《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Shifts in soil properties and pedon development under long-term exclosure: The case of Botanical and Ecotourism Garden, Dilla University, Ethiopia
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本文研究了埃塞俄比亚迪拉大学植物与生态旅游园长时期生态系统围封对土壤形态、理化性质及剖面发育的影响。研究揭示了土壤性质（如质地、有机碳、阳离子交换容量等）和土壤类型（如变性土、淋溶土、薄层土等）在不同地形位置（上坡、中坡、下坡）的显著差异，并指出地形和土地利用是影响土壤动态的主要因素。该结果为实施针对性的土地保护和肥力管理策略提供了科学依据，对维持类似生态系统的生态与农业价值具有重要意义。
引言
土壤是地球表面在各种环境因子相互作用下形成的重要自然资源，是包含矿物养分、有机质、水、空气和生物体的复杂混合物。生态系统围封，即限制人类和牲畜进入退化区域，是一种常见的土地管理实践，主要用于生物多样性保护。它通过促进植被自然恢复和减少土壤侵蚀，对土壤特性和剖面层产生显著的积极影响。随着时间的推移，枯枝落叶和根系分解积累的有机质能够提高土壤肥力，改善养分含量和持水能力。然而，围封对土壤特性和剖面发展的影响因土地地形和土地利用类型而异。地形在塑造土壤特性方面起着重要作用，坡度位置影响着土壤形成、养分分布和水分保持。
埃塞俄比亚迪拉大学的植物与生态旅游园（Botanical and Ecotourism Garden, BEG）是一个具有重要地理、考古和生态价值的场所，拥有超过408种植物物种。它最初由天主教堂建立，后由迪拉大学接管并强化了其围封管理，旨在保护生物多样性并促进生态旅游。然而，此前尚未有研究对BEG的土壤形态、物理和化学特性进行调查。本研究旨在评估长期生态系统围封对土壤特性和剖面层动态的影响，为可持续土地管理和生态系统恢复提供知识基础。
材料与方法
研究区域描述
研究区域位于迪拉镇东北1公里、迪拉大学主校区以北1.5公里处。该地区海拔在1418.70至1458.90米之间，坡度在2%到6%之间，地貌包括上坡的缓坡、中坡和下坡的河谷。该花园的母质主要为沉积岩和砂岩，但在下坡位置则以崩积物和冲积物为主。观测到三种土地利用类型：疏林、草地和（用于苗圃的）耕地。花园内植被类型多样，优势植物物种包括Combretum collinum、Terminalia laxiflora等。在中、下坡位观察到片蚀和细沟侵蚀。
地点选择、土壤描述与采样
通过实地观察确定了研究区域的土地利用类型和地形类别，随后在不同部分基于坡度和土地利用类型确定了九个螺旋钻观察点。使用全球定位系统记录其地理位置。共开挖并检查了八个深至坚硬地层的土壤剖面。按照联合国粮农组织的土壤描述指南，现场记录了土壤颜色、结构、结持性等关键形态特征。土壤颜色在干湿条件下用芒塞尔比色卡测定，质地和结持性通过手感评估，结构通过目视检查和手动测试评估。
土壤采样与理化性质分析
从每个剖面的发生层采集土壤样品，风干、研磨，过2毫米筛用于物理和化学性质分析。有机碳和全氮分析则使用过0.5毫米筛的样品。在实验室分析了土壤质地、容重、pH、有机碳、全氮、磷、阳离子交换容量和可交换性盐基等属性。土壤质地采用比重计法测定，pH在1:2.5的水土悬浮液中用玻璃电极pH计测量，有机碳采用湿氧化法测定，全氮用凯氏定氮法测定，有效磷用奥尔森法提取测定。容重用环刀法测定，总孔隙度由容重和颗粒密度计算得出。阳离子交换容量通过铵饱和-钾置换法测定。田间持水量和永久萎蔫点的水分含量分别在水势-33 kPa和-1500 kPa下测定。
土壤分类与制图
根据野外观察和实验室分析结果，按照世界土壤资源参比基础的分类标准，鉴定土壤的诊断层和诊断特性，将土壤分类到不同的参比土壤组和土族水平。利用各剖面点的GPS记录，绘制了研究区域位置、观察点分布和土壤图。
数据分析
采用方差分析评估坡度位置对土壤理化性质的影响。所有统计分析均使用SAS 9.2软件进行。
结果与讨论
剖面点特征
八个剖面的特征如表1所示。海拔范围、坡度、地形位置、土地利用和母质各不相同。上坡地形位置主要为疏林和草地，坡度平缓；中坡为草地和草本植物混合地，坡度增加；下坡为耕地，坡度最大。母质在上、中坡以沉积岩和砂岩为主，下坡则为崩积物和冲积物。下坡位观察到少量物质沉积，这可能表明不同地形位置的土壤形成过程存在差异。
土壤形态特征
研究地点的土壤表现出可变的土层深度和发生层。观测到的最深和最浅的土层深度分别为200厘米和53厘米。大多数剖面的土层深度超过170厘米。不同地形位置的土壤呈现出不同的发生层，反映了不同程度的土壤发育和主导成土过程的差异。上坡缓坡的土壤最深，而上坡、中坡和下坡的某些点位土壤较浅。上、中坡的浅薄土层可归因于该地区母质的岩石性质，而下坡的浅薄则与来自上坡的耕地高排水模式和沉积物向附近河流的输送有关。这表明侵蚀主导了上坡，沉积物被搬运并沉积在河流附近。因此，研究区域的上部有很深的土壤，增强了水分和养分保持能力，为根系发育创造了有利条件。
土壤剖面中各层的界面边界相对均匀，范围从清晰平滑到逐渐过渡。大多数剖面矿质层的厚度超过50厘米。剖面1、2、3和6具有黏化层。研究区域的土壤结构在各个剖面中存在差异，从表层土的团粒状到亚表层土的棱柱状或角块状。土壤结构受黏粒含量的影响很大。随着土壤深度的增加，由于黏粒含量增加，结构变得更强、更粗糙。土壤结持性在剖面和描述的发生层之间也存在差异。表层在干燥时从松软到坚硬，在湿润时从松散到坚实，在湿润时从微黏/微塑到黏韧/塑。而亚表层在干燥时从松软到坚硬，在湿润时从松散到微硬/坚硬，在湿润时从微黏/可塑到可塑。这种结持性随深度的变化是由于黏粒和有机质含量的变化所致，黏粒增加了干土的硬度、湿土的坚实度和湿土的黏着性。
三个地形位置的剖面上都观察到了颜色（湿润和干燥）的差异。表土颜色范围从暗红到红色，而黏化层呈现红棕色。在所有地形位置，都观察到了高彩度和高亮度，表明排水条件良好、有机质相对较低和水分含量减少。表层比下层更暗，可能是由于表土有机质较高以及不同层中铁的氧化和水化状态不同所致。
土壤物理特性
土壤质地级别、颗粒分布、容重、孔隙度和电导率如表3所示。各剖面的土壤质地级别不同。黏壤土是剖面1和2表层最常见的质地，而黏土是剖面1和2亚表层黏化层的主要质地。相比之下，黏壤土出现在剖面6的亚表层。砂壤土和砂质是剖面3、4、5、7和8表层和亚表层的主要优势质地。总体而言，上坡缓坡区域的表土质地比中坡和下坡河谷的表层和亚层土壤更细。在亚表层，质地从砂壤土到黏土不等。然而，各剖面的颗粒分布并未随地形位置呈现一致的模式。中坡和一些下坡的土壤以粉粒和砂粒为主。
上坡地形相对较高的黏粒含量和下坡较高的砂粒含量，可能是由于砂质物质从上坡移除并沉积在下坡区域。此外，洪水期间的水流可能导致砂粒堆积，而细小的土壤颗粒可能通过侵蚀从低洼地区选择性移除。表层土壤的最高容重为1.40 g cm-3，最低为1.08 g cm-3。数据显示，表层和亚层土壤的容重有随深度增加的趋势，最高值出现在亚层土壤。总体而言，研究区域土壤的容重范围从低到中等。中等值表明容重不太可能限制这些土壤的根系生长或水分运动。表层土壤总孔隙度在46.8%到57.2%之间，亚层土壤在46.9%到49.6%之间变化，这些值处于30%-70%的典型范围内。
田间持水量下的水分含量在25%到44%之间，而土壤含水量在10%到34%之间。最高的值记录在剖面1和2，它们的表层和亚层土壤含有相对较高的有机质和黏粒，而剖面7和8的值最低。总体而言，土壤含水量和田间持水量的最高值和最低值分别与土壤黏粒含量的高低相对应。此外，所比较剖面之间总孔隙度的差异可能影响剖面中水分的有效性。这可能是由于黏粒和有机质较高的基质势能将水分紧紧吸附。水分保持量因土壤质地、有机质含量和类型、根系深度和土壤结构而异。在本研究中，土壤有机质含量、根系深度和黏粒含量与之有轻微的显著关联。土壤含水量低于20%为低，20%-60%为中等，高于60%为高。本研究中的值较低，原因是高温导致土壤水分蒸发更高，从而降低了土壤含水量。表层土壤的pH值在5.9到6.1之间，亚层土壤在6.2到6.73之间变化。总体而言，这些值表明土壤呈微酸性，这通常对大多数植物的生长和生产无害。研究剖面的交换性酸度范围从0.01到0.25。在所有记录的发生层中，这些值都非常低，表明土壤酸度不太可能达到对植物有毒的水平。土壤各层的电导率范围在0.09到0.36 mS cm-1之间，并观察到电导值随深度持续增加。根据土壤物理性质，表层和亚层的电导值均低于1.0，表明盐分随水淋失。这些低电导值证实可溶性盐浓度在可接受的限度内，不太可能对大多数作物的生长和生产产生负面影响。
土壤化学特征
土壤化学性质如表4所示。研究区域的土壤有机碳含量在表层从0.22%到3.5%不等，在亚层从0.2%到2.6%不等。观察到有机碳含量随土壤深度增加而减少的趋势。上坡缓坡以及中、下坡位在其表层保留了相对较高的土壤有机碳。表层较高的有机碳含量可能是由于植物和动物残体的持续添加。这种模式表明侵蚀移除了中上坡位的有机质，而沉积则在下坡积累。这些趋势也取决于土地利用类型。有机质水平的变化也可能受坡度、人类活动和土地利用方式的影响。有研究指出，上坡位表层土壤有机碳含量1.21%属于低水平，鉴于其在养分循环、水分保持和土壤结构中的关键作用，需要采取管理措施提高有机碳水平。
研究区域土壤全氮含量在表层介于0.11%到0.38%之间，最高值出现在剖面8、剖面7和剖面1，最低值在剖面2。在亚层，全氮在0.03%到0.17%之间，总体上随土壤深度增加而下降。与中坡相比，在上坡缓坡和下坡位观察到更高的土壤有机碳保持。这表明表层有来自植物和动物残体的持续有机质输入，而侵蚀可能从中坡移除了有机质并将其沉积在低洼地区。
表层土壤的有效磷水平在6.2到11.0 mg kg-1之间变化，最高值出现在剖面7和8，最低值在剖面2。亚层磷在6.7 mg kg-1到8 mg kg-1之间，与表层相比略有下降。根据评级，研究区域的磷含量普遍偏低，表明可能存在磷的养分限制。磷的可用性受土壤pH、有机质、黏粒含量和土壤矿物学的影响。在微酸性土壤中，磷容易被铁、铝氧化物固定，导致植物可用性降低。低磷水平可能限制植物生长，需要磷肥管理来维持生产力。
核心思想
长期生态系统围封对土壤剖面发育和性质变化有显著影响。然而，长期围封导致了土壤性质的显著变异，这主要受地形位置而非单一均匀效应的影响。尽管围封有积极影响，但土壤性质的动态通常取决于剖面点的地形和坡度位置。研究得出结论，花园中有效的可持续土地管理需要针对不同地形位置的不同土壤条件制定因地制宜的保护策略。
