基于不同時(shí)間尺度的坡改梯土壤肥力研究
——以永和縣為例

高文君，張春燕，李 冰，劉志剛

(1.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030012； 2.山西省國(guó)有林管理局，山西 太原 030012)

1 研究背景和意義

山西地處黃土高原，位于黃河中游地區(qū)，是全國(guó)水土流失最嚴(yán)重的省份之一。為了遏制嚴(yán)重的水土資源流失并提高糧食產(chǎn)量，從2010年起，山西省在中央和地方政府的支持下，連續(xù)7年在13個(gè)縣累計(jì)投資7.25億元，將4.64萬(wàn)hm2坡耕地改造為水平梯田。目前，這些新修建的水平梯田已投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為山西的生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著重要的作用。

連續(xù)7年大面積開(kāi)展坡改梯工程，將坡耕地修建為水平梯田后，土壤的肥力狀況、物理性質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益與原坡耕地相比究竟有多大提高，有哪些指標(biāo)得以改善？這些還沒(méi)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的調(diào)查和研究，而這對(duì)國(guó)家和地方制定與改進(jìn)水平梯田的總體規(guī)劃和下一步的部署具有重要的影響。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

以山西省臨汾市永和縣的坡耕地和不同年份修建的水平梯田為研究對(duì)象，按照時(shí)間梯度，從土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)角度進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析和研究，以了解坡改梯后不同時(shí)間尺度下土壤質(zhì)地的恢復(fù)和改善狀況，為更好地實(shí)施坡改梯項(xiàng)目提供理論依據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 梯田樣地布設(shè)

為了更好地研究不同年份坡改梯后的土壤肥力和效益，2018年以坡耕地為對(duì)照，以永和縣2010—2016年坡改梯項(xiàng)目為主要研究對(duì)象，按照不同年份分別選擇面積接近、田面平整度接近、走向一致、作物均為玉米的田塊作為代表性梯田，在每個(gè)田塊內(nèi)布設(shè)3個(gè)樣地，樣地面積5 m×5 m。土壤、植物樣本采集及作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量估算均在選定的樣地內(nèi)進(jìn)行。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 永和縣2010—2016年坡改梯研究樣地基本情況

2.2.2 土壤測(cè)定指標(biāo)及其測(cè)定方法

本次測(cè)定的土壤物理指標(biāo)主要有土壤含水量、土壤容重和孔隙度，土壤肥力指標(biāo)主要有土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量。

在樣地內(nèi)開(kāi)挖土壤剖面，分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層內(nèi)進(jìn)行取樣。測(cè)定方法：土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤全磷采用鉬銻抗比色法，土壤全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法[1]。每個(gè)土樣均重復(fù)測(cè)定3次。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年份修建的梯田土壤基本物理性質(zhì)分析

3.1.1 不同年份修建的梯田土壤含水量變化

玉米在永和縣種植面積較大，是主要的糧食作物。玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高低與土壤水分的關(guān)系非常密切。通過(guò)開(kāi)挖土壤剖面，對(duì)玉米苗期和成熟后期的土壤含水量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。由監(jiān)測(cè)結(jié)果和圖1可知：總體上，各樣地玉米苗期土壤含水量在0～40 cm深度時(shí)普遍較高，介于21%～25%之間，往下隨著土壤深度的增加，土壤含水量逐步降低；各樣地土壤含水量在表層(0～20 cm)差異較大，隨著土壤深度的增加含水量差異逐漸減小。

圖1 不同年份修建的梯田樣地玉米苗期土壤含水量比較

圖2 不同年份修建的梯田樣地玉米收獲期土壤含水量比較

由圖2可知，玉米收獲期土壤上層(0～40 cm)含水量普遍低于下層(40～80 cm)，且土壤含水量的變異程度上下差異不大。這可能與玉米收獲期正值雨季后期，降雨量通常較大，蒸發(fā)量相對(duì)減小，土壤水分蓄存量大于水分蒸散量有關(guān)，且進(jìn)入收獲期后玉米根系活動(dòng)大為減弱，對(duì)土壤水分的吸收減弱，因而產(chǎn)生土壤下層含水量高于上層含水量這一垂向分布上較為規(guī)律的梯田水文特征。

3.1.2 不同年份修建的梯田土壤容重和孔隙度垂向變化

土壤容重反映土壤的松緊程度，容重小則土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好；反之，則表明土壤緊實(shí)板結(jié)，缺少團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

由表2、3可看出，總體上，坡耕地和不同年份修建的梯田土壤容重均隨著土層的加深而增加，總孔隙度的變化則恰好相反，隨著土層的加深而減少。表層(0～20 cm)為耕作層，容重最小，總孔隙度最大；隨著土層加深，分別進(jìn)入犁底層和心土層，土壤容重有逐漸增大的趨勢(shì)，各樣地土壤剖面均表現(xiàn)為60～80 cm容重最大。造成這種現(xiàn)象的原因，一是耕作增加了總孔隙度，二是施肥利于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而降低了土壤容重，增加了孔性。這種“上虛下實(shí)”的結(jié)構(gòu)極有利于作物的生長(zhǎng)，“上虛”有利于通氣透水和種子的發(fā)芽、破土，“下實(shí)”有利于保水和扎穩(wěn)根系[2]。

表2 土壤容重在剖面上的垂向分布

表3 土壤孔隙度在剖面上的垂向分布

3.2 不同年份修建的梯田土壤基本化學(xué)性質(zhì)分析

3.2.1 不同年份修建的梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

各樣地有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果顯示，坡耕地(CK)有機(jī)質(zhì)含量最高，為7.01‰，2014年修建的梯田有機(jī)質(zhì)含量最低，為3.79‰，其余年份修建的梯田有機(jī)質(zhì)含量介于3.79‰～7.01‰之間(圖3)。

圖3 不同年份修建的梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量比較

圖3趨勢(shì)線表明，隨著坡改梯的時(shí)間延長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢(shì)，但尚未恢復(fù)到坡耕地時(shí)的水平。分析可知，一方面，剛剛坡改梯后田面表土大量為生土，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量非常低，需要有一個(gè)土壤熟化和有機(jī)質(zhì)逐漸積累的過(guò)程；另一方面，也體現(xiàn)出當(dāng)?shù)厝罕妼?duì)土地的經(jīng)營(yíng)管理存在“重用輕養(yǎng)”的狀況。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厥褂棉r(nóng)家肥很少，且在玉米收獲后地上秸稈被全部收割作為家畜的飼料，即使地下部分也會(huì)被刨出用作燃料，秸稈沒(méi)有還田，土壤缺乏有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充，因此梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量總體較低，即使是2010年修建的梯田，其土壤有機(jī)質(zhì)含量也未恢復(fù)到原坡耕地水平。

3.2.2 不同年份修建的梯田土壤全氮含量變化

從測(cè)定結(jié)果和圖4可知，土壤全氮含量坡耕地(CK)最高，為0.36 g/kg，2014年修建梯田最低，為0.20 g/kg。

圖4 不同年份修建的梯田土壤全氮含量比較

圖4趨勢(shì)線表明，隨著坡改梯時(shí)間的延長(zhǎng)，全氮含量具有增加的趨勢(shì)，但均未恢復(fù)到坡耕地時(shí)的全氮水平，這一趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)含量的變化具有相似性。

3.2.3 不同年份修建的梯田土壤全磷含量變化

由測(cè)定結(jié)果和圖5可知，坡耕地(CK)土壤全磷含量為0.37 g/kg，2013年修建梯田土壤全磷含量最高，為0.39 g/kg，比坡耕地高出5.41%。

圖5 不同年份修建的梯田土壤全磷含量比較

圖5趨勢(shì)線表明，土壤全磷含量普遍較低。分析其原因，可能是磷在土壤中容易被固定，作物對(duì)磷素的吸收主要是通過(guò)根系的直接接觸而獲得，因而根系生長(zhǎng)點(diǎn)與施肥點(diǎn)的距離和根系與肥料接觸面積的大小是影響肥料吸收利用的兩個(gè)重要因素，同時(shí)也受根系活躍吸收面積的制約。

3.2.4 不同年份修建的梯田土壤全鉀含量變化

由測(cè)定結(jié)果和圖6可知，坡耕地(CK)全鉀含量為15.13 g/kg，2010、2011、2012、2013、2014、2015、2016年修建的梯田與坡耕地相比，全鉀含量分別較坡耕地增加7.87%、10.38%、-0.53%、5.42%、9.98%、-2.05%、4.36%。

總體看，全鉀變化較為穩(wěn)定，坡耕地和各年份修建梯田土壤全鉀含量均無(wú)明顯差別。這可能與土壤全鉀背景值較大有關(guān)。

圖6 不同年份修建的梯田土壤全鉀含量比較

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1)總體上，玉米苗期的土壤含水量在0～40 cm深度較高，往下隨著土壤深度的增加，土壤含水量逐步降低；不同年份修建的梯田土壤含水量在表層(0～20 cm)差異較大，隨著土壤深度的增加含水量差異逐漸減小。在玉米收獲期，土壤上層(0～40 cm)含水量普遍低于下層(40～80 cm)，而且土壤含水量的變異程度上下差異不大。

(2)坡耕地和不同年份修建的梯田土壤容重均隨著土壤深度的增加而增加，總孔隙度的變化則恰好相反，隨著土壤深度的增加而減少。

(3)隨著坡改梯的時(shí)間延長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量有增加的趨勢(shì)，但均未恢復(fù)到坡耕地時(shí)的水平；土壤全磷含量普遍較低；土壤全鉀含量變化較為穩(wěn)定。

總之，對(duì)2010—2016年修建梯田的土壤理化性狀的研究發(fā)現(xiàn)：新建梯田性能不夠穩(wěn)定，土壤肥力普遍偏低，當(dāng)?shù)厝罕娫谔萏锔鬟^(guò)程中存在“重用輕養(yǎng)”的現(xiàn)象。因此，坡改梯后，采取各種技術(shù)措施保證土壤肥力持續(xù)增加、農(nóng)作物產(chǎn)量持續(xù)提升是急需解決的問(wèn)題。

4.2 建 議

(1)搞好梯田的二次開(kāi)發(fā)。當(dāng)前山西省大力推進(jìn)坡改梯項(xiàng)目，梯田開(kāi)發(fā)建設(shè)取得了巨大的成績(jī)，并形成了一定的規(guī)模。但是梯田資源的二次開(kāi)發(fā)還需要深化研究。農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)，應(yīng)依托梯田土地資源，注重新修梯田培肥、豐產(chǎn)栽培、地埂綜合開(kāi)發(fā)利用等實(shí)用技術(shù)的推廣，不斷提高梯田資源的綜合效益。

(2)加大梯田建設(shè)力度。受氣候和黃土高原地形地貌等因素影響，山西省水土流失嚴(yán)重。梯田在生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，既具有保持水土的功效，又具有增產(chǎn)糧食的作用。梯田僅占黃土高原耕地面積的22%，修筑梯田，整治土地資源，提高優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的比例具有很大的空間。因此，在還沒(méi)有修筑梯田的地區(qū)，應(yīng)積極推進(jìn)梯田建設(shè)，科學(xué)規(guī)劃，規(guī)模治理，加大機(jī)修力度，加快梯田建設(shè)步伐。

(3)梯田建設(shè)應(yīng)與小流域綜合治理相結(jié)合。要根據(jù)小流域地形地貌特點(diǎn)，在全面規(guī)劃的基礎(chǔ)上，把興修梯田與以山、水、田、林、路、窖為內(nèi)容的小流域綜合治理結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行土地資源綜合整治開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

(4)在山西省的干旱半干旱地區(qū)，梯田發(fā)揮著涵養(yǎng)水源的重要作用。水資源短缺是制約干旱半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，也是生態(tài)環(huán)境脆弱的一個(gè)重要因子。因此，深入研究本省區(qū)域水資源形成與轉(zhuǎn)化關(guān)系、地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，以及坡改梯的推進(jìn)和深化仍是今后工作的重點(diǎn)。