鲁中南山地丘陵区土地利用方式对土壤理化性质的影响

李子君,李英姿,王海军

鲁中南山地丘陵区土地利用方式对土壤理化性质的影响

李子君1,李英姿1,王海军2*

1. 山东师范大学地理与环境学院, 山东 济南 250358 2. 山东省水文中心水情部, 山东 济南 250014

为探讨鲁中南山地丘陵区土地利用方式与土壤理化性质之间的关系，以祊河流域为研究区，通过野外采样和室内测试分析，并运用统计和相关分析等方法，分析了耕地、林地、草地、园地土壤理化性质在表层土壤（0 ～ 20 cm）的差异及其在0 ～ 40 cm土层的垂直变化。结果表明：（1）耕地的表层土壤含水量最高，孔隙度较小而容重较大，砂粒、粉粒含量较高而黏粒含量较低；草地的表层土壤含水量较高，其他物理性质与耕地的正好相反；林地的表层土壤含水量较低，孔隙度最大而容重最小，砂粒含量最低而粉粒、黏粒含量最高；园地的表层土壤含水量最低，其他物理性质与林地的正好相反；表层土壤团聚体以WSA＞0.25 mm为主，林地的WSA＞0.25 mm含量、MWD值和GMD值均显著高于耕地和园地；林地和草地的土壤pH值、有机质含量明显高于耕地和园地。（2）各土地利用方式下，土壤含水量（除草地外）、容重均随着土壤深度的增加逐渐增大，土壤孔隙度则随土壤深度的增加而减小；土壤机械组成随土壤深度增加变化较小，总体表现为砂粒减少，粉、黏粒增加；土壤WSA＞0.25 mm含量、MWD值和GMD值总体均随土壤深度的增加而呈下降趋势；耕地、林地、园地的土壤pH值均随土壤深度的增加而增大，草地则相反；土壤有机质含量随土壤深度的增加而逐渐降低。（3）土壤容重和砂粒含量对多种土壤性质产生负面影响，而土壤孔隙度、黏粒含量、WSA＞0.25 mm含量、MWD值、GMD值和有机质含量等对多种土壤性质有促进和改善作用。综上，不同土地利用方式下，表层土壤（0 ～ 20 cm）理化性质存在明显差异，且土壤理化性质在0 ～ 40 cm土层的垂直变化明显，土壤理化性质之间存在较强的内在关系。应当采取更加合理的土地利用与管理方式，提高研究区域耕地和园地的土壤质量。

丘陵地; 土地利用方式; 土壤理化性质

土壤作为所有陆地生命系统赖以生存与发展的重要资源，能够提供生物生产、气候调节、废物处理、水分净化、养分循环等众多生态系统服务，土壤质量的优劣直接关系到作物生产以及粮食安全、水资源保护、生物多样性维持、气候变化等[1,2]。随着近年来人口增加和社会、经济的快速发展，给土壤资源带来了巨大的压力，全球范围内约有30%的土地已经出现不同程度的退化。我国土地资源严重不足，人均耕地面积不足世界平均水平的1/3，加上长时间不合理和高强度的土地利用，导致近年来土壤侵蚀和退化十分严重，约20%的耕地因受到不同程度的破坏而退化。土壤质量的退化制约了水土资源的开发和利用，对社会、经济、生态的可持续发展造成了显著的影响[3]。而土地利用方式直接影响土壤中水、肥、气、热等理化性质的特征与差异[4]，进而影响土壤质量。因此，探讨土地利用方式对土壤理化性质的影响，对提高土壤质量和土地资源的合理利用具有重要的意义。

土壤质量是土壤理化性质特征的综合反映，因而研究者多选取土壤理化指标对土壤质量进行评价，分析土壤理化性质的特征、变化和驱动机制[4-8]，从而达到对土壤进行有效管理和保护的目的。其中土地利用方式作为土壤理化性质变化的重要驱动机制受到广泛关注，许多学者围绕不同土地利用方式下土壤理化性质的差异开展了大量研究[4-11]。有研究发现林地或草地改为耕地减少了土壤含水量、孔隙度、黏粒含量、pH值和有机质，但增加了土壤容重、砂粒含量[8,9,12-15]。有研究则认为林地的土壤pH值明显地高于草地和耕地的[16,17]，还有研究认为土壤pH值受土地利用方式的影响较小[6]。随着开垦时间的增加，土壤孔隙度和水稳性团聚体含量不断变小，大部分土壤养分明显降低，土壤退化明显[18]。有研究表明耕作土壤团聚体的平均重量直径（MWD）低于牧场土壤[19]，但对黄河三角洲的研究发现耕作土壤的MWD要高于荒草地和裸地[20]。不同土地利用方式下土壤含水量、孔隙度随着土壤深度的增加而减小[9,18]；但深层土壤pH值差异较小，而且不再随土层深度的增加而变化[21]；有机质含量随土层深度增加而减小[22,23]。大量研究均表明，不同土地利用方式下土壤的理化性质发生了明显的变异，即使是相同的土地利用方式，在不同的研究区域和不同的时空尺度上，对土壤理化性质的影响也不同。目前国内研究区域主要集中在水土流失较为严重或生态环境十分脆弱的地区[4,9-12,14,15,17,20,21]，对于鲁中南山地丘陵区的相关研究较少，且研究重点多局限于土壤表层，忽视了土壤理化性质的垂直变化特征以及土壤理化性质之间的内在关系。因此，土地利用方式对土壤理化性质影响的评估要注意区域差异、时间和空间尺度的差异，需要在更多典型区域内开展相关研究，为区域土地利用优化与生态建设等相关管理与决策提供有价值的信息。

祊河流域位于鲁中南山地丘陵区，是典型的土石山区。流域内地形破碎，沟壑密布，土层疏松浅薄，人口稠密，加上多暴雨的气候条件，使得该区域成为淮河流域水土流失最严重的区域之一。近几十年来，随着流域人口增加以及社会、经济的发展，生态文明建设不断推进，生态环境发生较大变化，土地利用方式也发生了一定变化，但仍然存在不合理的土地利用导致的水土流失、土壤退化等问题。因此，本研究以祊河流域作为研究区域，分析流域内耕地、林地、草地、园地4种土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）理化性质的变化规律及差异，以及0～40 cm土层土壤理化性质的垂直变化特征，并进一步探讨土壤理化性质间的内在关系，拟为区域土壤质量的提高和土地资源的合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

祊河流域（117°21＇28＂－ 118°22＇31＂E，35°0＇55＂－35°42＇56＂N）位于山东省南部，流域面积3363.11 km2，主要包括平邑县、费县大部分以及兰山区小部分（图1）。该流域地势西北高东南低，以山地、丘陵为主。气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温14.2 ℃，多年平均降水量818 mm，主要集中于夏、秋两季且多暴雨。流域水系呈树枝状，河流源短流急。土壤类型主要有粗骨土、褐土、棕壤等，其中粗骨土层较薄且多夹砾石，保水能力差。植被类型以针阔叶混交林、灌木和草本为主，植被覆盖率较低。2021年祊河流域总人口约178万人，人均GDP 42124元，第一、二、三产业分别占10.8%、42.4%和46.8%。流域土地利用类型以耕地为主，其次是林地、建设用地、草地、水域和未利用地。

图 1 祊河流域位置及采样点分布图

1.2 样品采集与测定方法

2019年4月，在祊河流域选取耕地、林地、草地和园地四种土地利用类型进行土壤采样，样点设置采用格网法（图1），共设置50个土壤样点，包括24个耕地样点、7个林地样点、6个草地样点和13个园地样点。每个样点设置3个重复，分别采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土层（部分采样点因土层浅薄深度达不到40 cm）的混合土样各500 g左右用于测定土壤机械组成、有机质含量和pH值，同时采集原状土样约1 kg装入塑料盒中用以测定土壤团聚体，另使用100 cm3的环刀取样用于测定土壤含水量、孔隙度和容重，最终共获得185个分层土样。将采集的混合土样去除石块、动植物残体等杂物，风干后过2 mm筛。将原装土样沿着自然裂隙掰成直径10 mm左右的小土块，放置风干。

土壤含水量采用烘干法测定，土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，土壤机械组成采用Mastersizer3000型激光粒度仪测定，土壤团聚体采用湿筛法测定[24]，pH值采用pH计（pHs－3E）测定，有机质采用重铬酸钾-浓硫酸油浴法测定[25]。

1.3 数据处理与分析方法

利用Excel 2016进行数据整理，利用SPSS 21.0对数据进行统计分析，采用单因素方差分析（One－Way ANOVA）和最小显著性差异法（LSD）对不同土地利用方式土壤理化性质差异进行显著性检验，利用Pearson相关分析法和多元回归分析法进行相关性检验。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤含水量、孔隙度和容重的差异

2.1.1 不同土地利用方式下表层土壤含水量、孔隙度和容重的变化由表1可见，表层土壤（0～20 cm）含水量为耕地（18.22%）＞草地（16.85%）＞林地（16.66%）＞园地（13.47%），耕地的含水量显著高于园地。土壤孔隙度为林地（57.34%）＞草地（54.40%）＞耕地（48.00%）＞园地（46.01%），林地和草地的孔隙度显著高于耕地和园地。土壤容重为园地（1.43 g/cm3）＞耕地（1.38 g/cm3）＞草地（1.20 g/cm3）＞林地（1.13 g/cm3），耕地和园地的容重显著高于林地和草地，表明林地和草地具有更好的土壤结构。

表 1 不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）含水量、孔隙度和容重变化

注：同列数据后相同小写字母代表不同土地利用方式间差异不显著（＞0.05），不同小写字母代表不同土地利用方式间差异显著（＜0.05），下同。

Note: The same lowercase letters in the same column of data represent no significant differences between different land use modes (>0.05), while different lowercase letters represent significant differences between different land use modes (<0.05), the same below.

2.1.2 不同土地利用方式下土壤含水量、孔隙度和容重的垂直变化由图2可见，除草地外，各土地利用方式下土壤含水量均随着土壤深度的增加逐渐增大，且随深度增加，各土地利用方式间的差异越大。各土地利用方式0～10 cm土层的土壤含水量差异并不显著，耕地10～20 cm土层的土壤含水量显著高于园地，林地20～30 cm、30～40 cm土层的土壤含水量显著高于耕地和园地。随着深度增加林地的土壤含水量增长最多。

各土地利用方式下土壤孔隙度均随土层深度的增加而减小。林地和草地0～10 cm、10～20 cm土层的土壤孔隙度显著多于耕地、园地，林地20～30 cm、30～40 cm土层的土壤孔隙度均显著多于园地。各土层均为林地的土壤孔隙度最高，园地的最低。

各土地利用方式下土壤容重均随土壤深度的增加逐渐增大，各土层不同土地利用方式间存在显著差异。耕地和园地0～10 cm土层的土壤容重显著高于林地和草地、10～20 cm土层的土壤容重显著高于林地，园地20～30 cm、30～40 cm土层的土壤容重显著高于林地。各土层均为林地的土壤容重最小、园地的土壤容重最大。

2.2 不同土地利用方式下土壤机械组成的差异

2.2.1 不同土地利用方式下表层土壤机械组成的变化由表2可见，各土地利用方式表层土壤（0～20 cm）机械组成均以粉粒为主，无显著差异。表层土壤（0～20 cm）砂粒含量为园地（33.95%）＞耕地（21.05%）＞草地（20.47%）＞林地（14.47%），粉粒含量为林地（61.66%）＞耕地（60.72%）＞草地（58.38%）＞园地（58.03%），黏粒含量为林地（23.87%）＞草地（21.04%）＞耕地（18.70%）＞园地（8.02%）。林地和草地的土壤黏粒含量较高，砂粒含量较低。园地的砂粒含量显著高于耕地、草地和林地，但其黏粒含量显著低于其他土地利用方式。

注：相同小写字母代表同一土层不同土地利用方式间差异不显著（＞0.05），不同小写字母代表同一土层不同土地利用方式间差异显著（＜0.05），下同。

Note: The same lowercase letter means no significant difference between different land use modes in the same soil layer (>0.05), while different lowercase letter means significant difference between different land use modes in the same soil layer (<0.05), the same below.

表 2 不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）机械组成变化/%

2.2.2 不同土地利用方式下土壤机械组成的垂直变化表3显示，各土地利用方式下0～40 cm各土层均以粉粒为主，随土壤深度增加，土壤机械组成有小幅波动变化，总体表现为砂粒减少，粉粒、黏粒增加。园地0～10 cm、10～20 cm土层的土壤砂粒含量显著高于耕地、林地和草地，但其黏粒含量显著低于其他土地利用方式；园地20～30 cm土层的土壤砂粒含量显著高于耕地和林地，其黏粒含量显著低于耕地和林地；而林地30～40 cm土层的土壤黏粒含量显著高于耕地和园地。0～40 cm各土层均为园地的土壤砂粒含量最高，黏粒含量最低，且差异都达到了显著性水平；而林地的土壤黏粒含量最高，砂粒含量最低。

表 3 不同土地利用方式下土壤机械组成的垂直变化

2.3 不同土地利用方式下土壤团聚体稳定性特征

2.3.1不同土地利用方式下表层土壤团聚体稳定性特征 土壤团聚体稳定性指标主要以＞0.25 mm水稳性团聚体（WSA＞0.25 mm）、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）来表示。WSA＞0.25 mm是土壤团粒结构体，能够维持土壤结构稳定，其含量越高土壤抗蚀性越好；MWD和GMD能够反映土壤团聚体的稳定性，其值越大土壤团聚度越高，稳定性则越强。

各土地利用方式表层土壤（0～20 cm）团聚体均以WSA＞0.25 mm为主，其含量为林地（68.14%）＞草地（66.78%）＞园地（65.13%）＞耕地（61.44%）（表4）。不同土地利用方式下WSA＞0.25 mm含量差异显著，林地表层土壤WSA＞0.25 mm含量显著高于耕地的。土壤团聚体MWD值为林地（1.81 mm）＞草地（1.77 mm）＞园地（1.52 mm）＞耕地（1.38 mm），土壤团聚体GMD值也为林地（0.77 mm）＞草地（0.73 mm）＞园地（0.61 mm）＞耕地（0.54 mm）。林地表层土壤团聚体MWD值和GMD值均显著高于耕地和园地，表明林地较耕地和园地具有更好的团聚体稳定性。

表 4 不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）团聚体稳定性变化

2.3.2 不同土地利用方式下土壤团聚体稳定性的垂直变化除耕地的土壤WSA＞0.25 mm含量在10～20 cm土层增加并达到最高值外，其他土地利用方式下土壤WSA＞0.25 mm含量均随土壤深度的增加而减少（图3）。随土壤深度的增加不同土地利用方式间土壤WSA＞0.25 mm含量的差异逐渐减少，0～10 cm土层林地的土壤WSA＞0.25 mm含量显著多于耕地的，20～40 cm土层各土地利用方式间的差异均不显著，表明土地利用方式对水稳性大团聚体的影响更多集中于土壤表层。

除林地的土壤团聚体MWD值和GMD值在20～30 cm土层有一定波动外，其他土地利用方式下土壤团聚体MWD值和GMD值均随土壤深度增加总体呈下降趋势（图3）。0～40 cm各土层不同土地利用方式间土壤团聚体MWD值的差异均不显著；随土壤深度增加不同土地利用方式间土壤团聚体GMD值的差异减小，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层林地的土壤团聚体GMD值均显著高于耕地的，30～40 cm土层各土地利用方式间土壤团聚体GMD值的差异极小，表明当土壤达到一定深度，土地利用方式对土壤团聚体GMD值的影响也会随之下降。

2.4 不同土地利用方式下土壤pH值的差异

2.4.1 不同土地利用方式下表层土壤pH值的变化由图4可见，不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）pH值为草地（6.74）＞林地（6.40）＞耕地（5.99）＞园地（5.73），土壤整体呈中性和弱酸性。不同土地利用方式之间差异显著，园地和耕地的土壤pH值显著低于草地的，且pH值较低，酸化现象较为显著。

图 4 不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）pH值的变化

2.4.2 不同土地利用方式下土壤pH值的垂直变化如图5所示，除草地10～20 cm土层的土壤pH值低于0～10 cm土层外，其他土地利用方式下土壤pH值均随土壤深度的增加而增大，表层土壤均呈现一定程度的酸化现象。不同土地利用方式下0～10 cm土层的土壤pH值为草地（6.81）＞林地（6.28）＞耕地（5.86）＞园地（5.67），草地的土壤pH值显著高于园地的；各土地利用方式间10～20 cm、20～30 cm土层的土壤pH值差异并不显著；不同土地利用方式下30～40 cm土层的土壤pH值为林地（7.24）＞耕地（6.47）＞园地（5.81），林地的土壤pH值显著高于园地和耕地的。0～40cm各土层园地的土壤pH值均为最低，土壤的酸化最为严重。

图 5 不同土地利用方式下土壤pH值的垂直变化

2.5 不同土地利用方式下土壤有机质的差异

2.5.1 不同土地利用方式下表层土壤有机质的变化由图6可见，不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）的有机质含量为林地（33.34 g/kg）＞草地（24.82 g/kg）＞耕地（16.25 g/kg）＞园地（14.08 g/kg）。林地的土壤有机质含量显著高于其他三种土地利用方式，草地的土壤有机质含量显著高于耕地和园地的。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，林地的土壤有机质含量处于二级，草地的处于三级，而园地与耕地的均处于四级。因而研究区域林地和草地的土壤有机质含量相对较好，耕地和园地的土壤有机质含量处于相对缺乏状态。由此可见，林地和草地较耕地和园地能够更好的产生、储存有机质，从而提高土壤的保水保肥性能和抗侵蚀能力。

图 6 不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）有机质含量的变化

2.5.2 不同土地利用方式下土壤有机质的垂直变化 由图7可见，各土地利用方式下土壤有机质含量均随土壤深度的增加逐渐降低，体现了土壤有机质分布的表聚性特征。0～10 cm土层的土壤有机质含量为林地（38.56 g/kg）＞草地（28.36 g/kg）＞耕地（18.43 g/kg）＞园地（16.31 g/kg），林地的土壤有机质含量显著多于其他土地利用方式，草地的土壤有机质含量显著多于耕地和园地的；10～20 cm土层的土壤有机质含量也为林地（27.25 g/kg）＞草地（19.51 g/kg）＞耕地（14.07 g/kg）＞园地（11.85 g/kg），20～30 cm土层的土壤有机质含量为林地（26.69 g/kg）＞耕地（10.47 g/kg）＞园地（8.92 g/kg），而30～40 cm土层的土壤有机质含量为林地（15.64 g／kg）＞园地（8.30g/kg）＞耕地（7.47g/kg），林地的土壤有机质含量显著高于耕地和园地的。总体来看，0～40 cm各土层林地的土壤有机质含量均显著高于园地和耕地。

图 7 不同土地利用方式下土壤有机质含量的垂直变化

2.6 土壤理化性质间的相关关系

为揭示土壤属性因子之间的相互作用和关联程度，对表层土壤（0～20 cm）的理化性质进行了相关性分析（表5）。土壤容重与砂粒含量呈显著正相关，与孔隙度、含水量、黏粒含量、WSA＞0.25 mm含量、GMD值、pH值、有机质呈显著负相关。这表明容重过高会导致黏粒含量降低、团聚体稳定性下降、通气透水性变差、土壤酸化、有机质下降等。而土壤孔隙度正好相反，表明其能促进土壤水分保持，降低容重，改善土壤质地，促进和改善团聚体的形成及其稳定性。土壤砂砾含量与孔隙度、含水量、粉粒含量、黏粒含量呈显著负相关，土壤粉粒含量与pH值呈显著负相关，土壤黏粒含量与孔隙度、含水量、pH值呈显著正相关。这表明土壤中细颗粒越多，其表面电荷越有助于吸持水分，越能促进土壤酸碱度的保持，增加土壤的通透性。土壤有机质含量与孔隙度、黏粒含量、WSA＞0.25 mm含量、MWD值、GMD值呈显著正相关。有机质含量越高，土壤中微生物的活动也越频繁，加快了土壤颗粒细化，降低了土壤容重，形成了有助于土壤团聚体胶结作用的条件，使得团聚体形成的几率、数量和稳定性提高。

综上所述，土壤容重和砂粒含量对多种土壤性质产生负面影响，而土壤黏粒含量、有机质含量、孔隙度、WSA＞0.25 mm含量、MWD值、GMD 值等的增加对土壤质地改善、土壤水热条件调节、土壤养分保持等具有积极意义。

表 5 不同土壤理化性质间的相关分析

注：**表示极显著相关（＜0.01）；*表示显著相关（＜0.05）。

Note: ** means very significant correlation (<0.01); * indicates significant correlation (<0.05).

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对土壤含水量、孔隙度和容重的影响

土壤水分对土壤中有机质的合成分解、矿物元素的迁移和富集以及淋失、土壤通透性、团聚体的稳定性、植物的生长发育等有着重要作用[13,26]。土壤含水量是土壤水分状况的表征，与土地利用方式关系密切[27]。研究区耕地的表层土壤含水量最高并且显著高于园地，主要由于耕地受到长期灌溉，因而含水量较高；而各土层园地的土壤含水量均为最低，土壤水分状况最差，这是因为果树在生长过程中耗水较多，且多分布在山坡上，农户管理粗放，缺少水源灌溉，使得含水量最低。随着土层深度增加，林地的土壤含水量增长最多，主要由于其地表植被覆盖情况较好，截留了大量水分，良好的土壤孔隙结构和根系分布有利于水分的入渗和储存，使得深层土壤水分含量较高，表明林地土壤有利于保水蓄水[28,29]。

土壤孔隙度反映土壤蓄水保水和通气透水性能，并能够有效地调节土壤中水、肥、气、热环境，直接影响着土壤的肥力和土壤水分的有效性，是评价土壤结构的重要指标之一[27,30]。研究区林地和草地表层土壤的孔隙度显著高于耕地和园地的，主要由于林地和草地根系密集、土壤生物活动频繁、有机质含量高，使得土壤通气、透水以及保持养分的能力较好，有效改善了土壤孔隙结构；而耕地和园地的孔隙度较少，一方面由于根系发育水平较低，化肥农药的施用可使土壤生物活动受到抑制，另一方面浇水、播种等农事活动和频繁的踩踏行为使得土壤压实板结，破坏了土壤孔隙连通性。随土层深度的增加，各土地利用方式下土壤孔隙度均减小，这与自然重力压实，植被根系、有机质含量和土壤动物活性随土层深度增加而降低有关[27]。各土层均为林地的土壤孔隙度最高，园地的最低，表明以黑松、侧柏、杨树等木本植物为主的林地能够增加土壤孔隙度，改善土壤结构，而种植果树以及打药、踩踏等人类活动会恶化土壤结构，使土壤板结，孔隙结构变差[27]。

土壤容重是土壤肥力高低的重要指标之一，它能综合反映土壤结构、松紧状况和孔隙状况[13,31-32]。研究区耕地和园地表层土壤的容重显著高于林地和草地，表明林地和草地具有更好的土壤结构。林、草地多年枯落物腐烂后使得有机质含量高，发达的根系进一步改善了土壤质量，形成松软多孔的土壤结构，因而土壤容重较小。而园地和耕地植物根系发育水平较低，受到人为扰动性较大，造成土壤压实，改变了土壤体积密度、孔隙度等结构，使得土壤容重较大，土壤结构差[33]。随土层深度增加，各土地利用方式下土壤容重均增加，这可能与有机质含量减少有关，同时随着土壤深度增加，土体也由于所负荷的压力而更加紧实。各土层均为林地的土壤容重最小，这与黑松、侧柏等乔木根系发达，改善了土壤结构有关。各土层园地的土壤容重最大，表明园地土壤的通气、透水性能最差，存在土壤板结、退化风险，这不仅不利于土壤肥力保持，同时会加大根系穿透的阻力，影响果树生长发育。

3.2 不同土地利用方式对土壤机械组成的影响

土壤机械组成是构成土壤结构的物质基础，也是土壤重要的物理特性之一，对土壤肥力状况、水分特征等物理性质有着明显影响[34]。有研究发现，人为干扰活动直接或间接影响了土壤的机械组成，导致土壤发生退化[35]，在研究区也得到了相似的研究结果。研究区园地表层土壤的砂粒含量显著高于耕地、草地和林地，但其黏粒含量显著低于其他土地利用方式，因其重用轻养使得有机质含量低，表层土壤团粒易分散，细颗粒被地表径流搬运流失，导致黏粒含量减少，土壤粗化。林地和草地表层土壤的黏粒含量较高，砂粒含量较低，这与其地表覆被良好有关，细小颗粒不易流失，在一定程度上起到改善土壤结构的作用。各土层均为园地的土壤砂粒含量最高，黏粒含量最低，主要由于研究区内山楂、板栗、核桃等园地大多分布于山坡处，土壤侵蚀严重，同时修枝、除草等增产性活动导致地表覆盖物减少，地表缺乏保护，表明果树的长时间种植和管理会使土壤中细颗粒流失，导致土壤粗化。

3.3 不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体的数量、结构以及稳定性影响孔隙度的分布、养分保持以及抗侵蚀的能力，对于改善土壤结构具有重要意义[36]，而土地利用方式对土壤团聚体有着直接的影响[11]。研究区林地表层土壤WSA＞0.25 mm含量显著高于耕地的，表明林地表层土壤的水稳性大团聚体最多，土壤胶结能力最好，结构最稳定，而耕地由于人为管理活动（施肥、耕作等）影响，水稳性大团聚体易在外力作用下破碎成小粒径团聚体，团聚体数量较少。林地表层土壤团聚体MWD值和GMD值均显著高于耕地和园地，表明林地较耕地和园地具有更好的团聚体稳定性，林地根系缠绕固结作用和根系分泌物有助于大团聚体形成和稳定[36]，而人为干扰频繁的耕地和园地土壤团聚体的稳定性较差。

土地利用方式对团聚体的影响更多集中于土壤表层，对深层影响较小。研究区林地、草地、园地土壤WSA＞0.25 mm含量均随土壤深度的增加而减少，这主要与土壤中有机质含量降低以及根系活动减弱有关；而耕地的土壤WSA＞0.25 mm含量在10～20 cm土层增加并达到最高值，可能与该土层根系分泌物较多以及根系物理作用促使土壤胶结有关。耕地、草地、园地土壤团聚体MWD值和GMD值随土壤深度增加呈下降趋势，这可能与根系减少、有机质含量降低、土壤胶结能力下降有关。林地的土壤团聚体MWD值和GMD值在20～30 cm土层较大，主要与该土层黑松、侧柏、杨树等树木根系发达有关。

3.4 不同土地利用方式对土壤pH值的影响

土壤pH是影响土壤养分有效性及供肥能力的重要因素[37]，进而影响植物生长发育[6]。研究区各土地利用方式下表层土壤pH值均小于7，土壤整体呈中性和弱酸性，这与研究区降水多且集中、淋溶过程显著有关。园地和耕地的表层土壤pH值较低，酸化现象较为显著，可能与长期施用铵态氮肥等酸性化肥有关。耕地、林地、园地的土壤pH值均随土壤深度的增加而增大；而草地10～20 cm土层土壤pH值偏低，主要与该层根系密集，根系呼吸产生的CO2以及分泌的有机酸较多有关。各土地利用方式下表层土壤均呈现一定程度的酸化现象，这可能与降雨导致表层碱性离子的淋溶流失以及根系分泌物、凋落物分解释放的有机酸有关[38]。

3.5 不同土地利用方式对土壤有机质的影响

土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）是土壤质量的重要指标之一，作为土壤的重要组成部分，其含量可以反映土壤肥力状况，对作物的生长发育具有显著的影响[39]。研究区不同土地利用方式下，林地表层土壤的有机质含量显著高于其他土地利用方式，主要由于林地大量枯枝落叶残留于地表，归还土壤中的凋落物较多，有机质的生产量较大。草地表层土壤的有机质含量显著高于耕地和园地，因为草地根系发达，生态系统更新演替速度较快，易形成有机质的富集。耕地由于小麦、玉米、花生等农作物生长发育消耗了大量有机质，加之频繁的耕作活动改变了土壤温度、湿度和微生物环境，加快了土壤有机质的分解，使得有机质处于较低水平。园地多种植苹果、桃、板栗等经济树种，枯枝落叶较少且生长发育消耗大量有机物，农户对于有机肥料的投入较少，使得有机质含量最低。园地有机质含量最低还与其砂粒含量高而黏粒含量低有关，有机质含量随黏粒含量增加而增加，随砂粒含量增加而减少[40]。由此可见，林地和草地较耕地和园地能够更好的产生、储存有机质，提高土壤的保水保肥性能和抗侵蚀能力。

本研究发现，随土壤深度的增加，各土地利用方式下土壤有机质含量均呈逐渐降低趋势，和土壤有机质分布的表聚性特征相一致[20,41]。在30～40 cm土层深度内，园地的土壤有机质含量（8.30g/kg）高于耕地的（7.47g/kg），主要由于翻耕等农业活动增加了土壤透气性、水分等条件，加剧了土壤有机质的分解，而园地在较深土层受外界干扰较小。总体来看，各土层林地的土壤有机质含量显著高于耕地和园地。耕地和园地受人类活动影响较大，有机质的投入小于产出，使土壤长期处于透支状态，导致各土层中园地和耕地的土壤有机质含量普遍较低。林地受到人类活动影响较少，自然条件下植被枯落物能够全部回归土壤，同时根系分泌的有机酸提高了土壤中有效养分的利用效率，使得各土层土壤有机质含量均为最高。

因此，今后应改变耕地、园地重用轻养的经营方式，大力推广保护性耕作技术，实施测土配方施肥、堆肥还田、秸秆还田、种养结合、增施有机肥、覆膜盖草等措施，培肥地力、蓄水保墒，促进土壤养分的积累、分解和转化，提升土壤质量。同时在当地积极开展土地利用适宜性评估，对于不适合开展农业活动、水土流失严重的土壤侵蚀风险区，要适当降低人类活动强度，开展退耕还林、退耕还草等自然恢复措施，促进流域土地资源的可持续利用。

4 结论

（1）不同土地利用方式下表层土壤（0～20 cm）理化性质存在明显差异。耕地和园地的土壤容重、砂粒含量高于林地和草地，但是土壤孔隙度、黏粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤团聚体MWD值和GMD值、pH值以及有机质含量均低于林地和草地；研究区耕地和园地存在土壤容重高、土壤粗化、酸化、养分不足的问题，土壤质量存在退化趋势；

（2）不同土地利用方式下土壤理化性质的垂直变化明显。随着土壤深度的增加，各土地利用方式下土壤含水量（除草地外）、容重、粉粒含量、黏粒含量、pH值（除草地外）均呈增加趋势，而土壤孔隙度、砂粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤团聚体MWD值和GMD值、有机质含量呈减少趋势；各土层园地的土壤含水量、孔隙度、黏粒含量、pH值、有机质含量均为最低，而土壤容重、砂粒含量最高；各土层林地的土壤孔隙度、黏粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤团聚体MWD值和GMD值、有机质含量最高，而土壤容重、砂粒含量最低；

（3）土壤理化性质之间存在较强的内在关系。土壤容重和砂粒含量对多种土壤性质产生负面影响，而土壤孔隙度、黏粒含量、土壤WSA＞0.25 mm含量、土壤团聚体MWD值和GMD值、有机质含量等对多种土壤性质有促进和改善作用。

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Effects of Land Use Types on Soil Physical and Chemical Properties in Mountainous and Hilly Areas in Central and Southern Shandong Province

LI Zi-jun1, LI Ying-zi1, WANG Hai-ju2*

1.2503582.250014

In order to explore the relationship between land use types and soil physical and chemical in mountainous and hilly areas in central and southern Shandong Province, the Benghe River Basin was chosen as the study area. The physical and chemical properties of soils in the surface soil (0-20 cm) and their vertical variation (0-40 cm) under four land use types (cultivated, forest land, grassland and garden land) were analyzed by field sampling, laboratory tests, statistical methods and correlation analysis. The results show that: (1) The surface soil of cultivated land had the highest water content, lower soil porosity and greater bulk density, higher sand and silt content and lower clay content. The water content of the surface soil of grassland was higher, and other physical properties were opposite to those of cultivated land. The surface soil of forest land had lower water content, the highest soil porosity and the lowest bulk density, the lowest sand content and the highest silt and clay content. The water content of surface soil of garden land was the lowest, and the other physical properties were exactly opposite to those of forest land. The surface soil aggregates were dominated by WSA＞0.25 mm, and the WSA＞0.25 mm content, MWD and GMD of forest land were significantly higher than those of cultivated land and garden land. The soil pH and organic matter content of forest land and grassland were significantly higher than those of cultivated land and garden land. (2) For different land uses, soil water content (except grassland) and bulk density gradually increased with increasing soil depth, while soil porosity decreased with increasing soil depth. The mechanical composition of the soil changed slightly with increasing soil depth, generally showed a decrease in sand particles and an increase in silt and clay particles. The WSA＞0.25 mm content, MWD and GMD of the soil showed an overall decreasing trend with increasing soil depth. The soil pH of cultivated land, forest land and garden land increased with increasing of soil depth, while the pH of grassland was the opposite. Soil organic matter content decreased with increasing soil depth. (3) Soil bulk density and sand content negatively affected a number of soil properties, while soil porosity, clay content, WSA＞0.25 mm content, MWD, GMD and organic matter content can promote and improve a number of soil properties. In summary, the physical and chemical properties of the surface soil (0-20 cm) differed significantly among different land uses types, with vertical variation evident in the 0-40 cm soil layer. There were strong intrinsic relationships among various indicators of soil physical and chemical properties. To improve the soil quality of cultivated land and garden land in the study area, more rational approaches to land use and management should be adopted.

Hill land;Land use type; Soil physical and chemical properties

S284/S153

A

1000-2324(2023)02-0254-13

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.014

2022-10-28

2022-11-06

国家自然科学基金项目(41101079);山东省自然科学基金项目(ZR2020MD008);山东水土保持学会重点领域创新资助项目(2019003)

李子君(1974-),女,博士研究生,教授,主要从事水土资源利用方面的研究. Email:lizijun@sdnu.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:navy83@163.com