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土地利用對土壤物理性質和養分的影響論文
土地利用方式是人類利用土地各種活動的綜合反映， 包括農業、 林業、 居住地、 草地、 濕地和果園等， 又是影響土壤養分變化最直接、 最深刻、 最普遍的因素[1-2]. 土壤養分是土壤的基本屬性 , 是植物群落的重要環境因子， 在農業生產和科學研究中占重要地位[3]. 土壤養分的高低直接影響著作物生長、 農業生產結構、 布局和效應等方面[4]. 土地利用方式的結構變化會影響土壤養分在生態系統內的循環和分布， 也是引起生態系統退化下， 土壤養分庫降低而空間異質性提高的主要原因[5-6]. 土地利用方式的變化也會導致土地生產力的改變[7]. 在不同生態系統環境下， 土地利用方式與土壤養分相互作用機制還沒有明確定論。 而在紅壤地區， 由于土壤其性質上的酸、 瘦、 粘等弱點， 保肥供肥差，使整個地區農業及經濟受到嚴重影響[8]. 近年來 ,國內外陸續開展了有關不同土地利用對南方紅壤土壤養分影響的試驗研究， 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分的主要作用機制還需要進一步探討和分析[9]. 筆者總結了近年來國內外相關文獻， 分析闡述各種土地利用條件下土壤物理性質變化及土壤養分變化之間的關系， 以便更好地因地制宜調整生產結構， 在資源開發利用上揚長避短， 減少土壤環境的污染， 降低農用成本。
1 土地利用對土壤物理性質的影響
土壤質量、 顆粒組成、 容重、 孔隙度、 滲透率和貯水量等構成土壤物理性質的重要指標[10]. 土壤物理性質可以反映土壤結構和水文狀況及評價土壤質量， 決定土壤中水、 氣、 熱和生物狀況， 從而影響土壤中植物營養元素的有效性和供應能力[11]. 土地利用對表層土壤物理性質影響明顯， 江恒等[12]指出， 農田與休閑地相比， 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 . 單位面積內增加有效大孔隙數目、 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， 水分含水量表現為苜蓿草地>蘋果林地>高產農田>裸地。 不同的土地利用方式， 土壤性質變化較大， 旱地與有林地相比， 旱地的土層和腐殖質層較薄， 顆粒較細， 水穩性團粒較少[16]. 土壤質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巖溶槽谷雞公山地區不同土地利用方式， 認為土壤物理性質的變壞與石漠化形成過程有相互促進的正反饋關系。 暴雨加速了水土流失的發展[18], 據統計， 隨著工業的發展， 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生化學反應形成酸沉降， 酸沉降的酸雨影響紅壤酸化， 加之不合理的土地利用方式， 導致長江流域以南的紅壤地區水土流失面積嚴重， 年均侵蝕模數達 4 432 t/km2, 土壤流失量就達 15.6 億 t[19-20].
2 土地利用對土壤養分的影響
土壤養分是土壤肥力的重要物質基礎， 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 , 土壤養分可以反映土壤對植被提供養分的潛在能力[10,21], 土壤氮、 磷、 鉀含量和有機質以及其動態平衡共同構成了土壤養分的重要指標。 土地利用方式變化對土壤養分變化有著明顯的影響。
2.1 對土壤有機質的影響
土壤有機質是土壤中最活躍的部分， 是土壤養分的基礎， 是衡量評價土壤養分的重要指標之一。
不同土地利用方式引起的土壤有機質含量、 密度及其垂直分布發生了相應的變化， 如有機質含量隨封育、 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].土壤有機質分解是陸地生態系統碳循環的重要環節，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， 60%飽和含水量處理下土壤碳礦化速率最高。 而利用13C 穩定同位素示蹤技術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， 但其激發效應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）的體積分數和排放速率[26], 如耕作過程中， 不增施肥料， 土壤有機質將日趨下降， 導致土壤質量退化[27].
2.2 對氮、 鉀的影響
氮、 鉀是植物的必需營養元素， 是土壤養分的重要物質基礎， 其受自然因素（氣候、 地形及植被）和農業措施（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化過程。 有機物覆蓋增加土壤養分， 周江濤等[29]在 ‘寒富' 蘋果園設置了雜草、 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分影響的時空跨度較大， 林地、 未利用地轉為耕地后， 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分而降低氮全量養分。 孔紅梅等[30]對瀘沽湖流域內農田、 草地、 林地的土壤理化性狀進行對比分析， 得出農田含水率、 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、 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]. 南方紅壤區總降水量豐富， 但分配極不平衡， 不合理的開發利用導致營養元素的缺乏和土壤養分的衰退， 如耕地普遍缺少有機質和氮素， 全部旱地和 60%的水田缺磷， 耕地中 58%缺鉀[32], 已嚴重阻礙著本區農業生產的持續發展。
2.3 對磷的影響
隨著近年來土地利用中化學肥料的施用量越來越高， 引起養分累積， 造成肥料浪費， 影響土壤質量。 磷素在土壤中的變化則是一個相對穩定緩慢的過程， 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]. 生物結皮提高結皮層土壤全磷 、 速效磷含量； 結皮層土壤堿性、 磷酸酶活性和有機質含量與土壤磷素有效性成顯著正相關[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和有效性， 研究結果表明， 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分變化與土地利用方式密切相關， 土地利用方式影響土壤養分的流動并影響不同土地單元中重要營養成分的滯留和轉化， 合理的土地利用方式可以改善土壤結構， 增強土壤對外界環境變化的抵抗力； 不合理的土地利用方式會導致土壤質量下降， 增加土壤侵蝕， 降低生物多樣性等。 土地利用方式對土壤養分的影響過程十分復雜， 受到利用類型、 土壤理化性質、 土壤氮磷鉀以及諸多環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分持留機制還需要進一步深入研究。 下面結合土壤微生物和酶活性、 生物質炭技術和紅壤生態系統， 提出該領域今后的研究方向和展望。 以期能為該領域研究起到方向性的引導作用， 進而了解不同土地利用方式下土壤養分狀況對土壤質量的影響， 起到控制土壤養分流失的作用。
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、土壤結構的形成與改良、 系統穩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量存在明顯差異， 宋敏等[41]對不同植被演替的生態系統研究， 得出坡耕地、 草叢、 灌叢土壤微生物總數量為放線菌>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， 則全部表現為細菌>放線菌>真菌[42]. 一般情況下， 細菌和放線菌數量比真菌變異大[39], 張利青等[43]研究發現， 典型坡耕地土壤微生物總數僅為 1.75×105cfu/g, 與前人研究結果（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量[45]. 北熱帶6 種不同利用方式中， 土壤微生物種群總數量為坡耕地>原生林， 就是坡耕地因人工施用有機肥導致外來微生物種群數量增多， 從而極顯著高于其他土地利用方式[43]. Gupta 等[46]比較了農用地土壤和與它毗鄰的林區土壤， 發現農用地抑制了磷酸酶和芳基硫酸酶活性， 農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%.長期施肥的農田土壤蔗糖酶、 磷酸酶和脲酶活性均高于不施肥的農田， 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量的增加促進土壤質量的改善和提高土地生產力， 而土壤養分的提高反過來促進土壤酶活性和增加土壤微生物數量， 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 開展土壤中生物質炭研究
在不同的土地利用方式中， 土壤開墾后其養分狀況發生了明顯變化， 尤其是土壤有機質呈下降趨勢， 土壤中的氮磷等養分轉化也受到大量生物和非生物因素的影響。 生物質炭作為一種外源輸入的新型功能材料， 是由生物質在限氧條件下經炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態富碳物質[49]. 其將直接或間接參與生態系統土壤養分循環， 并通過自身物理化學特性或與土壤相互作用對土壤養分淋溶產生重要影響[50]. 生物質炭對土壤養分淋溶流失的影響過程十分復雜， 受到生物質炭類型及自身特性、土壤理化性質以及諸多環境因子和人為因素的影響， 研究土地利用方式中的生物質炭對土壤養分的潛在影響機制， 進一步探討生態系統養分管理現狀、 存在問題及生物質炭技術發展趨勢， 提出該領域今后的研究方向和展望， 以期能為該領域研究起到方向性的引導作用， 進而推動生物質炭在土壤養分流失控制方面的應用。
3.3 開展紅壤生態系統研究
土壤學、 生態學以及微生物學家陸續開展了大量有關不同土地利用方式對土壤養分影響的試驗研究， 并通過利用現代分子生物學分析手段探討了微生物與土壤呼吸變化之間的關系[51-52], 一定范圍內增加施氮量有助于氧化氫酶催化過氧化氫反應生成水和氧氣， 從而在細胞內而起到解毒作用， 改善土壤環境[53]. 中國南方紅壤占全國土地面積較大， 其生態系統土壤養分退化、 耕地面積縮減和系統功能衰減等問題日趨嚴重， 特別是農業生態系統中養分循環與平衡的失調， 旱地的土壤養分貧痔化及肥力衰減過程[22]. 我國南方紅壤不應僅是指紅壤， 而應將其看成一個區域生態系統， 將生態系統內的所有生物與非生物環境作為一個整體， 再去認識。 植被種類及生長狀況、 林下植被、 凋落物數量及化學組成和人為干擾程度等直接影響土壤養分， 就要提高人們多角度對紅壤的認識， 建立科學的土壤質量調控體系。 研究不同利用方式下土壤質量的演變規律， 是現代土壤學研究的熱點與前沿， 但目前研究者偏重于土壤化學和物理性質的評價， 缺乏完善的生物學評價指標。 因此要保持紅壤生態系統的健康穩定發展， 需要把紅壤區看成一個生態系統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系統的健康穩定發展。
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