黃土丘陵溝壑區壩地和梯田土壤養分特征與演變

郝麗婷，吳發啟

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100）

黃土高原丘陵溝壑區是典型的旱作農業區。農田生態系統中養分循環和平衡狀況既影響著生態系統的生產力和可持續性，又影響著人類賴以生存的環境［1］。土壤養分是土壤提供的植物生長發育所必須的營養元素，土壤養分受母質、氣候、生物、時間和人類活動的影響，其形態和形成過程相當復雜，具有高度的空間變異性［2］。了解土壤養分狀況，對于合理利用土地資源和改善恢復生態環境起著極其重要的作用。

壩地和梯田作為黃土高原的基本農田，兼顧著水土保持和糧食生產兩項任務，在解決糧食自給問題和區域經濟發展方面發揮著重要作用。近年來，針對黃土丘陵溝壑區壩地和梯田養分狀況的研究取得了很多成果。丁繼君等［3］和李海強等［4］針對水土保持措施對小流域土壤理化性質的影響進行了研究，發現采取水土保持措施（如壩地、梯田等措施）的區域土壤養分含量比坡耕地和荒坡地有所提高，化學性質改善明顯。但實際上，壩地和梯田的土壤養分狀況也很缺乏。何瑾等［5］和褚雅紅等［6］對壩地土壤養分分布特征及變異性進行了研究，得出除鉀素外，其它肥力要素含量較低，特別是有機質、全磷和速效磷含量趨于貧瘠化；周瑋瑩等［7］對壩地土壤C，N，P 計量特征進行研究，得出土壤礦化速度快但氮素缺乏，限制植物生長。在多種養分處于缺乏狀態的基礎上，包耀賢等［8］對壩地和梯田土壤氮素特征及演變進行了研究，并提出壩地土壤養分衰退的分水嶺年限為39～42 a，梯田為22～29 a。土壤養分受土地利用類型［9-11］、施肥條件［12］和地形條件［13］等多種人為因素和自然因素的影響而表現出不同的分布特征。基于上述關于黃土丘陵溝壑區壩地和梯田所面臨的養分缺乏和退化趨勢的問題，本文以陜西省延安市碾莊溝流域為研究區，以荒坡地作為對照，研究該區域壩地和梯田的土壤養分狀況、分布及演變特征，分析不同土地利用方式間土壤養分的差異，從而為同類小流域以及黃土丘陵溝壑區土地優化配置，土壤養分狀況維系與改善，進一步發揮土地增產潛力，提高糧食產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市寶塔區東北方向14 km，屬寶塔區李渠鎮轄區碾莊溝流域，為延河左岸的一級支溝，地處東經109°26′15″—109°37′30″，北緯36°37′00″—36°45′00″。碾莊溝流域海拔926～1 278 m，地形破碎，屬典型的黃土丘陵溝壑區。流域總面積54.2 km2，梁峁、溝谷共占總面積的90%以上，溝壑密度達到2.74 km／km2，主要為可侵蝕性高的黃綿土覆蓋。多年平均降水量527 mm，60%集中在6—9月份；年均溫9.4 ℃，≥10℃積溫2 500℃～3 400℃；為溫帶半濕潤半干旱地帶，大陸性季風氣候。流域內植被較少，墾殖指數較高，土地利用類型主要有壩地、坡耕地、梯田、撂荒地、農果間作地、灌木地、林地等類型。流域共有淤地壩192座，已利用壩地1.55 km2，流域內共有17個行政村，1 080戶，4 545人，人均壩地達3.40×10－4km2，年增產糧食9.30×105t，增加收入4.20×105元。

1.2 研究方法

采樣點選在延安市碾莊溝流域的主溝和3個支溝，采樣時間為2016年4月（農地尚未施肥），沿溝口到溝掌方向，壩地選取劉莊3號壩、羊圈溝1號壩、羊圈溝5號壩、好義后溝25號壩、雙田4號壩、新莊科1號壩、石家畔4號壩和三道溝8號壩共計8塊壩地進行采樣，壩地內沿壩中線從壩前、壩中、壩尾3個部位采樣；梯田按照梯齡、坡位和坡向進行采樣，選取羊圈溝壩、雙田6號壩、好義后溝10號壩、雙田1號壩和雙田4號壩附近的5 塊梯田進行采樣，梯田內按內、中、外不同部位采樣；在查閱以往采樣資料和走訪群眾的基礎上，確定研究區壩地的利用年限分別為34，44，46，49，53，56，58和61 a，梯田的利用年限分別為18，21，38和40 a。同時，在劉莊3號壩、羊圈溝5號壩、雙田6號壩、新莊科1號壩附近選擇了4塊荒坡地進行采樣。壩地、梯田和荒坡地采樣深度均為80 cm，層次間隔20 cm。壩地所有土樣用土鉆取樣后經風干過篩測定其養分含量。

借鑒包耀賢［14］采用常規方法測定土壤理化指標，試驗于2017年3月至2017年7月在西北農林科技大學資源環境學院進行。其中，有機質采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用半微量開式蒸餾法；全鉀采用NaOH 熔融火焰光度法；速效鉀采用NH4Ac浸提火焰光度法；全磷采用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；速效磷采用Na HCO3浸提鉬銻抗比色法。

1.3 數據處理

根據攝曉燕等［15］的方法，供肥強度＝（速效養分／全量養分）×100%；

表聚系數計算公式：

式中：Ci——耕層某營養元素占土壤剖面深度該營養元素總含量的比值（表聚系數）；Ni——第i層土壤營養元素含量（%）；Di——第i層土層厚度（cm），對于黃綿土耕層，厚度m＝1，n＝4（采樣層次）［16］。

試驗數據采用Excel 2016 進行整理；用SPSS 22.0 進行描述性統計，多重比較和相關性分析；用Origin Pro 2016進行作圖和方程擬合。

2 結果與分析

2.1 土壤養分的垂直變異分析

土壤養分的垂直分布具有明顯的層次性。由表1可知，80 cm 剖面內，壩地土壤各養分均表現為表層含量高于下層；梯田土壤養分除全磷表層略低于下層外，均表現為表層含量高于下層；荒坡地土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮均表現為表層含量高于下層，全鉀和全磷含量層間差異不大。

表1 黃土丘陵溝壑區土壤養分（統計均值）的垂直分布及變異性

由表1可知，壩地土壤速效磷、全氮、全磷、有機質、速效鉀和全鉀的平均變異系數分別為73.79%，70.09%，52.14%，46.20%，37.21%，20.97%；梯 田土壤速效磷、全磷、全氮、速效鉀、有機質和全鉀的變異系數分別為102.90%，61.54%，53.29%，35.67%，32.69%，22.32%；荒坡地土壤全氮、速效磷、有機質、全磷、速效鉀和全鉀的變異系數分別為50.66%，60.76%，37.43%，49.21%，29.62%，36.69%。整 體來看，除土壤鉀素外，壩地、梯田和荒坡地的其它土壤養分指標的變異系數均處于高等變異水平，尤其是土壤磷素和全氮。土壤養分的變異系數是土壤內在性質的反映，能夠區別不同土壤養分對外界條件的敏感性［17］。土壤磷素的變異系數較大，可能和土壤磷素易轉化成難溶性化合物有關，也可能與磷肥定點施用造成磷素移動性差、當季利用率低有關；全氮變異系數較大，可能和氮的揮發、淋溶等較強的遷移性有關；鉀素的變異系數小，可能由于鉀素主要受地形和土壤類型影響，而且施入土壤中的鉀肥移動性相對較大，致使鉀素分布較均勻。

3種不同土地類型下，速效磷、速效鉀、有機質、全鉀和全磷含量表現為：荒坡地＞梯田＞壩地，全氮含量表現為：荒坡地＞壩地＞梯田。速效磷、全磷和全鉀的變異系數表現為：梯田＞壩地＞荒坡地，有機質的變異系數表現為：壩地＞荒坡地＞梯田。全氮的變異系數表現為：壩地＞梯田＞荒坡地，速效鉀的變異系數表現為：壩地＞梯田＞荒坡地。說明目前該區域荒坡地的土壤養分狀況最好，可能是由于壩地和梯田重用輕養導致的土壤肥力退化，特別是壩地更為嚴重。在變異系數方面，除有機質和全氮之外，不同樣點間壩地和梯田的變異性大于荒坡地，說明長期頻繁的人為擾動使得土壤養分對外界條件更為敏感。

2.2 表層土壤養分特征

許明祥等［18］研究表明表層土壤養分對外界條件的敏感性更大，植被和土壤環境因子主要對表層土壤養分產生影響。土壤表層某營養元素占整個剖面該營養元素總含量的比值稱為表聚系數，用不同層次土壤某營養元素含量及相對深度乘積加權平均求得，其值越大，表聚性越強［16］。本研究中土壤分為4層，由于每層厚度相同，因此，凡是表聚系數大于0.25的土壤養分，都具有表聚性特征。由圖1可知，壩地、梯田和荒坡地土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮的表聚系數均明顯大于0.25，說明以上養分均具有表聚性特征。壩地、梯田和荒坡地土壤全鉀的表聚系數均在0.25左右，說明不同土地類型下，其土壤全鉀在80 cm剖面均表現出均勻分布的特征。此外，僅荒坡地土壤全磷大于0.25，說明其具有表聚性特征；壩地土壤全磷在0.25左右，說明其在80 cm 剖面內分布較均勻；梯田土壤全磷小于0.25，說明其分布更集中于下層，結合其剖面含量來看（表1），在20—40 cm 土層全磷含量更高，但其他3 層全磷含量差異不大。總的來看，壩地、梯田和荒坡地土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮具有明顯的表聚性特征，而這4種養分與作物生長密切相關，目前該區域3種土地類型下土壤養分剖面分布狀況均有利于作物生長。壩地和梯田土壤全鉀和全磷在80 cm 剖面內分布均勻，而荒坡地結合其剖面含量來看，全鉀和全磷含量剖面差異較大，宜適當翻土改善其剖面分布特征。

圖1 不同土地類型土壤表層養分含量的比值

2.3 土壤養分水平分布特征

養分空間分布受周邊區域性因素和泥沙沉積規律影響，耕作開始之后，不均勻的管理如施肥、耕作方式等隨機因素共同作用，進一步增加了空間的不均勻性。相對于荒坡地，壩地和梯田人為擾動最為頻繁且有周期性、高強度的特點［19］，從表2可知，壩尾土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮和全鉀含量分別比壩中高19.91 %，4.54%，15.00%，63.33%，10.29%，比壩前高13.72%，4.61%，22.24%，28.95%，11.22%；壩中土壤全磷分別比壩前和壩尾高14.71%和11.43%。梯田上坡速效磷、有機質和全氮含量分別比中坡高67.27%，1.62%，16.22%，比下坡高126.60%，4.31%，26.47%；梯田下坡速效鉀、全鉀和全磷分別比上坡高2.61%，4.18%，38.24%，比中坡高9.70%，5.37%和2.17%。就壩地而言，土壤速效磷、速效鉀、全氮和全磷含量在壩前、壩中和壩尾3個部位不存在顯著性差異；全鉀在壩尾顯著（p＜0.05）大于壩前，與壩中差異不顯著；有機質在壩尾顯著（p＜0.05）大于壩前和壩中。就梯田而言，土壤速效鉀、有機質、全氮、全鉀和全磷含量在上坡、中坡和下坡3個部位不存在顯著性差異，而速效磷在上坡顯著（p＜0.05）大于下坡，與中坡差異不顯著。

總體來看，壩尾土壤各養分含量均高于其它位置，有機質和全鉀含量更是顯著（p＜0.05）高于其它位置，而有機質對改善耕層作物生長具有重要作用［20］，所以壩尾土壤養分狀況更好，更利于作物生長。梯田除上坡土壤速效磷顯著（p＜0.05）高于下坡外，上坡土壤有機質和全氮含量更高，說明上坡更利于作物生長，而下坡全量養分含量更高。

2.4 土壤供肥能力

供肥強度能一定程度上反映土壤潛在養分轉化為速效養分的速度，是土壤供肥性能的一個重要參數［21］。由表3可知，壩地和梯田土壤的供肥特性不同。從垂直剖面來看，壩地和梯田供磷強度和供鉀強度均表現為表層最高，且梯田表層供磷強度高于壩地，二者的供鉀強度差異不大。從水平分布來看，壩地在壩尾位置供磷強度最大，供鉀強度各部位差異不大；梯田在上坡供磷強度最大，供鉀強度各部位差異不大。表明土層深度和水平分布對土壤磷素的有效性轉化有一定影響，而土壤供鉀能力僅表現出土壤表層最高的特征，水平分布差異不大。整體來看，壩地土壤供磷強度為2.05%，供鉀強度為0.53%；梯田土壤供磷強度為2.45%，供鉀強度為0.57%。相較之下，梯田土壤的供肥性能稍高于壩地。

此外，荒坡地的供磷強度和供鉀強度整體要優于梯田和壩地，其平均供磷強度為2.70%，供鉀強度為0.67%。其中，60—80 cm 土層的供磷強度明顯更高，其原因是60—80 cm 土層全磷含量低，而速效磷含量相對很高，對此需要深翻土地，改善養分分布不均勻的現狀。

表2 壩地和梯田土壤養分水平分布特征

表3 2016年不同土地類型土壤供肥強度

2.5 土壤養分動態變化特征

土壤養分反映了土壤對植物根系養分供應的潛力以及養分的轉化存在狀態和有效性。研究土壤養分動態變化，對了解、預測土壤養分的演化趨勢從而進行有效調控有重要意義。以下就不同年限土壤養分的演變進行分析。從圖2可以看出，壩地和梯田隨著經營年限的增加，土壤養分的演變存在著不同程度的差異。隨著利用年限的增加，梯田土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷均表現為先減后增的明顯的“凹”字型趨勢，而全鉀的變化趨勢則較為平緩；壩地土壤養分整體趨勢都較為平緩，速效磷和全磷表現為平緩的先減小又增加的“凹”字型趨勢，速效鉀和全鉀表現為平緩的先增加后減少的“凸”字型趨勢，有機質和全氮表現為緩慢上升的趨勢。

梯田土壤養分變化的分水嶺年限約在30 a左右，壩地土壤分水嶺年限約在經營時間45～50 a之間，壩地拐點年限至少滯后梯田15 a，揭示出研究區壩地土壤養分的供給更具有持久性和穩定性。此外，包耀賢［14］在2008 年對該研究區壩地和梯田進行研究，結果表明梯田分水嶺年限約在20～28 a，壩地約在40～42 a，壩地土壤養分開始衰退的年限比梯田滯后至少13 a。相較10年前，梯田分水嶺年限延長近3 a，壩地分水嶺年限延長近6 a，表明該區域梯田和壩地養分狀況有所好轉。

2.6 土壤養分分級水平

參照表4土壤養分分級標準可知，目前該區域速效磷含量壩地處于“稍低”水平，梯田處于“一般”水平；有機質含量壩地處于“極低”水平，梯田處于“低”水平；此外，壩地和梯田土壤速效鉀及全量養分水平一致，其中，速效鉀處于“一般”水平，全鉀處于“較高”水平，全磷處于“低”水平，全氮處于“極低”水平。荒坡地土壤全鉀、速效鉀、速效磷、有機質和全氮含量分別處于“較高”、“較高”、“一般”、“低”和“低”水平，全磷處于“極低”水平。

目前該區域壩地土壤缺乏速效磷、全磷、有機質和全氮，土壤鉀素含量較為豐富；梯田和荒坡地土壤缺乏有機質、全磷和全氮，土壤全鉀含量豐富，速效養分含量處于“一般”水平。日后該區域要增施有機肥，補充氮肥、磷肥來增加土壤中有機質、氮素和磷素的含量，通過優化施肥方式來保證土壤中養分的平衡，促進農業的可持續發展。對于荒坡地，其養分含量經多年撂荒已明顯恢復，但養分剖面分布不均勻，建議翻土促進其養分均勻分布，配以合理的人為管理措施，進一步改善其土壤養分狀況。

圖2 壩地和梯田土壤養分演變動態

表4 陜西省土壤養分分級標準

3 結論

（1）3種土地類型下，荒坡地土壤養分含量最高，變異系數最小，供肥強度最高，但其全鉀和全磷剖面分布差異較大。壩地和梯田在空間分布上具有明顯的層次性。從垂直剖面來看，壩地和梯田土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮含量均在0—20 cm 層最高，具有明顯的表聚性特征，且隨土層深度增加有一定的增加趨勢；全氮和全鉀在80 cm 剖面內分布均勻。此外，壩地和梯田相比，速效磷、速效鉀、有機質、全磷和全鉀含量表現為梯田＞壩地，全氮含量表現為壩地＞梯田；速效磷、全磷和全鉀的變異系數表現為梯田＞壩地，速效鉀、有機質和全氮的變異系數表現為壩地＞梯田。除土壤鉀素處于中等變異水平外，其它土壤養分均處于高等變異水平，其中土壤磷素和全氮變異系數較大。從水平位置來看，壩尾土壤養分含量均高于其它位置，梯田上坡土壤速效磷、有機質和全氮含量更高，下坡速效鉀、全鉀和全磷含量更高。此外，壩地和梯田的供肥性能也表現出壩尾和上坡優于其它部位的特征。

（2）從養分動態變化來看，隨著利用年限的增加，梯田土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷均表現為先減后增的明顯的“凹”字型趨勢，而全鉀的變化趨勢則較為平緩；壩地土壤養分整體趨勢都較為平緩。速效磷和全磷表現為平緩的先減小又增加的“凹”字型趨勢，速效鉀和全鉀表現為平緩的先增加后減少的“凸”字型趨勢，有機質和全氮表現為緩慢上升的趨勢。梯田土壤養分分水嶺年限約在30 a左右，壩地土壤養分分水嶺年限約在45～50 a之間，壩地拐點年限至少滯后梯田15 a，揭示出研究區壩地土壤養分的供給更具有持久性和穩定性。

（3）目前該區域壩地土壤全氮、有機質、全磷和速效磷分別處于“極低”、“極低”、“低”和“稍低”水平，速效鉀和全鉀處于“一般”和“較高”水平；梯田土壤全氮、有機質、全磷分別處于“極低”、“低”和“低”水平，速效磷和速效鉀處于“一般”水平，全鉀處于“較高”水平；荒坡地土壤全磷、全氮和有機質分別處于“極低”、“低”和“低”水平，速效磷處于“一般”水平，速效鉀和全鉀處于“較高”水平。3種土地類型下，土壤養分水平整體表現為荒坡地＞梯田＞壩地，說明撂荒對土壤養分有改善作用，但其養分剖面分布不均勻，建議適當翻土進一步改善其養分狀況，適時重新開墾耕作。和壩地相比，梯田短期內養分狀況更好，但梯田養分供給的持久性和穩定性不如壩地，應定期關注接近拐點年限的土壤養分狀況，針對性的補充磷素、氮素和有機肥，通過合理的管理措施，延長其利用年限，促進農田土壤肥力可持續發展。