趙萬廣，高玉鳳，王錦志，李金峰

(1.山西省水土保持生態(tài)環(huán)境建設中心，山西 太原 030002； 2.山西省水土保持科學研究所,山西 太原 030013)

在黃土高原土石山區(qū)，由于土層薄，土石混雜，水蝕面積廣，因此水土流失頗為嚴重[1]。坡耕地作為重要的耕地資源，在黃土高原土石山區(qū)分布很廣。位于太行山西麓的榆社縣，坡耕地面積占總耕地面積的56.83%，其土壤侵蝕量占全縣土壤侵蝕量的43.35%[2]。土壤水分和養(yǎng)分是植物賴以生存的基礎，土壤水分的盈虧和養(yǎng)分的豐缺直接影響植物的生長，土石山區(qū)坡耕地嚴重的“跑水、跑土、跑肥”問題是導致作物低產(chǎn)的重要因素，已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展的限制性因素。坡改梯被認為是防治水土流失的有效方式[3]，將原有坡耕地改造為水平梯田，能有效地減緩地面坡度，減小徑流速度和流量，起到攔土蓄水作用，同時還能改善土壤條件，為保水、保肥、增收創(chuàng)造有利條件。在黃土高原區(qū),水平梯田的蓄水效益為70.5%～97.5%、減沙效益為71.3%～98.4%[4]。為了防治水土流失，山西省大面積開展了坡耕地水土流失綜合治理工程，以促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

本研究在黃土高原土石山區(qū)榆社縣，通過野外取樣和室內試驗相結合的方法，對坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地進行對比分析，以期為土石山區(qū)的水土流失綜合治理和農(nóng)業(yè)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山西省榆社縣位于112°38′～113°12′E、36°51′～37°34′N，地處太行山中段西麓、晉中市東南部，屬土石山區(qū)，是一個典型的山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，是山西省重點幫扶貧困縣[2]。境內群山環(huán)繞，山巒起伏重疊，溝壑縱橫，梁峁連綿，地形以丘陵、山地為主，平均海拔1 100 m。氣候為溫帶大陸性季風氣候，季節(jié)變化明顯，年均氣溫8.8 ℃，年均降水量560 mm，無霜期165 d，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪[5]。

2 研究對象與方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

研究所選的農(nóng)田位于榆社縣西馬鄉(xiāng)漚泥凹村，沒有灌溉條件，土壤水分完全依賴于自然降水。在該區(qū)選取兩塊坡改梯3年的農(nóng)田(T1、T2)作為研究對象，同時在附近選取兩塊坡度分別為10°～20°(P1)、0°～10°(P2)的坡耕地作為對比。根據(jù)樣地的實際情況，于2016年7月在樣地內側、外側、中間分別按照“S”形五點采樣法采集0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤樣品，每塊樣地采集15個樣點。將采集的土壤樣品帶回實驗室去除土壤中的植物根系和碎石粒后，一部分用于測定土壤含水量，另一部分經(jīng)自然風干后過0.25和1 mm篩備測土壤理化性質。

2.2 測定與分析方法

測定方法：土壤含水量采用105 ℃烘干法，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤pH值采用pH計測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量開氏法，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法，有效磷采用鹽酸-硫酸浸提法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法[6-7]。土壤孔隙度采用公式法計算。

分析方法：用SPSS 16.0和Excel軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和圖表的繪制。

3 結果與分析

3.1 坡耕地與坡改梯農(nóng)田的土壤水分特征

3.1.1 土壤含水量變化特征

將每塊樣地15個樣點0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤含水量進行算術平均，作為該樣地的平均土壤含水量，將不同深度土層的土壤容重和土壤孔隙度算術平均作為該樣地的平均容重和平均孔隙度，指標見表1。

表1 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤含水量特征

結合表1可知，坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地相比，土壤容重較小，土壤孔隙度較大，土壤含水量明顯提高，土壤含水量均值高于坡耕地1.87百分點。土壤容重的大小能較好地反映土壤的緊實程度，由測定結果可知，在不同土層深度，T1、T2的土壤容重均小于P1和P2的土壤容重。土壤孔隙是容納水分和空氣的空間，也是植物根系伸展和土壤動物、微生物活動的地方，適當?shù)目紫抖扔欣谥参锏纳L，土壤孔隙度越大，說明土壤的持水性能越好[8]。測定結果顯示，在黃土高原土石山區(qū)實施坡改梯3年后，土壤的孔隙結構更利于耕作層土壤的水、氣分配，不僅可以更好地滿足作物生長的要求，還可以更好地發(fā)揮保水保土作用。

3.1.2 土壤蓄水特征

根據(jù)測定的土壤含水量、土壤容重計算坡改梯3年農(nóng)田和坡耕地0～20、20～40、40～60 cm土層的平均蓄水量，計算公式[9]為

θ=wdh/10

(1)

式中：θ為土壤蓄水量，mm；w為土壤含水量，%；d為土壤容重，g/cm3；h為土層深度，cm。計算結果見表2。

表2 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤蓄水量 mm

由表2可知，坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤蓄水量均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而增加的趨勢。在0～20、20～40、40～60 cm深度土層，坡改梯3年農(nóng)田平均蓄水量均值(41.74、50.46、50.92 mm)較坡耕地均值(35.31、48.58、48.53 mm)分別高6.43、1.88和2.39 mm。坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的平均蓄水量在0～20 cm土層差值較大，可能是0～20 cm土層為作物根系的主要分布層，受作物快速生長期根系吸收和地面蒸發(fā)雙重影響，加之表層土壤受氣候條件影響較大，所以變化較下層明顯[9]。坡改梯農(nóng)田各土層的蓄水能力都大于坡耕地的蓄水能力，說明在土石山區(qū)實施坡改梯工程有益于土壤水分的保持。

3.2 坡耕地與坡改梯農(nóng)田的土壤養(yǎng)分特征

3.2.1 土壤養(yǎng)分總體特征

依據(jù)土壤養(yǎng)分的分級標準，土壤主要養(yǎng)分指標分為6個水平：1級為很豐富，2級為豐富，3級為中等，4級為缺乏，5級為很缺乏，6級為極缺乏[10]。坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地的土壤養(yǎng)分分析結果見表3、4。

表3 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤養(yǎng)分特征

表4 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤養(yǎng)分分級特征

有機質作為評價土壤肥力的一項重要指標，也是土壤中營養(yǎng)元素氮、磷的重要來源。結合表3和表4，P1、P2土壤的有機質和全氮含量屬于6級(極缺乏)和5級(很缺乏)，T1、T2土壤中有機質和全氮含量處于5級和4級水平；P1、P2、T1、T2土壤中全磷含量處于4級和5級水平，但是P1、P2、T1、T2的全鉀含量均高于25 g/kg，全鉀含量均屬于1級(很豐富)水平?？傊芯繀^(qū)土壤肥力整體較差，但是坡改梯3年農(nóng)田的土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量均高于坡耕地。

速效養(yǎng)分方面，有效磷作為能被植物吸收利用的磷素，與土壤的固磷能力和人為施肥措施關系較大。研究區(qū)土壤有效磷含量變化較大，P1是5級很缺乏狀態(tài)，但是T2可以達到3級(中等水平)，是P1的2.41倍。因此，在開展農(nóng)業(yè)耕作時，注意科學合理施磷肥，更益于作物的保水增收。坡改梯3年農(nóng)田的速效鉀含量較坡耕地有了大幅度提高，P1、P2是3級(中等)和4級(缺乏)，T1、T2分別為2級(豐富)和1級(很豐富)水平?？傮w上，研究區(qū)在實施坡改梯工程后土壤的速效養(yǎng)分等級優(yōu)于坡耕地。

研究區(qū)土壤pH值為8.24～8.52，偏堿性，坡改梯3年農(nóng)田的pH值較坡耕地均有所降低，說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)與坡耕地(P1、P2)土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀的變異系數(shù)基本上屬于中等變異，pH值、全鉀和全磷呈現(xiàn)弱變異狀態(tài)。這是由于研究區(qū)所選4塊樣地均為農(nóng)耕地，速效養(yǎng)分受耕作和施肥等農(nóng)業(yè)措施的影響，土壤有機質與全氮受成土母質、土壤類型、地形地貌等結構性因素和種植作物、人為管理措施等隨機性因素的多重影響，因此均顯示出較大的空間變異；而土壤中全磷、全鉀的含量主要受土壤自身特性的影響[11]，受人為耕作措施的影響較小，因此變異系數(shù)小。

3.2.2 土壤剖面有機質和全氮含量特征

隨著土層深度的不斷增加，T1、T2與P1、P2的土壤有機質含量和全氮含量均逐漸減少，表現(xiàn)出明顯的表層富集現(xiàn)象(圖1)。在0～20 cm深度土層，T1、T2的土壤有機質含量均值(1.624%)較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%)較P1、P2的均值(0.054%)提高了88.89%；在20～40 cm深度土層，T1、T2的土壤有機質含量均值(0.882%)較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%)較P1、P2的均值(0.036%)提高了86.11%；在40～60 cm深度土層，T1、T2的土壤有機質含量均值(0.564%)較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%)較P1、P2的均值(0.032%)提高了62.50%。

圖1 坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤有機質、全氮特征

圖2 坡改梯3年農(nóng)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年農(nóng)田與坡耕地土壤磷素特征見圖2。在0～20 cm深度土層，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.054%)較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)較P1、P2的均值(12.441 mg/kg)提高了26.58%；在20～40 cm深度土層，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.048%)較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)較P1、P2的均值(3.944 mg/kg)提高了58.60%；在40～60 cm深度土層，T1、T2的土壤全磷含量均值(0.045%)較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)較P1、P2的均值(2.088 mg/kg)提高了155.65%。

3.2.4 土壤剖面鉀素特征

坡改梯3年農(nóng)田與坡耕地土壤鉀素特征見圖3。在0～20 cm深度土層，坡改梯3年農(nóng)田的全鉀含量較坡耕地增幅不明顯，T1、T2的土壤速效鉀含量均值(242.250 mg/kg)較P1、P2的均值(146.167 mg/kg)提高了65.74%。在20～40 cm深度土層，T1、T2的土壤全鉀含量均值(2.878%)較P1、P2的均值(2.542%)提高了13.22%，T1、T2的土壤速效鉀含量均值(169.750 mg/kg)較P1、P2的均值(83.308 mg/kg)提高了103.76%；在40～60 cm深度土層，T1、T2的土壤全鉀含量均值(2.773%)較P1、P2的均值(2.516%)提高了10.21%，T1、T2的土壤速效鉀含量均值(139.450 mg/kg)較P1、P2的均值(74.783 mg/kg)提高了86.47%。

圖3 坡改梯3年農(nóng)田、坡耕地土壤鉀素特征

3.3 每塊樣地必要的采樣數(shù)量

不同的土壤理化性質變化特征不同，為了用有限的觀測數(shù)據(jù)估計各參數(shù)的均值(或期望值)，且兼具充分的可信度和精度，有必要合理確定取樣數(shù)量[12]。本研究采用單樣本K-S檢驗對每塊樣地的實測土壤含水量和土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行檢驗，檢驗時取顯著性水平α=0.05，結果表明，土壤含水量數(shù)據(jù)和土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)的PK-S均大于0.05，服從正態(tài)分布。估算合理采樣數(shù)量的公式[13]為

n=t2CV2/D2

(2)

式中：n為必要的樣本容量，個；t表示t分布特征值，可由顯著性水平α和自由度df=n-1查t分布表確定；CV為樣本變異系數(shù)；D為試驗允許的誤差，在此分別取5%、10%、20%、30%。

研究表明，D的取值基本上由CV決定。當CV<10%、CV=10%～20%、CV=20%～30%和CV>30%時，D值分別取5%、10%、20%和30%[13]。根據(jù)表3中各指標的變異系數(shù)，P1的土壤含水量、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、全磷、全鉀的D值分別取10%、30%、20%、30%、30%、10%、10%，P2分別取10%、20%、20%、30%、30%、10%、5%，T1分別取5%、30%、30%、30%、10%、10%、5%，T2分別取5%、30%、20%、30%、30%、5%、5%。根據(jù)公式(2)，求出了在95%置信水平下每塊樣地土壤水分和土壤養(yǎng)分的必要采樣數(shù)量，見表5。

表5 不同估計精度下的必要采樣數(shù)量

從表5可知，本研究中，在95%的置信水平下，在試驗允許的誤差范圍內，土壤含水量、全氮、全磷、全鉀、速效鉀的實際采樣數(shù)量基本上達到了必要采樣數(shù)量的要求，P1和T1的有機質含量實際采樣數(shù)量還需要增加，而相比起來，土壤有效磷的實際采樣數(shù)量與必要采樣數(shù)量相差較大，這和有效磷含量的變異程度高有關。

4 結 論

(1)與坡耕地相比，坡改梯3年農(nóng)田土壤含水量的變異系數(shù)較小，土壤容重減小，土壤孔隙度增大，土壤含水量均值高出坡耕地1.87百分點。

(2)坡改梯3年農(nóng)田的平均蓄水量，在0～20 cm土層比坡耕地高6.43 mm，在20～40 cm土層比坡耕地高1.88 mm，在40～60 cm土層比坡耕地高2.39 mm。

(3)與坡耕地相比，坡改梯3年農(nóng)田的pH值變小，酸堿性得到改善，更利于作物的生長；0～60 cm深度，坡改梯3年農(nóng)田的土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀、全磷和全鉀含量均值比坡耕地的含量均值分別高58.20%、80.99%、48.00%、81.24%、39.34%和8.10%。總體上，研究樣地的土壤有機質與土壤全氮、全磷含量很低，土壤肥力整體上處于缺乏狀態(tài)，在之后長期的農(nóng)業(yè)耕種中應注意氮肥和磷肥的合理使用。

(4)根據(jù)各項土壤指標的變異系數(shù)，選取對應的試驗允許誤差，在95%的置信水平下求出了土壤各項指標的必要采樣數(shù)量，其中有效磷的必要采樣數(shù)量較大。本研究中，土壤含水量、全氮、全磷、全鉀、速效鉀的實際采樣數(shù)量基本達到必要采樣數(shù)量的要求，有效磷的實際采樣數(shù)量不足，坡耕地土壤有機質的實際采樣數(shù)量略少。

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