喀斯特山区土地利用方式对土壤质量演变的影响

第16卷第1期水土保持学报

V ol. 16N o. 1　

喀斯特山区土地利用方式对土壤质量演变的影响

龙　健1, 黄昌勇1, 李　娟2

(1. 浙江大学环境与资源学院, 浙江杭州310029; 2. 河南农业大学农学院, 河南郑州450002)

X

摘要:通过调查喀斯特山区典型土地利用方式对土壤养分和土壤容重的影响, 结果表明, 森林的破坏以及随后的耕种显著增加了土壤容重, 并降低了大部分土壤养分。和林地相比, 灌木林、灌丛、草地和退耕3年的蒿草地容重分别增加了32%, 20. 3%, 46. 9%, 52. 3%。除全钾外, 草地和退耕蒿草地土壤养分显著下降, 和林地相比, 草地有机质减少了29. 3%, 全氮减少了48. 2%, 全磷减少了66. 3%, 碱解氮减少了45. 8%, 有效磷减少了56. 3%, 有效钾减少了60%; 退耕3年的蒿草地土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和有效钾分别减少了85. 6%, 84. 7%, 81. 4%, 74. 9%, 87. 5%和90. 6%。土壤退化指数的计算结果表明, 草地和退耕蒿草地发生了非常严重的退化。关键词:喀斯特山区; 　土地利用; 　土壤养分; 　土壤容重; 　土壤退化指数

中图分类号:S158. 5; S152. 5　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1009-2242(2002) 01-0076-04

Effects of Land Use on Soil Quality in Karst Hilly Area

LONG Jian 1, HUANG Chang -yong 1, LI Juan 2

(1. College of Resources and Env ir onmental Science , Zhej iang Univer sity , H angz hou 310029;

2. Colleg e of A gricultur e , H enan A gr iculture Univer sity , Zhengz hou 450002)

Abstract :The effects of land use on soil nutrients and soil bulk density in Karst hilly area w as studied. T he results indicated that deforestation and cultivation led to increase in soil bulk density and decrease mostly in soil nutrients. Com pared to forest, the bulk density value of bush forest, low -grow ing bushes, grassland and 3years decultivated land increased by 32%, 20. 3%, 46. 9%and 52. 3%respectively. M ost soil nutrients ex cept total K in grassland and 3years decultivated land decreased significantly in comparison w ith forest. Grassland w intnessed a decrease in soil org anic matter by 29. 3%, total N by 48. 2%, total P by 66. 3%, alkalysis N by 45. 8%, av ailable P by 56. 3%and available K by 60%; While 3y ears decultivated land saw a decrease in soil org anic matter by 85. 6%, total N by 84. 7%, total P by 81. 4%, alkaly sis N by 74. 9%, available P by 87. 5%and available K by 90. 6%.The results of soil degradation index show ed a severe deg radation occurred to grassland and 3years cultivated land. Key words :　karst hilly area; 　land use; 　soil nutrients; 　bulk density ; 　soil deg radation

喀斯特环境是自然环境中一个独特的地理景观, 以其二元结构为基本特征, 形成了脆弱的生态环境[1]。在世界上有一定分布, 而我国主要分布于的滇、黔、桂地区, 面积约33. 6万km 2。其中仅贵州就有13×104km 2, 占38. 7%, 为全省土地总面积的73%, 是我国喀斯特地貌最发育的省份, 属典型的生态脆弱区[1, 2], 也是我国西部大开发中生态建设的重点区域之一。

土地利用方式可以改变土地覆被状况, 并影响许多生态过程, 如生物多样性、地表径流和土壤侵蚀、土壤环境等。合理的土地利用可改善土壤结构, 增强土壤对外界环境变化的抵抗力, 不合理的土地利用会导致土壤质量下降, 增加侵蚀, 降低生物多样性[3, 4]。土壤养分是自然因子和人为因子共同作用的结果。土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映, 与土壤养分有着密切联系。土地利用变化可引起地表植被的变化和地表反射率的变化, 影响植物凋落物和残余量, 也影响土壤微生物的活动; 土地利用变化通常也会引起土壤管理措施的变化。这些都会引起养分在土壤系统的再分配[3～4]。许多研究已经报道了土地利用变化, 特别是森林退化对土壤性质的影响。一般来说, 森林砍伐以及随后的农业实践会降低土壤的电导率, 增加土壤容重, 降低土壤有机质含量, 增加土壤受侵蚀的危害。在喀斯特山区, 由于成土慢、土层薄、水土易流失和生境干旱等特点, 随着人口

15　(, , , 3[5, 6]

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压力的增大, 大量的陡坡开荒(≥25°) 和耕种等一些不合理的土地利用方式在喀斯特山区普遍存在。但至今有关喀斯特山区土地利用方式对土壤质量演变的影响报道并不多见。本文的主要目的是评价喀斯特山区不同土地利用下土壤养分和容重的变化情况, 并应用土壤退化指数来定量描述不同土地利用下的土壤退化程度。

1　研究区域自然概况与研究方法

试验位于贵州省紫云县宗地乡。地理位置东经106°40′, 北纬25°35′, 面积为300km , 林地面积不到40%, 低山丘陵的面积占总土地面积的66. 7%以上。属中亚热带季风湿润气候。土地利用类型主要包括林地、灌木林、灌丛、草地和坡耕地。该区域植被以喀斯特次生林为主[7], 母岩以碳酸盐岩为主, 土壤类型以石灰土为主。在野外调查中选取了林地、灌木林、灌丛、坡耕地、退耕3年的草地5种土地利用类型。林地的植物种主要有青冈(Cylobalanopsis glauca ) 、翠柏(Calocedrus m acrolepis ) 、云贵鹅耳枥(Carpinus pubescens ) 、女贞(Ligus-紫檀(Pterocarpus indicus ) 、木姜子(Listea cubeba ) 等。灌丛的植物种主要有麻栎(Q . acutissima ) 、trum lucidum ) 、

白枥(Quercus fabri) 、火棘(Pyracanntha fortuneana) 、岩凤尾蕨(P. deltodon) 等。坡耕地种植的作物为玉米(Zea-mays L . ) 。草地的植物种主要有芒草(M iscanthus sinensis) 、野古草(Arundinella hirta) 、金银花(Lonicera japoni-苦蒿(Cony za blinii ) 、蒲公英(Tarax acum mongolicum ) 等。调查过程中, 每一个取样点采集土壤表层0～20ca ) 、

cm 土壤, 并在其周围取5个点混合为一个样品。林地、灌木林、灌丛分别选取3个样地, 每个样地有3个重复; 当年开垦的坡耕地和草地的样品重复数分别为7和5。取样点的土壤类型均为粗骨性石灰土。所有样品都选择地形相对一致的部位。测定项目包括土壤容重、土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷

表1　土壤取样点的描述和有效钾。土壤取样点的描述见表1。　　土壤容重的测定采用环刀法; 有机质的测定采用重铬酸钾氧化法; 全

氮用硒粉-硫酸铜-硫酸消化法测定; 全磷用高氯酸-浓硫酸-钼锑抗比色法测定; 全钾用H F -H ClO 4-火焰光度法测定; 碱解氮用扩散吸收法测定; 有效磷用碳酸氢钠法测定; 有效钾用硝酸提取-火焰法测定。数据统计采用单因素的方差分析(A N OVA ) 来检验土壤属性在不同土地利用类型之间的差异。如果有显著性差异, 进一步进行多重比较。

灌丛草地土地利用类型

林地灌木林

地理位置25°39′11″N

106°18′39″E 25°34′20″N 106°18′39″E 25°34′41″N 106°18′39″E

样品数　植被恢复年龄(a ) 　海拔(m )

77698

3011413

[**************]50

土壤质地　土厚(cm )

壤质壤质壤质砂壤质砂壤质

1015162050

2

25°34′41″N 103°18′39″E

退耕蒿草地25°35′51″N

106°20′28″E

表2　不同土地利用之间土壤养分及容重平均值的比较

土地利用类型林地灌木林灌丛草地

容重(g /cm 3) 0. 51a *0. 75b 0. 64ab 0. 96c

有机质(%) 16. 79a 21. 65a 13. 98b 11. 87c 2. 26d C

全氮(%) 1. 070a 1. 226ab 0. 838b 0. 554c 0. 164d C

全磷(g /kg ) 6. 18a 3. 66b 9. 62c 2. 08b 1. 15d B

全钾(g /kg ) 8. 647. 686. 827. 005. 08N S

碱解氮有效磷有效钾(mg /kg ) (mg /kg ) (mg /kg ) 801a 1052c 628ab 434b 201d A

16a 11b 6c 7c 2d C

160a 88b 85b 64c 15d C

2　结果与讨论

2. 1　土地利用方式与土壤容重

土壤容重在不同土地利用方式下壤容重最低, 为0. 51g /cm ; 退耕3年

3

退耕蒿草地1. 07c L S D y C

存在显著差异(p

表示每列含有相同字母的平均值没有显著差异(P

显著性水平在1%; c:显著性水平在0. 1%;N S :没有显著差异。

蒿草地的土壤容重最高, 为1. 07g /cm 3(表2) 。其它几种土地利用类型下土壤容重的大小为:灌丛

森林砍伐后及最后的耕种破坏了土壤原有的结构, 使土壤变得易于侵蚀, 表现为土壤容重的增加

[5, 6]

。特

别是在喀斯特山区是非常明显, 这都是由于其脆弱的生态环境所决定的。多重比较的结果显示, 几种土地利用方式下, 土壤容重可以明显分为3组(表2) 。林地的土壤容重最低; 同林地相比, 灌木林的土壤容重有显著下降; 同样, 草地和退耕蒿草地的土壤容重与灌木林相比, 也有显著下降; 最高的土壤容重是退耕3年的蒿草地。这与土地利用程度的加剧有关。和林地相比, 草地和退耕蒿草地的土壤容重分别增加了46. 8%和52. 3%。草地的土壤容重和退耕蒿草地没有显著差异, 这可能与牲畜(山羊等) 对草地的践踏有关。2. 2　土地利用方式与土壤养分

:(

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水土保持学报第16卷

2) 。最高的林地土壤有机质为21. 65%, 最低的退耕蒿草地土壤有机质为2. 26%, 相差近20倍。土壤有机质在林地和灌木林之间没有显著的变化, 但与草地和退耕蒿草地相比差异达极显著水平。表明在喀斯特山区土壤有机质在不同土地利用方式下差异异常明显。

全氮含量在不同土地利用之间有明显不同(表2) 。灌木林(1. 226%) 和林地(1. 070%) 的全氮量最高, 其次是灌丛(0. 838%) , 然后是草地(0. 554%) , 退耕3年的蒿草地土壤全氮最低(0. 164%) 。同有机质相似, 草地和退耕蒿草地与林地相比, 全氮分别下降48. 2%和84. 7%。灌丛全磷含量为最高(9. 62g /kg ) , 并显著高于其它的土地利用类型, 退耕蒿草地全磷含量最低(1. 15g /kg ) , 灌木林和草地之间的土壤全磷值没有显著的差异。全钾在几种土地利用类型中变化不明显, 没有达到显著水平(表2) 。表明在喀斯特生态环境逆向演变过程中, 土壤中的养分除全钾外, 均显著下降。这是由于土壤的全钾对环境因子的变化不敏感, 同种土地利用内样点的差异不明显, 使土地利用类型之间的差异变得不显著。喀斯特山区植被受人类破坏后景观见图1

。　　由表2可知, 土壤碱解氮的变化也很显著, 含量最高的为灌木林(1052mg /kg ) , 最低为退耕蒿草地(201mg /kg ) 。碱解氮在灌丛和草地之间差异不明显, 林地和灌木林分别比退耕蒿草地的碱解氮高出近4倍和5. 2倍。与土壤碱解氮相似, 土壤有效磷含量差异达极显著, 除灌丛和草地之间土壤有效氮差异不明显之外, 其余土地利用类型均达显著水平。土壤有效磷含量最高为林地(16mg /kg ) , 最低为退耕蒿草地(2mg /kg ) , 两

图1　喀斯特环境植被破坏因果关系

者之间相差8倍。有效钾的变化趋势是:林地(160mg /kg ) >灌木林(88mg /kg ) >灌丛(85mg /kg ) >草地(15mg /kg ) >退耕蒿草地(15mg /kg ) 。由于有机质能够吸附更多的阳离子, 一般而言, 有机质含量高, 阳离子交换量大。因此, 土壤有效钾的变化趋势和有机质类似, 其含量在灌木林和灌丛之间没有差异, 而草地和退耕蒿草地有效钾含量则明显降低。尤其是退耕蒿草地与林地相比, 下降幅度达91%。2. 3　不同土地利用方式的退化评价

为了定量描述不同土地利用方式下土壤退化的程度, 引进了土壤退化指数。土壤退化指数的计算, 首先是以某种土地利用类型为标准, 假设其它的土地利用类型都是由作为基准的土地利用类型转变而来; 然后计算土壤各个属性在其它土地利用类型与基准土地利用类型之间差异(以百分数表示) ; 最后将各个属性的差异求和平均, 得到各土地利用类型的土壤退化指数。具体公式如下:DI =

1, P ′2, (P 1-P ′1) /P ′1+(P 2-P ′2) /P ′2+…+(P n -P ′n ) /P /n ×100%式中:DI 为土壤退化指数; P ′

n 为基准土地利用类型下土壤属性1, 属性2, 到属性n 的值; P 1, P 2, …P n 为其它土地利用类型下土壤各属…P ′

性值; n 为选择的土壤属性数。

[4, 8]

土壤退化指数可以是正数也可以是负数, 负数表明土壤退化; 正数说明土壤不仅没有退化, 而且质量还有所提高。本文以林地作为基准土地利用类型。选择的土壤属性包括土壤容重、土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和有效钾。土壤属性没有包括全钾, 是因为它们在不同的土地利用类型之间没有显著变化。一般说来, 较高的土壤容重值表明土地有退化的趋势[9], 至少在本研究容重变化范围内(0. 51～1. 07g /cm 3) 有这样的趋势, 所以实际的计算中采用了容重差值的相反数。

不同土地利用方式下的土壤退化指数及其与林地比较的结果表明, 退耕3年的蒿草地、草地、灌丛和灌木林土壤退化指数分别为-88%, -56%, -20%, -12%。灌丛和灌木林的土壤退化指数和林地相比没有显著的变化, 说明这2种土地利用下土壤没有发生明显的退化, 这与其它地区的研究结果一致

[4, 6, 8]

, 而草地的土

壤退化指数显著低于林地, 表明草地的土壤发生了较为严重的退化; 退耕3年的蒿草地退化程度最为严重, 其退化指数最低。表明陡坡开荒和耕种引起的土壤退化速率最快, 这与喀斯特生态环境退化的特殊性是相一致的[1, 2]。

灌木林和灌丛没有发生显著的退化, 这与其部分养分含量和林地相比没有明显变化有关, 但是, 它们的容重和林地相比已经有了升高的趋势(表2) , 容重升高意味着紧实度增加, 孔隙度下降, 保肥和保水能力下降, 土

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大下降。从上面的分析可以看出, 土壤退化指数能够清楚地反映出在没有采取合理的水土保持措施下, 自然森林系统转化为农业生产用地后土壤质量退化的程度。因此, 采取合理的水土保持措施对喀斯特山区防止土壤退化及保持其生态系统的良性循环非常重要。

3　结　论

(1) 喀斯特山区森林砍伐及随后的耕种增加了土壤容重。同林地相比, 灌木林、灌丛、草地和退耕3年的蒿草地容重值分别升高了32%, 20. 3%, 46. 9%, 52. 3%。

(2) 除土壤全钾外, 土壤养分在不同的土地利用类型之间差异显著。草地和退耕3年的蒿草地土壤养分显著下降。同林地相比较, 草地有机质减少了29. 3%, 全氮减少了48. 2%, 全磷减少了66. 3%, 碱解氮减少了45. 8%, 有效磷减少了56. 3%, 有效钾减少了60%; 退耕3年的蒿草地土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和有效钾分别减少了85. 6%, 84. 7%, 81. 4%, 74. 9%, 87. 5%和90. 6%。

(3) 和林地相比较, 灌木林和灌丛没有显著退化; 草地和退耕3年的蒿草地土壤退化程度非常严重。表明在喀斯特山区, 陡坡开荒和耕种会引起严重的土壤退化。因此, 采取合理的水土保持措施至关重要。

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