內蒙古黃土丘陵區土地利用與土壤肥力的關系

　　摘要：為了研究不同土地利用方式與土壤肥力和土地退化的關系，以內蒙古黃土丘陵區為對象，選取耕地、草地、撂荒地、灌木林地和喬木林地5種土地利用類型的9個土壤理化指標，計算了不同土地利用類型的土壤肥力綜合指數及土壤退化指數。結果表明：研究區內不同土地利用類型的土壤指標均存在顯著性差異。5種土地利用類型的土壤肥力綜合指數得分為耕地>草地>灌木林地>喬木林地>撂荒地。撂荒地和喬木林地土壤退化指數為負值;灌木林地和耕地土壤退化指數為正值。不同土地利用對土壤肥力影響不同，土壤肥力綜合指數與土壤退化指數存在良好的線性關系。

　　關鍵詞：內蒙古黃土丘陵區;土地利用類型;土壤肥力綜合質量指數

　　全球氣候變暖、人口迅猛增長導致土地緊張，進而如何科學、高效地利用土地資源成為了亟待解決的問題之一。充分了解土地的肥力狀況是合理利用土地的前提，土壤肥力是評價土地是否被合理利用的重要指標之一，而土地利用作為人類利用土地進行各種活動的綜合反映，也是影響土壤肥力變化最直接、最關鍵的因素[1-3]。土壤肥力體現了土壤的綜合性狀，是土壤區別于成土母質的最基本的特征[4]，土壤養分作為衡量土壤肥力的重要指標，包括土壤有機質和氮、磷、鉀等重要組成部分[5]。土地利用方式一旦發生改變，會使土壤養分發生變化，進而影響土壤肥力，土壤肥力在一定程度上又決定了土地的利用類型[2]。因此，研究不同土地利用與土壤肥力的關系，對合理利用土地有著重要的借鑒和參考意義。

　　國內學者對土地利用與土壤肥力的關系已進行了大量研究，所涉區域甚廣，包括喀斯特地區[6-7]、平原地區[8]、丘陵區[9-11]等，眾多學者[9-10，12-13]研究表明，不同土地利用類型下，各土壤指標間存在明顯的差異性。證明了土地利用類型與土壤肥力密切相關。土地利用類型不同，人類的利用方式也各有不同，使其對土壤肥力的影響存在差異。

　　黃土丘陵區具有特殊而深厚的黃土母質和較為嚴重的水土流失等，致使黃土丘陵區的土壤養分含量低、土壤較貧瘠、土地生產力低等，因而土壤肥力成為黃土丘陵區土地利用的主要限制因子[14]。因此，該研究選取黃土丘陵區耕地、草地、撂荒地、灌木林地和喬木林地5種不同土地利用類型作用的土壤作為研究對象，通過分析土壤容重、pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷以及速效鉀在5種不同土地利用類型作用影響下的差異，對不同土地利用類型的土壤肥力進行評價，探討不同土地利用類型對內蒙古黃土丘陵區土壤肥力的影響，以期為土地的進一步改良、合理地開發利用和土壤高效管理提供科學依據[5]。

　　1材料與方法

　　1.1研究區概況

　　研究區地處晉西北黃土丘陵與土默特平原的過渡帶，地理坐標為東經111°49′40.26″～112°54′51.72″，北緯40°29′30.54″～40°33′43.19″，面積2612.61hm2。該區草地、耕地、林地3種土地利用類型面積2457.29hm2，占土地總面積的94.05%;其中草地1238.94hm2，耕地611.15hm2，林地607.22hm2。冬季漫長寒冷、夏季時短溫熱，全年干旱、多風屬典型的溫帶大陸性氣候。土壤類型以栗鈣土為主。

　　1.2試驗方法

　　于2017年8月在研究區內進行采樣。為降低地形等條件對研究的影響，選擇立地條件相似的5種土地利用類型作為研究對象，在耕地、撂荒地、草地、喬木林地和灌木林地內以梅花點法在每個樣地布設5個樣點，每個樣點分層取土。取樣時考慮表層土易受生產活動、地表植被影響，因此取樣時將表層土分為0～10cm和10～20cm2個取樣深度，其余各層間隔20cm采集土樣，即分別在0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm采集土樣，每層取3個重復，各樣點均按照此方法采集土樣，共25個樣點300個土壤樣本。將所取土壤樣本塑封帶回實驗室，先去除土壤中的枯枝落葉、植物根、莖，再將土樣自然風干，將風干的土樣過2mm篩子，未過篩的土樣反復碾碎直到全部通過2mm篩子，將通過2mm篩子的土樣塑封以用于土壤物理化學性質的測定。按上述方法使風干后的土樣全部通過0.15mm篩，過篩土樣分袋封存備測土壤化學性質。

　　1.3項目測定

　　1.3.1樣品測定

　　土壤容重采用環刀法測定，有機質含量采用K2Cr2O7法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用0.5mol·L-1NaHCO3法測定，速效鉀含量采用火焰分光光度法測定，全氮含量采用凱氏定氮儀測定，全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用火焰分光光度計法測定，pH采用pH計測定。

　　1.3.2指標選取與指數計算

　　土壤肥力評價的計算包括評價指標的選擇、權重的確定以及綜合指數的計算。由于研究目的和對象不同，不同研究者對土壤肥力有不同的理解，評價方法和指標體系也不盡相同[15]。該研究主要針對黃土丘陵區的土壤肥力進行評價，基于前人研究成果，選擇土壤pH、容重、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀9個指標作為評價因子。

　　采用主成分分析法計算不同植被下的土壤肥力綜合指數。由于土壤肥力指標的變化具有連續性，且各指標的單位不同，因此采用連續性質的隸屬度函數計算隸屬度，根據土壤性質與土壤肥力效應的的正負相關關系確定對應的隸屬函數，隸屬函數計算公式如下[15-16]：F(xi)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)(1)，F(xi)=(Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)(2)。式中，F(xi)是每個土壤肥力指標的隸屬度值;Xij是土壤肥力各指標值;Ximax、Ximin是第i個土壤肥力指標的最大值和最小值。其中，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、堿解氮、速效鉀和pH采用升型分布函數，土壤容重采用降型分布函數。

　　1.4數據分析

　　采用Excel2016軟件對數據進行初步整理，采用IBMSPSSStatistics19.0軟件對5種土地利用類型間土壤理化性質的9個指標進行差異性檢驗，顯著性水平用P=0.05表示。對所有土壤指標進行Pearson相關分析，分析土壤指標之間的相關性。對所有土壤肥力指標進行主成分分析，以確定每個指標的權重。采用Sigmplot10.0軟件繪圖。

　　2結果與分析

　　2.1不同土地利用類型對pH和容重的影響

　　pH是土壤的一項重要化學性質，它直接影響土壤中各種養分元素的存在形態和對植物的有效性。由圖1A可知，5種土地利用類型土壤pH>7，均為堿性土壤。5種不同土地利用類型之間土壤pH差異顯著(P<0.05)，土壤pH的范圍為8.71～9.06，耕地土壤pH最大為9.06，灌木林地最小為8.71。與撂荒地相比，耕地的pH提高了0.78%，草地、喬木林地、灌木林地的pH下降了1.11%、2.22%、3.11%。

　　灌木和喬木林的生長會吸收土壤中更多的陽離子，釋放更多的酸性H+，中和土壤中的OH-，從而降低土壤pH，使喬木林地、灌木林地的pH較低。不同土地利用類型的土壤容重存在顯著性差異(P<0.05)。草地的土壤容重最高為1.762g·cm-3，其次是灌木林地(1.720g·cm-3)、喬木林地(1.620g·cm-3)、撂荒地(1.520g·cm-3)，耕地最低為1.412g·cm-3。草地、喬木林地、灌木林地的土壤容重與撂荒地的土壤容重相比分別顯著增加6.57%、15.92%、13.16%，耕地的土壤容重顯著降低7.10%。耕地在耕作時對土地大量的翻耕，使土壤變得疏松，容重偏低;草地在放牧過程中牛羊等動物的踩踏使土壤緊實，是當地草地的土壤容重偏高的原因。

　　2.2不同土地利用類型對土壤養分的影響

　　不同土地利用類型的土壤有機質差異性表明，耕地與草地、喬木林地、灌木林地、撂荒地的土壤有機質含量存在顯著性差異，草地和耕地的土壤有機質含量均顯著高于喬木林地和撂荒地，喬木林地、灌木林地和撂荒地的土壤有機質含量之間無顯著性差異。與撂荒地相比，耕地、草地、灌木林地和喬木林地的有機質含量分別提高了2.11、1.23、0.46、0.05g·kg-1。

　　5種土地利用類型土壤氮素含量均存在顯著性差異(P<0.05)。耕地的全氮含量顯著高于喬木林地、灌木林地、撂荒地，與草地的全氮含量無顯著性差異;耕地的堿解氮含量與草地、喬木林地、撂荒地存在顯著性差異，與灌木林地無顯著性差異;耕地的堿解氮含量最高為62.88mg·kg-1，撂荒地最低為19.38mg·kg-1。

　　土壤磷素含量在各土地利用類型均存在顯著性差異(P<0.05)。草地的全磷含量在各土地利用類型的變化趨勢為：耕地(0.44g·kg-1)>草地(0.31g·kg-1)>灌木林地(0.20g·kg-1)>喬木林地(0.13g·kg-1)>撂荒地(0.11g·kg-1);耕地、灌木林地的速效磷含量與草地、喬木林地、撂荒地均存在顯著性差異，但耕地與灌木林地無顯著性差異，草地、喬木林地、撂荒地之間無顯著差異。撂荒地的速效磷含量值最低為2.17mg·kg-1，與之比較耕地、灌木林地、草地和喬木林地的速效磷含量分別提高了4.15、3.93、1.20、0.64mg·kg-1;土壤鉀素含量在5種土地利用類型均存在顯著性差異(P<0.05)。

　　耕地、草地的全鉀含量與喬木林地、灌木林地、撂荒地的全鉀含量存在顯著性差異，耕地和草地中的全鉀含量顯著高于喬木林地、灌木林地和撂荒地。耕地、灌木林地的速效鉀含量與草地、喬木林地、撂荒地的速效鉀含量有顯著差異，耕地的速效鉀含量與草地、喬木林地、撂荒地存在顯著差異(P<0.05);耕地的速效鉀含量(106.82mg·kg-1)顯著高于草地(54.60mg·kg-1)和喬木林地(40.50mg·kg-1)，撂荒地速效鉀含量(33.87mg·kg-1)最低。由土壤指標的相關分析得出，有機質與全氮、全鉀、全磷含量存在顯著的正相關關系，全氮和全磷、全鉀含量之間存在顯著的正相關關系;堿解氮與速效磷、速效鉀含量存在顯著的正相關關系;土壤容重與其它各土壤指標呈負相關關系。運用公式(1)、(2)計算得出土壤肥力指標的隸屬度。

　　2.3不同土地利用類型下土壤肥力指標的權重

　　對土壤肥力的9個指標進行主成分分析，前3個主成分的累計貢獻率達到98.88%，表明前3個主成分的綜合因子可以代表9個指標的大部分信息。第一主成分中的有機質和全氮、全磷的載荷和權重最高，有機質含量制約著其它土壤肥力指標的高低，是決定土壤肥力的關鍵因素，因此將第一主成分命名為土壤有機質因子;第二主成分中pH和堿解氮、速效磷的載荷和權重較高，土壤的淋溶作用直接影響土壤的速效養分與pH，可稱第二主成分為土壤速效養分因子;第三主成分中土壤容重的載荷和權重最大，第三主成分稱為土壤容重因子。

　　2.4不同土地利用類型對土壤肥力綜合指數的影響

　　根據加權綜合和加乘法，運用公式(4)、(5)求得不同土地利用類型下各主成分得分以及土壤肥力綜合指數。由表4可知，4個主成分在不同土地利用類型下的得分不同，不同土地利用類型對土壤肥力綜合指數的影響不同。土壤有機質因子(I1)的得分為耕地>草地>灌木林地>喬木林地>撂荒地，土壤速效養分因子(I2)的得分為耕地>灌木林地>撂荒地>草地>喬木林地，土壤容重因子(I3)得分為耕地>草地>喬木林地>灌木林地≈撂荒地，土壤肥力綜合指數得分為耕地>草地>灌木林地>喬木林地>撂荒地。不同土地利用類型的土壤肥力綜合指數得分規律與土壤有機質因子得分規律相同。以撂荒地為基準，耕地、草地、灌木林地、喬木林地的土壤肥力綜合指數分別提高43.982、10.219、9.912、2.907。說明人為的干擾可以改善土壤肥力，不同的土地利用類型對土壤肥力綜合指數有影響。

　　3討論

　　該研究中土壤理化指標在不同土地利用類型之間具有差異性，該結果與邱麗萍等[3]的研究結果一致，表明土壤理化性質明顯受不同土地利用類型的影響。但該研究沒有考慮生物學指標對土壤肥力質量評價的影響，對于生物學指標在內蒙古黃土丘陵區土壤肥力質量評價中的應用還有待深入研究[20]。有機質和氮素的消長，主要取決于生物積累和分解的相對強弱、氣候、植被以及耕作制度和方式諸多因素。該研究結果中耕地的有機質含量明顯高于草地和林地，而草地的有機質又明顯高于林地，該結果與以往研究結果[21-22]相同，但與部分研究結果不同，秦川等[1]、王雪梅等[23]研究表明，有機質含量林地>耕地>草地。

　　造成該結果的原因首先是耕地經過施肥使土壤中的養分含量高于林地和草地。研究區的土壤類型為栗鈣土，栗鈣土的地帶性植被以干草原為主，土壤環境的生境優勢使該區的草地養分含量高于林地。當地農業以雨養農業為主，農戶為提高產量大量施肥(有機肥、化肥和復合肥)，短期內大量使用肥料可以提高土壤養分，使耕地的有機質含量和氮素、磷素、鉀素含量非常高，但長時間不合理使用化肥使當地的耕地質量下滑，這與龔偉等[24]的研究結果一致，過量的使用化肥會使土壤內的肥量達到一定水平后對土壤的一些酶產生抑制作用，從而使土壤的肥力有所下降。施肥時只施用化肥，不配合施加有機肥是導致土壤板結的原因之一[25]。

　　加之當地雨熱同期氣候干燥，降雨量少，超量施用的化肥造成土壤硬化板結，土壤透氣性變差，日積月累致使土壤肥力下降，土地逐步退化。這與武均等[26]試驗預期變化趨勢一致，長期施肥會導致土壤出現結皮、板結。退化的耕地不宜再作為耕地，為了保護生態環境，實現土地的可持續利用，將其還草還林以恢復土地的生產力。但由于退耕前土地退化使耕地土壤養分差，造成該研究中林地、草地土壤養分的“先天不足”。米文寶等[18]的研究指出，一般喬灌木的生長至少需要5～8年才能形成穩定的生態系統，綜合效益會明顯表現出來從而達到生態恢復的作用，而在退耕的前5年草本的生長速度和養分恢復效果優于喬灌木。

　　該研究中的還草、還林地退耕年限為3年，因此草地的土壤養分含量高于林地。土壤退化指數的關鍵是選擇基準土地利用類型。該研究選擇草地作為基準土地利用類型的原因在于草地為研究區土地面積最大、適宜性最廣的土地利用類型，因此以草地為計算土壤退化的基準土地利用類型。與草地對比，撂荒地的退化最為明顯，造成撂荒地退化嚴重的原因為撂荒地的土壤表層覆蓋物少，土壤幾乎完全裸露地表，一旦發生降雨，表層小顆粒土粒便隨水流失，附著在土壤顆粒中的養分也隨之流失[5]。

　　耕地的土壤退化指數為正數，而撂荒地的退化指數為負數，說明通過人為干預可以緩解土壤的退化，且效果卓著。喬木林地存在退化現象的原因是，林地為新退耕的土地，退耕年限為3年，年限較短，還沒有完全恢復地力[18-19]。該研究借鑒尹剛強等[11]的理論成果，對土壤質量指數與土壤退化指數進行回歸分析，并發現二者呈良好的線性關系。對該研究中的土壤肥力綜合指數與土壤退化指數進行回歸分析，得出二者也存在良好的線性關系，與之一致。

　　4結論

　　該研究中，5種土地利用類型的土壤指標存在顯著性差異，土壤養分值在各土地利用類型的大小分布規律為：耕地>草地>林地>撂荒地。土壤有機質與全效養分值有良好的相關性，土壤速效養分間相關性極強。土壤肥力指標與土壤容重均存在負相關關系。通過計算不同土地利用類型的主成分綜合得分，得出每種土地利用類型土壤肥力綜合質量指數為耕地(64.271)>草地(30.508)>灌木林地(30.201)>喬木林地(23.196)>撂荒地(20.289)。定量分析以草地為基準的耕地、喬木林地、灌木林地和撂荒地的土壤退化指數，喬木林地和撂荒地存在退化現象，灌木林地和耕地不存在退化現象。土壤肥力綜合指數與土壤退化指數有著良好的線性關系：y=0.477x+30.94(R2=0.919，P<0.01)。

　　參考文獻

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