旱作條件下海拔梯度對土壤理化性質的影響

吳大方，黃明鏡，王國芳，張吳平

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西太原030031；3.山西農業大學軟件學院，山西太谷030801）

耕地土壤是農業生產的基礎，為我國41%的農村人口提供了生活保障。我國人均耕地僅占世界人均耕地的44%。當前，耕地土壤面臨的問題主要體現在2 個方面，一方面，目前我國耕地的資源環境承載能力已經接近極限；另一方面，隨著工業化、城鎮化發展以及國民食物消費結構的變化，我國用于生產口糧的耕地總量呈現減少趨勢[1]。在耕地數量接近紅線的情況下，土壤質量的提高成為廣大學者研究的熱點。而且由于耕作措施的改革，土壤的理化性質與傳統農業時期相比也發生了變化。山西省是典型的雨養農業，水資源不充分，土壤質量對于農業生產的影響較大，只有根據土壤質量條件制定適當的農業生產措施，才能達到高產優質高效、持續發展的要求[2]。付麗霞等[3]研究表明，土壤肥力較差的土地，通過增施優質農家肥、實行秸稈還田，可以較好地改善土壤理化性狀。金永貴等[4]研究發現，與免耕相比，休閑期耕作可以改善土壤物理性狀，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤≥0.25 mm團粒粒徑的比例。在此背景下，調查耕地土壤理化性質，對耕地進行特殊保護、提高耕地土壤可持續發展能力顯得尤為重要。

海拔作為間接生態因子，通過影響土壤所處環境的溫度、濕度、風速、日照強度、日照時長等環境因子，影響土壤的理化性質。已有大量研究發現，土壤理化性質與海拔高度有著密不可分的關系。許連富等[5]研究表明，不同海拔梯度下，土壤類型的差異較大，不同土壤類型的土壤受到環境影響時其理化性質變化的幅度和敏感度有一定區別。土壤理化性質與海拔梯度的相關性較高，土壤有機質、含水量會隨海拔升高而升高，pH 值隨海拔升高呈先降低后升高的趨勢，土壤表層全氮含量隨海拔升高而顯著增加[6]。吳玥等[7]研究表明，土壤有機質含量會隨海拔升高而呈現先升高再降低的趨勢，在一定海拔高度達到最大值。高大威等[8]研究發現，土壤pH 值隨海拔升高而呈先增加后減小的變化趨勢；而土壤全磷和全鉀含量隨著海拔升高呈現減小趨勢，土壤堿解氮和速效磷含量隨著海的拔升高均呈顯著增加趨勢；土壤有機碳、全氮、速效鉀和碳氮比隨海拔升高變化不顯著。魏強等[9]研究表明，隨著海拔變化，土壤容重、總孔隙、有機質、全氮、堿解氮、全磷、全鉀和速效鉀無明顯變化。王長庭等[10]研究表明，土壤有機質、土壤全氮、土壤速效氮、土壤全磷含量隨海拔升高呈現先降低再升高的趨勢。

對于旱作區耕地土壤理化性質的研究大多以耕地土壤養分動態為主，但對于耕地土壤理化性質與海拔梯度相互關系的研究較少。山西省晉南地區（包含運城、臨汾兩地）的海拔跨度較大，且海拔高度分布不均勻，是山西典型的旱作區。其中，垣曲縣與鄉寧縣黃河灘兩地的海拔不足400 m，而太岳山的霍山與垣曲縣舜王坪海拔高達2 300 m[11]。區域范圍內地形多樣，高地懸殊，有高山、丘陵、平原、洼地等多種地形，因而既有緯度地帶性氣候，又有明顯的垂直變化[12-13]，海拔跨度大，不同海拔高度上，日照、氣溫、氣壓、濕度等因子不同，對耕地土壤的影響不同。

本研究旨在探究山西省晉南地區旱作條件基礎上，不同海拔梯度上土壤全氮、pH、容重及有機質的分布規律，為山西發展有機旱作農業和合理利用土地資源及耕地資源的可持續發展提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

山西晉南地區位于汾河下游，地處黃河流域黃土高原，包含運城、臨汾兩地，是傳統的旱作農業區。其中，運城平均海拔約為370 m，臨汾為450 m，但境內有中條山、呂梁山、太岳山等山脈，最高海拔高達2 346.8 m，該地區海拔跨度比較大。夏季高溫多雨，年平均氣溫10～14 ℃，年降水量500～650 mm，無霜期160～220 d。耕地土壤多為褐土，表層有機質含量為0.7%～1.2%，適宜農作物的生長。研究區涉及運城和臨汾共18 個縣市。

1.2 土壤采樣方法

采樣地選自臨汾、運城兩地的襄汾縣、洪洞縣、垣曲縣、萬榮縣等18 個縣市的不同海拔耕地，根據其土壤類型選取，使樣品包含臨汾、運城兩地常見的各種土壤類型，選擇各地有代表性的耕地。海拔選擇范圍為350～1 177 m，共選取其中15 個海拔作為樣本，在選擇不同海拔的耕地時，由于耕地分布并不是嚴格按照同一距離分布，故采樣點之間的海拔差距在50～150 m 浮動。在每一海拔選擇一塊面積約500 m2的樣地作為1 個單元進行采樣，采樣方法使用五點采樣法，每個點取0～10 cm 和10～20 cm 環刀土和擾動土各3 個。將采集的擾動土樣混合均勻，帶回風干后過2 mm 篩用來測定pH、全氮含量，部分樣品過0.149 mm 篩用來測定有機質含量。將環刀帶回實驗室用烘箱測定容重。

1.3 測定項目及方法

采用重鉻酸鉀滴定法測定土壤樣品中的有機質含量，全氮含量采用凱式定氮法測定，土壤pH 值采用電位法（GB 7859—87）測定，土壤容重測定采用環刀法[14]。

1.4 數據處理

采用SPSS 25.0 和Excel 2019 進行數據處理與制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質與海拔梯度的相關性分析

表1 0～10 cm 土壤理化性質與海拔梯度的相關性分析

從表1 可以看出，0～10 cm 耕地土壤有機質和全氮含量與海拔梯度的相關性達極顯著水平（P＜0.01），相關系數分別達到0.737 和-0.873；且在該層土壤有機質和全氮的相關性也達到了極顯著水平（P＜0.01），相關系數為-0.762。

從表2 可以看出，在10～20 cm 土層，土壤有機質和全氮含量與海拔梯度的相關性達到極顯著或顯著水平，相關系數分別為0.669 和-0.608；且在10～20 cm 土層土壤容重分別與有機質和全氮含量相關系數分別達到了-0.566 和0.451，但未達顯著水平。

表2 10～20 cm 土壤理化性質與海拔梯度的相關性分析

2.2 土壤有機質與海拔梯度的關系

土壤有機質含量隨著海拔升高呈升高趨勢。經回歸分析得出，各土層有機質含量均與海拔梯度呈極顯著正相關（P＜0.01）（表3）；10～20 cm 土層有機質含量高于0～10 cm 土層有機質含量，但隨著海拔高度升高，0～10 cm 有機質含量不斷向10～20 cm 有機質含量靠近，并且最終0～10 cm 有機質含量有超過10～20 cm 有機質含量的趨勢（圖1）。

表3 表層耕地土壤有機質含量與海拔的回歸分析

2.3 土壤全氮與海拔梯度的關系

土壤全氮含量隨著海拔升高而呈降低趨勢。經回歸分析得出，各土層全氮均與海拔梯度呈顯著負相關（P＜0.05）（表4）。10～20 cm 土層全氮含量低于0～10 cm 土層全氮含量，但隨著海拔升高，0～10 cm 和10～20 cm 全氮含量相近，并且最終10～20 cm 全氮含量超過10～20 cm 全氮含量（圖2）

表4 表層耕地土壤全氮含量與海拔的回歸分析

2.4 土壤pH、土壤容重與海拔梯度的關系

0～10 cm 土壤容重和0～20 cm 土壤pH 與海拔梯度相關性均不顯著，而10～20 cm 土壤容重與海拔梯度顯著負相關（表5），10～20 cm 土壤容重隨海拔升高而降低。從回歸曲線（圖3、4）來看，在海拔梯度內，0～10 cm 土壤容重低于10～20 cm 土壤容重，0～10 cm 土壤pH 值低于10～20 cm 土壤pH 值。

表5 表層耕地土壤容重和pH 與海拔的回歸分析

3 結論與討論

山西省晉南地區是典型的中緯度干旱半干旱地區，晉南地區耕地多為旱作雨養。農業生產的基本環境因子是光、熱、水、肥、氣。而制約旱作農業產量的其中一個重要原因是地薄肥少[15]。晉南地區地形復雜，海拔跨度大，不同海拔耕地土壤的光、熱、水、氣有著較大差異，從而影響土壤理化性質。

旱作條件下，土壤水分較少，微生物活躍性低，土壤的理化性質直接影響著農業生產水平，土壤理化性質在空間和時間上呈現異質性分布[16]。本研究表明，0～10 cm 與10～20 cm 的有機質含量與海拔梯度呈極顯著正相關。這主要與當地的氣候環境有關，晉南地區地處盆地，日照時間長，但丘陵較多，海拔高處日照更加充足。隨著海拔的升高，作物受到的光合作用增強，C 元素更多地在高海拔土壤中累積，導致有機質隨著海拔升高而升高。這與柳領君[17]、劉偉等[18]和李長燕[19]的研究結果一致。而王瓊芳等[20]研究表明，旱作條件下土壤有機質含量隨海拔梯度的升高而降低。0～10 cm 土壤有機質與海拔梯度極顯著正相關的原因可能是因為高海拔處人為活動較少，植被蓋度高，表層土壤含水量較高，微生物活動較頻繁，故土壤有機質含量與海拔呈正相關，而10～20 cm 土壤有機質與海拔梯度極顯著正相關，可能是由于表層有機質在經受地表徑流等因素影響時向下擴散，導致10～20 cm 與0～10 cm有機質變化趨勢一致。同時旱作地區地表干燥，保水保肥能力不如底層土壤，導致10～20 cm 土層土壤有機質含量高于0～10 cm 土層。

本研究表明，0～20 cm 表土層全氮量與海拔梯度呈顯著負相關。表層土壤全氮含量隨著海拔升高而降低。原因是因為隨著海拔升高，土壤表層積溫降低，微生物活動強度降低，從而導致土壤氮含量隨海拔升高而降低。魏強等[9]研究表明，2 300～2 700 m 海拔對土壤全氮的影響不顯著，原因可能是因為其研究的海拔較高，當海拔到達一定高度后，海拔變化對土壤全氮的影響趨于穩定。而本研究中的海拔較低，且跨度較大，地表積溫差異明顯，導致結果中海拔對土壤全氮含量的影響顯著。

本研究表明，0～10 cm 土壤容重與海拔梯度相關性不顯著，而10～20 cm 土壤容重海拔梯度呈顯著正相關。導致土壤表層容重不受海拔梯度變化得影響的原因可能是由于當地不同海拔條件下，種植作物種類不同，人為影響程度有差異，且海拔下耕作措施和農田管理措施都有很大的隨機性，從而導致土壤容重受海拔梯度影響的程度不高。這與王順利等[21]、魏強等[9]的研究結果相同。但馬劍等[22]研究表明，隨海拔升高，土壤容重隨之升高。而10～20 cm土壤容重海拔梯度呈顯著負相關，原因是由于隨著海拔的升高，人為活動減少，土壤有機碳不斷積累，導致下層土壤容重隨海拔上升有所提高。本研究結果表明，人為因素很可能對土壤容重的影響程度高于海拔；在不同海拔下，人為的農業措施對土壤容重的影響較為直接，而環境對土壤容重的影響比較緩慢。人類活動對土壤變化的影響自有人類以來就不曾間斷過，只是這種影響因農業生產工具、耕作方式、物質投入方式與數量等因素的變化程度不同而異[23]。

0～20 cm 土壤pH 與海拔梯度相關性不顯著，原因可能是由于不同海拔種植的作物不同，旱作條件下，低海拔地區多種植小麥谷子，高海拔地區多種植玉米。不同作物的種植導致土壤表層的枯枝落葉層在分解過程中，所產生的有機酸含量差異顯著，從而影響土壤中的pH；而且在不同地形情況下，地表徑流隨機因素多，土壤pH 受影響較為嚴重。這些隨機因素是導致pH 與海拔相關性不顯著的主要原因。

本研究表明，0～20 cm 耕地表層土壤有機質和全氮含量均與海拔梯度變化呈顯著相關。土壤有機質含量隨海拔升高而升高，且10～20 cm 有機質含量高于0～10 cm，但隨著海拔升高，0～10 cm 有機質含量逐漸接近10～20 cm 有機質含量，且有超出的趨勢。而全氮含量隨海拔升高而降低，且0～10 cm全氮含量高于10～20 cm，但隨著海拔升高，10～20 cm 全氮含量逐漸接近0～10 cm 全氮含量，且有超出的趨勢。pH 和容重與海拔沒有顯著相關性。對于旱作條件下耕地土壤海拔跨度較大的地區，應該在較低海拔地區適當地多施用有機肥，在高海拔地區適當地多補充土壤氮含量，對不同海拔的耕地應當采取相應的管理模式和耕作措施。