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        三峽庫區(qū)坡改梯地不同土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量評價(jià)研究
        ——以重慶市巫山縣為例

        2014-04-02 11:03:24李培霞陳國建
        中國水土保持 2014年3期
        關(guān)鍵詞:土壤肥力土地利用養(yǎng)分

        李培霞,陳國建,韋 杰

        (重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院,重慶 400047)

        土壤質(zhì)量是全球生物圈可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一,亦是農(nóng)業(yè)發(fā)展、土壤管理和土地利用的可持續(xù)評估指標(biāo)和判斷準(zhǔn)則。受成土母質(zhì)、氣候、土地覆被及人類活動等自然因素和人為因素的影響,土壤肥力質(zhì)量具有顯著的變異性。土地利用作為人類利用土地進(jìn)行各種活動的綜合反映,是影響土壤肥力質(zhì)量變化最普遍、最直接、最深刻的因素[1],研究土地利用和管理措施對土壤肥力質(zhì)量變化的影響已是現(xiàn)代土壤學(xué)的主要任務(wù)之一[2-5]。國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明,不同的土地利用方式以及不同的耕作制度、管理方式等必然會導(dǎo)致土壤肥力的改變以及土地生產(chǎn)力的變化[6-8]。從目前的研究來看,不同土地利用方式下的土壤肥力質(zhì)量評價(jià)研究已涉及多種典型區(qū)域,包括山地、高原、丘陵、平原、盆地等,這些區(qū)域也涉及各種土壤類型如潮棕壤、紅壤、水稻土、風(fēng)沙土、紫色土等及各種生態(tài)環(huán)境如濕地生態(tài)、亞熱帶高山氣候等[9-12],但針對三峽庫區(qū)坡改梯地以黃壤為主的土壤肥力質(zhì)量評價(jià)的研究并不多。

        本文就三峽庫區(qū)巫山縣坡改梯地不同土地利用方式下的土壤肥力質(zhì)量狀況進(jìn)行分析,以期為合理施肥、建立良性農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)為重慶市巫山縣龍井鄉(xiāng)龍山村的典型坡改梯地,地理位置為東經(jīng)109°46′16″—109°47′29″、北緯30°59′11″—31°06′18″,地貌類型為剝蝕侵蝕低山,采樣海拔在690—1 165 m,土壤為黃壤。研究區(qū)地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),有明顯的季節(jié)性差異,氣候溫暖,年平均氣溫18.4 ℃,雨量充沛,多年平均降水量在1 100 mm以上,降水量在季節(jié)分配上很不均勻,主要集中在5—10月份。土壤侵蝕以水力侵蝕為主,屬南方丘陵侵蝕區(qū)。

        采樣區(qū)坡改梯的時(shí)間主要為20世紀(jì)70年代。選取的5種典型土地利用方式為糧田、菜地、林地、園地、荒地。糧田主要包括玉米、紅薯、小麥等,覆蓋度<20%;菜地主要包括油菜、豆類蔬菜等,與糧田同為傳統(tǒng)種植方式,覆蓋度<30%;林地主要覆有灌木叢、松樹等,覆蓋度<50%;園地主要為梨樹、桃樹等,覆蓋度<45%;荒地主要為荒草地,以撂荒3~5年無人為干擾的荒山荒坡形式出現(xiàn),覆蓋度35%~55%。

        2 研究方法與試驗(yàn)材料

        2.1 土壤樣品的采集

        采樣地點(diǎn)位于坡改梯項(xiàng)目區(qū),采樣時(shí)間為2010年4月份。土壤樣本的采集按照基本等距離原則,各采樣點(diǎn)均按“S”形布點(diǎn)采集耕層土壤,并在有代表性的地方挖取剖面土樣,混合均勻后用四分法處理,最后剩余約1 kg樣品帶回實(shí)驗(yàn)室作分析用。本研究從坡頂?shù)狡碌坠策x取了190個(gè)采樣點(diǎn)(詳見表1)。同時(shí)利用GPS定位儀確定經(jīng)緯度,記錄土壤類型、坡度、坡位、高程、植被覆蓋度等多項(xiàng)參數(shù)。另就肥料投入、田間管理等有關(guān)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響因子進(jìn)行調(diào)查記錄?;A(chǔ)資料收集完成后,對記錄數(shù)據(jù)及其他資料,根據(jù)計(jì)量單位統(tǒng)一、來源可靠、無顯著異常、無明顯不符合實(shí)際等原則進(jìn)行嚴(yán)格核實(shí)、篩選,以確保資料真實(shí)可靠。

        表1 土壤采樣點(diǎn)概況

        2.2 土壤樣品的分析

        首先剔除樣品中的植物根系、落葉及石礫等雜物,置于室內(nèi)風(fēng)干,然后將風(fēng)干后的土樣用木棍研細(xì),使其全部通過2 mm孔徑的篩子。充分混勻后,用四分法分作兩份,取其中一份進(jìn)一步研細(xì),使其逐次通過1 mm和0.25 mm孔徑的篩子,用于化學(xué)分析。本研究主要選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、氨態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定,測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》(第3版)中的相關(guān)方法[13],具體見表2。

        表2 土壤分析項(xiàng)目及測定方法

        2.3 數(shù)據(jù)處理

        2.3.1 土壤肥力質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)

        由于土壤肥力形成機(jī)制的復(fù)雜性以及不同研究人員對土壤肥力的內(nèi)涵和外延的理解不同,因此評價(jià)方法和指標(biāo)體系也不盡相同。本研究選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、氨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量7項(xiàng)指標(biāo)作為土壤肥力質(zhì)量評價(jià)指標(biāo),采用多元統(tǒng)計(jì)分析,對三峽庫區(qū)典型坡改梯地不同土地利用方式對土壤質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。

        2.3.2 土壤肥力質(zhì)量評價(jià)方法

        土壤肥力質(zhì)量的綜合評價(jià)一般分為3個(gè)步驟,即:評價(jià)指標(biāo)隸屬度的計(jì)算、權(quán)重系數(shù)的確定和綜合評價(jià)指數(shù)的計(jì)算。

        (1)評價(jià)指標(biāo)隸屬度的計(jì)算。由于土壤肥力指標(biāo)變化具有連續(xù)性質(zhì),故各評價(jià)指標(biāo)采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù),并從主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。土壤各項(xiàng)肥力評價(jià)指標(biāo)采用升型分布函數(shù)計(jì)算[14],即

        Fi=(xij-ximin)/(ximax-ximin)

        (1)

        式中:Fi為評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值;xij為評價(jià)指標(biāo)的數(shù)值;ximax和ximin分別為第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中的最大值和最小值。

        (2)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。本研究基于土壤屬性本身的內(nèi)在關(guān)系,利用因子分析法計(jì)算各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率,并得出各土壤評價(jià)指標(biāo)的因子載荷量,通過計(jì)算各指標(biāo)因子載荷所占比重,求得各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值[11-12],表達(dá)式為

        (2)

        式中:Wi為土壤各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值;Ki為各評價(jià)指標(biāo)因子分析的因子載荷量。

        (3)土壤肥力綜合評價(jià)指數(shù)(IFI)的計(jì)算。本研究采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊集的加乘法則建立土壤肥力綜合評價(jià)指數(shù)模型,計(jì)算參考張慶費(fèi)等[14]的土壤肥力綜合指標(biāo)公式,數(shù)學(xué)表達(dá)式為

        (3)

        式中:Wi為各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值;Fi為各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值;n為評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 土壤養(yǎng)分的總體特征

        表3為經(jīng)SPSS 17.0分析后的各指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對照土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn),表3中研究區(qū)7項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的含量均較貧乏, 其中: 全鉀含量較豐富,平均為2.27%,這與母質(zhì)中含有豐富的鉀素有關(guān);有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量處于中等水平,均值分別為1.69%、0.13%、138.55 mg/kg;全磷、銨態(tài)氮和速效磷含量處于嚴(yán)重缺乏狀態(tài),均值分別為0.04%、37.45 mg/kg、4.03 mg/kg,其中有55%的樣本速效磷含量<3 mg/kg,因此今后仍需加大磷肥的投入量。

        表3 土壤養(yǎng)分的描述性特征

        7項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)均處于0.1~1.0之間,屬于中等變異性,其中:速效磷含量的變幅最大,變異系數(shù)為0.556,最小值為1.26 mg/kg,最大值為17.06 mg/kg,最大值為最小值的13.5倍,這與磷在土壤中的遷移性低有關(guān);其次為氨態(tài)氮,變異系數(shù)為0.413,最小值為13.91 mg/kg,最大值為88.62 mg/kg,最大值為最小值的6.4倍;土壤全鉀含量的變幅最小,變異系數(shù)為0.118。據(jù)相關(guān)性分析,除了全鉀含量以外,其余各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)均與有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系,說明土壤各評價(jià)指標(biāo)含量的提高與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。

        3.2 不同土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量評價(jià)

        土地利用方式是影響土壤肥力質(zhì)量的重要因素,對各種生態(tài)環(huán)境要素有著重要的影響,它的變化可以引起許多土壤過程如侵蝕、氧化和礦化等的變化,進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分,使土壤養(yǎng)分重新分配。利用式(1)計(jì)算得到各土壤肥力評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值,見表4。

        表4 不同土地利用方式下的土壤肥力評價(jià)指標(biāo)值及其隸屬度值

        注:A為土壤肥力評價(jià)指標(biāo)的測定值;B為土壤肥力評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值,無單位。

        20世紀(jì)70年代坡改梯后,經(jīng)過30年的持續(xù)利用及部分退耕還林,植被類型和土地利用方式的不同使土壤質(zhì)量發(fā)生了一定變化。從表4可以看出,荒地的有機(jī)質(zhì)含量最高,其次是林地、菜地、糧田、園地,這是因?yàn)榈乇碇脖桓采w會改變生態(tài)系統(tǒng)生物量和周邊環(huán)境條件如光、熱、水和土壤生物等,此處的荒地多在撂荒多年后逐漸長出了灌木叢和草叢,地表植被覆蓋較高,土壤表層獲取的光和熱減少,進(jìn)而增加了有機(jī)質(zhì)的積累。也有研究指出,林木的生長會產(chǎn)生大量的抑制有機(jī)質(zhì)生成的物質(zhì),因而林木和灌木的生長會減少土壤有機(jī)質(zhì)含量,使有機(jī)質(zhì)含量略少于撂荒地。

        表5中,利用因子分析法提取了3個(gè)因子,這3個(gè)因子解釋了原有變量總方差的約95%,原有變量的信息丟失較少。通過旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣得出各評價(jià)指標(biāo)的因子載荷量,由此可計(jì)算出3個(gè)因子中各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值,見表5。

        表5 土壤肥力評價(jià)指標(biāo)主因子的貢獻(xiàn)率、負(fù)荷量及權(quán)重

        根據(jù)加乘法則對各個(gè)肥力評價(jià)指標(biāo)值采用乘法進(jìn)行合成,利用式(3)計(jì)算不同土地利用類型的土壤肥力綜合評價(jià)指數(shù)。不同土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)差異較大,糧田、菜地、林地、園地、荒地的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)分別為0.349、0.427、0.431、0.390、0.501,各種土地利用類型按IFI大小排序?yàn)椋夯牡?林地>菜地>園地>糧田。

        可以看出,農(nóng)耕措施會使土壤養(yǎng)分降低,荒地和林地受人為干擾較種植地要少,成土母質(zhì)的物理風(fēng)化較淺而化學(xué)風(fēng)化較深,且植被覆蓋度和生物量相對較高,養(yǎng)分積累多分解少,有機(jī)質(zhì)層積累較厚,含量高的有機(jī)質(zhì)對磷、鉀有效性的提高亦有所貢獻(xiàn),使得土壤磷、鉀含量隨之增加;而糧田與園地施肥結(jié)構(gòu)以化學(xué)肥料為主,人為擾動大,受耕作的影響,成土母質(zhì)的物理、化學(xué)風(fēng)化加深,含磷、鉀礦物被分解,土壤磷、鉀含量增加,但其表土養(yǎng)分流失嚴(yán)重,不僅大量泥沙被沖走,而且使土壤中易溶鹽分(如鉀)隨徑流流失,磷、鉀元素遷移強(qiáng)于淀積,使得土壤的肥力水平降低[16],另外作物收獲會帶走大量有機(jī)產(chǎn)品,隨著耕種時(shí)間的推移,必然導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化的加速,進(jìn)而引起土壤退化。由此可見退耕還林還草是改善生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)土壤肥力的重要途徑。菜地和糧田產(chǎn)生差異的原因是種植的作物不同,施肥管理也會有所不同,在相同的勞力與經(jīng)濟(jì)投入下,農(nóng)戶對菜地土壤肥力的關(guān)注較多,施用的肥料較多,而且不同作物對土壤養(yǎng)分的消耗也存在差異,因而整體上菜地土壤肥力略高。

        4 結(jié) 論

        對三峽庫區(qū)巫山縣典型坡改梯地5種土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行研究,結(jié)果表明,不同土地利用方式對土壤肥力有很大影響?;牡睾土值赝寥婪柿|(zhì)量明顯高于耕園地,可見退耕還林和農(nóng)地撂荒有一定的土壤培肥作用,可以通過這種方式來逐步提高土壤肥力。

        本研究存在一些問題需改進(jìn):首先研究區(qū)地形復(fù)雜,農(nóng)業(yè)管理措施多樣,使得在進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量評價(jià)時(shí)會產(chǎn)生誤差;其次對于土壤肥力質(zhì)量的評價(jià),本研究僅選取了土壤養(yǎng)分中具代表性的7項(xiàng)指標(biāo),評價(jià)指標(biāo)不夠全面勢必會對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

        合理的土地利用方式可以使坡改梯地改善土壤肥力的效果發(fā)揮得更好,因此為了適應(yīng)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的要求,必須及時(shí)了解土壤肥力的變化狀況,才能更好地規(guī)劃土地和科學(xué)地指導(dǎo)施肥。

        [參考文獻(xiàn)]

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