紫色土丘陵恢復區不同土地利用方式土壤質量綜合評價

摘要：在紫色土丘陵恢復區，研究了撂荒地（AL）、紫穗槐-白花草木樨地（AML）、沙地柏+馬桑地（SCL）、坡耕地（SFL）和馬尾松林地（PFL）5種土地利用方式對0～20 cm土層土壤性質的影響。結果顯示：AML與SFL的土壤pH和土壤體積質量顯著低于其他土地利用方式，而土壤含水量、土壤有機碳、全氮、堿解氮和速效磷含量顯著高于其他土地利用方式。不同土地利用方式的PLFA總量、細菌數量、真菌數量和放線菌數量、脲酶活性、蔗糖酶活性和酸性磷酸酶活性的大小為AML（或SFL）＞SCL（或PFL）＞AL（P＜0.05），土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的大小為AML＞SFL＞SCL（或PFL）＞AL（P＜0.05）。除速效鉀外，土壤各因子間存在密切相關性。主成分分析評價的土壤肥力綜合指數大小為AML（0.212）＞SFL（0.209）＞SCL（0.162）＞PFL（0.147）＞AL（-0.480）。研究表明AML和SFL（坡改梯+植物籬）最有利于恢復區土壤質量恢復，研究結果可為紫色土丘陵恢復區及相似條件地區的生態建設提供理論基礎。

關鍵詞：土地利用方式；土壤質量；主成分分析；綜合肥力指數；綜合評價

中圖分類號：S714.8""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）09-2875-09

收稿日期：2024-02-21；修回日期：2024-04-07

基金項目：湖南省科技廳項目（S2006N332）；衡陽市科技計劃項目（202150083609）；湖南環境生物職業技術學院南岳學者基金項目（N2021-03）資助

作者簡介：

李娟（1990-），女，漢族，湖南常寧人，碩士，講師，主要從事土壤生態學、恢復生態學以及土地資源綜合利用的教學與研究，E-mail：dljz0908@163.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：yangning8787@sina.com

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2024.09.021

引用格式：

李" 娟， 楊滿元， 楊" 寧.紫色土丘陵恢復區不同土地利用方式土壤質量綜合評價［J］.草地學報，2024，32（9）：2875-2883

LI Juan， YANG Man-yuan， YANG Ning.Comprehensive Assessment of Soil Quality in Restoration Region of Hills with Purple Soils under Different Land-use Types［J］.Acta Agrestia Sinica，2024，32（9）：2875-2883

Comprehensive Assessment of Soil Quality in Restoration Region of Hills with

Purple Soils under Different Land-use Types

LI Juan， YANG Man-yuan， YANG Ning*

（College of Landscape Architecture， Hunan Environmental-Biological Polytechnic College， Hengyang， Hunan Province 421005， China）

Abstract：A study was conducted to analyze，compare and assess the soil quality of the 0-20 cm soil layers in restoration region of hills with purple soils in Hengyang，South-central China under different land-use types including AL （Abandoned land），AML （Amorpha fruticosa-Melilotus albus land），SCL （Sabina vulgaris+Coriaria nepalensis land），SFL （Slope farmland） and PFL （Pinus massoniana forest land） in 2021-2023. The results showed that：（1） Soil pH and soil bulk density （SBD） in AML and SFL were significantly lower than other land-use types （P＜0.05），while contents of soil water content （SWC），soil organic carbon （SOC），total nitrogen （TN），alkali-hydrolyzable nitrogen （AN） and available phosphorus （AP） in AML and SFL were significantly higher than other land-use types （P＜0.05）;（2） Among different land-use types，the total phospholipid fatty acids （TPFAs），the number of bacteria （NBa），the number of fungi （NFu），the number of actinomycete （NAm），urease activity （UA），invertase activity （INA） and acid phosphatase activity （APA） were of the following sequence：AML （or SFL）＞SCL （or PFL）＞AL（P＜0.05），the contents of soil microbial biomass carbon （SMBC） and soil microbial biomass nitrogen （SMBN） were of the following sequence：AML＞SFL＞SCL （or PFL）＞AL（P＜0.05）;（3） There were close correlations among all soil factors apart from AK;（4） Integrated fertility index （IFI） of 0-20 cm soil layer in five land-use types by principal component analysis （PCA） were：AML （0.212）＞SFL （0.209）＞SCL （0.162）＞PFL （0.147）＞AL（-0.480）. All the study showed that the AMI and SFL （changing slope into terrace+hedgerow） were the most beneficial land-use types for the recovery of soil quality in restoration region，and could provide theoretic basis for the ecological construction in restoration region on hills with purple soils and other areas with similar conditions.

Key words：Land-use type;Soil quality;Principal component analysis （PCA）;Integrated fertility index （IFI）;Comprehensive assessment.

土壤作為土地利用的重要載體，其養分或肥力水平是土壤性質的重要體現，土壤養分或肥力的豐缺程度直接影響甚至決定了土地利用的質量，進而影響著土壤生態系統的健康發展［1］。土地利用方式作為影響土壤養分或肥力水平的重要舉措，是改善土壤養分和土壤肥力狀況的重要原因［2-3］。合理的土地利用方式可以提升土壤肥力，改善土壤質量，反之，則會導致土壤質量退化，土壤生態平衡遭到破壞［4-5］。因此，選擇適宜土地利用方式已經成為改善土壤質量，恢復退化生態系統功能的重要舉措［6］。

土壤質量評價已在國內外普遍開展，其主要方法有主成分和聚類分析法［7］、灰色關聯分析法［8］、地統計法［9］、多元線性回歸法［10］、TOPSIS法［11］、隸屬函數法［12］等。其中，主成分分析法在土壤質量評價中應用最為廣泛，由于該方法可弱化各自變量間的關系，容易精確篩選各主成分來獲取其在土壤質量評價中的貢獻率，最后通過計算因變量的綜合得分，從而達到對土壤質量的準確評價［13-14］。

恢復區紫色土面積1.625×105 hm2，由于長期不合理的土地利用方式，導致恢復區內部分紫色土出現嚴重的退化，表現“旱、薄、瘦、蝕”特點，成為制約恢復區經濟和社會發展的重大生態問題［15］。自20世紀90年代以來，為改善恢復區生態環境，實行大規模退耕還林還草，經多年檢驗，保留部分土地利用方式，相關學者對恢復區內紫色土性質等進行了大量富有成效的研究，多集中在理化性質［12，16］、種子庫特征［17］、腐殖質性質［18-19］等方面，而對恢復區紫色土生物學性狀的關注相對較少，導致綜合生物學性狀在內的土壤質量評價較少，致使對恢復區土壤質量的認識相對薄弱。基于此，本研究選用恢復區5種土地利用方式的17個土壤理化及生物學性狀指標，應用主成分分析對恢復區的紫色土質量進行綜合評價，以期為恢復區紫色土的植被和地力恢復提供理論依據。

1" 材料與方法

1.1" 研究區概況

研究恢復區（110°32′16″～113°16′32″ E，26°07′05″～27°28′24″ N）位于湘江中游，湖南省東南部；自然景觀為紫色土丘陵區；氣象特征為亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫暖，雨量充沛，年均溫17.60～18.25℃，年降水量1250.00～1450.00 mm，年蒸發量1135.02～1459.87 mm，相對濕度78.59%～86.07%，年均日照時數1583.64～1753.89 h，無霜期270.75～290.18 d，自然災害以暴雨（4～9月）和秋旱為主；紫色土恢復區喬木以天然次生林楓香（Liquidamdar formosana）為主，灌木以牡荊（Vitex negundo var.cannabifolia）、剌槐（Robinia pseudoacacia）居多，草本以狗尾草（Setaria viridis）等為主，植被覆蓋率19.17%；紫色土土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為0.21 g·kg-1，0.15 g·kg-1，0.18 g·kg-1和35.42 g·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為35.76 mg·kg-1，12.58 mg·kg-1和252.49 mg·kg-1，土壤pH值為8.47［20-21］。

1.2" 試驗方法

在湖南省衡南縣譚子山鎮“紫色土山丘綜合治理配套技術研究示范”實驗區內，選擇土地利用年限相同（均為30 a），海拔、坡向、坡度和裸巖率等環境因子基本相似，面積均大于1 hm2的撂荒地（Abandoned land，AL）、紫穗槐—白花草木樨地（Amorpha fruticosa—Melilotus albus land，AML）、沙地柏+馬桑地（Sabina vulgaris+Coriaria nepalensis land，SCL）、坡耕地（Slope farmland，SFL）和馬尾松林地（Pinus massoniana forest land，PFL）5種土地利用/植被恢復方式，其基本概況見表1。于2021年9月15日～2023年9月15日，在每個土地利用/植被恢復方式中分別設置間距100 m，大小100 m×100 m的5個重復樣地，各樣地中隨機設置間距10 m的5個采樣點，各采樣點取平行間隔為2 m的5次重復，取樣坡度均小于5°。采樣點凋落物與土樣采集：收集采樣點內所有未分解層和半分解層凋落物，混合后立即稱重。同時在各采樣點用土鉆取表層（0～20 cm）土樣，每個樣地按“S”型5個重復樣品混合均勻帶回實驗室，四分法分成兩份（每份約1 kg），一份自然風干研磨后過2 mm篩，用于測定土壤理化指標；另一份過4 mm篩，冷藏置-4℃冰箱待測生物學指標。

1.3" 測定指標與方法

土壤理化性質指標及測定方法：包括土壤含水量（Soil water content，SWC）、土壤體積質量（Soil bulk density，SBD）、土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）、全氮（Total nitrogen，TN）、堿解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）、速效磷（Available phosphorus，AP）、速效鉀（Available potassium，AK）和土壤pH值等，測定方法參照文獻［22］。

土壤生物學指標及測定方法：包括土壤微生物群落磷脂脂肪酸總量（Total phospholipid fatty acids，TPFAs）、細菌數量（Number of bacteria，NBa）、真菌數量（Number of fungi，NFu）和放線菌數量（Number of actinomycete，NAm），測定方法參照文獻［23］。土壤微生物生物量碳（Soil microbial biomass carbon，SMBC）和土壤微生物生物量氮（Soil microbial biomass nitrogen，SMBN）采用氯仿熏蒸浸提分析儀測定，其方法參照文獻［24］。脲酶活性（Urease activity，UA）、蔗糖酶活性（Invertase activity，INA）和酸性磷酸酶活性（Acid phosphatase activity，APA）均采用比色法測定，其方法參照文獻［25］。

1.4" 數據處理

數據分析采用SPSS 26.0進行單因素方差分析和多重比較，相關性分析和主成分分析（Principal component analysis，PCA）。所有數據測定結果以于2021年、2022年和2023年3年平均值±標準差的形式表達。

由于土壤養分或肥力因子間存在不同相關性，首先根據相關性大小將土壤養分或肥力因子分組（同組內因子相關性較高，不同組內較低），然后利用降維思想將多個因子轉變為幾個關聯性不強的綜合因子，確定參評綜合因子的初始特征值（包括特征根、貢獻率和累積貢獻率），找出關鍵主成分并計算其得分值，最后根據關鍵主成分得分值計算不同土地利用方式的土壤綜合肥力指數（Integrated fertility index， IFI）［13］。

綜合肥力指數的計算采用指數和法，其計算公式為：

IIFI=β1F1+β2F2+…+βmFm（1）

式中：F表示單個主成分得分；β表示對應主成分的貢獻率。

2" 結果與分析

2.1" 紫色土丘陵恢復區不同土地利用方式土壤肥力的變化

2.1.1" 土壤理化性質" 土壤理化性質在不同土地利用方式間存在不同程度的差異（表2）。SWC，SOC，TN，AN，AP含量在不同土地利用方式間的大小順序均為AML（或SFL）＞SCL（或PFL）＞AL（P＜0.05），AML（或SFL）的SWC，SOC，TN，AN，AP含量分別比AL分別增加51.15%（或49.02%），104.70%（或11.54%），72.30%（或72.70%），19.74%（或18.09%）和58.56%（或61.54%）；與此相反，SBD的大小順序為AL＞SCL（或PFL）＞AML（或SFL）（P＜0.05），AL的SBD分別為SCL（或PFL）和AML（或SFL）的1.22（或1.21）和1.31（或1.29）倍；AML與SFL的pH值呈中性，顯著低于其他3種土地利用方式（均為弱堿性）；AK在不同土地利用方式間的變化范圍為260.82～267.54 mg·kg-1，無顯著差異。

2.1.2" 土壤生物學性質" 不同土地利用方式土壤生物學性質差異顯著（表3）。TPFAs，NBa，NFu，NAm，UA，INA和APA均以AML（或SFL）最高，SCL（或PFL）次之，AL最小，其差異顯著（P＜0.05），AML（或SFL）的TPFAs，NBa，NFu，NAm，UA，INA和APA分別比AL增加150.89%（或144.27%），155.71%（或147.99%），164.18%（或154.73%），126.42%（或120.38%），116.67%（或111.11%），50.71%（或48.78%）和94.77%（或92.93%）；SMBC，SMBN含量的大小順序為AML＞SFL＞SCL（或PFL）＞AL（P＜0.05），AML的SMBC含量分別為SFL、SCL（或PFL）和AL的1.36，1.53（或1.52）和1.97倍，SMBN含量分別為1.13，1.44（或1.43）和2.80倍。

2.2" 紫色土丘陵恢復區不同土地利用方式土壤肥力評價

2.2.1" 土壤肥力因子相關性分析" 在0～20 cm土層，土壤各肥力因子間存在密切關系。SWC與SBD和土壤pH值的Pearson相關系數分別為-0.512和-0.410，達顯著或極顯著水平（P＜0.05或P＜0.01）；SWC，SOC，TN，AN，AP，SMBC，SMBN，TPFAs，NBa，NFu，NAm，UA，INA和APA之間呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05或P＜0.01）；SBD和pH分別與SWC，SOC，TN，AN，AP，SMBC，SMBN，TPFAs，NBa，NFu，NAm，UA，INA和APA呈顯著或極顯著負相關（P＜0.05或P＜0.01）。綜上報述，除AK外，不同土地利用方式的各土壤因子間存在顯著或極顯著相關關系，可用來綜合反映土壤的肥力狀況（表4）。

2.2.2" 主成分分析" 主成分PC1，PC2，PC3和PC4的特征值分別為11.390，7.303，7.119和1.202，均大于1，累積貢獻率達85.135%，超過85.000%，基本能反映土壤肥力評價的變異信息和土壤健康的綜合狀況（表5）［13］。

PC1主要綜合了SWC，SOC，TN，AN，SMBC和SMBN含量的信息；PC2主要綜合了TPFAs，NBa，NFu和NAm的信息；PC3主要綜合了AP，UA，INA和APA的信息；PC4主要綜合了SBD和pH的信息（表6）。

Fi表示第i個土壤肥力質量綜合指標，即主成分，用X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16和X17分別表示SWC，SBD，SOC，TN，AN，AP，AK，pH，TPFAs，NBa，NFu，NAm，SMBC，SMBN，UA，INA，APA。則4個主成分得分分別為：

F1=0.950X1-0.186X2+0.932X3+0.994X4+0.978X5+0.698X6+0.566X7-0.096X8+0.786X9+0.679X10+0.731X11+0.690X12+0.918X13+0.898X14+0.674X15+0.578X16+0.600X17

F2=0.564X1-0.245X2+0.552X3-0.400X4-0.408X5+0.375X6+0.476X7+0.458X8+0.823X9+0.866X10+0.775X11+0.767X12+0.505X13+0.600X14+0.537X15+0.546X16+0.512X17

F3=-0.016X1-0.072X2+0.476X3+0.308X4+0.301X5+0.731X6+0.456X7+0.504X8+0.526X9+0.506X10+0.418X11+0.456X12-0.207X13+0.474X14+0.847X15+0.773X16+0.638X17

F4=0.145X1-0.169X2+0.149X3-0.005X4-0.005X5-0.005X6+0.091X7-0.151X8+0.149X9+0.148X10+0.147X11+0.136X12+0.144X13-0.005X14+0.145X15+0.149X16+0.139X17

根據公式（1），結合表5，5種土地利用方式0～20 cm土層土壤IFI的計算式為：IIFI=35.896%F1+23.015%F2+22.436%F3+3.788%F4，然后分別得到不同土地利用方式的IIFI（表7）。結果表明IIFI的大小順序為：AML（0.212）＞SFL（0.209）＞SCL（0.162）＞PFL（0.147）＞AL（-0.480）。

3" 討論

3.1" 不同土地利用方式對土壤理化性質的影響

本研究表明，5種土地利用方式0～20 cm土層SBD的變化區間在0.96～1.26 g·cm-3，與徐寧等［26］認為（刈草、放牧與種植）草地、青裸地、荒山灌叢0～15 cm土層的SBD的變化區間在0.80～1.60 g·cm-3的研究結果基本一致；AML與SFL（坡改梯+植物籬）的SBD顯著低于其他土地利用方式，說明AML與SFL（坡改梯+植物籬）的土層土壤疏松多孔，土壤保水保肥能力較大，有利于植物根系的發育和對土壤資源的充分利用。

在0～20 cm土層，AML或SFL（坡改梯+植物籬）的SWC，SOC，TN，AN與AP含量較高，SCL（或PFL）次之，AL最低。AML的優勢植物為紫穗槐與白花草木樨等豆科植物，根瘤菌特有的固氮能力能為其生長發育提供更多的N源。另外紫穗槐為枝葉茂密的落葉灌木，每年有大量的枯枝落葉和細小的顆粒物在灌層下堆積形成“肥島”，腐質化作用加強，土壤性質得到明顯改善［27］；白花草木樨為一年生或二年生的草本植物，枯枝落葉和其土壤中C，N含量增加，同時在0～20 cm土層，細根發達，衰亡根與根系分泌物促進土壤微生物生長繁殖和代謝活動，提高土壤酶的活性，加快枯枝落葉的分解，提升土壤肥力［28］；實踐證明，植灌種草4年后，植被覆蓋度達85%左右，徑流量減少達60%左右，灌草帶聚土厚度達4.5 cm左右，SOC提高0.45 g·kg-1左右［29］；SFL（坡改梯+植物籬）在化肥和有機物料等人為輔助能投入抵消了農作物帶出能量的同時，歸還大量農作物殘茬、秸稈等以增加土壤養分的含量，另外，香根草叢生，根系發達，能在坡改梯的坡耕地上形成致密的根結性植物籬，使坡地自然梯化，有效地減緩或攔截地表徑流，在梯地內側形成“肥島”效應，增加土壤養分含量，從而土壤肥力得到極大的提升［30-31］；PFL的馬尾松凋落物富含單寧而難分解；SCL的優勢植物為沙地柏與馬桑等灌叢植物，他們耐旱性強，根系發達，一方面根系需消耗大量土壤水分、養分等以維持其地上較強的萌發力和再生力，另一方面，高蓋度（達95%）截留的降水量比例較大，導致滲入SCL斑塊雨水量較少，降低其枯枝落葉腐化或熟化的程度以及土壤的肥力水平［32］；AL的蓋度僅40%，地表徑流帶走大量的可溶性養分，加之紫色土顏色深，吸收較多太陽輻射導致土溫升高幅度大，土壤中有機形態養分通過礦化轉化形成的無機形態，既可隨地表徑流而減少，還可通過的揮發、淋失和反硝化脫氮等途徑流失，大大減小了土養分庫的儲量［33-34］。

AML和SFL（坡改梯+植物籬）的土壤pH值顯著低于其他土地利用方式。一方面可能是AML中的凋落物和SFL（坡改梯+植物籬）中的農作物桔桿等的循環加重了土壤膠體中硅酸鹽化合物及含鐵化合物的礦化，加速了土壤中K+、Ca2+等的流失和Al3+、H+等的積累；另一方面，在SFL（坡改梯+植物籬）中大量使用復合肥，其主要成分包括硫酸銨、過磷酸鉀以及氯化鉀等。當氮、磷、鉀等營養成分被農作物吸收利用后，殘留在土壤中的SO2-4、Cl-等酸根離子加快了土壤酸化的進程［35-36］。

3.2" 不同土地利用方式對土壤生物學性質的影響

土壤的生物學指標是土壤的重要組分之一，能促進土壤中的一切生化反應，快速且準確地體現土壤的健康狀況，被看成是指示土壤肥力或土地利用方式的重要指標［11］。在5種土地利用方式中，AML和SFL（坡改梯+植物籬）的TPFAs，NBa，NFu，NAm，SMBC，SMBN，UA，INA，APA顯著高于其他3種土地利用方式（P＜0.05），而AL的TPFAs，NBa，NFu，NAm，SMBC，SMBN，UA，INA，APA顯著低于其他4種土地利用方式（P＜0.05）（表3），且他們與SWC，SOC，TN，AN和AP等具有顯著或極顯著的正相關性（P＜0.05或P＜0.01），與SBD和土壤pH值具有顯著或極顯著的負相關性（P＜0.05或P＜0.01）（表4），其結果與張汪壽等［37］和張嘉寧等［3］的研究基本一致。AML和SFL（坡改梯+植物籬）與AL相比，植被蓋度較高，土壤水分蒸發量減少，地表徑流減弱，大量的枯枝落葉、衰亡根、作物殘茬、秸稈等為土壤微生物提供豐富的C、N源，刺激土壤微生物的生長和發育，增加土壤酶活性，加強土壤中碳、氮循環強度，促進SOC的分解與合成，保持SOC活性，提升土壤肥力［38-39］。

3.3" 不同土地利用方式土壤質量綜合評價

土壤肥力的高低受土地利用方式的影響［40］。本研究中不同土地利用方式的土壤性質不一致，采取主成分分析法選取了SWC，SBD，SOC，TN，AN，AP，AK，pH，TPFAs，NBa，NFu，NAm，SMBC，SMBN，UA，INA，APA等17個指標對衡陽紫色土丘陵恢復區不同土地利用方式的壤質量進行評價。從評價結果看，土壤質量以AML和SFL（坡改梯+植物籬）較高，與恢復區實際較為符合。AML的優勢植物為豆科落葉灌木紫穗槐和豆科一、二年生草本白花草木樨，結構致密的紫穗槐為白花草木樨的生長發育提供了有效的保護，同時大量的根瘤菌和枯枝落葉等在AML地帶形成“肥島”，為土壤提供了大量的有機物來源；SFL（坡改梯+植物籬）雖然有農作物的產出，同時大量人為輔助能投入，農作物殘茬與秸稈等的歸還等增加了土壤養分的含量，另外，具有叢生特點的香根草植物籬，能有效地減緩水土流失，在梯地內側形成“肥島”，土壤肥力得到明顯提升。

除AML和SFL（坡改梯+植物籬）外，SCL與PFL土壤肥力相較于AL也有一定水平的提升。主要的原因在于：一是SCL與PFL通過植被恢復來減弱水土流失，強化對土壤養分的保護作用［41-42］；二是SCL與PFL通過植物根系分泌物釋放、衰亡根分解和凋落物積累，強化對土壤顆粒的纏結，促進了土壤團聚體的形成，改善土壤微生物生存環境，加快土壤養分積累［43］。

綜上所述，5種土地利用方式對土壤質量改良效果各不相同，主要由于植物群落環境、凋落物的質與量、根系分泌物以及土壤“肥島”對不同土地利用方式響應的差異。本研究對5種土地利用方式的土壤質量評價為恢復區土壤質量評價提供了方法和指標的借鑒，評價結果對衡陽紫色土丘陵恢復區及生態條件相似的地區的生態修復具有重要的實踐指導意義。

4" 結論

除撂荒地外，其他4種土地利用方式的土壤性質均得到明顯改善。主成分分析土壤綜合肥力指數的大小依次為：紫穗槐—白花草木樨地（0.212）、坡耕地（坡改梯+植物籬）（0.209）、沙地柏+馬桑地（0.162）、馬尾松林地（0.147）和撂荒地（-0.480）。說明紫穗槐—白花草木樨地和坡耕地（坡改梯+植物籬）土地利用方式最有利于該恢復區紫色土質量的改善，這一結果對該恢復區及相似條件地區的生態建設具有重要指導意義。

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（責任編輯" 付" 宸）