李澤霞, 董彥麗, 馬 濤
(甘肅省水土保持科學(xué)研究所, 甘肅 蘭州 730020)
坡耕地是黃土區(qū)產(chǎn)生水土流失的主要來源地,土壤侵蝕嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境極為脆弱。為此,中國(guó)政府開展坡改梯工程,修建了大面積以水平梯田為主體的梯化坡地[1],有效改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,水土流失綜合治理取得顯著成效。梯化坡地在建設(shè)過程中形成了3個(gè)不同部位(挖高填低),即挖方段、中間段和填方段,由于挖方段原耕作熟化土層大部分移至填土部位,不同程度打亂了表土層,改變了挖、填部位的土壤理化性質(zhì),對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生較大的影響[2]。土壤理化性質(zhì)是影響土壤肥力的內(nèi)在條件,也是綜合反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),黃土區(qū)干旱少雨,土壤貧瘠,為了改善土壤肥力,覆膜成為當(dāng)?shù)爻R姷霓r(nóng)業(yè)管理措施。近年來農(nóng)村大量勞動(dòng)力外出務(wù)工,梯化坡地撂荒現(xiàn)象較為嚴(yán)重,導(dǎo)致耕地面積逐年減少,土壤肥力下降,嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。不同的土地利用方式、覆膜管理等措施會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)發(fā)生劇烈變化,對(duì)土壤養(yǎng)分及其循環(huán)有著極為重要的影響,合理的土地利用方式能夠有效地改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力[3],不合理的土地利用方式會(huì)降低生物多樣性和土壤質(zhì)量[4]。目前,關(guān)于梯化坡地研究主要集中在土壤養(yǎng)分、蓄水保墑、土壤培肥[5-7]等方面,但是關(guān)于不同土地利用方式下不同部位土壤理化性質(zhì)的研究并不多見。因此,我們選取黃土區(qū)梯化坡地為研究對(duì)象,開展不同土地利用方式下挖、中、填方段不同部位土壤理化性質(zhì)研究,掌握其土壤肥力現(xiàn)狀分布特征,以期對(duì)改善梯化坡地土壤養(yǎng)分提供指導(dǎo),進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)耕地資源的合理利用,改進(jìn)土地利用方式,發(fā)展持續(xù)農(nóng)業(yè),防止地力衰退、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。
本研究選擇甘肅省定西市隴西縣云田鎮(zhèn)梯化坡地(2010年修建)為研究對(duì)象。該區(qū)地處東經(jīng)107°15′—107°23′E,北緯35°21′—35°27′N,海拔高度1 028~1 374 m,相對(duì)高差346 m,屬溫帶半濕潤(rùn)氣候,日照充足,夏季炎熱,冬季微寒。據(jù)隴西氣象站1981—2010年系列數(shù)據(jù),研究區(qū)年均氣溫8.2 ℃,年均降水量414.8 mm,年蒸發(fā)量1 562.8 mm,年均風(fēng)速1.5 m/s,無霜期161.8 d,最大凍土深98 cm。植物資源比較豐富,區(qū)域內(nèi)主要草本植物有冰草、豬毛菜、車前草等,人工種植作物主要有小麥、玉米、苜蓿、洋芋、中藥材等,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無灌溉措施,為典型的旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),梯化坡地土壤類型為黃綿土和黑壚土。
根據(jù)實(shí)地調(diào)查及對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問,在覆膜作物、牧草地和撂荒地模式下共選擇5個(gè)樣地(玉米地、苜蓿地、撂荒地2 a、撂荒地4 a和荒草地)進(jìn)行取樣,同時(shí)記錄取樣點(diǎn)的海拔、經(jīng)緯度、主要植被類型等環(huán)境因子(見表1)。
表1 樣地概況
荒草地是指撂荒8 a的梯化坡地,各樣地坡向均為陽坡、坡度及土壤類型一致,玉米地生育期內(nèi)施肥、覆膜等管理措施同大田作物,其余用地方式均無施肥措施。土壤樣品采樣時(shí)間為2018年11月(農(nóng)作物剛收獲后土地尚未施肥前),采用野外取樣與室內(nèi)分析的方法,根據(jù)地形特點(diǎn),在5個(gè)試驗(yàn)樣地的挖方段、中間段、填方段3個(gè)部位分別布置5 m×10 m的樣地,共15個(gè),在樣地內(nèi)按“S”形隨機(jī)布點(diǎn)挖取土壤剖面,分4層(0—5,5—10,10—20,20—40 cm)取樣,每個(gè)樣地3次重復(fù)。用鋁盒、環(huán)刀和自封袋采集土壤樣品并編號(hào),稱量土樣濕重后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化性質(zhì)分析。
土壤理化性質(zhì)指標(biāo)主要有土壤水分、容重、機(jī)械組成、pH值、有機(jī)碳、速效鉀、有效磷、水解性氮等指標(biāo)。其中,采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量,環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)定,根據(jù)國(guó)際制土壤粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)將土壤顆粒級(jí)別劃分為粗砂粒(0.2~2 mm)、細(xì)砂粒(0.02~0.2 mm)、粉粒(0.002~0.02 mm)和黏粒(<0.002 mm)。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化分光光度法測(cè)定,速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定,有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗分光光度法測(cè)定,水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[8]。
采集土樣采用Excel 2007和SPSS21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)中最小顯著差異法(LSD)分析不同土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,顯著性差異水平取“p<0.05”。
土壤水分是土壤重要組成物質(zhì)之一,是土壤養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的載體。黃土區(qū)氣候干旱,土壤水資源十分匱乏,土壤水分是植物生長(zhǎng)和生態(tài)恢復(fù)的主要限制因子[9],直接影響作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量。在黃土區(qū)實(shí)施坡改梯工程,能夠攔蓄天然降水,減少地表徑流,提高降水利用率[10]。5種土地利用方式土壤含水量在垂直剖面上均表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增大的趨勢(shì)(見圖1),土壤含水量變化范圍在4.45%~17.69%之間,依次表現(xiàn)為:玉米地>撂荒地4 a>撂荒地2 a>苜蓿地>荒草地。
注:圖中不同小寫字母表示同一土壤深度下不同土地利用方式差異達(dá)顯著水平(p<0.05),下同。
不同土地利用方式各土層土壤水分的垂直分布均存在顯著差異(p<0.05),0—40 cm土層玉米地平均土壤含水量分別比荒草地,苜蓿地,撂荒地2 a,撂荒地4 a高165%,139%,62%,16%。玉米地土壤含水量明顯高于其他4種土地利用方式,這是因?yàn)橛衩椎赝寥罉悠凡杉谀は峦寥?,而覆膜能夠提高土壤保墑作用,減少土壤水分蒸發(fā)量,使得土壤保持較高的水分含量。除作物管理措施外,植被自身的屬性也是影響土壤水分變化的重要因素,苜蓿根系大,耗水強(qiáng)度高,需水量也大,土壤含水量較低。因此,在條件允許的情況下,應(yīng)優(yōu)先考慮種植覆膜作物。從圖2可以看出,5種土地利用方式不同部位土壤含水量均表現(xiàn)為:挖方段>中間段>填方段,填方段保水性較挖方段差,說明經(jīng)過數(shù)年耕作,修建時(shí)土壤機(jī)械擾動(dòng)對(duì)填方區(qū)的土壤影響繼續(xù)存在。
圖2 黃土區(qū)梯化坡地不同部位土壤含水量
土壤容重是土壤緊實(shí)度的敏感性指標(biāo),能夠反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞,土壤容重越小,說明土壤疏松多孔,透氣性、透水性越好[11]。土壤容重測(cè)定結(jié)果表明(見圖3):5種土地利用方式土壤容重變化總體趨勢(shì)一致,均隨土層深度增加而逐漸增大。0—40 cm土層土壤容重均值表現(xiàn)為:玉米地(1.20 g/cm3)<苜蓿地(1.22 g/cm3)<荒草地(1.23 g/cm3)<撂荒地4 a(1.24 g/cm3)<撂荒地2 a(1.26 g/cm3)。玉米地容重最小,這是由于玉米地管理過程中耕作和有機(jī)肥料的施用促進(jìn)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的形成,土壤容重降低,改善了土壤通氣狀況。苜蓿根系與其他作物相比較為發(fā)達(dá),有較強(qiáng)的穿透力,種植苜蓿能減緩?fù)寥谰o實(shí),使土壤密度降低,因此苜蓿地土壤容重也較低。對(duì)荒草地和撂荒地而言,梯化坡地撂荒后,土壤擾動(dòng)減少,地表的植物、凋落物和植物根系增多,增加了土壤的有機(jī)物來源,但與玉米地相比,管理粗放,沒有耕作管理的輸入,土壤孔隙結(jié)構(gòu)形成緩慢,使土壤容重保持較高水平。
圖3 黃土區(qū)梯化坡地不同深度土壤容重
從圖4可以看出,5種土地利用方式不同部位土壤容重均表現(xiàn)為:挖方段>中間段>填方段,且填方段各用地方式間差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)。受填土影響,填方段土壤容重小,說明填方段土壤比較疏松,孔隙多,通透性較好,潛在肥力較高。
圖4 黃土區(qū)梯化坡地不同部位土壤容重
土壤機(jī)械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例,土壤各級(jí)顆粒組成比例不同對(duì)土壤養(yǎng)分有著明顯影響,二者存在密切關(guān)系[12]。土壤黏粒的粒徑微小,有助于形成較好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)換和水分吸持,土壤養(yǎng)分含量豐富[13]。黃土區(qū)梯化坡地不同土地利用方式下土壤機(jī)械組成見圖5。0—40 cm土層土壤各粒徑組分中,黏粒、粉粒、粗砂粒、細(xì)砂粒組分含量范圍分別為:14.0%~19.33%,1.0%~6.33%,0.33%~1.33%,73.67%~83.0%。5種土地利用方式的土壤顆粒百分含量均表現(xiàn)為:細(xì)砂粒>黏粒>粉粒>粗砂粒,由此可知,梯化坡地土壤以細(xì)砂粒為主,占據(jù)了其組分的70%以上,粗砂粒含量很少,這是由于研究區(qū)屬于干旱區(qū),降雨少,形成了較多的細(xì)砂粒。根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將黃土區(qū)梯化坡地土壤質(zhì)地進(jìn)行分類,得出土壤屬于砂質(zhì)黏壤土,土壤通氣性強(qiáng),但是保水、保肥性差。
圖5 黃土區(qū)梯化坡地不同土地利用方式土壤機(jī)械組成
從圖5可以看出,較其他土地利用方式,0—40 cm土層中玉米地土壤黏粒和粉粒含量較高,細(xì)砂粒最低,這可能是因?yàn)橛衩椎氐母鲝?qiáng)度和使用頻率較高,土壤易受到劇烈的人為擾動(dòng)因素造成的。梯化坡地不同部位土壤各粒徑組分在0—40 cm土層沒有表現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律分布,隨著土層深度的增加,土壤細(xì)砂粒含量波動(dòng)增加,粉粒和黏粒含量波動(dòng)下降,粗砂粒含量則比較穩(wěn)定。0—20 cm和20—40 cm土層土壤黏粒和粉粒均表現(xiàn)為填方段最低,其次是中間段,挖方段最大,而粗砂粒和細(xì)砂粒則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。梯化坡地不同土地利用方式下土壤機(jī)械組成受施肥、覆膜等田間管理措施的影響較小,而在坡改梯修建過程中挖高填低,造成了生土與熟土的混合,各級(jí)顆粒組成在梯化坡地不同部位之間存在變化。
2.3.1 土壤pH值 土壤pH值是衡量土壤肥力的重要指標(biāo),它直接影響到土壤中各種養(yǎng)分元素的存在形態(tài)及養(yǎng)分之間的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育[14]。隴西縣梯化坡地5種土地利用方式不同部位的土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表2可以看出,土壤pH值范圍在7.68~8.52之間變動(dòng),表明研究區(qū)土壤呈堿性水平。就pH值大小來看,除玉米地外,其余4種土地利用方式下不同位置土壤pH值均表現(xiàn)為:挖方段>中間段>填方段,挖方段土壤pH值最高,鹽堿性最大。方差分析表明梯化坡地不同土地利用方式的不同部位pH值差異不顯著(p>0.05),說明位置對(duì)土壤pH值的影響不大。
表2 黃土區(qū)梯化坡地不同土地利用方式不同部位土壤化學(xué)性質(zhì)
5種土地利用方式土壤化學(xué)指標(biāo)垂直變化見表3。從垂直分布上來看,在0—20 cm和20—40 cm土層中,5種土地利用方式土壤pH值隨著土層深度增加沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律,土壤pH均值表現(xiàn)為:苜蓿地(8.42)>荒草地(8.4)>玉米地(8.23)>撂荒地2 a(8.21)>撂荒地4 a(7.81)。方差分析表明,除玉米地外,不同土地利用方式0—20 cm和20—40 cm土層土壤pH值變化均差異不顯著(p>0.05)。本研究中撂荒地4 a土壤pH值最小,明顯低于撂荒地2 a,但隨著撂荒年限的增加,土壤pH值呈先下降后增加的趨勢(shì),表明適度撂荒對(duì)土壤pH值有一定的改善效果。研究區(qū)堿性土壤特征對(duì)土地利用方式方面有指導(dǎo)意義,選擇種植作物時(shí)應(yīng)考慮作物的耐堿性。
2.3.2 土壤有機(jī)碳 土壤有機(jī)碳庫是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫,主要來源于地上凋落物元素歸還和地下植物根系代謝[15]。梯化坡地不同土地利用方式土壤有機(jī)碳變化范圍在0.49%~0.92%之間(見表2),5種土地利用方式在不同水平位置土壤有機(jī)碳變化規(guī)律不一致,玉米地、荒草地、撂荒地4 a表現(xiàn)為:挖方段<中間段<填方段,其余2種利用方式無明顯規(guī)律。
由表3可知,0—40 cm土層有機(jī)碳隨土層深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),與郭洋等[16]的研究結(jié)果相同,在0—5 cm的含量最高,主要是因?yàn)槲⑸镌谕寥辣韺踊顒?dòng)強(qiáng)烈,易分解有機(jī)質(zhì),有利于有機(jī)碳的累積,而土層越深,微生物的活動(dòng)越少,不利于有機(jī)碳的累積。從土壤有機(jī)碳含量來看,5種不同土地利用方式土壤有機(jī)碳均值變化特征為:玉米地(0.91%)>撂荒地2 a(0.71%)>撂荒地4 a(0.57%)=苜蓿地(0.57%)>荒草地(0.53%)。方差分析結(jié)果顯示,5種樣地土壤有機(jī)碳含量不同土層間表現(xiàn)出差異顯著。玉米地土壤有機(jī)碳含量最高,分別比撂荒地2 a,撂荒地4 a,苜蓿地,荒草地高28%,60%,60%,72%,主要原因是施肥使玉米地植株生物量增加,從而增加了土壤有機(jī)碳來源。撂荒地和荒草地土壤中有機(jī)碳含量均處于較低的水平,表明梯化坡地撂荒后土壤有機(jī)碳降低。
2.3.3 土壤速效養(yǎng)分 氮、磷、鉀3種元素是植物生長(zhǎng)所必需的3大營(yíng)養(yǎng)元素,也是構(gòu)成植物生命體的重要元素,在植物生長(zhǎng)過程中占有重要地位[17],速效養(yǎng)分為可以直接被作物吸收利用的部分,是反映肥效高低的主要指標(biāo)。從表2可以看出,土壤速效鉀、有效磷、水解性氮含量分別為53.25~71.5,4.0~10.43,18~42.25 mg/kg,三者含量變化范圍均較大。5種土地利用方式土壤速效鉀和水解性氮均表現(xiàn)為填方段最大,其次是中間段,挖方段最小,除撂荒地2 a外,有效磷均是挖方段最大。從表3可以看出,5種土地利用方式下的土壤速效鉀、有效磷含量均基本表現(xiàn)出隨土層深度增加而減少的趨勢(shì),土壤水解性氮變化無明顯規(guī)律。方差分析結(jié)果表明,不同土地利用方式下土壤速效鉀、有效磷、水解性氮含量均差異顯著(p<0.05),說明土壤速效鉀、有效磷、水解性氮含量受土地利用方式的影響明顯。土壤養(yǎng)分與土壤質(zhì)地、耕作方式、施肥方式及管理措施等因素有關(guān),可能造成土壤養(yǎng)分之間的差異。不同土地利用方式下土壤速效鉀、有效磷平均含量均為覆膜玉米地最大,其次是苜蓿地、荒草地,撂荒地2 a和4 a最小,土壤水解性氮平均含量從大到小為:苜蓿地>覆膜玉米地>撂荒地2 a>荒草地>撂荒地4 a。
本研究梯化坡地停止耕作撂荒后,土壤有機(jī)碳隨撂荒時(shí)間增加呈降低的趨勢(shì),這與王月玲等[18]人研究結(jié)果存在不同,有機(jī)碳沒有表現(xiàn)出隨著撂荒年限增加呈先降低后升高的趨勢(shì),即短期的撂荒會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的降低,長(zhǎng)期的撂荒和自然演替可以改善土壤性質(zhì),這可能是由于本研究區(qū)氣候條件干旱,撂荒地和荒草地僅有冰草等少量雜草生長(zhǎng),植被稀疏,枯落物較少,微生物對(duì)植物的降解能力有限,土壤表層養(yǎng)分積累有限,而雜草的生長(zhǎng)會(huì)消耗土壤養(yǎng)分,同時(shí)受牲畜采食踐踏的影響,使植被覆蓋度、地上生物量減少,且無肥料投入,土壤速效養(yǎng)分明顯偏低。由于玉米地利用過程中受人為耕作和施肥等的影響,及時(shí)補(bǔ)充作物所需養(yǎng)分,土壤速效養(yǎng)分會(huì)高于荒草地和撂荒地,表明可以通過改善土壤環(huán)境來提高土壤生產(chǎn)力。另外,梯田的覆膜管理措施對(duì)土壤培肥效果較好[19],有利于玉米地土壤養(yǎng)分的增加,在生產(chǎn)中需要注意的是,地膜覆蓋的玉米生育加快,吸收養(yǎng)分增加,造成前期土壤養(yǎng)分的消耗增多,使后期養(yǎng)分供應(yīng)不足,應(yīng)注意作物后期的施肥狀況。
(1) 5種土地利用方式的土壤含水量、容重均隨土層深度增加而呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì),不同部位均表現(xiàn)為:挖方段>中間段>填方段,其中玉米地土壤含水量最高,容重最小,表明玉米地的覆膜措施提高了土壤的持水、貯水能力及土壤疏松程度,從而改良了土壤物理性質(zhì)。5種土地利用方式的土壤機(jī)械組成均表現(xiàn)為:細(xì)砂粒>黏粒>粉粒>粗砂粒,屬砂質(zhì)黏壤土。0—40 cm土層各級(jí)顆粒組成中黏粒和粉粒均為填方段最低,其次是中間段,挖方段最大,而粗砂粒和細(xì)砂粒呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。
(2) 土壤pH值變化范圍是7.68~8.52,屬堿性土壤,5種土地利用方式下不同部位pH值均表現(xiàn)為:挖方段>中間段>填方段,pH均值表現(xiàn)為苜蓿地(8.42)>荒草地(8.4)>玉米地(8.23)>撂荒地2 a(8.21)>撂荒地4 a(7.81),方差分析結(jié)果是無顯著差異。有機(jī)碳均值變化特征為:玉米地(0.91%)>撂荒地2 a(0.71%)>撂荒地4 a(0.57%)=苜蓿地(0.57%)>荒草地(0.53%)。土壤速效鉀、有效磷均值均表現(xiàn)為玉米地最大,其次為苜蓿地和荒草地,而撂荒地2 a和撂荒地4 a含量最小。土壤水解性氮均值表現(xiàn)為:苜蓿地>覆膜玉米地>撂荒地2 a>荒草地>撂荒地4 a。5種土地利用方式土壤有機(jī)碳、速效鉀、水解性氮均表現(xiàn)為:填方段>中間段>挖方段,除撂荒地2 a外,有效磷均是挖方段最大。
總體來看,黃土區(qū)梯化坡地挖方段土壤物理性質(zhì)較差,是由于修建坡改梯時(shí)挖方段土壤生土較多,建議今后梯化坡地在進(jìn)行耕作播種等活動(dòng)時(shí),根據(jù)3個(gè)部位的差異采取措施,偏施肥料,重點(diǎn)在挖土部位多施肥,充分發(fā)揮梯化坡地的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。玉米地覆膜對(duì)梯化坡地土壤改良具有十分明顯的效果,是改善土壤養(yǎng)分狀況和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要農(nóng)藝措施,苜蓿地需要倒茬種植其他作物。