隴東黃土丘陵區(qū)梯田土壤養(yǎng)分評價
——以甘肅莊浪縣為例

劉思涵，許明祥，吳永斌，張立功

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 中國科學(xué)院 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3 甘肅省莊浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 莊浪 744600)

黃土丘陵區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重，土地生產(chǎn)力難以提高[1]。坡改梯(坡耕地改為水平梯田)是坡耕地治理的重要措施，在減少水土流失、增強抗旱能力、提高土壤肥力和生產(chǎn)力等方面有顯著功效[1-6]。以甘肅省為例，梯田與坡耕地相比每公頃糧食產(chǎn)量增加820.5 kg，平均增產(chǎn)率高達(dá)50.8%[4]。隨著黃土高原退耕還林工程的實施，作為主要的基本農(nóng)田，梯田在區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位愈顯重要。然而在梯田修建過程中，由于對土體和土壤層次的嚴(yán)重擾動，使得梯田土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況較原來的坡耕地發(fā)生了根本性變化。黃土丘陵區(qū)絕大多數(shù)梯田土壤是從結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分貧瘠的黃土母質(zhì)上開始耕作熟化，梯田土壤肥力在很大程度上受耕作管理措施的影響。因此，土壤養(yǎng)分(尤其是微量元素)可能是土壤肥力的限制性因素。

莊浪縣地處隴東黃土丘陵溝壑區(qū)，梯田化程度達(dá)到93.02%，我國第一個“梯田化模范縣”。該縣雖然部分梯田實現(xiàn)了高產(chǎn)，由于土壤肥力存在一定的空間差異，造成全縣糧食產(chǎn)量不平衡[6]。目前，關(guān)于黃土丘陵區(qū)梯田土壤質(zhì)量研究多集中于土壤質(zhì)量的演變方面[7]，且以局地尺度的典型樣地研究為主。以縣域尺度開展梯田土壤養(yǎng)分評價，尤其是微量養(yǎng)分評價，將對全面掌握該區(qū)梯田土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀、制定土壤培肥措施有重要意義，目前這方面的研究還較少。因此，本試驗以甘肅省莊浪縣為研究區(qū)，借助莊浪縣耕地質(zhì)量評價數(shù)據(jù)，評價該區(qū)梯田土壤大量養(yǎng)分和微量養(yǎng)分分布特征及其影響因素，以期對黃土丘陵區(qū)梯田土壤培肥、糧食產(chǎn)量的增加提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

莊浪縣(E105°46′15″～106°23′45″，N35°03′23″～35°28′26″)，位于甘肅省東部、六盤山西麓，甘肅與寧夏兩省交匯處，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，面積約1 553 km2，氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)區(qū)溫帶半濕潤氣候，水熱波動很大。5-9月降水較多，年均降雨量510 mm，年均氣溫8.1 ℃，無霜期159 d，年均日照時為2 179 h。主要土壤類型有黃綿土(占耕地面積的75%)、黑壚土、紅黏土、新積土、潮土等。耕地面積61 107.9 hm2，農(nóng)業(yè)人口人均占有耕地 0.146 7 hm2，梯田化程度達(dá)到93.02%。

莊浪縣農(nóng)田水分來源主要依靠天然降雨，主要播種作物為小麥與玉米，小麥產(chǎn)量為1 500～4 500 kg/hm2，玉米產(chǎn)量為6 000～9 000 kg/hm2。其中42.88%的耕地在作物播種時施有機肥(土糞，1.5×104～3.75×104kg/hm2)，生長季期間追施尿素(150～450 kg/hm2)。測土配方施肥耕地面積占糧食作物總播種面積的39.04%，施肥配方按照不同地區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況和種植制度制定。莊浪地區(qū)耕作方式主要靠人畜，作物還田方式為根部留茬，秸稈主要用來作為燃料燃燒及飼料喂養(yǎng)。

1.2 樣品采集

以莊浪縣耕地質(zhì)量評價數(shù)據(jù)(莊浪縣農(nóng)業(yè)推廣中心提供)為數(shù)據(jù)源。耕地質(zhì)量評價樣點規(guī)劃設(shè)計參考縣級土壤圖，總面積為61 107.9 hm2，平均16 hm2耕地為一個采樣單位，樣方的長、寬均近似為400 m，按400 m描圖確定采樣點位，每個采樣單元的土壤性狀均勻一致。為便于田間示范追蹤和施肥分區(qū)，采樣點集中位于每個采樣單元相對中心位置的典型地塊，總樣點數(shù)共計3 839個。依照“隨機”、“等量”和“多點混合”的原則，采用“S”形布點采樣，采樣深度為0～20 cm (耕層土壤)，每個代表土樣由15～20個樣點混合而成，取混合樣土1 kg左右，用四分法將多余的土壤棄去。

1.3 測定指標(biāo)與方法

有機質(zhì)含量采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定，全氮含量采用半微量凱氏法測定，堿解氮含量用堿解擴散法測定，全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定，緩效鉀含量用硝酸提取-火焰光度計法測定，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定，有效銅、鋅、鐵、錳含量用DTPA浸提-原子吸收分光光度法測定，有效硼含量采用沸水浸提-甲亞胺-H比色法測定[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤有機質(zhì)、全磷、全氮、緩效鉀、速效磷、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鐵和有效硼含量的異常值采用域法處理[9]。數(shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計分析采用統(tǒng)計軟件SPSS 19.0進(jìn)行，用一般線性回歸模型(GLM，The general loglinear analysis)中的方差成分估計模塊(Variance components analysis)計算影響因子在土壤養(yǎng)分變異中所占比例，從而分析影響因子對土壤養(yǎng)分變異性的影響程度。

為了綜合評價研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，本研究以土壤有機質(zhì)、速效磷、全磷、堿解氮、全氮、緩效鉀、速效鉀7個大量養(yǎng)分因子和有效銅、有效鋅、有效錳、有效鐵、有效硼5個微量養(yǎng)分因子作為指標(biāo)，通過極差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并根據(jù)主成分分析中各指標(biāo)的公因子方差值確定其權(quán)重系數(shù)，最后計算土壤大量養(yǎng)分綜合指數(shù)(NImac)和微量養(yǎng)分綜合指數(shù)(NImic)[10-11]。

NI=∑Ki×Ci。

式中：NI為土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)，取值為0～1之間，其值越高，表明土壤肥力質(zhì)量越好；Ki是各個養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Ci是各個養(yǎng)分指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)得分。

采用等距法劃分NI的評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)，對土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)進(jìn)行定性評價。

表 1 土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)(NI)的評價標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 梯田土壤大量養(yǎng)分的分布特征

表2為莊浪縣土壤大量養(yǎng)分特征描述性統(tǒng)計結(jié)果，此基礎(chǔ)上，根據(jù)黃土高原地區(qū)土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[12-13](表3)，并結(jié)合莊浪縣土壤大量養(yǎng)分的分布頻率(圖1)，本研究對該區(qū)土壤有機質(zhì)、全磷、全氮、緩效鉀、速效磷、堿解氮和速效鉀含量變化進(jìn)行評價。

表 2 甘肅莊浪縣梯田土壤養(yǎng)分特征的描述性統(tǒng)計結(jié)果

表 3 黃土高原地區(qū)土壤養(yǎng)分含量的分級標(biāo)準(zhǔn)[12-13]

圖 1 甘肅莊浪縣梯田土壤大量養(yǎng)分的分布頻率

表2和圖1表明，土壤中全磷含量平均值為0.74 g/kg，有62%樣點處于高水平，表明全磷處于高水平；有機質(zhì)含量平均值為14.29 g/kg，有59%樣點處于中等水平，表明有機質(zhì)含量為中等水平；全氮平均含量為0.82 g/kg，有81%樣點處于中等水平，表明全氮含量處于中等水平；速效鉀含量平均值為177.94 mg/kg，有74%樣點處于較高和高水平，表明速效鉀含量屬于較高水平；堿解氮的平均含量為58.45 mg/kg，有64%樣點處于中等水平，表明堿解氮含量屬于中等水平；速效磷分布比較離散，平均含量為24.06 mg/kg，有61%樣點處于高水平，表明速效磷含量處于高水平。

變異系數(shù)(CV)是反映土壤特性空間變異性程度的指標(biāo)。當(dāng)CV≤0.1時，為弱變異性；0.1

2.2 梯田土壤微量養(yǎng)分的分布特征

由圖2可以看出，土壤有效銅分布比較集中，有47%樣點處于中等水平，53%的樣點屬于較高水平，表明有效銅含量為中上水平。土壤有效鋅中，有6%的樣點處于低水平，有93%樣點處于中等水平。土壤有效錳中，有7%的樣點處于低水平，有64%樣點處于高水平，表明有效錳含量為中上水平。土壤有效鐵中，有98%樣點集中于中等范圍，表明有效鐵含量為中等水平。土壤有效硼的變異系數(shù)為0.39，分布比有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳離散，有42%的樣點處于低水平，55%的樣點處于中等水平?？傮w而言，研究區(qū)土壤有效銅、有效錳和有效鐵含量處于中等水平，有效鋅和有效硼含量屬于中下水平，且有較大面積的土壤缺硼。

圖 2 甘肅莊浪縣梯田土壤微量養(yǎng)分的分布頻率

2.3 土壤養(yǎng)分空間變異的影響因素

用一般線性回歸模型中的方差成分估計模塊，估算海拔、田間坡度、土壤類型、地形部位、土壤質(zhì)地等因素對土壤養(yǎng)分指數(shù)空間變異的影響程度，結(jié)果見表4。由表4可以看出，在對黃土丘陵區(qū)土壤大量養(yǎng)分空間變異的影響中，土壤類型的貢獻(xiàn)率最大，占 51.81%；海拔次之，占23.60%；田間坡度與土壤質(zhì)地相對較小，兩者共占22.89%。在影響土壤微量養(yǎng)分的各因素中，土壤類型貢獻(xiàn)率最大，占69.41%；土壤質(zhì)地和海拔貢獻(xiàn)率次之，分別占17.65%和11.76%；田間坡度所占比例僅為1.18%；地形部位無影響。

表 4 不同影響因素對甘肅省莊浪縣梯田土壤養(yǎng)分空間變異的貢獻(xiàn)率

2.4 梯田土壤養(yǎng)分的綜合評價

2.4.1 土壤大量養(yǎng)分 本研究計算了346個有效樣本NImac，并根據(jù)NI評價標(biāo)準(zhǔn)將有效樣本分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3級(表1)，其分別占有效樣本數(shù)的19.66%，65.89%和14.45%。

莊浪縣海拔為1 389～2 217 m，將其按每200 m 1個間隔劃分為1 300～1 500，1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100，2 100～2 300 m 5個梯度，5個海拔梯度下包含的樣本數(shù)分別占有效樣本數(shù)的5.78%，19.08%，51.73%，19.65%和3.76%，可知莊浪縣農(nóng)田主要集中在海拔1 700～1 900 m處，而海拔1 300～1 500和2 100～2 300 m樣本所占比例過小，不具有代表性，可以忽略。莊浪縣土壤主要有潮土、黑壚土、紅黏土、黃綿土和新積土5種類型，黃綿土、黑壚土和紅黏土樣本數(shù)分別占有效樣本數(shù)的21.68%，71.68%和4.91%；潮土和新積土樣本數(shù)所占比例均為0.87%，可以忽略。故本研究只對1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100 m 3個海拔梯度以及黑壚土、黃綿土和紅黏土3個土壤類型NImac分級結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表 5 不同影響因素下甘肅莊浪縣梯田NImac的分級結(jié)果

由表5可知，隨著海拔的升高，NImac為Ⅱ級時樣本數(shù)所占比例明顯增加，NImac為Ⅳ級時樣本數(shù)所占比例降低。NImac為Ⅱ級時，黑壚土樣本數(shù)所占比例為37.33%，在3種土壤類型中最高；NImac為Ⅲ和Ⅳ級時，紅黏土樣本數(shù)所占比例明顯高于其他2種土壤類型；黃綿土中，NImac為Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級時樣本數(shù)所占比例均介于黑壚土和紅黏土之間。表明黑壚土NImac主要分布在中高水平(Ⅱ～Ⅲ級)，黃綿土次之(Ⅲ級)，紅黏土NImac則主要分布在中低水平(Ⅲ～Ⅳ級)。

2.4.2 土壤微量養(yǎng)分 本研究計算了3 732個有效樣本的NImic，并根據(jù)NI評價標(biāo)準(zhǔn)將有效樣本分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3級(表1)，其分別占有效樣本數(shù)的4.12%， 63.35%，32.53%。土壤主要有黃綿土和黑壚土，其樣本數(shù)分別占有效樣本數(shù)的79.96%和15.70%，紅黏土、潮土、新積土和山地草甸土樣本數(shù)所占比例僅為3.46%，0.62%，0.21%和0.05%，可以忽略。土壤質(zhì)地有砂土、中壤和重壤，其樣本數(shù)分別占有效樣本數(shù)的0.94%，95.44%和3.62%，砂土和重壤樣本所占比例過小，不具有代表性，無法與中壤進(jìn)行比較。海拔1 300～1 500、1 500～1 700、1 700～1 900、1 900～2 100和2 100～2 300 m樣本數(shù)分別占有效樣品數(shù)的4.72%，17.18%，54.05%，20.53%和3.52%，其中海拔2 100～2 300 m樣本所占比例過小，不具有代表性，可以忽略。故本研究只對1 300～1 500、1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100 m 4個海拔梯度以及黑壚土和黃綿土2個土壤類型NImic分級結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表6。由表6可知，隨著海拔的升高，NImic為Ⅲ級時樣本數(shù)所占比例逐漸降低，而NImic為Ⅳ級時樣本數(shù)所占比例逐漸增加。NImic為Ⅱ級時，黑壚土樣本數(shù)所占比例為12.97%，而黃綿土樣本數(shù)所占比例為2.45%，明顯低于黑壚土；NImic為Ⅲ級時，黑壚土和黃綿土樣本數(shù)所占比例分別為67.06%，62.67%；NImic為Ⅳ級時，黑壚土和黃綿土樣本數(shù)所占比例分別為19.97%，34.88%。這說明黑壚土的NImic主要分布在中等偏高水平，而黃綿土的NImic主要分布在中等偏低水平。

表 6 不同影響因素下甘肅莊浪縣梯田NImic的分級結(jié)果

3 討 論

梯田是黃土丘陵區(qū)的主要農(nóng)田類型，通過改變微地形使田面變得平整均勻，可減少地表徑流，起到蓄水保肥、提高土壤質(zhì)量的效果。至21世紀(jì)初，黃土高原地區(qū)已修成梯田400萬hm2，占黃土高原坡耕地的31%[16]，但針對梯田土壤養(yǎng)分(尤其是微量元素)的相關(guān)研究較少，因而評價該地區(qū)農(nóng)田土壤大量養(yǎng)分和微量養(yǎng)分分布特征及其影響因素，不僅可以為梯田土壤保育和管理提供依據(jù)，而且對提升該區(qū)域農(nóng)田土壤生產(chǎn)力、提高和穩(wěn)定糧食生產(chǎn)、促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

本研究結(jié)果表明，位于隴東黃土丘陵區(qū)莊浪縣的梯田土壤大量養(yǎng)分屬于中等偏上水平，其中土壤有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量屬于中等水平，速效鉀含量為較高水平，全磷和速效磷含量處于高水平。這是由于坡改梯后耕地的坡度降低，更多的降雨原地入滲，蓄存于土壤中，減弱了養(yǎng)分流失。此外，連年的耕作和培肥，促進(jìn)土壤碳、氮、磷、鉀等大量元素含量積累，使得土壤肥力質(zhì)量得到不斷提高。與陜北丘陵區(qū)梯田相比[17]，在化肥用量相近的情況下，莊浪縣有機肥用量和秸稈還田率均較高，分別為2.35×104kg/hm2和12.5%，故該縣土壤大量養(yǎng)分的含量均較高。研究表明，有機肥在提高土壤有機質(zhì)和改善土壤養(yǎng)分狀況方面的作用顯著優(yōu)于化肥，有機和無機肥配施可有效提高土壤養(yǎng)分含量[18-22]。土壤大量養(yǎng)分是耕地產(chǎn)量提高的基礎(chǔ)，為了促進(jìn)梯田作物產(chǎn)量全面提高，可在梯田大量施用有機肥，推進(jìn)秸稈還田，進(jìn)一步提高黃土丘陵區(qū)梯田土壤養(yǎng)分水平。

有研究表明，黃土丘陵溝壑區(qū)有效態(tài)微量養(yǎng)分除銅、鐵外，有效硼、鉬、鋅、錳含量均處于較低水平[23]。本研究結(jié)果表明，莊浪縣梯田土壤有效銅、有效錳和有效鐵含量為中等水平，有效鋅和有效硼含量處于中下水平，且有較大面積的土壤缺硼。這是由于黃土丘陵區(qū)碳酸鈣含量較高，硼被鈣吸附生成硼酸鈣鹽所致。

受自然因素(丘陵區(qū)復(fù)雜地形條件)和人為因素(修建梯田)的綜合影響，位于隴東黃土丘陵區(qū)莊浪縣梯田土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出一定的變異性，但與坡耕地為主的陜北丘陵區(qū)相比[24]，莊浪縣梯田土壤養(yǎng)分含量的變異性較小。這可能與梯田修建過程中對土體和土壤層次的擾動有關(guān)，大多數(shù)梯田土壤是從養(yǎng)分貧瘠的黃土母質(zhì)上開始耕作熟化，相對于陜北丘陵區(qū)坡耕地而言，自然因素對養(yǎng)分空間分布的影響程度相對減小。本研究中，由方差成分估計模塊的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，土壤類型和海拔對土壤養(yǎng)分變異的影響較大。黑壚土NImac分布在中高水平樣本所占的比例較其他土壤類型多，黃綿土次之，紅黏土NImac則主要分布在中低水平。楊文治等[12]對黃土高原區(qū)域土壤養(yǎng)分的研究表明，黑壚土土層深厚，上松下緊，有利于坡改梯田保水保肥；黃綿土透水通氣，但水分蒸發(fā)強烈，土壤基礎(chǔ)肥力低；紅黏土有機質(zhì)、全氮含量低，有效氮、磷極缺，地力產(chǎn)量較低。本研究中，隨著海拔的升高，NImac在較高水平樣本數(shù)所占比例逐漸增加。由于海拔升高后，溫度相應(yīng)下降，作物及微生物的呼吸作用降低，從而減少有機物的消耗，有利于有機物的積累。土壤類型是作物耕作的基礎(chǔ)，其不僅對土壤養(yǎng)分有直接影響，而且也影響了海拔對土壤養(yǎng)分分布的作用趨勢。可見，在研究區(qū)土壤養(yǎng)分管理中應(yīng)充分考慮到土壤類型和海拔的影響。

4 結(jié) 論

1)隴東黃土丘陵區(qū)梯田土壤的大量養(yǎng)分含量處于中等偏上水平，微量養(yǎng)分含量整體處于中等水平。土壤有效錳、有效鐵和有效銅含量為中等水平，有效鋅和有效硼含量處于中下水平，并有較大面積的土壤缺硼。

2)土壤類型對隴東黃土丘陵區(qū)梯田土壤大量養(yǎng)分的空間變異的影響最大，其貢獻(xiàn)率為51.81%；海拔的影響次之，貢獻(xiàn)率為23.60%。隨著海拔的升高，NImac在較高水平樣本數(shù)所占比例相應(yīng)增加。黑壚土NImac分布在中高水平樣本所占比例較其他土壤類型多，黃綿土次之，紅黏土NImac則主要分布在中低水平。

3)土壤微量養(yǎng)分空間變異受土壤類型、土壤質(zhì)地、海拔綜合影響，土壤類型的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到69.41%；土壤質(zhì)地次之，為17.65%；海拔貢獻(xiàn)率較小，為11.76%。黑壚土的NImic主要分布在中等偏高水平，而黃綿土的NImic主要分布在中等偏低水平。隨著海拔的升高，NImic處于中高水平樣本數(shù)所占比例總體降低，應(yīng)加大對高海拔地區(qū)有機肥與微肥的施用。

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