王 科， 柳小蘭， 高曉宇， 王道平， 崔明陽， 林昌虎，，， 張清海， 林紹霞， 何騰兵

(1.貴州大學，貴州貴陽 550025； 2.貴州省中國科學院天然產(chǎn)物化學重點實驗室，貴州貴陽 550002；3.貴州醫(yī)科大學，貴州貴陽 550001； 4.貴州省理化測試分析研究中心，貴州貴陽 550002)

貴州省碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶發(fā)育強烈，境內(nèi)出露的碳酸鹽巖面積達1.25×105km2，占全省土地總面積的 71.3%[1]。碳酸鹽巖地區(qū)的土壤受喀斯特強烈發(fā)育的自然環(huán)境和人為活動干擾的影響，造成該地區(qū)土壤嚴重侵蝕，基巖裸露，生產(chǎn)力下降，是我國最大的生態(tài)脆弱區(qū)。隨著人為活動越來越頻繁，大面積土地被開墾為農(nóng)田，但是由于碳酸鹽巖地區(qū)的土層發(fā)育較淺、地形切割深，加之強烈的淋溶、風蝕作用，引起耕地質(zhì)量下降，開墾的農(nóng)業(yè)用地處于“開墾-退化-棄耕”之間，不僅造成土壤資源的浪費，而且易引起石漠化現(xiàn)象[2]。土壤是復雜的自然綜合體，隨外界環(huán)境的變化而變化。已有研究表明，開墾和耕作方式等導致土壤肥力差異性較大，進而影響土壤養(yǎng)分形態(tài)組分和變遷[3]。不同開墾方式和開墾年限可以通過改變土壤的水熱條件等影響土壤養(yǎng)分的流動與轉(zhuǎn)化，合理利用耕地資源可以有效提高土壤質(zhì)量，增強其對外界環(huán)境變化的抵抗力[3-5]。而在碳酸鹽巖地區(qū)，農(nóng)田土壤理化性質(zhì)與開墾年限之間的關(guān)系研究較少，而農(nóng)業(yè)發(fā)展不斷面臨著新的挑戰(zhàn)，亟須了解該地區(qū)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)對開墾年限的響應。本研究以貴州開陽縣為例，通過探討不同開墾年限對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響，以期為碳酸鹽巖地區(qū)農(nóng)田土壤的合理開發(fā)與可持續(xù)利用提供依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和相關(guān)政策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省開陽縣位于黔中腹地，地理坐標為106°45′～107°17′E、26°48′～27°22′N，總面積2 026 km2，占全省面積的1.15%。全縣在區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造上屬黔中高原區(qū)，地勢西南高、東北低，由西南分水嶺地帶向北面烏江河谷和東面清水清河谷傾斜。最高海拔1 702 m，最低海拔506.5 m，平均海拔在1 000～1 400 m?？h境大部分地區(qū)屬北亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫為10.6～15.30 ℃，年平均降水量926.5～1 419.2 mm?？h境各時代地層中，碳酸鹽組厚3 027 m，占出露地層總厚度的61.8%，面積1 537.5 km2，占全縣總面積的75%。由于風化強烈、流水侵蝕、溶蝕嚴重、巖溶較為發(fā)育，形成復雜多樣的地貌類型?？h境土壤面積1 348.2 km2，占土地總面積的66.5%。黃壤937.2 km2，占土壤面積的69.5%。

1.2 供試樣品的采集

1.2.1 樣地選取 本研究以空間代時間的方法于貴州省中部開陽縣南江鄉(xiāng)選取未開墾的林地(看作開墾年限為0的農(nóng)田)，開墾年限為3、8、35、55年的農(nóng)田樣地各3塊(每塊面積約為667 m2)作為研究對象。樣地調(diào)查信息見表1。

表1 樣地相關(guān)信息

1.2.2 樣品采集及處理 本研究于2016年4月在開陽縣南江鄉(xiāng)采用GPS定位S形布點法采集土壤樣品。每一開墾年限下的3塊樣地作為3個重復，每個樣地按S形采樣，采樣深度為0～20 cm。同時采集環(huán)刀樣，用于土壤容重測定。將帶回來的土壤樣品挑去石塊、石礫及粗大的根系，進行自然風干。風干后，研磨并分別過2.00、0.25 mm篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 試驗指標及分析方法

土壤含水量采用烘干法測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤pH值采用電位法測定，水土比2.5 ∶1.0；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化容量法測定；土壤機械組成采用比重法測定；土壤速效磷含量采用NH4F-HCl法-鉬銻抗比色法測定；土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4法-鉬銻抗比色法測定。

1.4 統(tǒng)計分析方法

用Excel 2003、DPS軟件、單因子方差對數(shù)據(jù)進行分析；顯著性分析采用LSD法；用相關(guān)性分析描述土壤性狀值之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同開墾年限對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 開墾年限對土壤吸濕水含量的影響 吸濕水是土壤固體顆粒表面對土壤空氣中水汽的吸附，是一種物理緊束縛水，是研究土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，可以間接反映土壤的水肥狀況。不同開墾年限土壤吸濕水含量的變化范圍為2.18%～3.94%，開墾初期(0～3年)吸濕水含量下降緩慢，之后快速下降，在開墾年限為8年時吸濕水含量達到最低值2.18%，開墾8年之后逐漸升高(圖1)。吸濕水含量越高，說明土壤質(zhì)地越黏重，則其黏粒含量相對較多[6]。且在表2的土壤機械組成的研究中也證實了這一點。

2.1.2 開墾年限對土壤容重的影響 土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一，在很大程度上決定著土壤水汽狀況以及礦質(zhì)元素的運移，進而影響植物的生長發(fā)育和生理功能[7]。不同開墾年限土壤容重的變化范圍為1.34～1.71 g/cm3。由圖2可知，土壤容重隨著開墾年限的增加呈先升高后降低的趨勢，在開墾年限為8年時達到最高。相對于未開墾土壤而言，不同開墾年限土壤容重分別提高了14.2%、27.6%、12.7%、2.2%。

2.1.3 開墾年限對土壤pH值的影響 土壤酸堿度對土壤的理化性質(zhì)、微生物活動以及植物生長發(fā)育都有很大的影響。不同開墾年限的土壤pH值變化范圍為4.56～6.98。由圖3可知，在開墾初期(0～8年)，土壤pH值緩慢升高，之后升高幅度明顯。相對于未開墾土壤而言，不同開墾年限土壤pH值分別升高了2.6%、10.7%、51.3%、53.1%。

2.1.4 開墾年限對土壤有機質(zhì)含量的影響 土壤有機質(zhì)是判斷土壤肥力水平的重要指標。不同開墾年限土壤有機質(zhì)含量的變化范圍為16.03～32.16 g/kg。由圖4可知，隨著開墾年限的增加，土壤有機質(zhì)含量先降低后升高，在開墾年限為8年時含量最低。相對于未開墾土壤而言，在開墾年限為3、8、35年時，土壤有機質(zhì)含量分別降低14.7%、38.0%、8.8%，在開墾年限為55年時升高24.4%。

2.1.5 開墾年限對土壤全磷含量的影響 不同開墾年限土壤全磷含量的變化范圍為2.31～6.53 g/kg。由圖5可知，在開墾初期(0～3年)，土壤全磷含量緩慢升高，之后顯著降低，在開墾年限為8年時含量最低，然后再平穩(wěn)升高。相對于未開墾土壤，在開墾年限為3、35、55年時，土壤全磷含量分別增加了18.6%、24.0%、109.3%；而開墾年限為8年時，土壤全磷含量降低了26.0%。

2.1.6 開墾年限對土壤機械組成的影響 由表2可知，開墾年限為0、3、8、35、55年時土壤中粗粉沙(0.01～0.05 mm)的含量均最高，分別為32.46%、32.44%、24.41%、31.34%、30.42%。未開墾土壤機械組成表現(xiàn)為粗粉沙(0.01～0.05 mm)>黏粒(<0.001mm)>細粉沙(0.001～0.005 mm)>中粉沙(0.005～0.01 mm)>粗沙及中沙(0.25～2 mm)>細沙(0.05～0.25 mm)。與未開墾土壤相比，開墾過的土壤粒級發(fā)生了明顯的變化，開墾年限為3、35、55年時均為粗粉沙(0.01～0.05 mm)>黏粒(<0.001 mm)>細粉沙(0.001～0.005 mm)>中粉沙(0.005～0.01 mm)>細沙(0.05～0.25 mm)>粗沙及中沙(0.25～2 mm)，而開墾年限為8年時為粗粉沙(0.01～0.05 mm)>黏粒(<0.001 mm)>細沙(0.05～0.25 mm)>粗沙及中沙(0.25～2 mm)>細粉沙(0.001～0.005 mm)>中粉沙(0.005～0.01 mm)。與未開墾土壤相比，開墾年限為3、55年時粗沙及中沙(0.25～2.00 mm)含量分別下降27.6%、13.7%，開墾年限為8、35年時粗沙及中沙(0.25～2 mm)含量增加了170.3%、7.2%；開墾年限為3、8、35、55年時細沙(0.05～0.25 mm)含量分別增加了131.7%、382.5%、95.4%、22.0%；開墾年限為3、8、35、55年時粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量分別下降了0.1%、24.8%、3.5%、6.3%；開墾年限為3、8、55年時中粉沙(0.005～0.01 mm)含量分別下降了5.0%、13.3%、2.8%，開墾年限為35年時中粉沙(0.005～0.01 mm)含量增加了8.5%；開墾年限為3、8年時細粉沙(0.001～0.005 mm)含量下降了3.9%、20.6%，開墾年限為35、55年時細粉沙(0.001～0.005 mm)含量升高了16.2%、21.8%；開墾年限為3、8、35、55年時黏粒(<0.001 mm)含量下降了7.5%、34.4%、23.8%、4.3%。

表2 不同開墾年限土壤機械組成的變化

2.2 不同開墾年限土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由表3可知，土壤吸濕水含量與容重、粗沙及中沙(0.25～2 mm)和細沙(0.05～0.25 mm)含量呈顯著負相關(guān)，與全磷含量、細粉沙(0.001～0.005 mm)含量和黏粒(<0.001 mm)含量呈顯著正相關(guān)，與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；容重與有機質(zhì)含量和黏粒(<0.001 mm)含量呈顯著負相關(guān)，與細沙(0.05～0.25 mm)含量呈極顯著正相關(guān)；有機質(zhì)含量與全磷含量和細粉沙(0.001～0.005 mm)含量呈顯著正相關(guān)，與細沙(0.05～0.25 mm)含量呈顯著負相關(guān)；全磷含量與細粉沙(0.001～0.005 mm)含量呈顯著正相關(guān)；粗沙及中沙(0.25～2.00 mm)含量與細沙(0.05～0.25 mm)含量呈顯著正相關(guān)，與黏粒(<0.001 mm)含量呈顯著負相關(guān)，與粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量呈極顯著負相關(guān)；細沙(0.05～0.25 mm)含量與粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量和黏粒(<0.001 mm)含量呈顯著負相關(guān)；pH值與上述理化性質(zhì)沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

表3 不同開墾年限土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著；X1代表吸濕水含量，%；X2代表容重，g/cm3；X3代表pH值；X4代表有機質(zhì)含量，g/kg；X5代表全磷含量，g/kg；X6代表粗沙及中沙(0.25～2 mm)含量，%；X7代表細沙(0.05～0.25 mm)含量，%；X8代表粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量，%；X9代表中粉沙(0.005～0.01 mm)含量，%；X10代表細粉沙(0.001～0.005 mm)含量，%；X11代表黏粒(<0.001 mm)含量，%。

3 討論與結(jié)論

碳酸鹽巖地區(qū)農(nóng)田開墾年限對土壤理化性質(zhì)有顯著影響，不同土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律隨開墾年限的變化各不相同。土壤吸濕水含量和容重為重要的土壤物理指標，隨開墾年限的變化分別表現(xiàn)為先降低后升高和先升高后降低趨勢，通過相關(guān)性分析得出，這兩者與土壤質(zhì)地和有機質(zhì)含量有顯著關(guān)系，土壤質(zhì)地越黏或增加有機質(zhì)含量可以增加土壤中吸濕水含量，降低土壤容重。這與姚志龍等的研究結(jié)果[6-8]一致。pH值隨開墾年限的增加而升高，與張曉東等對新疆綠洲農(nóng)田的研究結(jié)果[9]一致，與焦燕等對內(nèi)蒙古農(nóng)田的研究結(jié)果[10]相反，這與不同地區(qū)土壤類型及施肥有關(guān)。土壤有機質(zhì)含量和全磷含量隨開墾年限整體變化為先降低后升高。土壤有機質(zhì)含量和全磷含量是土壤管理、耕作施肥等綜合作用下，土壤輸入與輸出之間平衡的結(jié)果[11]。在開墾初期(0～8年)，受到開墾引起的人為擾動強度、作物吸收和碳酸鹽巖地區(qū)強烈的淋溶作用影響，有機質(zhì)含量和全磷含量降低；而開墾8年之后升高，可能是由于耕作施肥和犁底層形成。隨著開墾年限的增加，土壤中粗沙及中沙(0.25～2 mm)、細沙(0.05～0.25 mm)和細粉沙(0.001～0.005 mm)的含量在增加，而粗粉沙(0.01～0.05 mm)、中粉沙(0.005～0.01 mm)和黏粒(<0.001 mm)的含量在降低。土壤理化性質(zhì)與不同顆粒含量有著顯著關(guān)系，細顆粒含量降低、粗顆粒含量升高會引起土壤的屬性發(fā)生明顯的變化。

碳酸鹽巖地區(qū)因其特殊的自然氣候和條件，造成該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱。人為活動的干擾，大面積土地被開墾，但因其本身土層發(fā)育較淺，淋溶風蝕作用明顯，農(nóng)田耕地資源不夠豐富。本研究顯示，碳酸鹽巖地區(qū)不同理化性質(zhì)隨開墾年限變化受有機質(zhì)含量和土壤機械組成影響較大，所以被開墾后的農(nóng)田應該進行合理施肥和科學管理，用地與養(yǎng)地相結(jié)合，保護耕地資源，防止石漠化現(xiàn)象的發(fā)生成為了重中之重。

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