贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价

贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价陈超1,2,杨丰1,刘洪来1※,姚红艳1,宋高翔1（1．贵州大学动物科学学院，贵阳550025；2．中国农业大学动物科学技术学院，北京100193）摘要：为探明生态脆弱区土地利用方式转换对土壤有效态微量元素的影响，以贵州喀斯特地区草地及其相应开垦的农田为对象，采用成对设计的方法研究了草地开垦对土壤微量元素（铜、锰、铁、钼、硼、锌）的影响，并探索基于土壤微量元素密度的区域土壤微量元素丰缺评价指标。结果表明：研究区土壤有效态微量元素在土壤剖面上呈表面富集现象，其含量随土层深度的增加而降低；草地开垦导致土壤有效态铜、铁、硼和钼的含量出现不同程度的降低，降幅为4.97%～79.17%，而土壤有效锌含量则相反；开垦导致土壤有效锰含量在剖面上的下降速率加快。建立了研究区6种有效微量元素的丰缺评价指标，该指标以土壤微量元素密度为参数，以参数值的不同范围界定微量元素的丰缺程度，消除了微量元素空间异质性对判定结果的影响。根据该评价指标，研究区土壤有效铁、锰处于极高水平，草地开垦导致土壤有效铜、钼、硼的丰度下降，而有效锌的丰度上升；结合微量元素有效性评价指数，整个研究区土壤有效硼处于低水平，不能够满足植物正常生长发育的需要。该研究结果可为生态脆弱区土地的科学管理和土壤微量元素科学评价体系的建立提供参考。关键词：土壤，微量元素，生态系统，喀斯特地区，次生草地，微量元素密度，评价中图分类号：S812.2；S158文献标识码：A文献编号：陈超，杨丰，刘洪来，等．贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价[J].农业工程学报ChenChao,YangFeng,LiuHonglai,etal.EffectsandevaluationofsoiltraceelementsaftergrasslandconvertedintocroplandinGuizhoukarstarea[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),(inChinesewithEnglishabstract)0引言贵州位于我国西南部，地处云贵高原东部的斜坡上，是我国西部高原山地向东部丘陵平原的过渡地带[1]；同时贵州地处东亚喀斯特片区中国分布的核心区，是喀斯特地貌发育最强烈、分布面积最大的典型区域[1-2]。喀斯特地区典型的基本特征是生境的严酷性和生态的脆弱性，严酷性集中表现为岩石裸露率高、土壤浅薄零星、水分和养分供应不足且保存能力差；其脆弱性则是严酷性的后果，表现为环境容量小、土地承载力低、抗干扰能力弱，受干扰后自然恢复速度慢、难度大[3-4]。按中国气候区划和农业气候区划标准，用水平热量带结合垂直热量带进行分带，可将贵州划分成河谷南亚热带、中亚热带、北亚热带和高原暖温带；其相应的地带性植被为河谷季雨林、常绿落叶与落叶阔叶混交林、落叶阔叶林[2]。由于森林遭到破坏，加之人们不断的干扰，部分区域森林立地适宜性条件不复存在，次生草地取而代之；贵州省各类天然草地面积达4.3×106km2，占贵州省土地总面积的24.3%，其中99%以上的天然草地系森林植被遭到破坏后逆向演替而成[5-6]。贵州次生草地是我国南方草地资源的重要组成部分，在维护长江、珠江上游地区生态环境和支撑贵州省草地生态畜牧业发展等方面发挥重要作用[7-8]。由于人口快速增长而导致的人地矛盾激化，引起大量草地被开垦为农田；据统计，贵州省草地开垦速度约为3.34×103hma-1，开垦的草地经过数年利用后经常因土壤质量的下降而被迫弃耕，农牧业用地处于“开垦—退化—弃耕”的恶性循环之中[9-10]。草地开垦不仅导致原有生态系统的结构、过程和功能发生转变[11-12]，引起土地质量的降低，而且由于其稳定性差、阈值低等因素而加剧石漠化的风险[13]。喀斯特石漠化的本质为植被、土壤覆盖的喀斯特地区转变为岩石裸露的喀斯特景观的过程，造成植被破坏、土壤侵蚀、岩石逐渐裸露、土地生产力衰退等后果[14-15]。目前，关于草地开垦的研究主要集中在水土保持、土地肥力、生物多样性和生产力等方面，而关于土壤微量元素方面的研究尚不深入[16]。微量元素是相对大量元素来划分的，其中以相对活动态存在于土壤中、能被植物吸收利用的部分称为有效态微量元素[17]；微量元素与生物分子蛋白、维生素、核酸、多糖等联系密切，调控植物体内各种生理代谢的关键过程及酶的活动，是植物生长发育所不可缺少和替代的[17]。植物必需微量元素的供给水平不仅影响生物正常生长和发育，而且进收稿日期：2012-08-20修订日期：2013-01-11基金项目：国家自然科学基金项目（31101751）、贵州省农业攻关项目（黔科合NY字[2012]3011号、黔科合NY（2010）3049号、黔科合NY字[2010]3045号）、贵州省自然科学基金项目（黔科合J字[2011]2325号、黔科合J字[2012]2162号）作者简介：陈超（1974—），男，贵州惠水人，博士生，副教授，硕士生导师，主要从事草学、畜牧学方面研究。贵阳贵州大学动物科学技术学院，550025。Email:[e-mail]※通信作者：刘洪来（1979—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事草学、生态学方面研究。贵阳贵州大学动物科学技术学院，550025。Email：[e-mail]一步影响到其产品的品质与产量，从而影响人类健康状况；在大量元素供应充足的情况下，微量元素的供应水平将成为植物产量和品质的限制因素[18]。土壤有效态微量元素的供应水平受土壤性质、土壤环境条件和土地管理与利用方式等因素的影响[19]；目前在喀斯特地区土壤微量元素方面的研究主要集中在单一土地利用方式下土壤微量元素的含量、分布与评价等方面[20-21]；而关于土地利用方式转变对土壤微量元素的影响与评价方面的研究则鲜见报道；尤其是在土壤微量元素的评价体系方面亟待加强。本研究以贵州省草地及其开垦的农田为研究对象，分析生态系统转变对土壤有效态微量元素（Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B）的影响并探讨其原因，同时建立基于土壤微量元素密度的区域土壤微量元素评价标准，以期为喀斯特地区农业产业区划、合理施肥和种植等方面提供参考。1材料与方法1.1研究区概况研究区位于贵州省惠水县（N25°42′～26°10′，E106°29′～106°55′，海拔982m～1114m），为云贵高原向广西丘陵过渡的南边坡边缘，处于亚热带季风湿润气候带。年均温15.8℃，≥10℃积温4797℃，年均日照1318h，无霜期282d，最冷月气温5.8℃，最热月气温23.9℃。年均降水量1213mm，主要集中在4～10月；土壤类型为黄壤[5,22]。1.2试验设计本试验采用成对设计的方法研究草地开垦对土壤微量元素的影响。研究样地设置在由草地开垦的农田内（面积均大于3hm2），并以相邻的草地作为对照；3次重复，共计6个样地。耕地开垦年限约为50a，在研究区呈现斑块分布，约占研究区域的40%。农田一般为玉米和油菜或小麦轮作，每年4月上旬播种，耕层深度约为15cm，施用少量有机肥。与农田相邻的草地以芒草（Miscanthussinensis）、早熟禾（PoaannuaLinn）、酢浆草(Oxaliscorniculata)为建群种，伴生植物种有狗尾草（SetariaviridisLinn）、杂三叶（TrifoliumhybridumL）等，植被盖度约为85%，黑山羊每年的3～10月在草地上自由放牧，放牧强度约为每hm27个羊单位，放牧强度中等，草地未出现明显退化。1.3取样方法与样品处理取样在2011年8月进行。在农田草地界面影响宽度范围以外，采用土钻法在每个样地取0～10cm（表层），10～30cm（第二层），30～50cm（第三层）的土壤，每个取样点各层多点采样后混合为1个土样，共计18个土样；土样自然风干、挑出植物根茎和石砾后过2mm筛用于室内化学分析；采用环刀法测定土壤容重。土壤样品采用常规分析方法分析[23-24]。土壤有效态铜、锰、铁、锌：DTPA浸提，原子吸收分光光度法；土壤有效钼：草酸—草酸铵浸提，原子吸收分光光度法；土壤有效硼：沸水浸提—甲亚胺比色法；有机质：重铬酸钾—浓硫酸油浴法。1.4数据分析与处理土壤微量元素密度（SoilTraceElementDensity）采用如下计算公式[25]：STED=1/10∑Di×BDi×STECi×(1-Vi)式中：STED——土壤微量元素密度，gm-2；Di——第i层土壤厚度，cm；BDi——第i层土壤体积质量，gcm-3；STECi——第i层土壤微量元素含量，gkg-1；Vi——2mm土壤颗粒质量分数，%。土壤微量元素有效性评价采用单项指数（Ei）和综合指数（Ec）相结合的方法[26]，计算公式如下：，式中：Ci——实际测定的第i种土壤有效态微量元素密度，gm-2；Si——第i种土壤有效态微量元素密度的临界值，gm-2。利用单因素方差分析（one-wayANOVA）对不同土壤剖面和不同利用方式下土壤有效态微量元素状况进行差异显著性检验，并利用最小显著性极差法（LSR）进行多重比较，土壤有机碳密度与土壤微量元素密度的相关性利用Pearson相关系数和Two-tailed双尾检验完成；ANOVA、LSR及Pearson相关性分析均在SPSS16.0软件中进行，基础数据采用MicrosoftExcel2007软件进行数据整理，采用SigmaPlot10.0软件绘图；图中不同字母代表5%水平下差异显著。2结果2.1有效态微量元素在土壤剖面上的分布特征研究区草地、农田区域土壤有效态微量元素含量在剖面上的分布特征见图1、图2。由图1可知，草地土壤有效态硼、钼、铁随着土层深度的增加其含量降低且各土层之间变化差异显著，降幅在4.97～40.74%；有效态铜在土壤表层与第二层之间含量变化不显著；第三层土壤有效铜含量分别为上两层含量的64.9%和71%，下降幅度差异显著。土壤表层有效态锌、锰的含量分别为下两层的1.55～1.76倍和1.23～1.29倍，且差异显著。由图2可知，农田土壤有效态铜、锌、铁、锰随着土层深度的增加其含量降低且各土层之间变化差异显著；土壤表层有效态硼、钼的含量分别是下层含量的1.53～2.0倍和1.45～2.75倍，且差异显著。2.2草地开垦对土壤有效态微量元素含量的影响草地开垦对土壤有效态微量元素的影响见表1。由表1可知，草地各层土壤中有效态铜含量均显著地高于农田区域；开垦导致土壤有效态铁、硼、钼含量呈现不同程度的降低，降幅在6.78%～57.89%。草地开垦导致农田各层土壤中有效锌的含量均高于草地区域，增幅为11.76%～46.06%；有效锰则呈现“先增加后下降”的趋势。根据“全国农业系统的土壤速效微量元素丰缺指标”和“中国科学院微量元素组的土壤有效态微量原素评价指标”[27-28]，研究区各层土壤有效态铜、锌、铁、锰、钼的含量均高于临界值，而有效态硼含量除草地表层土壤外均处于较低水平，基本不能够满足植物生长发育的需要。表1研究区草地、农田土壤有效态微量元素含量对比及含量丰缺比较（单位：mgkg-1）Table1Comparisonofsoilavailabletraceelementscontents&abundancebetweengrasslandandcroplandinstudyarea(Mean±SE)测定项目/Item0～10cm＞10～30cm＞30～50cm微量元素丰缺临界值/Threshold草地/Grassland农田/Cropland草地/Grassland农田/Cropland草地/Grassland农田/Cropland有效铜/Av.Cu1.85±0.20a1.17±0.15b1.69±0.09a0.53±0.03b1.20±0.07a0.25±0.04b0.2有效