不同土地利用方式对哈尼梯田土壤肥力的影响

时间：2024-05-30

张永慧，李贝贝，张紫妍，刘娟，2，常换换，2，苏友波*

（1．云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650210；2．云南农业大学植物保护学院，云南昆明 650210；3．甘肃省康乐县农业农村局，甘肃康乐 731500）

2013年哈尼梯田被列入世界文化遗产名录，是我国少数民族农耕文明的典范［1］。哈尼梯田农田养分最主要的来源是高山区森林流出的地表水所输送的养分，其次是秸秆还田和用农家肥水灌溉回田［2］。独特的稻作模式，是研究农业土壤肥力可持续绿色发展的天然窗口［1］。然而，随着元阳梯田的申遗成功以及旅游业的快速发展，古老的哈尼梯田在外来文化的影响下正发生着变化，其中就包括土地利用方式的改变。农民意识到单一种植水稻经济效益较低，由此将一些水分不好的水田改作旱地或设施栽培［3］。根据课题组实地调查发现，元阳梯田一部分农民种植玉米、果树等大田作物，另有一部分农民在此基础上搭建设施大棚，进行设施蔬菜水果的栽培。土地利用方式的变化不仅会影响梯田的种植结构、景观格局［4］，还会影响土壤肥力以及梯田生态系统的养分循环等变化，使哈尼梯田的保护和发展面临重大挑战。因此，不同土地利用方式对哈尼梯田土壤肥力有何影响值得思考。

随着全球气候变化、人口数量增长、环境问题越来越多，如何科学、高效地利用土地资源是亟须解决的问题。李晓琴等［5］研究指出，不同的土地利用方式下土壤肥力与土壤退化指数存在线性关系。土地利用方式的改变影响土壤肥力，可通过土壤的物理肥力、化学肥力和生物肥力评价土壤质量［6］；许梦璐等［7］发现，不同的土地利用方式对滩涂土壤活性有机碳的影响不同，林地和水田土壤活性有机碳含量高于旱地。刘旭阳等［8］研究指出，水稻田、菜地和茉莉园土壤碳、氮、磷生态化学计量学特征差异显著，土壤碳、氮、磷含量茉莉园最低，菜地土壤含量及储量较高。在不同的土地利用方式下，对传统梯田养分循环进行的研究不多，是否会破坏土壤肥力、影响梯田土壤健康、打破梯田持续发展稻作系统，目前尚不明确。

因此，本文以元阳梯田典型区域内5种典型的土地利用方式为研究对象，结合野外调查和室内测定分析的方法，对不同土地利用方式下土壤肥力特征进行研究，通过比较不同土地利用方式下土壤的生物、化学和物理肥力的变化，揭示土地利用方式对原始稻作梯田土壤肥力带来的变化，为元阳梯田的可持续发展和保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于云南省元阳县的元阳梯田境内，年平均降水量102.81 mm，5～8月为雨季，12月至次年3月为旱季。年平均气温19℃，全年气候变化不大，但昼夜温差较大。从土壤质地来看，元阳梯田所选取的土质以砂质粘土为主。样地坡度均小于5°；每种土地利用方式均选择性采集3个地块，每块地进行“S”形采样，采集2个混合土壤样本。水田海拔为1680 m，地块面积为133～200 m2；旱地玉米与水田的空间距离为100 m，与水田的海拔差为13 m，地块面积为1333～2000 m2；旱地柑橘与水田的空间距离约10000 m，与水田的海拔差为1392 m，地块面积为1333～2000 m2；设施葡萄与水田的空间距离约10000 m，海拔差为1388 m，地块面积为2667～3333 m2；设施辣椒与水田的空间距离为100 m，海拔差为9 m，地块面积为2667～3333 m2。

1.2 样品采集

采取试验样地与周围环境一致性原则，在土壤类型、地势起伏的半阳坡，以100 m为半径的圆形研究区范围内，共15个地块，选取样点设为10 m×10 m。采用“S”形采样法采集剖面土壤样品，土壤剖面按层次采样，自下而上分层采取原状土，每个层次分为0～20和20～40 cm，每层各一袋，将土壤样品鲜土现场过2 mm筛后装入无菌自封袋、保鲜盒内（团聚体土样），冷藏带回实验室4℃保存。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤团聚体

土壤的机械组成分析就是把土粒按其粒径大小不同分成若干级别，定出各粒径的数量，测定机械组成采用比重计法，比重计法测量的是悬浮的土粒含量，比重计所排开的悬液重量和比重计相等时，会悬停在某一深度，由此可以换算出悬液中土粒浓度［9］；

土壤团聚体的平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的计算方法如下：

式中，Wi第i粒级团聚体质量百分数，Xi为相邻两级团聚体的平均粒径。

式中，Wi为土壤不同粒级团聚体的重量（g）；lnxi为土壤粒级的平均直径的自然对数。

1.3.2 土壤化学性状

土壤化学性状均参考《土壤农业化学分析方法》［10］方法测定。土壤pH用pH计（PHS-3C）测定，土壤有机碳采用高温重铬酸钾氧化-容量法，土壤全氮采用凯氏定氮法，土壤有效磷采用Olsen法，土壤有效钾采用乙酸铵浸提法，土壤阳离子交换量采用NH4OAc浸提法，土壤交换性钙、镁用原子吸收分光光度计测定。

1.3.3 土壤酶活性

脲酶活性采用靛酚蓝比色法［6］，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法［11］，蛋白酶活性采用Folin-Ciocalteu比色法测定［12］。酸性磷酸酶活性采用以对硝基苯磷酸二钠为基质，测定释放的对硝基苯酚的含量［13］。芳基硫酸酯酶水解对硝基苯硫酸钾，通过比色法反应后释放的对硝基苯酚的含量，来估算芳基硫酸酯酶的活性［13］。

1.3.4 土壤微生物量碳、氮

土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法［14］。

1.4 数据分析

通过Excel 2016建立数据库进行整理统计，采用SPSS 22.0进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验土壤各指标的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 梯田不同土地利用方式对土壤物理肥力的影响

2.1.1 土壤水稳性团聚体稳定性

土壤团聚体分形维数能够对土壤结构的稳定性作出响应，土壤团聚体分形维数越小，土壤结构稳定性越好。不同土地利用方式下土壤水稳性团聚体分形维数如图1所示，不同土地利用方式梯田土壤水稳性团聚体分形维数的范围为2.73～2.57，在0～20 cm土层，不同利用方式下土壤水稳性团聚体分形维数表现为旱地玉米<水田<旱地柑橘<设施葡萄<设施辣椒。从方差分析来看，旱地玉米的土壤水稳性团聚体分形维数显著低于其他几种旱地土地利用方式（P<0.05）。在20～40 cm土层，不同利用方式下土壤水稳性团聚体分形维数与土壤表层趋势一致，即旱地玉米<水田<旱地柑橘<设施葡萄<设施辣椒，从方差分析来看，旱地柑橘、设施葡萄和设施辣椒显著高于旱地玉米和水田，而旱地柑橘、设施葡萄和设施辣椒三者之间差异不显著。

土壤团聚体几何平均直径（GMD）和平均质量直径（MWD）作为指示土壤团聚体稳定性的指标，其值越大，表明团聚体稳定性越好。不同土地利用方式下GMD和MWD如图2所示，在0～20和20～40 cm土层土壤团聚体GMD和MWD值均为旱地玉米田最高；同一土层，不同土地利用方式的土壤团聚体GMD旱地玉米最高，在0～20 cm土壤深度内，GMD为旱地玉米>水田、旱地柑橘>设施葡萄>设施辣椒，旱地玉米田、水田和旱地柑橘田间无显著性差异（P>0.05）；MWD为旱地玉米、水田、旱地柑橘>设施葡萄、设施辣椒（P<0.05）。同样在20～40 cm土层中，GMD表现为旱地玉米>水田>旱地柑橘、设施葡萄、设施辣椒（P<0.05）；MWD表现为旱地玉米、水田>旱地柑橘、设施葡萄、设施辣椒（P<0.05）。从方差分析来看，旱地玉米、旱地柑橘、水田显著高于设施葡萄和设施辣椒，而水田、旱地玉米、设施葡萄三者之间差异不显著。

2.2 梯田不同土地利用方式对土壤化学肥力的影响

由表1可知，同一土地利用方式下，0～20 cm土层中土壤化学肥力均高于20～40 cm土层；改变土地利用方式后土壤全氮、有效磷含量增加，水田改为旱地、设施大棚后土壤阳离子交换量（CEC）、交换性钙、交换性镁的含量显著增加，而pH出现下降趋势；水田和旱地玉米土壤中有机碳含量最高，其次是设施辣椒（P<0.05）；全氮、速效钾、有效磷含量旱地玉米最高，设施辣椒次之（P<0.05）；土壤CEC设施辣椒显著高于其他4种土地利用类型，交换性钙、交换性镁含量为设施葡萄高于其他4种土地利用方式；在20～40 cm土层中，水田的pH和有机碳含量最高，旱地玉米次之（P<0.05）；旱地玉米的全氮含量和速效钾含量显著高于其他四者，旱地柑橘的有效磷和交换性钙、交换性镁含量显著高于其他四者，设施辣椒的CEC显著高于其他四者（P<0.05）；水改旱、改设施土壤后，造成了土壤养分累积，显著影响了土壤理化性质，水田和旱地玉米土壤中的有机碳和全氮含量较高，当地对于这2种作物的种植有长久的经验，能维持好养分供给。

表1 不同土地利用方式对土壤化学指标的影响

2.3 梯田不同土地利用方式对土壤生物肥力的影响

2.3.1 不同土地利用方式对土壤酶活性的影响

总体来看，同一土地利用方式下，土壤酶活性表层土壤（0～20 cm）高于深层土壤（20～40 cm）；同一土层，不同土地利用方式下，土壤酶活性均存在显著性差异（图3，P<0.05）；总体来说，土地利用方式的改变，对土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、芳基硫酸酶影响较大，而对酸性磷酸酶影响较小。土壤蔗糖酶、蛋白酶、芳基硫酸酯酶及0～20 cm脲酶活性变化趋势表现为水田显著高于其他4种土地利用方式，但酸性磷酸酶活性和深层（20～40 cm）土壤脲酶活性与其他酶活性相反，土壤酸性磷酸酶活性旱地玉米和设施辣椒高于其余3种土地利用方式（图3c，P<0.05）；20～40 cm土层设施葡萄和设施辣椒土壤脲酶活性高于其余3种土地利用方式（图3a，P<0.05）。

2.3.2 不同土地利用方式对土壤微生物量碳氮的影响

5种土地利用方式下，SMBC含量在土壤20～40 cm土层均显著低于0～20 cm土层（表2）；总体上表层SMBC含量对土地利用方式的改变更敏感，且SMBC含量表现为水田>旱地>设施大棚的趋势。从土层垂直分布看，水田和辣椒的SMBC含量随着土层加深逐渐降低，而旱地玉米、旱地柑橘、设施葡萄的SMBC含量则随着土层加深而升高。0～20 cm土层SMBC含量范围为53.71～241.24 mg·kg-1，SMBC含量水田最高，其次旱地玉米；在20～40 cm土层中，SMBC含量范围为123.40～46.01 mg·kg-1，SMBC含量水田最高，其次设施葡萄。

表2 哈尼梯田不同土地利用方式下的土壤微生物量碳氮特征（mg·kg-1）

表层SMBN含量对土地利用方式的改变更加敏感。从土层深度看，5种土地利用方式下，SMBN含量随着土层加深逐渐降低。在0～20 cm土层中，由水田转变旱地、设施用地后，表层SMBN含量平均分别降低10%～54%、74%，其中SMBN含量水田最大，旱地玉米次之；在20～40 cm土层中，由水田改为旱地玉米后，SMBN含量增加3.72%；水田改为旱地柑橘、设施葡萄、设施辣椒时，SMBN含量分别降低49%、58%、50%。由此可见，表层SMBN含量对土地利用方式的改变更加敏感。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体是有机碳的主要储存场所，是表征固碳潜力的重要指标。本研究发现，在土壤水稳性团聚体的分形维数、GMD和MWD中均表现为水田、旱地玉米的团聚体稳定性最好，设施土壤团聚体稳定性较差。说明水田有利于提高团聚体结构稳定性，改善土壤抗蚀性；原因之一是水田经过开垦后，土壤所需水分减少，作物水分供给能力变差，土壤养分流失，土壤有机碳含量下降，土壤大团聚体分散，从而降低了土壤团聚体的稳定性［15-16］。在旱地耕种管理中，要通过合理的施肥管理［17］和保护性耕作［18-19］等措施对土壤有机碳进行改善，从而提高土壤大团聚体含量和稳定性。

3.2 不同土地利用方式对土壤养分的影响

研究发现，不同土地利用类型对土壤养分呈“上高下底”的规律，这与殷陶刚等［20］关于兰州新区土地利用方式研究结果一致，同一剖面浅层土壤养分高于深层土壤；其中土壤有机碳含量是土壤、植被类型、气候、母质以及人类活动等因素综合作用下动态平衡的结果［21］；研究发现，哈尼梯田改为设施大棚、旱地后，土壤有机碳含量下降。原因之一是土壤处于干旱形式下，有机质的来源减少，有机碳积累较慢，导致土壤有机碳含量下降，微生物活性降低，土壤有机质的分解速率下降［22-23］；土壤长期处于氧化环境，有机质很难积累，土壤团粒体结构发生变化，对碳的吸附能力降低，最终导致土壤有机碳含量降低，这与王振芬［24］研究结果一致。

土壤氮、磷、钾养分是自然因子和人为因子共同作用的结果，人为活动对土地进行干扰的综合反映，与土壤中的氮、磷、钾养分有着紧密的相关性。研究结果表明，土壤全氮、有效磷、速效钾含量整体随土层深度的增加逐渐降低，这与Tian等［25］和Cleveland等［26］研究结果相似，其主要是由于地表土壤相对于下层土壤更易形成腐殖质，根系随土层深度增加逐渐减少，再加上蒸腾所导致的物质运移，使得土壤全氮、有效氮、有效磷、有效钾在土壤剖面发生变化［27］，旱地玉米土壤中有效磷含量较高，这与以往研究结果一致［28］。本文研究结果表明，改变哈尼梯田土地利用方式后，土壤全氮、有效磷、土壤阳离子交换量、交换性钙、镁的含量显著增加，而pH出现下降趋势，说明水改旱、改设施土壤后，造成了土壤养分累积，显著影响了土壤理化性质，这与前人关于水田和旱地土壤养分差异研究结论一致［29-30］。设施土壤中的交换性钙、交换性镁含量较高，可能是设施栽培环境湿热、水分容易蒸发所致［31］。

3.3 不同土地利用方式对土壤酶活性的影响

脲酶是调节土壤氮转化的关键酶，主要来源于植物和微生物，在养分循环过程中起着不可或缺的作用［32］。本研究结果，水田利用方式下土壤脲酶活性最高，显著高于其他几种土地利用方式，而且水稻土中的有机碳含量和脲酶呈正相关关系。水田改旱地和设施地后土壤酶活性降低［33］。土壤蛋白酶参与土壤中存在的氨基酸、蛋白质以及其他含蛋白质的有机化合物的转化。水田改变土地利用方式后，土壤蛋白酶活性降低，与土壤中的有机碳、全氮含量呈正相关关系。磷酸酶是土壤酶系中唯一催化有机磷水解成可供植物吸收的无机磷的酶，其活性的高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化和生物有效化，它们对有机磷矿化的促进作用是非常明显的［34］。旱地玉米、设施辣椒地的土壤磷酸酶活性升高，这可能受到人为施肥的影响。土壤中的芳基硫酸酯酶活性不仅与土壤有机质、有效硫供应有关，也与土壤本身的物理化学性质有关。土壤有机质高时，其芳基硫酸酯酶活性也高［35］。本文研究结果表明，不同土地利用方式下，土壤芳基硫酸酯酶活性随土层深度的增加而降低，且和养分变化规律一致，说明土壤芳基硫酸酯酶主要靠表层土壤中的微生物和地表作物分泌［36］。

3.4 不同土地利用方式对土壤微生物量碳氮的影响

SMBC是土壤有机碳中活性较高的部分，对于环境因子的变化非常敏感［37］。水田改为设施大棚、旱地后土壤微生物生物量降低，这与以往学者关于水田改为旱地的研究结果相类似［38-40］，但相关研究尚未涉及水田改为设施大棚对土壤微生物量的影响；一方面，稻田土壤为微生物提供了相对充足的有机碳源、氮源和水分等主要营养物质，使得土壤微生物的生长旺盛，土壤微生物量相对较高；另一方面，水改旱后土壤酸化，抑制了土壤微生物活性［37］。

本研究结果显示，水田和旱地玉米的SMBN含量显著高于其他类型的土地利用，这也和水田、旱地玉米土壤中氮含量最高有关。SMBN被认为是土壤质量的一个指标，其对土地利用变化和耕作活动引起的土壤扰动非常敏感，并被用来衡量植物氮的有效性［40］，SMBN控制土壤氮的有效性和损失，特别是在高投入系统中［41］。

3.5 化学指标和生物指标对土壤肥力影响的关联性分析

土壤中的碳、氮、磷、硫等营养元素的循环和土壤矿物的矿化过程均有土壤微生物的参与，对土壤团聚体的产生及其稳定性起着关键性作用［42］。薛萐等［43］研究表明，土壤养分与土壤酶活性有显著相关性，本研究结果中土壤酶活性和微生物量碳氮与有机碳之间存在显著或极显著正相关关系（表3，表4），说明不同种类的酶活性在土壤中参与不同作用的生化反应，与养分息息相关。这一研究成果与薛萐等［43］和马婧怡［44］研究结果一致。本文研究结果中土壤微生物生物量碳、氮和土壤有机碳呈正相关关系（表3，表4），与陈安磊等［45］研究结果一致；说明水田中微生物数量较多，传统的稻作方式为水田微生物提供了碳源，营造了适宜的微生物生长条件。从酶活性和微生物量碳氮变化情况来看，元阳梯田中改为旱地和设施土壤的生物肥力低于水田（表3，表4），说明在旱地和设施条件下，元阳梯田土壤微生物活性相对较低，虽然施肥会提高土壤养分，但是养分循环不高；如果长期种植旱地和设施作物，会降低梯田土壤质量，对梯田的长久可持续发展带来不利影响。这与徐海军等［46］研究的大庆地区的土地利用方式结果一致，人为干扰增强时，土壤理化性质异质性下降；元阳梯田中提高有机碳含量能够增加土壤中的酶活性以及微生物量碳氮含量，从而提升梯田土壤肥力。梯田中的有机碳含量较高，也和当地在水稻种植过程中秸秆还田、采用稻鱼鸭生态养殖模式有明显关系，这一农业种养殖模式，也为梯田的生态可持续发展提供了宝贵的实践意义。

表3 0～20 cm土层土壤养分和微生物特性间的相关性

表4 20～40 cm土层土壤养分和微生物特性间相关性