黄土高原土石山区坡改梯后土壤水分及养分特征

赵万广，高玉凤，王锦志，李金峰

(1.山西省水土保持生态环境建设中心，山西 太原 030002； 2.山西省水土保持科学研究所,山西 太原 030013)

在黄土高原土石山区，由于土层薄，土石混杂，水蚀面积广，因此水土流失颇为严重[1]。坡耕地作为重要的耕地资源，在黄土高原土石山区分布很广。位于太行山西麓的榆社县，坡耕地面积占总耕地面积的56.83%，其土壤侵蚀量占全县土壤侵蚀量的43.35%[2]。土壤水分和养分是植物赖以生存的基础，土壤水分的盈亏和养分的丰缺直接影响植物的生长，土石山区坡耕地严重的“跑水、跑土、跑肥”问题是导致作物低产的重要因素，已成为农业经济可持续发展和生态环境良性循环发展的限制性因素。坡改梯被认为是防治水土流失的有效方式[3]，将原有坡耕地改造为水平梯田，能有效地减缓地面坡度，减小径流速度和流量，起到拦土蓄水作用，同时还能改善土壤条件，为保水、保肥、增收创造有利条件。在黄土高原区,水平梯田的蓄水效益为70.5%～97.5%、减沙效益为71.3%～98.4%[4]。为了防治水土流失，山西省大面积开展了坡耕地水土流失综合治理工程，以促进农业可持续发展。

本研究在黄土高原土石山区榆社县，通过野外取样和室内试验相结合的方法，对坡改梯3年农田与坡耕地进行对比分析，以期为土石山区的水土流失综合治理和农业合理施肥提供理论依据。

1 研究区概况

山西省榆社县位于112°38′～113°12′E、36°51′～37°34′N，地处太行山中段西麓、晋中市东南部，属土石山区，是一个典型的山区农业县，是山西省重点帮扶贫困县[2]。境内群山环绕，山峦起伏重叠，沟壑纵横，梁峁连绵，地形以丘陵、山地为主，平均海拔1 100 m。气候为温带大陆性季风气候，季节变化明显，年均气温8.8 ℃，年均降水量560 mm，无霜期165 d，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪[5]。

2 研究对象与方法

2.1 样地选择与样品采集

研究所选的农田位于榆社县西马乡沤泥凹村，没有灌溉条件，土壤水分完全依赖于自然降水。在该区选取两块坡改梯3年的农田(T1、T2)作为研究对象，同时在附近选取两块坡度分别为10°～20°(P1)、0°～10°(P2)的坡耕地作为对比。根据样地的实际情况，于2016年7月在样地内侧、外侧、中间分别按照“S”形五点采样法采集0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤样品，每块样地采集15个样点。将采集的土壤样品带回实验室去除土壤中的植物根系和碎石粒后，一部分用于测定土壤含水量，另一部分经自然风干后过0.25和1 mm筛备测土壤理化性质。

2.2 测定与分析方法

测定方法：土壤含水量采用105 ℃烘干法，土壤容重采用环刀法，土壤pH值采用pH计测定，有机质采用重铬酸钾容量法，全氮采用半微量开氏法，全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法，全钾采用NaOH熔融-火焰光度法，有效磷采用盐酸-硫酸浸提法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法[6-7]。土壤孔隙度采用公式法计算。

分析方法：用SPSS 16.0和Excel软件进行数据的统计分析和图表的绘制。

3 结果与分析

3.1 坡耕地与坡改梯农田的土壤水分特征

3.1.1 土壤含水量变化特征

将每块样地15个样点0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤含水量进行算术平均，作为该样地的平均土壤含水量，将不同深度土层的土壤容重和土壤孔隙度算术平均作为该样地的平均容重和平均孔隙度，指标见表1。

表1 坡改梯3年农田与坡耕地的土壤含水量特征

结合表1可知，坡改梯3年农田与坡耕地相比，土壤容重较小，土壤孔隙度较大，土壤含水量明显提高，土壤含水量均值高于坡耕地1.87百分点。土壤容重的大小能较好地反映土壤的紧实程度，由测定结果可知，在不同土层深度，T1、T2的土壤容重均小于P1和P2的土壤容重。土壤孔隙是容纳水分和空气的空间，也是植物根系伸展和土壤动物、微生物活动的地方，适当的孔隙度有利于植物的生长，土壤孔隙度越大，说明土壤的持水性能越好[8]。测定结果显示，在黄土高原土石山区实施坡改梯3年后，土壤的孔隙结构更利于耕作层土壤的水、气分配，不仅可以更好地满足作物生长的要求，还可以更好地发挥保水保土作用。

3.1.2 土壤蓄水特征

根据测定的土壤含水量、土壤容重计算坡改梯3年农田和坡耕地0～20、20～40、40～60 cm土层的平均蓄水量，计算公式[9]为

θ=wdh/10

(1)

式中：θ为土壤蓄水量，mm；w为土壤含水量，%；d为土壤容重，g/cm3；h为土层深度，cm。计算结果见表2。

表2 坡改梯3年农田与坡耕地的土壤蓄水量 mm

由表2可知，坡改梯3年农田与坡耕地的土壤蓄水量均呈现出随着土层深度的增加而增加的趋势。在0～20、20～40、40～60 cm深度土层，坡改梯3年农田平均蓄水量均值(41.74、50.46、50.92 mm)较坡耕地均值(35.31、48.58、48.53 mm)分别高6.43、1.88和2.39 mm。坡改梯3年农田与坡耕地的平均蓄水量在0～20 cm土层差值较大，可能是0～20 cm土层为作物根系的主要分布层，受作物快速生长期根系吸收和地面蒸发双重影响，加之表层土壤受气候条件影响较大，所以变化较下层明显[9]。坡改梯农田各土层的蓄水能力都大于坡耕地的蓄水能力，说明在土石山区实施坡改梯工程有益于土壤水分的保持。

3.2 坡耕地与坡改梯农田的土壤养分特征

3.2.1 土壤养分总体特征

依据土壤养分的分级标准，土壤主要养分指标分为6个水平：1级为很丰富，2级为丰富，3级为中等，4级为缺乏，5级为很缺乏，6级为极缺乏[10]。坡改梯3年农田与坡耕地的土壤养分分析结果见表3、4。

表3 坡改梯3年农田与坡耕地土壤养分特征

表4 坡改梯3年农田与坡耕地土壤养分分级特征

有机质作为评价土壤肥力的一项重要指标，也是土壤中营养元素氮、磷的重要来源。结合表3和表4，P1、P2土壤的有机质和全氮含量属于6级(极缺乏)和5级(很缺乏)，T1、T2土壤中有机质和全氮含量处于5级和4级水平；P1、P2、T1、T2土壤中全磷含量处于4级和5级水平，但是P1、P2、T1、T2的全钾含量均高于25 g/kg，全钾含量均属于1级(很丰富)水平。总之，研究区土壤肥力整体较差，但是坡改梯3年农田的土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量均高于坡耕地。

速效养分方面，有效磷作为能被植物吸收利用的磷素，与土壤的固磷能力和人为施肥措施关系较大。研究区土壤有效磷含量变化较大，P1是5级很缺乏状态，但是T2可以达到3级(中等水平)，是P1的2.41倍。因此，在开展农业耕作时，注意科学合理施磷肥，更益于作物的保水增收。坡改梯3年农田的速效钾含量较坡耕地有了大幅度提高，P1、P2是3级(中等)和4级(缺乏)，T1、T2分别为2级(丰富)和1级(很丰富)水平。总体上，研究区在实施坡改梯工程后土壤的速效养分等级优于坡耕地。

研究区土壤pH值为8.24～8.52，偏碱性，坡改梯3年农田的pH值较坡耕地均有所降低，说明土壤得到了一定程度的改良。

由表3可知，坡改梯3年梯田(T1、T2)与坡耕地(P1、P2)土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾的变异系数基本上属于中等变异，pH值、全钾和全磷呈现弱变异状态。这是由于研究区所选4块样地均为农耕地，速效养分受耕作和施肥等农业措施的影响，土壤有机质与全氮受成土母质、土壤类型、地形地貌等结构性因素和种植作物、人为管理措施等随机性因素的多重影响，因此均显示出较大的空间变异；而土壤中全磷、全钾的含量主要受土壤自身特性的影响[11]，受人为耕作措施的影响较小，因此变异系数小。

3.2.2 土壤剖面有机质和全氮含量特征

随着土层深度的不断增加，T1、T2与P1、P2的土壤有机质含量和全氮含量均逐渐减少，表现出明显的表层富集现象(图1)。在0～20 cm深度土层，T1、T2的土壤有机质含量均值(1.624%)较P1、P2的均值(0.912%)提高了78.07%，T1、T2的土壤全氮含量均值(0.102%)较P1、P2的均值(0.054%)提高了88.89%；在20～40 cm深度土层，T1、T2的土壤有机质含量均值(0.882%)较P1、P2的均值(0.626%)提高了40.91%，T1、T2的土壤全氮含量均值(0.067%)较P1、P2的均值(0.036%)提高了86.11%；在40～60 cm深度土层，T1、T2的土壤有机质含量均值(0.564%)较P1、P2的均值(0.403%)提高了39.95%，T1、T2的土壤全氮含量均值(0.052%)较P1、P2的均值(0.032%)提高了62.50%。

图1 坡改梯3年农田与坡耕地土壤有机质、全氮特征

图2 坡改梯3年农田、坡耕地土壤磷素特征

3.2.3 土壤剖面磷素特征

坡改梯3年农田与坡耕地土壤磷素特征见图2。在0～20 cm深度土层，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.054%)较P1、P2的均值(0.037%)提高了45.95%，T1、T2的土壤有效磷含量均值(15.748 mg/kg)较P1、P2的均值(12.441 mg/kg)提高了26.58%；在20～40 cm深度土层，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.048%)较P1、P2的均值(0.034%)提高了41.18%，T1、T2的土壤有效磷含量均值(6.255 mg/kg)较P1、P2的均值(3.944 mg/kg)提高了58.60%；在40～60 cm深度土层，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.045%)较P1、P2的均值(0.035%)提高了28.57%，T1、T2的土壤有效磷含量均值(5.338 mg/kg)较P1、P2的均值(2.088 mg/kg)提高了155.65%。

3.2.4 土壤剖面钾素特征

坡改梯3年农田与坡耕地土壤钾素特征见图3。在0～20 cm深度土层，坡改梯3年农田的全钾含量较坡耕地增幅不明显，T1、T2的土壤速效钾含量均值(242.250 mg/kg)较P1、P2的均值(146.167 mg/kg)提高了65.74%。在20～40 cm深度土层，T1、T2的土壤全钾含量均值(2.878%)较P1、P2的均值(2.542%)提高了13.22%，T1、T2的土壤速效钾含量均值(169.750 mg/kg)较P1、P2的均值(83.308 mg/kg)提高了103.76%；在40～60 cm深度土层，T1、T2的土壤全钾含量均值(2.773%)较P1、P2的均值(2.516%)提高了10.21%，T1、T2的土壤速效钾含量均值(139.450 mg/kg)较P1、P2的均值(74.783 mg/kg)提高了86.47%。

图3 坡改梯3年农田、坡耕地土壤钾素特征

3.3 每块样地必要的采样数量

不同的土壤理化性质变化特征不同，为了用有限的观测数据估计各参数的均值(或期望值)，且兼具充分的可信度和精度，有必要合理确定取样数量[12]。本研究采用单样本K-S检验对每块样地的实测土壤含水量和土壤养分数据进行检验，检验时取显著性水平α=0.05，结果表明，土壤含水量数据和土壤养分数据的PK-S均大于0.05，服从正态分布。估算合理采样数量的公式[13]为

n=t2CV2/D2

(2)

式中：n为必要的样本容量，个；t表示t分布特征值，可由显著性水平α和自由度df=n-1查t分布表确定；CV为样本变异系数；D为试验允许的误差，在此分别取5%、10%、20%、30%。

研究表明，D的取值基本上由CV决定。当CV<10%、CV=10%～20%、CV=20%～30%和CV>30%时，D值分别取5%、10%、20%和30%[13]。根据表3中各指标的变异系数，P1的土壤含水量、有机质、全氮、有效磷、速效钾、全磷、全钾的D值分别取10%、30%、20%、30%、30%、10%、10%，P2分别取10%、20%、20%、30%、30%、10%、5%，T1分别取5%、30%、30%、30%、10%、10%、5%，T2分别取5%、30%、20%、30%、30%、5%、5%。根据公式(2)，求出了在95%置信水平下每块样地土壤水分和土壤养分的必要采样数量，见表5。

表5 不同估计精度下的必要采样数量

从表5可知，本研究中，在95%的置信水平下，在试验允许的误差范围内，土壤含水量、全氮、全磷、全钾、速效钾的实际采样数量基本上达到了必要采样数量的要求，P1和T1的有机质含量实际采样数量还需要增加，而相比起来，土壤有效磷的实际采样数量与必要采样数量相差较大，这和有效磷含量的变异程度高有关。

4 结 论

(1)与坡耕地相比，坡改梯3年农田土壤含水量的变异系数较小，土壤容重减小，土壤孔隙度增大，土壤含水量均值高出坡耕地1.87百分点。

(2)坡改梯3年农田的平均蓄水量，在0～20 cm土层比坡耕地高6.43 mm，在20～40 cm土层比坡耕地高1.88 mm，在40～60 cm土层比坡耕地高2.39 mm。

(3)与坡耕地相比，坡改梯3年农田的pH值变小，酸碱性得到改善，更利于作物的生长；0～60 cm深度，坡改梯3年农田的土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、全磷和全钾含量均值比坡耕地的含量均值分别高58.20%、80.99%、48.00%、81.24%、39.34%和8.10%。总体上，研究样地的土壤有机质与土壤全氮、全磷含量很低，土壤肥力整体上处于缺乏状态，在之后长期的农业耕种中应注意氮肥和磷肥的合理使用。

(4)根据各项土壤指标的变异系数，选取对应的试验允许误差，在95%的置信水平下求出了土壤各项指标的必要采样数量，其中有效磷的必要采样数量较大。本研究中，土壤含水量、全氮、全磷、全钾、速效钾的实际采样数量基本达到必要采样数量的要求，有效磷的实际采样数量不足，坡耕地土壤有机质的实际采样数量略少。

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