湘中丘陵区不同土地利用方式的土壤质量评价

湘中丘陵区不同土地利用方式的土壤质量评价

土壤是重要的自然资源。土壤质量的保持和提高是全球生物圈可持续发展的重要因素之一（刘占峰等，2006）。土壤质量能最敏感地指示土壤条件动态变化,既能反映土壤管理的变化,也能反映土壤恢复或退化的能力。人类的土地利用和管理活动可引起许多自然现象和生态过程变化,如土壤养分、土壤水分、土壤侵蚀、土地生产力、生物多样性和生物地球化学循环等(郑华等,2004;巩杰等,2004),所以土地利用和管理活动会在很大程度上影响土壤质量的时空变化。随着人口-资源-环境间矛盾日趋尖锐,世界各地的土壤退化现象相当严重,已日益威胁到人类赖以生存的土地资源。土壤质量问题已经受到广泛关注,尤其是人类活动引起的土壤退化及其对生产活动和居住环境的影响(苏永中等,2003)。了解土壤质量与土地利用方式之间的复杂关系,是了解生态系统结构功能及生态过程、评价土地利用变化对生态因子影响、实现土壤资源持续利用和防止土壤质量退化的关键(刘世梁等,2003)。但是土壤质量的界定涉及到许多方面(如土壤类型、土地利用方式、作物或植被的自身特性等),土壤质量评价参数也非常多(包括物理的、化学的、生物的),目前国际上还没有一个全面的、系统的、权威的评价体系能使土壤质量精确定量化。近十几年来,国内外许多学者不断地探索和完善土壤质量评价体系(孙波等,1999;侯文广等,2003;刘德春等,2004;Smithetal.,1993)。在土地利用、土地覆盖与土壤特性关系的研究中,对土壤质量及其退化的研究也在不断涌现(刘占锋等,2006;巩杰等,2004;郑华等,2004;苏永中等,2003;刘世梁等,2003)。在湘中丘陵区,人类从事生产活动和开发的历史悠久。由于森林砍伐、次生演替、农业耕作及人工林种植而形成了异质性景观。近几十年来,工农业生产活动更以前所未有的速度发展,人口的快速增长及种种不合理的土地利用方式彻底改变了湘中丘陵区生态系统,严重影响了土地的生产能力,土地退化现象大范围发生,人多地少的矛盾日益突出(周勇等,2002;谢炳庚等,2001)。本研究对湘中丘陵区7种典型土地利用方式(次生林、经济林、人工林、采伐迹地、弃耕地、坡耕地、苗圃地)的土壤性状进行比较分析,运用土壤综合质量指数和土壤退化指数评价不同土地利用方式对土壤质量的影响程度,比较2种方法对土壤质量评价的有效性,以期为湘中丘陵区乃至全国退化生态系统恢复和区域土地资源管理以及土地的持续利用提供理论依据。1丘岗、土壤条件试验地设在湖南省长沙市南郊的湖南省林科院试验林场(113°01′E,28°06′N),总面积约248.0hm2,属低山丘陵,海拔50～110m,丘岗、平地、丘谷、山塘相间分布,地势比较平缓,坡度一般在20°以下,适合人们开展各种生产活动。属典型的亚热带季风湿润性气候,年均气温17.2℃,年降水量1411.4mm,年均相对湿度80%。土壤类型为第四纪网纹层母质发育的酸性红壤,土壤pH值为4.5～5.5。由于林场地处长沙、株洲、湘潭接合处,土地受人类活动干扰较大,自然植被破坏严重,土壤侵蚀强烈,主要土地利用方式有农用坡耕地、次生林地、人工林地、经济林地、弃耕后形成的灌木林地、采伐迹地和苗圃地。2学习方法2.1次生林的选择在林场及周围2km范围内,据典型性和代表性原则分别在坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的试验地中,选择以下7种土地利用方式:1)以樟树(Cinnamomumcamphora)、马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、枫香树(Liquidambarformosana)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)和白栎(Quercusfabri)等树种为主的30年生次生林;2)以种植油茶(Camelliaoleifera)为主的35年生经济林;3)30年生杉木人工林;4)培育湿地松(Pinuselliottii)、马尾松、杉木、樟树、油茶、柑橘(Citrusreticulata)以及板栗(Castaneamollissima)的苗圃地(25年);5)坡耕地(种植各种农作物10年以上);6)原为约30年生檫树(Sassafrastzumu)人工林,2004年10月采伐后形成的采伐迹地;7)弃耕30年后以稀疏灌木为主的弃耕地。2006年5月,在各林地内均以“S”形布点8个,并在每个点的周围取3个土样,即每种利用方式采样24个,每个土样为1kg的0～15cm土层的土壤,带回实验室分析。同时,采用环刀法分别测定土壤密度。2.2土壤颗粒组成的提取将野外带来的土壤样品按常规测定分析方法(中国科学院南京土壤研究所,1978)进行处理。逐一测定每个样点的土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等,取多点样品的平均值作为每种土地利用方式的最终分析结果。将各种土地利用方式的24个样点的土壤样品混合后,取2次平行测定的平均值作为每种土地利用方式土壤颗粒组成的最终分析结果。单因素方差分析(ANOVA)及其他的统计分析皆在SPSS程序中运行。2.3土壤质量评价方法2.3.1土壤肥力因子的计算本研究的土壤质量主要取决于土壤肥力。由于土壤肥力形成机制的复杂性,不同研究人员对土壤肥力的内涵和外延的理解不同,因此,评价指标也不尽一致。本研究以土壤密度、pH值、有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等作为指示土壤质量指示因子。由于土壤肥力因子的变化具有连续性,故各评价指标采用具有连续性的隶属度函数,并根据主成分因子负荷量值的正负性确定隶属度函数分布的升降性,这与各因子对植被的效应相符合(张庆费等,1999)。采用升型分布函数(1)式计算土壤pH值和各项养分因子,采用降型分布函数(2)式计算土壤密度(刘世梁等,2003):Qi=(xi-ximin)/(ximax-ximin);(1)Qi=(ximin-xi)/(ximax-ximin)。(2)Qi=(xi−ximin)/(ximax−ximin);(1)Qi=(ximin−xi)/(ximax−ximin)。(2)式中:Qi为各土壤肥力因子的隶属度值,xi为第i项土壤肥力因子值,ximax和ximin分别为第i项土壤肥力因子的最大值和最小值。由于土壤各个肥力因子对土壤综合质量指数的重要性与贡献不同,所以通常用权重系数来表示各个因子的重要性。本研究利用SPSS软件计算各因子主成分的贡献率和累计贡献率,通过主成分分析的因子负荷量,计算各因子在土壤质量中的作用大小,确定它们的权重Wi(周勇等,2002):Wi=Ci/n∑i=1Ci,(3)Wi=Ci/∑i=1nCi,(3)式中:Ci为第i个土壤肥力因子的因子负荷量。不同土地利用方式的土壤综合质量指数(IQ)的计算参考张庆费等(1999)的土壤肥力综合指数公式,对各个土壤因子的指标值采用乘法进行合成,各土地利用土壤综合质量指数值(IQ)的计算公式为ΙQ=n∑i=1Wi×Qi。(4)IQ=∑i=1nWi×Qi。(4)IQ值越大,土壤质量越高;相反,土壤质量越差。2.3.2土地利用评价点土壤退化指数可以定量地反映土壤退化和改善程度。根据Adejuwon等(1988)提出的公式计算土壤退化指数,以某种土地利用类型为基准,假设其他土地利用方式是由基准的土地利用类型转变而来,计算其他土地利用方式与基准土地利用方式下土壤各个属性间的差异(用百分数表示),再将各个属性的差异求和平均。本研究以次生林地作为基准的土地利用类型,选择的土壤肥力因子与土壤质量评价指标体系相同。计算公式如下:ΙD=n∑i=1[(xi-ˉxi)/ˉxi]×100%/n,(5)式中:ID为土壤退化指数;ˉxi为基准土地利用类型中土壤物理化学因子的基准值。由于高的土壤密度值通常表明土地有退化的趋势(Loweryetal.,1995),所以实际计算中采用了密度差值的相反数。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,正数说明土壤质量有所提高。3结果与分析3.1土地利用方式土壤密度影响土体中水、肥、气、热的变化与协调,是表征土壤质量的重要参数(Acosta-Martinezetal.,1999;Whalleyetal.,1995)。由表1可知,土壤密度表现为坡耕地(1.53g·cm-3)>苗圃地(1.44g·cm-3)>弃耕地(1.37g·cm-3)>采伐迹地(1.36g·cm-3)>杉木人工林地(1.31g·cm-3)>次生林地(1.30g·cm-3)>经济林地(1.28g·cm-3),不同土地利用方式之间土壤密度差异显著(p<0.05)。土壤总孔隙度影响土壤与大气之间水和气体的交换以及植物体对土壤中水分和养分的吸收(Zhengetal.,1998;杨玉盛等,1999)。由表1可以看出,经济林地总孔隙度(51.57%)最大,坡耕地(42.16%)最小,不同土地利用方式之间差异不显著(p>0.05)。在不同土地利用方式中,经济林地、次生林地、杉木人工林地的土壤密度比坡耕地、苗圃地、弃耕地和采伐迹地低,由于高的密度值通常表明土壤有退化的趋势(高雪松等,2005),表明坡耕地、苗圃地、弃耕地和采伐迹地土壤更易退化。由于林木根系和枯枝落叶层的作用,增加了林地土壤的疏松性、通气性和透水性,使土壤物理性状得以改善。土壤颗粒是构成土壤结构的主要组分,其变化直接影响到土壤田间持水量、凋萎湿度、密度和孔隙度等(高雪松等,2005)。从表1可以看出,土壤颗粒组成主要集中在1～0.05和<0.001mm这2个粒级范围内,7种土地利用方式下1～0.05mm的土壤砂粒百分率均高于19.73%,而<0.001mm的土壤粘粒百分率均高于18.22%。随着人为干扰程度的减弱,<0.001mm的土壤粘粒百分率增加,次生林地最高,达39.33%,其次是经济林地,为36.57%,杉木人工林地为33.74%,而采伐迹地却低于杉木人工林地,为30.37%,弃耕地高于坡耕地(24.07%)和苗圃地(18.22%),为28.37%。1～0.05mm土壤砂粒的变化趋势为苗圃地(26.88%)>坡耕地(26.44%)>弃耕地(23.74%)>采伐迹地(23.67%)>次生林(22.12%)>人工林(20.92%)>经济林(19.73%),0.001～0.05mm土壤粉粒比例的变化趋势为苗圃地(54.90%)>坡耕地(49.49%)>弃耕地(47.88%)>采伐迹地(45.96%)>杉木人工林(45.33%)>经济林(43.70%)>次生林(38.95%)。苗圃地与坡耕地<0.001mm的粘粒含量较低,0.001～0.05mm的粉粒含量和0.05～1mm砂粒含量却较高,这与开垦耕作改变了土壤原有结构有关(郑华等,2004)。与坡耕地相比,经过30年的弃耕后形成了以灌木为主的弃耕地,土壤结构渐渐恢复,土壤质地有明显的粘化趋势。采伐迹地原为30年生的檫树人工林地,皆伐1年后,仍然维持较好的土壤质地,但值得注意的是采伐后林地地表裸露,如果不及时采取营林措施,会造成土壤环境恶化。次生林、杉木人工林和经济林的土壤颗粒组成趋近于合理化。可见土壤颗粒组成除了主要受母质和地理环境影响外,还与土地利用方式和植被类型有关。3.2土壤表层有机碳、全氮及碱解氮含量特征测定结果(表2)表明,研究区土壤均呈酸性,次生林土壤pH值(4.39)最高,苗圃地土壤pH值(3.45)最低。随着耕作强度增大,土壤酸化强度加大。由表2可以看出,土壤表层(0～15cm)有机碳含量表现为人工林(16.34g·kg-1)>弃耕地(14.98g·kg-1)>次生林(14.96g·kg-1)>采伐迹地(13.50g·kg-1)>经济林(12.34g·kg-1)>坡耕地(11.02g·kg-1)>苗圃地(9.30g·kg-1)。坡耕地、苗圃地土壤表层有机碳含量较低的原因为植物残余较少使得返回土壤的碳素降低,另一方面开垦和耕作破坏了土壤原有的结构,有机质分解增强,土壤碳素大量流失(高雪松等,2005)。全氮含量表现为经济林(1.15g·kg-1)>弃耕地(1.11g·kg-1)>次生林(1.09g·kg-1)>坡耕地(1.05g·kg-1)>人工林(1.03g·kg-1)>采伐迹地(1.01g·kg-1)>苗圃地(0.93g·kg-1)。碱解氮含量表现为次生林(100.74mg·kg-1)>采伐迹地(97.41mg·kg-1)>经济林(96.68mg·kg-1)>坡耕地(96.64mg·kg-1)>人工林(96.16mg·kg-1)>弃耕地(95.32mg·kg-1)>苗圃地(88.90mg·kg-1)。相关分析表明,土壤表层有机碳、全氮及碱解氮含量呈极显著正相关(有机碳含量与全氮含量的相关系数为0.962,有机碳含量与碱解氮含量的相关系数为0.857,全氮含量与碱解氮含量的相关系数为0.753,p<0.01,n=24)。土壤全磷含量表现为次生林(0.81g·kg-1)>经济林(0.65g·kg-1)>采伐迹地(0.63g·kg-1)>人工林(0.59g·kg-1)>弃耕地(0.45g·kg-1)>坡耕地(0.32g·kg-1)>苗圃地(0.22g·kg-1);土壤速效磷含量表现为次生林(6.63mg·kg-1)>经济林(4.13mg·kg-1)>人工林(3.36mg·kg-1)>采伐迹地(2.72mg·kg-1)>坡耕地(1.99mg·kg-1)>苗圃地(1.26mg·kg-1)>弃耕地(0.59mg·kg-1)。土壤全钾含量表现为经济林(25.68g·kg-1)>次生林(23.59g·kg-1)>采伐迹地(22.54g·kg-1)>人工林(20.62g·kg-1)>弃耕地(15.98g·kg-1)>坡耕地(13.26g·kg-1)>苗圃地(10.03g·kg-1)。土壤速效钾含量表现为次生林(75.29mg·kg-1)>采伐迹地(70.34mg·kg-1)>人工林(68.45mg·kg-1)>经济林(65.64mg·kg-1)>弃耕地(65.27mg·kg-1)>坡耕地(40.17mg·kg-1)>苗圃地(32.98mg·kg-1)。方差分析结果表明,土壤pH值、有机碳含量在不同土地利用方式之间差异达到极显著水平(p<0.01),全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾含量表现为差异显著(p<0.05)。3.3土地利用方式对土壤质量的影响土壤综合质量指数反映了不同土地利用方式的土壤质量的相对值。利用公式(1)和(2),计算土壤质量因子的隶属度值(表3)。表4给出了不同土壤质量主成分分析的结果,因为第一主成分的贡献率达74.31%,可以综合反映出原来所有土壤质量要素的绝大部分变异信息。所以按照第一主成分分析因子负荷量,利用公式(3)计算各肥力因子的权重系数。根据公式(4)计算出不同土地利用方式的土壤质量综合指数(IQ)。结果表明不同的土地利用方式对土壤质量有着很大的影响。7种不同土地利用方式的土壤质量综合指数表现为次生林(95.35%)>经济林(73.83%)>采伐迹地(64.41%)>人工林(62.61%)>弃耕地(56.30%)>坡耕地(27.35%)>苗圃地(4.84%)。次生林地土壤质量综合指数最高,其次是经济林地,而苗圃地的土壤质量综合指数最低,表明林地群落具有较高的物种丰富度与较好的微生态环境(如光照、地表温度、物种多样性、乔灌草的比例等),保持了较高水平的土壤质量,而耕作和掠夺性的特殊土地利用方式极易造成养分流失,降低土壤质量(Lepschetal.,1994;Ellertetal.,1996)。杉木人工林土壤质量值较低,与坡度较大的立地条件及锄抚管理措施有关。采伐迹地地表裸露近1年,土壤质量有退化趋势。弃耕地的土壤质量综合指数值明显大于坡耕地,主要是由于弃耕后人类干扰活动减少,植被迅速恢复,土壤物理性质得到明显改善,营养元素大量积累。3.4土壤质量变化以次生林地为基准地,结果表明,经济林地、采伐迹地、人工林地、弃耕地、坡耕地与苗圃地的土壤退化指数分别为-9.90%,-14.35%,-14.96%,-22.22%,-32.16%及-40.44%。苗圃地土壤退化程度最为严重,其次是坡耕地,这与人为干扰活动密切相关:Davidson等(1993)报道,耕作会导致土壤质量下降。弃耕地的土壤退化指数明显高于坡耕地,说明弃耕后,随着植被的恢复,土壤质量有了明显好转,减缓了土壤退化。由于杉木人工林地地被物遭受破坏,土壤侵蚀加剧,进而导致土壤薄层化和砂化,使杉木人工林林地土壤退化(吴蔚东等,2001)。由于檫树林生长形成了较好的土壤结构,采伐1年后土壤退化程度相对较轻。经济林的土壤退化指数相对最高,40年的林木生长积累了较多的凋落物、丰富的根系和依赖于森林生存的特有生物使其具有独特的成土条件和自肥机制(张庆费等,1999),也与人为粗放式管理有关(较少的人为干扰)。经统计分析可以看出,土壤退化指数(ID)和土壤质量综合指数(IQ)之间具有良好的线性关系(R=0.99,P<0.01)。表明土壤退化指数同土壤质量综合指数能有效地评价不同土地利用类型的土壤质量,而且过程简化,评价指标也不受限制,但基准土地利用类型的选择是关键。4不同类型林分的土壤肥力综合质量指数的变化本研究中,7种土地利用方式之间土壤密度和养分含量均表现为显著的差异。表明人类活动和植被恢复引起的不同土地利用方式对土壤性状有明显的影响,很多研究者有过类似的报道(Wangetal.,1996;吴蔚东等,2001;Chenetal.,2003;巩杰等,2004;龙健等,2005)。由于速效性养分含量受时间和各种环境因子的影响较大,因此不同土地利用方式土壤表层中速效氮、有效磷和速效钾的变化只具有相对比较的意义,还有待于进行多次采样的比较研究。本研究中,次生林林地土壤综合质量指数最高,其次是经济林。表明天然林采伐后经过多年的自然演替恢复仍可以保持较高土壤肥力,30年生经济林林地积累了较多的凋落物,具有独特的成土条件和自肥机制,也与人为粗放式管理有关(较少的人为干扰)。而杉木人工林处于坡度较大的立地条件,并采用锄抚的方式进行全面抚育,抚育过程会造成地被物破坏和土壤翻动,引起土壤有机质和养分含量下降、土壤侵蚀加剧,进而导致土壤退化。另外,杉木凋落物