土地利用方式对埃塞俄比亚东南部沙舍梅内地区钾形态及土壤特性的影响研究

《Advances in Agriculture》：The Influence of Land-Use Types on Forms of Potassium and Selected Soil Properties in Shashemene District, Southeastern Ethiopia

本文系统研究了埃塞俄比亚沙舍梅内地区不同土地利用方式（耕地、林地、草地、宅地）对土壤钾素形态（溶液钾、交换性钾、非交换性钾、矿物钾）及关键土壤理化性质的影响。研究通过分层采样与实验室分析，揭示了林地与宅地因有机质输入丰富而具有更高的钾素有效性与土壤肥力，而长期耕作导致耕地土壤退化。该研究为区域可持续土壤管理提供了重要科学依据，强调了有机质管理在维持土壤钾库动态平衡与提升土壤健康中的核心作用。

　　

土地利用方式对埃塞俄比亚东南部沙舍梅内地区钾形态及土壤特性的影响研究

摘要

理解土地利用类型如何影响钾（K）形态和土壤理化性质对于可持续土壤管理至关重要。本研究考察了耕地（CL）、林地（FL）、草地（GL）和宅地（HL）利用对钾形态和选定土壤特性的影响。结果表明，土地利用类型显著影响了钾的形态和所选土壤性质。

1. 引言

钾是地壳中主要元素之一，平均丰度为2.3%，对农作物生产至关重要。土壤钾以四种形式存在：溶液钾、交换性钾、非交换性钾（固定态）和矿物钾（结构态）。其中，矿物钾占比最大，但不能直接被植物利用。植物主要吸收有效钾，包括土壤水中的可溶性钾和吸附在土壤颗粒表面的交换性钾。土地利用变化是影响这些土壤质量的主要因素，管理实践的改变会显著改变土壤的物理和化学性质。

2. 材料与方法

2.1. 研究区描述

研究在埃塞俄比亚奥罗米亚州沙舍梅内地区进行，该地区海拔在1600至2800米之间，属双峰降雨模式。主要土壤类型为富营养性红壤、淋溶土和贫营养性红壤。

2.2. 采样方法

在FL、CL、GL和HL四种土地利用类型上，沿样线随机设置20米×20米的样方，分别从0–20厘米和20–40厘米两个深度采集土壤样品。共采集32个复合样品用于化学分析，32个原状土芯用于测定土壤容重（BD）和土壤水分含量（SMC）。

2.3. 土壤实验室分析

土壤样品经过风干、研磨过筛后，分别测定：有机碳（OC，采用Walkley-Black湿氧化法）、pH值（土水比1:2.5，电位法）、有效磷（AP，Olsen法）、全氮（TN，凯氏定氮法）、阳离子交换量（CEC，1M NH₄OAc pH 7提取法）、土壤质地（比重计法）、土壤容重（环刀法）。钾形态分析包括：溶液钾（蒸馏水提取）、交换性钾（1N NH₄OAc提取，火焰光度计测定）、非交换性钾（Pratt法）和总钾。

2.4. 统计分析

使用SAS 9.4软件进行三因素方差分析（ANOVA），土地利用和土壤深度作为固定因素。采用最小显著差异法（LSD）在p < 0.05水平下进行均值比较。

3. 结果与讨论

3.1. 不同土地利用类型下的钾形态

3.1.1. 土壤溶液钾

土壤溶液钾在不同土地利用类型和土层深度间存在显著差异（p ≤ 0.05）。FL和HL的表层土壤溶液钾含量最高（分别为15.1和15.2 mg kg^-1），而CL的表层含量最低（12.9 mg kg^-1）。FL和HL的高溶液钾含量归因于有机物质（如凋落物、粪肥）的输入和分解，产生的腐殖酸和富里酸能溶解含钾矿物，释放钾离子。相反，CL由于作物残留物被移除、有机改良剂施用不足以及淋溶损失，导致溶液钾水平较低。

3.1.2. 交换性钾

交换性钾在不同土地利用类型间差异显著。FL表层的交换性钾含量最高（159.9 mg kg^-1），CL表层最低（138.3 mg kg^-1）。FL的高交换性钾与其丰富的植物残体归还有关，这些残体分解后能及时补充粘土矿物和有机质表面的交换位点。交换性钾含量随土壤深度增加而略有增加的趋势，可能与粘粒下移和深层土壤阳离子交换位点增加有关。

3.1.3. 非交换性钾

非交换性钾含量在FL的下层土壤中最高（600 mg kg^-1），在CL的表层最低（476.8 mg kg^-1）。非交换性钾与土壤中的蛭石等粘土矿物密切相关，其含量随土壤深度（和粘粒含量）增加而增加。非交换性钾作为缓慢有效的钾库，与溶液钾和交换性钾处于动态平衡之中，是植物钾营养的重要储备。

3.1.4. 矿物钾

矿物钾是土壤钾的主要组成部分，占全钾的90%以上。FL上层土壤的矿物钾含量最高（16050 mg kg^-1），CL上层最低（13963 mg kg^-1）。矿物钾主要以长石、云母等原生矿物形式存在，难以被植物直接利用。其含量随深度增加，可能与表层风化作用较强以及粘粒和原生矿物在深层富集有关。

3.2. 选定土壤物理性质

3.2.1. 土地利用对选定土壤物理性质的影响

土壤砂粒含量在CL中最高（52%），GL中最低（41%）。粘粒和粉粒含量在不同土地利用间无显著差异。土壤容重（BD）受土地利用影响显著（p ≤ 0.01），CL的BD最高（表层1.40 g cm^-3），FL的BD最低（表层1.10 g cm^-3）。CL的高BD归因于集约耕作、牲畜践踏和重型机械使用导致的土壤压实。所有土地利用类型的BD均随深度增加，这与表层有机质含量高、结构疏松，而底层有机质少、土体紧实有关。土壤水分含量（SMC）在不同土地利用和深度间无显著差异，但FL的SMC相对较高，可能与有机质改善土壤结构、增强持水能力有关。

3.3. 选定土壤化学性质

3.3.1. 土壤pH、有机碳（OC）、全氮（TN）和有效磷（AP）

CL的土壤pH值最低（表层5.64），显著低于FL（表层6.62）和HL（表层6.40）。CL的酸化可能与长期施用无机肥料、作物收获带走盐基离子以及微生物活动产生有机酸有关。土壤有机碳（OC）含量在FL表层最高（6.32%），CL表层最低（3.53%）。FL的高OC源于树木凋落物长期分解积累，而CL由于有机质输入少、矿化快导致OC下降。OC含量随土壤深度增加而降低。有效磷（AP）在FL中含量最高（表层40.57 mg kg^-1），CL中最低（表层26.11 mg kg^-1）。FL的高AP与有机质输入带来的有机磷以及可能的火烧残留物（灰分）有关。AP含量也表现出随深度增加而减少的趋势。全氮（TN）含量在FL和HL中较高（FL表层0.54%），CL中最低（表层0.30%）。FL的高TN得益于生物固氮和有机质积累，而CL的连续耕作导致氮素耗竭。TN含量随深度增加而降低。

阳离子交换量（CEC）在FL中最高（表层19.41 cmol_ckg^-1），CL中最低（表层15.74 cmol_ckg^-1）。CEC的高低与土壤有机质和粘粒含量密切相关，FL的高有机质提供了更多的负电荷位点。交换性钙（Ca²⁺）和镁（Mg²⁺）在FL中含量较高，这与森林生态系统的养分循环和有机质积累有关。交换性盐基离子在某些情况下表现出随深度增加的趋势，可能与表层淋溶和底层粘粒富集有关。

4. 结论

不同土地利用类型和土壤深度显著影响了土壤钾素形态和理化性质。林地和宅地由于持续的有机质输入，保持了较高的土壤肥力、钾素有效性和良好的土壤物理条件（如低容重）。相比之下，长期耕作的耕地表现出土壤酸化、有机质和养分耗竭、物理结构退化（如高容重）以及钾素有效性降低等问题。该研究强调了在农业管理中，特别是耕地系统中，增加有机物质投入、采取保护性措施对于维持土壤钾库平衡、改善土壤健康和提高土地生产力的重要性。研究结果为埃塞俄比亚沙舍梅内地区制定可持续的土壤管理策略提供了关键的科学依据。