黃土高原土石山區(qū)坡改梯后土壤水分及養(yǎng)分特征

趙萬廣，高玉鳳，王錦志，李金峰

(1.山西省水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)中心，山西 太原 030002； 2.山西省水土保持科學(xué)研究所,山西 太原 030013)

在黃土高原土石山區(qū)，由于土層薄，土石混雜，水蝕面積廣，因此水土流失頗為嚴(yán)重[1]。坡耕地作為重要的耕地資源，在黃土高原土石山區(qū)分布很廣。位于太行山西麓的榆社縣，坡耕地面積占總耕地面積的56.83%，其土壤侵蝕量占全縣土壤侵蝕量的43.35%[2]。土壤水分和養(yǎng)分是植物賴以生存的基礎(chǔ)，土壤水分的盈虧和養(yǎng)分的豐缺直接影響植物的生長，土石山區(qū)坡耕地嚴(yán)重的“跑水、跑土、跑肥”問題是導(dǎo)致作物低產(chǎn)的重要因素，已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展的限制性因素。坡改梯被認(rèn)為是防治水土流失的有效方式[3]，將原有坡耕地改造為水平梯田，能有效地減緩地面坡度，減小徑流速度和流量，起到攔土蓄水作用，同時還能改善土壤條件，為保水、保肥、增收創(chuàng)造有利條件。在黃土高原區(qū),水平梯田的蓄水效益為70.5%～97.5%、減沙效益為71.3%～98.4%[4]。為了防治水土流失，山西省大面積開展了坡耕地水土流失綜合治理工程，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

本研究在黃土高原土石山區(qū)榆社縣，通過野外取樣和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地進(jìn)行對比分析，以期為土石山區(qū)的水土流失綜合治理和農(nóng)業(yè)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山西省榆社縣位于112°38′～113°12′E、36°51′～37°34′N，地處太行山中段西麓、晉中市東南部，屬土石山區(qū)，是一個典型的山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，是山西省重點(diǎn)幫扶貧困縣[2]。境內(nèi)群山環(huán)繞，山巒起伏重疊，溝壑縱橫，梁峁連綿，地形以丘陵、山地為主，平均海拔1 100 m。氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，季節(jié)變化明顯，年均氣溫8.8 ℃，年均降水量560 mm，無霜期165 d，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪[5]。

2 研究對象與方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

研究所選的農(nóng)田位于榆社縣西馬鄉(xiāng)漚泥凹村，沒有灌溉條件，土壤水分完全依賴于自然降水。在該區(qū)選取兩塊坡改梯3年的農(nóng)田(T1、T2)作為研究對象，同時在附近選取兩塊坡度分別為10°～20°(P1)、0°～10°(P2)的坡耕地作為對比。根據(jù)樣地的實(shí)際情況，于2016年7月在樣地內(nèi)側(cè)、外側(cè)、中間分別按照“S”形五點(diǎn)采樣法采集0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤樣品，每塊樣地采集15個樣點(diǎn)。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室去除土壤中的植物根系和碎石粒后，一部分用于測定土壤含水量，另一部分經(jīng)自然風(fēng)干后過0.25和1 mm篩備測土壤理化性質(zhì)。

2.2 測定與分析方法

測定方法：土壤含水量采用105 ℃烘干法，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤pH值采用pH計測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量開氏法，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法，有效磷采用鹽酸-硫酸浸提法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法[6-7]。土壤孔隙度采用公式法計算。

分析方法：用SPSS 16.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和圖表的繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡耕地與坡改梯農(nóng)田的土壤水分特征

3.1.1 土壤含水量變化特征

將每塊樣地15個樣點(diǎn)0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤含水量進(jìn)行算術(shù)平均，作為該樣地的平均土壤含水量，將不同深度土層的土壤容重和土壤孔隙度算術(shù)平均作為該樣地的平均容重和平均孔隙度，指標(biāo)見表1。

表1 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤含水量特征

結(jié)合表1可知，坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地相比，土壤容重較小，土壤孔隙度較大，土壤含水量明顯提高，土壤含水量均值高于坡耕地1.87百分點(diǎn)。土壤容重的大小能較好地反映土壤的緊實(shí)程度，由測定結(jié)果可知，在不同土層深度，T1、T2的土壤容重均小于P1和P2的土壤容重。土壤孔隙是容納水分和空氣的空間，也是植物根系伸展和土壤動物、微生物活動的地方，適當(dāng)?shù)目紫抖扔欣谥参锏纳L，土壤孔隙度越大，說明土壤的持水性能越好[8]。測定結(jié)果顯示，在黃土高原土石山區(qū)實(shí)施坡改梯3年后，土壤的孔隙結(jié)構(gòu)更利于耕作層土壤的水、氣分配，不僅可以更好地滿足作物生長的要求，還可以更好地發(fā)揮保水保土作用。

3.1.2 土壤蓄水特征

根據(jù)測定的土壤含水量、土壤容重計算坡改梯3年農(nóng)田和坡耕地0～20、20～40、40～60 cm土層的平均蓄水量，計算公式[9]為

θ=wdh/10

(1)

式中：θ為土壤蓄水量，mm；w為土壤含水量，%；d為土壤容重，g/cm3；h為土層深度，cm。計算結(jié)果見表2。

表2 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤蓄水量 mm

由表2可知，坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤蓄水量均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而增加的趨勢。在0～20、20～40、40～60 cm深度土層，坡改梯3年農(nóng)田平均蓄水量均值(41.74、50.46、50.92 mm)較坡耕地均值(35.31、48.58、48.53 mm)分別高6.43、1.88和2.39 mm。坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的平均蓄水量在0～20 cm土層差值較大，可能是0～20 cm土層為作物根系的主要分布層，受作物快速生長期根系吸收和地面蒸發(fā)雙重影響，加之表層土壤受氣候條件影響較大，所以變化較下層明顯[9]。坡改梯農(nóng)田各土層的蓄水能力都大于坡耕地的蓄水能力，說明在土石山區(qū)實(shí)施坡改梯工程有益于土壤水分的保持。

3.2 坡耕地與坡改梯農(nóng)田的土壤養(yǎng)分特征

3.2.1 土壤養(yǎng)分總體特征

依據(jù)土壤養(yǎng)分的分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)分為6個水平：1級為很豐富，2級為豐富，3級為中等，4級為缺乏，5級為很缺乏，6級為極缺乏[10]。坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤養(yǎng)分分析結(jié)果見表3、4。

表3 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤養(yǎng)分特征

表4 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤養(yǎng)分分級特征

有機(jī)質(zhì)作為評價土壤肥力的一項重要指標(biāo)，也是土壤中營養(yǎng)元素氮、磷的重要來源。結(jié)合表3和表4，P1、P2土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮含量屬于6級(極缺乏)和5級(很缺乏)，T1、T2土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮含量處于5級和4級水平；P1、P2、T1、T2土壤中全磷含量處于4級和5級水平，但是P1、P2、T1、T2的全鉀含量均高于25 g/kg，全鉀含量均屬于1級(很豐富)水平。總之，研究區(qū)土壤肥力整體較差，但是坡改梯3年農(nóng)田的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量均高于坡耕地。

速效養(yǎng)分方面，有效磷作為能被植物吸收利用的磷素，與土壤的固磷能力和人為施肥措施關(guān)系較大。研究區(qū)土壤有效磷含量變化較大，P1是5級很缺乏狀態(tài)，但是T2可以達(dá)到3級(中等水平)，是P1的2.41倍。因此，在開展農(nóng)業(yè)耕作時，注意科學(xué)合理施磷肥，更益于作物的保水增收。坡改梯3年農(nóng)田的速效鉀含量較坡耕地有了大幅度提高，P1、P2是3級(中等)和4級(缺乏)，T1、T2分別為2級(豐富)和1級(很豐富)水平。總體上，研究區(qū)在實(shí)施坡改梯工程后土壤的速效養(yǎng)分等級優(yōu)于坡耕地。

研究區(qū)土壤pH值為8.24～8.52，偏堿性，坡改梯3年農(nóng)田的pH值較坡耕地均有所降低，說明土壤得到了一定程度的改良。

由表3可知，坡改梯3年梯田(T1、T2)與坡耕地(P1、P2)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的變異系數(shù)基本上屬于中等變異，pH值、全鉀和全磷呈現(xiàn)弱變異狀態(tài)。這是由于研究區(qū)所選4塊樣地均為農(nóng)耕地，速效養(yǎng)分受耕作和施肥等農(nóng)業(yè)措施的影響，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮受成土母質(zhì)、土壤類型、地形地貌等結(jié)構(gòu)性因素和種植作物、人為管理措施等隨機(jī)性因素的多重影響，因此均顯示出較大的空間變異；而土壤中全磷、全鉀的含量主要受土壤自身特性的影響[11]，受人為耕作措施的影響較小，因此變異系數(shù)小。

3.2.2 土壤剖面有機(jī)質(zhì)和全氮含量特征

隨著土層深度的不斷增加，T1、T2與P1、P2的土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均逐漸減少，表現(xiàn)出明顯的表層富集現(xiàn)象(圖1)。在0～20 cm深度土層，T1、T2的土壤有機(jī)質(zhì)含量均值(1.624%)較P1、P2的均值(0.912%)提高了78.07%，T1、T2的土壤全氮含量均值(0.102%)較P1、P2的均值(0.054%)提高了88.89%；在20～40 cm深度土層，T1、T2的土壤有機(jī)質(zhì)含量均值(0.882%)較P1、P2的均值(0.626%)提高了40.91%，T1、T2的土壤全氮含量均值(0.067%)較P1、P2的均值(0.036%)提高了86.11%；在40～60 cm深度土層，T1、T2的土壤有機(jī)質(zhì)含量均值(0.564%)較P1、P2的均值(0.403%)提高了39.95%，T1、T2的土壤全氮含量均值(0.052%)較P1、P2的均值(0.032%)提高了62.50%。

圖1 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮特征

圖2 坡改梯3年農(nóng)田、坡耕地土壤磷素特征

3.2.3 土壤剖面磷素特征

坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤磷素特征見圖2。在0～20 cm深度土層，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.054%)較P1、P2的均值(0.037%)提高了45.95%，T1、T2的土壤有效磷含量均值(15.748 mg/kg)較P1、P2的均值(12.441 mg/kg)提高了26.58%；在20～40 cm深度土層，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.048%)較P1、P2的均值(0.034%)提高了41.18%，T1、T2的土壤有效磷含量均值(6.255 mg/kg)較P1、P2的均值(3.944 mg/kg)提高了58.60%；在40～60 cm深度土層，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.045%)較P1、P2的均值(0.035%)提高了28.57%，T1、T2的土壤有效磷含量均值(5.338 mg/kg)較P1、P2的均值(2.088 mg/kg)提高了155.65%。

3.2.4 土壤剖面鉀素特征

坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤鉀素特征見圖3。在0～20 cm深度土層，坡改梯3年農(nóng)田的全鉀含量較坡耕地增幅不明顯，T1、T2的土壤速效鉀含量均值(242.250 mg/kg)較P1、P2的均值(146.167 mg/kg)提高了65.74%。在20～40 cm深度土層，T1、T2的土壤全鉀含量均值(2.878%)較P1、P2的均值(2.542%)提高了13.22%，T1、T2的土壤速效鉀含量均值(169.750 mg/kg)較P1、P2的均值(83.308 mg/kg)提高了103.76%；在40～60 cm深度土層，T1、T2的土壤全鉀含量均值(2.773%)較P1、P2的均值(2.516%)提高了10.21%，T1、T2的土壤速效鉀含量均值(139.450 mg/kg)較P1、P2的均值(74.783 mg/kg)提高了86.47%。

圖3 坡改梯3年農(nóng)田、坡耕地土壤鉀素特征

3.3 每塊樣地必要的采樣數(shù)量

不同的土壤理化性質(zhì)變化特征不同，為了用有限的觀測數(shù)據(jù)估計各參數(shù)的均值(或期望值)，且兼具充分的可信度和精度，有必要合理確定取樣數(shù)量[12]。本研究采用單樣本K-S檢驗(yàn)對每塊樣地的實(shí)測土壤含水量和土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時取顯著性水平α=0.05，結(jié)果表明，土壤含水量數(shù)據(jù)和土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的PK-S均大于0.05，服從正態(tài)分布。估算合理采樣數(shù)量的公式[13]為

n=t2CV2/D2

(2)

式中：n為必要的樣本容量，個；t表示t分布特征值，可由顯著性水平α和自由度df=n-1查t分布表確定；CV為樣本變異系數(shù)；D為試驗(yàn)允許的誤差，在此分別取5%、10%、20%、30%。

研究表明，D的取值基本上由CV決定。當(dāng)CV<10%、CV=10%～20%、CV=20%～30%和CV>30%時，D值分別取5%、10%、20%和30%[13]。根據(jù)表3中各指標(biāo)的變異系數(shù)，P1的土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、全磷、全鉀的D值分別取10%、30%、20%、30%、30%、10%、10%，P2分別取10%、20%、20%、30%、30%、10%、5%，T1分別取5%、30%、30%、30%、10%、10%、5%，T2分別取5%、30%、20%、30%、30%、5%、5%。根據(jù)公式(2)，求出了在95%置信水平下每塊樣地土壤水分和土壤養(yǎng)分的必要采樣數(shù)量，見表5。

表5 不同估計精度下的必要采樣數(shù)量

從表5可知，本研究中，在95%的置信水平下，在試驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)，土壤含水量、全氮、全磷、全鉀、速效鉀的實(shí)際采樣數(shù)量基本上達(dá)到了必要采樣數(shù)量的要求，P1和T1的有機(jī)質(zhì)含量實(shí)際采樣數(shù)量還需要增加，而相比起來，土壤有效磷的實(shí)際采樣數(shù)量與必要采樣數(shù)量相差較大，這和有效磷含量的變異程度高有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)與坡耕地相比，坡改梯3年農(nóng)田土壤含水量的變異系數(shù)較小，土壤容重減小，土壤孔隙度增大，土壤含水量均值高出坡耕地1.87百分點(diǎn)。

(2)坡改梯3年農(nóng)田的平均蓄水量，在0～20 cm土層比坡耕地高6.43 mm，在20～40 cm土層比坡耕地高1.88 mm，在40～60 cm土層比坡耕地高2.39 mm。

(3)與坡耕地相比，坡改梯3年農(nóng)田的pH值變小，酸堿性得到改善，更利于作物的生長；0～60 cm深度，坡改梯3年農(nóng)田的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、全磷和全鉀含量均值比坡耕地的含量均值分別高58.20%、80.99%、48.00%、81.24%、39.34%和8.10%?？傮w上，研究樣地的土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、全磷含量很低，土壤肥力整體上處于缺乏狀態(tài)，在之后長期的農(nóng)業(yè)耕種中應(yīng)注意氮肥和磷肥的合理使用。

(4)根據(jù)各項土壤指標(biāo)的變異系數(shù)，選取對應(yīng)的試驗(yàn)允許誤差，在95%的置信水平下求出了土壤各項指標(biāo)的必要采樣數(shù)量，其中有效磷的必要采樣數(shù)量較大。本研究中，土壤含水量、全氮、全磷、全鉀、速效鉀的實(shí)際采樣數(shù)量基本達(dá)到必要采樣數(shù)量的要求，有效磷的實(shí)際采樣數(shù)量不足，坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)的實(shí)際采樣數(shù)量略少。

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