丹江口庫區(qū)不同坡度對土壤肥力特征的影響

張 君，蔡德寶，楊樹瓊，陳秀文，陳吉寶*

（1.河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 南陽 473061；2.南陽師范學(xué)院水資源與環(huán)境工程學(xué)院，河南 南陽 473061）

農(nóng)田中的土壤養(yǎng)分流失，不僅降低土壤肥力、肥料利用率和影響作物產(chǎn)量，而且使地表水質(zhì)惡化，影響水資源的可持續(xù)利用，進(jìn)而造成生態(tài)環(huán)境的失衡［1］。養(yǎng)分從土壤傳遞至地表徑流的研究，不僅是研究土壤養(yǎng)分遷移的基礎(chǔ)問題，也是研究農(nóng)田合理施肥、植物對養(yǎng)分吸收與利用、土壤及水環(huán)境污染防治等的基礎(chǔ)［2］，深入研究各種因素的內(nèi)在影響機(jī)制，有助于更好地理解和控制土壤養(yǎng)分隨地表徑流的遷移過程，減少水土流失。

坡度是影響土壤養(yǎng)分流失最主要的地形因子之一，會影響降雨入滲時間以及徑流流速，進(jìn)而對坡面表層土壤顆粒起動、侵蝕方式和徑流的挾沙能力產(chǎn)生影響，使其影響土壤養(yǎng)分的流失［3］。土壤養(yǎng)分流失隨地表徑流遷移受多種因素影響，是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程［4］。陶冶等［5］研究發(fā)現(xiàn)伊犁野果林的土壤養(yǎng)分具有陰坡聚集、陽坡流失的特點，坡向、降水和溫度對土壤養(yǎng)分含量影響最大。鄧龍洲等［6］指出，坡面土壤的不穩(wěn)定性與坡度的大小成正比，坡度越大，土體越不穩(wěn)定，在外力的作用下發(fā)生下移的可能性越大，在人為干擾較大的坡耕地上表現(xiàn)尤為突出。Qiu等［7］研究了新西蘭耕地下植物可利用的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的空間變異性，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地的變化是影響其養(yǎng)分空間變異的主要因素。張彬等［8］研究了陜西省禮泉縣蘋果產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀與地形因子顯著相關(guān)。坡度會引起土壤養(yǎng)分和土壤微生物量發(fā)生改變，在科爾沁沙地移動沙丘上建立小葉沙林的研究中發(fā)現(xiàn)，坡度、土壤深度、灌木下或灌木之間的區(qū)域會對土壤養(yǎng)分的空間分布和微生物特性有顯著影響［9］。解文艷等［10］研究了農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)時空變異及影響因素，結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)的時空變異是受多種因素共同作用的，主要有母質(zhì)、種植結(jié)構(gòu)、地形和施肥等因素。

丹江口水庫地處長江最大支流漢江中上游，蓄水量豐富，是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，其水環(huán)境狀況不僅是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和用水安全問題［11］，更直接關(guān)系到工程受水區(qū)的水質(zhì)安全問題。丹江口水庫水質(zhì)目前總體狀況良好，庫區(qū)水質(zhì)保持在國家二類標(biāo)準(zhǔn)以上，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水源區(qū)暴露出的環(huán)境問題日益突出［12］。庫區(qū)經(jīng)濟(jì)多以粗放的農(nóng)業(yè)為主，耕地和果園面積大，范圍廣，化肥和農(nóng)藥的大量使用帶來較高的氮磷輸出負(fù)荷。此外，丹江口庫區(qū)周邊地形地貌較為復(fù)雜，主要為低山丘陵，相對高差和坡度大，水土流失嚴(yán)重，產(chǎn)生的面源污染不容忽視。為此，本文主要針對不同坡度條件下丹江口庫區(qū)淅川縣農(nóng)田土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量狀況進(jìn)行測定與分析評價，并根據(jù)土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤進(jìn)行肥力評價，這不僅對淅川縣農(nóng)田合理施肥提供理論依據(jù)，而且也與國家大型工程建設(shè)項目科技發(fā)展的重大需求相契合。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)淅川縣位于河南省西南部，與陜西、湖北省相鄰。北緯32°55′～33°23′，東經(jīng)110°58′～111°53′，是南水北調(diào)中線工程主要淹沒區(qū)，也是渠首工程和干線工程所在地。境內(nèi)最高海拔1086 m，最低海拔120 m，平均海拔568 m。淅川氣候溫和，資源豐富。屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)性氣候，四季分明，雨量充沛，年均日照時間1881.5 h，降水量802.9 mm，氣溫15.7℃，無霜期最長263 d、最短208 d。全縣國土面積2820 km2，其中，耕地面積6.8萬hm2。南水北調(diào)中線核心水源區(qū)面積2616 km2，占全縣國土總面積的92.8%。

1.2 土壤樣品采集

根據(jù)淅川縣基本農(nóng)田圖及土地利用現(xiàn)狀圖疊加產(chǎn)生的衛(wèi)星圖作為土壤耕地調(diào)查的基本單元，確定0～5、5～10、10～15和>15°4個坡度等級，共計采樣點數(shù)量160個，為減少人為施肥對研究區(qū)域的干擾，于2018年9～10月作物收獲后，秋冬施肥前采集樣本。選定地圖中選定的、具有代表性的田塊，按照“S”型多點采樣方法進(jìn)行取樣，選取5個土壤采樣點，采集表層（0～20 cm）土壤樣品，將土壤樣品充分混合后按四分法取集土樣裝入自封袋中，帶回實驗室備用。

1.3 土壤樣品處理及指標(biāo)測定

將采回來的土壤樣本放在潔凈的儲藏室內(nèi)，并鋪成薄層于樣品盤上，室內(nèi)要通風(fēng)陰涼，避免陽光暴曬，同時要嚴(yán)防樣品被污染；將風(fēng)干后的土樣進(jìn)行木棍搗碎和磨碎處理，對化學(xué)性質(zhì)測定的樣品全部通過2 mm孔徑的土壤篩，將過篩后的土壤樣品保存于自封袋中備用，并做好標(biāo)簽等標(biāo)記。

土壤理化性質(zhì)主要是土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮、全磷、有效磷、全鉀7個指標(biāo)，測定方法依照《土壤農(nóng)化分析》（第3版）中的相關(guān)測試方法測定，土壤pH值采用水浸提電位法（水∶土為2.5∶1）測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤全氮采用H2SO4消煮-凱氏定氮法測定；土壤全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定［13］。

1.4 土壤pH值、有機(jī)質(zhì)與常規(guī)養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

在河南省第二次土壤養(yǎng)分分級的基礎(chǔ)上［14］，對淅川縣的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分等級做出新的劃分，因此，本分級標(biāo)準(zhǔn)充分適用于淅川的土壤等級劃分（表1和表2）。

表1 土壤pH值等級劃分狀況

表2 土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分等級劃分狀況

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究運用Excel 2016進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析、方差分析和LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 淅川縣農(nóng)田土壤肥力統(tǒng)計狀況

根據(jù)河南省第二次土壤肥力分級劃分（表1和表2），土壤pH屬于中性，有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷和全鉀含量的均值分別為16.96、1.22、0.50和15.91 g/kg（表3），其中有機(jī)質(zhì)和全磷含量處于中下水平，全氮和全鉀含量均處于中上水平，對于土壤有效養(yǎng)分來說，堿解氮和有效磷含量分別處于缺乏和中上水平，均值分別為59.16和14.64 mg/kg。總體來說土壤中的養(yǎng)分全量處于中等水平，但有效養(yǎng)分含量較低尤其是堿解氮。土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)依次為有效磷>全磷>堿解氮>有機(jī)質(zhì)>全氮>全鉀>pH，對照變異系數(shù)的劃分等級，除有效磷是強(qiáng)變異性外，均屬于中等變異。

表3 土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果分析

2.2 不同坡度對農(nóng)田土壤肥力的影響

pH值是土壤的一項重要化學(xué)性質(zhì)，直接影響土壤中各種養(yǎng)分元素的存在形態(tài)，不同坡度條件下，農(nóng)田土壤的pH處于較為穩(wěn)定的中性（圖1），坡度在>15°農(nóng)田土壤中的pH值高于其他坡度（P<0.05），屬于堿性土壤；有機(jī)質(zhì)是養(yǎng)分的重要來源，是衡量土壤肥力水平的基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)含量分布情況依次為0～5°農(nóng)田［（18.64±1.8）g/kg］、5～10°農(nóng)田［（17.17±1.9）g/kg］、>15°農(nóng)田［（16.49±2.0）g/kg］和10～15°農(nóng)田［（14.66±1.3）g/kg］，其中0～5和5～100農(nóng)田與10～15°農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量相比，分別增加了27.1%和17.2%，這說明土壤坡度對有機(jī)質(zhì)含量的影響較顯著。

圖1 不同坡度對農(nóng)田土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤中氮素含量受自然因素和農(nóng)業(yè)措施的影響，其含量處于動態(tài)變化中，不同坡度條件下，土壤全氮含量差異較小（P>0.05）（圖2），10～15°農(nóng)田全氮含量最低，為（1.11±0.3）g/kg，這說明不同坡度對土壤全氮含量沒有顯著的影響；對于土壤有效氮素來說，隨著坡度的增加，土壤的堿解氮含量呈現(xiàn)降低趨勢，依次為0～5°農(nóng) 田［（61.80±12.6）mg/kg］、5～10°農(nóng) 田［（61.25±19.7）mg/kg］、10～15°農(nóng)田［（57.17±12.7）mg/kg］和>15°農(nóng)田［（55.69±18.5）mg/kg］，但各坡度間差異較?。≒>0.05）。

土壤中的磷素是植物生長發(fā)育所必須的影響元素之一。不同坡度條件下，土壤全磷含量無顯著的變化（P>0.05）（圖3），但對于有效磷來說，不同坡度對其影響較為顯著，土壤有效磷含量依次為5～10°農(nóng)田［（20.89±20.3）mg/kg］、0～5°農(nóng)田［（14.78±16.1）mg/kg］、>15°農(nóng)田［（10.59±10.3）mg/kg］和10～15°農(nóng)田［（9.68±7.4）mg/kg］，其中>10°農(nóng)田土壤的有效磷含量遠(yuǎn)低于<10°農(nóng)田，0～5和5～10°農(nóng)田土壤與10～15°農(nóng)田相比，有效磷含量分別增加52.7%和115%（P<0.05），這說明各坡度對土壤有效磷含量影響較大（P<0.05）。

圖2 不同坡度對農(nóng)田土壤全氮與堿解氮含量的影響

圖3 不同坡度對農(nóng)田土壤全磷與有效磷含量的影響

全鉀是不同形態(tài)鉀的總和，不同坡度條件下，土壤的全鉀含量依次為>15°農(nóng)田［（16.30±3.5）g/kg］、5～10°農(nóng)田［（16.04±3.2） g/kg］、10～15°農(nóng)田［（15.99±2.8）g/kg］和0～5°農(nóng)田［（14.99±3.3）g/kg］，且 各 坡 度 間 差 異 不 顯 著（P>0.05）（圖4）。

圖4 不同坡度對農(nóng)田土壤全鉀含量的影響

2.3 基于CCA的農(nóng)田土壤肥力因子與坡度間的響應(yīng)關(guān)系

典范對應(yīng)分析（CCA）是基于對應(yīng)分析發(fā)展而來的一種排序方法，基于單峰模型的排序方法，樣方排序與對象排序?qū)?yīng)分析，而且在排序過程中可以結(jié)合多個環(huán)境因子［15］。因此，可以把對象與環(huán)境因子的排序結(jié)果表示在同一排序圖上。土壤采集樣點與土壤坡度高低的CCA排序結(jié)果，在統(tǒng)計學(xué)上具有顯著性（圖5）。農(nóng)田坡度越高，其土壤質(zhì)量因子pH、有機(jī)質(zhì)和全鉀含量與其相關(guān)性越強(qiáng)。

土壤肥力指標(biāo)之間的距離代表各敏感因子之間相似度的強(qiáng)弱（圖5），農(nóng)田坡度5～10°（G2）和10～15°（G3）之間的距離較小，0～5°（G1）和>15°（G4）之間距離較遠(yuǎn)，說明G2和G3與土壤質(zhì)量因子的相似度高，反之亦然；土壤質(zhì)量因子指標(biāo)線段的長短代表影響的大小，其中全磷和有效磷含量的線段最短，影響最小，土壤肥力指標(biāo)與農(nóng)田坡度指標(biāo)的夾角代表相關(guān)性大小，農(nóng)田坡度G1與有機(jī)質(zhì)和全氮土壤質(zhì)量因子呈正相關(guān)關(guān)系，而與全鉀土壤質(zhì)量因子為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但有機(jī)質(zhì)含量影響較為顯著。

3 討論

3.1 淅川縣農(nóng)田土壤肥力狀況

圖5 農(nóng)田坡度與土壤各采樣點及肥力指標(biāo)CCA排序圖

土壤肥力的空間特征是受地形、母質(zhì)、氣候、生物和人類活動等成土因素的影響［16］。本研究區(qū)不同坡度土壤有機(jī)質(zhì)和各養(yǎng)分含量處于中等水平，在土壤養(yǎng)分全量方面，土壤的全氮和全鉀雖然處于中上水平，但在有效養(yǎng)分中，仍處于中下水平，且土壤有效磷的變異系數(shù)較大，這說明土壤有效養(yǎng)分含量受人為因素干擾影響較大，一方面由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的耕作方式及施肥量所致，另一方面由于降雨，灌溉等原因養(yǎng)分由陡坡向緩坡耕地入滲，使緩坡土壤養(yǎng)分積累，進(jìn)一步會造成水土流失。劉靖朝等［17］分析人為干擾對人工林土壤物理性質(zhì)的影響，表明隨著干擾程度的增加，砂粒增加，粉粒和粘粒減少，微團(tuán)聚體數(shù)量上升，土壤結(jié)構(gòu)變差，土壤容重增加，土壤變緊實。人為干擾除改變土壤物理性質(zhì)外，土壤類型也會發(fā)生改變，由于人類長期的耕作制度，改變了土壤有機(jī)質(zhì)來源，加之人工翻動，土壤透氣性增加，造成土壤有效養(yǎng)分的含量發(fā)生變化。因此，根據(jù)土壤中基本養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)在0～10°坡度農(nóng)田應(yīng)增施有機(jī)肥或農(nóng)家肥（羊糞），改善土壤結(jié)構(gòu)［18］，提高土壤養(yǎng)分利用率。

3.2 不同坡度對農(nóng)田土壤養(yǎng)分流失的影響

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)［19-20］，它受農(nóng)作物的生產(chǎn)量、肥料投入、耕種、自然環(huán)境等因素影響，始終處于動態(tài)平衡。土壤氮素的賦存形式及化學(xué)行為不同，其在坡面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律也有差異［21］。本研究中，土壤全氮含量在不同坡度條件下差異不顯著，對于有效養(yǎng)分堿解氮來說變化也較小。磷素是作物生長的主要營養(yǎng)元素［22］，同時也是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子［23］。本研究中總體來看土壤全磷含量處于中下水平，但在不同坡度條件下，土壤全磷在>15°農(nóng)田的含量最高，較高的土壤磷素儲備量間接地說明土壤磷素流失的本底值較高，但難以完全反映本研究區(qū)磷素的流失風(fēng)險；不同坡度條件下，從有效養(yǎng)分來看，土壤中有效磷的流失量較大，隨著坡度的降低，土壤有效磷的含量顯著增加，尤其是<10°農(nóng)田土壤有效磷含量較高，屬于豐富或中上水平，這說明在不同坡度條件下，隨著降雨等徑流的影響，土壤中的有效磷會隨著坡度的降低發(fā)生磷素的流失風(fēng)險，同時<10°的農(nóng)田土壤便于耕作；大量的施用化肥，直接影響土壤磷素含量，間接使得大部分的無效態(tài)磷素在泥沙的裹挾作用下，進(jìn)入水體，加大面源污染［24］。因此，在以后的施肥管理中應(yīng)減少磷肥的施用比例，提高作物對營養(yǎng)元素的吸收，避免氮磷素等養(yǎng)分流失造成的環(huán)境污染問題。

3.3 坡度與灌河流域坡耕地土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性分析

坡度是土壤養(yǎng)分含量空間變異的重要影響因素之一，坡度通過生態(tài)環(huán)境條件影響土壤養(yǎng)分的改變［25］，從而使不同坡度土壤養(yǎng)分含量存在顯著的差異，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。研究土壤坡度與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性及分布特征，可為防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)［26］。本研究為進(jìn)一步的定量分析坡度和土壤養(yǎng)分流失量的關(guān)系，揭示土壤養(yǎng)分各因素對水土流失的貢獻(xiàn)大小，在CCA分析中，土壤養(yǎng)分含量與坡耕地坡度存在有序關(guān)系，坡耕地坡度的改變會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分、pH和有機(jī)質(zhì)的變化，且在0～5°農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量占主要作用，由于長期耕作制度和土壤養(yǎng)分流失，導(dǎo)致隨著坡度的降低，土壤中有機(jī)質(zhì)和有效磷含量顯著升高，說明本研究區(qū)域中土壤磷素的流失程度較嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)不同坡度農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異結(jié)果，對土壤養(yǎng)分實行精準(zhǔn)施肥管理，不斷提升土壤質(zhì)量，提高養(yǎng)分利用效率，實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)；研究區(qū)0～10°農(nóng)田土壤雖養(yǎng)分流失風(fēng)險較小，為維持丹江口庫區(qū)生態(tài)平衡，也應(yīng)進(jìn)一步的掌握坡度對土壤養(yǎng)分的運移規(guī)律，針對土壤養(yǎng)分變化，制定適宜耕作的施肥方式；研究區(qū)>10°的農(nóng)田土壤養(yǎng)分易淋溶，水土流失嚴(yán)重，是土壤改善和治理的重要區(qū)域，主要是土壤有效磷流失問題，建議對該區(qū)域的農(nóng)田土壤進(jìn)行轉(zhuǎn)型，改為果園或林地，防治土壤養(yǎng)分和水土流失。

4 結(jié)論

本研究區(qū)坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分處于中等水平，但土壤中TP和AP的變異系數(shù)均超過50%，堿解氮變異系數(shù)達(dá)到40%，這說明土壤有效養(yǎng)分受人為因素干擾影響較大；隨著坡度的增加，土壤肥力指標(biāo)存在一定差異，土壤pH在>15°農(nóng)田中呈堿性，其中有機(jī)質(zhì)和有效磷隨著坡度的增加呈現(xiàn)降低趨勢，尤其5～10°農(nóng)田土壤中有效磷含量最高，本研究區(qū)域水土流失風(fēng)險存在于>10°坡耕地土壤中磷素流失，主要是土壤有效磷流失嚴(yán)重，為了維持丹江口庫區(qū)生態(tài)平衡，提高環(huán)境效益，應(yīng)將>10°的坡耕地區(qū)域作為土壤改良重要區(qū)域；將0～10°農(nóng)田土壤作為灌河流域土壤質(zhì)量管理的重點對象，增施有機(jī)肥或農(nóng)家肥（羊糞），改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分利用率。