碳酸盐岩地区开垦年限对农田土壤理化性质的影响

王 科， 柳小兰， 高晓宇， 王道平， 崔明阳， 林昌虎，，， 张清海， 林绍霞， 何腾兵

(1.贵州大学，贵州贵阳 550025； 2.贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室，贵州贵阳 550002；3.贵州医科大学，贵州贵阳 550001； 4.贵州省理化测试分析研究中心，贵州贵阳 550002)

贵州省碳酸盐岩广泛分布，岩溶发育强烈，境内出露的碳酸盐岩面积达1.25×105km2，占全省土地总面积的 71.3%[1]。碳酸盐岩地区的土壤受喀斯特强烈发育的自然环境和人为活动干扰的影响，造成该地区土壤严重侵蚀，基岩裸露，生产力下降，是我国最大的生态脆弱区。随着人为活动越来越频繁，大面积土地被开垦为农田，但是由于碳酸盐岩地区的土层发育较浅、地形切割深，加之强烈的淋溶、风蚀作用，引起耕地质量下降，开垦的农业用地处于“开垦-退化-弃耕”之间，不仅造成土壤资源的浪费，而且易引起石漠化现象[2]。土壤是复杂的自然综合体，随外界环境的变化而变化。已有研究表明，开垦和耕作方式等导致土壤肥力差异性较大，进而影响土壤养分形态组分和变迁[3]。不同开垦方式和开垦年限可以通过改变土壤的水热条件等影响土壤养分的流动与转化，合理利用耕地资源可以有效提高土壤质量，增强其对外界环境变化的抵抗力[3-5]。而在碳酸盐岩地区，农田土壤理化性质与开垦年限之间的关系研究较少，而农业发展不断面临着新的挑战，亟须了解该地区农田土壤理化性质对开垦年限的响应。本研究以贵州开阳县为例，通过探讨不同开垦年限对农田土壤理化性质的影响，以期为碳酸盐岩地区农田土壤的合理开发与可持续利用提供依据，为农业生产和相关政策的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省开阳县位于黔中腹地，地理坐标为106°45′～107°17′E、26°48′～27°22′N，总面积2 026 km2，占全省面积的1.15%。全县在区域性地质构造上属黔中高原区，地势西南高、东北低，由西南分水岭地带向北面乌江河谷和东面清水清河谷倾斜。最高海拔1 702 m，最低海拔506.5 m，平均海拔在1 000～1 400 m。县境大部分地区属北亚热带季风湿润气候，年平均气温为10.6～15.30 ℃，年平均降水量926.5～1 419.2 mm。县境各时代地层中，碳酸盐组厚3 027 m，占出露地层总厚度的61.8%，面积1 537.5 km2，占全县总面积的75%。由于风化强烈、流水侵蚀、溶蚀严重、岩溶较为发育，形成复杂多样的地貌类型。县境土壤面积1 348.2 km2，占土地总面积的66.5%。黄壤937.2 km2，占土壤面积的69.5%。

1.2 供试样品的采集

1.2.1 样地选取 本研究以空间代时间的方法于贵州省中部开阳县南江乡选取未开垦的林地(看作开垦年限为0的农田)，开垦年限为3、8、35、55年的农田样地各3块(每块面积约为667 m2)作为研究对象。样地调查信息见表1。

表1 样地相关信息

1.2.2 样品采集及处理 本研究于2016年4月在开阳县南江乡采用GPS定位S形布点法采集土壤样品。每一开垦年限下的3块样地作为3个重复，每个样地按S形采样，采样深度为0～20 cm。同时采集环刀样，用于土壤容重测定。将带回来的土壤样品挑去石块、石砾及粗大的根系，进行自然风干。风干后，研磨并分别过2.00、0.25 mm筛，保存备用。

1.3 试验指标及分析方法

土壤含水量采用烘干法测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤pH值采用电位法测定，水土比2.5 ∶1.0；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化容量法测定；土壤机械组成采用比重法测定；土壤速效磷含量采用NH4F-HCl法-钼锑抗比色法测定；土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4法-钼锑抗比色法测定。

1.4 统计分析方法

用Excel 2003、DPS软件、单因子方差对数据进行分析；显著性分析采用LSD法；用相关性分析描述土壤性状值之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同开垦年限对土壤理化性质的影响

2.1.1 开垦年限对土壤吸湿水含量的影响 吸湿水是土壤固体颗粒表面对土壤空气中水汽的吸附，是一种物理紧束缚水，是研究土壤物理性质的基础，可以间接反映土壤的水肥状况。不同开垦年限土壤吸湿水含量的变化范围为2.18%～3.94%，开垦初期(0～3年)吸湿水含量下降缓慢，之后快速下降，在开垦年限为8年时吸湿水含量达到最低值2.18%，开垦8年之后逐渐升高(图1)。吸湿水含量越高，说明土壤质地越黏重，则其黏粒含量相对较多[6]。且在表2的土壤机械组成的研究中也证实了这一点。

2.1.2 开垦年限对土壤容重的影响 土壤容重是土壤重要的物理性质之一，在很大程度上决定着土壤水汽状况以及矿质元素的运移，进而影响植物的生长发育和生理功能[7]。不同开垦年限土壤容重的变化范围为1.34～1.71 g/cm3。由图2可知，土壤容重随着开垦年限的增加呈先升高后降低的趋势，在开垦年限为8年时达到最高。相对于未开垦土壤而言，不同开垦年限土壤容重分别提高了14.2%、27.6%、12.7%、2.2%。

2.1.3 开垦年限对土壤pH值的影响 土壤酸碱度对土壤的理化性质、微生物活动以及植物生长发育都有很大的影响。不同开垦年限的土壤pH值变化范围为4.56～6.98。由图3可知，在开垦初期(0～8年)，土壤pH值缓慢升高，之后升高幅度明显。相对于未开垦土壤而言，不同开垦年限土壤pH值分别升高了2.6%、10.7%、51.3%、53.1%。

2.1.4 开垦年限对土壤有机质含量的影响 土壤有机质是判断土壤肥力水平的重要指标。不同开垦年限土壤有机质含量的变化范围为16.03～32.16 g/kg。由图4可知，随着开垦年限的增加，土壤有机质含量先降低后升高，在开垦年限为8年时含量最低。相对于未开垦土壤而言，在开垦年限为3、8、35年时，土壤有机质含量分别降低14.7%、38.0%、8.8%，在开垦年限为55年时升高24.4%。

2.1.5 开垦年限对土壤全磷含量的影响 不同开垦年限土壤全磷含量的变化范围为2.31～6.53 g/kg。由图5可知，在开垦初期(0～3年)，土壤全磷含量缓慢升高，之后显著降低，在开垦年限为8年时含量最低，然后再平稳升高。相对于未开垦土壤，在开垦年限为3、35、55年时，土壤全磷含量分别增加了18.6%、24.0%、109.3%；而开垦年限为8年时，土壤全磷含量降低了26.0%。

2.1.6 开垦年限对土壤机械组成的影响 由表2可知，开垦年限为0、3、8、35、55年时土壤中粗粉沙(0.01～0.05 mm)的含量均最高，分别为32.46%、32.44%、24.41%、31.34%、30.42%。未开垦土壤机械组成表现为粗粉沙(0.01～0.05 mm)>黏粒(<0.001mm)>细粉沙(0.001～0.005 mm)>中粉沙(0.005～0.01 mm)>粗沙及中沙(0.25～2 mm)>细沙(0.05～0.25 mm)。与未开垦土壤相比，开垦过的土壤粒级发生了明显的变化，开垦年限为3、35、55年时均为粗粉沙(0.01～0.05 mm)>黏粒(<0.001 mm)>细粉沙(0.001～0.005 mm)>中粉沙(0.005～0.01 mm)>细沙(0.05～0.25 mm)>粗沙及中沙(0.25～2 mm)，而开垦年限为8年时为粗粉沙(0.01～0.05 mm)>黏粒(<0.001 mm)>细沙(0.05～0.25 mm)>粗沙及中沙(0.25～2 mm)>细粉沙(0.001～0.005 mm)>中粉沙(0.005～0.01 mm)。与未开垦土壤相比，开垦年限为3、55年时粗沙及中沙(0.25～2.00 mm)含量分别下降27.6%、13.7%，开垦年限为8、35年时粗沙及中沙(0.25～2 mm)含量增加了170.3%、7.2%；开垦年限为3、8、35、55年时细沙(0.05～0.25 mm)含量分别增加了131.7%、382.5%、95.4%、22.0%；开垦年限为3、8、35、55年时粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量分别下降了0.1%、24.8%、3.5%、6.3%；开垦年限为3、8、55年时中粉沙(0.005～0.01 mm)含量分别下降了5.0%、13.3%、2.8%，开垦年限为35年时中粉沙(0.005～0.01 mm)含量增加了8.5%；开垦年限为3、8年时细粉沙(0.001～0.005 mm)含量下降了3.9%、20.6%，开垦年限为35、55年时细粉沙(0.001～0.005 mm)含量升高了16.2%、21.8%；开垦年限为3、8、35、55年时黏粒(<0.001 mm)含量下降了7.5%、34.4%、23.8%、4.3%。

表2 不同开垦年限土壤机械组成的变化

2.2 不同开垦年限土壤理化性质的相关性分析

由表3可知，土壤吸湿水含量与容重、粗沙及中沙(0.25～2 mm)和细沙(0.05～0.25 mm)含量呈显著负相关，与全磷含量、细粉沙(0.001～0.005 mm)含量和黏粒(<0.001 mm)含量呈显著正相关，与有机质含量呈极显著正相关；容重与有机质含量和黏粒(<0.001 mm)含量呈显著负相关，与细沙(0.05～0.25 mm)含量呈极显著正相关；有机质含量与全磷含量和细粉沙(0.001～0.005 mm)含量呈显著正相关，与细沙(0.05～0.25 mm)含量呈显著负相关；全磷含量与细粉沙(0.001～0.005 mm)含量呈显著正相关；粗沙及中沙(0.25～2.00 mm)含量与细沙(0.05～0.25 mm)含量呈显著正相关，与黏粒(<0.001 mm)含量呈显著负相关，与粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量呈极显著负相关；细沙(0.05～0.25 mm)含量与粗粉沙(0.01～0.05 mm)含量和黏粒(<0.001 mm)含量呈显著负相关；pH值与上述理化性质没有明显的相关关系。

表3 不同开垦年限土壤理化性质的相关性分析

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平上差异显著；X1代表吸湿水含量，%；X2代表容重，g/cm3；X3代表pH值；X4代表有机质含量，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代表细沙(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代表细粉沙(0.001～0.005 mm)含量，%；X11代表黏粒(<0.001 mm)含量，%。

3 讨论与结论

碳酸盐岩地区农田开垦年限对土壤理化性质有显著影响，不同土壤理化性质的变化规律随开垦年限的变化各不相同。土壤吸湿水含量和容重为重要的土壤物理指标，随开垦年限的变化分别表现为先降低后升高和先升高后降低趋势，通过相关性分析得出，这两者与土壤质地和有机质含量有显著关系，土壤质地越黏或增加有机质含量可以增加土壤中吸湿水含量，降低土壤容重。这与姚志龙等的研究结果[6-8]一致。pH值随开垦年限的增加而升高，与张晓东等对新疆绿洲农田的研究结果[9]一致，与焦燕等对内蒙古农田的研究结果[10]相反，这与不同地区土壤类型及施肥有关。土壤有机质含量和全磷含量随开垦年限整体变化为先降低后升高。土壤有机质含量和全磷含量是土壤管理、耕作施肥等综合作用下，土壤输入与输出之间平衡的结果[11]。在开垦初期(0～8年)，受到开垦引起的人为扰动强度、作物吸收和碳酸盐岩地区强烈的淋溶作用影响，有机质含量和全磷含量降低；而开垦8年之后升高，可能是由于耕作施肥和犁底层形成。随着开垦年限的增加，土壤中粗沙及中沙(0.25～2 mm)、细沙(0.05～0.25 mm)和细粉沙(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。土壤理化性质与不同颗粒含量有着显著关系，细颗粒含量降低、粗颗粒含量升高会引起土壤的属性发生明显的变化。

碳酸盐岩地区因其特殊的自然气候和条件，造成该地区生态环境脆弱。人为活动的干扰，大面积土地被开垦，但因其本身土层发育较浅，淋溶风蚀作用明显，农田耕地资源不够丰富。本研究显示，碳酸盐岩地区不同理化性质随开垦年限变化受有机质含量和土壤机械组成影响较大，所以被开垦后的农田应该进行合理施肥和科学管理，用地与养地相结合，保护耕地资源，防止石漠化现象的发生成为了重中之重。

：

[1]周传艳，陈 训，周国逸，等. 不同土地利用方式及开垦时间对岩溶山区土壤养分空间分布的影响[J]. 应用与环境生物学报，2011，17(1)：63-68.

[2]杨学东，刘洪来，姚红艳，等. 贵州不同土地利用方式对土壤质量的影响[J]. 广东农业科学，2013，40(6)：70-73，76.

[3]Guretzky J A，Biermacher J T，Cook B J，et al. Switchgrass for forage and bioenergy：harvest and nitrogen rate effects on biomass yields and nutrient composition[J]. Plant and Soil，2011，339(1/2)：69-81.

[4]Tang G M，Xu W L，Zhou B，et al. Effects of cultivation years on particulate organic carbon and mineral-as-sociated organic carbon in cotton soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2013，27(3)：237-241.

[5]Kalbitz K，Kaiser K，Fiedler S，et al. The carbon count of 2000 years of rice cultivation[J]. Global Change Biology，2013，19(4)：1107-1113.

[6]姚志龙，赵爱萍. 陇东地区主要土类土壤质地及其与水分常数相关性研究[J]. 土壤通报，2011，42(2)：280-284.

[7]Xu M G，Zhang Y P，Liu W N. Diffusion of chloride ions in soils：Ⅰ. influences of soil moisture，bulk density and temperature[J]. Pedosphere，1997，7(1)：65-72.

[8]郑存德，依艳丽. 土壤容重对玉米光合特性的影响及调控研究[J]. 土壤学报，2012，49(5)：944-953.

[9]张晓东，刘志刚，热沙来提·买买提，等. 不同开垦年限对新疆绿洲农田土壤理化性质的影响[J]. 水土保持研究，2016，23(3)：13-18.

[10]焦 燕，赵江红，徐 柱. 农牧交错带开垦年限对土壤理化特性的影响[J]. 生态环境学报，2009，18(5)：1965-1970.

[11]宋 日，刘 利，吴春胜，等. 东北松嫩草原土壤开垦对有机质含量及土壤结构的影响[J]. 中国草地学报，2009，31(4)：91-95.