土地利用对土壤物理性质和养分的影响论文

土地利用方式是人类利用土地各种活动的综合反映， 包括农业、 林业、 居住地、 草地、 湿地和果园等， 又是影响土壤养分变化最直接、 最深刻、 最普遍的因素[1-2]. 土壤养分是土壤的基本属性 , 是植物群落的重要环境因子， 在农业生产和科学研究中占重要地位[3]. 土壤养分的高低直接影响着作物生长、 农业生产结构、 布局和效应等方面[4]. 土地利用方式的结构变化会影响土壤养分在生态系统内的循环和分布， 也是引起生态系统退化下， 土壤养分库降低而空间异质性提高的主要原因[5-6]. 土地利用方式的变化也会导致土地生产力的改变[7]. 在不同生态系统环境下， 土地利用方式与土壤养分相互作用机制还没有明确定论。 而在红壤地区， 由于土壤其性质上的酸、 瘦、 粘等弱点， 保肥供肥差，使整个地区农业及经济受到严重影响[8]. 近年来 ,国内外陆续开展了有关不同土地利用对南方红壤土壤养分影响的试验研究， 取得了一定的研究效果，但迄今为止， 对于土地利用方式对土壤养分的主要作用机制还需要进一步探讨和分析[9]. 笔者总结了近年来国内外相关文献， 分析阐述各种土地利用条件下土壤物理性质变化及土壤养分变化之间的关系， 以便更好地因地制宜调整生产结构， 在资源开发利用上扬长避短， 减少土壤环境的污染， 降低农用成本。

1 土地利用对土壤物理性质的影响

土壤质量、 颗粒组成、 容重、 孔隙度、 渗透率和贮水量等构成土壤物理性质的重要指标[10]. 土壤物理性质可以反映土壤结构和水文状况及评价土壤质量， 决定土壤中水、 气、 热和生物状况， 从而影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力[11]. 土地利用对表层土壤物理性质影响明显， 江恒等[12]指出， 农田与休闲地相比， 土壤容重增加 7.47%, 而孔隙度、 饱和含水量和田间持水量分别下降 2.59、6.04 和 1.90 个百分点 . 单位面积内增加有效大孔隙数目、 大孔隙度及连通性， 可显着提高土壤入渗性能， 高朝侠等[13]模拟土壤水分及溶质运移， 建立流域水文模型， 以刺槐林地、 草地、 小麦地和苹果林地为研究， 指出植被恢复可通过植物根系穿插、土壤动物活动等形成大孔隙。 土地利用方式随土层深度的加深， 土壤储水量越来越少[14], 程立平等[15]研究得出， 干湿交替层以下深层土壤水分状况主要受土地利用方式的影响， 水分含水量表现为苜蓿草地>苹果林地>高产农田>裸地。 不同的土地利用方式， 土壤性质变化较大， 旱地与有林地相比， 旱地的土层和腐殖质层较薄， 颗粒较细， 水稳性团粒较少[16]. 土壤质量退化是由不合理的利用方式造成 ,刘玉等[17]分析研究了重庆市北碚区岩溶槽谷鸡公山地区不同土地利用方式， 认为土壤物理性质的变坏与石漠化形成过程有相互促进的正反馈关系。 暴雨加速了水土流失的发展[18], 据统计， 随着工业的发展， 大量化石燃料燃烧排放出的硫氧化物和氮氧化物与水汽发生化学反应形成酸沉降， 酸沉降的酸雨影响红壤酸化， 加之不合理的土地利用方式， 导致长江流域以南的红壤地区水土流失面积严重， 年均侵蚀模数达 4 432 t/km2, 土壤流失量就达 15.6 亿 t[19-20].

2 土地利用对土壤养分的影响

土壤养分是土壤肥力的重要物质基础， 一般施肥水平条件下， 植物吸收的氮有 30%~60%, 磷有50%~70%, 钾有 40%~69%来自土壤 , 土壤养分可以反映土壤对植被提供养分的潜在能力[10,21], 土壤氮、 磷、 钾含量和有机质以及其动态平衡共同构成了土壤养分的重要指标。 土地利用方式变化对土壤养分变化有着明显的影响。

2.1 对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤中最活跃的部分， 是土壤养分的基础， 是衡量评价土壤养分的重要指标之一。

不同土地利用方式引起的土壤有机质含量、 密度及其垂直分布发生了相应的变化， 如有机质含量随封育、 火烧、 刈割、 刈割除根、 种植牧草、 种植玉米的人为干扰强度增加而减少[22]. 利用方式不同的果园和高投入的玉米地土壤在 0~100 cm 土层中SOC（有机碳）含量均较高， 变化范围分别为 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 土层中 SOC 含量较低， 变化范围分 别 为 3.27~7.73、 3.14~8.33、 1.83~7.67 g/kg[23].土壤有机质分解是陆地生态系统碳循环的重要环节，除对土地利用变化十分敏感， 还受温度和水分的影响， 李杰等[24]研究柑橘园和湿地松人工林的温度（5、 10、 15、 20、 25 ℃）和水分含量（30%、 60%和90%饱和含水量）， 研究结果表明， 柑橘园和湿地松人工林土壤碳矿化速率均与温度呈正相关， 60%饱和含水量处理下土壤碳矿化速率最高。 而利用13C 稳定同位素示踪技术探讨凋落物对杉木人工林表层（0~5 cm）和深层（40~45 cm）土壤有机碳的分解，结果表明， 杉木人工林中深层土壤有机碳分解速率显着低于表层土壤， 但其激发效应却显着高于表层土壤[25]. 土壤开垦后 , 往土壤添加 2%和 5%的生物炭显着增加了土壤 CO2（二氧化碳）的体积分数和排放速率[26], 如耕作过程中， 不增施肥料， 土壤有机质将日趋下降， 导致土壤质量退化[27].

2.2 对氮、 钾的影响

氮、 钾是植物的必需营养元素， 是土壤养分的重要物质基础， 其受自然因素（气候、 地形及植被）和农业措施（施肥、 耕作、 灌溉及土地利用方式）的影响很大[28]. 土地利用与覆被的变化影响着土壤元素的迁移转化过程。 有机物覆盖增加土壤养分， 周江涛等[29]在 ‘寒富' 苹果园设置了杂草、 稻草、 玉米秸秆、 粉碎枝条 4 个覆盖处理， 明显增加土壤碱解氮、 速效钾含量。 目前， 研究土地利用方式对土壤养分影响的时空跨度较大， 林地、 未利用地转为耕地后， 土壤全氮含量降低， 全钾、 速效钾含量增加， 表明耕作可以提高土壤中碱解氮含量和钾养分而降低氮全量养分。 孔红梅等[30]对泸沽湖流域内农田、 草地、 林地的土壤理化性状进行对比分析， 得出农田含水率、 全氮、 速效氮和速效钾含量相对较高， 而草地和林地相对较高的是有机质、 全钾含量。 随着土壤中氮肥和钾肥施入量的增多， 土壤中碱解氮和速效钾的含量呈升高趋势[31]. 南方红壤区总降水量丰富， 但分配极不平衡， 不合理的开发利用导致营养元素的缺乏和土壤养分的衰退， 如耕地普遍缺少有机质和氮素， 全部旱地和 60%的水田缺磷， 耕地中 58%缺钾[32], 已严重阻碍着本区农业生产的持续发展。

2.3 对磷的影响

随着近年来土地利用中化学肥料的施用量越来越高， 引起养分累积， 造成肥料浪费， 影响土壤质量。 磷素在土壤中的变化则是一个相对稳定缓慢的过程， 长期施用磷肥会提高土壤镉（Cd）含量[33],不仅导致磷在表层土壤积累， 而且提高土壤活性磷水平， 增加土壤磷素流失风险[34]. 随土壤磷水平 、磷肥和有机肥用量的增加， 土壤吸磷量和缓冲能力显着降低； 土壤易解吸磷和土壤磷的解吸率显着增加[35]. 生物结皮提高结皮层土壤全磷 、 速效磷含量； 结皮层土壤碱性、 磷酸酶活性和有机质含量与土壤磷素有效性成显着正相关[36]. 植被覆盖也能提高土壤磷含量， 如阔叶林比无林地能够显着地提高土壤磷的有效性。 杨小燕等[37]以典型落叶松林、 水曲柳林、 樟子松林和美青杨林表层土壤（0~10 cm）为对象， 研究不同类型水土保持林土壤磷素的形态和有效性， 研究结果表明， 水曲柳林和美青杨林土壤全磷、 速效磷和磷各组分含量均显着高于落叶松林和樟子松林。 人工植被、 农地弃耕（撂荒）对土壤有一定的土壤培肥作用， 以安徽菜子湖区不同退耕年限的湿地、 油菜地和原始湿地为研究对象， 表明随着退耕年限的增加， 湿地土壤对外源磷的固持能力不断增强[38].

3 总结与展望

综上所述， 土地利用是自然和人类活动相互作用的`综合过程， 土壤的理化性状和土壤养分变化与土地利用方式密切相关， 土地利用方式影响土壤养分的流动并影响不同土地单元中重要营养成分的滞留和转化， 合理的土地利用方式可以改善土壤结构， 增强土壤对外界环境变化的抵抗力； 不合理的土地利用方式会导致土壤质量下降， 增加土壤侵蚀， 降低生物多样性等。 土地利用方式对土壤养分的影响过程十分复杂， 受到利用类型、 土壤理化性质、 土壤氮磷钾以及诸多环境因子和人为因素的影响， 因此揭示土地利用方式对土壤养分持留机制还需要进一步深入研究。 下面结合土壤微生物和酶活性、 生物质炭技术和红壤生态系统， 提出该领域今后的研究方向和展望。 以期能为该领域研究起到方向性的引导作用， 进而了解不同土地利用方式下土壤养分状况对土壤质量的影响， 起到控制土壤养分流失的作用。

3.1 开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、 肥力演变、土壤结构的形成与改良、 系统稳定性与抗干扰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类群和数量存在明显差异， 宋敏等[41]对不同植被演替的生态系统研究， 得出坡耕地、 草丛、 灌丛土壤微生物总数量为放线菌>细菌>真菌， 而人工林和次生林则为细菌>放线菌>真菌。 北热带的 6种不同利用方式， 则全部表现为细菌>放线菌>真菌[42]. 一般情况下， 细菌和放线菌数量比真菌变异大[39], 张利青等[43]研究发现， 典型坡耕地土壤微生物总数仅为 1.75×105cfu/g, 与前人研究结果（放线菌>细菌>真菌）不同[44]. 植被物覆盖可以为微生物提供生长基质和碳源[26], 影响微生物的群落组成和多样性， 显着增加土壤细菌和真菌数量[45]. 北热带6 种不同利用方式中， 土壤微生物种群总数量为坡耕地>原生林， 就是坡耕地因人工施用有机肥导致外来微生物种群数量增多， 从而极显着高于其他土地利用方式[43]. Gupta 等[46]比较了农用地土壤和与它毗邻的林区土壤， 发现农用地抑制了磷酸酶和芳基硫酸酶活性， 农用耕作对土壤酶活性的影响随利用方式的不同而不同。 李景等[47]研究豫西丘陵 15年的保护性耕作， 指出与传统耕作相比， 免耕的细菌、 古菌和真菌分别提高 0.3%、 20.2%和 23.7%.长期施肥的农田土壤蔗糖酶、 磷酸酶和脲酶活性均高于不施肥的农田， 封山育林的土壤蔗糖酶、 磷酸酶和脲酶活性高于种植作物的农田土壤[48], 表明人为干扰影响酶活性。 土壤酶活性和土壤微生物数量的增加促进土壤质量的改善和提高土地生产力， 而土壤养分的提高反过来促进土壤酶活性和增加土壤微生物数量， 研究土壤微生物和土壤酶活性， 把它们作为衡量指标， 以判别不同利用方式对土壤质量的可能影响， 以便及时采取有效措施， 提高土壤性能。

3.2 开展土壤中生物质炭研究

在不同的土地利用方式中， 土壤开垦后其养分状况发生了明显变化， 尤其是土壤有机质呈下降趋势， 土壤中的氮磷等养分转化也受到大量生物和非生物因素的影响。 生物质炭作为一种外源输入的新型功能材料， 是由生物质在限氧条件下经炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态富碳物质[49]. 其将直接或间接参与生态系统土壤养分循环， 并通过自身物理化学特性或与土壤相互作用对土壤养分淋溶产生重要影响[50]. 生物质炭对土壤养分淋溶流失的影响过程十分复杂， 受到生物质炭类型及自身特性、土壤理化性质以及诸多环境因子和人为因素的影响， 研究土地利用方式中的生物质炭对土壤养分的潜在影响机制， 进一步探讨生态系统养分管理现状、 存在问题及生物质炭技术发展趋势， 提出该领域今后的研究方向和展望， 以期能为该领域研究起到方向性的引导作用， 进而推动生物质炭在土壤养分流失控制方面的应用。

3.3 开展红壤生态系统研究

土壤学、 生态学以及微生物学家陆续开展了大量有关不同土地利用方式对土壤养分影响的试验研究， 并通过利用现代分子生物学分析手段探讨了微生物与土壤呼吸变化之间的关系[51-52], 一定范围内增加施氮量有助于氧化氢酶催化过氧化氢反应生成水和氧气， 从而在细胞内而起到解毒作用， 改善土壤环境[53]. 中国南方红壤占全国土地面积较大， 其生态系统土壤养分退化、 耕地面积缩减和系统功能衰减等问题日趋严重， 特别是农业生态系统中养分循环与平衡的失调， 旱地的土壤养分贫痔化及肥力衰减过程[22]. 我国南方红壤不应仅是指红壤， 而应将其看成一个区域生态系统， 将生态系统内的所有生物与非生物环境作为一个整体， 再去认识。 植被种类及生长状况、 林下植被、 凋落物数量及化学组成和人为干扰程度等直接影响土壤养分， 就要提高人们多角度对红壤的认识， 建立科学的土壤质量调控体系。 研究不同利用方式下土壤质量的演变规律， 是现代土壤学研究的热点与前沿， 但目前研究者偏重于土壤化学和物理性质的评价， 缺乏完善的生物学评价指标。 因此要保持红壤生态系统的健康稳定发展， 需要把红壤区看成一个生态系统进一步开展多试验的深入研究， 才能确保整个南方红壤生态系统的健康稳定发展。