内蒙古黄土丘陵区土地利用与土壤肥力的关系

　　摘要：为了研究不同土地利用方式与土壤肥力和土地退化的关系，以内蒙古黄土丘陵区为对象，选取耕地、草地、撂荒地、灌木林地和乔木林地5种土地利用类型的9个土壤理化指标，计算了不同土地利用类型的土壤肥力综合指数及土壤退化指数。结果表明：研究区内不同土地利用类型的土壤指标均存在显著性差异。5种土地利用类型的土壤肥力综合指数得分为耕地>草地>灌木林地>乔木林地>撂荒地。撂荒地和乔木林地土壤退化指数为负值;灌木林地和耕地土壤退化指数为正值。不同土地利用对土壤肥力影响不同，土壤肥力综合指数与土壤退化指数存在良好的线性关系。

　　关键词：内蒙古黄土丘陵区;土地利用类型;土壤肥力综合质量指数

　　全球气候变暖、人口迅猛增长导致土地紧张，进而如何科学、高效地利用土地资源成为了亟待解决的问题之一。充分了解土地的肥力状况是合理利用土地的前提，土壤肥力是评价土地是否被合理利用的重要指标之一，而土地利用作为人类利用土地进行各种活动的综合反映，也是影响土壤肥力变化最直接、最关键的因素[1-3]。土壤肥力体现了土壤的综合性状，是土壤区别于成土母质的最基本的特征[4]，土壤养分作为衡量土壤肥力的重要指标，包括土壤有机质和氮、磷、钾等重要组成部分[5]。土地利用方式一旦发生改变，会使土壤养分发生变化，进而影响土壤肥力，土壤肥力在一定程度上又决定了土地的利用类型[2]。因此，研究不同土地利用与土壤肥力的关系，对合理利用土地有着重要的借鉴和参考意义。

　　国内学者对土地利用与土壤肥力的关系已进行了大量研究，所涉区域甚广，包括喀斯特地区[6-7]、平原地区[8]、丘陵区[9-11]等，众多学者[9-10，12-13]研究表明，不同土地利用类型下，各土壤指标间存在明显的差异性。证明了土地利用类型与土壤肥力密切相关。土地利用类型不同，人类的利用方式也各有不同，使其对土壤肥力的影响存在差异。

　　黄土丘陵区具有特殊而深厚的黄土母质和较为严重的水土流失等，致使黄土丘陵区的土壤养分含量低、土壤较贫瘠、土地生产力低等，因而土壤肥力成为黄土丘陵区土地利用的主要限制因子[14]。因此，该研究选取黄土丘陵区耕地、草地、撂荒地、灌木林地和乔木林地5种不同土地利用类型作用的土壤作为研究对象，通过分析土壤容重、pH、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷以及速效钾在5种不同土地利用类型作用影响下的差异，对不同土地利用类型的土壤肥力进行评价，探讨不同土地利用类型对内蒙古黄土丘陵区土壤肥力的影响，以期为土地的进一步改良、合理地开发利用和土壤高效管理提供科学依据[5]。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　研究区地处晋西北黄土丘陵与土默特平原的过渡带，地理坐标为东经111°49′40.26″～112°54′51.72″，北纬40°29′30.54″～40°33′43.19″，面积2612.61hm2。该区草地、耕地、林地3种土地利用类型面积2457.29hm2，占土地总面积的94.05%;其中草地1238.94hm2，耕地611.15hm2，林地607.22hm2。冬季漫长寒冷、夏季时短温热，全年干旱、多风属典型的温带大陆性气候。土壤类型以栗钙土为主。

　　1.2试验方法

　　于2017年8月在研究区内进行采样。为降低地形等条件对研究的影响，选择立地条件相似的5种土地利用类型作为研究对象，在耕地、撂荒地、草地、乔木林地和灌木林地内以梅花点法在每个样地布设5个样点，每个样点分层取土。取样时考虑表层土易受生产活动、地表植被影响，因此取样时将表层土分为0～10cm和10～20cm2个取样深度，其余各层间隔20cm采集土样，即分别在0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm采集土样，每层取3个重复，各样点均按照此方法采集土样，共25个样点300个土壤样本。将所取土壤样本塑封带回实验室，先去除土壤中的枯枝落叶、植物根、茎，再将土样自然风干，将风干的土样过2mm筛子，未过筛的土样反复碾碎直到全部通过2mm筛子，将通过2mm筛子的土样塑封以用于土壤物理化学性质的测定。按上述方法使风干后的土样全部通过0.15mm筛，过筛土样分袋封存备测土壤化学性质。

　　1.3项目测定

　　1.3.1样品测定

　　土壤容重采用环刀法测定，有机质含量采用K2Cr2O7法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用0.5mol·L-1NaHCO3法测定，速效钾含量采用火焰分光光度法测定，全氮含量采用凯氏定氮仪测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定，全钾含量采用火焰分光光度计法测定，pH采用pH计测定。

　　1.3.2指标选取与指数计算

　　土壤肥力评价的计算包括评价指标的选择、权重的确定以及综合指数的计算。由于研究目的和对象不同，不同研究者对土壤肥力有不同的理解，评价方法和指标体系也不尽相同[15]。该研究主要针对黄土丘陵区的土壤肥力进行评价，基于前人研究成果，选择土壤pH、容重、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾9个指标作为评价因子。

　　采用主成分分析法计算不同植被下的土壤肥力综合指数。由于土壤肥力指标的变化具有连续性，且各指标的单位不同，因此采用连续性质的隶属度函数计算隶属度，根据土壤性质与土壤肥力效应的的正负相关关系确定对应的隶属函数，隶属函数计算公式如下[15-16]：F(xi)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)(1)，F(xi)=(Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)(2)。式中，F(xi)是每个土壤肥力指标的隶属度值;Xij是土壤肥力各指标值;Ximax、Ximin是第i个土壤肥力指标的最大值和最小值。其中，土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、碱解氮、速效钾和pH采用升型分布函数，土壤容重采用降型分布函数。

　　1.4数据分析

　　采用Excel2016软件对数据进行初步整理，采用IBMSPSSStatistics19.0软件对5种土地利用类型间土壤理化性质的9个指标进行差异性检验，显著性水平用P=0.05表示。对所有土壤指标进行Pearson相关分析，分析土壤指标之间的相关性。对所有土壤肥力指标进行主成分分析，以确定每个指标的权重。采用Sigmplot10.0软件绘图。

　　2结果与分析

　　2.1不同土地利用类型对pH和容重的影响

　　pH是土壤的一项重要化学性质，它直接影响土壤中各种养分元素的存在形态和对植物的有效性。由图1A可知，5种土地利用类型土壤pH>7，均为碱性土壤。5种不同土地利用类型之间土壤pH差异显著(P<0.05)，土壤pH的范围为8.71～9.06，耕地土壤pH最大为9.06，灌木林地最小为8.71。与撂荒地相比，耕地的pH提高了0.78%，草地、乔木林地、灌木林地的pH下降了1.11%、2.22%、3.11%。

　　灌木和乔木林的生长会吸收土壤中更多的阳离子，释放更多的酸性H+，中和土壤中的OH-，从而降低土壤pH，使乔木林地、灌木林地的pH较低。不同土地利用类型的土壤容重存在显著性差异(P<0.05)。草地的土壤容重最高为1.762g·cm-3，其次是灌木林地(1.720g·cm-3)、乔木林地(1.620g·cm-3)、撂荒地(1.520g·cm-3)，耕地最低为1.412g·cm-3。草地、乔木林地、灌木林地的土壤容重与撂荒地的土壤容重相比分别显著增加6.57%、15.92%、13.16%，耕地的土壤容重显著降低7.10%。耕地在耕作时对土地大量的翻耕，使土壤变得疏松，容重偏低;草地在放牧过程中牛羊等动物的踩踏使土壤紧实，是当地草地的土壤容重偏高的原因。

　　2.2不同土地利用类型对土壤养分的影响

　　不同土地利用类型的土壤有机质差异性表明，耕地与草地、乔木林地、灌木林地、撂荒地的土壤有机质含量存在显著性差异，草地和耕地的土壤有机质含量均显著高于乔木林地和撂荒地，乔木林地、灌木林地和撂荒地的土壤有机质含量之间无显著性差异。与撂荒地相比，耕地、草地、灌木林地和乔木林地的有机质含量分别提高了2.11、1.23、0.46、0.05g·kg-1。

　　5种土地利用类型土壤氮素含量均存在显著性差异(P<0.05)。耕地的全氮含量显著高于乔木林地、灌木林地、撂荒地，与草地的全氮含量无显著性差异;耕地的碱解氮含量与草地、乔木林地、撂荒地存在显著性差异，与灌木林地无显著性差异;耕地的碱解氮含量最高为62.88mg·kg-1，撂荒地最低为19.38mg·kg-1。

　　土壤磷素含量在各土地利用类型均存在显著性差异(P<0.05)。草地的全磷含量在各土地利用类型的变化趋势为：耕地(0.44g·kg-1)>草地(0.31g·kg-1)>灌木林地(0.20g·kg-1)>乔木林地(0.13g·kg-1)>撂荒地(0.11g·kg-1);耕地、灌木林地的速效磷含量与草地、乔木林地、撂荒地均存在显著性差异，但耕地与灌木林地无显著性差异，草地、乔木林地、撂荒地之间无显著差异。撂荒地的速效磷含量值最低为2.17mg·kg-1，与之比较耕地、灌木林地、草地和乔木林地的速效磷含量分别提高了4.15、3.93、1.20、0.64mg·kg-1;土壤钾素含量在5种土地利用类型均存在显著性差异(P<0.05)。

　　耕地、草地的全钾含量与乔木林地、灌木林地、撂荒地的全钾含量存在显著性差异，耕地和草地中的全钾含量显著高于乔木林地、灌木林地和撂荒地。耕地、灌木林地的速效钾含量与草地、乔木林地、撂荒地的速效钾含量有显著差异，耕地的速效钾含量与草地、乔木林地、撂荒地存在显著差异(P<0.05);耕地的速效钾含量(106.82mg·kg-1)显著高于草地(54.60mg·kg-1)和乔木林地(40.50mg·kg-1)，撂荒地速效钾含量(33.87mg·kg-1)最低。由土壤指标的相关分析得出，有机质与全氮、全钾、全磷含量存在显著的正相关关系，全氮和全磷、全钾含量之间存在显著的正相关关系;碱解氮与速效磷、速效钾含量存在显著的正相关关系;土壤容重与其它各土壤指标呈负相关关系。运用公式(1)、(2)计算得出土壤肥力指标的隶属度。

　　2.3不同土地利用类型下土壤肥力指标的权重

　　对土壤肥力的9个指标进行主成分分析，前3个主成分的累计贡献率达到98.88%，表明前3个主成分的综合因子可以代表9个指标的大部分信息。第一主成分中的有机质和全氮、全磷的载荷和权重最高，有机质含量制约着其它土壤肥力指标的高低，是决定土壤肥力的关键因素，因此将第一主成分命名为土壤有机质因子;第二主成分中pH和碱解氮、速效磷的载荷和权重较高，土壤的淋溶作用直接影响土壤的速效养分与pH，可称第二主成分为土壤速效养分因子;第三主成分中土壤容重的载荷和权重最大，第三主成分称为土壤容重因子。

　　2.4不同土地利用类型对土壤肥力综合指数的影响

　　根据加权综合和加乘法，运用公式(4)、(5)求得不同土地利用类型下各主成分得分以及土壤肥力综合指数。由表4可知，4个主成分在不同土地利用类型下的得分不同，不同土地利用类型对土壤肥力综合指数的影响不同。土壤有机质因子(I1)的得分为耕地>草地>灌木林地>乔木林地>撂荒地，土壤速效养分因子(I2)的得分为耕地>灌木林地>撂荒地>草地>乔木林地，土壤容重因子(I3)得分为耕地>草地>乔木林地>灌木林地≈撂荒地，土壤肥力综合指数得分为耕地>草地>灌木林地>乔木林地>撂荒地。不同土地利用类型的土壤肥力综合指数得分规律与土壤有机质因子得分规律相同。以撂荒地为基准，耕地、草地、灌木林地、乔木林地的土壤肥力综合指数分别提高43.982、10.219、9.912、2.907。说明人为的干扰可以改善土壤肥力，不同的土地利用类型对土壤肥力综合指数有影响。

　　3讨论

　　该研究中土壤理化指标在不同土地利用类型之间具有差异性，该结果与邱丽萍等[3]的研究结果一致，表明土壤理化性质明显受不同土地利用类型的影响。但该研究没有考虑生物学指标对土壤肥力质量评价的影响，对于生物学指标在内蒙古黄土丘陵区土壤肥力质量评价中的应用还有待深入研究[20]。有机质和氮素的消长，主要取决于生物积累和分解的相对强弱、气候、植被以及耕作制度和方式诸多因素。该研究结果中耕地的有机质含量明显高于草地和林地，而草地的有机质又明显高于林地，该结果与以往研究结果[21-22]相同，但与部分研究结果不同，秦川等[1]、王雪梅等[23]研究表明，有机质含量林地>耕地>草地。

　　造成该结果的原因首先是耕地经过施肥使土壤中的养分含量高于林地和草地。研究区的土壤类型为栗钙土，栗钙土的地带性植被以干草原为主，土壤环境的生境优势使该区的草地养分含量高于林地。当地农业以雨养农业为主，农户为提高产量大量施肥(有机肥、化肥和复合肥)，短期内大量使用肥料可以提高土壤养分，使耕地的有机质含量和氮素、磷素、钾素含量非常高，但长时间不合理使用化肥使当地的耕地质量下滑，这与龚伟等[24]的研究结果一致，过量的使用化肥会使土壤内的肥量达到一定水平后对土壤的一些酶产生抑制作用，从而使土壤的肥力有所下降。施肥时只施用化肥，不配合施加有机肥是导致土壤板结的原因之一[25]。

　　加之当地雨热同期气候干燥，降雨量少，超量施用的化肥造成土壤硬化板结，土壤透气性变差，日积月累致使土壤肥力下降，土地逐步退化。这与武均等[26]试验预期变化趋势一致，长期施肥会导致土壤出现结皮、板结。退化的耕地不宜再作为耕地，为了保护生态环境，实现土地的可持续利用，将其还草还林以恢复土地的生产力。但由于退耕前土地退化使耕地土壤养分差，造成该研究中林地、草地土壤养分的“先天不足”。米文宝等[18]的研究指出，一般乔灌木的生长至少需要5～8年才能形成稳定的生态系统，综合效益会明显表现出来从而达到生态恢复的作用，而在退耕的前5年草本的生长速度和养分恢复效果优于乔灌木。

　　该研究中的还草、还林地退耕年限为3年，因此草地的土壤养分含量高于林地。土壤退化指数的关键是选择基准土地利用类型。该研究选择草地作为基准土地利用类型的原因在于草地为研究区土地面积最大、适宜性最广的土地利用类型，因此以草地为计算土壤退化的基准土地利用类型。与草地对比，撂荒地的退化最为明显，造成撂荒地退化严重的原因为撂荒地的土壤表层覆盖物少，土壤几乎完全裸露地表，一旦发生降雨，表层小颗粒土粒便随水流失，附着在土壤颗粒中的养分也随之流失[5]。

　　耕地的土壤退化指数为正数，而撂荒地的退化指数为负数，说明通过人为干预可以缓解土壤的退化，且效果卓著。乔木林地存在退化现象的原因是，林地为新退耕的土地，退耕年限为3年，年限较短，还没有完全恢复地力[18-19]。该研究借鉴尹刚强等[11]的理论成果，对土壤质量指数与土壤退化指数进行回归分析，并发现二者呈良好的线性关系。对该研究中的土壤肥力综合指数与土壤退化指数进行回归分析，得出二者也存在良好的线性关系，与之一致。

　　4结论

　　该研究中，5种土地利用类型的土壤指标存在显著性差异，土壤养分值在各土地利用类型的大小分布规律为：耕地>草地>林地>撂荒地。土壤有机质与全效养分值有良好的相关性，土壤速效养分间相关性极强。土壤肥力指标与土壤容重均存在负相关关系。通过计算不同土地利用类型的主成分综合得分，得出每种土地利用类型土壤肥力综合质量指数为耕地(64.271)>草地(30.508)>灌木林地(30.201)>乔木林地(23.196)>撂荒地(20.289)。定量分析以草地为基准的耕地、乔木林地、灌木林地和撂荒地的土壤退化指数，乔木林地和撂荒地存在退化现象，灌木林地和耕地不存在退化现象。土壤肥力综合指数与土壤退化指数有着良好的线性关系：y=0.477x+30.94(R2=0.919，P<0.01)。

　　参考文献

　　[1]秦川，何丙辉，蒋先军.三峡库区不同土地利用方式下土壤养分含量特征研究[J].草业学报，2016，25(9)：10-19.

　　[2]杨敏，陈国建，韦杰，等.坡改梯地区不同土地利用方式对土壤养分的影响：以重庆市巫山县为例[J].重庆师范大学学报(自然科学版)，2012，29(6)：43-46.

　　[3]邱莉萍，张兴昌.子午岭不同土地利用方式对土壤性质的影响[J].自然资源学报，2006(6)：965-972.

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