長(zhǎng)期不同生產(chǎn)行為對(duì)喀斯特山區(qū)小流域土壤理化性狀的影響

長(zhǎng)期不同生產(chǎn)行為對(duì)喀斯特山區(qū)小流域土壤理化性狀的影響

該縣主要由風(fēng)林、風(fēng)群和峽谷組成。水蝕和水蝕的作用是明顯的。土壤平坦，土壤侵蝕不連續(xù)，蓄水能力弱。植物生長(zhǎng)緩慢，生態(tài)環(huán)境脆弱，系統(tǒng)穩(wěn)定和自我恢復(fù)能力低。喀斯特山區(qū)土層較厚的地帶大部分被開墾為耕地,形成以玉米為主的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這類生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在過度的人為干擾作用下,使得原來的植被類型、覆蓋狀況及土壤質(zhì)量發(fā)生了很大的變化。本文以貴州普定喀斯特山區(qū)貓洞小流域?yàn)槔?探討農(nóng)戶生產(chǎn)行為影響下土壤質(zhì)量的變化規(guī)律,以期為其脆弱的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1灌木林地土壤條件及種植土地普定縣位于貴州省中部偏西,處于烏江上游三岔河(屬長(zhǎng)江水系)與打幫河(屬珠江水系)分水嶺的北坡。氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年均溫度15.1℃,無霜期為289天,年均相對(duì)濕度85%,年均降雨量1396.9mm,降雨季節(jié)多集中在5至9月份。貓洞小流域在普定縣下游的貓洞鄉(xiāng)境內(nèi),位于三岔河南岸,涉及可處、補(bǔ)堆、大荒地、紅巖、熬硝壩、掛多等村寨,面積約15km2,屬于峰叢型小流域。小流域內(nèi)部分山頂有保存較好的喬木林,也有因人為破壞而導(dǎo)致退化的灌木林地和灌叢草地。本區(qū)大部分成壤母質(zhì)以碳酸鹽巖(石灰?guī)r和白云巖)為主,碳酸鹽巖經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化而形成的石灰土,土層淺薄且不連續(xù),一般厚度為30~50cm,土壤質(zhì)地粘重,呈弱堿性。緩坡土層厚的地方為主要旱耕地,溝谷溪水兩側(cè)分布少量水田,溝谷坡上分布著村落。本區(qū)域農(nóng)業(yè)人口多,種植業(yè)比重大,以旱作農(nóng)業(yè)為主,玉米產(chǎn)量一般在3000~4500kg/hm2,產(chǎn)量較低,施肥是提高作物產(chǎn)量的主要措施。根據(jù)農(nóng)戶對(duì)土地的利用方式,可將本小流域劃分為3個(gè)區(qū)域:第一區(qū)域?yàn)榈蛷?fù)種旱作農(nóng)業(yè)區(qū),位于山坡較陡峭地方,離村莊較遠(yuǎn)。該地區(qū)原生植被絕大部分受到破壞,局部地方存在些灌木草叢,土地開墾率在20%~50%,土壤較瘠薄,坡度較大,復(fù)種指數(shù)低。一年種植一季玉米,投入肥料以化學(xué)肥料為主,但施用量很少,耕作粗放。第二區(qū)域?yàn)楦邚?fù)種旱作農(nóng)業(yè)區(qū),位于山坡中底部,為主要旱坡地。該地區(qū)地勢(shì)較平緩,多數(shù)土地被開墾為耕地,土地開墾率達(dá)50%~80%,旱地占耕地面積的80%~90%,種植作物主要為玉米、烤煙、小麥、油菜,每年耕種兩季或兩季以上,復(fù)種指數(shù)較高,施肥以化肥和部分有機(jī)肥為主。第三區(qū)域?yàn)楦邚?fù)種復(fù)合農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)域以村寨為中心,在村寨周圍地勢(shì)較高的地段,為長(zhǎng)期種植作物的旱地,主要種植蔬菜、玉米、烤煙、油菜等;在地勢(shì)低洼的地段主要種植水稻、油菜,稻田占耕地面積的30%~50%;一年種植兩到三季,復(fù)種指數(shù)較高,施用大量的有機(jī)肥和化肥。以上三類農(nóng)區(qū)簡(jiǎn)稱:低復(fù)種旱作區(qū),高復(fù)種旱作區(qū),高復(fù)種指數(shù)的復(fù)合農(nóng)作區(qū)。1.2土壤樣品的采集于2007年7-9月(酶活性較高的夏末秋初)選取有代表性且母質(zhì)相同(石灰?guī)r)的3類農(nóng)作區(qū)各13塊樣地。每個(gè)樣地內(nèi)選取5~8個(gè)樣點(diǎn),采集樣點(diǎn)表層土壤(0~15cm)混合。每一樣點(diǎn)采樣2份,1份裝入無菌封口塑料袋,并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤呼吸的測(cè)定,另1份供土壤酶活性及理化性質(zhì)測(cè)定之用,樣品重量1kg左右。土壤有效磷采用Olsen法測(cè)定,有效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定,有效鈣和鎂采用醋酸銨浸提-EDTA滴定法測(cè)定,其它項(xiàng)目采用常規(guī)的方法測(cè)定。土壤呼吸強(qiáng)度及酶活性測(cè)定方法按有關(guān)方法。2結(jié)果與分析2.1土壤質(zhì)量變化特征2.1.1不同復(fù)種區(qū)的土壤容重、粘粒含量小流域的土壤容重、土壤<0.01mm和<0.001mm粘粒含量大小順序均是:低復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)(圖1、圖2),其中僅是低復(fù)種旱作區(qū)和高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的土壤容重、<0.001mm粘粒含量差異達(dá)顯著水平,而土壤<0.001mm粘粒含量彼此間差異不顯著。土壤孔隙度大小順序正好與其它物理性狀相反:高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū)(圖2),也僅是低復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)土壤孔隙度差異達(dá)顯著水平?？梢?農(nóng)作區(qū)隨著復(fù)種指數(shù)增加,特別高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)由于人為投入大量的有機(jī)肥,粘粒含量明顯地減少,孔隙度增大,容重減小,土壤物理性狀得到了改善。2.1.2不同流域農(nóng)作區(qū)土壤物理性質(zhì)的變化喀斯特山區(qū)的石灰土均呈弱堿性,在三類農(nóng)作區(qū)土壤pH值的差異不顯著(表1)。但由于農(nóng)戶生產(chǎn)中種植作物的種類、復(fù)種指數(shù)、耕作和栽培等方面的不同,喀斯特山區(qū)小流域農(nóng)作區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)也存在很大的變化:從表1可見,隨著復(fù)種指數(shù)和耕作強(qiáng)度等增強(qiáng),從低復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、腐植酸、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣等的含量均表現(xiàn)為增大,土壤全鉀含量變化則與上述相反,而土壤全磷、交換鎂、CEC含量則均以高復(fù)種旱作區(qū)為最高。2.1.2.不同立地條件對(duì)土壤腐殖酸總量和腐植酸含量的影響研究區(qū)高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)和低復(fù)種旱作區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別是為77.99g/kg、56.58g/kg、41.87g/kg,僅低復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)間差異達(dá)極顯著水平。土壤腐殖酸總量變化情況類似于土壤有機(jī)質(zhì)。人為投入有機(jī)肥和作物種植方式不同,對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和腐植酸的含量影響較為明顯。當(dāng)喀斯特山區(qū)土壤農(nóng)用后,墾植加快土壤有機(jī)質(zhì)分解,同時(shí)由于人為投入有機(jī)肥的增加和大量作物根系等有機(jī)物回歸土壤,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量從低復(fù)種旱作區(qū)→高復(fù)種旱作區(qū)→高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)逐漸增多。2.1.2.對(duì)試驗(yàn)地土壤全氮、全鉀含量的分析土壤堿解氮、速效磷鉀的養(yǎng)分含量變化均是:高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū)。其中僅高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)與高復(fù)種旱作區(qū)、低復(fù)種旱作區(qū)間土壤堿解氮含量間差異達(dá)極顯著水平;土壤速效磷的含量不同復(fù)種指數(shù)區(qū)土壤均差異顯著;但速效鉀含量差異不顯著。生產(chǎn)過程中,農(nóng)戶為了追求高效產(chǎn)出,人工投入有機(jī)肥和化肥,它在提高了土壤的速效養(yǎng)分含量的同時(shí),也增加了對(duì)環(huán)境影響的潛能。土壤全氮、全磷及全鉀的含量大小順序完全不同:土壤全氮含量大小是高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū),低復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的土壤全氮差異達(dá)極顯著水平,其它各土壤間也均達(dá)顯著水平;而土壤全磷含量從高到低的是高復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū),僅低復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的土壤全磷含量達(dá)極顯著水平;土壤全鉀含量則和土壤氮磷含量相反,由高至低依次為低復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū),土壤全鉀僅高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)與低復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)差異呈極顯著水平,低復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種旱作區(qū)土壤全鉀含量差異不顯著。土壤速效磷含量與土壤全磷含量大小順序的差異可能是因?yàn)闉樽非蟾叩漠a(chǎn)出,高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)和高復(fù)種旱作區(qū)投入較多的有機(jī)質(zhì)和磷肥,所以速效磷和全磷含量高,但是高復(fù)種旱作區(qū)的土壤速效磷含量略低于高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)。土壤中速效鉀含量應(yīng)該與土壤全鉀含量有較高的正相關(guān)性,但本研究區(qū)土壤全鉀與速效鉀含量卻表現(xiàn)出完全的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其可能的原因一是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶沒有施用鉀肥的習(xí)慣,二是高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)又較其它區(qū)復(fù)種指數(shù)高,高強(qiáng)度的復(fù)種導(dǎo)致鉀流失,而且多復(fù)種也使得作物帶走較多的鉀,這可能是高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)全鉀偏低的原因。但高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)由于投入的有機(jī)肥較多,有機(jī)物分解可能使得其速效鉀含量又不太低。2.1.2.不同類型土壤類型對(duì)鈣的交換土壤交換性鈣含量?jī)H高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)與低復(fù)種旱作區(qū)間呈顯著差異。而土壤交換性鎂含量與土壤交換性鈣含量順序不同:高復(fù)種旱作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū),但土壤類型間差異不顯著。低復(fù)種旱作區(qū)交換性鈣含量較其它低的原因,可能是土壤施肥量少,而耕作又加快了鈣的流失造成,高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)和高復(fù)種旱作區(qū)可能因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥,使其土壤絡(luò)合了鈣。土壤CEC含量大小順序又不同:高復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū),高復(fù)種旱作區(qū)與低復(fù)種旱作區(qū)土壤CEC含量間存在極顯著差異,高復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)土壤間差異也達(dá)到顯著水平。2.1.3不同復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的土壤養(yǎng)分活性從表2可見,土壤呼吸強(qiáng)度、脲酶活性、磷酸酶活性和蛋白酶活性從大到小的均是:高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>低復(fù)種旱作區(qū)。其中高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)與低復(fù)種旱作區(qū)土壤呼吸強(qiáng)度達(dá)顯著水平,其它農(nóng)作區(qū)土壤間未達(dá)顯著水平。高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的土壤脲酶活性分別是高復(fù)種旱作區(qū)和低復(fù)種旱作區(qū)的1.41倍、4.33倍,各類農(nóng)作土壤間差異均達(dá)極顯著水平,說明各類土壤間氮代謝強(qiáng)度存在著極大差異。這可能與施肥提高了土壤的脲酶活性有關(guān),這與邱莉萍、林瑞余等研究相同。各類農(nóng)作土壤磷酸酶和蛋白酶活性大小之間差異均未達(dá)顯著水平。這可能是各種酶共同參與有機(jī)質(zhì)的降解有關(guān)。過氧化氫酶的活性變化與上面3種酶的情況完全不同,其大小順序是:低復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種旱作區(qū)>高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū),僅低復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)間差異達(dá)極顯著水平。2.2土壤肥力等級(jí)利用土壤生物指標(biāo)和主要肥力因子關(guān)系,篩選出土壤呼吸強(qiáng)度、蛋白酶和磷酸酶活性可作為這類土壤肥力指標(biāo),加上土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、物理性粘粒、容重、土壤氮磷鉀含量等常規(guī)肥力指標(biāo),以這10個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用DPS軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心化處理,計(jì)算距離系數(shù)(歐氏距離法),然后選擇最短距離法對(duì)土壤樣品(n=39)的質(zhì)量水平進(jìn)行聚類分析。結(jié)果表明(圖3),這些土壤的質(zhì)量等級(jí)可大致分為3大類型(2-8、12、14-16號(hào)土壤為一類,1、9、11、13、22-26、37-39號(hào)土壤為一類,其他號(hào)土壤為一類)。根據(jù)種植方式的不同,結(jié)合土壤肥力情況,初步將土壤質(zhì)量變化分為3個(gè)類:Ⅰ:該類土壤有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量相對(duì)較高,土壤氮磷養(yǎng)分水平高,土壤粘粒含量適中,土壤結(jié)構(gòu)性好,保肥保水性好,供肥能力強(qiáng),土壤酶活性和土壤呼吸強(qiáng)度較高,屬于較好的土壤類型。因該類土壤氮磷含量過高,可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生明顯影響。其對(duì)應(yīng)地主要為高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)和部分高復(fù)種旱作區(qū)。Ⅱ:該類土壤有機(jī)質(zhì)含量中等,速效氮、速效磷養(yǎng)分水平較好,鉀養(yǎng)分水平偏低,土壤粘粒含量一般,土壤質(zhì)地偏粘,土壤酶活性一般,土壤結(jié)構(gòu)性、保肥保水性有待進(jìn)一步改善,該類土壤理化性質(zhì)差異較大。土壤較高的氮磷含量將造成喀斯特山區(qū)地表徑流和淺層地下水的氮磷含量增高,并有可能對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。該土壤類型對(duì)應(yīng)的主要是高復(fù)種旱作區(qū)。Ⅲ:該類土壤質(zhì)地較差,有機(jī)質(zhì)含量較低,速效氮磷鉀養(yǎng)分水平較低,土壤粘粒含量偏高,土壤質(zhì)地偏粘,土壤酶活性較弱,土壤理化性質(zhì)差異較大,土壤結(jié)構(gòu)性、保肥保水性較差。且坡度大,可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。其對(duì)應(yīng)主要是低復(fù)種旱作區(qū)。3不同地種土壤肥力的聚類分析(1)喀斯特山區(qū)農(nóng)作模式從低復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)、高復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)到高復(fù)種指數(shù)復(fù)合農(nóng)作區(qū),土壤容重、粘粒含量減小,而土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖酸含量、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣、土壤呼吸強(qiáng)度、脲酶、磷酸酶、蛋白酶活性含量依次增大,土壤全鉀含量和過氧化氫酶活性則依次減小。低復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)與高復(fù)種指數(shù)農(nóng)區(qū)的土壤肥力有顯著差異。(2)根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)、物理性粘粒、氮磷鉀含量、土壤活性強(qiáng)度、土壤蛋白酶和磷酸酶活性等