贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价.doc

贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价陈 超1,2, 杨 丰1, 刘洪来1, 姚红艳1, 宋高翔1（1贵州大学动物科学学院，贵阳 550025； 2中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193）摘 要：为探明生态脆弱区土地利用方式转换对土壤有效态微量元素的影响，以贵州喀斯特地区草地及其相应开垦的农田为对象，采用成对设计的方法研究了草地开垦对土壤微量元素（铜、锰、铁、钼、硼、锌）的影响，并探索基于土壤微量元素密度的区域土壤微量元素丰缺评价指标。结果表明：研究区土壤有效态微量元素在土壤剖面上呈表面富集现象，其含量随土层深度的增加而降低；草地开垦导致土壤有效态铜、铁、硼和钼的含量出现不同程度的降低，降幅为4.97%79.17%，而土壤有效锌含量则相反；开垦导致土壤有效锰含量在剖面上的下降速率加快。建立了研究区6种有效微量元素的丰缺评价指标，该指标以土壤微量元素密度为参数，以参数值的不同范围界定微量元素的丰缺程度，消除了微量元素空间异质性对判定结果的影响。根据该评价指标，研究区土壤有效铁、锰处于极高水平，草地开垦导致土壤有效铜、钼、硼的丰度下降，而有效锌的丰度上升；结合微量元素有效性评价指数，整个研究区土壤有效硼处于低水平，不能够满足植物正常生长发育的需要。该研究结果可为生态脆弱区土地的科学管理和土壤微量元素科学评价体系的建立提供参考。关键词：土壤，微量元素，生态系统，喀斯特地区，次生草地，微量元素密度，评价中图分类号：S812.2；S158 文献标识码：A 文献编号：陈 超，杨 丰，刘洪来，等贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价J.农业工程学报Chen Chao, Yang Feng, Liu Honglai, et al. Effects and evaluation of soil trace elements after grassland converted into cropland in Guizhou karst area J. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), (in Chinese with English abstract)0 引 言收稿日期：2012-08-20 修订日期：2013-01-11基金项目：国家自然科学基金项目（31101751）、贵州省农业攻关项目（黔科合NY字20123011号、黔科合NY（2010）3049号、黔科合NY字20103045号）、贵州省自然科学基金项目（黔科合J字20112325号、黔科合J字20122162号）作者简介：陈 超（1974），男，贵州惠水人，博士生，副教授，硕士生导师，主要从事草学、畜牧学方面研究。贵阳 贵州大学动物科学技术学院，550025。Email:通信作者：刘洪来（1979），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事草学、生态学方面研究。贵阳 贵州大学动物科学技术学院，550025。Email：贵州位于我国西南部，地处云贵高原东部的斜坡上，是我国西部高原山地向东部丘陵平原的过渡地带1；同时贵州地处东亚喀斯特片区中国分布的核心区，是喀斯特地貌发育最强烈、分布面积最大的典型区域1-2。喀斯特地区典型的基本特征是生境的严酷性和生态的脆弱性，严酷性集中表现为岩石裸露率高、土壤浅薄零星、水分和养分供应不足且保存能力差；其脆弱性则是严酷性的后果，表现为环境容量小、土地承载力低、抗干扰能力弱，受干扰后自然恢复速度慢、难度大3-4。按中国气候区划和农业气候区划标准，用水平热量带结合垂直热量带进行分带，可将贵州划分成河谷南亚热带、中亚热带、北亚热带和高原暖温带；其相应的地带性植被为河谷季雨林、常绿落叶与落叶阔叶混交林、落叶阔叶林2。由于森林遭到破坏，加之人们不断的干扰，部分区域森林立地适宜性条件不复存在，次生草地取而代之；贵州省各类天然草地面积达4.3106 km2，占贵州省土地总面积的24.3%，其中99%以上的天然草地系森林植被遭到破坏后逆向演替而成5-6。贵州次生草地是我国南方草地资源的重要组成部分，在维护长江、珠江上游地区生态环境和支撑贵州省草地生态畜牧业发展等方面发挥重要作用7-8。由于人口快速增长而导致的人地矛盾激化，引起大量草地被开垦为农田；据统计，贵州省草地开垦速度约为3.34103 hm a-1，开垦的草地经过数年利用后经常因土壤质量的下降而被迫弃耕，农牧业用地处于“开垦退化弃耕”的恶性循环之中9-10。草地开垦不仅导致原有生态系统的结构、过程和功能发生转变11-12，引起土地质量的降低，而且由于其稳定性差、阈值低等因素而加剧石漠化的风险13。喀斯特石漠化的本质为植被、土壤覆盖的喀斯特地区转变为岩石裸露的喀斯特景观的过程，造成植被破坏、土壤侵蚀、岩石逐渐裸露、土地生产力衰退等后果14-15。目前，关于草地开垦的研究主要集中在水土保持、土地肥力、生物多样性和生产力等方面，而关于土壤微量元素方面的研究尚不深入16。微量元素是相对大量元素来划分的，其中以相对活动态存在于土壤中、能被植物吸收利用的部分称为有效态微量元素17；微量元素与生物分子蛋白、维生素、核酸、多糖等联系密切，调控植物体内各种生理代谢的关键过程及酶的活动，是植物生长发育所不可缺少和替代的17。植物必需微量元素的供给水平不仅影响生物正常生长和发育，而且进一步影响到其产品的品质与产量，从而影响人类健康状况；在大量元素供应充足的情况下，微量元素的供应水平将成为植物产量和品质的限制因素18。土壤有效态微量元素的供应水平受土壤性质、土壤环境条件和土地管理与利用方式等因素的影响19；目前在喀斯特地区土壤微量元素方面的研究主要集中在单一土地利用方式下土壤微量元素的含量、分布与评价等方面20-21；而关于土地利用方式转变对土壤微量元素的影响与评价方面的研究则鲜见报道；尤其是在土壤微量元素的评价体系方面亟待加强。本研究以贵州省草地及其开垦的农田为研究对象，分析生态系统转变对土壤有效态微量元素（Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B）的影响并探讨其原因，同时建立基于土壤微量元素密度的区域土壤微量元素评价标准，以期为喀斯特地区农业产业区划、合理施肥和种植等方面提供参考。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于贵州省惠水县（N 25422610，E 1062910655，海拔982 m1 114 m），为云贵高原向广西丘陵过渡的南边坡边缘，处于亚热带季风湿润气候带。年均温15.8 ，10积温4 797 ，年均日照1 318 h，无霜期282 d，最冷月气温5.8 ，最热月气温23.9 。年均降水量1 213 mm，主要集中在410月；土壤类型为黄壤5,22。1.2 试验设计本试验采用成对设计的方法研究草地开垦对土壤微量元素的影响。研究样地设置在由草地开垦的农田内（面积均大于3 hm2），并以相邻的草地作为对照；3次重复，共计6个样地。耕地开垦年限约为50 a，在研究区呈现斑块分布，约占研究区域的40%。农田一般为玉米和油菜或小麦轮作，每年4月上旬播种，耕层深度约为15 cm，施用少量有机肥。与农田相邻的草地以芒草（Miscanthus sinensis）、早熟禾（Poa annua Linn）、酢浆草(Oxalis corniculata) 为建群种，伴生植物种有狗尾草（Setaria viridis Linn）、杂三叶（Trifolium hybridum L）等，植被盖度约为85%，黑山羊每年的310月在草地上自由放牧，放牧强度约为每hm2 7个羊单位，放牧强度中等，草地未出现明显退化。1.3 取样方法与样品处理取样在2011年8月进行。在农田草地界面影响宽度范围以外，采用土钻法在每个样地取010 cm（表层），1030 cm（第二层），3050 cm（第三层）的土壤，每个取样点各层多点采样后混合为1个土样，共计18个土样；土样自然风干、挑出植物根茎和石砾后过2 mm筛用于室内化学分析；采用环刀法测定土壤容重。土壤样品采用常规分析方法分析23-24。土壤有效态铜、锰、铁、锌：DTPA浸提，原子吸收分光光度法；土壤有效钼：草酸草酸铵浸提，原子吸收分光光度法；土壤有效硼：沸水浸提甲亚胺比色法；有机质：重铬酸钾浓硫酸油浴法。1.4 数据分析与处理土壤微量元素密度（Soil Trace Element Density）采用如下计算公式25：STED=1/10DiBDiSTECi(1-Vi)式中：STED土壤微量元素密度，g m-2；Di第i层土壤厚度，cm；BDi第i层土壤体积质量，g cm-3；STECi第i层土壤微量元素含量，g kg-1；Vi2mm土壤颗粒质量分数，%。土壤微量元素有效性评价采用单项指数（Ei）和综合指数（Ec）相结合的方法26，计算公式如下：Ei=CiSi ， Ec=1ni=1nEi2式中：Ci实际测定的第i种土壤有效态微量元素密度，g m-2；Si第i种土壤有效态微量元素密度的临界值，g m-2。利用单因素方差分析（one-way ANOVA）对不同土壤剖面和不同利用方式下土壤有效态微量元素状况进行差异显著性检验，并利用最小显著性极差法（LSR）进行多重比较，土壤有机碳密度与土壤微量元素密度的相关性利用Pearson相关系数和Two-tailed双尾检验完成；ANOVA、LSR及Pearson相关性分析均在SPSS16.0软件中进行，基础数据采用Microsoft Excel 2007软件进行数据整理，采用SigmaPlot 10.0软件绘图；图中不同字母代表5%水平下差异显著。2 结 果2.1 有效态微量元素在土壤剖面上的分布特征研究区草地、农田区域土壤有效态微量元素含量在剖面上的分布特征见图1、图2。由图1可知，草地土壤有效态硼、钼、铁随着土层深度的增加其含量降低且各土层之间变化差异显著，降幅在4.9740.74%；有效态铜在土壤表层与第二层之间含量变化不显著；第三层土壤有效铜含量分别为上两层含量的64.9%和71%，下降幅度差异显著。土壤表层有效态锌、锰的含量分别为下两层的1.551.76倍和1.231.29倍，且差异显著。由图2可知，农田土壤有效态铜、锌、铁、锰随着土层深度的增加其含量降低且各土层之间变化差异显著；土壤表层有效态硼、钼的含量分别是下层含量的1.532.0倍和1.452.75倍，且差异显著。2.2 草地开垦对土壤有效态微量元素含量的影响草地开垦对土壤有效态微量元素的影响见表1。由表1可知，草地各层土壤中有效态铜含量均显著地高于农田区域；开垦导致土壤有效态铁、硼、钼含量呈现不同程度的降低，降幅在6.78%57.89%。草地开垦导致农田各层土壤中有效锌的含量均高于草地区域，增幅为11.76%46.06%；有效锰则呈现“先增加后下降”的趋势。根据“全国农业系统的土壤速效微量元素丰缺指标”和“中国科学院微量元素组的土壤有效态微量原素评价指标”27-28，研究区各层土壤有效态铜、锌、铁、锰、钼的含量均高于临界值，而有效态硼含量除草地表层土壤外均处于较低水平，基本不能够满足植物生长发育的需要。表1研究区草地、农田土壤有效态微量元素含量对比及含量丰缺比较（单位：mg kg-1）Table 1 Comparison of soil available trace elements contents & abundance between grassland and cropland in study area (MeanSE)测定项目/Item010 cm1030 cm3050 cm微量元素丰缺临界值/Threshold草地/Grassland农田/Cropland草地/Grassland农田/Cropland草地/Grassland农田/Cropland有效铜/Av. Cu1.850.20a1.170.15b1.690.09a0.530.03b1.200.07a0.250.04b0.2有效锌/Av. Zn2.550.24a2.850.20a1.650.20b2.410.14a1.450.20a1.730.16a1.0有效铁/Av. Fe45.751.83a43.612.28a37.171.74a28.471.84b25.991.71a17.370.26b7.0有效锰/Av. Mn73.325.42b162.312.42a59.715.52a73.089.90a56.745.01a42.8215.30b10.0有效硼/Av. B0.540.04a0.260.02b0.320.03a0.170.03b0.210.03a0.160.02a0.5有效钼/Av. Mo0.590.03a0.550.05a0.380.04a0.160.02b0.250.03a0.200.02a0.15注：同一土层不同利用方式下，不同字母代表5%水平下差异显著。Note: Different letters under the same soil layer in different land use types represent significant difference at 5% level.2.3 基于土壤微量元素密度的区域土壤微量元素丰缺指标现在使用的土壤微量元素评价标准均采用土壤微量元素含量的不同范围来界定微量元素的丰度27-28，在实际应用过程中普遍存在以土壤表层微量元素含量代替整体的现象；而微量元素的含量在土壤剖面上是变化的，即存在着表层土壤与下层土壤中微量元素的丰缺不一致的现象29-30。为此，我们提出建立基于土壤微量元素密度的土壤微量元素丰缺评价指标；该评价指标假设植物在土壤剖面的每一层次上所需的微量元素含量是一致的，以上述2个土壤微量元素丰缺指标所界定的含量为基准，基于土壤微量元素密度公式计算有效态微量元素的丰缺指标（见表2）。结合研究区土壤有效态微量元素密度可知，研究区土壤有效态铁、锰处于极高水平，土壤有效态硼不能满足植物正常生长发育的需要；草地开垦导致有效态铜、钼、硼的丰度下降，而有效态锌的丰度上升。表2 基于土壤微量元素密度的研究区6种有效态微量元素丰缺指标及研究区土壤微量元素密度比较（g m-2）Table 2 Abundance index and comparison of soil available trace element of 6 kinds based on trace element density in study area测定项目/Item极低/Extremely low低/Low中等/Medium高/High极高/Extremely high临界值/Threshold研究区土壤微量元素密度/Soil trace element density草地/Grassland农田/Cropland有效铜/Av. Cu11.720.17a3.600.25b有效锌/Av. Zn6.513.013.032.532.56.510.210.53b15.270.32a有效铁/Av .Fe45.464.964.997.497.445.4199.940.41a182.986.25a有效锰/Av. Mn64.9129.9129.9194.8194.864.9363.5913.57b523.1932.43a有效硼/Av. B 13.013.03.21.820.03a1.220.02b有效钼/Av. Mo1.01.91.02.130.03a1.680.10b注：研究区土壤微量元素密度中，同行不同字母代表5%水平下差异显著。Note: Different letters represent significant difference at 5% level under different land use types in the soil trace element density column.2.4土壤态微量元素的有效性及其与土壤有机碳的相关性根据土壤微量元素有效性评价计算公式，得到6种元素的有效性指数（Ei）（见表3）。结合表2和表3可知，研究区土壤有效铜、锌、铁、锰、钼的密度和有效性指数均高于临界值；而有效硼的有效性指数均小于1，表明研究区缺乏硼。研究区土壤微量元素有效性综合指数（Ec）为农田（226.37）大于草地（169.49）。由土壤微量元素密度与土壤有机碳密度的相关性系数（表3）可以看出：草地区域的土壤有效锌、锰和农田区域的有效铜、锰与土壤有机碳密度成负相关，其他微量元素密度与土壤有机碳密度成负相关，但差异均不显著。表3 土壤微量元素有效性指数及其密度与土壤有机碳密度的相关性Table 3 Available indices for soil trace elements and correlation between its density and organic matter density微量元素/Soil trace elements单项指数/Ei草地土壤有机碳密度/Grassland soil organic matter density农田土壤有机碳密度/Cropland soil organic matter density草地/Grassland农田/CroplandPearson 相关系数/Pearson correlation coefficient双尾检验/Two-tailed testPearson 相关系数/Pearson correlation coefficient双尾检验/Two-tailed test有效铜/Av. Cu6.862.770.980.127-0.4260.720有效锌/Av. Zn1.572.35-0.2190.8590.6720.531有效铁/Av .Fe4.404.030.2760.8220.0750.952有效锰/Av. Mn5.608.06-0.7890.421-0.4950.670有效硼/Av. B 0.570.380.9940.0710.3310.785有效钼/Av. Mo2.131.680.2660.8290.0130.9923 分析与讨论本研究中，土壤有效微量元素含量整体上随土层深度的增加而逐渐降低，呈现出表层富集现象；这与王军广、陈桂芬等人的研究结果一致20,29。土壤微量元素的富集与土壤有机质含量、植物根系分布和土壤中元素的迁移强度有密切关系31-32。土壤有机质含量和植物根系的分布量均随土层深度的增加逐渐降低，农家肥和化肥的使用促进了微量元素的表层富集，如锰在有机质含量高的土壤中能形成稳定的抗沉降的复合物33。研究区为雨热同季的典型喀斯特地区，其较快的物质循环速度易引起土壤中元素向地表迁移31。池红杏在洛川地区的研究表明土壤微量元素含量随土层深度的变化趋势因元素种类而异，这可能与成土母质、地形、土壤类型和土地利用方式等因素有关30,34。土地利用方式转变是当前陆地生态系统研究中的热点问题，截至20世纪末，全球已有超过6108 hm2的草地开垦为农田，占土地利用变化的近40%35-36。本研究中，草地开垦导致土壤微量元素铜、硼、钼的密度下降21.13%59.64%，相当于每公顷土地损失53.2 kg铜、6.0 kg硼和4.5 kg钼。引起农田土壤有效态微量元素含量下降的主要原因有：（1）草地开垦引起的土壤颗粒组成粗化导致其对微量元素的吸附作用减小，从而微量元素容易淋溶37-38；（2）开垦加速了土壤有机质的分解过程，进而改变了其对微量元素的吸附解吸平衡和土壤的pH值，而pH值的变化则会影响微量元素的沉积39。草地开垦导致有效态锰的密度增加的原因主要是有效态微量元素锰密度与有机碳密度呈负相关关系，同时开垦使土壤中Ca2+和Na+的交换作用增强，增加了土壤中锰的释放40。研究区土壤有效锌密度的增加除了施入有机肥等影响因素以外，还可能是由于微量元素之间的拮抗作用而引起的，即存在拮抗作用的元素中有一种降低时，会让相应的元素抑制它的降低，从而导致相应的微量元素升高41-42。以往对土壤微量元素评价的研究中通常采用“全国农业系统的土壤速效微量元素丰缺指标”和“中国科学院微量元素组的土壤有效态微量原素评价标准”，该评价标准以土壤微量元素含量的不同范围界定其丰度27-28；在实际应用中主要针对土壤的表层进行评价16,43，而植物根系中起主要吸收功能的部位是根毛区，而根毛区在土壤里不仅集中在土壤表层范围；以表层土壤中微量元素的含量来评价整体土壤微量元素的丰度存在误判的可能。微量元素密度反映了单位面积土壤微量元素质量的多少，基于土壤微量元素密度为参数建立的丰缺评价指标，将不同土层中的微量元素含量和土壤容重、土壤颗粒大小等因素考虑其中，消除了微量元素含量空间异质性对判定结果的影响，但是对于单位面积内的微量元素分布均一性却无法判断。鉴于上述优缺点，建议根据不同的研究对象和研究目的采用相应的评价方法，同时逐步建立并完善土壤微量元素评价体系。4 结 论研究区土壤有效态微量元素含量随着土层深度的增加逐渐降低，在土壤剖面上呈现表面富集现象；草地开垦导致土壤有效态铜、铁、硼和钼的含量出现不同程度的降低，降幅为4.97%79.17%；农田各层土壤有效锌含量均高于草地区域。基于土壤微量元素密度建立了研究区6种土壤有效微量元素丰缺评价指标，根据该评价指标，研究区土壤有效铁、锰的密度处于极高水平；草地开垦导致有效铜、钼、硼的丰度下降，而有效锌的丰度上升；结合微量元素有效性评价指数，整个研究区土壤有效硼处于低水平，不能满足植物正常生长发育的需要。致谢：感谢北京草业与环境研究发展中心李晓娜老师在土壤样品测定过程中给予的帮助。参考文献1 Wang S J, Liu Q M, Zhang D F. 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