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土地利用對土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分的影響論文
土地利用方式是人類利用土地各種活動的綜合反映， 包括農(nóng)業(yè)、 林業(yè)、 居住地、 草地、 濕地和果園等， 又是影響土壤養(yǎng)分變化最直接、 最深刻、 最普遍的因素[1-2]. 土壤養(yǎng)分是土壤的基本屬性 , 是植物群落的重要環(huán)境因子， 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中占重要地位[3]. 土壤養(yǎng)分的高低直接影響著作物生長、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、 布局和效應(yīng)等方面[4]. 土地利用方式的結(jié)構(gòu)變化會影響土壤養(yǎng)分在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)和分布， 也是引起生態(tài)系統(tǒng)退化下， 土壤養(yǎng)分庫降低而空間異質(zhì)性提高的主要原因[5-6]. 土地利用方式的變化也會導(dǎo)致土地生產(chǎn)力的改變[7]. 在不同生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境下， 土地利用方式與土壤養(yǎng)分相互作用機制還沒有明確定論。 而在紅壤地區(qū)， 由于土壤其性質(zhì)上的酸、 瘦、 粘等弱點， 保肥供肥差，使整個地區(qū)農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟受到嚴重影響[8]. 近年來 ,國內(nèi)外陸續(xù)開展了有關(guān)不同土地利用對南方紅壤土壤養(yǎng)分影響的試驗研究， 取得了一定的研究效果，但迄今為止， 對于土地利用方式對土壤養(yǎng)分的主要作用機制還需要進一步探討和分析[9]. 筆者總結(jié)了近年來國內(nèi)外相關(guān)文獻， 分析闡述各種土地利用條件下土壤物理性質(zhì)變化及土壤養(yǎng)分變化之間的關(guān)系， 以便更好地因地制宜調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)， 在資源開發(fā)利用上揚長避短， 減少土壤環(huán)境的污染， 降低農(nóng)用成本。
1 土地利用對土壤物理性質(zhì)的影響
土壤質(zhì)量、 顆粒組成、 容重、 孔隙度、 滲透率和貯水量等構(gòu)成土壤物理性質(zhì)的重要指標[10]. 土壤物理性質(zhì)可以反映土壤結(jié)構(gòu)和水文狀況及評價土壤質(zhì)量， 決定土壤中水、 氣、 熱和生物狀況， 從而影響土壤中植物營養(yǎng)元素的有效性和供應(yīng)能力[11]. 土地利用對表層土壤物理性質(zhì)影響明顯， 江恒等[12]指出， 農(nóng)田與休閑地相比， 土壤容重增加 7.47%, 而孔隙度、 飽和含水量和田間持水量分別下降 2.59、6.04 和 1.90 個百分點 . 單位面積內(nèi)增加有效大孔隙數(shù)目、 大孔隙度及連通性， 可顯著提高土壤入滲性能， 高朝俠等[13]模擬土壤水分及溶質(zhì)運移， 建立流域水文模型， 以刺槐林地、 草地、 小麥地和蘋果林地為研究， 指出植被恢復(fù)可通過植物根系穿插、土壤動物活動等形成大孔隙。 土地利用方式隨土層深度的加深， 土壤儲水量越來越少[14], 程立平等[15]研究得出， 干濕交替層以下深層土壤水分狀況主要受土地利用方式的影響， 水分含水量表現(xiàn)為苜蓿草地>蘋果林地>高產(chǎn)農(nóng)田>裸地。 不同的土地利用方式， 土壤性質(zhì)變化較大， 旱地與有林地相比， 旱地的土層和腐殖質(zhì)層較薄， 顆粒較細， 水穩(wěn)性團粒較少[16]. 土壤質(zhì)量退化是由不合理的利用方式造成 ,劉玉等[17]分析研究了重慶市北碚區(qū)巖溶槽谷雞公山地區(qū)不同土地利用方式， 認為土壤物理性質(zhì)的變壞與石漠化形成過程有相互促進的正反饋關(guān)系。 暴雨加速了水土流失的發(fā)展[18], 據(jù)統(tǒng)計， 隨著工業(yè)的發(fā)展， 大量化石燃料燃燒排放出的硫氧化物和氮氧化物與水汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成酸沉降， 酸沉降的酸雨影響紅壤酸化， 加之不合理的土地利用方式， 導(dǎo)致長江流域以南的紅壤地區(qū)水土流失面積嚴重， 年均侵蝕模數(shù)達 4 432 t/km2, 土壤流失量就達 15.6 億 t[19-20].
2 土地利用對土壤養(yǎng)分的影響
土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)， 一般施肥水平條件下， 植物吸收的氮有 30%~60%, 磷有50%~70%, 鉀有 40%~69%來自土壤 , 土壤養(yǎng)分可以反映土壤對植被提供養(yǎng)分的潛在能力[10,21], 土壤氮、 磷、 鉀含量和有機質(zhì)以及其動態(tài)平衡共同構(gòu)成了土壤養(yǎng)分的重要指標。 土地利用方式變化對土壤養(yǎng)分變化有著明顯的影響。
2.1 對土壤有機質(zhì)的影響
土壤有機質(zhì)是土壤中最活躍的部分， 是土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)， 是衡量評價土壤養(yǎng)分的重要指標之一。
不同土地利用方式引起的土壤有機質(zhì)含量、 密度及其垂直分布發(fā)生了相應(yīng)的變化， 如有機質(zhì)含量隨封育、 火燒、 刈割、 刈割除根、 種植牧草、 種植玉米的人為干擾強度增加而減少[22]. 利用方式不同的果園和高投入的玉米地土壤在 0~100 cm 土層中SOC（有機碳）含量均較高， 變化范圍分別為 4.16~10.00和 4.73~9.31 g/kg; 大豆地、 中、 低投入玉米地土壤， 在 0~100 cm 土層中 SOC 含量較低， 變化范圍分 別 為 3.27~7.73、 3.14~8.33、 1.83~7.67 g/kg[23].土壤有機質(zhì)分解是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，除對土地利用變化十分敏感， 還受溫度和水分的影響， 李杰等[24]研究柑橘園和濕地松人工林的溫度（5、 10、 15、 20、 25 ℃）和水分含量（30%、 60%和90%飽和含水量）， 研究結(jié)果表明， 柑橘園和濕地松人工林土壤碳礦化速率均與溫度呈正相關(guān)， 60%飽和含水量處理下土壤碳礦化速率最高。 而利用13C 穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)探討凋落物對杉木人工林表層（0~5 cm）和深層（40~45 cm）土壤有機碳的分解，結(jié)果表明， 杉木人工林中深層土壤有機碳分解速率顯著低于表層土壤， 但其激發(fā)效應(yīng)卻顯著高于表層土壤[25]. 土壤開墾后 , 往土壤添加 2%和 5%的生物炭顯著增加了土壤 CO2（二氧化碳）的體積分數(shù)和排放速率[26], 如耕作過程中， 不增施肥料， 土壤有機質(zhì)將日趨下降， 導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化[27].
2.2 對氮、 鉀的影響
氮、 鉀是植物的必需營養(yǎng)元素， 是土壤養(yǎng)分的重要物質(zhì)基礎(chǔ)， 其受自然因素（氣候、 地形及植被）和農(nóng)業(yè)措施（施肥、 耕作、 灌溉及土地利用方式）的影響很大[28]. 土地利用與覆被的變化影響著土壤元素的遷移轉(zhuǎn)化過程。 有機物覆蓋增加土壤養(yǎng)分， 周江濤等[29]在 ‘寒富' 蘋果園設(shè)置了雜草、 稻草、 玉米秸稈、 粉碎枝條 4 個覆蓋處理， 明顯增加土壤堿解氮、 速效鉀含量。 目前， 研究土地利用方式對土壤養(yǎng)分影響的時空跨度較大， 林地、 未利用地轉(zhuǎn)為耕地后， 土壤全氮含量降低， 全鉀、 速效鉀含量增加， 表明耕作可以提高土壤中堿解氮含量和鉀養(yǎng)分而降低氮全量養(yǎng)分。 孔紅梅等[30]對瀘沽湖流域內(nèi)農(nóng)田、 草地、 林地的土壤理化性狀進行對比分析， 得出農(nóng)田含水率、 全氮、 速效氮和速效鉀含量相對較高， 而草地和林地相對較高的是有機質(zhì)、 全鉀含量。 隨著土壤中氮肥和鉀肥施入量的增多， 土壤中堿解氮和速效鉀的含量呈升高趨勢[31]. 南方紅壤區(qū)總降水量豐富， 但分配極不平衡， 不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致營養(yǎng)元素的缺乏和土壤養(yǎng)分的衰退， 如耕地普遍缺少有機質(zhì)和氮素， 全部旱地和 60%的水田缺磷， 耕地中 58%缺鉀[32], 已嚴重阻礙著本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。
2.3 對磷的影響
隨著近年來土地利用中化學(xué)肥料的施用量越來越高， 引起養(yǎng)分累積， 造成肥料浪費， 影響土壤質(zhì)量。 磷素在土壤中的變化則是一個相對穩(wěn)定緩慢的過程， 長期施用磷肥會提高土壤鎘（Cd）含量[33],不僅導(dǎo)致磷在表層土壤積累， 而且提高土壤活性磷水平， 增加土壤磷素流失風險[34]. 隨土壤磷水平 、磷肥和有機肥用量的增加， 土壤吸磷量和緩沖能力顯著降低； 土壤易解吸磷和土壤磷的解吸率顯著增加[35]. 生物結(jié)皮提高結(jié)皮層土壤全磷 、 速效磷含量； 結(jié)皮層土壤堿性、 磷酸酶活性和有機質(zhì)含量與土壤磷素有效性成顯著正相關(guān)[36]. 植被覆蓋也能提高土壤磷含量， 如闊葉林比無林地能夠顯著地提高土壤磷的有效性。 楊小燕等[37]以典型落葉松林、 水曲柳林、 樟子松林和美青楊林表層土壤（0~10 cm）為對象， 研究不同類型水土保持林土壤磷素的形態(tài)和有效性， 研究結(jié)果表明， 水曲柳林和美青楊林土壤全磷、 速效磷和磷各組分含量均顯著高于落葉松林和樟子松林。 人工植被、 農(nóng)地棄耕（撂荒）對土壤有一定的土壤培肥作用， 以安徽菜子湖區(qū)不同退耕年限的濕地、 油菜地和原始濕地為研究對象， 表明隨著退耕年限的增加， 濕地土壤對外源磷的固持能力不斷增強[38].
3 總結(jié)與展望
綜上所述， 土地利用是自然和人類活動相互作用的綜合過程， 土壤的理化性狀和土壤養(yǎng)分變化與土地利用方式密切相關(guān)， 土地利用方式影響土壤養(yǎng)分的流動并影響不同土地單元中重要營養(yǎng)成分的滯留和轉(zhuǎn)化， 合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)， 增強土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力； 不合理的土地利用方式會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降， 增加土壤侵蝕， 降低生物多樣性等。 土地利用方式對土壤養(yǎng)分的影響過程十分復(fù)雜， 受到利用類型、 土壤理化性質(zhì)、 土壤氮磷鉀以及諸多環(huán)境因子和人為因素的影響， 因此揭示土地利用方式對土壤養(yǎng)分持留機制還需要進一步深入研究。 下面結(jié)合土壤微生物和酶活性、 生物質(zhì)炭技術(shù)和紅壤生態(tài)系統(tǒng)， 提出該領(lǐng)域今后的研究方向和展望。 以期能為該領(lǐng)域研究起到方向性的引導(dǎo)作用， 進而了解不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分狀況對土壤質(zhì)量的影響， 起到控制土壤養(yǎng)分流失的作用。
3.1 開展土壤微生物和酶活性研究
土壤微生物和土壤酶在土壤形成、 肥力演變、土壤結(jié)構(gòu)的形成與改良、 系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗干擾能力等方面起重要作用[39-40]. 不同土地利用方式下微生物的類群和數(shù)量存在明顯差異， 宋敏等[41]對不同植被演替的生態(tài)系統(tǒng)研究， 得出坡耕地、 草叢、 灌叢土壤微生物總數(shù)量為放線菌>細菌>真菌， 而人工林和次生林則為細菌>放線菌>真菌。 北熱帶的 6種不同利用方式， 則全部表現(xiàn)為細菌>放線菌>真菌[42]. 一般情況下， 細菌和放線菌數(shù)量比真菌變異大[39], 張利青等[43]研究發(fā)現(xiàn)， 典型坡耕地土壤微生物總數(shù)僅為 1.75×105cfu/g, 與前人研究結(jié)果（放線菌>細菌>真菌）不同[44]. 植被物覆蓋可以為微生物提供生長基質(zhì)和碳源[26], 影響微生物的群落組成和多樣性， 顯著增加土壤細菌和真菌數(shù)量[45]. 北熱帶6 種不同利用方式中， 土壤微生物種群總數(shù)量為坡耕地>原生林， 就是坡耕地因人工施用有機肥導(dǎo)致外來微生物種群數(shù)量增多， 從而極顯著高于其他土地利用方式[43]. Gupta 等[46]比較了農(nóng)用地土壤和與它毗鄰的林區(qū)土壤， 發(fā)現(xiàn)農(nóng)用地抑制了磷酸酶和芳基硫酸酶活性， 農(nóng)用耕作對土壤酶活性的影響隨利用方式的不同而不同。 李景等[47]研究豫西丘陵 15年的保護性耕作， 指出與傳統(tǒng)耕作相比， 免耕的細菌、 古菌和真菌分別提高 0.3%、 20.2%和 23.7%.長期施肥的農(nóng)田土壤蔗糖酶、 磷酸酶和脲酶活性均高于不施肥的農(nóng)田， 封山育林的土壤蔗糖酶、 磷酸酶和脲酶活性高于種植作物的農(nóng)田土壤[48], 表明人為干擾影響酶活性。 土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量的增加促進土壤質(zhì)量的改善和提高土地生產(chǎn)力， 而土壤養(yǎng)分的提高反過來促進土壤酶活性和增加土壤微生物數(shù)量， 研究土壤微生物和土壤酶活性， 把它們作為衡量指標， 以判別不同利用方式對土壤質(zhì)量的可能影響， 以便及時采取有效措施， 提高土壤性能。
3.2 開展土壤中生物質(zhì)炭研究
在不同的土地利用方式中， 土壤開墾后其養(yǎng)分狀況發(fā)生了明顯變化， 尤其是土壤有機質(zhì)呈下降趨勢， 土壤中的氮磷等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化也受到大量生物和非生物因素的影響。 生物質(zhì)炭作為一種外源輸入的新型功能材料， 是由生物質(zhì)在限氧條件下經(jīng)炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)富碳物質(zhì)[49]. 其將直接或間接參與生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)， 并通過自身物理化學(xué)特性或與土壤相互作用對土壤養(yǎng)分淋溶產(chǎn)生重要影響[50]. 生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分淋溶流失的影響過程十分復(fù)雜， 受到生物質(zhì)炭類型及自身特性、土壤理化性質(zhì)以及諸多環(huán)境因子和人為因素的影響， 研究土地利用方式中的生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分的潛在影響機制， 進一步探討生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理現(xiàn)狀、 存在問題及生物質(zhì)炭技術(shù)發(fā)展趨勢， 提出該領(lǐng)域今后的研究方向和展望， 以期能為該領(lǐng)域研究起到方向性的引導(dǎo)作用， 進而推動生物質(zhì)炭在土壤養(yǎng)分流失控制方面的應(yīng)用。
3.3 開展紅壤生態(tài)系統(tǒng)研究
土壤學(xué)、 生態(tài)學(xué)以及微生物學(xué)家陸續(xù)開展了大量有關(guān)不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分影響的試驗研究， 并通過利用現(xiàn)代分子生物學(xué)分析手段探討了微生物與土壤呼吸變化之間的關(guān)系[51-52], 一定范圍內(nèi)增加施氮量有助于氧化氫酶催化過氧化氫反應(yīng)生成水和氧氣， 從而在細胞內(nèi)而起到解毒作用， 改善土壤環(huán)境[53]. 中國南方紅壤占全國土地面積較大， 其生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分退化、 耕地面積縮減和系統(tǒng)功能衰減等問題日趨嚴重， 特別是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)與平衡的失調(diào)， 旱地的土壤養(yǎng)分貧痔化及肥力衰減過程[22]. 我國南方紅壤不應(yīng)僅是指紅壤， 而應(yīng)將其看成一個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)， 將生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的所有生物與非生物環(huán)境作為一個整體， 再去認識。 植被種類及生長狀況、 林下植被、 凋落物數(shù)量及化學(xué)組成和人為干擾程度等直接影響土壤養(yǎng)分， 就要提高人們多角度對紅壤的認識， 建立科學(xué)的土壤質(zhì)量調(diào)控體系。 研究不同利用方式下土壤質(zhì)量的演變規(guī)律， 是現(xiàn)代土壤學(xué)研究的熱點與前沿， 但目前研究者偏重于土壤化學(xué)和物理性質(zhì)的評價， 缺乏完善的生物學(xué)評價指標。 因此要保持紅壤生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展， 需要把紅壤區(qū)看成一個生態(tài)系統(tǒng)進一步開展多試驗的深入研究， 才能確保整個南方紅壤生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展。
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