李澤霞， 董彥麗， 馬 濤

(甘肅省水土保持科學研究所， 甘肅 蘭州 730020)

坡耕地是黃土區(qū)產(chǎn)生水土流失的主要來源地，土壤侵蝕嚴重，生態(tài)環(huán)境極為脆弱。為此，中國政府開展坡改梯工程，修建了大面積以水平梯田為主體的梯化坡地[1]，有效改善了農業(yè)生產(chǎn)條件，水土流失綜合治理取得顯著成效。梯化坡地在建設過程中形成了3個不同部位(挖高填低)，即挖方段、中間段和填方段，由于挖方段原耕作熟化土層大部分移至填土部位，不同程度打亂了表土層，改變了挖、填部位的土壤理化性質，對作物產(chǎn)量產(chǎn)生較大的影響[2]。土壤理化性質是影響土壤肥力的內在條件，也是綜合反映土壤質量的重要指標，黃土區(qū)干旱少雨，土壤貧瘠，為了改善土壤肥力，覆膜成為當?shù)爻Ｒ姷霓r業(yè)管理措施。近年來農村大量勞動力外出務工，梯化坡地撂荒現(xiàn)象較為嚴重，導致耕地面積逐年減少，土壤肥力下降，嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。不同的土地利用方式、覆膜管理等措施會導致土壤結構及理化性質發(fā)生劇烈變化，對土壤養(yǎng)分及其循環(huán)有著極為重要的影響，合理的土地利用方式能夠有效地改善土壤結構，增強土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力[3]，不合理的土地利用方式會降低生物多樣性和土壤質量[4]。目前，關于梯化坡地研究主要集中在土壤養(yǎng)分、蓄水保墑、土壤培肥[5-7]等方面，但是關于不同土地利用方式下不同部位土壤理化性質的研究并不多見。因此，我們選取黃土區(qū)梯化坡地為研究對象，開展不同土地利用方式下挖、中、填方段不同部位土壤理化性質研究，掌握其土壤肥力現(xiàn)狀分布特征，以期對改善梯化坡地土壤養(yǎng)分提供指導，進一步加強對耕地資源的合理利用，改進土地利用方式，發(fā)展持續(xù)農業(yè)，防止地力衰退、恢復生態(tài)環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究選擇甘肅省定西市隴西縣云田鎮(zhèn)梯化坡地(2010年修建)為研究對象。該區(qū)地處東經(jīng)107°15′—107°23′E，北緯35°21′—35°27′N，海拔高度1 028～1 374 m，相對高差346 m，屬溫帶半濕潤氣候，日照充足，夏季炎熱，冬季微寒。據(jù)隴西氣象站1981—2010年系列數(shù)據(jù)，研究區(qū)年均氣溫8.2 ℃，年均降水量414.8 mm，年蒸發(fā)量1 562.8 mm，年均風速1.5 m/s，無霜期161.8 d，最大凍土深98 cm。植物資源比較豐富，區(qū)域內主要草本植物有冰草、豬毛菜、車前草等，人工種植作物主要有小麥、玉米、苜蓿、洋芋、中藥材等，農業(yè)生產(chǎn)無灌溉措施，為典型的旱地雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，梯化坡地土壤類型為黃綿土和黑壚土。

1.2 測定項目及研究方法

根據(jù)實地調查及對當?shù)鼐用竦脑L問，在覆膜作物、牧草地和撂荒地模式下共選擇5個樣地(玉米地、苜蓿地、撂荒地2 a、撂荒地4 a和荒草地)進行取樣，同時記錄取樣點的海拔、經(jīng)緯度、主要植被類型等環(huán)境因子(見表1)。

表1 樣地概況

荒草地是指撂荒8 a的梯化坡地，各樣地坡向均為陽坡、坡度及土壤類型一致，玉米地生育期內施肥、覆膜等管理措施同大田作物，其余用地方式均無施肥措施。土壤樣品采樣時間為2018年11月(農作物剛收獲后土地尚未施肥前)，采用野外取樣與室內分析的方法，根據(jù)地形特點，在5個試驗樣地的挖方段、中間段、填方段3個部位分別布置5 m×10 m的樣地，共15個，在樣地內按“S”形隨機布點挖取土壤剖面，分4層(0—5,5—10,10—20,20—40 cm)取樣，每個樣地3次重復。用鋁盒、環(huán)刀和自封袋采集土壤樣品并編號，稱量土樣濕重后帶回實驗室進行理化性質分析。

土壤理化性質指標主要有土壤水分、容重、機械組成、pH值、有機碳、速效鉀、有效磷、水解性氮等指標。其中，采用烘干法測定土壤質量含水量，環(huán)刀法測定土壤容重。機械組成采用比重計法測定，根據(jù)國際制土壤粒級劃分標準將土壤顆粒級別劃分為粗砂粒(0.2～2 mm)、細砂粒(0.02～0.2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(<0.002 mm)。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化分光光度法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗分光光度法測定，水解性氮采用堿解擴散法測定[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

采集土樣采用Excel 2007和SPSS21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)中最小顯著差異法(LSD)分析不同土地利用方式對土壤理化性質的影響，顯著性差異水平取“p<0.05”。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤含水量及容重變化

土壤水分是土壤重要組成物質之一，是土壤養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體。黃土區(qū)氣候干旱，土壤水資源十分匱乏，土壤水分是植物生長和生態(tài)恢復的主要限制因子[9]，直接影響作物的生長及產(chǎn)量。在黃土區(qū)實施坡改梯工程，能夠攔蓄天然降水，減少地表徑流，提高降水利用率[10]。5種土地利用方式土壤含水量在垂直剖面上均表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增大的趨勢(見圖1)，土壤含水量變化范圍在4.45%～17.69%之間，依次表現(xiàn)為：玉米地>撂荒地4 a>撂荒地2 a>苜蓿地>荒草地。

注：圖中不同小寫字母表示同一土壤深度下不同土地利用方式差異達顯著水平(p<0.05)，下同。

不同土地利用方式各土層土壤水分的垂直分布均存在顯著差異(p<0.05)，0—40 cm土層玉米地平均土壤含水量分別比荒草地，苜蓿地，撂荒地2 a，撂荒地4 a高165%,139%,62%,16%。玉米地土壤含水量明顯高于其他4種土地利用方式，這是因為玉米地土壤樣品采集于膜下土壤，而覆膜能夠提高土壤保墑作用，減少土壤水分蒸發(fā)量，使得土壤保持較高的水分含量。除作物管理措施外，植被自身的屬性也是影響土壤水分變化的重要因素，苜蓿根系大，耗水強度高，需水量也大，土壤含水量較低。因此，在條件允許的情況下，應優(yōu)先考慮種植覆膜作物。從圖2可以看出，5種土地利用方式不同部位土壤含水量均表現(xiàn)為：挖方段>中間段>填方段，填方段保水性較挖方段差，說明經(jīng)過數(shù)年耕作，修建時土壤機械擾動對填方區(qū)的土壤影響繼續(xù)存在。

圖2 黃土區(qū)梯化坡地不同部位土壤含水量

土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標，能夠反映土壤結構的好壞，土壤容重越小，說明土壤疏松多孔，透氣性、透水性越好[11]。土壤容重測定結果表明(見圖3)：5種土地利用方式土壤容重變化總體趨勢一致，均隨土層深度增加而逐漸增大。0—40 cm土層土壤容重均值表現(xiàn)為：玉米地(1.20 g/cm3)<苜蓿地(1.22 g/cm3)<荒草地(1.23 g/cm3)<撂荒地4 a(1.24 g/cm3)<撂荒地2 a(1.26 g/cm3)。玉米地容重最小，這是由于玉米地管理過程中耕作和有機肥料的施用促進土壤孔隙結構的形成，土壤容重降低，改善了土壤通氣狀況。苜蓿根系與其他作物相比較為發(fā)達，有較強的穿透力，種植苜蓿能減緩土壤緊實，使土壤密度降低，因此苜蓿地土壤容重也較低。對荒草地和撂荒地而言，梯化坡地撂荒后，土壤擾動減少，地表的植物、凋落物和植物根系增多，增加了土壤的有機物來源，但與玉米地相比，管理粗放，沒有耕作管理的輸入，土壤孔隙結構形成緩慢，使土壤容重保持較高水平。

圖3 黃土區(qū)梯化坡地不同深度土壤容重

從圖4可以看出，5種土地利用方式不同部位土壤容重均表現(xiàn)為：挖方段>中間段>填方段，且填方段各用地方式間差異均達到顯著性水平(p<0.05)。受填土影響，填方段土壤容重小，說明填方段土壤比較疏松，孔隙多，通透性較好，潛在肥力較高。

圖4 黃土區(qū)梯化坡地不同部位土壤容重

2.2 不同土地利用方式下土壤機械組成變化

土壤機械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例，土壤各級顆粒組成比例不同對土壤養(yǎng)分有著明顯影響，二者存在密切關系[12]。土壤黏粒的粒徑微小，有助于形成較好的土壤團粒結構，促進養(yǎng)分轉換和水分吸持，土壤養(yǎng)分含量豐富[13]。黃土區(qū)梯化坡地不同土地利用方式下土壤機械組成見圖5。0—40 cm土層土壤各粒徑組分中，黏粒、粉粒、粗砂粒、細砂粒組分含量范圍分別為：14.0%～19.33%，1.0%～6.33%，0.33%～1.33%，73.67%～83.0%。5種土地利用方式的土壤顆粒百分含量均表現(xiàn)為：細砂粒>黏粒>粉粒>粗砂粒，由此可知，梯化坡地土壤以細砂粒為主，占據(jù)了其組分的70%以上，粗砂粒含量很少，這是由于研究區(qū)屬于干旱區(qū)，降雨少，形成了較多的細砂粒。根據(jù)國際制土壤質地分級標準，將黃土區(qū)梯化坡地土壤質地進行分類，得出土壤屬于砂質黏壤土，土壤通氣性強，但是保水、保肥性差。

圖5 黃土區(qū)梯化坡地不同土地利用方式土壤機械組成

從圖5可以看出，較其他土地利用方式，0—40 cm土層中玉米地土壤黏粒和粉粒含量較高，細砂粒最低，這可能是因為玉米地的耕作強度和使用頻率較高，土壤易受到劇烈的人為擾動因素造成的。梯化坡地不同部位土壤各粒徑組分在0—40 cm土層沒有表現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律分布，隨著土層深度的增加，土壤細砂粒含量波動增加，粉粒和黏粒含量波動下降，粗砂粒含量則比較穩(wěn)定。0—20 cm和20—40 cm土層土壤黏粒和粉粒均表現(xiàn)為填方段最低，其次是中間段，挖方段最大，而粗砂粒和細砂粒則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。梯化坡地不同土地利用方式下土壤機械組成受施肥、覆膜等田間管理措施的影響較小，而在坡改梯修建過程中挖高填低，造成了生土與熟土的混合，各級顆粒組成在梯化坡地不同部位之間存在變化。

2.3 不同土地利用方式下土壤化學性質的變化

2.3.1 土壤pH值 土壤pH值是衡量土壤肥力的重要指標，它直接影響到土壤中各種養(yǎng)分元素的存在形態(tài)及養(yǎng)分之間的轉化，進而影響植物生長發(fā)育[14]。隴西縣梯化坡地5種土地利用方式不同部位的土壤化學性質指標統(tǒng)計結果見表2。從表2可以看出，土壤pH值范圍在7.68～8.52之間變動，表明研究區(qū)土壤呈堿性水平。就pH值大小來看，除玉米地外，其余4種土地利用方式下不同位置土壤pH值均表現(xiàn)為：挖方段>中間段>填方段，挖方段土壤pH值最高，鹽堿性最大。方差分析表明梯化坡地不同土地利用方式的不同部位pH值差異不顯著(p>0.05)，說明位置對土壤pH值的影響不大。

表2 黃土區(qū)梯化坡地不同土地利用方式不同部位土壤化學性質

5種土地利用方式土壤化學指標垂直變化見表3。從垂直分布上來看，在0—20 cm和20—40 cm土層中，5種土地利用方式土壤pH值隨著土層深度增加沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，土壤pH均值表現(xiàn)為：苜蓿地(8.42)>荒草地(8.4)>玉米地(8.23)>撂荒地2 a(8.21)>撂荒地4 a(7.81)。方差分析表明，除玉米地外，不同土地利用方式0—20 cm和20—40 cm土層土壤pH值變化均差異不顯著(p>0.05)。本研究中撂荒地4 a土壤pH值最小，明顯低于撂荒地2 a，但隨著撂荒年限的增加，土壤pH值呈先下降后增加的趨勢，表明適度撂荒對土壤pH值有一定的改善效果。研究區(qū)堿性土壤特征對土地利用方式方面有指導意義，選擇種植作物時應考慮作物的耐堿性。

2.3.2 土壤有機碳 土壤有機碳庫是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，主要來源于地上凋落物元素歸還和地下植物根系代謝[15]。梯化坡地不同土地利用方式土壤有機碳變化范圍在0.49%～0.92%之間(見表2)，5種土地利用方式在不同水平位置土壤有機碳變化規(guī)律不一致，玉米地、荒草地、撂荒地4 a表現(xiàn)為：挖方段<中間段<填方段，其余2種利用方式無明顯規(guī)律。

由表3可知，0—40 cm土層有機碳隨土層深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，與郭洋等[16]的研究結果相同，在0—5 cm的含量最高，主要是因為微生物在土壤表層活動強烈，易分解有機質，有利于有機碳的累積，而土層越深，微生物的活動越少，不利于有機碳的累積。從土壤有機碳含量來看，5種不同土地利用方式土壤有機碳均值變化特征為：玉米地(0.91%)>撂荒地2 a(0.71%)>撂荒地4 a(0.57%)=苜蓿地(0.57%)>荒草地(0.53%)。方差分析結果顯示，5種樣地土壤有機碳含量不同土層間表現(xiàn)出差異顯著。玉米地土壤有機碳含量最高，分別比撂荒地2 a，撂荒地4 a，苜蓿地，荒草地高28%，60%，60%，72%，主要原因是施肥使玉米地植株生物量增加，從而增加了土壤有機碳來源。撂荒地和荒草地土壤中有機碳含量均處于較低的水平，表明梯化坡地撂荒后土壤有機碳降低。

2.3.3 土壤速效養(yǎng)分 氮、磷、鉀3種元素是植物生長所必需的3大營養(yǎng)元素，也是構成植物生命體的重要元素，在植物生長過程中占有重要地位[17]，速效養(yǎng)分為可以直接被作物吸收利用的部分，是反映肥效高低的主要指標。從表2可以看出，土壤速效鉀、有效磷、水解性氮含量分別為53.25～71.5，4.0～10.43，18～42.25 mg/kg，三者含量變化范圍均較大。5種土地利用方式土壤速效鉀和水解性氮均表現(xiàn)為填方段最大，其次是中間段，挖方段最小，除撂荒地2 a外，有效磷均是挖方段最大。從表3可以看出，5種土地利用方式下的土壤速效鉀、有效磷含量均基本表現(xiàn)出隨土層深度增加而減少的趨勢，土壤水解性氮變化無明顯規(guī)律。方差分析結果表明，不同土地利用方式下土壤速效鉀、有效磷、水解性氮含量均差異顯著(p<0.05)，說明土壤速效鉀、有效磷、水解性氮含量受土地利用方式的影響明顯。土壤養(yǎng)分與土壤質地、耕作方式、施肥方式及管理措施等因素有關，可能造成土壤養(yǎng)分之間的差異。不同土地利用方式下土壤速效鉀、有效磷平均含量均為覆膜玉米地最大，其次是苜蓿地、荒草地，撂荒地2 a和4 a最小，土壤水解性氮平均含量從大到小為：苜蓿地>覆膜玉米地>撂荒地2 a>荒草地>撂荒地4 a。

本研究梯化坡地停止耕作撂荒后，土壤有機碳隨撂荒時間增加呈降低的趨勢，這與王月玲等[18]人研究結果存在不同，有機碳沒有表現(xiàn)出隨著撂荒年限增加呈先降低后升高的趨勢，即短期的撂荒會導致土壤養(yǎng)分的降低，長期的撂荒和自然演替可以改善土壤性質，這可能是由于本研究區(qū)氣候條件干旱，撂荒地和荒草地僅有冰草等少量雜草生長，植被稀疏，枯落物較少，微生物對植物的降解能力有限，土壤表層養(yǎng)分積累有限，而雜草的生長會消耗土壤養(yǎng)分，同時受牲畜采食踐踏的影響，使植被覆蓋度、地上生物量減少，且無肥料投入，土壤速效養(yǎng)分明顯偏低。由于玉米地利用過程中受人為耕作和施肥等的影響，及時補充作物所需養(yǎng)分，土壤速效養(yǎng)分會高于荒草地和撂荒地，表明可以通過改善土壤環(huán)境來提高土壤生產(chǎn)力。另外，梯田的覆膜管理措施對土壤培肥效果較好[19]，有利于玉米地土壤養(yǎng)分的增加，在生產(chǎn)中需要注意的是，地膜覆蓋的玉米生育加快，吸收養(yǎng)分增加，造成前期土壤養(yǎng)分的消耗增多，使后期養(yǎng)分供應不足，應注意作物后期的施肥狀況。

3 結 論

(1) 5種土地利用方式的土壤含水量、容重均隨土層深度增加而呈現(xiàn)增大的變化趨勢，不同部位均表現(xiàn)為：挖方段>中間段>填方段，其中玉米地土壤含水量最高，容重最小，表明玉米地的覆膜措施提高了土壤的持水、貯水能力及土壤疏松程度，從而改良了土壤物理性質。5種土地利用方式的土壤機械組成均表現(xiàn)為：細砂粒>黏粒>粉粒>粗砂粒，屬砂質黏壤土。0—40 cm土層各級顆粒組成中黏粒和粉粒均為填方段最低，其次是中間段，挖方段最大，而粗砂粒和細砂粒呈現(xiàn)相反趨勢。

(2) 土壤pH值變化范圍是7.68～8.52，屬堿性土壤，5種土地利用方式下不同部位pH值均表現(xiàn)為：挖方段>中間段>填方段，pH均值表現(xiàn)為苜蓿地(8.42)>荒草地(8.4)>玉米地(8.23)>撂荒地2 a(8.21)>撂荒地4 a(7.81)，方差分析結果是無顯著差異。有機碳均值變化特征為：玉米地(0.91%)>撂荒地2 a(0.71%)>撂荒地4 a(0.57%)=苜蓿地(0.57%)>荒草地(0.53%)。土壤速效鉀、有效磷均值均表現(xiàn)為玉米地最大，其次為苜蓿地和荒草地，而撂荒地2 a和撂荒地4 a含量最小。土壤水解性氮均值表現(xiàn)為：苜蓿地>覆膜玉米地>撂荒地2 a>荒草地>撂荒地4 a。5種土地利用方式土壤有機碳、速效鉀、水解性氮均表現(xiàn)為：填方段>中間段>挖方段，除撂荒地2 a外，有效磷均是挖方段最大。

總體來看，黃土區(qū)梯化坡地挖方段土壤物理性質較差，是由于修建坡改梯時挖方段土壤生土較多，建議今后梯化坡地在進行耕作播種等活動時，根據(jù)3個部位的差異采取措施，偏施肥料，重點在挖土部位多施肥，充分發(fā)揮梯化坡地的經(jīng)濟和生態(tài)效益。玉米地覆膜對梯化坡地土壤改良具有十分明顯的效果，是改善土壤養(yǎng)分狀況和提高經(jīng)濟效益的重要農藝措施，苜蓿地需要倒茬種植其他作物。