東北典型黑土區(qū)坡耕地土壤生產(chǎn)能力的研究

范益愷，許增涵，李玄同，楊曉慧，姜春慧，孟慶峰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引言

東北地區(qū)是我國(guó)糧食作物的主產(chǎn)區(qū)，是影響中國(guó)糧食安全的關(guān)鍵地帶。但是，由于多年重開(kāi)發(fā)、輕保護(hù)，加上東北黑土區(qū)自身風(fēng)蝕、水土流失等自然原因，目前黑土區(qū)面臨嚴(yán)重的土壤侵蝕和養(yǎng)分流失等威脅，據(jù)相關(guān)研究表明，黑土層退化極快，近30年黑土層下降9厘米，土壤退化致使耕地地力逐漸下降。因此，黑土退化的原因是我們應(yīng)該關(guān)注的重要問(wèn)題。徐曉斌[1]歸納總結(jié)我國(guó)黑土區(qū)退化現(xiàn)狀、退化表現(xiàn)形式和驅(qū)動(dòng)因素，并稱(chēng)黑土區(qū)主要退化形式包括水土流失、土地貧瘠化和荒漠化。孫永光[2]發(fā)現(xiàn)，黑土退化的特征主要體現(xiàn)在腐殖質(zhì)層變薄、土壤化學(xué)營(yíng)養(yǎng)元素降低、容重增加、侵蝕溝大量出現(xiàn)、有機(jī)質(zhì)含量降低和土地生產(chǎn)力下降等。劉寶元[3]、閻百興等[4]認(rèn)為土壤侵蝕是導(dǎo)致黑土區(qū)坡耕地退化的主要驅(qū)動(dòng)因素，其影響主要為坡面耕層變薄、土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)惡化和地力下降。

目前針對(duì)坡耕地土壤生產(chǎn)性能限制因素的研究較少，通過(guò)探討，亟待明確坡耕地土壤生產(chǎn)的限制因素，為坡耕地利用提供相應(yīng)指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和黑土利用保護(hù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本概況

土壤采集于黑龍江省哈爾濱市向陽(yáng)鎮(zhèn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)示范基地，該地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，處于黑龍江省第一積溫帶，全年≥10℃有效積溫為2782.6℃，年降水量618.2毫米，屬半濕潤(rùn)區(qū)，漫川漫崗地形，研究地塊的坡角約為10°。土壤類(lèi)型為典型黑土，土壤質(zhì)地為粘壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)研究區(qū)域的自然地形設(shè)置為3個(gè)采樣區(qū)域，分別為坡上位、坡中位、坡下位，每個(gè)坡位3次重復(fù)。供試作物為玉米，于2021年5月18日播種，株距30厘米，壟寬為65厘米，順坡起壟。本項(xiàng)研究未施用肥料，便于探究土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)對(duì)于土壤糧食作物產(chǎn)量的影響，并于2021年10月13日收獲。

1.3 土壤樣品采集

2021年10月中旬，玉米生育期結(jié)束后，依據(jù)研究區(qū)域的自然地形設(shè)置的采樣區(qū)域（坡上位、坡中位、坡下位），采集土壤深度在0~20厘米的土壤樣品，用于土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)的測(cè)定。樣方內(nèi)玉米全部收獲（壟寬0.65米，選取5條壟，5米長(zhǎng)，面積3.25平方米），三次重復(fù)，各個(gè)采樣點(diǎn)均在樣方內(nèi)。

1.4 土壤樣品處理與分析

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除石子、根系等雜質(zhì)，在通風(fēng)陰涼處風(fēng)干，經(jīng)過(guò)晾曬，研磨分別過(guò)1毫米、0.25毫米篩，用于測(cè)定各項(xiàng)土壤理化性質(zhì)。土壤容重采用環(huán)刀法，取樣后105℃烘干至恒重。土壤密度采用密度瓶法。土壤孔隙度通過(guò)土壤容重和土壤密度計(jì)算：

式中，ft為土壤總孔隙度（%）；ρb為土壤容重（g/cm3）；ρd為土壤密度（g/cm3）。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法。土壤有效磷采用NaHCO3浸提，700 nm鉬銻抗比色法；土壤速效鉀采用乙酸鈉浸提-火焰光度法；用環(huán)刀采集原狀土，測(cè)定田間持水量和飽和持水量；pH值經(jīng)過(guò)2.5：1水土比震蕩后，通過(guò)pH計(jì)測(cè)得[5]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)SPSS 22.0版本軟件采用Duncan法單因素方差顯著性檢驗(yàn)，玉米產(chǎn)量與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系采用多元線(xiàn)性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡位的土壤速效養(yǎng)分的分析

土壤堿解氮、速效鉀、有效磷在不同坡位上變化明顯。坡中位堿解氮含量最高，為16.57 mg·kg-1；其次是坡上位，為15.23 mg·kg-1；坡下位土壤堿解氮含量最少，為12.95 mg·kg-1，然而不同坡位土壤堿解氮含量均未達(dá)到顯著性差異。不同坡位土壤有效磷含量同樣均未達(dá)到顯著性差異，坡中位土壤有效磷含量最高，為3.67 mg·kg-1；坡下位其次，為3.43 mg·kg-1；坡上位土壤有效磷含量最少，為3.37 mg·kg-1。速效鉀含量隨著坡位高度的提升不斷減少，坡下位土壤速效鉀含量最高，為211.41 mg·kg-1；坡中位其次，為203.62 mg·kg-1；坡上位土壤速效鉀含量最低，為157.48 mg·kg-1；坡下位和坡中位的速效鉀含量顯著高于坡上位，坡上位土壤速效鉀含量與坡中位和坡下位之間達(dá)到顯著性差異，坡中位和坡下位的速效鉀含量未達(dá)到顯著性差異，見(jiàn)表1。

表1 不同坡位的土壤速效養(yǎng)分

2.2 不同坡位下土壤有機(jī)質(zhì)和pH的變化

土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著坡位高度的升高逐漸降低。坡上位土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，僅為8.39 g/kg；坡中位有機(jī)質(zhì)含量大于坡上位，含量為10.65 g/kg；坡下位有機(jī)質(zhì)含量最高，可達(dá)到10.94 g/kg。然而土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同坡位之間未達(dá)到顯著性差異，見(jiàn)圖1。

圖1 不同坡位的土壤有機(jī)質(zhì)

坡下位土壤pH最大，數(shù)值為6.18。坡中位和坡上位土壤pH相等，比坡下位土壤pH值下降了0.14，達(dá)到6.04。由此可見(jiàn)，土壤在坡上位和坡中位的酸性大于坡下位。坡中位和坡上位土壤pH值未達(dá)到顯著性差異，但坡下位土壤pH值與坡中位和坡上位之間達(dá)到顯著性差異，見(jiàn)圖2。

圖2 不同坡位的土壤pH值

2.3 不同坡位的容重、密度、孔隙度的變化

不同坡位之間土壤容重、密度、孔隙度均未達(dá)到顯著性差異。土壤容重坡下位最大，為1.35 g·cm-3；坡上位其次，為1.33 g·cm-3；坡中位土壤容重最小，為1.30 g·cm-3。土壤密度隨著坡位高度的升高而不斷減小，坡下位土壤密度最大，為2.29 g·cm-3；坡中位其次，為2.27 g·cm-3；坡上位土壤密度最小，為2.25 g·cm-3。土壤孔隙度坡中位最大，達(dá)到了42.9%，其次是坡下位，為40.81%，最后為坡上位，也能達(dá)到40.77%，見(jiàn)表2。

表2 不同坡位的容重、密度、孔隙度的變化

2.4 不同坡位的土壤保水能力的分析

土壤田間持水量隨著坡位高度的升高而不斷升高。其中，坡上位的土壤田間持水量顯著高于坡下位，坡中位的土壤田間持水量和坡上位、坡下位差異均不顯著，坡上、坡下位田間持水量均與坡中位存在顯著性差異；土壤飽和持水量在不同坡位的差異均不顯著，土壤飽和持水量和田間持水量一樣也隨著坡位高度的升高而不斷升高，見(jiàn)圖3。

圖3 不同坡位的土壤蓄水能力

2.5 不同坡位的玉米產(chǎn)量

不同坡位對(duì)于糧食作物產(chǎn)量均無(wú)顯著性影響。隨著坡位的上升，糧食產(chǎn)量不斷降低，坡下位玉米產(chǎn)量最高，可達(dá)到2 595 kg/hm2，坡中位比坡下位稍有減少，也能達(dá)到2 589 kg//ha，坡上位玉米產(chǎn)量最少，僅僅為2 396 kg//hm2?？傊孪潞推轮屑Z食作物產(chǎn)量明顯大于坡上位，見(jiàn)圖4。

圖4 不同坡位的糧食作物產(chǎn)量

2.6 玉米產(chǎn)量與土壤各個(gè)理化性質(zhì)的關(guān)系

通過(guò)多元線(xiàn)性回歸分析的方式建立了玉米產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的模型。結(jié)果表明，土壤玉米產(chǎn)量受土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、孔隙度、土壤密度和田間持水量的影響。其中，玉米產(chǎn)量與有機(jī)質(zhì)、有效磷呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)，隨著土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷含量增加玉米產(chǎn)量也相應(yīng)增加；與土壤密度、孔隙度和田間持水量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，玉米產(chǎn)量隨著土壤密度、孔隙度和田間持水量的增加而減少。

式中，y為玉米產(chǎn)量（kg/hm2）；x1為土壤有機(jī)質(zhì)（g/kg）；x2為土壤有效磷（mg/kg）；x3為土壤密度（g/cm3）；x4為土壤孔隙度（%）；x5為土壤田間持水量（%）。

3 討論

坡位的不同會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)以及最后糧食作物的產(chǎn)量有著極大的影響。土壤容重和土壤密度、土壤孔隙度是評(píng)價(jià)土壤蓄水保土能力的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)研究表明，土壤容重、土壤密度都是坡下位高于坡上位，而土壤孔隙度是坡上位最小，這與黃天忠、曹?chē)?guó)璠、秦娟、唐心紅等學(xué)者的研究保持一致[6-7]，這主要是由于坡的存在，雪水融化會(huì)使得較高坡位處的表層土壤被水流沖刷到坡下位，導(dǎo)致土壤在坡下位積累，導(dǎo)致坡下位土壤容重、密度大于坡上位和坡下位。同理，雨水和冰雪融水沿坡向下流淌，在坡下位匯集，會(huì)使坡下位土壤含水量增加，土壤的保水能力更強(qiáng)。

土壤速效養(yǎng)分（堿解氮、有效磷、速效鉀）、有機(jī)質(zhì)、pH、水分條件等顯著影響著玉米產(chǎn)量的大小。本試驗(yàn)結(jié)果表明，坡下位土壤有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均高于坡上位，這是由于本研究坡耕地的坡角約為10°，降雨或者冰雪融化所形成的地表徑流會(huì)導(dǎo)致表土沖刷現(xiàn)象，將表土從坡上位沖刷到坡下位，土壤養(yǎng)分也隨之發(fā)生遷移，因此坡中位和坡下位土壤有效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量高于坡上位。坡中位土壤堿解氮含量高于坡上位和坡下位，這是因?yàn)槠律衔坏狡轮形贿@段距離坡度較陡，坡中位到坡下位這段距離坡位較緩，導(dǎo)致土壤堿解氮在坡中位積累。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要屬性，影響著土壤密度，土壤的孔隙度影響土壤通氣性、儲(chǔ)水能力以及土壤熱量狀況，進(jìn)而影響著玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收和干物質(zhì)累積。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨坡位高度的升高而降低，坡下位土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，坡中位其次，坡上位土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，相應(yīng)的坡下位土壤容重和密度高于坡上位?？傮w來(lái)說(shuō)，本研究中坡下位和坡中位土壤速效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)以及水分條件均優(yōu)于坡上位，坡下位和坡中位土壤肥力發(fā)揮充分。因此，坡下位和坡中位的玉米產(chǎn)量高于坡上位，尤其是坡下位的玉米產(chǎn)量最高，達(dá)到2 595 kg/hm2。

4 結(jié)論

坡中位和坡下位的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH均高于坡上位；坡上位的土壤田間持水量、飽和持水量最高，其次是坡中位和坡下位。

坡下位的玉米產(chǎn)量最高，為2 595 kg/hm2，其次是坡中位和坡下位，回歸分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、土壤密度、土壤孔隙、田間持水量是影響坡耕地玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。