質地均為粉壤土，不過由于砂粒的增加和粉粒的減少，撂荒后的土壤質地有由粉壤土變?yōu)槿劳恋内厔荩戳袒暮笸寥烙写止腔内厔荩?/p>

圖1 撂荒前后土壤顆粒組成變化

撂荒前，由于耕作熟化，土壤的顆粒組成偏細，砂粒比例低．在耕時及撂荒初期，地表植被蓋度低，土地裸露面積較大，降雨時雨滴、徑流動能和地表徑流量大，無論是雨滴擊打對土壤的分散作用，還是徑流對泥沙的攜帶能力都很強，從而土壤侵蝕強烈，帶走大量泥沙，且泥沙顆粒分選性較差[12-13]，土壤無論是粗顆粒還是細顆粒均容易流失．相比在耕地，撂荒后人為干擾減少，隨著撂荒年限的增加，植被蓋度增加，植被對降雨的攔截率增加，坡面粗糙度增大，徑流速率和地表徑流量減小，植被根系發(fā)達，能疏松土壤，促進團聚體形成，從而入滲及壤中流增加[14-16]，并且白茅低矮且蓋度高，可以有效地削弱雨滴對土壤的擊濺動能，減少土粒的分散[16]，因此土壤侵蝕減少，且侵蝕帶走的泥沙顆粒具有較高的分選性：較粗的砂粒因質量高不容易被較小的徑流搬運而得以保留，黏粒由于其比表面積及電荷密度大的特性，容易膠結土粒形成團聚體也不容易流失，相比之下粉粒流失的比例就較多．另一方面，由于紫色土母巖極易風化且物理風化強烈，成土快速[17]，植被恢復過程中植物根系的增加會加強母巖母質的破碎風化．采樣時可見小區(qū)內土壤中含有大量的植物根系，由于小區(qū)內土層較淺，植物根系很容易穿透土壤到達母質母巖層，促進母巖裂隙的發(fā)育，加快母巖破碎風化，從而增大了土壤中粗顆粒的比例．并且，和在耕時不同，撂荒后不存在植物收割和土地翻耕，植物根系對母巖的破碎風化作用是持續(xù)的．

2.2 撂荒對土壤養(yǎng)分及土壤化學計量比的影響

由圖2可知，撂荒前后土壤有機碳、全鉀、堿解氮質量分數差異均無統(tǒng)計學意義(p>0.05)，但是撂荒后這幾種養(yǎng)分的均值都大于撂荒前；撂荒后土壤全氮質量分數顯著增加(p<0.05)，且增幅可達61.5%；撂荒后土壤全磷、有效磷、速效鉀質量分數顯著減少(p<0.05)，有效磷減少幅度最大，可達61.4%，全磷、速效鉀分別減少14.0%，22.6%．

圖2 撂荒前后土壤養(yǎng)分變化

土壤有機質是土壤非常重要的組成部分，在土壤的形成和肥力發(fā)展過程中起著極其重要的作用，自然植被條件下植物殘體和根系分泌物是土壤有機質的主要來源．耕地撂荒后，無人為收割，植物殘體歸還到土壤中，可以增加土壤中有機質的比例，但是，紫色土區(qū)氣候溫暖濕潤，微生物活動強烈，不利于有機質的積累，因此撂荒后有機碳比例增加并不顯著．土壤中的氮素主要來源于生物固氮和氮沉降、施肥等，耕地撂荒后不再向土壤中投入肥料，然而撂荒13年后小區(qū)土壤中的全氮比例增加了61.5%，一個很重要的原因可能是氮沉降的增加．況福虹[18]的研究顯示：氮沉降量在四川盆地的增長非常迅速，2009-2014年該區(qū)域濕沉降平均增至22.5 kg N/(hm2·a)，比起2002-2004年，幾乎翻了一倍．磷在土壤中移動性小，土壤中的磷素比例與母質有很大關系[14]．撂荒后土壤中的全磷顯著降低，可能是由于相比在耕地，撂荒后少了磷肥的投入，一方面磷被植物吸收卻不能及時得到補充，另一方面磷隨土壤流失流出土體．土壤中的鉀主要來自成土母質及含鉀礦物巖石的風化和分解[19]，紫色母巖母質含鉀豐富，紫色土的全鉀比例也比較高[20]，雖然撂荒后不再施肥，減少了鉀肥的投入，且濕熱條件下鉀易流失，但由于紫色母巖快速風化成土的特性，紫色土中的鉀素很容易得到補充，因此撂荒后土壤全鉀比例變化不大．

土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀是植物可以直接吸收利用或者容易被分解轉化以供植物利用的氮磷鉀素，能很好地表征土壤的供肥能力．撂荒后土壤全氮比例增加61.5%，然而堿解氮增加并不顯著，可能是因為采樣時正值植被生長旺盛的季節(jié)，可利用的氮素被植物吸收較多，從而在一定程度上減少了土壤中的堿解氮比例．紫色土中的有效磷比例很低，常常成為提高作物產量的限制性因子[20]；雖然紫色母巖成土快，鉀素比例多，但含鉀礦物通過風化直接轉換成速效鉀的比例卻是極低的[20]．因此，施肥對于提高土壤中有效磷和速效鉀至關重要，撂荒后有效磷和速效鉀顯著降低，和施肥停止有很大關系．另外，采樣時茂盛生長的植被對養(yǎng)分的強烈吸收也是土壤中有效磷和速效鉀降低的原因之一．

圖3顯示，撂荒后，土壤的碳氮比顯著降低(p<0.05)，由撂荒前的13.88變?yōu)榱袒暮蟮?.84，降低36.3%；碳磷比極顯著升高(p<0.01)，撂荒前后分別為12.02和14.79，升高23.0%；氮磷比極顯著升高(p<0.01)，升高89.8%，并且比例由小于1變化至大于1，撂荒前后分別為0.88和1.67．

圖3 撂荒前后土壤化學計量比變化

土壤C∶N∶P可以反映土壤內部碳氮磷循環(huán)，可以指示碳氮磷的礦化或者固持作用，可作為養(yǎng)分限制和碳氮磷飽和診斷的指標[21]．一般來說，土壤碳氮比越低，分解速度越快，元素周轉速率越快；磷的有效性由土壤有機質的分解速率確定，較低的碳磷比是磷有效性高的一個指標；氮磷比可以指示土壤養(yǎng)分的限制元素[21]．撂荒后，土壤碳氮比降低，說明土壤中微生物活性增強，有機質分解加快，這可能與撂荒后人類干擾少，小區(qū)內逐漸恢復為良好的自然生態(tài)環(huán)境有關．碳磷比和氮磷比升高，指示著撂荒過程中氮元素的積累及磷元素的缺乏，隨著撂荒的進行，植被生長會受到磷元素的限制．

2.3 撂荒前后土壤肥力綜合評價

1) 確定評價因子及評價標準

選取有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀這7種養(yǎng)分作為評價因子，根據全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準(表2)確定評價標準，則：撂荒前土壤各養(yǎng)分檢測值組成集合U1={12.24，0.52，0.59，19.45，41.30，5.28，109.46}；撂荒后土壤各養(yǎng)分檢測值組成集合：U2={12.91，0.85，0.51，20.20，47.13，2.04，84.75}．集合U1和U2第1至7個元素依次為有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀的檢測平均值．

表2 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準

評價標準集構成矩陣S：

2) 建立模糊關系矩陣

根據公式(1)(2)(3)，可以得出U，V之間的模糊關系矩陣R，即每一種評價因子對于每一等級的隸屬度矩陣．

撂荒前：

撂荒后：

3) 確定各項評價因子的權重

利用主成分分析，得到主成分的貢獻率及每個評價因子對每個主成分的因子載荷，以此計算出每個評價因子的權重，如表3所示．

表3 評價因子的主成分分析及權重計算

4) 根據公式(4)，計算多指標綜合評價矩陣．

撂荒前土壤養(yǎng)分的多指標綜合評價矩陣為：

B1=W·R1=[0 0.131 4 0.314 8 0.337 7 0.216 0 0]

撂荒后土壤養(yǎng)分的多指標綜合評價矩陣為：

B2=W·R2=[0.004 8 0.115 2 0.280 9 0.389 0 0.162 1 0.048 0]

5)根據公式(5)，計算模糊綜合指數FCI，量化等級

根據表2，GT=(1，2，3，4，5，6)，因此：

撂荒前土壤養(yǎng)分綜合指數為：

FCI1=B1·G=3.638

撂荒后土壤養(yǎng)分綜合指數為：

FCI2=B2·G=3.732

FCI代表各評價因子根據表2的評價標準所算出來的綜合等級，與表2的等級一樣，FCI越小，綜合來看土壤的養(yǎng)分越好．FCI1

3 結 論

撂荒13年后，紫色土坡耕地：

砂粒比例增加，粉粒比例減少，黏粒比例變化不大，依據美國土壤質地分類，撂荒前后的土壤質地均為粉壤土，但撂荒后的土壤質地接近于壤土，土壤有粗骨化的趨勢．

土壤全氮比例顯著增加，有機碳、全鉀、堿解氮比例略有增加，但是變化并無統(tǒng)計學意義，全磷、有效磷、速效鉀比例顯著降低．用模糊數學法對土壤肥力進行綜合評價，結果顯示撂荒后土壤肥力略有下降，但變化不大．

土壤碳氮比顯著升高，或可指示有機質分解速率的加快，碳磷比、氮磷比極顯著降低，均表明撂荒過程中氮元素的積累和磷元素的缺乏，隨著撂荒的進行，磷會成為植被生長的限制元素．

4 討 論

關于耕地撂荒的環(huán)境效應，到底是更積極的還是更負面的，一直有爭論[3]．本研究顯示，紫色土坡耕地撂荒13年后，演替為荒草地，同時生長有馬桑等小型灌木．撂荒后砂粒比例增加，粉粒減少，黏粒變化不大，土壤有粗骨化的趨勢，這與廖超林等[22]的研究結果類似，但是撂荒后土壤質地并沒有發(fā)生改變．撂荒后除土壤全氮比例以外，其他養(yǎng)分比例并沒有顯著增加，甚至部分養(yǎng)分特別是有效態(tài)養(yǎng)分比例顯著降低，這與梁楚濤[23]的研究結果相似，因為都以在耕地做對比；與喬文靜等[24]的研究結果不同，這是因為他們的研究是選擇已經撂荒的不同時間序列的撂荒地做對比，這兩種情況下肥料投入的影響是不同的，而且紫色土區(qū)由于其溫暖濕潤的氣候，土壤中的養(yǎng)分本就容易流失．撂荒后土壤碳氮比顯著降低，碳磷比、氮磷比極顯著升高，但是土壤全氮比例的變化太大，從一定程度上削弱了碳氮比指示有機質分解速率的可靠性，因為氮沉降對于土壤有機碳比例變化的影響是復雜的，受生態(tài)系統(tǒng)類型、土壤有機碳組成、施氮類型和劑量等多種因素的影響[25]．撂荒13年以來，一直沒有肥料投入，采樣時間又正是植被生長茂盛、對土壤養(yǎng)分吸收較多的季節(jié)，但是綜合來看土壤肥力變化卻并不大，因此我們認為撂荒是有利于土壤養(yǎng)分的固持與積累的．

關于撂荒對土壤的影響研究，多數都是以空間代替時間的方式來對比[22-24]，這種方法，即使選擇的地塊立地條件相似，也很難保證土壤理化背景一樣，可能會對分析結果產生影響，而本研究是對比同一地塊撂荒13年前后土壤理化性質的變化，相比之下分析結果會更準確．不過，撂荒前測定的指標也限制了能對比分析的指標種類，另外，撂荒13年過程中間沒有再采樣，對于撂荒過程中土壤理化性質的動態(tài)變化難以掌握．

因為缺乏撂荒早些年的土壤養(yǎng)分數據，我們無法判斷撂荒早期土壤養(yǎng)分是如何變化的．不過梁楚濤[23]對黃土丘陵區(qū)不同年限撂荒地的土壤養(yǎng)分研究顯示，隨著撂荒的進行，土壤碳氮磷均表現出先降低后升高的趨勢，并均在撂荒17年左右達到最低值，土壤有機質直到撂荒演替20年才恢復升高．參考此研究結果，對于該撂荒地塊后續(xù)仍有必要進行觀測、采樣與測定，也可以再加測一些指標，有利于進一步判斷紫色土坡耕地撂荒的環(huán)境效應隨時間的變化情況．