天鎮(zhèn)縣不同年限“坡改梯”農(nóng)田的土壤肥力特征研究

高玉鳳

（山西省水土保持科學研究所）

坡耕地作為我國丘陵山區(qū)糧食作物生產(chǎn)和經(jīng)濟作物創(chuàng)收的重要基地，在長期的利用過程中，受自然條件和人們不合理生產(chǎn)活動的多重影響，導致其水土流失嚴重，土壤肥力下降，農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力低下。這種情況，在坡耕地占比大且降雨集中的區(qū)域，表現(xiàn)尤為明顯。為了有效防止坡耕地的水土流失，提高農(nóng)田的種植效益，保證農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，近十多年來，國家實施了以“坡改梯”為中心的坡耕地水土流失綜合治理重點工程。通過該工程的集中連片實施，坡地變平，小塊變大塊，加之深耕培肥改土，有效控制了水土流失，土壤結(jié)構(gòu)得到改良，改變了土壤的水肥氣熱狀況，使土壤的有機質(zhì)含量增加，土壤肥力和土壤質(zhì)量得到明顯提高。

本項研究，以天鎮(zhèn)縣張西河鎮(zhèn)盛家莊村為試驗區(qū)，對晉北不同“坡改梯”年限農(nóng)作梯田和對照坡耕地的土壤養(yǎng)分指標進行取樣化驗分析，并采用主成分分析方法對土壤肥力進行評價，以為“坡改梯”農(nóng)田的科學利用管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

天鎮(zhèn)縣位于東經(jīng)110°53′30″-114°32′30″，北緯40°40′35″-40°09′08″，地處大同市東北部的山西、河北、內(nèi)蒙古三?。▍^(qū)）交界處。全縣平均海拔1 100 m左右，地貌類型以黃土丘陵緩坡風沙區(qū)為主。氣候?qū)儆诖箨懶员睖貛Ц珊导撅L氣候區(qū)，四季分明，冬季偏長。年均氣溫6.7℃，極端最高氣溫36.5℃，極端最低氣溫-31.6℃；年降水量396.7 mm，集中分布于5-9月，降雨量占年降水量的87.4%；年均風速2.7 m/s，瞬時最大風速19.7 m/s，年大風日數(shù)21.6 d；無霜期146 d。

1.2 具體研究地點與方法

具體研究地點選擇在張西河鎮(zhèn)盛家莊村的梯田上，沒有灌溉條件，農(nóng)業(yè)用水全部依托天然降雨。在該村選取3塊不同“坡改梯”年限農(nóng)田作為研究對象，同時在附近選取10°-20°（P）坡耕地作為對照。根據(jù)研究樣地的實際情況，于2016年7月，按照“S”型五點采樣法，分層采集0-20 cm、20-40 cm土壤樣品，自然風干后過0.25 mm和1 mm篩，備測土壤理化性質(zhì)指標。

具體土壤理化性質(zhì)指標的測定方法：土壤pH采用pH計測定，電導率（EC）采用電導法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀法測定，全氮采用凱式定氮法測定，全磷采用鉬銻比色法測定，全鉀采用火焰分光光度計法測定，速效磷采用鹽酸—硫酸浸提法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰分光光度計法測定。測定數(shù)據(jù)采用SPSS和Excel進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征統(tǒng)計分析

“坡改梯”農(nóng)田和對照坡耕地的土壤養(yǎng)分特征見表1。土壤理化性狀變異系數(shù)的判定標準：＜15%的為弱變異，16%-35%為中等變異，＞35%為高度變異[1]。

由表1可知，梯田相對坡耕地的土壤pH為弱變異，土壤有機質(zhì)和全氮、全磷均為中等變異；土壤EC值坡耕地為中等變異，梯田為弱變異；土壤有效磷和速效鉀，其變異程度均很高。新修梯田的土壤全鉀含量變異程度較高，呈現(xiàn)中等變異。

表1 土壤養(yǎng)分指標測定成果與變異統(tǒng)計分析

在0-40 cm土層范圍內(nèi)，由于坡耕地和各個年限梯田均為農(nóng)耕地，表層土壤受耕作施肥的影響，導致土壤pH、EC、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、全磷和全鉀含量，在0-20 cm和20-40 cm呈顯出了分層現(xiàn)象，其中，表層土壤電導率EC優(yōu)于下層。隨著土層深度增加，土壤養(yǎng)分含量逐漸減小。

0-20 cm土層，由于新修梯田時表土層受到強烈擾動，初期土壤肥力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，土壤養(yǎng)分較坡耕地增幅不大，其土壤有機質(zhì)含量較坡耕地低。隨著“坡改梯”年限的增加，土壤電導率逐漸增加，土壤養(yǎng)分含量亦增加；3 a梯田的土壤電導率、土壤有機質(zhì)含量均顯示最高?！捌赂奶荨? a的農(nóng)田，保鹽能力和增肥效益明顯好于坡耕地。

20-40 cm土層，不同年限的“坡改梯”農(nóng)田，由于削減了地面坡度，可以很好的存儲天然降雨，保持鹽分，因此EC值較坡耕地都大。2 a和1 a梯田的土壤有機質(zhì)和全氮含量，較坡耕地增幅不明顯，但在“坡改梯”3 a后，農(nóng)田的土壤有機質(zhì)和全氮含量較坡耕地明顯提高?？傮w來看，不同年限梯田的全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量均優(yōu)于坡耕地。

從表1可以看出，較之坡耕地，坡改梯農(nóng)田的土壤養(yǎng)分隨年限延長呈現(xiàn)波動性增長。在坡改梯3 a后，土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、全磷、全鉀的含量，均明顯提高，較坡耕地分別提高22.41%、55.27%、87.11%、135.74%、95.74%和298.40%。坡改梯1 a，其土壤有機質(zhì)和全氮含量較坡耕地低，初期土壤肥力整體上相對較差。

表2 土壤養(yǎng)分指標的相關性矩陣分析

2.2 土壤養(yǎng)分指標的相關性分析

對選取樣地的土壤養(yǎng)分指標進行相關性分析，結(jié)果見表2。從表2可以看出，土壤pH與養(yǎng)分指標呈現(xiàn)極顯著負相關；土壤EC值與土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)極顯著正相關；土壤有機質(zhì)、全氮與全磷、全鉀、速效磷、速效鉀呈現(xiàn)顯著或者極顯著相關。相關性分析結(jié)果顯示，土壤肥力指標相互存在顯著的相關性，可能導致一部分信息大量重疊，用主成分分析法進行篩選，可以較好地分析試驗地的土壤肥力情況[2]。

2.3 土壤肥力的主成分分析

對測定的土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，進行標準化處理后再進行主成分分析。提取主成分特征值＞1的主成分2個，累計方差貢獻率為79.347%（表3），說明提取的這兩個主成分具有代表性。

表3 土壤養(yǎng)分主成分方差分析表

表4 初始因子載荷矩陣及特征向量

結(jié)合表3和表4可知，土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀和全鉀在第一主成分的載荷值大于0.7，方差貢獻率為42.736%，表明這4個指標對土壤肥力的影響較大。土壤pH、EC、土壤速效磷和全磷在第二主成分的載荷值大于0.6，方差貢獻率為36.611%，表明這4個指標對土壤肥力的影響也較大，但比不上第一主成分4個指標。

將各土壤養(yǎng)分指標在兩個主成分載荷中的載荷數(shù)值和提取主成分的特征值進行計算，得到各個指標在兩個主成分下的特征向量值。該特征向量結(jié)合標準化后的土壤肥力評價指標數(shù)據(jù)（ZXi，i=1，2…8），用以求得提取的兩個主成分在不同樣地下的得分及排名（表5）。

表5 不同樣地土壤肥力水平評價綜合得分及排名

F1=-0.134 ZX1+0.308 ZX2+0.387 ZX3+0.478 ZX4+0.101ZX5+0.494 ZX6+0.034 ZX7+0.504 ZX8

F2=-0.378ZX1+0.385 ZX2+0.204 ZX3+0.293 ZX4+0.539ZX5+0.189 ZX6+0.503 ZX7-0.041 ZX8。

對應表5中F1、F2值，然后以每個主成分所對應的方差貢獻率占所提取主成分總的方差貢獻率之和的比例作為權(quán)重，計算主成分綜合分值，最后按得分進行排序。

多數(shù)研究表明，綜合主成分得分越高，說明該樣地土壤越肥沃，反之則越貧瘠。本項研究結(jié)果表明，實施“坡改梯”3 a農(nóng)田的土壤肥力明顯優(yōu)于坡耕地，而實施“坡改梯”1 a和2 a農(nóng)田的土壤肥力也優(yōu)于坡耕地，說明在晉北進行“坡改梯”起到了顯著的保肥增肥效益。

3 結(jié)論

在實施“坡改梯”措施后，晉北梯田的土壤有機質(zhì)和全氮含量較坡耕地明顯提高，起到了顯著的保肥增肥效益。隨著持續(xù)年限的增加，實施“坡改梯”農(nóng)田的保肥增肥效果愈加明顯。