Effects of Different Land Use Patterns on Soil Physicochemical Properties in the Loess Plateau Area
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摘要:
目的 为探讨不同土地利用方式对黄土塬区土壤理化性质的影响。 方法 以裸地为对照(CK), 设置常规施肥农田(H)、不施肥农田(L)、苜蓿草地(A)4个不同的利用方式于2005年开始在陕西长武开展长期定位试验, 并于2021年7月对4个样地0—200 cm土壤的理化性质进行分析测定。 结果 经过17年长期定位试验后, 农田和草地对土壤理化性质的影响差异明显。(1)在土壤表层0—40 cm, 苜蓿草地黏粒和粉粒颗粒体积分数较其他3个样地略有提高, 沙粒体积分数略有降低趋势, 而裸地处理黏粒和细粉粒比例有降低趋势。(2)与裸地相比, 苜蓿草地0—20 cm土层土壤pH显著增加0.8%, 施肥农田显著降低1.7%;除80—100 cm土层外, 施肥农田土壤pH在0—200 cm剖面内整体显著低于其他3个处理。与裸地相比, 在0—20 cm土层, 苜蓿草地和施肥农田的有机碳储量、有机质和氮素显著增加, 且苜蓿草地高于施肥农田; 苜蓿草地与不施肥农田的有效磷和速效钾显著降低, 施肥农田的速效钾也显著降低; 不施肥农田碱解氮和硝铵态氮显著降低。(3)在不同土地利用方式下, 土壤有机质、有机碳及全氮随着土层深度的加深表现出先降低, 至60 cm后升高, 到100 cm再次降低的趋势; 草地的土壤有效磷在60 cm土层以下逐渐增加; 其余养分指标在0—200 cm空间垂直分布整体呈下降趋势。(4)0—100 cm土壤有机质、全氮、碱解氮、硝铵态氮呈显著正相关, 有效磷与有机质、全氮、碱解氮、pH呈显著负相关; 100—200 cm有机质与速效钾呈显著正相关, 有效磷与pH呈显著负相关。 结论 黄土塬区合理的农田管理和连续种植苜蓿均可使有机质、全氮和速效氮等养分指标维持在较高水平, 在一定程度上保障土壤质量。为促进该区域土壤的可持续性, 建议农田中适当增加钾肥和有机肥的投入, 而草地则需要补充适量的磷钾肥。 Abstract:Objective In order to explore the effects of different land use patterns on soil physicochemical properties in the Loess Plateau area. Methods This study used bare land as a control (CK), and set four different use patterns as conventional fertilization farmland (H), unfertilization farmland (L), and alfalfa grassland (A) in Changwu, Shaanxi Province since 2005. The physical and chemical properties of 0—200 cm soil in the four plots were determined in July 2021. Results After 17 years, there were significant differences between farmland and grassland on soil physicochemical properties. (1) In 0—40 cm soil surface, the volume fraction of clay and powder in alfalfa field slightly increased compared with the other three plots, the volume fraction of sand slightly decreased, while the proportion of clay and fine powder in bare field decreased. (2) In the 0—20 cm of the soil, compared to bare land, soil pH significantly increased by 0.8% in alfalfa grassland, and significantly decreased by 1.7% in fertilized farmland. Except for 80—100 cm, soil pH in 0—200 cm section of fertilized farmland was significantly lower than that in the other three plots. Compared with bare land, in the 0—20 cm of the soil, the organic carbon storage, organic matter and nitrogen content of alfalfa grassland and fertilized farmland increased significantly and the contents of them from alfalfa grassland was higher than those of fertilized farmland. The content of available phosphorus and available potassium of alfalfa grassland and unfertilized farmland decreased significantly. The content of available potassium of fertilized farmland also decreased significantly. The content of alkaline dissolved nitrogen and nitrate-ammonium nitrogen of unfertilized farmland decreased significantly. (3) Under different land use patterns, soil organic matter, organic carbon and total nitrogen showed a decreasing trend from 0 to 60 cm, then an increasing trend showed until it reached 100 cm depth and after where a decreasing trend showed again with the deepening of the soil layer. The available phosphorus content of the soil in grassland gradually increased after 60 cm. The vertical distribution of other nutrient indexes in 0—200 cm space showed a downward trend. (4) There was a significant positive correlation between soil organic matter, total nitrogen, alkaline dissolved nitrogen and nitrate-ammonium nitrogen at 0—100 cm, and a significant negative correlation between available phosphorus and organic matter, total nitrogen, alkaline dissolved nitrogen and pH. There was a significant positive correlation between soil organic matter and available potassium at 100—200 cm, and a significant negative correlation between available phosphorus and pH. Conclusion Reasonable farmland management and continuous planting of alfalfa in the Loess Plateau area can keep the nutrient indexes of organic matter, total nitrogen and available nitrogen at a high level, which can guarantee soil quality to a certain extent. In order to promote the sustainability of soil in this region, it is recommended to increase the input of potassium fertilizer and organic fertilizer in farmland, while the grassland needs to supplement the appropriate amount of phosphate and potassium fertilizer. -
土壤是生态系统中诸多生态过程(如营养物质循环、水分平衡和凋落物分解等)的载体，其质量的好坏对于农业可持续性及生态系统的稳定性具有重要意义[1]。影响土壤质量的因素较多，其中，土地利用方式是影响土壤质量的重要因素之一。土地的合理利用可以通过影响土壤团聚体粒径的分布和稳定性改善土壤的结构，调节土壤肥力状况以适合植物的生长发育[2]；不合理的土地利用导致土壤质量下降等问题，进而造成土壤退化。例如，杨满元等[3]在衡阳紫色土丘陵坡地的研究发现，与耕地+撂荒地相比较，灌草地可以提高土壤含水量、土壤有机碳、全氮、碱解氮、微生物量碳和微生物量氮等，改善土壤性质；马志敏等[4]研究发现，在黑河中游荒漠绿洲区长期的耕作活动，以及耕地的扩张会导致地力的退化。土壤理化性质是综合反映土壤质量的重要指标，土壤养分的高低直接制约着土壤的生产能力[5]。深入了解土壤质量及其理化性质与土地利用方式之间的关系变化，有助于合理利用土地资源，评估更有利于农业生态可持续发展的因地制宜的方式。
黄土高原地区由于地形起伏比较大、降雨集中和植被覆盖率低等问题，导致该地区水土流失严重，以干旱、风沙为主的自然灾害频繁，生态环境十分脆弱，该区的农业生态可持续发展受到严重的威胁[6]。自1999年退耕还林还草工程实施之后，黄土塬区林草植被覆盖率从1999年的31.6%提高到2020年的67.0%[7]，有效遏制该地区的水土流失。有研究[8]表明，林地和草地由于植被种类丰富、根系多，大量的根系及其凋落物腐解为土壤提供充足的养分，尤其是微生物量的增加和活性的增强，加速土壤物质代谢和养分的积累，增强土壤团聚体稳定性，增加土壤有机碳储量[9]，最终改善土壤理化性质和提高土壤肥力[10]。虽然退耕还林还草工程区域生态环境得到有效改善，但是黄土塬区依旧是中国重要的农业生产区。在农业生产中，不同的管理及栽培耕作措施等可以改善土壤的理化性质[11]，进而提高作物生产。施肥是提高作物生产力的一个重要措施，在保障国家粮食安全中发挥着重要作用，但施肥在为土壤带来养分的同时，也带来潜在的资源和环境等问题。例如，施用氮肥增加土壤有机碳氮组分[12]，但是降低土壤的pH[13]，在长期单施化肥的情况下，土壤质量降低[14]。
针对黄土塬区不同土地利用方式及其植被类型等对土壤环境的效应，虽有不少的研究，但是关于不同方式下对黄土塬区土壤生态的长期效应还不明确。因此，本研究在典型的黄土塬区陕西省长武县开展长期定位试验，通过对该区内裸地、苜蓿草地、长期施肥农田、不施肥农田4种方式下0—200 cm土壤样品理化性质的分析，量化不同土地利用方式下土壤理化性质相关指标的分布特征，为区域土壤养分及其质量的提高、土地资源合理的利用及该地区的农业生态可持续发展提供科学参考和数据支持。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于中国科学院长武农业生态试验站(35°14′N，107°41′E)，属黄土塬区，海拔1 247 m，属于典型的暖温带半大陆性季风气候区，光照充足，昼夜温差大，光热资源丰富，年平均气温9.1 ℃，总辐射483.7 kJ/cm2，全年积温3 029 ℃，多年平均无霜期171天，多年平均降水量584 mm，降水分布不均匀，主要集中在7—9月。塬区土层深厚，主要土壤类型为黑垆土。
1.2 试验设计
该试验于2005年开始，在土壤肥力均匀的农田上划分出4个相邻样地，设置4个处理，以常年裸地(CK)为对照，设置多年生苜蓿草地(A)、常规施肥农田(H)、不施肥农田(L)4种利用方式；试验样地面积100 m2(10 m×10 m)，每个样地相邻之间用水泥池阻隔，以阻断土壤水分和养分的交换。4块样地均为平地，气候条件一致。农田主要种植方式为小麦连作或小麦-玉米-小麦轮作，本试验采样年度农田种植方式为小麦连作。各样地管理措施见表 1。
表 1 不同土地利用方式管理措施Table 1 Different land use patterns management measures土地利用
方式土壤体积
质量管理措施 CK 1.29 定期清理杂草，无植物生长 H 1.24 氮肥(N，尿素)、磷肥(P2O5，过磷酸钙)分别基施120，60 kg/hm2，无钾肥投入 L 1.25 不施肥，其他管理措施同施肥农田 A 1.34 不施肥，每年刈割3次 1.3 测定项目与方法
于2021年7月农田夏季休闲期使用土钻采集0—200 cm土层深度的土壤，20 cm为1个土层，共10个土层，同一个样地样品采集设置3个重复。将采取到的土壤样品装入密封袋并分类标记，带回实验室自然风干，并去除植物根系，过1，0.15 mm筛，再测试土壤养分含量、土壤pH和土壤粒径。
土壤养分测定指标为有机质、全氮、硝铵态氮、碱解氮、有效磷和速效钾。重铬酸钾容量法测定土壤有机质，凯氏定氮法测定土壤全氮，浸提—振荡—过滤—流动分析仪测定硝铵态氮，采用碱解扩散法测定碱解氮，钼锑抗比色法测定土壤有效磷，碳酸氢铵浸提—火焰光度法测定土壤速效钾[15]，采用电位法测定土壤pH(土水比1∶5)。土壤颗粒比表面积和土壤粒径按照0—20，20—40，40—60，60—100，100—200 cm采用马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3000)测定。
以1.724为系数对有机质进行换算得到土壤有机碳，计算公式为：
SOC=SOM/1.724
式中：SOC为土壤有机碳(g/kg)；SOM为土壤有机质(g/kg)。土壤有机碳储量采用公式SOCS=SOC×BD×H×10-2。式中：SOCS为有机碳储量(kg/m2)；BD为土壤体积质量(g/cm3)；H为土层深度(cm)。
1.4 数据处理
本研究相关数据采用Microsoft Excel 2019与IBM SPSS Statistics 25进行统计分析，采用单因素ANOVA方差分析和Duncan法进行多重比较及其显著性检验(α=0.05)，采用Pearson法对土壤理化性质指标间进行相关分析。使用OriginPro 2023软件制图。
2. 结果与分析
2.1 不同土地利用方式下土壤颗粒组成变化
土壤颗粒组成指土壤中大小不同的各级土粒的比率，是影响土壤松紧度、通透性能和肥力高低的基本因素，是反映土壤发育程度的标志之一。土壤颗粒组成主要受母质的影响，而不同植物根系的物理作用也会使土壤颗粒大小及其孔隙状况产生一定的差异。从表 2可以看出，在0—200 cm剖面上，土壤颗粒主要以细粉粒(25.29%~35.42%)和粗粉粒(29.41%~33.95%)为主，中砂粒和粗砂粒的体积分数极小，说明该地区土壤质地为粉壤土。在土壤表层0—40 cm，A处理黏粒和粉粒颗粒体积分数较其他3个样地略有提高，而沙粒体积分数略有降低趋势；CK处理黏粒和细粉粒所占比例较低，沙粒所占比例较高。在整个0—200 cm剖面内，H、A黏粒和细粉粒体积分数表现出随土层深度的加深先逐渐增加，到60 cm后其体积分数逐渐减小；H、L粗粉粒体积分数在60 cm下降，到100 cm之后又表现出上升的趋势；中砂体积分数在4个地块间都随着土层深度的加深而逐渐下降，到60-100 cm土层略有升高。
表 2 黄土塬区不同土地利用方式下0—200 cm土壤颗粒组成Table 2 Soil particle composition of 0—200 cm under different land use patterns in the Loess Plateau area处理 土层深度/cm 黏粒/% 细粉粒/% 粗粉粒/% 极细砂/% 细砂/% 中砂/% 粗砂/% CK 0—20 14.26 27.03 30.02 13.70 10.02 4.56 0.41 20—40 14.65 26.59 31.70 15.25 9.15 2.52 0.15 40—60 14.48 26.40 32.12 15.67 10.00 1.33 0 60—100 16.45 27.99 31.32 13.96 8.76 1.51 0.02 100—200 14.39 25.29 30.29 15.50 11.71 2.73 0.08 平均 14.85 26.66 31.09 14.82 9.93 2.53 0.13 H 0—20 15.35 27.71 30.06 12.45 9.07 4.95 0.40 20—40 17.01 29.52 31.57 13.07 7.44 1.39 0 40—60 18.11 31.89 33.69 11.93 3.54 0.80 0.04 60—100 15.94 28.02 31.56 13.58 8.14 2.60 0.16 100—200 13.74 26.49 33.43 15.67 8.66 1.93 0.07 平均 16.03 28.73 32.06 13.34 7.37 2.34 0.14 L 0—20 15.43 28.41 33.25 14.21 7.39 1.31 0 20—40 18.99 32.28 31.11 11.72 5.01 0.89 0.01 40—60 18.41 30.62 32.84 12.08 5.25 0.80 0 60—100 18.25 29.63 31.13 12.75 7.15 1.08 0 100—200 16.66 29.08 32.26 13.56 7.23 1.19 0.01 平均 17.55 30.00 32.12 12.86 6.41 1.05 0 A 0—20 18.13 32.36 30.62 10.47 5.24 2.88 0.29 20—40 20.57 34.79 29.41 9.64 4.36 1.22 0.01 40—60 21.02 35.42 30.31 9.86 3.08 0.31 0 60—100 16.41 29.34 32.47 13.09 6.30 2.25 0.13 100—200 15.81 29.97 33.95 13.03 5.21 1.91 0.12 平均 18.39 32.38 31.35 11.22 4.84 1.71 0.11 注：根据美国土壤质地分类系统[16]，将土壤粒径分为7个级别，分别为黏粒(＜0.002 mm)、细粉粒(0.002~0.02 mm)、粗粉粒(0.02~0.05 mm)、极细砂(0.05~0.10 mm)、细砂(0.10~0.25 mm)、中砂(0.25~0.5 mm)和粗砂(0.5~2 mm)。 2.2 不同土地利用方式土壤化学性质及分布特征
2.2.1 土壤有机质及有机碳储量
由图 1可知，CK、H、L、A 4个样地0—200 cm土壤有机质分别为5.99~ 11.50，5.16~13.76，6.28~11.89，5.49~18.64 g/kg，土壤有机碳储量分别为13.63，13.20，13.09，14.91 kg/m2。0—20 cm A、H、L、CK土壤有机质分别为18.64，13.76，11.89，11.50 g/kg，土壤有机碳储量分别为2.90，1.98，1.72，1.72 kg/m2，与CK相比，A、H有机质显著增加62.1%，19.7%，A、H有机碳储量显著增加68.6%，15.1%，无论有机质还是有机碳储量，CK与L之间无显著差异。在0—60 cm剖面，土壤有机质及其有机碳储量降低幅度较大，苜蓿草地最为明显；在60 cm土层深度之后均表现出略有升高而后逐渐下降。
图 1 黄土塬区不同土地利用方式下土壤有机质及其有机碳储量变化Fig. 1 Changes of soil organic matter content and organic carbon storage under different land use patterns in the Loess Plateau area
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2.2.2 土壤pH
黄土塬区不同土地利用方式下土壤0—200 cm pH变化见图 2b和图 3b。CK、H、L、A土壤pH分别为8.53~8.69，8.39~8.61，8.57~8.71，8.61~8.70。与CK相比，A土壤0—20 cm土层pH显著增加0.8%，H显著降低1.7%，CK与L之间差异不显著；CK与L土壤pH随着土层的加深表现出先升高后降低而又升高的趋势，且在100 cm处pH达到最低；除80—100 cm外，H地块土壤pH在0—200 cm剖面内整体显著低于其他3个地块。
图 2 黄土塬区不同土地利用方式下0—60 cm土层土壤化学性质注：图柱上方不同字母表示不同处理间差异显著(p < 0.05)。Fig. 2 The content of soil chemical properties in 0—60 cm under different land use patterns in the Loess Plateau area下载:
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图 3 黄土塬区不同土地利用方式下0—200 cm土层土壤化学性质剖面变化Fig. 3 The profile changes of soil chemical properties in 0—200 cm under different land use patterns in the Loess Plateau area下载:
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从该结果看，施用化肥使得土壤酸化而造成土壤pH有一定的降低，而种植苜蓿对提升土壤pH有一定的功效。
2.2.3 土壤全氮
土壤全氮是评价土壤质量水平的一个重要指标。CK、H、L、A土壤全氮分别为0.29~0.64，0.29~0.76，0.31~0.67，0.30~1.11 g/kg。在0—20 cm，CK、H、L、A全氮分别为0.64，0.76，0.67，1.11 g/kg(图 2a)，与CK相比，A、H、L分别增加73.4%，18.8%，4.7%，但L增加效果不明显；20—40 cm A地块的全氮分别显著增加22.1%(CK)，8.8%(H)，8.8%(L)，40—60 cm分别显著增加15.6%(CK)，11.5%(H)，5.8%(L)。0—200 cm剖面内，土壤全氮表现出先降低后升高其次再逐渐降低的趋势(图 3a)，与有机质变化相似。
2.2.4 土壤速效养分
CK、H、L、A土壤碱解氮分别为6.77~20.53，4.96~25.05，6.99~ 18.61，5.87~36.10 mg/kg。在0—20 cm，CK、H、L、A碱解氮分别为20.53，25.05，18.61，36.10 mg/kg(图 2d)，与CK相比，A、H分别显著增加75.8%，22.0%，L显著降低9.4%；在20—40 cm CK、H、L、A碱解氮分别为15.23，18.73，18.28，19.86 mg/kg，与CK相比，A、H、L分别显著增加30.4%，23.0%，20.0%；40—60 cm 4个地块碱解氮没有显著差异。在整个0—200 cm剖面内，CK、L、A空间分布同样与有机质相似(图 3d)。
CK、H、L、A土壤有效磷分别为2.18~13.06，3.01~13.51，2.06~7.57，0.94~3.71 mg/kg。在0—20 cm，CK、H、L、A有效磷分别为13.06，13.51，7.57，3.71 mg/kg(图 2e)，与CK相比，H增加3.5% 但增加效果不明显，L、A分别显著降低42.0%，71.6%；在20—40 cm、CK、H、L、A土壤有效磷分别为9.88，10.98，4.13，1.93 mg/kg，与CK相比，L、A分别显著降低58.2%，80.5%，CK与H差异不显著。40—60 cm土层，A有效磷较CK显著降低73.8%。0—60 cm随着土层深度的增加有效磷急剧下降，尤以H和CK最为明显；在60 cm之后A有效磷逐渐增加(图 3e)。
CK、H、L、A土壤速效钾分别为70.00~119.33，58.67~100.67，66.00~101.33，57.67~108.33 mg/kg。0—20 cm，与CK相比，A、H、L分别显著降低9.2%，15.6%，17.0%，H与L无显著差异(图 2f)；在20—40 cm，CK、H、L、A速效钾分别为102.67，97.17，101.33，98.33 mg/kg，四者差异不显著；在40—60 cm，CK、H、L、A速效钾分别为99.33，92.67，99.33，89.67 mg/kg，与CK相比，H、A速效钾显著降低6.7%，9.7%。40—180 cm，CK、L速效钾变化趋势相同，60—80 cm略有增加，而后逐渐下降；H速效钾在60 cm之后逐渐下降(图 3f)。
2.2.5 土壤硝铵态氮
不同土地利用方式下土壤0—200 cm土层硝铵态氮变化见图 2c和图 3c。CK、H、L、A土壤硝铵态氮分别为2.16~7.96，2.06~9.56，2.69~5.01，2.68~17.19 mg/kg。与CK相比，0—20 cm土层A、H显著增加116.0%，20.1%，L显著降低37.1%；20—40 cm土层CK、H、L、A硝铵态氮分别为4.11，5.88，4.19，10.64 mg/kg，与CK相比，A、H显著增加158.9%，43.1%，CK与L之间没有显著差异，结合土壤有机质及其全氮和碱解氮变化，表明牧草种植和施肥均能提高土壤氮。在0—40 cm土层，CK、A、H地块硝铵态氮急剧下降，A与H可延伸至60 cm；在60 cm及其以下，变化幅度较小，且4种方式的质量分数在对应土层内相近。
2.3 土壤养分之间的关系
2.3.1 土壤养分之间的相关性
从图 4a可以看出，0—100 cm土层土壤SOM、TN、AN、TIN呈极显著正相关；AP与SOM、TN、AN、pH呈显著负相关，与AK、TIN间关系不显著；AK与其余6个指标间关系均不显著。土壤pH与SOM、TN、AN、TIN之间呈不显著正相关。
图 4 黄土塬区不同土地利用方式下土壤化学指标的相关关系注：图中*表示p＜0.05；**表示p＜0.01；***表示p＜0.001。各指标间相关性计算时样本量均为12；SOM为有机质；TN为全氮；AN为碱解氮；AP为有效磷；AK为速效钾；TIN为硝铵态氮。下同。Fig. 4 The correlation of soil chemical indexes under different land use patterns in the Loess Plateau area下载:
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由图 4b可知，100—200 cm土层大部分养分指标之间呈正相关，且AK与SOM呈极显著正相关；pH、TIN与AN、AP呈负相关且AP与pH之间的相关性显著；除此之外，AP与TN表现出负相关。
2.3.2 不同土地利用方式下养分的主成分分析
从图 5可以看出，0—100 cm 2个主成分累计方差贡献达到90.5%，达到分析要求；主成分1代表SOM、TN、AN、TIN，这些参数构成数据集中所呈现的大部分变异，其参数的相关系数绝对值都达到0.4以上，具有较大的载荷。主成分2代表pH、AK，且相关系数绝对值达到0.6，其贡献率为21.5%，该结果表明在0—100 cm土层土壤有机质和氮素组分受到地上部分植被变化的影响较大，而pH和速效钾收到的变化影响较小；100—200 cm土层2个主成分累计方差贡献率达到67.9%，分析效果良好；主成分1主要参数为TN、pH和TIN。
图 5 黄土塬区0—100, 100—200 cm土层土壤化学性质指标的主成分分析Fig. 5 Principal component analysis of soil chemical properties at 0—100 cm and 100—200 cm in the Loess Plateau area下载:
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3. 讨论
3.1 土地利用对土壤颗粒组成的影响
土壤质地受母质、时间、气候、植被和地形等成土因素的共同影响。对于本研究而言，各样方于2005年在背景值相同的土地上建立，除植被因素外，其他4个因素均完全一致。分析结果表明，不同土地利用方式之间土壤质地不具有显著性差异。通过数据分析发现，苜蓿草地黏粒和粉粒颗粒体积分数较其他3个样地略有提高，而沙粒体积分数略有降低趋势；裸地的黏粒和细粉粒所占比例较低，沙粒比例较大。程立平等[17]在该样地上的前期研究结果表明，黄土塬区降水可对潜水进行补给，且主要以大孔隙优先流的形式发生，休闲地的补给量高于其他处理。大孔隙优先流在补给潜水的过程中，粒径较小的粉粒和黏粒则可能随着水流向下迁移[18]，因而导致本研究中裸地粉粒和黏粒的比例呈降低趋势。而对于苜蓿草地而言，大量的水分被根系截获，对于潜水的补给很少，因而粉粒和黏粒所占比例较高。
3.2 土地利用对土壤固碳的影响
土壤有机质在土壤中所占比例小，但是对土壤质量贡献大[19]。农田土壤作为陆地最大的有机碳库，对全球碳平衡的维持具有至关重要的意义。本研究中，土壤表层0—20 cm施肥农田有机质和有机碳储量显著高于不施肥农田和裸地。一方面，外源化肥的输入向土壤中提供充足的养分，促进作物地上部和地下部的生长发育，根系等残体在土壤中腐解有助于提高土壤有机质[20]；另一方面，有研究[21]发现，施用氮肥使得土壤中苯酚氧化酶的活性降低，从而增加土壤碳积累量。
苜蓿草地的有机质和有机碳储量显著高于农田。一方面，在草地覆盖下，土壤凋落物含量高，相对于小麦和玉米来说，豆科牧草苜蓿可与固氮菌结合进行固氮作用，且苜蓿根系发达，老根不断死亡分解形成有机物，从而使得苜蓿草地有机质与有机碳储量高；另一方面，农田由于耕作等农业生产活动频繁，加快土壤有机质的矿化作用。无论是苜蓿草地还是农田，在0—60 cm有机质随着土层深度的增加而降低，60—100 cm随着土层深度的增加而升高，而后在100 cm土层之后，有机质逐渐下降且远低于表层，有机质的“S”形趋势与彭令发等[22]的研究结果相似，这种垂直空间分布规律与土壤结构和有机物的输入与输出有关[23]。0—60 cm土层，植物、动物微生物残体和根系分泌物逐渐减少，有机质逐渐降低，而在60—80 cm土层中，虽然有根系的补充，但因其远离地表，有机质矿化少，因此有所提高，在100 cm之后虽然有机质矿化较少，但其根系也相应减少[24]，有机质输入减少。相关分析(图 4)也表明，黄土塬区土壤有机质与土壤全氮、碱解氮和无机氮等指标呈正相关关系。蔡雪梅等[25]在对苜蓿和农田土壤固碳效应研究时发现，土壤全氮是影响固碳基因cbbL丰度的关键因子之一。因此，本研究中驱动苜蓿草地及施肥农田的固碳的原因在于氮素输入的增加促进有机物料输入，同时氮素输入进一步促进微生物固碳相关基因的表达，从而有效增加土壤碳的固存。
3.3 土地利用对其他化学性质的影响
长期施肥导致的土壤酸化现象不容忽视[26]。尽管黄土塬区土壤呈弱碱性，但数据显示施肥农田的pH低于其他处理，这一现象可能对土壤微生物活性和养分有效性产生负面影响。苜蓿草地土壤pH较施肥农田有明显提高，并且在20 cm处pH达到最大值，可能由于苜蓿的固氮作用将氮素转化为氨，进而形成铵根离子，从而增大其pH[27]; 另一方面，有研究[28]认为，在连续多年种植苜蓿后，苜蓿草地的CO32-、HCO3-、Mg2+、Na+等离子比农田高，使得土壤pH高于农田，这可能是本研究中苜蓿地土壤pH升高的另一个原因。
氮是土壤中最活跃的大量营养元素之一，从研究结果来看，由于施肥的影响，氮肥提高与N矿化相关的NAG(糖苷酶)的活性[29]，土壤氮在施肥农田中较高。对于裸地和不施肥农田来说，裸地全年无植被保护，导致氮素矿化后被淋溶，而不施肥农田由于作物不断耗水，向深层渗漏的水分减少[17]，进而导致速效氮素随水分向深层淋溶减少，同时存留在根系中的氮素随根系腐解后再次回到土壤中，二者综合效益导致其表层土壤全氮高于裸地。苜蓿作为豆科作物，其根系本身的结瘤固氮作用使土壤中氮素显著高于农田，在一定程度上可以提高土壤肥力。
有效磷在空间上的分布表现为0—60 cm土层下降，在60 cm之后，苜蓿草地有效磷逐渐升高，这可能是因为大部分根系分布在60 cm以上耕层中[30]，农田由于施用磷肥的原因，其质量分数显著高于苜蓿草地；另外，紫花苜蓿生长期需大量磷素导致土壤中磷素向根际转运[31]，所以苜蓿草地中有效磷较低。本研究发现，在表层0—20 cm施肥农田和不施肥农田速效钾之间没有显著差异，但明显低于裸地，这是因为本研究中无论是施肥农田还是不施肥农田，均无钾肥的输入，且农作物的生长不断消耗土壤中的速效钾，因此其速效钾低于裸地。对于苜蓿地而言，土壤表层微生物丰度与群落多样性较高[32]，微生物代谢能力较强，微生物在分解凋落物的同时，形成一系列酚酸类络合、螯合物并释放大量CO2形成碳酸，这些酸类物质又可经过不断分解风化，促进土壤中无效态钾向有效性方向转化，从而增加表层速效钾[33]。在40 cm之后，苜蓿根系对有效养分的吸收同化作用较小麦或玉米强，从而其速效钾低于农田。
综上，合理的施肥在提高黄土塬区土壤质量和保障农业可持续方面具有重要作用。针对当前农田施肥现状，适当增加钾肥的施用有助于维持农田的养分平衡；而有机肥与无机肥的配合施用则是平衡土壤酸化问题的重要选择[34]。但是对于小麦种植或玉米种植当季对该区土壤理化性质的影响有待进一步的研究。此外，关于地上部分生物量和植物对养分的吸收利用与地下部分的关系等，由于本研究未测定，这为进一步分析确定黄土塬区合理的土地利用带来一定的局限性。
4. 结论
(1) 草地管理相较于传统农田耕作，具有提升土壤表层的小颗粒物质相对含量的趋势，对于增强土壤的保水能力和结构稳定性具有一定的意义。然而，相关问题还需在延长试验年限情况下进行动态监测。
(2) 草地土壤在有机质和有机碳储量方面显著优于农田土壤，主要得益于草地植被较高的生物量和生物固氮作用。然而，草地土壤中有效磷和速效钾相对较低，表明未来需考虑适量补充这些养分以维持土壤肥力。
(3) 长期施肥农田在土壤全氮上有所提升，但土壤pH的显著降低可能对土壤健康和作物生长产生不利影响。因此，建议调整施肥策略，减少化学肥料的使用，增加有机肥料的投入，以平衡土壤养分并减少土壤酸化的风险。
(4) 土壤养分的垂直分布特征表明，土壤有机质、有机碳和全氮随土层深度的增加呈特定的变化模式。特别在60 cm土层深度之后，草地土壤中有效磷的增加可能与根系分布和微生物活性有关，这一发现为土壤管理和养分循环提供重要的实践指导。
综上所述，为了黄土塬区的土壤健康和农业可持续性，建议采取综合管理措施，包括合理轮作、有机无机肥料配合使用，以及关注土壤深层养分管理和土壤生物多样性的保护。通过这些措施，可以优化土地利用方式，提升土壤质量，促进该地区农业生态系统的长期稳定发展。
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图 1 黄土塬区不同土地利用方式下土壤有机质及其有机碳储量变化
Fig. 1 Changes of soil organic matter content and organic carbon storage under different land use patterns in the Loess Plateau area
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图 2 黄土塬区不同土地利用方式下0—60 cm土层土壤化学性质
注：图柱上方不同字母表示不同处理间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 2 The content of soil chemical properties in 0—60 cm under different land use patterns in the Loess Plateau area
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图 3 黄土塬区不同土地利用方式下0—200 cm土层土壤化学性质剖面变化
Fig. 3 The profile changes of soil chemical properties in 0—200 cm under different land use patterns in the Loess Plateau area
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图 4 黄土塬区不同土地利用方式下土壤化学指标的相关关系
注：图中*表示p＜0.05；**表示p＜0.01；***表示p＜0.001。各指标间相关性计算时样本量均为12；SOM为有机质；TN为全氮；AN为碱解氮；AP为有效磷；AK为速效钾；TIN为硝铵态氮。下同。
Fig. 4 The correlation of soil chemical indexes under different land use patterns in the Loess Plateau area
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图 5 黄土塬区0—100, 100—200 cm土层土壤化学性质指标的主成分分析
Fig. 5 Principal component analysis of soil chemical properties at 0—100 cm and 100—200 cm in the Loess Plateau area
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表 1 不同土地利用方式管理措施
Table 1 Different land use patterns management measures
土地利用
方式土壤体积
质量管理措施 CK 1.29 定期清理杂草，无植物生长 H 1.24 氮肥(N，尿素)、磷肥(P2O5，过磷酸钙)分别基施120，60 kg/hm2，无钾肥投入 L 1.25 不施肥，其他管理措施同施肥农田 A 1.34 不施肥，每年刈割3次 表 2 黄土塬区不同土地利用方式下0—200 cm土壤颗粒组成
Table 2 Soil particle composition of 0—200 cm under different land use patterns in the Loess Plateau area
处理 土层深度/cm 黏粒/% 细粉粒/% 粗粉粒/% 极细砂/% 细砂/% 中砂/% 粗砂/% CK 0—20 14.26 27.03 30.02 13.70 10.02 4.56 0.41 20—40 14.65 26.59 31.70 15.25 9.15 2.52 0.15 40—60 14.48 26.40 32.12 15.67 10.00 1.33 0 60—100 16.45 27.99 31.32 13.96 8.76 1.51 0.02 100—200 14.39 25.29 30.29 15.50 11.71 2.73 0.08 平均 14.85 26.66 31.09 14.82 9.93 2.53 0.13 H 0—20 15.35 27.71 30.06 12.45 9.07 4.95 0.40 20—40 17.01 29.52 31.57 13.07 7.44 1.39 0 40—60 18.11 31.89 33.69 11.93 3.54 0.80 0.04 60—100 15.94 28.02 31.56 13.58 8.14 2.60 0.16 100—200 13.74 26.49 33.43 15.67 8.66 1.93 0.07 平均 16.03 28.73 32.06 13.34 7.37 2.34 0.14 L 0—20 15.43 28.41 33.25 14.21 7.39 1.31 0 20—40 18.99 32.28 31.11 11.72 5.01 0.89 0.01 40—60 18.41 30.62 32.84 12.08 5.25 0.80 0 60—100 18.25 29.63 31.13 12.75 7.15 1.08 0 100—200 16.66 29.08 32.26 13.56 7.23 1.19 0.01 平均 17.55 30.00 32.12 12.86 6.41 1.05 0 A 0—20 18.13 32.36 30.62 10.47 5.24 2.88 0.29 20—40 20.57 34.79 29.41 9.64 4.36 1.22 0.01 40—60 21.02 35.42 30.31 9.86 3.08 0.31 0 60—100 16.41 29.34 32.47 13.09 6.30 2.25 0.13 100—200 15.81 29.97 33.95 13.03 5.21 1.91 0.12 平均 18.39 32.38 31.35 11.22 4.84 1.71 0.11 注：根据美国土壤质地分类系统[16]，将土壤粒径分为7个级别，分别为黏粒(＜0.002 mm)、细粉粒(0.002~0.02 mm)、粗粉粒(0.02~0.05 mm)、极细砂(0.05~0.10 mm)、细砂(0.10~0.25 mm)、中砂(0.25~0.5 mm)和粗砂(0.5~2 mm)。 -
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