三峽庫區不同坡改梯年限土壤肥力質量評價研究

董宏偉，陳國建，郭 躍，韋 杰，劉玉芳

(重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 400047)

長江三峽庫區水土流失面積分布非常廣，中度和強烈流失面積占庫區水土流失總面積的64.55%[1]。庫區山地丘陵面積占97.3%，大部分耕地都分布在山地丘陵等坡地。有研究表明，三峽庫區90%以上的強度流失都發生在坡耕地。坡改梯是治理三峽庫區坡耕地水土流失、實現當地農業生產可持續發展的重要措施[2-5]。國內關于坡改梯的研究多集中于對紅壤坡地改梯后的水土保持效應、半干旱退化山區坡改梯土壤養分變化的探討以及對長江上游、黃河上中游坡改梯對徑流及生態環境的影響研究方面[6-8]。而對三峽庫區不同坡改梯年限土壤養分的研究還少見報道。我們以重慶市巫山縣典型坡改梯為研究對象，對三峽庫區不同坡改梯年限土壤肥力質量進行研究評價，這對于三峽庫區坡改梯后土地的合理有效施肥、防治水土流失以及確保庫區生態環境安全具有重要的理論指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

巫山縣位于重慶市東北部，處于四川盆地東緣山地、鄂西高地和大巴山接壤地帶，長江由西向東橫跨縣境中部。全縣南北長約80.3 km，東西寬61.2 km，幅員2 958 km2。巫山縣屬川東平行嶺谷區，有水稻土、潮土、紫色土、黃壤、石灰巖土、山地黃棕壤等6種土壤類型。在三峽庫區蓄水后，該縣喪失大量水稻土和潮土。目前巫山地區主要以黃壤、石灰巖土和山地黃棕壤為主，土壤質地以壤土為主(占77.2%)。當地屬亞熱帶濕潤季風氣候，受東南季風和縣境北部高山屏障影響，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，四季分明，雨熱同季。全年大于10 ℃活動積溫為5 857.3 ℃，無霜期305 d，年平均降水量為1 049.3 mm。

1.2 研究方法與試驗材料

1.2.1 土壤樣品的采集

本研究采用時空互代法[9]，選取2、9、14、20、35 a(即坡改梯時間為1970、1992、1998、2003、2010年)5個年限的坡改梯及臨近坡耕地(對照，年限為0 a)為樣品采樣點。研究區為淺丘地貌，土壤類型為黃壤。為了研究的準確性，盡量避免樣地之間的差異，減少其他變量對分析結果的干擾，本研究選取施肥情況相似的相鄰坡改梯并避開施肥期進行采樣，土地利用方式選擇旱地作物。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，經混合均勻后，用四分法處理，最后將剩余的約1 kg樣品帶回實驗室用以分析，本研究共采集190個樣點(詳見表1)。同時利用GPS定位儀確定經緯度。

1.2.2 土壤樣品分析

本研究主要選取土壤有機質、全氮、氨態氮、硝態氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀8項指標，指標的測定方法參照《土壤農化分析》(第三版)[10]中的相關方法，具體見表2。

1.2.3 數據處理

1.2.3.1 土壤肥力質量評價指標

本研究選擇土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、硝態氮、銨態氮、速效磷和速效鉀8項作為土壤肥力質量評價指標，采用模糊判別模式，對三峽庫區不同坡改梯年限土壤質量進行評價研究。

1.2.3.2 土壤肥力質量評價方法

土壤肥力質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、權重系數的確定和綜合評價指數的計算。

(1)評價指標隸屬度的計算。由于土壤因子變化具有連續性質，故各評價指標采用連續性質的隸屬度函數，并從主成分因子負荷量值的正負性確定隸屬度函數分布的升降性。土壤各項養分因子采用升型分布函數計算[11]，即

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

(1)

式中：Fi為各評價指標的隸屬度值；xi為各評價指標的數值；ximax和ximin分別為第i項評價指標中的最大值和最小值。

(2) 評價指標權重的計算。本研究基于土壤屬性本身內在的關系，利用因子分析法得到各土壤評價指標的公因子方差，通過計算各個公因子方差占公因子方差總和的百分數，將權重值轉換為0～1的數值[12-13]。

(2)

式中：Wi為土壤各指標的權重值；Ki為各評價指標因子分析的公因子方差。

(3)土壤肥力綜合評價指數的計算。采用模糊數學中模糊集的加乘法則建立綜合肥力指數評價模型IFI(integrated fertility index)，計算參考張慶費等[11]的土壤肥力綜合指標公式，數學表達式為

(3)

式中：Wi為各評價指標的權重系數；Fi為各評價指標的隸屬度值；n為評價指標的個數。

2 結果與分析

2.1 土壤養分的總體特征

表3是經分析后的土壤肥力各指標描述性統計數據，從均值來看，該坡改梯地土壤肥力較低，其中：全氮和速效鉀均值含量在全國第二次土地普查土壤養分分級標準中均處于三級標準；有機質處于四級標準；速效磷和速效氮均處于五級標準。

參照重慶市的土壤養分分級標準(表4)，從均值來看，該處坡改梯地土壤養分含量較低，在重慶市土壤養分肥力分級中處于中等偏下水平，其中：土壤有機質含量較低，平均為1.59%，低于三峽庫區黃壤有機質平均水平，處于缺乏狀態；土壤全氮平均值為0.11%，處于中等水平；速效鉀含量處于中等水平，平均含量為140.62 mg/kg；土壤速效磷含量平均為3.453 mg/kg，處于很缺狀態；土壤全磷均值為0.033%,處于很缺狀態；土壤全鉀很豐富，均值達到2.59%。

表3 土壤養分的描述性特征

表4 重慶市土壤養分分級標準

表3中變異系數的大小表示土壤特性空間變異性的大小，變異系數≤0.1 時為弱變異性，處于0.1～1 時為中等變異性，≥1 時為強變異性[14]。從表3可看出： 8項評價指標除硝態氮外，其余指標的變異系數處于0.1～1之間，屬于中等變異性，說明庫區土壤養分空間異質性不大、整體含量較穩定；硝態氮的變異系數達到1.328，說明該地區土壤硝態氮含量變化很大。

2.2 不同坡改梯年限土壤肥力的數據統計特征

對所測定的不同坡改梯年限土壤肥力各項指標進行統計分析，結果見表5。從均值來看，速效鉀含量最高的是開墾年限為9 a的坡改梯地；全氮及銨態氮含量最高的是開墾年限為2 a的坡改梯地；有機質、硝態氮、速效磷、全磷和全鉀含量最高的是開墾年限為20 a的坡改梯地；全氮、硝態氮、速效磷、全磷和全鉀含量最低的是開墾年限為9 a的坡改梯地土壤；有機質含量最低的是開墾年限為2 a的坡改梯地土壤；速效鉀含量最低的是開墾年限為14 a的坡改梯地土壤；銨態氮含量最低的是開墾年限為35 a的坡改梯地土壤。

從變異系數來看，各不同開墾年限坡改梯地土壤養分8項指標的變異系數主要處于0.1～1之間，屬于中等變異性，其中：有機質變異系數最高的是開墾年限為35 a的坡改梯地；全氮、硝態氮、速效鉀、速效磷以及全磷變異系數最高的是開墾年限為2 a的坡改梯地；銨態氮變異系數最高的是開墾年限為20 a的坡改梯地；全鉀變異系數最高的是開墾年限為14 a的坡改梯地；速效磷、全磷和全鉀變異系數最低的是坡耕地；銨態氮和速效鉀變異系數最低的是開墾年限為9 a的坡改梯地土壤；有機質、全氮和硝態氮變異系數最低的是開墾年限為14 a的坡改梯地土壤。

表5 不同坡改梯年限土壤養分各指標的統計特征

2.3 不同坡改梯年限土壤肥力質量評價

為了探討坡改梯后其土壤質量的變化，即對土壤屬性進行定量評價，我們采用模糊數學中的模糊集加乘法則建立綜合肥力指數評價模型IFI，對文中8個土壤肥力指標進行綜合評價。首先運用式(1)和式(2)求得不同年限坡改梯地土壤肥力指標的隸屬度值和權重(見表6)。然后根據加乘法則對各個肥力因子指標值采用乘法進行合成，利用式(3)計算不同坡改梯年限土壤肥力綜合評價指數(圖1)。最后，得到坡耕地(0 a)及坡改梯地年限分別為2、9、14、20、35 a的土壤肥力質量綜合指數0.380、0.324、0.383、0.474、0.389、0.445，土壤肥力綜合評價指數(IFI)大小排序為14 a>35 a>20 a>9 a>0 a(坡耕地)>2 a。

表6 不同坡改梯年限土壤肥力指標權重及隸屬度值

從圖1中可以看出，總體而言，該研究區土壤肥力較低，坡改梯工程短時間內不利于土壤養分的集聚，但隨著年限的增加，土壤肥力總體呈上升趨勢。對不同年份和土壤綜合肥力指數(IFI)進行擬合，其上升趨勢符合關系式y=0.017 4x+0.338 3；坡改梯地年限為2 a的土壤肥力有所下降，而坡改梯年限分別為9、14、20和35 a的土壤養分則持續增加，其中坡改梯年限為14 a的土壤綜合肥力指數(IFI)有一個峰值出現。

圖1 不同坡改梯年限土壤肥力綜合評價指數演變特征

實施坡改梯后，土壤受到擾動，當不同層次土壤混合后，必然會導致土壤物理、化學和生物學質量的下降，所以在坡改梯初期土壤養分低于同期坡耕地[9]。但是由于坡改梯后顯著改善了土壤的坡度，降低了水土流失強度，加之生物的自肥作用，從而長期有效促進了養分的積累；另外，隨著連年的耕作及有機和無機肥料的投入，促進了物質元素的積累，土壤碳、氮、磷、鉀等元素含量增加。所以，隨著年限的不斷增加，坡改梯土壤化學性質有所改善，土壤養分總體呈上升趨勢。至于坡改梯年限為14 a的土壤肥力質量出現峰值，可能是采樣點位于巫峽鎮龍山村的緣故，據當地村民介紹，當地自 2011 年開始大力助推農業發展，對農民種植糧田、蔬菜等進行農科指導、技術培訓等，土壤肥力質量較高可能得益于當地肥料的合理施用和用養地的有效結合。

3 結 論

整體而言，三峽庫區土壤肥力較低；從變異系數來看，各不同開墾年限坡改梯地土壤養分8項指標中，除硝態氮為強變異性外，其余7項指標的變異系數主要處于0.1～1之間，屬于中等變異；不同年限坡改梯地土壤綜合肥力指數(IFI)大小排序為14 a>35 a>20 a>9 a>0 a(坡耕地)>2 a，說明坡改梯工程短時間內不利于土壤養分的集聚，但隨著年限的增加，土壤肥力總體呈上升趨勢。

本研究存在一些問題有待改進：首先，重慶巫山地處山區，土層厚度不大，土壤的整體環境條件較為復雜，土壤肥力質量隨坡改梯時間推移受到的影響因素較多，如農業結構調整、施肥水平變化、作物類型變更等，加之采樣過程中除時間因素外未能排除其他因素的影響，而這些外在條件都會給評價結果帶來一定的誤差；其次，對于土壤肥力質量的評價，本研究僅選取了土壤養分中的8項具代表性的指標，評價指標不夠全面勢必會對評價結果產生一定的影響。

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