重慶市山區(qū)小流域耕地土壤養(yǎng)分分布特征

廖良宇， 李靜幀，陳國建，2*，葉潤根， 王 震， 韋 杰，2

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 401331； 2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401331)

山區(qū)小流域作為自然界的自然集水單元，是一個集自然地理、社會經(jīng)濟(jì)的綜合系統(tǒng)[1]。中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的重要性不言而喻。土壤是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[2]，而土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要標(biāo)志[3]，是影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的主要因素[4]，關(guān)系著農(nóng)業(yè)的興衰。因此，研究山區(qū)小流域耕地土壤養(yǎng)分的分布特征，可為山區(qū)土地資源的合理利用以及土壤肥力現(xiàn)狀評價提供科學(xué)依據(jù)。不少學(xué)者針對小流域土壤養(yǎng)分進(jìn)行了研究[5-11]，但對山區(qū)微小尺度小流域的相關(guān)研究相對較少，導(dǎo)致規(guī)劃治理缺乏合理有效的科學(xué)指導(dǎo)，土地生產(chǎn)力難以明顯提高。筆者等立足山區(qū)小流域耕地土壤，從海拔、坡度、土層深度等方面分析小流域耕地土壤養(yǎng)分分布特征，以期更深入地了解海拔、坡度等不同因素對土壤養(yǎng)分分布的影響，利于科學(xué)認(rèn)識山區(qū)小流域土壤質(zhì)量現(xiàn)狀，為該地區(qū)及其他相似地區(qū)土壤養(yǎng)分管理、土地綜合利用開發(fā)以及可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市渝東南黔江區(qū)東北部城北河小流域(圖1)，108°45′41″～108°47′59″E，29°34′3″～29°35′39″N，小流域面積約6.24 km2，其中旱地1.52 km2，水田0.60 km2，分別占小流域總面積的24.35%和9.54%。該流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、四季分明、雨量充沛、日照少、濕度大、常見冬干、氣溫年差較小、局部小氣候較明顯等特點(diǎn)。流域內(nèi)多年平均降雨量1 186.8～1 288.2 mm，降雨年內(nèi)分配極不均勻，降水年際變化較大，夏季多暴雨或大暴雨，暴雨一般發(fā)生在4-10月，大暴雨多發(fā)生在5-9月，具有強(qiáng)度大、歷時短、籠罩面小的特點(diǎn)。根據(jù)黔江氣象站1960-2004年資料統(tǒng)計，多年平均降水量1 200.2 mm，多年平均氣溫15.4℃，多年平均日照1 182 h。

1.2 土壤樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 土壤采樣時間為2017年4月10-12日，土壤采樣點(diǎn)的選擇根據(jù)研究區(qū)內(nèi)海拔、地形地貌、土地分布等資料綜合考慮。在海拔上，根據(jù)自然斷裂法結(jié)合小流域?qū)嶋H海拔把研究區(qū)分為 3 個高程：小流域底部(<780 m)、小流域中部(780～933 m)、小流域頂部(>933 m)。根據(jù)1984年中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會頒發(fā)的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將耕地坡度分為5級，即≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°，在每級坡度分別取樣。在無人機(jī)航拍的高清影像圖上概略確定采樣點(diǎn)位置，野外采樣時根據(jù)實(shí)地情況調(diào)整后，用GPS定位讀取采樣點(diǎn)坐標(biāo)，土壤取樣的同時，記錄海拔、坡度等環(huán)境因子[12]。采樣時挖取有代表性土壤剖面，并在剖面內(nèi)自下而上分為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3個土層進(jìn)行土樣采集，將土樣去除雜質(zhì)，混合均勻，每個土樣取1 kg鮮土留作試驗(yàn)。共采集土樣159個，其中旱地116個，水田43個。采樣點(diǎn)基本包含研究區(qū)各種地形、地類及土壤類型，具有一定的代表性。

1.2.2 樣品分析 采回的土壤樣品及時送至實(shí)驗(yàn)室，平攤風(fēng)干，避免污染。經(jīng)研磨、過篩后編號裝袋備用。所有土壤樣本均進(jìn)行有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、pH等常規(guī)分析。土壤的各個養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行分級，養(yǎng)分分級指標(biāo)參考我國第2次土壤普查制定的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[13](表1)。土壤pH分級標(biāo)準(zhǔn)：≤4.5為強(qiáng)酸性土壤；4.5～5.5時為中強(qiáng)酸性土壤；5.5～6.5時為弱酸性土壤；6.5～7.5時為中性土壤；7.5～8.5時為堿性土壤；>8.5為強(qiáng)堿性土壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定，全氮采用凱式定氮儀測定，速效磷利用0.5 mol/L NaHCO3法測定，速效鉀利用用1 mol/L NH4AC火焰光度計法測定，pH采用電極法測定[14]。根據(jù)張仁鐸[15]的研究，變異系數(shù)在0～0.15為低等變異水平，0.15～0.36為中等變異水平，大于0.36則為高等變異水平，判定研究區(qū)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2016和SPSS 21軟件處理。

表1 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分

2.1.1 養(yǎng)分含量 由表2可知，在研究區(qū)所有土樣中，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為19.89 g/kg，變異系數(shù)為0.53；全氮平均含量為1.24 g/kg，變異系數(shù)為 0.41；全磷平均含量為1.09 g/kg，變異系數(shù)為0.47；全鉀平均含量為22.29 g/kg，變異系數(shù)為0.57；速效磷平均含量為 8.07 mg/kg，變異系數(shù)為0.94；速效鉀平均含量為 72.45 mg/kg，變異系數(shù)為0.74；土壤pH平均值為5.05，變異系數(shù)為0.15。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀均為高等變異水平，pH則為低等變異水平。

159個土樣中，pH為強(qiáng)酸性土壤的有39個，中強(qiáng)酸性土壤的有89個，弱酸性土壤的有22個，中性土壤的有8個，堿性土壤的有1個，無強(qiáng)堿性土壤。表明，該研究區(qū)土壤大部分屬于中強(qiáng)酸到強(qiáng)酸性土壤，主要是由于南方紅、黃壤分布廣泛，其pH主要分布在4.5～6，而該研究區(qū)正好位于南方紅、黃壤地區(qū)。

2.1.2 土壤分級 由表3可知，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量絕大部分處于2級、3級、4級水平，占總數(shù)的88.68%，有機(jī)質(zhì)含量適中。土壤全氮64.78%處于中上水平，約1/3地區(qū)土壤全氮含量缺乏。土壤全磷和全鉀含量頗豐，其中前兩級水平分別占全磷和全鉀總數(shù)的66.67%和61.64%。而速效磷與速效鉀4級、5級、6級水平分別占總量的71.07%和72.96%，含量非常缺乏。

2.2 不同海拔耕地土壤的養(yǎng)分含量

由圖2可知，研究區(qū)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量流域底部<流域中部<流域頂部，隨著海拔的升高而增加，呈極顯著正相關(guān)線性關(guān)系，主要因?yàn)殡S著海拔升高，該區(qū)域植被覆蓋度越大，來自于地表森林植被的枯枝落葉不斷分解補(bǔ)充與累積，使得土壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量隨海拔升高而增加。土壤中全鉀、速效磷、速效鉀含量則表現(xiàn)為流域底部>流域中部>流域頂部，隨海拔升高而不斷降低，呈極顯著負(fù)相關(guān)，這由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要集中于流域中低海拔地區(qū)，在耕作中大量施用鉀、磷肥，受耕作、施肥等人為因素影響較大。全磷含量與pH由流域中部向兩極遞減，原因可能是受土壤類型影響較大。

表2 研究區(qū)土壤的養(yǎng)分含量

2.3 不同坡度耕地土壤的養(yǎng)分含量

從圖3 a可以看出，研究區(qū)土壤全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH隨著耕地坡度的變化均呈先降低再升高后降低趨勢，其中全氮最大值為1.68 g/kg，出現(xiàn)在6°～15°坡度內(nèi)，最小值為1 g/kg，出現(xiàn)在2°～6°坡度內(nèi)；有機(jī)質(zhì)最大值為33.15 g/kg，出現(xiàn)在0°～2°坡度內(nèi)，最小值為19.99 g/kg，出現(xiàn)在2°～6°坡度內(nèi)；pH最大值為5.55，出現(xiàn)在6°～15°坡度內(nèi)，最小值為4.73，出現(xiàn)在大于25°的坡度。

由圖3 b可以看出，研究區(qū)土壤全磷及速效磷含量隨著耕地坡度的變化均呈先升高后降低趨勢，其中全磷最大值為1.55 g/kg，最小值為1.12 g/kg，分別出現(xiàn)在6°～15°坡度內(nèi)和大于25°的坡度；速效磷最大值為17.70 mg/kg，最小值為7.09 mg/kg，分別出現(xiàn)在2°～6°坡度內(nèi)和大于25°的坡度。

從圖3 c可知，研究區(qū)土壤全鉀含量隨著耕地坡度的變大呈先升高后降低趨勢，而速效鉀含量則為先升高再降低后升高。其中全鉀最大值為32.66 g/kg，最小值為16.26 g/kg，分別出現(xiàn)在15°～25°坡度內(nèi)和0°～2°坡度內(nèi)；速效鉀最大值為112.08 mg/kg，最小值為56.12 mg/kg，分別出現(xiàn)在大于25°的坡度和15°～25°坡度內(nèi)。

綜上所述，除全鉀和速效鉀以外，研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量隨坡度變化而降低的大致趨勢，主要由于研究區(qū)夏季雨量大，多暴雨，耕地坡度越大，受到的雨水沖刷更強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重；而全鉀和速效鉀在坡度較大地區(qū)含量較高則可能受成土母質(zhì)影響較大，研究區(qū)含鉀礦物較多。

2.4 不同土層深度耕地土壤養(yǎng)分的含量

由表4可知，在小流域耕地土壤中，除全鉀和pH外，其余土壤養(yǎng)分含量依次為0～20 cm土層>20～40 cm土層>40～60 cm土層，養(yǎng)分由表層土壤向深層土壤依次遞減，說明表層土壤受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響最大，施用肥料可直接為表層土壤補(bǔ)充各類養(yǎng)分元素，而對深層土壤基本無影響，故養(yǎng)分含量較表層土壤?。籶H由表層土壤向深層依次遞增，酸度0～20 cm土層>20～40 cm土層>40～60 cm土層。

從表5看出，除pH為中低等變異水平外，其余土壤養(yǎng)分為高等變異水平，表明pH在0～60 cm土層中分布較均勻，而其余養(yǎng)分在表層土壤與深層土壤中分布極不均勻；pH變異程度由表層土壤向深層土壤遞減，而其他土壤養(yǎng)分變異程度基本由表層向深層遞增，說明表層土壤養(yǎng)分含量離散程度較深層土壤小，主要原因是表層土壤受到人類生產(chǎn)生活影響多，表層土壤養(yǎng)分較深層土壤趨于穩(wěn)定。

表4不同土層深度土壤養(yǎng)分含量

表5 不同土層深度土壤養(yǎng)分變異系數(shù)

2.5 不同耕地條件下土壤養(yǎng)分的分布差異

由表6可知，研究區(qū)旱地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為21.97 g/kg，變異系數(shù)為0.35，屬于中等變異水平；全氮平均含量為1.28 g/kg，變異系數(shù)為 0.33，為中等變異水平；全磷平均含量為1.17 g/kg，變異系數(shù)為0.33，為中等變異水平；全鉀平均含量為24.1 g/kg，變異系數(shù)為0.44，達(dá)到高等變異水平；速效磷平均含量為9.94 mg/kg，變異系數(shù)為0.69，為高等變異水平；速效鉀平均含量為83.19 mg/kg，變異系數(shù)為0.50，為高等變異水平；pH平均值為5.1，變異系數(shù)為0.15，屬于低等變異水平。

水田中土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為24.06 g/kg，變異系數(shù)為0.2，屬于中等變異水平；全氮平均含量為1.49 g/kg，變異系數(shù)為 0.21，為中等變異水平；全磷平均含量為1.09 g/kg，變異系數(shù)為0.39，為高等變異水平；全鉀平均含量為27.19 g/kg，變異系數(shù)為0.26，達(dá)到中等變異水平；速效磷平均含量為9.74 mg/kg，變異系數(shù)為0.67，為高等變異水平；速效鉀平均含量為63.67 mg/kg，變異系數(shù)為0.5，為高等變異水平；pH平均值為4.76，變異系數(shù)為0.11，屬于低等變異水平。

綜上所述，研究區(qū)水田中有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀平均含量最高，主要是由于水田中腐殖質(zhì)層較旱地更多，能夠提供更多的有機(jī)質(zhì)、氮素等養(yǎng)分；其余養(yǎng)分指標(biāo)均屬旱地最高，可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理中大量施用磷肥、鉀肥等有關(guān)。在研究區(qū)不同耕地條件下，所有養(yǎng)分指標(biāo)變異水平以中等變異和高等變異為主，且變異程度除全磷旱地略小于水田外，其余指標(biāo)均為旱地大于水田，說明旱地土壤養(yǎng)分離散程度更高，分布更加不均。這是由于旱地受到雨水直接沖刷，養(yǎng)分更易受到遷運(yùn)和搬移，加之人為擾動更大，經(jīng)常的翻耕農(nóng)作，使得土壤養(yǎng)分物質(zhì)遷移更加頻繁，分布更加復(fù)雜，而且水田中有水作為介質(zhì)，相比于旱地，養(yǎng)分物質(zhì)更容易相對均勻地分布。

表6 不同耕地條件土壤養(yǎng)分分布差異

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)土壤全磷和全鉀含量頗豐，全氮含量處于中上水平，有機(jī)質(zhì)含量一般，而速效磷與速效鉀含量相對缺乏，建議當(dāng)?shù)卦谵r(nóng)業(yè)管理中少施用氮肥，增施農(nóng)家肥；而速效磷和速效鉀為農(nóng)作物生長發(fā)育必不可缺的2種營養(yǎng)元素，很難快速從自然環(huán)境中得到補(bǔ)充，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)著重注意磷肥與鉀肥的施用；研究區(qū)土壤大部分屬于中強(qiáng)酸到強(qiáng)酸性土壤，應(yīng)注意避免種植趨向中堿性的作物，可選擇茶樹等適應(yīng)酸性土壤的作物。

在土壤形成的過程中，海拔高低可影響地表物質(zhì)和能量的再分配，對土壤形成起到間接作用[16]。不同地形高度的成土過程不同，其土壤養(yǎng)分含量也不同。MOORE等[17-18]研究表明，某一地區(qū)的土壤屬性與該地區(qū)海拔高度有一定相關(guān)性。研究區(qū)內(nèi)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量流域底部<流域中部<流域頂部，全鉀、速效磷、速效鉀含量則表現(xiàn)為流域底部>流域中部>流域頂部。而耕地的坡度不同，其土壤保水保肥能力也不同，使得不同坡度土壤養(yǎng)分含量存在一定差異[19]。尤其是山區(qū)，地勢陡峭，地形起伏較大，耕地坡度較大，土壤侵蝕強(qiáng)烈，使得山區(qū)不同坡度耕地土壤養(yǎng)分差異顯著。此研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量呈隨坡度變大而降低的大致趨勢。因此建議盡量減少在流域高海拔、坡度較大地區(qū)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，若確要進(jìn)行生產(chǎn)，則應(yīng)加大磷肥與鉀肥的施用以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，并且在坡度較大地區(qū)修筑土坎、溝渠等工程措施防止和減輕水土流失。

土壤是時空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性[20]，這就導(dǎo)致不同深度的土壤養(yǎng)分含量存在一定的差異性。研究不同深度土壤的養(yǎng)分含量能夠更好的指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。而耕地條件的變化是影響土壤養(yǎng)分變化最直接、最深刻的因素。不同的耕地條件與土壤養(yǎng)分差異也有著極密切的聯(lián)系，是人類利用土地進(jìn)行各類活動的綜合反映[21-22]。此研究區(qū)除全鉀和pH外，土壤養(yǎng)分含量均由表層土壤向深層土壤遞減，土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)都比較高。在不同耕地條件下，研究區(qū)所有養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)均為旱地大于水田。因此在平時耕作中要注意加大翻耕力度，促使土壤養(yǎng)分均勻化。