郝麗婷，吳發(fā)啟

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100）

黃土高原丘陵溝壑區(qū)是典型的旱作農業(yè)區(qū)。農田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)和平衡狀況既影響著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和可持續(xù)性，又影響著人類賴以生存的環(huán)境［1］。土壤養(yǎng)分是土壤提供的植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素，土壤養(yǎng)分受母質、氣候、生物、時間和人類活動的影響，其形態(tài)和形成過程相當復雜，具有高度的空間變異性［2］。了解土壤養(yǎng)分狀況，對于合理利用土地資源和改善恢復生態(tài)環(huán)境起著極其重要的作用。

壩地和梯田作為黃土高原的基本農田，兼顧著水土保持和糧食生產(chǎn)兩項任務，在解決糧食自給問題和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。近年來，針對黃土丘陵溝壑區(qū)壩地和梯田養(yǎng)分狀況的研究取得了很多成果。丁繼君等［3］和李海強等［4］針對水土保持措施對小流域土壤理化性質的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)采取水土保持措施（如壩地、梯田等措施）的區(qū)域土壤養(yǎng)分含量比坡耕地和荒坡地有所提高，化學性質改善明顯。但實際上，壩地和梯田的土壤養(yǎng)分狀況也很缺乏。何瑾等［5］和褚雅紅等［6］對壩地土壤養(yǎng)分分布特征及變異性進行了研究，得出除鉀素外，其它肥力要素含量較低，特別是有機質、全磷和速效磷含量趨于貧瘠化；周瑋瑩等［7］對壩地土壤C，N，P 計量特征進行研究，得出土壤礦化速度快但氮素缺乏，限制植物生長。在多種養(yǎng)分處于缺乏狀態(tài)的基礎上，包耀賢等［8］對壩地和梯田土壤氮素特征及演變進行了研究，并提出壩地土壤養(yǎng)分衰退的分水嶺年限為39～42 a，梯田為22～29 a。土壤養(yǎng)分受土地利用類型［9-11］、施肥條件［12］和地形條件［13］等多種人為因素和自然因素的影響而表現(xiàn)出不同的分布特征。基于上述關于黃土丘陵溝壑區(qū)壩地和梯田所面臨的養(yǎng)分缺乏和退化趨勢的問題，本文以陜西省延安市碾莊溝流域為研究區(qū)，以荒坡地作為對照，研究該區(qū)域壩地和梯田的土壤養(yǎng)分狀況、分布及演變特征，分析不同土地利用方式間土壤養(yǎng)分的差異，從而為同類小流域以及黃土丘陵溝壑區(qū)土地優(yōu)化配置，土壤養(yǎng)分狀況維系與改善，進一步發(fā)揮土地增產(chǎn)潛力，提高糧食產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市寶塔區(qū)東北方向14 km，屬寶塔區(qū)李渠鎮(zhèn)轄區(qū)碾莊溝流域，為延河左岸的一級支溝，地處東經(jīng)109°26′15″—109°37′30″，北緯36°37′00″—36°45′00″。碾莊溝流域海拔926～1 278 m，地形破碎，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。流域總面積54.2 km2，梁峁、溝谷共占總面積的90%以上，溝壑密度達到2.74 km／km2，主要為可侵蝕性高的黃綿土覆蓋。多年平均降水量527 mm，60%集中在6—9月份；年均溫9.4 ℃，≥10℃積溫2 500℃～3 400℃；為溫帶半濕潤半干旱地帶，大陸性季風氣候。流域內植被較少，墾殖指數(shù)較高，土地利用類型主要有壩地、坡耕地、梯田、撂荒地、農果間作地、灌木地、林地等類型。流域共有淤地壩192座，已利用壩地1.55 km2，流域內共有17個行政村，1 080戶，4 545人，人均壩地達3.40×10－4km2，年增產(chǎn)糧食9.30×105t，增加收入4.20×105元。

1.2 研究方法

采樣點選在延安市碾莊溝流域的主溝和3個支溝，采樣時間為2016年4月（農地尚未施肥），沿溝口到溝掌方向，壩地選取劉莊3號壩、羊圈溝1號壩、羊圈溝5號壩、好義后溝25號壩、雙田4號壩、新莊科1號壩、石家畔4號壩和三道溝8號壩共計8塊壩地進行采樣，壩地內沿壩中線從壩前、壩中、壩尾3個部位采樣；梯田按照梯齡、坡位和坡向進行采樣，選取羊圈溝壩、雙田6號壩、好義后溝10號壩、雙田1號壩和雙田4號壩附近的5 塊梯田進行采樣，梯田內按內、中、外不同部位采樣；在查閱以往采樣資料和走訪群眾的基礎上，確定研究區(qū)壩地的利用年限分別為34，44，46，49，53，56，58和61 a，梯田的利用年限分別為18，21，38和40 a。同時，在劉莊3號壩、羊圈溝5號壩、雙田6號壩、新莊科1號壩附近選擇了4塊荒坡地進行采樣。壩地、梯田和荒坡地采樣深度均為80 cm，層次間隔20 cm。壩地所有土樣用土鉆取樣后經(jīng)風干過篩測定其養(yǎng)分含量。

借鑒包耀賢［14］采用常規(guī)方法測定土壤理化指標，試驗于2017年3月至2017年7月在西北農林科技大學資源環(huán)境學院進行。其中，有機質采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用半微量開式蒸餾法；全鉀采用NaOH 熔融火焰光度法；速效鉀采用NH4Ac浸提火焰光度法；全磷采用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；速效磷采用Na HCO3浸提鉬銻抗比色法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)攝曉燕等［15］的方法，供肥強度＝（速效養(yǎng)分／全量養(yǎng)分）×100%；

表聚系數(shù)計算公式：

式中：Ci——耕層某營養(yǎng)元素占土壤剖面深度該營養(yǎng)元素總含量的比值（表聚系數(shù)）；Ni——第i層土壤營養(yǎng)元素含量（%）；Di——第i層土層厚度（cm），對于黃綿土耕層，厚度m＝1，n＝4（采樣層次）［16］。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016 進行整理；用SPSS 22.0 進行描述性統(tǒng)計，多重比較和相關性分析；用Origin Pro 2016進行作圖和方程擬合。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的垂直變異分析

土壤養(yǎng)分的垂直分布具有明顯的層次性。由表1可知，80 cm 剖面內，壩地土壤各養(yǎng)分均表現(xiàn)為表層含量高于下層；梯田土壤養(yǎng)分除全磷表層略低于下層外，均表現(xiàn)為表層含量高于下層；荒坡地土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮均表現(xiàn)為表層含量高于下層，全鉀和全磷含量層間差異不大。

表1 黃土丘陵溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分（統(tǒng)計均值）的垂直分布及變異性

由表1可知，壩地土壤速效磷、全氮、全磷、有機質、速效鉀和全鉀的平均變異系數(shù)分別為73.79%，70.09%，52.14%，46.20%，37.21%，20.97%；梯 田土壤速效磷、全磷、全氮、速效鉀、有機質和全鉀的變異系數(shù)分別為102.90%，61.54%，53.29%，35.67%，32.69%，22.32%；荒坡地土壤全氮、速效磷、有機質、全磷、速效鉀和全鉀的變異系數(shù)分別為50.66%，60.76%，37.43%，49.21%，29.62%，36.69%。整 體來看，除土壤鉀素外，壩地、梯田和荒坡地的其它土壤養(yǎng)分指標的變異系數(shù)均處于高等變異水平，尤其是土壤磷素和全氮。土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)是土壤內在性質的反映，能夠區(qū)別不同土壤養(yǎng)分對外界條件的敏感性［17］。土壤磷素的變異系數(shù)較大，可能和土壤磷素易轉化成難溶性化合物有關，也可能與磷肥定點施用造成磷素移動性差、當季利用率低有關；全氮變異系數(shù)較大，可能和氮的揮發(fā)、淋溶等較強的遷移性有關；鉀素的變異系數(shù)小，可能由于鉀素主要受地形和土壤類型影響，而且施入土壤中的鉀肥移動性相對較大，致使鉀素分布較均勻。

3種不同土地類型下，速效磷、速效鉀、有機質、全鉀和全磷含量表現(xiàn)為：荒坡地＞梯田＞壩地，全氮含量表現(xiàn)為：荒坡地＞壩地＞梯田。速效磷、全磷和全鉀的變異系數(shù)表現(xiàn)為：梯田＞壩地＞荒坡地，有機質的變異系數(shù)表現(xiàn)為：壩地＞荒坡地＞梯田。全氮的變異系數(shù)表現(xiàn)為：壩地＞梯田＞荒坡地，速效鉀的變異系數(shù)表現(xiàn)為：壩地＞梯田＞荒坡地。說明目前該區(qū)域荒坡地的土壤養(yǎng)分狀況最好，可能是由于壩地和梯田重用輕養(yǎng)導致的土壤肥力退化，特別是壩地更為嚴重。在變異系數(shù)方面，除有機質和全氮之外，不同樣點間壩地和梯田的變異性大于荒坡地，說明長期頻繁的人為擾動使得土壤養(yǎng)分對外界條件更為敏感。

2.2 表層土壤養(yǎng)分特征

許明祥等［18］研究表明表層土壤養(yǎng)分對外界條件的敏感性更大，植被和土壤環(huán)境因子主要對表層土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響。土壤表層某營養(yǎng)元素占整個剖面該營養(yǎng)元素總含量的比值稱為表聚系數(shù)，用不同層次土壤某營養(yǎng)元素含量及相對深度乘積加權平均求得，其值越大，表聚性越強［16］。本研究中土壤分為4層，由于每層厚度相同，因此，凡是表聚系數(shù)大于0.25的土壤養(yǎng)分，都具有表聚性特征。由圖1可知，壩地、梯田和荒坡地土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮的表聚系數(shù)均明顯大于0.25，說明以上養(yǎng)分均具有表聚性特征。壩地、梯田和荒坡地土壤全鉀的表聚系數(shù)均在0.25左右，說明不同土地類型下，其土壤全鉀在80 cm剖面均表現(xiàn)出均勻分布的特征。此外，僅荒坡地土壤全磷大于0.25，說明其具有表聚性特征；壩地土壤全磷在0.25左右，說明其在80 cm 剖面內分布較均勻；梯田土壤全磷小于0.25，說明其分布更集中于下層，結合其剖面含量來看（表1），在20—40 cm 土層全磷含量更高，但其他3 層全磷含量差異不大。總的來看，壩地、梯田和荒坡地土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮具有明顯的表聚性特征，而這4種養(yǎng)分與作物生長密切相關，目前該區(qū)域3種土地類型下土壤養(yǎng)分剖面分布狀況均有利于作物生長。壩地和梯田土壤全鉀和全磷在80 cm 剖面內分布均勻，而荒坡地結合其剖面含量來看，全鉀和全磷含量剖面差異較大，宜適當翻土改善其剖面分布特征。

圖1 不同土地類型土壤表層養(yǎng)分含量的比值

2.3 土壤養(yǎng)分水平分布特征

養(yǎng)分空間分布受周邊區(qū)域性因素和泥沙沉積規(guī)律影響，耕作開始之后，不均勻的管理如施肥、耕作方式等隨機因素共同作用，進一步增加了空間的不均勻性。相對于荒坡地，壩地和梯田人為擾動最為頻繁且有周期性、高強度的特點［19］，從表2可知，壩尾土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮和全鉀含量分別比壩中高19.91 %，4.54%，15.00%，63.33%，10.29%，比壩前高13.72%，4.61%，22.24%，28.95%，11.22%；壩中土壤全磷分別比壩前和壩尾高14.71%和11.43%。梯田上坡速效磷、有機質和全氮含量分別比中坡高67.27%，1.62%，16.22%，比下坡高126.60%，4.31%，26.47%；梯田下坡速效鉀、全鉀和全磷分別比上坡高2.61%，4.18%，38.24%，比中坡高9.70%，5.37%和2.17%。就壩地而言，土壤速效磷、速效鉀、全氮和全磷含量在壩前、壩中和壩尾3個部位不存在顯著性差異；全鉀在壩尾顯著（p＜0.05）大于壩前，與壩中差異不顯著；有機質在壩尾顯著（p＜0.05）大于壩前和壩中。就梯田而言，土壤速效鉀、有機質、全氮、全鉀和全磷含量在上坡、中坡和下坡3個部位不存在顯著性差異，而速效磷在上坡顯著（p＜0.05）大于下坡，與中坡差異不顯著。

總體來看，壩尾土壤各養(yǎng)分含量均高于其它位置，有機質和全鉀含量更是顯著（p＜0.05）高于其它位置，而有機質對改善耕層作物生長具有重要作用［20］，所以壩尾土壤養(yǎng)分狀況更好，更利于作物生長。梯田除上坡土壤速效磷顯著（p＜0.05）高于下坡外，上坡土壤有機質和全氮含量更高，說明上坡更利于作物生長，而下坡全量養(yǎng)分含量更高。

2.4 土壤供肥能力

供肥強度能一定程度上反映土壤潛在養(yǎng)分轉化為速效養(yǎng)分的速度，是土壤供肥性能的一個重要參數(shù)［21］。由表3可知，壩地和梯田土壤的供肥特性不同。從垂直剖面來看，壩地和梯田供磷強度和供鉀強度均表現(xiàn)為表層最高，且梯田表層供磷強度高于壩地，二者的供鉀強度差異不大。從水平分布來看，壩地在壩尾位置供磷強度最大，供鉀強度各部位差異不大；梯田在上坡供磷強度最大，供鉀強度各部位差異不大。表明土層深度和水平分布對土壤磷素的有效性轉化有一定影響，而土壤供鉀能力僅表現(xiàn)出土壤表層最高的特征，水平分布差異不大。整體來看，壩地土壤供磷強度為2.05%，供鉀強度為0.53%；梯田土壤供磷強度為2.45%，供鉀強度為0.57%。相較之下，梯田土壤的供肥性能稍高于壩地。

此外，荒坡地的供磷強度和供鉀強度整體要優(yōu)于梯田和壩地，其平均供磷強度為2.70%，供鉀強度為0.67%。其中，60—80 cm 土層的供磷強度明顯更高，其原因是60—80 cm 土層全磷含量低，而速效磷含量相對很高，對此需要深翻土地，改善養(yǎng)分分布不均勻的現(xiàn)狀。

表2 壩地和梯田土壤養(yǎng)分水平分布特征

表3 2016年不同土地類型土壤供肥強度

2.5 土壤養(yǎng)分動態(tài)變化特征

土壤養(yǎng)分反映了土壤對植物根系養(yǎng)分供應的潛力以及養(yǎng)分的轉化存在狀態(tài)和有效性。研究土壤養(yǎng)分動態(tài)變化，對了解、預測土壤養(yǎng)分的演化趨勢從而進行有效調控有重要意義。以下就不同年限土壤養(yǎng)分的演變進行分析。從圖2可以看出，壩地和梯田隨著經(jīng)營年限的增加，土壤養(yǎng)分的演變存在著不同程度的差異。隨著利用年限的增加，梯田土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷均表現(xiàn)為先減后增的明顯的“凹”字型趨勢，而全鉀的變化趨勢則較為平緩；壩地土壤養(yǎng)分整體趨勢都較為平緩，速效磷和全磷表現(xiàn)為平緩的先減小又增加的“凹”字型趨勢，速效鉀和全鉀表現(xiàn)為平緩的先增加后減少的“凸”字型趨勢，有機質和全氮表現(xiàn)為緩慢上升的趨勢。

梯田土壤養(yǎng)分變化的分水嶺年限約在30 a左右，壩地土壤分水嶺年限約在經(jīng)營時間45～50 a之間，壩地拐點年限至少滯后梯田15 a，揭示出研究區(qū)壩地土壤養(yǎng)分的供給更具有持久性和穩(wěn)定性。此外，包耀賢［14］在2008 年對該研究區(qū)壩地和梯田進行研究，結果表明梯田分水嶺年限約在20～28 a，壩地約在40～42 a，壩地土壤養(yǎng)分開始衰退的年限比梯田滯后至少13 a。相較10年前，梯田分水嶺年限延長近3 a，壩地分水嶺年限延長近6 a，表明該區(qū)域梯田和壩地養(yǎng)分狀況有所好轉。

2.6 土壤養(yǎng)分分級水平

參照表4土壤養(yǎng)分分級標準可知，目前該區(qū)域速效磷含量壩地處于“稍低”水平，梯田處于“一般”水平；有機質含量壩地處于“極低”水平，梯田處于“低”水平；此外，壩地和梯田土壤速效鉀及全量養(yǎng)分水平一致，其中，速效鉀處于“一般”水平，全鉀處于“較高”水平，全磷處于“低”水平，全氮處于“極低”水平?；钠碌赝寥廊洝⑺傩р?、速效磷、有機質和全氮含量分別處于“較高”、“較高”、“一般”、“低”和“低”水平，全磷處于“極低”水平。

目前該區(qū)域壩地土壤缺乏速效磷、全磷、有機質和全氮，土壤鉀素含量較為豐富；梯田和荒坡地土壤缺乏有機質、全磷和全氮，土壤全鉀含量豐富，速效養(yǎng)分含量處于“一般”水平。日后該區(qū)域要增施有機肥，補充氮肥、磷肥來增加土壤中有機質、氮素和磷素的含量，通過優(yōu)化施肥方式來保證土壤中養(yǎng)分的平衡，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對于荒坡地，其養(yǎng)分含量經(jīng)多年撂荒已明顯恢復，但養(yǎng)分剖面分布不均勻，建議翻土促進其養(yǎng)分均勻分布，配以合理的人為管理措施，進一步改善其土壤養(yǎng)分狀況。

圖2 壩地和梯田土壤養(yǎng)分演變動態(tài)

表4 陜西省土壤養(yǎng)分分級標準

3 結論

（1）3種土地類型下，荒坡地土壤養(yǎng)分含量最高，變異系數(shù)最小，供肥強度最高，但其全鉀和全磷剖面分布差異較大。壩地和梯田在空間分布上具有明顯的層次性。從垂直剖面來看，壩地和梯田土壤速效磷、速效鉀、有機質和全氮含量均在0—20 cm 層最高，具有明顯的表聚性特征，且隨土層深度增加有一定的增加趨勢；全氮和全鉀在80 cm 剖面內分布均勻。此外，壩地和梯田相比，速效磷、速效鉀、有機質、全磷和全鉀含量表現(xiàn)為梯田＞壩地，全氮含量表現(xiàn)為壩地＞梯田；速效磷、全磷和全鉀的變異系數(shù)表現(xiàn)為梯田＞壩地，速效鉀、有機質和全氮的變異系數(shù)表現(xiàn)為壩地＞梯田。除土壤鉀素處于中等變異水平外，其它土壤養(yǎng)分均處于高等變異水平，其中土壤磷素和全氮變異系數(shù)較大。從水平位置來看，壩尾土壤養(yǎng)分含量均高于其它位置，梯田上坡土壤速效磷、有機質和全氮含量更高，下坡速效鉀、全鉀和全磷含量更高。此外，壩地和梯田的供肥性能也表現(xiàn)出壩尾和上坡優(yōu)于其它部位的特征。

（2）從養(yǎng)分動態(tài)變化來看，隨著利用年限的增加，梯田土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷均表現(xiàn)為先減后增的明顯的“凹”字型趨勢，而全鉀的變化趨勢則較為平緩；壩地土壤養(yǎng)分整體趨勢都較為平緩。速效磷和全磷表現(xiàn)為平緩的先減小又增加的“凹”字型趨勢，速效鉀和全鉀表現(xiàn)為平緩的先增加后減少的“凸”字型趨勢，有機質和全氮表現(xiàn)為緩慢上升的趨勢。梯田土壤養(yǎng)分分水嶺年限約在30 a左右，壩地土壤養(yǎng)分分水嶺年限約在45～50 a之間，壩地拐點年限至少滯后梯田15 a，揭示出研究區(qū)壩地土壤養(yǎng)分的供給更具有持久性和穩(wěn)定性。

（3）目前該區(qū)域壩地土壤全氮、有機質、全磷和速效磷分別處于“極低”、“極低”、“低”和“稍低”水平，速效鉀和全鉀處于“一般”和“較高”水平；梯田土壤全氮、有機質、全磷分別處于“極低”、“低”和“低”水平，速效磷和速效鉀處于“一般”水平，全鉀處于“較高”水平；荒坡地土壤全磷、全氮和有機質分別處于“極低”、“低”和“低”水平，速效磷處于“一般”水平，速效鉀和全鉀處于“較高”水平。3種土地類型下，土壤養(yǎng)分水平整體表現(xiàn)為荒坡地＞梯田＞壩地，說明撂荒對土壤養(yǎng)分有改善作用，但其養(yǎng)分剖面分布不均勻，建議適當翻土進一步改善其養(yǎng)分狀況，適時重新開墾耕作。和壩地相比，梯田短期內養(yǎng)分狀況更好，但梯田養(yǎng)分供給的持久性和穩(wěn)定性不如壩地，應定期關注接近拐點年限的土壤養(yǎng)分狀況，針對性的補充磷素、氮素和有機肥，通過合理的管理措施，延長其利用年限，促進農田土壤肥力可持續(xù)發(fā)展。