褚琳琳，張學森，楊光偉，屠田霖，趙 燕，陳 丹，畢利東

（1. 河海大學農業(yè)科學與工程學院，江蘇 南京 211100；2. 紅河哈尼族彝族自治州水利水電工程地質勘察咨詢規(guī)劃研究院，云南 蒙自 661100）

0 引 言

云南紅河哈尼梯田被譽為“世界山地農業(yè)生產的最高典范”，主要分布于坡度為15°～75°之間的溝壑山嶺間，海拔144～2 939.6 m，平均海拔1 132.68 m，具有森林-村莊-梯田-河流“四素同構”的生態(tài)系統(tǒng)結構［1，2］。哈尼梯田水稻依山而建，分布在海拔1 450～1 850 m 的山坡，且水稻種植不使用肥料和農藥，偶爾采用“沖肥”的方式施加一些農家有機肥料。特有的土地利用方式形成了獨特的梯田稻作文化。然而，隨著云南省2010年以來的連續(xù)五年干旱，降雨量驟減，哈尼梯田的各條河道及山箐水量斷流或水量不足，造成梯田和水稻田面積呈下降趨勢，且因缺水引起水稻產量下降，部分水稻田被長期轉變?yōu)楹档?。因氣候變化、經濟發(fā)展、工程性缺水等問題，水改旱改變了土地耕作制度，人為滯水條件不再存在，土壤剖面的氧化還原環(huán)境也發(fā)生了明顯的變化，形成水耕人為土各發(fā)生層（或診斷層）的條件也逐漸消失或不再存在，從而改變了土壤養(yǎng)分循環(huán)過程和含量，導致哈尼民族文化傳承和保護面臨重大挑戰(zhàn)，梯田農耕文化面臨失傳。

土壤是影響植物群落物種組成和群落動態(tài)的重要因子，土壤養(yǎng)分制約著生態(tài)系統(tǒng)的演替過程和對環(huán)境變化的響應方式［3］，其中氮、磷、鉀是植物生長和發(fā)育所需的大量營養(yǎng)元素，也是調節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的關鍵性元素，在促進作物生長代謝，提高作物產量和品質方面具有十分重要的作用［4］。土壤養(yǎng)分長期受氣候、地形地貌、成土母質、土壤類型、種植模式、水肥管理、耕作措施等自然或人為活動的綜合影響，具有時空異質性［5-8］。尤其在梯田生態(tài)系統(tǒng)中，海拔是最重要的影響因素，它通過對光、熱、水資源的再分配影響土壤理化性質的空間分布，使土壤理化性質存在垂直空間分異，同時還影響土壤養(yǎng)分狀況［9，10］。迄今為止，針對哈尼梯田的研究集中在哈尼梯田的起源和歷史，梯田稻作禮儀、梯田生產和管理方式等方面［11-14］。近年來，一些學者開始認識到哈尼梯田不同土地利用方式土壤肥力時空分布特征對哈尼梯田土地可持續(xù)利用、梯田農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的重要作用，開始了相關問題的研究［15-17］，但將哈尼梯田地區(qū)海拔梯度、水改旱結合起來研究土壤養(yǎng)分變化特征及土壤肥力評價的較少。本文以哈尼梯田核心區(qū)全福莊為研究對象，通過測定土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀與海拔、不同土地利用方式之間的關系，揭示不同海拔梯度下水稻田改旱地后土壤養(yǎng)分變化特征及土壤肥力評價，以期為中國西南梯田可持續(xù)發(fā)展和保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域哈尼梯田全福莊位于云南省南部，紅河州元陽縣哈尼梯田核心區(qū)中部（23°05'N，102°46'E）。研究區(qū)域地處哀牢山山脈南段，地形南高北低，地貌以侵蝕中山地貌和河谷地貌為主，該區(qū)屬亞熱帶山地季風氣候，冬暖夏熱，多霧多雨，干濕季分明，多年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 500 ～2 000 mm。降雨主要集中在5-10 月，降雨量占全年降雨量的81.0%，年平均霧日數180 d，年平均日照時數1 820.8 h［10］。土壤類型為水耕滯水人為土，主要種植水稻，實行一年一熟的耕作制度。在水稻收割以后進行泡田。梯田除了在收割之前被排干水，其他時候終年淹水，實行“三耕三耙”的耕作方式［18］。

1.2 樣品采集與分析

本研究采樣布點選取由水稻田改為旱地的區(qū)域進行，根據研究區(qū)主要土地利用類型的特點，選擇5 個不同海拔梯度下的水田改旱種植旱作5～8 年和附近水稻田、田?。ㄗ鳛閷φ眨┍韺油寥溃?～20 cm）成對樣品（表1）。以海拔和植被長勢接近的3塊典型樣地作為重復樣地。調查取樣于2021 年7 月完成。旱地采樣于玉米生長后期，水稻田采樣于水稻收獲前進行。以每個田塊為采樣單元，每塊樣地僅采集根層（0～25 cm）土樣，利用不銹鋼麻花鉆，按“S”形布點法采集5 個點樣品。樣品采集后，人工除去肉眼可見的根，待自然風干后過2 mm 篩，測定其土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。其中土壤有機質采取硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮采取半微量開氏法，土壤堿解氮采取堿解擴散法，土壤速效磷采取Olsen 法，土壤速效鉀采取乙酸銨提取-火焰光度法。

表1 樣本基本信息Tab.1 Basic information of samples

1.3 土壤肥力評價方法

1.3.1 土壤肥力指標隸屬度和權重

在評價過程中，權重是反映土壤肥力指標貢獻度的關鍵參數，確定權重有主觀賦權法，如專家打分法、層次分析法等，和客觀賦權法，如相關系數法、主成分分析法、熵權法等。為克服主觀因素的影響，更加客觀和準確的得到各指標權重，本研究采用相關系數法對進行指標賦權，首先計算土壤各肥力指標之間的相關系數的平均值，以其絕對值占土壤全部肥力指標間相關系數平均數之和的比作為該指標的權重。

1.3.2 土壤肥力質量分類

根據文獻資料分類標準［19］，可將IFI分為5 個等級，根據結果對哈尼梯田不同海拔下土壤肥力進行評價分級，即Ⅰ級（0.8＜IFI≤1）、Ⅱ級（0.6＜IFI≤0.8）、Ⅲ級（0.4＜IFI≤0.6），Ⅳ級（0.2＜IFI≤0.4），Ⅴ級（IFI≤0.2）。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel2019 對數據進行初步處理，用SPSS 20軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），不同土地利用方式、海拔梯度處理分析采用多重比較法（Duncan）、土壤養(yǎng)分相關性分析采用Pearson相關，所有統(tǒng)計分析顯著性水平設為0.01和0.05（P＜0.01或P＜0.01）。采用Origin 2021進行繪圖。

根據全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準（表2）和《耕地地力評價指南》［20］，綜合考慮樣點的土壤類型、土地利用方式等對離群值予以剔除或保留后，對哈尼梯田土壤養(yǎng)分進行分級（見圖1）。

圖1 哈尼梯田土壤養(yǎng)分分級圖Fig.1 Soil nutrient classification of Hani terraces

2 結果與分析

2.1 不同海拔梯度下土壤有機質變化特征

哈尼梯田耕地土壤有機質平均含量為28.95 g/kg，變化范圍為16.06～42.58 g/kg，變異系數20.92%，處于16～35%內，屬于中等變異。耕地有機質含量等級集中在中等和缺乏水平，分別占比為54.55%和34.09%。水稻田與旱地、田埂的表層土壤有機質含量差異達到了顯著水平，旱地和田埂的表層土壤有機質含量差異不顯著。圖1 可以看出，水稻田表層土壤有機質含量高于旱地和田埂的土壤有機質含量，表現為水稻田＞旱地＞田埂，其中水稻田的土壤有機質含量等級處于中等水平，其余兩個處理的有機質含量等級處于缺乏水平。

由圖2（a）可知，海拔處理對土壤有機質含量的影響較大，且不同土地利用方式間差異顯著。旱地、田埂的土壤有機質含量隨著海拔的增加，表現為先增加后降低然后增加再降低的趨勢，土壤有機質含量最低值（27.26 和24.15 g/kg）分別出現在海拔1 465 和1 729 m。有機質含量從小到大表現為海拔1 729、1 583、1 465、1 783、1 829 m，且處理間差異達顯著性水平（p＜0.05）。水稻田的土壤有機質含量隨著海拔的增加而逐漸上升，即從29.54 g/kg 增加至44.47g/kg，增加幅度達50.55%?？傮w而言，隨著海拔的增大，土壤平均有機質含量先增加再下降然后逐漸增加，最低值（28.36 g/kg）出現在海拔1 465 m，最高值（38.23 g/kg）出現在海拔1 829 m。

圖2 不同海拔梯度不同土地利用方式土壤有機質和養(yǎng)分特征Fig.2 Characteristics of soil organic matter and nutrient in different land use patterns at different

2.2 不同海拔梯度下土壤全氮變化特征

研究區(qū)土壤全氮平均含量為1.45 g/kg，變化范圍為1.06～1.88 g/kg，變異系數11.90%，小于15%，屬于小變異。耕地全氮含量等級集中在豐富和中等水平，分別占比為45.45%和59.09%。旱地、水稻田、田埂的表層土壤全氮含量差異不顯著，圖1 可以看出，水稻田和田埂土壤的全氮含量高于旱地土壤全氮含量，表現為水稻田＞田?。竞档?，其中水稻田的土壤全氮含量等級處于豐富水平，其余兩個處理的全氮含量等級處于中等水平。

在不同的土地利用方式下，隨著海拔的增加，土壤全氮量先降低后增加（見圖2（b）），分別在1 729 m 達到最低（1.27、1.38、1.39 g/kg）后上升，最大值（1.94、2.32、2.13 g/kg）出現在1 829 m，分別增加52.65%、47.73% 和54.18%。其中，海拔1 829 m 處理與其余4 個處理差異顯著（p＜0.05）?？傮w來看，土壤全氮量平均值的變化與海拔的關系與有機質一致，表現為先增加后降低的趨勢，各海拔處理之間差異達到顯著水平。

2.3 不同海拔梯度下土壤堿解氮變化特征

土壤堿解氮平均含量為156.19 g/kg，變化范圍為121.28～202.13 g/kg，變異系數12.14%，小于15%，屬于小變異。土壤堿解氮含量等級集中在很豐富和豐富水平，分別占比為61.36%和38.64%。旱地、水稻田、田埂的表層土壤全氮含量差異不顯著，旱地和水稻田土壤的堿解氮含量高于田埂土壤有機質含量，表現為水稻田＞旱地＞田埂，但3 種不同類型土壤的堿解氮含量平均值均＞150 g/kg，都處于很豐富水平。

由圖2（c）可以看出，隨著海拔的升高，旱地的土壤堿解氮含量先降低后升高再降低再升高，呈現“W”型變化趨勢。3 種土地利用方式下土壤堿解氮含量及其平均值均在海拔1 583 m處理下達到最低（分別為155.58、149.45、151.90和152.31 g/kg），在海拔1 829 m 處理下達到最高（分別為203.35、209.48、194.78和202.53 g/kg），變化幅度分別達30.71%、40.16%、28.23%和32.98%?？傮w而言，水稻田和田埂的土壤堿解氮含量及總體平均值隨著海拔的升高，其值先降低后逐漸增加，各海拔之間差異顯著（p＜0.05）。

2.4 不同海拔梯度下土壤速效磷變化特征

研究區(qū)土壤速效磷平均含量為12.64 g/kg，變化范圍為6.86～24.27 g/kg，變異系數37.45%，大于35%，屬于高度變異?？梢钥闯?，速效鉀作為速效態(tài)養(yǎng)分，遷移性強，更易受耕作制度、田間管理等人為活動的影響，其含量較有機質和全氮更不穩(wěn)定［19］。土壤速效磷含量等級集中在中等和缺乏水平，分別占比為50%和36.36%。旱地、水稻田、田埂的表層土壤全氮含量差異不顯著，旱地和水稻田土壤的速效磷含量高于田埂土壤速效磷含量，表現為旱地＞水稻田＞田埂，其中三種土地利用方式土壤速效磷含量處于中等水平。

由圖2（d）可知，隨著海拔的升高，各海拔之間土壤速效磷呈現先增加后減少的趨勢。對不同海拔梯度下旱地、水稻田、田埂的土壤速效磷含量及其平均值進行分析，旱地在海拔1 783 m 處土壤速效磷含量達到最高（23.62 mg/kg），在1 583 m處達到最低（12.99 mg/kg）；其余兩種土地利用方式下的土壤速效磷含量在海拔1 583 m 處達到最高（分別為15.08、12.33 mg/kg），分別在1 829 和1 729 m 處理達到最低（8.62、10.05 mg/kg）。從總體來看，土壤速效磷含量在海拔1 729 m 最高為14.74 mg/kg，在1 465 m最低為11.53 mg/kg，變化幅度為27.75%。

2.5 不同海拔梯度下土壤速效鉀變化特征

哈尼梯田土壤速效鉀平均含量為95.84 g/kg，變化范圍41～59.15 g/kg，變異系數61.72%，大于35%，屬于高度變異。速效鉀作為速效態(tài)養(yǎng)分，與速效磷類似具有易遷移、不穩(wěn)定的特點。土壤速效鉀含量等級集中在很缺乏水平，占比為52.27%。田埂的表層土壤速效鉀含量與旱地的差異達到了顯著水平，兩種土地利用方式土壤的速效鉀含量高于水稻田土壤速效鉀含量，表現為旱地＞田?。舅咎铮渲泻档氐耐寥浪傩р浱幱谪S富水平，其余兩個處理的速效鉀含量處于缺乏水平。

由圖1（e）可知，隨著海拔的升高，各海拔之間土壤速效鉀呈現先增加后減少的趨勢，這一變化趨勢和土壤速效磷的變化趨勢基本一致，且各處理間差異顯著（p＜0.05）。旱地、水稻田的土壤速效鉀隨海拔的增加變化趨勢不同，但均在1 783 m 達到最高（236.67和76.33 mg/kg），在1 829 m 處達到最低（95.00和35.00 mg/kg），增加幅度分別為117.54%和23.81%。田埂的土壤速效鉀隨海拔的增加表現為先降低后升高再降低的趨勢，在海拔1465m 處達到最大（88.67 mg/kg），在1 729 m 處達到最低（61.67 mg/kg），增加幅度為43.78%。總體而言，土壤速效鉀含量平均值隨著海拔的增加表現為先增加后降低的趨勢，最高（129.67 mg/kg）、最低（68.78 mg/kg）與旱地、水稻田的海拔處理相同，變化幅度為51.05%。

2.6 哈尼梯田土壤肥力評價

由表3可知哈尼梯田土壤有機質及養(yǎng)分指標間的相關關系（Pearson 相關系數），除速效磷、速效鉀與其余3 個指標沒有顯著相關外，其余3個指標兩兩互相顯著正向相關，其中堿解氮和有機質、堿解氮和全氮在0.01 水平存在極顯著相關性。權重系數采用相關系數法確定，土壤全氮和堿解氮的權重系數較大，分別為0.265和0.229，土壤速效磷權重系數最小，為0.104。

表3 土壤有機質及養(yǎng)分間相關系數、相關系數平均值和權重系數Tab.3 Correlation coefficients， mean correlation coefficients and weighting coefficients among soil organic matter and nutrients

基于改進的TOPSIS 模型評價結果顯示（表4），隨著海拔的上升，哈尼梯田不同海拔土壤肥力增加，其中海拔1 829 m，IFI值為0.688，土壤肥力處于Ⅱ級；海拔1 783 m，IFI值為0.478，土壤肥力處于Ⅲ級；海拔1 583 和1 729 m，土壤肥力處于Ⅳ級，海拔1 465 m，IFI值僅為0.172，土壤肥力處于Ⅴ級。從表5 可以看出，哈尼梯田不同土地利用方式下土壤IFI值由大到小分別為水稻田、旱地、田埂，但水稻田和旱地的土壤肥力均處于Ⅲ級，田埂的土壤肥力處于Ⅴ級。

表4 哈尼梯田不同海拔土壤肥力排序及等級Tab.4 Soil fertility ranking and grade of Hani terraces at different altitudes

表5 哈尼梯田不同土地利用方式土壤肥力排序及等級Tab.5 Soil fertility ranking and grade of different land use patterns in Hani terraces

3 討 論

3.1 土壤有機質和養(yǎng)分含量對海拔的響應

梯田土壤是山地生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎環(huán)境，土壤養(yǎng)分的分解和積累受到自然與人為干擾的影響，還與氣候、土壤養(yǎng)分狀況和植被類型等外界環(huán)境因子息息相關［21，22］。哈尼梯田海拔跨度大，不同海拔的梯田溫度、降水存在差異，土壤理化性質之間差異較大［1］。本研究發(fā)現，隨著海拔的升高，土壤有機質含量先增加再下降然后逐漸增加，土壤全氮含量、堿解氮含量先下降再逐漸增加，但3 個指標的最大值均出現在海拔1 829 m 處理。總體表現為隨著海拔的升高，3 個指標值逐漸增加。這種變化可能由于海拔升高后，氣溫下降，地上生物量增加，微生物活性下降，植被根系生命周期較短，促使植物凋落物和土壤有機質增加造成的［23］。且高海拔有機質的增加，進一步加速了土壤微生物呼吸和微生物對土壤養(yǎng)分的利用效率，即一定范圍內海拔的升高，提高了土壤全氮的含量。土壤堿解氮主要來源于土壤有機質［9］，因此土壤堿解氮的變化趨勢與有機質變化趨勢基本一致。土壤速效磷和速效鉀隨著海拔的增加出現先增加后降低的趨勢，最大值分別出現在海拔1 723和1 783 m，最小值出現在海拔1 829 m 處。海拔1 723 和1 783 m 海拔梯田土壤速效養(yǎng)分高于其余海拔的梯田土壤，這可能由于這兩處海拔梯田與村落距離更近，村民生產、生活用水以及畜禽糞便等通過溝渠排入這兩個海拔的梯田處，從而增加了梯田土壤速效養(yǎng)分含量。

3.2 土壤養(yǎng)分含量對土地利用方式的響應

土地利用方式的變化可引起許多生態(tài)過程的變化，如土壤養(yǎng)分、水分、地表徑流與侵蝕［24］。氮、磷是生態(tài)系統(tǒng)中含量最豐富的元素之一，也是大多數農業(yè)和自然陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產過程最受限制的元素之一。梯田長期種植水稻，其土壤發(fā)生層、有機質組成、顏色和新生體等方面與其余土地利用方式的土壤有顯著變化，是一種具有特定化學特性的土壤［25］。本研究發(fā)現，水稻田的土壤有機質、全氮、堿解氮含量高于旱地與田埂，這可能原因是水改旱改變了水稻土周期性的灌溉和排水的管理方式，增強了土壤通氣性，促進了有機物質的分解，導致表層土壤有機質降低，大量有機氮隨之礦化，導致全氮含量降低，且隨著旱作年限的延長而下降明顯。有研究表明，旱作15 年后，不同水改旱的耕層土壤全氮降幅在30.6%～74.8%之間，說明水改旱后，土壤硝化過程，以及硝態(tài)氮的淋溶和徑流流失等致使氮素損失增加（不考慮作物對氮素吸收量的差異）［26］。土壤堿解氮主要集中在土壤表層，其濃度受施氮量的影響較大，堿解氮的變化趨勢基本與全氮的變化趨勢一致。旱地速效養(yǎng)分含量大于水稻田和田埂，可能原因是，旱作土壤磷肥的施用量大于水稻田，且鐵猛氧化物的老化降低了對磷的吸附，使土壤中全磷和速效磷含量明顯增加［27-29］，引起土壤磷素流失風險增加，從而增加了水體富營養(yǎng)化的風險。且由于耕作較頻繁，鉀肥的施用量較水稻田小幅度增加，且玉米對鉀素的需求量較水稻低，因而表現為水改旱后旱地土壤速效鉀含量增加。

4 結 論

（1）在梯田生態(tài)系統(tǒng)中，海拔對土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀影響顯著。隨著海拔的升高，土壤有機質含量先增加再降低最后逐漸增加，土壤全氮和堿解氮含量先降低再增加，3 個指標的最大值都出現在最高海拔1 829 m 處；土壤速效磷、速效鉀含量的變化趨勢基本一致，先增加再降低，兩個指標的最大值出現在最高海拔處。

（2）哈尼梯田土壤養(yǎng)分指標除速效鉀處于缺乏水平，堿解氮處于很豐富水平外，其余3個土壤養(yǎng)分指標均處于豐富、中等水平。3種土地利用方式下水稻田的土壤有機質、全氮、堿解氮含量大于旱地和田埂，旱地的土壤速效磷、速效鉀含量大于水稻田和田埂。水稻田的土壤養(yǎng)分含量與旱地、田埂的差異顯著，旱地和田埂的土壤養(yǎng)分含量差異不顯著。水改旱后，土壤有機質、全氮、堿解氮含量下降，土壤速效磷、速效鉀含量增加。