南方长期不同土地利用方式下土壤肥力变化特征——以湖北省长阳县火烧坪乡为例

陈亚男，庄 媛，闫瑞瑞，秦 琪，金晶炜，杨培志，刘 洋，熊军波，辛晓平*

（1 西北农林科技大学草业与草原学院，陕西 杨凌 712100；
2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；
3 湖北省农业科学院畜牧兽医研究所，湖北 武汉 430000）

土壤养分是影响植物生长状况和评价土地肥力水平的重要因子，其含量的高低受人类活动和自然因素制约。至今国内外学者，对土地利用类型与土壤养分之间的关系展开了相关研究：如Tiruneh等[5]、Bhowmik等[6]的研究表明土地利用方式变化会引起土壤化学性质的改变；
且影响程度最大，在不同土地利用方式下，团聚体相关土壤碳与土壤微生物区系具有较好的相关性。Alatengxihuri等[7]探究了不同土地利用方式对农田土壤有机质和养分含量的影响及其时空变异性，结果显示不同土地利用方式下的肥料施用水平、田间管理措施、耕作制度等可能是影响土壤养分变化的主要因素。Gong等[8]以黄土高原丘陵地区的6种不同利用类型土地为研究对象，对其土壤养分进行分析。结果表明植物的种植可改良土壤养分和质量，通过更多的碳投入替代耕作方式对土壤条件的改善起积极作用。Zhao等[9]基于野外调查研究，对5种类型耕地的17种养分数据进行了差异性分析，探究了土地利用类型和土壤养分的关系，结果显示土地利用方式对大量营养元素影响最大，对中量和微量营养元素影响次之。

土壤养分与土地利用方式关系紧密，土壤理化性质会因土地利用方式的不同而不同，造成土壤养分含量差异。Xu等[10]研究发现土壤有机质(SOM)、速效氮(AN)、磷(AP)、钾(AK)和全氮(TN)的含量主要受土地利用类型的影响。此外粗放式耕作会降低土壤养分含量，导致农田土壤退化，而生态恢复可以改善土壤肥力。Liao等[11]研究发现，不同土地利用方式下土壤养分和活性成分存在显著差异，土壤有机碳是影响土壤活性成分的主要因素。Liu等[12]研究发现：不同用途耕层土中碱解氮含量与有机质含量成正相关关系，植树造林和种草后速效磷、钾养分降低，土地利用方式的改变对土地肥力影响显著。Ge等[13]针对不同土地利用类型对土壤养分含量和土壤剖面变化的影响程度进行了多年定位田间试验，结果表明从农田转变为灌草丛或草地后，土壤有机质和全氮含量显著升高并随土壤加深下降，同种土地利用方式下土壤的 SOM、TN 和碱解氮(AN)含量。Liu等[14]研究发现土壤有机碳(SOC)、TN、AN和全磷(TP)受岩溶丘陵间洼地土地利用方式的影响最为显著；
其次是土壤微生物，尤其是土壤放线菌，随着扦插除根、牧草种植等人为干扰梯度的增加，影响逐渐减弱。因此探究不同土地利用方式下土壤养分特征，便于了解各土地利用方式下土壤养分状况和土壤肥力水平，为改善土地肥力状况制定科学的管理措施提供有效参考。

目前，在南方草山草坡区域内对不同土地利用方式下土壤养分特征研究较少。近10年来，国内学者对南方草山草坡也开展了相关研究。王亮亮等[15]对南方红壤土丘陵区不同土地利用方式下的土壤水分性质进行了研究，发现在不同利用类型土地中水分运动的特征存在差异。纪仁婧等[16]对南方低山丘陵地区面源污染分布特征进行了研究，发现农田对面源污染的贡献最高。王芝麟等[17]对南方4种不同土地利用方式土壤N2O排放系数进行研究，结果显示土壤N2O排放系数与土壤含水量呈正相关关系。李忠武等[18]以南方3种不同土地利用方式(荒地、松林、草地)坡地土壤为研究对象，探究SOC分布特征，发现不同粒径团聚体SOC占比主要取决于土地利用方式，土壤有机碳含量均表现为草地>松林>荒地。

湖北省火烧坪乡位于南方草山草坡典型区域，土地利用方式分明。因此本研究以火烧坪为例，采用主成分分析(PCA)方法综合多个土壤养分指标[19]，分析不同土地利用方式下南方草山草坡土壤养分差异，评价养分状况，为南方草山草坡合理开发利用提供科学参考。

1.1 研究区概况

试验区设置在湖北省宜昌市长阳县火烧坪乡(30°30′5 4.06′′N，110°42′4 9.20′′E)。全乡总面积为105.5 km2，平均海拔为 1800 m，年平均气温为7.6℃，全年无霜期为200天。所属气候类型为亚热带季风性湿润气候，气候特点是夏季高温多雨，冬季温和少雨，雨热同期，年平均降水量约为1366.2 mm，降雨主要集中在7月初至10月初。土壤以黄棕壤和棕壤为主，成土母质为石灰岩、泥质岩等组成。

1.2 样地设置与样品采集

在研究区域内挑选最具代表性的3种利用类型土地作为研究对象：人工草地、天然草山草坡、农田。人工草地于20世纪80年代开垦用于种植玉米，但由于坡度大、土壤中石块较多等原因于1989年退耕，后用于人工草地的使用，主要植被以鸭茅(Dactylis glomerata L.)、多年生黑麦草(Lolium perenne L.)、红三叶草 (Trifolium pratense)、白三叶草(Trifolium repens L.)等草本植物为主。天然草山草坡从80年代至今处于原始自然状态。农田于1990年初种植甘蓝，之后逐步种植大白菜，由于当地种植大白菜导致根瘤病诱发一些病虫害，后改种白萝卜。2019至2021年间农田于7月份播种，9月中旬收获，7到10日喷洒一次防病虫害药水，种子发芽20天左右定苗，并除去杂草，白萝卜种植期间施足底肥不另外追肥。样地具体利用年限及坡度、盖度见表1。对3种土地利用方式下环境温度进行监测后发现，人工草地和农田环境温度和土壤温度无明显差异，天然草山草坡温度较低，分析其原因是乔木、灌木多，树荫的遮蔽下土壤温度降低。样地和采样点布设见图1。3种土地坡度一致。本试验每种土地纵向划分为规格60 m×20 m的样地。同种类型土地共取9个采样点(图1)，并用土钻分别采集0—10、10—20和20—30 cm土层土壤，每一层取3个重复之后均匀混合用于土壤理化性质的测定。

图1 研究区3种土地利用方式样地样点布设图Fig. 1 Sample point layout of the three land use plots in the study area

表1 火烧坪乡3种土地利用方式样地基本描述Table 1 Basic description of the three land use patterns in Huoshaoping Town

1.3 土壤养分的测定

将同一采样点同一土层的土样混合，用 2 mm网筛将所取土样中的大粒径石子过滤，一部分阴干保存用于测定土壤理化性质，另一部分为保证土样的鲜活，放置在 4℃冰箱内保存，用于测定土壤酶活性和微生物的量，保存最多 1周时间用于养分的测定。具体测定方法如表2所示。

表2 土壤指标测定方法Table 2 Soil index determination methods

1.4 数据处理

所有数据经 Microsolt Excel 2021 整理后，运用SPSS 25.0对3种类型土地的土壤养分指标进行单因素方差分析，Tukey法多重比较，PCA分析试验结果。用 OriginPro 2021 和 GraphpadPrism 8.0 完成图表的制作。

印度原子能部2018年9月19日宣布，本国最大的医用回旋加速器Cyclone-30已投入运行。这台加速器位于加尔各答(Kolkata)的可变能量回旋加速器中心，能够生产医用放射性同位素，并为材料科学及核物理研究提供专用射束。

2.1 不同土地利用方式下土壤物理特征

土壤含水量作为土壤最基本的物理性质之一，对植物的生长发育过程起到重要的作用。不同类型土地土壤含水量不同，基本表现为农田 (31.3%)>人工草地 (29.0%)>天然草山草坡 (27.8%)。土壤容重大小能反映土壤的紧实程度和土壤的退化趋势，土地容重表现为：农田 (1.33 g/cm3)>天然草山草坡(1.27 g/cm3)>人工草地 (1.23 g/cm3) 土壤机械组成主要分为粘粒、粉粒、砂粒3个粒级。表3可以看出粉粒的占比最大，表现为农田 (80.39%)>人工草地 (72.61%)>天然草山草坡 (65.41%)。

表3 不同利用方式土壤物理性质Table 3 Soil physical properties under different land use types

2.2 不同土地利用方式下土壤化学特征

土壤有机碳在土壤养分循环中占主导地位，有机质增加可改善土壤耕作性能，有降低土壤容重、稳定氮含量等作用[20–21]。从图2可以看出人工草地、天然草山草坡、农田在3个土层中有机碳含量差异显著(P<0.05)，含量从高到低均为天然草山草坡>人工草地>农田。人工草地有机碳含量在采样的3个土层之间无显著差异(P>0.05)。天然草山草坡0—10 cm土层中有机碳含量为74.44 g/kg，显著高于 20—30 cm 土层 (P<0.05)。

土壤全氮含量对作物生产力和环境质量有很大影响，很大程度上会导致土壤物理化学及生物性质变化[22–23]。由图2可以看出，3种土地利用方式下全氮含量从高到低表现为天然草山草坡>人工草地>农田。人工草地在0—10 cm土层中全氮含量为3.51 g/kg，显著高于 10—20 和 20—30 cm 土层 (P<0.05)。

土壤碱解氮是评价土壤肥力的一个关键指标[24]。在不同土地利用方式下土壤碱解氮含量的变化整体表现为农田>人工草地>天然草山草坡 。农田在0—10 cm土层中碱解氮含量为285.47 mg/kg，显著高于10—20和20—30 cm土层(P<0.05)。人工草地0—10 cm土层碱解氮含量为246.05 mg/kg，显著高于 10—20 和 20—30 cm 土层 (P<0.05)。

磷是地球陆地生态系统中不可或缺的元素之一，土壤中磷是植物生长发育的限制性养分[25–26]。从图2中可以看出，在3种土地利用方式下土壤的全磷含量整体上表现为农田>人工草地>天然草山草坡，且在0—10 cm土层中差异显著。在10—20和20—30 cm土层中人工草地与农田的全磷含量无显著差异(P>0.05)。3种土地利用方式不同土层间的土壤全磷含量均无显著差异(P>0.05)。不同土地利用类型下土壤有效磷含量表现为天然草山草坡>人工草地>农田，人工草地与天然草山草坡有效磷含量在3个土层中均无显著差异(P>0.05)。农田与人工草地、天然草山草坡在3个土层中有效磷含量有显著差异(P<0.05)。

图2 不同利用方式土壤养分含量Fig. 2 Soil nutrient content under different land use types

土壤全钾可缓解干旱胁迫对植物造成的危害[27]。3种土地利用方式下土壤的全钾含量整体表现为农田>人工草地>天然草山草坡，且全钾含量差异显著(P<0.05)。3种土地利用方式在0—10、10—20和20—30 cm土层中的全钾含量均无显著差异(P>0.05)。不同土地利用下土壤速效钾含量表现为天然草山草坡>农田>人工草地。在0—10和10—20 cm土层中3种土地的土壤速效钾含量差异显著(P<0.05)。3种土地利用方式的土壤速效钾含量在3个土层中均无显著差异(P>0.05)。

2.3 不同利用方式土壤酶活性特征

不同土地利用方式下呈现的土壤酶活性不同，如表4所示，在天然草山草坡土壤中过氧化氢酶活性显著高于农田(P<0.05)。人工草地中过氧化氢酶活性变化范围在5.75～6.87 mL/(g·h)。过氧化氢酶活性随土层深度的增加呈现递减的趋势。脲酶活性在3 种土地中变化范围为 33.03～76.37 μg/(g·h)，农田土壤表层脲酶活性最大，在天然草山草坡0—30 cm土层脲酶活性最小。在3种土地同一土层间的差异并不显著。在人工草地和天然草山草坡中脲酶活性呈现逐层递减的趋势，但在农田中脲酶活性受土壤深度影响较小。蛋白酶活性受土地利用方式和土层深度影响较小，在各土层中蛋白酶活性均无显著差异。转化酶活性在4种酶中活性表现为最高，在不同土地利用方式和不同土层中变化规律与脲酶一致，都表现为人工草地与天然草山草坡转化酶逐层递减，0—10和20—30 cm分别减少了63%和83%。农田转化酶活性受土层影响较小，变化范围在406.76～454.25 μg/(g·h)。

表4 不同土地利用类型各土层中土壤酶活性Table 4 Enzyme activities in each soil layer under different land use types

2.4 不同利用方式土壤微生物数量

不同土地利用方式和不同土层深度下各土壤微生物呈现出不同的变化规律。如图3所示，农田固氮菌数量整体上高于人工草地和天然草山草坡。通过对比同一土层样本均值发现，不同土地利用方式下同一土层中固氮菌数量均无显著差异(P>0.05)，固氮菌数量随土层深度变化并不明显。硝化细菌呈现出的变化规律与固氮菌一致。反硝化细菌数量在3种利用类型土地不同土层间无显著差异，说明土层深度对反硝化细菌数量影响不大。在10—20 cm土层中人工草地与农田、天然草山草坡与农田反硝化细菌数量存在显著差异(P<0.05)，农田反硝化细菌数量显著高于人工草地和天然草山草坡。纤维素分解菌呈现出的变化规律与反硝化细菌一致。

图3 三种不同土地利用方式下不同土层中土壤微生物特征Fig. 3 Characteristics of microorganisms in different soil layers under different land use practices

2.5 土壤各养分指标间相关性

将所有养分指标数据归一化后绘制27个样本聚类热图(图4)。将土地利用类型划分为人工草地(GL)、天然草山草坡(WL)、农田3个组(group)，根据取样深度划分为子组(subgroup)，指标按类型(type)分为土壤基础养分(SEA)、土壤酶(SM)和土壤微生物(SN)。每一列分别表示不同指标在同一样本表达情况，每一行分别代表同一指标在不同样本中的表达情况。以同一样本指标表达量平均值为基准，高于平均值表达量为正值用红色标记，低于平均值为负值用蓝色标记。颜色深浅表示养分表达量与均值的差异程度。结果显示人工草地0—10、10—20 cm土层土壤样本与农田0—10 cm土层样本的碱解氮和脲酶表现相似，在人工草地0—10 cm呈现为高表达。在天然草山草坡所有土层样本中有效磷、全氮、全碳、有机碳表现情况相似，其中速效钾在0—10 cm土层中呈现高表达。

图4 27个样点土壤理化指标聚类图Fig. 4 Cluster map of soil physicochemical indexes of 27 sample sites

以上结果主要展现了样本间养分指标表达情况。通过进一步探讨各土地类型中养分指标间的相关性(图5)，发现在3种土地利用类型下都有全氮(TN)与全碳(TC)、有机碳(SOC)、全磷(TP)呈显著正相关关系(P<0.05)。全碳(TC)和有机碳(SOC)、全磷(TP)呈显著正相关关系(P<0.05)。有机碳与全磷呈显著正相关关系(P<0.05)。在人工草地中全氮(TN)、全碳(TC)、有机碳(SOC)和全磷(TP)与蛋白酶(PRT)呈显著负相关关系(P<0.05)。在天然草山草坡中全氮 (TN)、全碳 (TC)、有机碳 (SOC) 和全磷(TP) 与过氧化氢酶 (CAT)、蛋白酶 (PRT) 和转化酶(IVT) 呈显著负相关关系(P<0.05)。3种土地利用方式下的4种土壤微生物间均呈现出显著正相关关系(P<0.05)。

图5 不同土地利用方式土壤理化性状指标间的相关性热图Fig. 5 Heat map of correlation between soil physicochemical properties under different land use patterns

由于反映土壤养分状况的指标较多，各指标之间存在一定的相关性，使得部分土壤养分指标彼此出现信息重复，从而增加了问题分析的复杂性。如果对土壤的各个指标进行分析，分析往往是独立的，不能完全利用数据中的信息，而盲目减少指标会损失很多重要信息，从而产生错误结论[28]。因此本研究选用主成分分析方法[29]，对土壤17个养分指标(SOC、TC、TN、AN、TP、AP、TK、AK、pH、CAT、PRT、URE、IVT、BA、BC、BN、BDN)进行分析。本研究提取了3个主成分方差贡献率分别为39.8%、30.8%、10%，累计贡献率已经达到80.6%，包含了原始数据的绝大部分信息。主成分PC1和PC2占比最大，根据其载荷系数和得分情况做出图6所示双标图。图6中显示，各变量在PC轴上的投影长度即为变量在主成分PC上的载荷系数大小。因子载荷系数反映了因子对主成分的贡献大小，系数大于0表示变量与主成分作用相同，二者呈正相关关系；
系数小于0表示变量与主成分作用相反，二者呈负相关。结果显示PC1主要综合了TN、TC、SOC、AP、pH的信息。表5显示了对应的因子载荷系数分别为0.37、0.38、0.38、0.36、0.20，说明PC1主要综合了土壤基础养分的信息。第2主成分PC2主要综合了BA、BN、BDN、BC的信息，对应的因子载荷系数为0.37、0.38、0.39、0.37，说明PC2主要是综合了土壤微生物群落的全部信息。PC3主要综合了4种土壤微生物以及4种酶活性，从载荷系数大小来看，PC3主要反映的是土壤酶活。各土壤养分指标的关系体现在图中变量之间的夹角，夹角的大小可以直接说明投影的大小，夹角越小投影越长说明变量间的相关性越强。图6中天然草山草坡的载荷几乎落在PC1上，其养分状况主要以TN、TC、SOC、AP、pH来解释，表明天然草山草地的养分状况与这5个指标相关强。人工草地与天然草山草坡置信椭圆有交汇，交汇处主要反映两种土地的PRT、IVT、CAT相似，以及两种土地利用方式与这3种土壤酶活性相关性较强。农田与TK、TP、AN相关性较强。

表5 不同土地利用方式土壤指标载荷矩阵Table 5 Indicator load matrix for different land use patterns

图6 不同土地利用方式下土壤17项指标主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of 17 indexes of soils under different land use patterns

综上所述可以为3个主成分赋予其代表意义：PC1可以代表土壤中基本养分信息；
PC2可以代表土壤微生物群落信息；
PC3代表土壤酶活性信息。通过对比3种土地利用方式，土壤样本在各主成分得分如图7所示，结果表明在PC1土壤养分得分为天然草山草坡(WL)>人工草地(GL)>农田 (CL)，PC2土壤微生物得分为天然草山草坡(WL)<人工草地(GL)<农田(CL)，PC3土壤酶活性得分为人工草地>天然草山草坡>农田。最后用主成分对应系数为权重来计算3种土地利用方式的综合得分来评估各土地土壤质量。比较综合得分，结果显示整体土壤质量得分为天然草山草坡(WL)>人工草地(GL)>农田(CL)。

图7 不同利用类型土地主成分得分和土壤质量综合得分Fig. 7 Principal component scores and combined soil quality scores for the tested land use types

3.1 土地利用方式对土壤理化性质的影响

土地利用方式的不同能够改变土壤的生态环境[30]，从而导致土壤的理化性质发生变化。本研究对比分析不同土地利用方式下的土壤容重和含水量，发现在不同土壤深度下农田的容重和含水量相对最大，原因可能是生长期需对农田土壤进行翻耕、施肥、除草等人为活动，人为踩踏导致农田土壤紧实，并且地下白萝卜的逐渐生长对周围土壤具有挤压作用，使得农田土壤容重较大。农田保持较高的含水量主要是由于研究所在区域属亚热带大陆性夏热潮湿气候，年均降雨量达到1366 mm，农田土壤蓄水能力强导致。本研究发现农田具有较高的全磷含量，且随着土壤深度的增加而减小。相比天然草山草坡而言，农田碳氮含量较低，主要原因是农田地表覆盖物少，而且受人为干扰较大，并且氮的输入方式主要是施用有机肥，相比之下其凋落物输入很少。人工草地表层有机碳含量较高，天然草山草坡深层有机碳含量最高，而农田有机碳含量较低，主要原因在于相比于人工草地和天然草山草坡植被，农作物根系不发达，同时土壤翻耕后，土壤表层的有机质被充分暴露在空气中，从而加速了土壤有机质的分解作用，使得土壤呼吸作用增强，土壤中有机碳被大量释放[31]，其次，农作物被收割后凋落物被移出田地，有机碳和有机氮无法回归到土壤中，降低了土壤有机碳和有机氮含量。本研究发现天然草山草坡全碳、全氮含量最高，且随着土壤深度的增加而减小，高俊琴等[32]研究表明，土壤中全氮的输入量主要依赖于植物残体的归还量以及生物固氮和水流输入情况，也有少部分全氮的输入量来源于大气干湿沉降。天然草山草坡主要是荒草丛，地表枯落物量较大，使得天然草山草坡全氮含量较高。天然草山草坡碱解氮含量最低，表明受人为干扰程度较低的天然草山草坡土壤不利于碱解氮的积累。

3.2 不同土地利用方式对土壤生物学活性的影响

本研究发现天然草山草坡和人工草地过氧化氢酶、蛋白酶和转化酶活性均高于农田，农田具有较高的脲酶活性，天然草山草坡微生物量碳氮磷活性表现最高。许江等[33]研究发现过氧化物酶活性与土壤有机碳含量相关，过氧化物酶活性主要受控于土壤有机碳的含量，本研究中发现天然草山草坡具有较高的土壤有机碳含量，有机碳影响过氧化氢酶活性，因此天然草山草坡具有较强的过氧化氢酶活性。4种土壤微生物在农田和天然草山草坡表层土壤中最多，根据相关性分析其原因可能是天然草山草坡表层土壤中有机碳和全氮含量较深层土壤高，能供给土壤微生物吸收利用。农田土壤因施加有机肥等肥料，全氮、全磷和碱解氮含量高，4种土壤微生物在农田中与碱解氮有较好的相关性，所以在农田土壤表层土壤微生物较多。人工草地中4种微生物与大部分养分指标并不存在显著相关(P>0.05)，只与碱解氮显著相关(P<0.05)，其原因可能与4种微生物类型有关，4种细菌大多是对氮素进行分解吸收利用，所以与氮的速效养分关系密切。

3.3 不同土地利用方式土壤质量特征

本研究分析了各土地利用类型土壤样本与土壤指标间的相关性，以及通过PCA降维提取了3个主成分并赋予代表意义，从土壤养分、土壤酶活性、土壤微生物群落三方面对比，最后综合评价了各土地利用方式下的土壤质量情况。结果显示天然草山草坡具有较高的土壤养分含量，其原因是天然草山草坡长期处于原始自然条件下，没有人为因素的干扰，加之植被类型丰富土壤对凋落物的分解利用得到长期的有效积累，所以表现出较高的养分含量。人工草地在土壤微生物中得分较高，其原因是人工草地中草本植物包括豆科植物多，根系密集，固氮菌、硝化细菌、纤维素分解菌群落丰富。根据土壤质量综合得分显示农田土壤质量最低，人工草地居中，说明了农田经过长期耕作破坏了其土壤结构，植被覆盖稀少造成了土壤退化严重。文小琴等[34]发现林草间具有较高的土壤微生物活性，对改善生态环境具有积极作用。人工草地综合土壤质量得分居中，与农田相比植被类型丰富，对预防水土流失、土壤退化起到重要作用 ，能够长期积累土壤养分维持较高的土壤肥力水平。

南方天然草山草坡改为人工草地和农田后，土壤全碳、有机碳和全氮含量均显著降低。天然草山草地由于没有施用化肥，其全磷和全钾含量显著低于人工草地和农田。天然草山草坡的有机质和全氮含量随土层深度的增加而降低，但人工草地和农田在0—30 cm土层深度范围内，没有显著变化。天然草山草坡表土中的酶活性较高，而人工草地土壤中的微生物数量较高，土壤全氮、全碳、有机碳、有效磷和pH表征了39.8%的土壤肥力，微生物数量表征了30.8%的土壤肥力，综合比较，土壤肥力水平为天然草山草坡>人工草地>农田。

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