寧南山區(qū)不同建設(shè)年限梯田土壤肥力變化規(guī)律研究

岳自慧，劉 平，翟汝偉，王 文，劉學(xué)軍，賈愛(ài)冬，張煜明

(1.寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)總站，寧夏 銀川 750001)

寧夏南部山區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“寧南山區(qū)”)地處黃土丘陵溝壑區(qū)，是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶和干旱與半干旱過(guò)渡區(qū)，是我國(guó)生態(tài)最脆弱的地區(qū)之一，包括固原市的原州區(qū)、西吉縣、彭陽(yáng)縣、隆德縣、涇源縣和中衛(wèi)市海原縣等5縣1區(qū)83鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，土地面積為16 783 km2，總?cè)丝?89.98萬(wàn)人。該區(qū)海拔1 246～2 594 m，年平均氣溫5～7 ℃，無(wú)霜期97～158 d，年平均降水量280～650 mm，降水量不僅偏少，而且年際、年內(nèi)分布極不均勻，地表和地下水資源缺乏，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，作物生長(zhǎng)極易受干旱威脅[1-3]，嚴(yán)重的水土流失已成為寧南山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要制約因素。坡改梯工程可有效控制水土流失，提高寧南山區(qū)土地生產(chǎn)力和糧食產(chǎn)量[4]。寧南山區(qū)規(guī)模性的水平梯田建設(shè)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，截至2016年底，寧南山區(qū)建設(shè)水平梯田26.47萬(wàn)hm2，水土保持效果非常明顯。

為了研究坡改梯后不同種植年限梯田土壤肥力變化規(guī)律，寧夏水利科學(xué)研究院選擇國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)水土保持項(xiàng)目寧夏隆德縣打食溝項(xiàng)目區(qū)的紅崖小流域、彭陽(yáng)縣李臺(tái)項(xiàng)目區(qū)的炭洼小流域、固原市原州區(qū)上灘項(xiàng)目區(qū)的上灘小流域、西吉縣腰巴莊項(xiàng)目區(qū)的上腰巴莊小流域、同心縣下馬關(guān)項(xiàng)目區(qū)的羅家灘小流域和海原縣脫烈項(xiàng)目區(qū)的曹洼小流域等6個(gè)典型小流域作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)流域，開(kāi)展了不同種植年限梯田土壤肥力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和研究工作。

1 土壤肥力監(jiān)測(cè)方法

在每個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)小流域分別選擇建設(shè)年限為1～2年、3～5年和5年以上的梯田作為監(jiān)測(cè)地類(lèi)，通過(guò)GPS定點(diǎn)取樣，每種地類(lèi)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，于作物收獲后取0～25 cm深度土壤進(jìn)行分析測(cè)定(按土壤養(yǎng)分測(cè)定方法進(jìn)行)，指標(biāo)包括速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量，坡耕地按照相同的方法取樣作為對(duì)照。監(jiān)測(cè)與研究工作自2013年開(kāi)始，至2016年結(jié)束，每年9—10月監(jiān)測(cè)一次，同一個(gè)流域同一樣點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)4年。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件和SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件處理。

2 不同建設(shè)年限梯田土壤肥力綜合分析

2013—2016年共送檢土樣315個(gè)，測(cè)定速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量6項(xiàng)指標(biāo)，綜合分析結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 不同建設(shè)年限梯田土壤肥力綜合分析結(jié)果

各耕地類(lèi)型中，1～2年梯田速效磷、速效鉀、全磷、全氮和有機(jī)質(zhì)含量5項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為最低，5年以上梯田全磷、全氮和有機(jī)質(zhì)含量3項(xiàng)指標(biāo)均為最高。與坡耕地相比，1～2年梯田有機(jī)質(zhì)含量降低了7.05%，3～5年梯田和5年以上梯田有機(jī)質(zhì)含量分別提高了8.14%和18.68%。與1～2年新修梯田相比，3～5年梯田和5年以上梯田有機(jī)質(zhì)含量分別增加了16.35%和27.69%。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ)，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，寧南山區(qū)不同耕地類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)含量分析結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知：不同耕地類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為5年以上梯田>3～5年梯田>坡耕地>1～2年梯田；5年以上梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量與坡耕地和1～2年新修梯田差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，與3～5年梯田差異不顯著，3～5年梯田與1～2年新修梯田差異顯著，與坡耕地差異不顯著，坡耕地與1～2年新修梯田之間也沒(méi)有顯著性差異。

圖1 不同建設(shè)年限梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量分析結(jié)果

注：圖中字母代表顯著性水平為0.05時(shí)的方差分析結(jié)果，兩者字母不同表示相互間差異達(dá)顯著水平，出現(xiàn)相同字母表示差異不顯著。

3 水平梯田土壤肥力年度變化情況

通過(guò)GPS定點(diǎn)跟蹤，2013—2016年每年作物收獲后在同一取樣點(diǎn)取0～25 cm土層測(cè)定其土壤肥力各項(xiàng)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 不同建設(shè)年限梯田土壤肥力的年度變化情況

梯田土壤肥力的年度變化分析結(jié)果詳見(jiàn)圖2～7。

圖2 不同建設(shè)年限梯田土壤速效氮含量變化

圖3 不同建設(shè)年限梯田土壤速效磷含量變化

圖4 不同建設(shè)年限梯田土壤速效鉀含量變化

圖5 不同建設(shè)年限梯田土壤全磷含量變化

圖6 不同建設(shè)年限梯田土壤全氮含量變化

圖7 不同建設(shè)年限梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

由表2和圖2～7分析結(jié)果可以看出：梯田修建初期土壤肥力除速效磷、速效鉀含量2項(xiàng)指標(biāo)外，其他各項(xiàng)指標(biāo)與修建前相比均有所降低，修建3年梯田土壤有機(jī)質(zhì)可基本上達(dá)到修建前水平，修建5年梯田速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)3項(xiàng)肥力指標(biāo)高于修建前；不同年限梯田土壤肥力的年度變化大體上呈現(xiàn)出逐漸提高的趨勢(shì)，但在修建第8年時(shí)除速效鉀含量外，其他5項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)；梯田二為2011年修建的梯田，開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)該梯田為修建第3年，2016年(修建第6年)與2013年相比，速效氮、速效磷、速效鉀、全氮和有機(jī)質(zhì)含量分別增加了16.78%、40.51%、31.88%、37.25%、34.37%，全磷含量則降低了15.63%。

4 各肥力指標(biāo)對(duì)梯田土壤肥力影響的主成分分析

主成分分析也稱(chēng)主分量分析，旨在利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，這些綜合指標(biāo)基本反映了原來(lái)變量的信息量[5]。通過(guò)主成分分析，可以確定衡量寧南山區(qū)梯田土壤肥力的主要指標(biāo)。各肥力指標(biāo)對(duì)梯田土壤肥力影響的主成分分析結(jié)果詳見(jiàn)表3、表4。由表3可知，前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為84.139%，并且前3個(gè)主成分的特征值分別為2.609、1.257、1.183，均大于1，故保留前3個(gè)主成分對(duì)梯田土壤肥力的影響。

表3 主成分分析總方差解釋

表4 主成分矩陣

由表4可知：第1主成分與速效氮、全磷、速效磷含量關(guān)系密切，第2主成分與全氮、全磷、速效磷含量關(guān)系密切，第3主成分與有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量關(guān)系密切，其中相關(guān)系數(shù)大于0.75的有速效氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量，說(shuō)明速效氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量能顯著影響土壤肥力，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。

5 結(jié) 論

(1)梯田修建初期土壤肥力除速效磷、速效鉀含量2項(xiàng)指標(biāo)外，其他各項(xiàng)指標(biāo)與修建前相比均有所降低，修建3年梯田土壤有機(jī)質(zhì)可基本上達(dá)到修建前水平，修建5年梯田速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)3項(xiàng)肥力指標(biāo)高于修建前，5年以上梯田土壤綜合肥力水平與坡耕地相比提高了15%以上，與修建初期相比提高了30%左右。建議政府相關(guān)部門(mén)繼續(xù)加大梯田建設(shè)力度，為寧南山區(qū)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供有力保障。

(2)各肥力指標(biāo)對(duì)梯田土壤肥力影響的主成分分析結(jié)果說(shuō)明，速效氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤肥力具有重要作用，且能顯著影響土壤肥力。不同年限梯田土壤肥力的年度變化大體上呈現(xiàn)出逐漸提高的趨勢(shì)，但在修建第8年時(shí)，除速效鉀外其他5項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)各項(xiàng)目區(qū)梯田培肥措施的調(diào)查分析，近幾年隨著進(jìn)城務(wù)工人員的增加，農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模越來(lái)越小，農(nóng)家肥緊缺，坡改梯后土壤主要靠少量的化肥來(lái)維持地力，隨著種植年限的增加，土壤肥力出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。因此，應(yīng)重視梯田修建后的培肥與改良，以有效解決梯田土壤肥力衰退的問(wèn)題。