细质地土壤不同土地利用方式下土壤可蚀性多指标评估

《Agriculture》：A Multi-Indicator Assessment of Soil Erodibility in Fine-Textured Soils Under Different Land Uses

　　

土地利用变化和不可持续的农业实践会改变土壤性质，从而增加土壤可蚀性（soil erodibility）和土地退化风险。本研究利用两个深度（0–15 cm和15–30 cm）采集的土壤样本，评估了科卢巴拉流域（塞尔维亚西部）森林转为草地和农田对土壤可蚀性的影响。研究人员采用以下指标测定土壤可蚀性：黏粒比率（CR）、土壤结构稳定性指数（SSI）、平均重量直径（MWD）、土壤有机碳胶结剂指数（SCAI）、饱和导水率（Ks）、K因子（K-factor）以及通过加权求和法计算的综合土壤可蚀性指数（CSEI）。大多数土壤指标在不同土地利用方式间差异显著。森林土壤的MWD（2.94 mm）、Ks（1119.15 mm h^?1）和SSI（5.86）最高，而农田土壤的值最低（分别为1.64 mm、29.68 mm h^?1和3.07）。相反，农田土壤的CR（0.005）和K因子（0.038 t ha h ha^?1 MJ^?1 mm^?1）最高，而森林土壤的值最低（分别为0.003和0.032 t ha h ha^?1 MJ^?1 mm^?1）。农田土壤的CSEI（0.75）显著高于森林土壤（0.62），这与土壤结构稳定性降低和有机质相关指标下降相对应。草地土壤的大多数指标通常处于中间值。土壤深度仅对SSI和Ks有显著影响。不同土地利用方式间土壤可蚀性的差异与土壤物理和化学性质密切相关，尤其是土壤有机碳（SOC）和土壤结构相关性质（总孔隙度TP和容重BD）。这些发现强调了土地利用变化对土壤可蚀性的显著影响，并凸显了采取有效土壤保育措施以改善土壤稳定性和减轻侵蚀的必要性。

**论文解读：细质地土壤不同土地利用方式下土壤可蚀性多指标评估**

**研究背景与问题**

土地利用变化是全球趋势，近几十年来，天然林和草地被大量转为农业用地，以满足对粮食、纤维和畜产品日益增长的需求。这种变化与不可持续的农业实践相结合，会改变土壤的化学和物理性质，导致土壤质量下降，进而影响农业生产力及水资源和生物多样性等大范围环境健康。土壤可蚀性（soil erodibility）是评价土壤对水蚀敏感性的关键参数，受气候、地形、植被和土壤因子（特别是土壤质地、结构和水分运动）的共同控制。然而，现有研究多集中于干旱、半干旱和季风气候区，温带地区长期土地利用变化下对土壤可蚀性的综合影响证据有限。传统方法直接测定田间土壤流失耗时、费力且昂贵，而基于土壤标准分析数据的可蚀性指标（如K因子、黏粒比率CR、平均重量直径MWD等）虽成本低且高效，但每个指标仅考虑土壤可蚀性的单一侧面。尽管已有综合土壤可蚀性指数（CSEI）的尝试，但其应用仍不广泛。因此，在温带地区长期土地利用条件下，结构性、水力性和有机质相关性质的协同行为及其对可蚀性的控制机制仍缺乏深入理解。为填补这一知识空白，本研究旨在：评估不同土地利用类型下细质地土壤的可蚀性，使用多指标并分析其一致性和敏感性；将这些指标整合到CSEI中以检验土地利用差异；识别温带长期土地利用条件下控制可蚀性的关键土壤性质。研究人员假设：长期农业管理会改变近地表物理化学性质并增加土壤可蚀性。

**研究内容与意义**

研究人员在塞尔维亚西部的科卢巴拉河流域，选择天然林（对照）、天然草地和农田三种土地利用类型，于2024年8月进行详细野外调查。土壤样本采自两种深度（0–15 cm和15–30 cm）。通过测定和计算六项常用可蚀性指标（CR、土壤结构稳定性指数SSI、MWD、土壤有机碳胶结剂指数SCAI、饱和导水率Ks、K因子），并利用主成分分析权重加权求和构建CSEI，评估土地利用变化对土壤可蚀性的影响。结果表明：长期土地利用显著改变了细质地土壤的可蚀性，森林土壤结构最稳定、可蚀性最低，农田土壤可蚀性最高，草地处于中间；CSEI整合多指标提供了更全面清晰的评估，反映了土地利用驱动的土壤退化梯度；土壤可蚀性差异主要与土壤有机碳含量（SOC）和土壤结构参数（容重BD、总孔隙度TP）密切相关。这些发现为温带地区预测森林砍伐后的土壤侵蚀提供了理论支持，并为实施合理的土地利用政策和水土保持措施提供了依据。论文发表在《Agriculture》。

**主要技术方法**

样本来源：塞尔维亚西部Kolubara流域的小农农场，包括6个样点（天然林、天然草地、农田），三种土地利用类型历史上曾是同一片天然林（约100年前发生转换）。关键方法包括：采用干筛和湿筛法（Savinov方法）测定水稳性团聚体分布并计算MWD；使用沉降吸管法测定颗粒大小分布；Walkley-Black湿消化法测定SOC；环刀烘干法测定BD；变水头渗透试验测定Ks；依据公式计算CR、SSI、K因子（基于几何平均直径GMD）。利用主成分分析提取各指标的公因子方差以计算权重，通过‘S’型或反‘S’型隶属函数打分，加权求和得到CSEI。统计分析采用多变量方差分析（MANOVA）、双因素方差分析（ANOVA）、Tukey HSD检验和Pearson相关分析（R 4.3.1）。

**研究结果**

*3.1 不同土地利用下的土壤特征*

*3.1.1 颗粒大小分布*：通过颗粒大小分析发现，土地利用类型之间或交互作用对黏粒、粉粒和砂粒含量无显著影响（p > 0.05），但土壤深度间差异显著（p < 0.05）。森林土壤平均砂粒含量最低（5.2%）、黏粒最高（46.5%），农田砂粒最高（9.5%），草地粉粒最高（55.2%）。所有土壤质地为粉质黏壤土或粉质黏土（USDA分类），表明研究区质地相对均一。

*3.1.2 土壤有机碳（SOC）*：SOC含量在森林转为农业用地后显著降低（p < 0.05），表层（0–15 cm）降幅最大（森林 vs 草地54.6%，森林 vs 农田63.6%），农田SOC低于临界阈值（23 g kg^?1），导致细质地土壤结构丧失。

*3.1.3 容重（BD）*：森林表层BD显著低于草地和农田（p < 0.05），随深度增加，森林和草地BD上升，而农田因耕作均质化无显著深度变化。草地平均BD（1.46 Mg m^?3）甚至略高于农田，可能与长期无耕作及机械压实有关。

*3.1.4 总孔隙度（TP）*：森林TP最高（0.62 m³ m^?3），草地和农田显著降低，表层降幅约24%和18%，亚表层约16%和12%。森林较高的TP和较低的BD归因于有机质输入和生物活动。

*3.2 土壤可蚀性指标*

*3.2.1 黏粒比率（CR）*：森林CR显著低于草地和农田（p < 0.05），但总体变化范围极窄（0.002–0.005），且未随深度一致变化。与已有研究对比，CR对不同土地利用的区分力有限，可能受质地和管理持续时间影响。

*3.2.2 土壤结构稳定性指数（SSI）*：森林表层SSI > 8%（结构稳定、抵御侵蚀能力强），显著高于森林亚表层及草地和农田各层（均≤5%），表明除森林表层外，其他土地利用土壤结构退化风险高。SSI差异主要源于SOC变化，因质地相似。

*3.2.3 平均重量直径（MWD）*：森林MWD显著高于农田，但与草地无显著差异；草地与农田间亦不显著，可能受过去土地利用历史遗留效应影响。森林转为农田后，MWD在0–15 cm层下降52.79%，15–30 cm层下降33.83%，表明长期耕作破坏团聚体稳定性。

*3.2.4 土壤有机碳胶结剂指数（SCAI）*：各土地利用间SCAI无显著差异（p > 0.05），反映出各组内变异性大。尽管森林SOC和MWD较高，但分布重叠导致区分度不足。SCAI作为MWD与SOC的比值，因两者正相关而趋于稳定，敏感度低。

*3.2.5 饱和导水率（Ks）*：森林Ks显著高于草地和农田（表层2100 mm h^?1 vs 13和41 mm h^?1），且随深度显著下降；草地和农田深度间无差异，表明垂直水分运动减弱。农田Ks略高于草地（但未显著），可能与耕作孔隙或草根的根系效应有关。

*3.2.6 可蚀性K因子*：农田K因子显著高于森林（0–15 cm层高22.58%），但与草地无显著差异；深度间无显著影响。K因子基于GMD，反映团聚体稳定性，结果与其他研究一致。

*3.2.7 综合土壤可蚀性指数（CSEI）*：CSEI整合多指标后清晰显示森林 < 草地 < 农田的退化梯度，森林显著低于农田（p < 0.05），深度间无显著差异。CSEI差异主要源于SOC降低和BD增加，削弱了团聚体稳定性和水力功能。与单指标相比，CSEI更一致地反映了土地利用对可蚀性的整体影响。

*3.3 土壤可蚀性指标与土壤性质的关系*

除SCAI外，SOC、BD和TP与CR、MWD、Ks、SSI、K因子和CSEI均呈极显著相关（p < 0.01）。具体而言：CR与BD正相关、与SOC和TP负相关；MWD与黏粒、SOC、TP正相关；Ks与SOC、TP正相关，与砂粒、BD负相关；K因子与黏粒、粉粒、BD正相关，与SOC、TP负相关；CSEI与粉粒、黏粒、BD正相关，与SOC、TP负相关。这些关系表明，在细质地土壤中，有机碳和土壤结构（BD、TP）对可蚀性的控制强于质地本身。SCAI因定义结构（MWD/SOC）导致其灵敏性不足，未显示显著相关。

**讨论与结论**

讨论部分指出：单一指标（如CR、MWD、Ks等）虽能反映可蚀性的某些方面，但均无法全面涵盖结构与水力变化；CSEI通过加权整合互补信息，提供了更稳健、平衡的评估，其与SOC、BD的显著相关强调了有机质和结构稳定性在抵御侵蚀中的核心作用。研究还发现，粉粒含量与CSEI强正相关，提示细颗粒的选择性运输是侵蚀过程的关键环节。对于温带细质地土壤，持续缺乏有机质补充和机械扰动会加剧结构退化和可蚀性上升，因此必须采取保护性措施维持和恢复有机质。

研究结论翻译：研究结果表明，长期土地利用变化显著影响细质地土壤的可蚀性。大多数单一指标（CR、SSI、MWD、Ks和K-factor）以及综合CSEI均显示出森林和农田之间的显著差异，森林土壤表现出更高的结构稳定性和更低的可蚀性。然而，没有一个单一指标能够一致地捕捉到与土壤结构、质地和水力特性相关的所有可蚀性方面。相比之下，CSEI将这些互补信号整合为一个指标，提供了更全面和平衡的评估，清晰反映了土地利用驱动的差异。在西塞尔维亚，不同土地利用类型间土壤可蚀性的差异主要归因于表层SOC的变化，这些变化与土壤结构相关参数密切相关。在缺乏维持有机质和结构稳定性的措施的情况下，原生森林生态系统向农业用地的转化增加了对水蚀的敏感性。因此，需要采取适当的水土保持措施来保护森林生态系统和恢复塞尔维亚研究区的退化土地。这些发现可以支持农民和政策制定者采用有效的土地利用实践，以增强土壤有机质的保持和积累，提高土壤恢复力，减少土壤水蚀。