三峽庫(kù)區(qū)坡改梯地不同土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)研究
——以重慶市巫山縣為例

李培霞，陳國(guó)建，韋 杰

(重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047)

土壤質(zhì)量是全球生物圈可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，亦是農(nóng)業(yè)發(fā)展、土壤管理和土地利用的可持續(xù)評(píng)估指標(biāo)和判斷準(zhǔn)則。受成土母質(zhì)、氣候、土地覆被及人類活動(dòng)等自然因素和人為因素的影響，土壤肥力質(zhì)量具有顯著的變異性。土地利用作為人類利用土地進(jìn)行各種活動(dòng)的綜合反映，是影響土壤肥力質(zhì)量變化最普遍、最直接、最深刻的因素[1]，研究土地利用和管理措施對(duì)土壤肥力質(zhì)量變化的影響已是現(xiàn)代土壤學(xué)的主要任務(wù)之一[2-5]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明，不同的土地利用方式以及不同的耕作制度、管理方式等必然會(huì)導(dǎo)致土壤肥力的改變以及土地生產(chǎn)力的變化[6-8]。從目前的研究來(lái)看，不同土地利用方式下的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)研究已涉及多種典型區(qū)域，包括山地、高原、丘陵、平原、盆地等，這些區(qū)域也涉及各種土壤類型如潮棕壤、紅壤、水稻土、風(fēng)沙土、紫色土等及各種生態(tài)環(huán)境如濕地生態(tài)、亞熱帶高山氣候等[9-12]，但針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)坡改梯地以黃壤為主的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究并不多。

本文就三峽庫(kù)區(qū)巫山縣坡改梯地不同土地利用方式下的土壤肥力質(zhì)量狀況進(jìn)行分析，以期為合理施肥、建立良性農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為重慶市巫山縣龍井鄉(xiāng)龍山村的典型坡改梯地，地理位置為東經(jīng)109°46′16″—109°47′29″、北緯30°59′11″—31°06′18″，地貌類型為剝蝕侵蝕低山，采樣海拔在690—1 165 m，土壤為黃壤。研究區(qū)地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，有明顯的季節(jié)性差異，氣候溫暖，年平均氣溫18.4 ℃，雨量充沛，多年平均降水量在1 100 mm以上，降水量在季節(jié)分配上很不均勻，主要集中在5—10月份。土壤侵蝕以水力侵蝕為主，屬南方丘陵侵蝕區(qū)。

采樣區(qū)坡改梯的時(shí)間主要為20世紀(jì)70年代。選取的5種典型土地利用方式為糧田、菜地、林地、園地、荒地。糧田主要包括玉米、紅薯、小麥等，覆蓋度<20%；菜地主要包括油菜、豆類蔬菜等，與糧田同為傳統(tǒng)種植方式，覆蓋度<30%；林地主要覆有灌木叢、松樹(shù)等，覆蓋度<50%；園地主要為梨樹(shù)、桃樹(shù)等，覆蓋度<45%；荒地主要為荒草地，以撂荒3～5年無(wú)人為干擾的荒山荒坡形式出現(xiàn)，覆蓋度35%～55%。

2 研究方法與試驗(yàn)材料

2.1 土壤樣品的采集

采樣地點(diǎn)位于坡改梯項(xiàng)目區(qū)，采樣時(shí)間為2010年4月份。土壤樣本的采集按照基本等距離原則，各采樣點(diǎn)均按“S”形布點(diǎn)采集耕層土壤，并在有代表性的地方挖取剖面土樣，混合均勻后用四分法處理，最后剩余約1 kg樣品帶回實(shí)驗(yàn)室作分析用。本研究從坡頂?shù)狡碌坠策x取了190個(gè)采樣點(diǎn)(詳見(jiàn)表1)。同時(shí)利用GPS定位儀確定經(jīng)緯度，記錄土壤類型、坡度、坡位、高程、植被覆蓋度等多項(xiàng)參數(shù)。另就肥料投入、田間管理等有關(guān)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響因子進(jìn)行調(diào)查記錄?；A(chǔ)資料收集完成后，對(duì)記錄數(shù)據(jù)及其他資料，根據(jù)計(jì)量單位統(tǒng)一、來(lái)源可靠、無(wú)顯著異常、無(wú)明顯不符合實(shí)際等原則進(jìn)行嚴(yán)格核實(shí)、篩選，以確保資料真實(shí)可靠。

表1 土壤采樣點(diǎn)概況

2.2 土壤樣品的分析

首先剔除樣品中的植物根系、落葉及石礫等雜物，置于室內(nèi)風(fēng)干，然后將風(fēng)干后的土樣用木棍研細(xì)，使其全部通過(guò)2 mm孔徑的篩子。充分混勻后，用四分法分作兩份，取其中一份進(jìn)一步研細(xì)，使其逐次通過(guò)1 mm和0.25 mm孔徑的篩子，用于化學(xué)分析。本研究主要選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、氨態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》(第3版)中的相關(guān)方法[13]，具體見(jiàn)表2。

表2 土壤分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于土壤肥力形成機(jī)制的復(fù)雜性以及不同研究人員對(duì)土壤肥力的內(nèi)涵和外延的理解不同，因此評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系也不盡相同。本研究選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、氨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量7項(xiàng)指標(biāo)作為土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用多元統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)典型坡改梯地不同土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。

2.3.2 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

土壤肥力質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)一般分為3個(gè)步驟，即：評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的計(jì)算、權(quán)重系數(shù)的確定和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算。

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的計(jì)算。由于土壤肥力指標(biāo)變化具有連續(xù)性質(zhì)，故各評(píng)價(jià)指標(biāo)采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。土壤各項(xiàng)肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)采用升型分布函數(shù)計(jì)算[14]，即

Fi=(xij-ximin)/(ximax-ximin)

(1)

式中：Fi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值；xij為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值；ximax和ximin分別為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最大值和最小值。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。本研究基于土壤屬性本身的內(nèi)在關(guān)系，利用因子分析法計(jì)算各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率，并得出各土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)的因子載荷量，通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)因子載荷所占比重，求得各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值[11-12]，表達(dá)式為

(2)

式中：Wi為土壤各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值；Ki為各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分析的因子載荷量。

(3)土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(IFI)的計(jì)算。本研究采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊集的加乘法則建立土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)模型，計(jì)算參考張慶費(fèi)等[14]的土壤肥力綜合指標(biāo)公式，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中：Wi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值；Fi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分的總體特征

表3為經(jīng)SPSS 17.0分析后的各指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對(duì)照土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表3中研究區(qū)7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含量均較貧乏， 其中： 全鉀含量較豐富，平均為2.27%，這與母質(zhì)中含有豐富的鉀素有關(guān)；有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量處于中等水平，均值分別為1.69%、0.13%、138.55 mg/kg；全磷、銨態(tài)氮和速效磷含量處于嚴(yán)重缺乏狀態(tài)，均值分別為0.04%、37.45 mg/kg、4.03 mg/kg，其中有55%的樣本速效磷含量<3 mg/kg，因此今后仍需加大磷肥的投入量。

表3 土壤養(yǎng)分的描述性特征

7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)均處于0.1～1.0之間，屬于中等變異性，其中：速效磷含量的變幅最大，變異系數(shù)為0.556，最小值為1.26 mg/kg，最大值為17.06 mg/kg，最大值為最小值的13.5倍，這與磷在土壤中的遷移性低有關(guān)；其次為氨態(tài)氮，變異系數(shù)為0.413，最小值為13.91 mg/kg，最大值為88.62 mg/kg，最大值為最小值的6.4倍；土壤全鉀含量的變幅最小，變異系數(shù)為0.118。據(jù)相關(guān)性分析，除了全鉀含量以外，其余各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均與有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤各評(píng)價(jià)指標(biāo)含量的提高與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。

3.2 不同土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

土地利用方式是影響土壤肥力質(zhì)量的重要因素，對(duì)各種生態(tài)環(huán)境要素有著重要的影響，它的變化可以引起許多土壤過(guò)程如侵蝕、氧化和礦化等的變化，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分，使土壤養(yǎng)分重新分配。利用式(1)計(jì)算得到各土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，見(jiàn)表4。

表4 不同土地利用方式下的土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)值及其隸屬度值

注：A為土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定值；B為土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，無(wú)單位。

20世紀(jì)70年代坡改梯后，經(jīng)過(guò)30年的持續(xù)利用及部分退耕還林，植被類型和土地利用方式的不同使土壤質(zhì)量發(fā)生了一定變化。從表4可以看出，荒地的有機(jī)質(zhì)含量最高，其次是林地、菜地、糧田、園地，這是因?yàn)榈乇碇脖桓采w會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)生物量和周邊環(huán)境條件如光、熱、水和土壤生物等，此處的荒地多在撂荒多年后逐漸長(zhǎng)出了灌木叢和草叢，地表植被覆蓋較高，土壤表層獲取的光和熱減少，進(jìn)而增加了有機(jī)質(zhì)的積累。也有研究指出，林木的生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生大量的抑制有機(jī)質(zhì)生成的物質(zhì)，因而林木和灌木的生長(zhǎng)會(huì)減少土壤有機(jī)質(zhì)含量，使有機(jī)質(zhì)含量略少于撂荒地。

表5中，利用因子分析法提取了3個(gè)因子，這3個(gè)因子解釋了原有變量總方差的約95%，原有變量的信息丟失較少。通過(guò)旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的因子載荷量，由此可計(jì)算出3個(gè)因子中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，見(jiàn)表5。

表5 土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)主因子的貢獻(xiàn)率、負(fù)荷量及權(quán)重

根據(jù)加乘法則對(duì)各個(gè)肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)值采用乘法進(jìn)行合成，利用式(3)計(jì)算不同土地利用類型的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。不同土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)差異較大，糧田、菜地、林地、園地、荒地的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)分別為0.349、0.427、0.431、0.390、0.501，各種土地利用類型按IFI大小排序?yàn)椋夯牡?林地>菜地>園地>糧田。

可以看出，農(nóng)耕措施會(huì)使土壤養(yǎng)分降低，荒地和林地受人為干擾較種植地要少，成土母質(zhì)的物理風(fēng)化較淺而化學(xué)風(fēng)化較深，且植被覆蓋度和生物量相對(duì)較高，養(yǎng)分積累多分解少，有機(jī)質(zhì)層積累較厚，含量高的有機(jī)質(zhì)對(duì)磷、鉀有效性的提高亦有所貢獻(xiàn)，使得土壤磷、鉀含量隨之增加；而糧田與園地施肥結(jié)構(gòu)以化學(xué)肥料為主，人為擾動(dòng)大，受耕作的影響，成土母質(zhì)的物理、化學(xué)風(fēng)化加深，含磷、鉀礦物被分解，土壤磷、鉀含量增加，但其表土養(yǎng)分流失嚴(yán)重，不僅大量泥沙被沖走，而且使土壤中易溶鹽分(如鉀)隨徑流流失，磷、鉀元素遷移強(qiáng)于淀積，使得土壤的肥力水平降低[16]，另外作物收獲會(huì)帶走大量有機(jī)產(chǎn)品，隨著耕種時(shí)間的推移，必然導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化的加速，進(jìn)而引起土壤退化。由此可見(jiàn)退耕還林還草是改善生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)土壤肥力的重要途徑。菜地和糧田產(chǎn)生差異的原因是種植的作物不同，施肥管理也會(huì)有所不同，在相同的勞力與經(jīng)濟(jì)投入下，農(nóng)戶對(duì)菜地土壤肥力的關(guān)注較多，施用的肥料較多，而且不同作物對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗也存在差異，因而整體上菜地土壤肥力略高。

4 結(jié) 論

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巫山縣典型坡改梯地5種土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不同土地利用方式對(duì)土壤肥力有很大影響。荒地和林地土壤肥力質(zhì)量明顯高于耕園地，可見(jiàn)退耕還林和農(nóng)地撂荒有一定的土壤培肥作用，可以通過(guò)這種方式來(lái)逐步提高土壤肥力。

本研究存在一些問(wèn)題需改進(jìn)：首先研究區(qū)地形復(fù)雜，農(nóng)業(yè)管理措施多樣，使得在進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差；其次對(duì)于土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)，本研究?jī)H選取了土壤養(yǎng)分中具代表性的7項(xiàng)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠全面勢(shì)必會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

合理的土地利用方式可以使坡改梯地改善土壤肥力的效果發(fā)揮得更好，因此為了適應(yīng)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的要求，必須及時(shí)了解土壤肥力的變化狀況，才能更好地規(guī)劃土地和科學(xué)地指導(dǎo)施肥。

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