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

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)評估指標和判斷準則。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)坡改梯的時間主要為20世紀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 研究方法與試驗材料

2.1 土壤樣品的采集

采樣地點位于坡改梯項目區(qū)，采樣時間為2010年4月份。土壤樣本的采集按照基本等距離原則，各采樣點均按“S”形布點采集耕層土壤，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樣品帶回實驗室作分析用。本研究從坡頂?shù)狡碌坠策x取了190個采樣點(詳見表1)。同時利用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)的影響因子進行調(diào)查記錄。基礎(chǔ)資料收集完成后，對記錄數(shù)據(jù)及其他資料，根據(jù)計量單位統(tǒng)一、來源可靠、無顯著異常、無明顯不符合實際等原則進行嚴格核實、篩選，以確保資料真實可靠。

表1 土壤采樣點概況

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，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，取其中一份進一步研細，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質(zhì)、全氮、氨態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀7項指標進行測定，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)量評價指標

由于土壤肥力形成機制的復(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，因此評價方法和指標體系也不盡相同。本研究選擇土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、氨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量7項指標作為土壤肥力質(zhì)量評價指標，采用多元統(tǒng)計分析，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)量的影響進行研究。

2.3.2 土壤肥力質(zhì)量評價方法

土壤肥力質(zhì)量的綜合評價一般分為3個步驟，即：評價指標隸屬度的計算、權(quán)重系數(shù)的確定和綜合評價指數(shù)的計算。

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

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

(1)

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

(2)評價指標權(quán)重的計算。本研究基于土壤屬性本身的內(nèi)在關(guān)系，利用因子分析法計算各指標的貢獻率及累計貢獻率，并得出各土壤評價指標的因子載荷量，通過計算各指標因子載荷所占比重，求得各項指標權(quán)重值[11-12]，表達式為

(2)

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

(3)土壤肥力綜合評價指數(shù)(IFI)的計算。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指數(shù)模型，計算參考張慶費等[14]的土壤肥力綜合指標公式，數(shù)學(xué)表達式為

(3)

式中：Wi為各評價指標的權(quán)重值；Fi為各評價指標的隸屬度值；n為評價指標的個數(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分析后的各指標描述性統(tǒng)計數(shù)據(jù)。對照土壤養(yǎng)分分級標準，表3中研究區(qū)7項評價指標的含量均較貧乏， 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項評價指標的變異系數(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，其余各項評價指標均與有機質(zhì)含量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明土壤各評價指標含量的提高與有機質(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

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，進而影響土壤養(yǎng)分，使土壤養(yǎng)分重新分配。利用式(1)計算得到各土壤肥力評價指標的隸屬度值，見表4。

表4 不同土地利用方式下的土壤肥力評價指標值及其隸屬度值

注：A為土壤肥力評價指標的測定值；B為土壤肥力評價指標的隸屬度值，無單位。

20世紀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，荒地的有機質(zhì)含量最高，其次是林地、菜地、糧田、園地，這是因為地表植被覆蓋會改變生態(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，進而增加了有機質(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質(zhì)含量，使有機質(zhì)含量略少于撂荒地。

表5中，利用因子分析法提取了3個因子，這3個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指標的因子載荷量，由此可計算出3個因子中各評價指標的權(quán)重值，見表5。

表5 土壤肥力評價指標主因子的貢獻率、負荷量及權(quán)重

根據(jù)加乘法則對各個肥力評價指標值采用乘法進行合成，利用式(3)計算不同土地利用類型的土壤肥力綜合評價指數(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大小排序為：荒地>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，有機質(zhì)層積累較厚，含量高的有機質(zhì)對磷、鉀有效性的提高亦有所貢獻，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產(chǎn)品，隨著耕種時間的推移，必然導(dǎo)致土壤有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化的加速，進而引起土壤退化。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。荒地和林地土壤肥力質(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：首先研究區(qū)地形復(fù)雜，農(nóng)業(yè)管理措施多樣，使得在進行土壤肥力質(zhì)量評價時會產(chǎn)生誤差；其次對于土壤肥力質(zhì)量的評價，本研究僅選取了土壤養(yǎng)分中具代表性的7項指標，評價指標不夠全面勢必會對評價結(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。

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