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基于土地整治的复垦耕地生态质量研究

2022-07-26

上海国土资源 2022年2期
关键词:客土耕地整治

陈 敏

(1. 上海市岩土工程检测中心有限公司,上海 200436;2. 自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心,上海 200003)

耕地为人类赖以生存的基本资源和条件[1]。我国人口众多,可耕地面积较少,随着城镇化发展,土地整治成为我国低效用地减量和提升质量的措施与手段[2]。土地整治工程通过改善耕地的自然条件和基础设施,提高耕地质量,是开展“提质改造”与“补改结合”的有效措施。近年来我国生态文明的建设加强,国家将生态建设纳入到国土空间规划战略当中。党的十八大以来,习近平总书记从生态文明建设的整体视野提出“山水林田湖草是生命共同体”,要求在国土规划与整治当中统筹兼顾生态环境治理,加强生态保护修复工作[3]。“十四五”规划要求生态文明建设实现新进步,国土空间开发保护格局得到优化,生产生活方式绿色转型成效显著,能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高,主要污染物排放总量持续减少,生态环境持续改善,生态安全屏障更加牢固,城乡人居环境明显改善。生态环境保护与修复成为国家和社会高度关注的热点[4-5]。

近年来,全国各地纷纷试点将土地整治与国土空间生态修复工作相结合,逐渐开展了以国土空间生态保护修复为目标的土地整治工作。秦岭地区及巢湖流域均开展了以“山水林田湖草”为理念的国土生态规划整治,将土地整治与生态修复作为一体化建设[6-7]。明确国土空间生态修复后的耕地生态质量状况,开展系统诊断是国土空间生态修复的基础。已有研究表明土地整治后耕地质量等别提高、土壤中的黏粒含量下降以及含盐量降低等[8-9]。目前,现有的耕地等别质量评定工作往往参考《农用地质量分等规程》(GB/T 28407-2012)中因素法对耕地进行评价,只停留在单一的对土壤pH、有机质含量、全氮含量、盐渍化、有效土层厚度、土壤质地以及农用耕地面积的研究评价,忽略了其他肥力指标、土壤功能和生物要素,难以有针对性地反映土地整治实施后的耕地的生态修复效果以及存在问题,缺乏从生态角度对土地整治工作的反馈。

国内外学者针对使用生物学指标评价耕地生态质量开展了大量研究。一些特定的土壤动物如蚯蚓、线虫、原尾虫作为指示生物广泛应用于农田、森林、草原等一些生态系统中评价土壤质量[10]。土壤动物可以通过取食和非取食作用影响土壤结构和养分循环,且对环境变化或扰动较为敏感,能够很好地指示土壤生态质量[11];同时通过调节土壤微生物群落来影响土壤中的碳氮矿化[12],可以科学地反映土地整治前后耕地生态质量的变化和土地整治相关工程的问题。由于微生物群落结构的变化受环境变化影响较大,能较好地反映外界环境的变化,土壤微生物多样性和结构群落等指标在评价土壤质量方面也被广泛采用[13]。综上,本研究以上海市某市级土地整治项目为例,以整治后的质量建设耕地(ZL)为对照,2处典型复垦新增耕地(XZ1和XZ2)为研究对象,筛选与土壤质量相关的理化和生物指标从土壤肥力、土壤动物多样性和酶活性等反映生态质量方面的指标,综合对比土地整治后的新增耕地和质量建设耕地的生态质量。旨在为土地整治的生态修复效果和存在问题提供反馈以及为后续的国土空间生态修复与生态规划提供有效的数据支持和理论参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于上海市松江区新浜镇,所处地区属于北亚热带季风气候,温暖湿润,四季分明,日光充足,雨量充沛,无霜期长;春季冷暖多变,夏季高温多雨,秋季降温较快,冬季低温阴雨,年平均降雨量为1226.8 mm。项目区属太湖流域黄浦江水系,水文特征属平原河网强感潮区。该地区主要的粮食作物为水稻,一年一熟制,种植模式以水稻—绿肥轮作,绿肥为紫云英(Astragalus sinicus L.)。新增耕地主要来源坑塘填埋和房屋拆除平整两大工程,通过住宅用地整理复垦可增加耕地45.29 hm2,通过坑塘水面整理可增加耕地5.90 hm2。坑塘填埋客土土来自附近区域耕地表土剥离项目;宅基地复垦平整的客土来源主要为牛栏、猪圈、禽舍表土及陈旧土坯砖。本研究分别选取了两处具有代表性的新增耕地(XZ1源于坑塘填埋复垦、XZ2源于宅基地复垦)。水稻品种为松香粳1018,种植方式为上海市郊区农民常规水稻种植和管理模式,施用化学肥料和普通化学农药防治病虫害。

1.2 采样方法与指标测定

(1)采样方法

2021年1月21日,选取新增耕地(XZ1、XZ2)和质量建设耕地(ZL)进行土壤布点采样,从水稻收获后的表层土壤中采集土壤样本。在2处新增耕地和1处质量建耕地各选取3个样点的表层土,每个采样点遵循五点取样法,采集0~20 cm的表层土壤,去除表层杂物,采用四分法留取0.5~1.0 kg的鲜土。将所有土壤样品放入无菌密封塑料袋中,一部分土壤样本并装有液态氮的冰箱运回实验室,冻干后提取DNA;另一部分鲜土用保温箱4℃保存,测酶活性和理化指标。用直径为5 cm的不锈钢采样器采集0~10 cm的土样用于调查土壤动物,所有土样带回实验室处理。

(2)指标测定

土壤理化指标测定:土壤pH、全氮(TN)、水解氮(AN)、土壤铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、全钾(TK)、速效钾(AK)、全磷(TP)、有效磷(AP)和阳离子交换量(CEC),分别根据国家行业标准《土壤检测第2部分:土壤pH的测定》(NY/T 1121.2-2006)、土壤《森林土壤氮的测定》(LY/T 1228-2015)、《森林土壤全钾、全钠的测定》(LY/T 1254-1999)、《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》(NY/T 889-2004)、《土壤全磷测定法》(NY/T 88-1988)、《土壤检测第7部分:土壤有效磷的测定》(NY/T 1121.7-2014)和《森林土壤阳离子交换量的测定》(LY/T 1243-1999)测定。

土壤酶活性测定:土壤酶活性主要选取过氧化氢酶(CAT)、中性磷酸酶(NP)、蔗糖酶(SC)、脲酶(UE)4种酶测定,测定方法参考关松荫等编著的《土壤酶及其研究法》[14]。

大型土壤动物指标测定:动物指标测定采用实验室内干漏斗法分离土壤动物,土壤动物收集在95%的乙醇溶液中。分离所得的土壤动物采用体视显微镜观察和分拣,参考《中国土壤动物检索图鉴》[15]和《中国亚热带土壤动物》[16]进行分类鉴定,并统计数量。

1.3 数据处理

本研究动物多样性指数计算参考孙濡永的《动物生态学原理》[17],土壤动物群落的Shannon-Wiener多样性指数(H')、Pielou均匀度指数(Js)、Simpson优势度指数(C)、Margalef丰富度指数(D)计算公式如下:

式中:ni为第i个类群的个体数;N为群落中所有类群的个体总数;S为类群数,本研究定义类群密度占总密度10%及以上者为优势类群。

数据采用Excel 2016和SPSS 25.0进行统计和分析,采用单因素Anova均值检验,选用LSD法进行方差检验,显著性水平为0.05。图表的制作用Origin 9.0完成。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

土壤理化性质是土壤健康及可利用性的基本表现,土壤pH如图1a所示,XZ1、XZ2和ZL的土壤pH均大于8,该项目耕地土壤偏碱性。如图1b所示,土壤有机质含量范围为13.16~19.63 g/kg,XZ2土壤的有机质含量显著高于XZ1和ZL土壤的有机质含量,这可能是由于XZ2地块在房屋拆除覆盖表土时,利用的是附近牛栏、猪圈、禽舍表土,此类土壤可能之前含有部分家禽畜牧粪便,有机质含量较高,从而使得新增耕地有机质含量较高。CEC即土壤中可交换性阳离子的含量,是土壤肥力保持能力的间接反映[18],如图1c所示,ZL、XZ1和XZ2的CEC含量分别为18.83、19.56和30.4 cmol(+)/kg,XZ2和XZ1均显著(P<0.05)高于ZL土壤的CEC,可见新增耕地的阳离子交换量较高,原因可能为新增耕地客土前经底层土的压实工序,有利于将土壤肥力保持在耕作层,且新增耕地未经过长期耕作,地力未被破坏,肥力不易流失。

图1 土壤理化性质Fig.1 Soil physical and chemical properties

2.2 土壤肥力

土壤肥力是土壤的基本性质,是土壤物理化学、生物反应的综合特征,也是对内外环境变化做出的整体响应[19]。如图2a所示,三处耕地的土壤总氮含量差异显著,范围为0.94~1.17 g/kg,XZ2地块的土壤总氮比ZL和XZ1地块分别高20.21%和44.87%,三者的NH4+-N和NO3--N占比差异不明显,NH4+-N和NO3--N是植物可以大量吸利用的无机氮,三处耕地氮素肥力水平相当。XZ1地块的AN占比高于XZ2和ZL地块,分别为27.83%和7.24%。由图2b可知,有效磷约占土壤全磷含量的1%,XZ2地块土壤全磷含量与有效磷占比均显著(P<0.05)高于XZ1和ZL地块。如图2c所示,ZL地块的全钾含量显著高于(P<0.05)XZ1、XZ2地块,XZ1地块的土壤全钾含量虽低,但速效钾占比较高,约2.13%。总之,XZ2地块的氮磷含量较高,钾元素含量较低,说明客土土源的氮磷较高,钾含量偏低。家禽畜牧的粪便中往往氮磷含量高于钾元素含量[20],与牛栏猪圈附近表土的理化规律相似,间接验证了新增耕地的土壤肥力受客土理化性质影响较大,需合理选择客土来源。

图2 不同区域点位土壤肥力Fig.2 Soil fertility in different regions

2.3 土壤酶活性

土壤酶是由土壤微生物分泌的具有高效性的活性物质,其活性是土壤中微环境和土壤生态的状态的综合体现[21],亦是参与有机物分解和养分循环的关键成分,可作为衡量土壤健康的指标[22]。如图3所示,ZL耕地土壤的CAT活性显著高于(P<0.05)新增耕地,CAT活性分别较新增耕地XZ1、XZ2高0.93%和0.77%;土壤NP和SC活性方面在三处耕地表现出规律一致,即XZ2>XZ1>ZL,XZ2的NP和SC活性分别可达到2.22 μmol/d/g和76.66 mg/d/g;XZ2地块比ZL地块土壤的UE活性高7.85%,但ZL地块比XZ1地块的土壤UE活性高70.45%。综合,ZL耕地的CAT活性较高,XZ2耕地的NP、SC、UE活性高于ZL耕地。

图3 土壤4种酶活性Fig.3 Four enzyme activities in soil

2.4 土壤动物多样性

本研究在新浜镇3块样地共捕获土壤动物1604头(图4),隶属于11个类群,以蜱螨目为主,其中蜱螨目和弹尾纲分别占总捕获量的的86.25%和6.49%,为优势类群。新增耕地土壤中动物的数量明显高于质量建设地块,但新增耕地中动物分布不均匀,同一地块不同点位动物数量差异性较大,质量建设耕地中动物分布较为均一。

图4 不同区域点位土壤动物数量Fig.4 Number of soil animals in different regions

经土地整治后新增耕地(XZ1、XZ2)与质量建设地块的动物类群数、均匀度以及丰富度无明显差异(表1)。新增耕地XZ1的动物多样性明显高于(P<0.05)质量建设耕地ZL,复垦耕地XZ2的土壤动物多样性最低,说明XZ2地块土壤的动物种类少且分布不均匀,在客土时土壤的差异性较大。

表1 不同区域点位土壤动物多样性Table 1 Diversity of soil animals in different regions

2.5 环境因子与动物多样性相关性分析

土壤环境因子与动物多样性相关性分析如图5所示,可知土壤pH与有机质含量呈显著负相关关系(P<0.05),与CEC、TN、AN呈极显著负相关(P<0.01)关系,说明土壤pH对土壤的理化性质与肥力指标影响较大。土壤动物丰富度与有机质含量以及全氮含量具有明显的负相关关系(P<0.01),土壤动物多样性和均匀度与速效钾、有效磷呈显著正相关(P<0.05),与全磷、有机质含量呈极显著负相关(P<0.01),说明土壤动物多样性有利于提高土壤磷肥、钾肥的可利用性;土壤中环境因子与土壤动物总体数量未表现出明显的相关关系。土壤动物优势度与CEC、全磷、有机质、全氮、水解氮均表现出显著正相关(P<0.05),说明蜱螨目动物能提高有机质,增加土壤含氮量和可利用性。

图5 环境因子与土壤动物指标相关性分析Fig.5 Correlation Analysis of Environmental Factors and Soil Animal Indexes

3 讨论

土地整治项目的主要手段在于平整土地、客土覆盖,对未利用、低效利用以及闲置、损毁和退化土地进行综合治理[24-25]。这些手段打破了原有稳定性的土壤生态环境。本研究所选取的土地整治区域主要是通过土地平整手段(拆除、清障、客土、回填)增加了新增耕地。经过土地整治后,新增耕地的CEC大于质量建设耕地中的CEC,分析原因可能是经整治后土壤容重降低,孔隙度增加,土壤对各种离子的吸附能力增强,此外在新增耕地客土之前耕作层以下经过机械压实,表层土壤养分不易流失,因而新增耕地的保肥性能得到提高。有研究认为土地整治会破坏土壤团粒结构,降低土壤养分[9],然而本研究中XZ2地块的全氮、全磷均高于ZL地块,原因可能是XZ1的地块客土的土源来自附近区域耕地的表土剥离,XZ2地块土源来自于猪圈牛栏等养殖区附近表土,二者的土壤养分含量均较高,可见土壤养分不仅受土地整治施工工序的影响,更直接受到客土土源的影响。

土壤酶是具有生物催化活性的特殊物质,土壤中的大多数生化过程均与酶催化相关[10]。过氧化氢酶是促进氧化氢分解有利于防止它对生物体的毒害作用,过氧化氢酶的活性与土壤有机质含量相关,可间接反映土壤有机质含量。磷酸酶与土壤中的碳、氮含量呈正相关,与有效磷含量及pH也有关,磷酸酶是评价土壤中磷素生物转化方向与强度的指标,也是肥力指标的体现。蔗糖酶是一种土壤转化酶,它对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用。有研究证明,土壤肥力越高,蔗糖酶活性越强,它不仅能够表征土壤生物学活性强度,也可作为评价土壤熟化程度和土壤肥力水平的一个指标。脲酶广泛存在于土壤中,其酶促产物NH3是植物的氮源之一,脲酶的活性与土壤氮素含量密切相关,同时也与有机质含量和微生物有。本研究中ZL耕地的过氧化氢酶活性较高,XZ2耕地的磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性高于ZL耕地,不同的环境因子会影响酶活性,但总体上因为质量建设耕地的长期耕作,土壤肥力有所下降,而新增耕地由于未被长期耕作利用,还保持较高的肥力以及酶活性,需要我们在后续耕作中多施用有机肥以及推广保护性耕作,从而维持耕地土壤肥力。已有研究表明土壤微生物和酶活性受到土壤本身环境的影响[26],如土壤有机质含量、氮磷钾等养分含量等因素,土壤酶活性还受到不同复垦类型的交互影响[27]。

土壤动物对于土壤环境的变化具有灵敏的指示作用[28],土壤动物群落研究对于评估城市土壤质量和生态系统服务功能具有重要的指导意义[29]。从土壤动物类群来看,蜱螨目动物对整治后土壤环境波动性的抗性能力更高,土壤有机质与土壤动物的多样性、丰富度呈显著负相关(P<0.05),这与王海燕[30]等人研究庐山垂直自然带动物分布得出的结果不同,可能是因为土壤动物群落特征同时还受到温度、降水、湿度、地形、日照等其他环境因子的影响[31]。XZ2地块的动物优势度较高,多样性、均匀度和丰富度较低,这可能是由于XZ1地块的土源来自于附近区域需要剥离的耕地表土,土质相对于XZ2地块的土源较为均匀且生态环境更稳定、土壤更均匀;XZ2地块的土源来自于项目区内的部分地区表土,按照施工原则就近剥离回填,没有经过充分分类混匀,因而土壤丰富度和多样性较低。由于XZ2地块的土源为牛栏猪圈附近表土,表2中的XZ2地块的细菌真菌丰富度较高,但因施工工序原因没有充分混匀,导致XZ2地块土壤真菌细菌的多样性最低。

综上,土地整治对土壤环境质量和生态质量带来的变化是多样的,本研究结果显示,就常见的土地平整工程为代表的土地整治而言,新增耕地的客土来源和施工工序十分重要,可直接影响土壤的养分含量、均匀程度、动物、微生物的多样性。建议在今后的土地整治工作中注意客土来源,做好分类工作,做到因地制宜,依据耕地需求客土,同时在施工过程中注意混匀土壤,保证将来作物产量的均一性。

4 结论与建议

(1)XZ2的土壤有机质含量与CEC显著高于ZL,XZ2地块的土壤全氮含量比ZL高20.21%,新增耕地全钾(TK)含量低于质量建设耕地;XZ2耕地的中性磷酸酶(NP)、蔗糖酶(SC)、脲酶(UE)活性以及土壤动物优势度高于ZL地块。

(2)蜱螨目动物有利于土壤氮磷矿化和阳离子交换量(CEC)的提高,新增耕地土壤的动物和微生物的丰富度较高但多样性较低。

(3)客土土源直接影响土地整治后土壤的理化性质和肥力,且根据耕地的利用需求采用不同土源,且建议使用客土前对在达到耕地土壤生态质量提高的前提下保证客土土壤的合理化利用。

(4)XZ2的土壤肥力、酶活性和动物多样性高于ZL,建议以后耕地进行保护性耕作,保持耕地地力和生态质量。

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