埃塞俄比亚北部Shemit流域不同土地利用类型下的土壤性质差异

《Advances in Agriculture》：Variations in Soil Properties Across Land Use Types in the Shemit Watershed, Northern Ethiopian

自然森林土壤有机质、pH、阳离子交换容量及碳氮比均显著高于耕种地、放牧地和人工林，显示不同土地利用类型对土壤理化性质影响显著。土壤深度增加导致粘粒、pH、交换性钙镁钾钠含量上升，而有机质、全氮和CEC下降。研究强调保护天然林、实施等高耕作和有机肥替代等措施对改善土壤健康至关重要

　　在北埃塞俄比亚的Shemit流域，土地利用类型和土壤深度对土壤的物理和化学性质具有深远的影响，进而影响土壤健康、农业生产力和生态系统的稳定性。随着人口增长、森林砍伐和不可持续的土地管理实践的加剧，该地区面临土地退化和土壤肥力下降的问题。因此，研究旨在评估不同土地利用类型对土壤性质的影响。研究选取了自然林地、耕地、放牧地和人工林地四种土地利用类型，采集了24个扰动复合土样和24个未扰动的土壤核心样本，分别在两个土壤深度（0–20 cm和20–40 cm）进行采样，每种深度和土地利用类型进行三次重复。土壤样本在实验室中按照标准程序进行制备和分析。研究结果表明，砂土、黏土、容重（BD）、pH值、有机质（OM）、总氮（TN）、有效磷（Av.P）、交换性碱（Ca、Mg、K和Na）、阳离子交换容量（CEC）以及碱饱和度（PBS）在不同土地利用类型之间存在显著差异（p < 0.05）。然而，粉沙含量和碳氮比（C:N）并未表现出显著差异（p > 0.05）。就土壤深度而言，仅砂土、OM、交换性钠和碱饱和度在不同深度之间存在显著变化（p < 0.05）。自然林地记录了最高的pH值、OM含量、TN、Av.P、钙、钾和CEC平均值，而人工林地则在大多数参数上表现出最低的值（除TN、OM、Av.P和CEC外）。结果还表明，随着土壤深度的增加，黏土含量、BD、pH值、交换性碱和碱饱和度也随之上升，而砂土、粉沙、TN、OM和CEC则呈下降趋势。自然林地的OM含量为5.32%，而耕地仅为2.47%。同样，自然林地的含水量（33.89%）高于放牧地（23.05%）。将自然林地转化为其他土地利用类型导致土壤肥力显著下降。理解土地利用和管理实践对土壤状况的影响对于评估当前土地利用系统的可持续性至关重要。因此，为了改善Shemit流域的土壤健康，有必要采取诸如堆肥施用、减少耕作和等高线耕作等恢复技术。例如，在陡峭地区采用等高线耕作的农民已经观察到侵蚀减少和作物产量提高。此外，实现长期影响需要地方政府、发展伙伴和社区之间的协调努力，以推动可持续的土地利用和生态平衡。

Shemit流域位于埃塞俄比亚的西北部，其地理位置和自然条件决定了土地利用变化对土壤性质的影响。该流域地处埃塞俄比亚阿姆哈拉国家区域州的Estie区，位于Bahir Dar东北约107公里，Addis Ababa西北约667公里。地理范围在纬度11°35’46"N至11°37’58"N和经度38°4′41"E至38°6′21"E之间，总面积为637公顷。地形从缓坡到陡峭的山地不等，海拔范围在2430至2842米之间。根据EthioSIS的数据，Shemit流域的主要土壤类型为vertisols和nitisols，这些土壤与特定的土地利用类型和地形区域相关。vertisols主要分布在耕地，这些土壤富含黏土，具有明显的收缩-膨胀特性，而nitisols则主要分布在自然林地和人工林地，这些土壤具有良好的结构和较高的肥力，适合多年生植被生长。

该地区的气候条件也对土壤性质产生重要影响。根据埃塞俄比亚传统的农业气候分类，Estie区包括三个不同的气候带：Dega（凉爽湿润）、Weyna Dega（凉爽亚湿润）和Kolla（温暖半干旱）。Shemit流域位于Weyna Dega气候带，具有凉爽亚湿润的气候特征。根据2006年至2018年的气候数据，该流域的年平均降雨量约为1294.3毫米，其中77%的降水集中在6月至9月之间。年平均气温为16.07°C，平均最低气温为8.16°C，最高气温为23.97°C。这些气候条件对土壤的物理和化学性质产生影响，尤其是在土壤水分含量和有机质积累方面。

流域内的植被类型与土地利用方式密切相关。树种和灌木主要分布在家庭住宅附近和林地，以更好地保护和管理。关键的林地树种包括Olea africana、Acacia abyssinica、Cordia africana、Ficus vasta、Ficus sycomorus和Eucalyptus globulus，以及多种本地饲料树种和灌木。在高地地区，这些饲料树种对于牲畜的营养至关重要，尤其是在干旱和休耕季节。近年来引入的外来固氮树种如树豆和Sesbania也存在。Eucalyptus globulus被广泛种植用于建筑和生计收入。这些植被类型不仅影响土壤的结构和肥力，还对土壤的水分保持能力有重要作用。

流域内的人口压力也是土地利用变化的重要驱动因素。根据EthioSIS的数据，Estie区总人口约为259,113人，其中男性132,367人，女性126,746人。Shemit流域支持484户，共计1792人（男性917人，女性875人）。农村社区严重依赖流域内的森林和农业资源维持生计。这种人口压力促使土地利用类型发生变化，例如将自然林地转化为农业用地和住宅区，进而导致土壤退化和肥力下降。

研究的样本采集和分析方法确保了数据的可靠性和代表性。为了保证样本的可比性，所有采样点均位于相对接近的位置，并且在相似的环境条件下进行选择，以减少外部因素对结果的影响。在每种土地利用类型中，采样点被划分为20米×20米的采样区域，并在区域的四个角落和中心建立五个采样坑，采用“X”型采样模式确保空间代表性。此外，采集了24个未扰动的土壤核心样本，用于测定容重和土壤含水量。这些样本同样在两个深度区间内进行采集，并使用固定体积为10.85立方厘米的土壤核心采样器进行采集。采样前和采样后，所有非土壤物质如砾石、分解的植物残渣和陈旧粪便被小心去除，以确保样本的纯净性。样本在实地和实验室中均按照严格的处理程序进行，以保持其完整性。实验室分析遵循联合国粮食及农业组织的标准土壤测试协议，所有测试均在Bahir Dar的Amhara Design and Supervision Works Enterprises土壤测试实验室进行，该实验室以在该地区工程和环境研究方面的贡献而闻名。

土壤物理和化学性质的分析结果显示，土地利用类型和土壤深度对多个关键参数产生显著影响。例如，砂土含量在耕地中最高（30.66%），而自然林地最低（21.5%）。黏土含量在自然林地中最高（54.33%），而在耕地中最低（38.66%）。这些差异可能与土地利用方式导致的土壤结构变化有关。耕地由于耕作活动，土壤颗粒被破坏，导致黏土颗粒更容易被侵蚀，从而形成更粗的土壤质地。而自然林地由于较少的人类干扰，土壤结构保持完整，具有更高的有机质含量和更稳定的pH值。此外，土壤含水量在自然林地中最高（33.89%），而耕地最低（22.89%），这与自然林地的有机质含量和树冠遮荫作用有关。

在土壤化学性质方面，研究发现自然林地在多个关键指标上表现最佳，如pH值、有机质含量、总氮、有效磷、交换性碱和阳离子交换容量。这些指标在不同土地利用类型之间存在显著差异，而在土壤深度之间则只有少数参数表现出显著变化。例如，自然林地的pH值最高（6.34），而人工林地最低（5.77）。这可能与人工林地中的树种对土壤酸碱平衡的影响有关。此外，自然林地的有机质含量（5.32%）显著高于耕地（2.47%），表明自然林地对土壤肥力的维持更为有效。总氮含量在自然林地中最高（0.28%），而在耕地中最低（0.14%），这可能与耕作活动导致的氮素流失有关。

研究还揭示了土壤性质之间的相关性。例如，黏土含量与大多数土壤物理和化学性质呈正相关，而容重则与这些性质呈负相关。pH值与有效磷和交换性碱呈显著正相关，而与容重呈负相关。有机质含量与总氮、有效磷和阳离子交换容量之间存在显著正相关，这表明有机质在维持土壤肥力和养分循环中的重要性。此外，交换性碱（如钙、镁、钾和钠）与黏土含量、有机质含量、pH值和总氮含量呈显著正相关，这表明这些因素在土壤养分保持和交换能力中起着关键作用。

研究结果强调了土地利用变化对土壤健康和生态系统稳定性的影响。自然林地的土壤在多个方面优于其他土地利用类型，如更高的有机质含量、更好的水分保持能力和更稳定的pH值。然而，耕地和人工林地由于频繁的人类活动和土壤管理不当，导致土壤肥力下降和结构破坏。这表明，为了实现可持续的土地利用和土壤健康，需要采取综合的土地管理措施，如施用堆肥、减少耕作、采用等高线耕作等。同时，政策制定者和社区应共同努力，推动可持续农业实践和生态保护措施，以减少土地退化和土壤肥力下降的风险。

总之，Shemit流域的土地利用类型和土壤深度对土壤性质产生了显著影响，这可能影响农业生产力和生态系统的稳定性。研究结果支持在该地区实施可持续的土地利用和管理策略，以保护和恢复土壤健康。通过实施有效的土地管理措施，可以提高土壤肥力，增强农业生产的可持续性，并促进生态平衡。这些措施不仅对Shemit流域的农民和社区有益，也为其他类似地区提供了可借鉴的经验。