黃土丘陵溝壑區溝道造地土壤養分變化特征及評價

王 晶, 董起廣, 張 露, 白清俊

(1.西安理工大學 水利水電學院, 陜西 西安 710048; 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司 陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司 自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室 陜西省土地整治工程技術研究中心, 陜西 西安 710075)

黃土高原是中國水土流失最嚴重與生態環境最脆弱的地區，同時承擔著重要的農業生產任務。這一地區曾因開墾農地使生態環境遭到嚴重破壞[1]，雖然退耕還林還草工程的大規模實施極大改善了區域生態環境，但也導致耕地面積減少，出現可利用耕地緊張，糧食供需不平衡的局面[2-3]。為解決局部人—糧矛盾等突出問題，延安市治溝造地項目從2010年開始試點，2013年被列為中央支持的國家土地整治重大工程項目[4]。治溝造地工程針對黃土丘陵溝壑區特殊地貌，通過閘溝造地、打壩修渠、墊溝覆土等措施，旨在增加區域耕地面積，提高耕地質量，保證糧食安全、解決人地矛盾[5]。截至2018年底，已完成治溝造地33 973.33 hm2，新增耕地6 860 hm2[6]。

土壤養分是構成土壤肥力的物質基礎，其時空分布特征對土壤環境質量和作物健康狀況都有著重要的影響[7]。土地整治措施例如機械碾壓、土壤深翻、表土剝離以及回填，打破了土壤的原始狀態，可能對土壤的有機質及速效養分含量產生一定的影響。研究發現，經過土地整治，土壤肥力在一段時間內呈現下降趨勢，土壤氮、磷、鉀等養分和有機質含量減少，微量元素降低[8-11]。自開展治溝造地工程以來，我國學者對黃土高原地區溝道土壤質量和養分的變化進行了一些研究。王鵬等[12]以13個治溝造地項目為研究對象，分析評價了治溝造地新增耕地的土壤養分特征，表明治溝造地形成的新增耕地質量等級低，由于利用時間短，造成有機質、速效鉀和有效磷含量低；付威等[13]研究表明合適的培肥可快速提高治溝造地新構造土地的土壤有機質，改善耕層土壤物理及化學性質，提升土地生產力；陳淑梅等[14]從陜北不同溝道土地鹽堿化的研究中發現，治溝造地的土層較薄，加之水庫或淤地壩的阻擋作用，使得地下水位較淺，土壤易發生鹽堿化。然而，目前在溝道土地整治后較長時間尺度上土壤養分的變化還未見深入研究。因此，本文以陜西省延安市寶塔區南泥灣鎮九龍泉土地整治項目為例，對不同整治年限溝道不同位置的土壤樣品進行采集，研究整治前以及整治后不同年限土壤有機質、氮、磷、鉀指標的變化特征，為這一地區改進土地整治方法，采取合理耕種管理措施，提高養分資源利用率提供有效建議；并通過物元模型對治溝造地工程前后土壤養分進行綜合評價，為治溝造地項目效益評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

延安市寶塔區位于北緯36°11′—37°02′，東經109°14′—110°07′，南北長96 km，東西寬76 km。屬半濕潤半干早大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中，多年平均降水量為562.1 mm，降水量年內分配不均，6—9月平均降水量占全年降水量的70%左右。全年平均氣溫9 ℃，平均無霜期179 d。寶塔區位于黃土高原中部，屬于黃土丘陵溝壑區，土壤類型為黃綿土。區內地形破碎，溝壑縱橫，沖溝下切強烈，地形坡度較大，水土流失嚴重。

寶塔區南泥灣鎮治溝造地項目是延安市治溝造地整治示范工程和樣板工程。本文選取九龍泉典型治溝造地項目區作為研究對象。九龍泉溝地處汾川河流域，位于寶塔區南部的梁峁丘陵溝壑區，屬河谷川、臺地貌，西南—東北走向，溝道長約9.5 km，河道海拔自北向南由1 170 m降至1 093 m，平均比降0.78%，河谷寬一般在250～500 m之間，面積為397.35 hm2。溝道土地多開墾為農田，種植前為旱地，農作物一年一熟，水資源比較匱乏，無灌溉條件，糧食單產水平偏低，春玉米產量約3 750～5 700 kg/hm2。治溝造地工程于2013年初開工建設，建設規模360.91 hm2，總投資4 411.65萬元。通過治溝造地工程措施，完成土地平整，建立灌溉排水、道路橋涵、生態防護工程。該區主體工程于2014年初竣工，并于當年開始耕種，種植作物主要為玉米，每年于4月底至5月初播種，10月收獲，產量提高到約7 500 kg/hm2。種植年限內，施用復合肥，肥料作為基肥在播種時同時施入，盡量保證撒施均勻，同時在拔節期追施氮肥，施肥量與施肥方式與整治前相同，玉米收獲后秸稈部分粉碎還田，冬季休耕，其他耕作措施與當地傳統耕作方式相同。

1.2 土壤樣品的采集及測定

在九龍泉溝溝道，利用GPS定位，從溝頭位置開始，順溝道向溝口每隔一段距離(800～1 300 m)設置一個點，溝頭、溝道中部、溝口共設置9個固定樣點(表1)。于2013年4月項目開工前、2015年7月、2016年7月及2019年6月采樣，每次按照GPS信息定位固定樣點，再以每個固定樣點為中心，根據地形地貌，在10 m半徑內，按照“S”形隨機選擇5個土壤樣點，采用直徑40 mm的土鉆采集0—30 cm土層的土壤樣品，每個土樣1 000 g左右，重復3次，同時注意在采樣時避開施肥點。將采集的樣點土壤充分混合均勻后，得到整治前(0 a)、整治后2 a、整治后3 a和整治后6 a 4個時期土壤樣品。樣品在實驗室經風干、研磨、過篩后進行指標測定。土壤有機質采用K2CrO7-H2SO4氧化法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用CH3COONH4浸提—火焰光度法測定[15]。

表1 采樣點基本信息

1.3 數據處理

研究采用經典統計分析、地統計分析相結合的方法，采用SPSS 18.0(SPSS Inc.,Chicago, USA)進行統計分析，不同整治年限的差異顯著性采用單因素方差分析(ONE-WAY ANOVA， LSD)檢驗。

1.4 物元模型評價方法

研究應用物元模型進行土壤養分評價。由于土壤養分是一個多指標體系，明確的評價標準可能會導致信息遺漏，而基于可拓理論的物元模型顯示了土壤養分的過渡狀態，建立起能夠變動和分解的內部結構，并計算各個指標與整體的關聯度，全面地反映土壤養分的內部結構與各個指標之間的關系，由此綜合判斷區域土壤養分的基本情況[16-17]。物元模型分析首先對每個評價指標進行分級，定義區間和取值范圍，確定經典域和節域，然后通過單個指標的關聯函數計算單個指標的土壤養分等級，再通過模型集成得到多指標的綜合土壤養分水平。

2 結果與分析

2.1 土壤養分指標統計分析

就土壤養分各指標均值而言，除了速效鉀以外，研究區溝道內土壤養分含量普遍較低(表2)，根據全國第二次土壤普查土壤養分分級標準[18]，有機質屬于4—5級水平，全氮屬于2—6級水平，有效磷屬于3—6級水平，速效鉀相對較高，屬于1—3級水平。土地整治前，溝道中土壤養分變異程度較大，變異系數介于0.30～0.77之間，屬于中等變異程度[19]，其中有效磷變異程度最大，離散程度高，其次是全氮和有機質，速效鉀變異程度最小。治溝造地工程實施后，溝道中的各養分變異系數整體上有變小的趨勢，6 a時變異系數介于0.23～0.54之間，土壤養分各指標含量差異變小，在溝道中的分布趨于均一。

2.2 土壤養分時空變異特征

2.2.1 土壤有機質 由圖1可以看出，整治前，九龍泉溝溝頭有機質含量為12.02 g/kg，溝道中部稍高于溝頭，溝口有機質含量最高，為19.27 g/kg。工程實施后，溝道中的土壤有機質含量呈現出隨整治年限增加而先減少后增加的趨勢，但整治后6 a的土壤有機質含量平均值仍然低于整治前。溝頭整治后2 a有機質含量下降為9.44 g/kg，隨著整治年限的變長有機質含量逐漸增加，6 a時達到11.75 g/kg，基本恢復到整治前水平，隨整治年限增長的變化并不顯著。溝道中部的土壤有機質含量在2 a顯著下降，下降了30%左右，3 a繼續下降，6 a時稍有回升，達到11.09 g/kg，但從2 a到6 a的變化并不顯著，仍然顯著低于整治前。溝口土壤有機質含量的變化與溝道中部基本一致，整治后2 a顯著下降，2 a以后逐漸增加，整治后6 a仍比整治前水平低15.4%。從溝道不同位置整治年限的差異顯著性分析可知，治溝造地工程對溝頭土壤有機質含量的影響較小，有機質含量變化不明顯，對溝道中部的影響更為顯著。整治后，由于表土剝離的擾動或溝坡側面貧瘠土壤的覆蓋，土壤表層有機質含量低于整治前；之后，土壤生態系統經過2～3 a的調整，通過施肥等管理措施以及作物的自肥作用，加深了土壤的腐殖質層，使表層有機質含量增加，當整治年限增至6 a時，土壤系統進一步趨于穩定，植物的生長和根系下扎也提高了下層土壤有機質的來源，促進了土壤有機質的形成，其含量進一步升高。

表2 不同整治年限溝道土壤養分的最大值、最小值、均值及變異系數

注：不同小寫字母表示不同整治年限間差異顯著性(p<0.05)。

2.2.2 土壤全氮 整治前，全氮含量表現為：溝頭<溝道中部<溝口，治溝造地工程后，溝道中的土壤全氮含量呈現出隨整治年限先增加后減少的趨勢，整治后所有年限的土壤全氮含量均高于未整治土壤。溝頭整治后全氮含量逐漸增加，3 a時達到最高0.78 g/kg，隨后稍有減少，3 a及6 a的含量均顯著高于整治前，是整治前的2倍以上。溝道中部的土壤全氮含量在2 a顯著增加，隨后逐漸減少，6 a時回落到與整治前相當水平。溝口土壤全氮含量的變化趨勢與溝道中部較為一致，2 a時顯著增加，隨后逐漸降低，其增加的比例比溝道中部更大(圖1)。

2.2.3 土壤有效磷 同全氮含量變化趨勢一致，隨著整治年限變化，研究區土壤有效磷含量整體上呈現出隨治理年限先增加后減少的趨勢，整治后土壤有效磷含量均高于未整治土壤。溝頭未整治土壤有效磷含量較低，為5.01 mg/kg，整治后2 a有效磷含量逐漸上升，到3 a時達到最高值14.62 mg/kg，為整治前的近3倍，6 a時回落至6.29 mg/kg，與整治前差異不顯著。溝道中部和溝口的土壤有效磷含量隨整治年限變化趨勢與溝頭一致，其中溝道中部土壤有效磷含量變化的幅度最小(圖1)。

2.2.4 土壤速效鉀 整治前土壤速效鉀含量表現為：溝頭>溝道中部>溝口，溝頭最高為255.04 mg/kg。整治年限對速效鉀的影響與氮、磷不同，從溝道中土壤速效鉀含量的平均值可看出，整治后土壤中的速效鉀含量基本上呈現下降的趨勢。溝頭土壤速效鉀含量呈現了下降—回升—再下降的過程，整治后2 a下降較為顯著，所有年限均低于整治前。溝道中部的土壤速效鉀含量從整治前的184.67 mg/kg持續降低到整治后6 a的146.93 mg/kg，整個過程變化并不顯著。溝口的土壤速效鉀含量的變化與溝頭相似，2 a顯著下降，3 a稍有提高，6 a持續了下降的趨勢，整治后2 a，6 a土壤速效鉀含量均顯著低于整治前(圖1)。速效鉀含量與全氮、有效磷的變化規律不同，未見顯著增加，這可能與流域內速效鉀含量較高，農業施肥等措施影響不顯著有關。

2.3 土壤養分綜合評價

本文選取有機質、全氮、有效磷、速效鉀4個指標作為評價指標，通過層次分析法確定權重[20]，并運用物元模型，對治溝造地項目土壤養分等級進行評價研究。

2.3.1 指標權重的確定 采用AHP法對各指標進行賦權(表3)。其中λmax=3.98，計算出一致性指標Ic=0.002 6，查表得出平均隨機性指標IR=0.9，則隨機一致性比率Rc=Ic/IR=0.003 <0.1，表示結果通過一致性檢驗，具有滿意一致性。

表3 土壤養分評價因子權重

2.3.2 經典域、節域和待判物元的確定 依據可拓集合概念，將土壤養分分為豐富、較豐富、適量、貧乏、極貧乏5個等級進行分等評價，分別用羅馬數字Ⅰ-Ⅴ表示。首先，擬定N1，N2，N3，N4，N5這5個連續的數據集，分別對應5個評價等級。

采用全國第二次土壤普查土壤養分的分級標準[18]，建立土壤養分評價的經典域物元R1，R2，R3，R4，R5和節域物元RP。由于速效鉀數據中有部分超出經典域范圍，故對應c4的量值范圍進行相應的變化。

確定待判物元。以整治前溝頭為例，該點平均數據為：有機質12.02 g/kg，全氮0.34 g/kg，有效磷5.01 mg/kg，速效鉀255.04 mg/kg，以此數據確定該點S1的待判物元。

2.3.3 計算關聯度，并確定質量等級 將待判物元帶入關聯度公式，以單指標c1(有機質)為例(v1=12.02)，可得到該指標對應的各評價等級關聯度分別為K1(v1)=-0.599 2，K2(v1)=-0.398 8，K3(v1)=0.202 4，K4(v1)=-0.144 1，K5(v1)=-0.333 8，依據判斷標準，判定該指標的土壤養分級別屬于N3，即適量級別。

用同樣方法可以求出S1其他各項指標對應各等級的關聯度及其養分級別。根據各項指標所對應的各等級關聯度及權重，計算得出所有指標對應各評價等級的綜合關聯度，并依據判斷標準，判定各點土壤養分級別(表4)。根據表4，治溝造地工程前，九龍泉溝溝道中土壤養分等級均屬于適量等級。工程實施后2 a，溝頭的土壤養分評價等級下降到貧乏級別。但通過3 a的耕種，即恢復到適量水平。溝道中部的土壤養分等級一直維持在適量水平。溝口的土壤養分評價等級在3 a時，超過整治前水平，達到較豐富等級，6 a時再次恢復到適量水平。

表4 土壤養分綜合評價的相關計算結果

3 討 論

3.1 土壤養分的時間變化

目前九龍泉溝道內，除鉀素外，土壤磷素、氮素和有機質均處于缺乏狀態。楊靜涵、郝麗婷等人在這一地區土壤養分的研究中，均表明了相似結果[21-22]。研究發現，經過整治的土地，由于表土剝離及生土覆蓋等原因，土壤養分呈現下降趨勢，土壤速效氮、速效磷、速效鉀和土壤有機質顯著減少。然而，經過一段時間的恢復(3～5 a)，同時加以施用化肥等措施，土壤養分各項指標均有了明顯的提高，甚至高于整治前[23-25]。本研究中，全氮、有效磷在整治后第2,3 a就呈現出高于整治前的增長趨勢，說明溝道土地整治通過合理的耕種管理措施，能較快抵消因土地整治擾動對土壤養分帶來的負面影響，產生正面的影響。因為黃土高原地區土壤條件相對貧瘠，各種養分含量較低，雖然土地整治擾動對土壤養分帶來了負面影響，但治溝造地工程后通過更加便利的耕作管理措施，如機器翻耕，增加了土壤孔隙，保證了耕層土壤均勻，確保降水可順利入滲補給，且有利于養分的積累，因此施肥措施使氮磷等土壤養分含量增長較快，并在耕種一定時間后，隨著作物吸收等因素，趨于穩定狀態。土壤有機質含量呈現出先減少后逐漸增加的趨勢。因為有機質的形成積累是個緩慢的過程，并不能靠化學施肥迅速提升，因此直到整治后6 a，也未恢復到整治前水平。相比較速效養分，其增長具有長期性和滯后性。因此在后期耕作管理中，應采取施用有機肥、秸稈還田、種植綠肥等措施，提升土壤有機質[26]，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。速效鉀的含量相對較高，可能與黃綿土中鉀素含量相對較高有關，因此施肥等措施對于鉀素含量的影響并不顯著。

3.2 土壤養分的空間變化

因水流的運移和沉積作用，溝口通常是溝道養分的聚集區，因此溝口土壤養分含量普遍高于溝頭和溝道中部，溝道內土壤養分變異程度較大，屬于中等變異程度。治溝造地工程實施后，由于土地整治措施以及后期耕種管理等因素，溝道內土壤養分變異系數隨整治時間有變小的趨勢，土壤養分分布趨于均一，這與王璦玲、王宏庭等的研究結果一致[27-28]。隨著整治年限繼續增加，溝道不同位置的養分差異有可能因地形、水土流失等原因進一步變大。因此，可根據溝道不同位置土壤養分空間變異特征，調整溝道作物的空間布局，實施不同程度和方法的管理措施，提高養分資源的利用率，增加糧食產量。

3.3 溝道造地優勢

由于退耕還林使黃土高原耕地面積減少，引起人—地矛盾問題，已經有退耕土地進行復墾現象，但退耕地復墾使土壤理化性狀迅速惡化，切不可取[29]。溝道是流域中水養的富集地，通過適當的土地整治后十分適宜農業耕作，蘊藏著豐富的潛在耕地資源。有研究表明，黃土丘陵溝壑區溝道耕地糧食產量遠遠大于坡耕地，有“寧種一畝溝，不種十畝坡”的說法[30]。本研究表明，治溝造地工程后3 a土壤養分評價等級就恢復到與整治前相當水平，與黃土區坡改梯工程相比，土壤養分的恢復時間更短[31]。同時，土壤養分含量在適量水平，整治后土壤養分水平還有繼續提高的潛力。因此相比較坡面，黃土丘陵溝壑區溝道更適合建造耕地，治溝造地工程能夠有效緩解這一地區糧食安全與人地矛盾問題，鞏固退耕還林成果。

4 結 論

(1) 除速效鉀外，研究區土壤養分含量普遍較低。溝道中土壤養分變異程度較大，變異系數介于0.30～0.77之間，屬中等變異程度，其中有效磷最大，其次是全氮、有機質，速效鉀變異程度最小。治溝造地工程后，溝道中土壤養分變異系數有變小的趨勢，土壤養分分布朝均一化方向發展。

(2) 溝道土地整治后6 a時間內，隨整治年限增加，土壤有機質含量呈現出先減少后增加的趨勢，6 a時含量低于整治前；土壤全氮和有效磷含量呈現先增加后減少的趨勢，6 a時高于整治前；土壤速效鉀含量持續降低。合理的耕種管理措施能較快抵消因土地整治擾動對土壤養分帶來的負面影響，產生正面影響。后期應注重土壤有機質含量水平提升。

(3) 溝道土地整治后3 a，土壤養分評價等級恢復到整治前水平，且有繼續提高的潛力，可根據溝道不同位置土壤養分變異特征，調整溝道作物的空間布局，實施不同程度和方法的管理措施，提高養分資源的利用率，增加糧食產量。