重慶市山區小流域耕地土壤養分分布特征

廖良宇， 李靜幀，陳國建，2*，葉潤根， 王 震， 韋 杰，2

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院， 重慶 401331； 2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室， 重慶 401331)

山區小流域作為自然界的自然集水單元，是一個集自然地理、社會經濟的綜合系統[1]。中國作為農業大國，農業的重要性不言而喻。土壤是農業的基礎[2]，而土壤養分是土壤肥力的重要標志[3]，是影響農業產量的主要因素[4]，關系著農業的興衰。因此，研究山區小流域耕地土壤養分的分布特征，可為山區土地資源的合理利用以及土壤肥力現狀評價提供科學依據。不少學者針對小流域土壤養分進行了研究[5-11]，但對山區微小尺度小流域的相關研究相對較少，導致規劃治理缺乏合理有效的科學指導，土地生產力難以明顯提高。筆者等立足山區小流域耕地土壤，從海拔、坡度、土層深度等方面分析小流域耕地土壤養分分布特征，以期更深入地了解海拔、坡度等不同因素對土壤養分分布的影響，利于科學認識山區小流域土壤質量現狀，為該地區及其他相似地區土壤養分管理、土地綜合利用開發以及可持續利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶市渝東南黔江區東北部城北河小流域(圖1)，108°45′41″～108°47′59″E，29°34′3″～29°35′39″N，小流域面積約6.24 km2，其中旱地1.52 km2，水田0.60 km2，分別占小流域總面積的24.35%和9.54%。該流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，具有氣候溫和、四季分明、雨量充沛、日照少、濕度大、常見冬干、氣溫年差較小、局部小氣候較明顯等特點。流域內多年平均降雨量1 186.8～1 288.2 mm，降雨年內分配極不均勻，降水年際變化較大，夏季多暴雨或大暴雨，暴雨一般發生在4-10月，大暴雨多發生在5-9月，具有強度大、歷時短、籠罩面小的特點。根據黔江氣象站1960-2004年資料統計，多年平均降水量1 200.2 mm，多年平均氣溫15.4℃，多年平均日照1 182 h。

1.2 土壤樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 土壤采樣時間為2017年4月10-12日，土壤采樣點的選擇根據研究區內海拔、地形地貌、土地分布等資料綜合考慮。在海拔上，根據自然斷裂法結合小流域實際海拔把研究區分為 3 個高程：小流域底部(<780 m)、小流域中部(780～933 m)、小流域頂部(>933 m)。根據1984年中國農業區劃委員會頒發的《土地利用現狀調查技術規程》將耕地坡度分為5級，即≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°，在每級坡度分別取樣。在無人機航拍的高清影像圖上概略確定采樣點位置，野外采樣時根據實地情況調整后，用GPS定位讀取采樣點坐標，土壤取樣的同時，記錄海拔、坡度等環境因子[12]。采樣時挖取有代表性土壤剖面，并在剖面內自下而上分為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3個土層進行土樣采集，將土樣去除雜質，混合均勻，每個土樣取1 kg鮮土留作試驗。共采集土樣159個，其中旱地116個，水田43個。采樣點基本包含研究區各種地形、地類及土壤類型，具有一定的代表性。

1.2.2 樣品分析 采回的土壤樣品及時送至實驗室，平攤風干，避免污染。經研磨、過篩后編號裝袋備用。所有土壤樣本均進行有機質、全氮、速效磷、速效鉀、pH等常規分析。土壤的各個養分指標進行分級，養分分級指標參考我國第2次土壤普查制定的養分分級標準[13](表1)。土壤pH分級標準：≤4.5為強酸性土壤；4.5～5.5時為中強酸性土壤；5.5～6.5時為弱酸性土壤；6.5～7.5時為中性土壤；7.5～8.5時為堿性土壤；>8.5為強堿性土壤。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀法測定，全氮采用凱式定氮儀測定，速效磷利用0.5 mol/L NaHCO3法測定，速效鉀利用用1 mol/L NH4AC火焰光度計法測定，pH采用電極法測定[14]。根據張仁鐸[15]的研究，變異系數在0～0.15為低等變異水平，0.15～0.36為中等變異水平，大于0.36則為高等變異水平，判定研究區。

1.3 數據處理

所有數據均采用Excel 2016和SPSS 21軟件處理。

表1 土壤養分分級標準

2 結果與分析

2.1 土壤養分

2.1.1 養分含量 由表2可知，在研究區所有土樣中，土壤有機質平均含量為19.89 g/kg，變異系數為0.53；全氮平均含量為1.24 g/kg，變異系數為 0.41；全磷平均含量為1.09 g/kg，變異系數為0.47；全鉀平均含量為22.29 g/kg，變異系數為0.57；速效磷平均含量為 8.07 mg/kg，變異系數為0.94；速效鉀平均含量為 72.45 mg/kg，變異系數為0.74；土壤pH平均值為5.05，變異系數為0.15。土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀均為高等變異水平，pH則為低等變異水平。

159個土樣中，pH為強酸性土壤的有39個，中強酸性土壤的有89個，弱酸性土壤的有22個，中性土壤的有8個，堿性土壤的有1個，無強堿性土壤。表明，該研究區土壤大部分屬于中強酸到強酸性土壤，主要是由于南方紅、黃壤分布廣泛，其pH主要分布在4.5～6，而該研究區正好位于南方紅、黃壤地區。

2.1.2 土壤分級 由表3可知，研究區土壤有機質含量絕大部分處于2級、3級、4級水平，占總數的88.68%，有機質含量適中。土壤全氮64.78%處于中上水平，約1/3地區土壤全氮含量缺乏。土壤全磷和全鉀含量頗豐，其中前兩級水平分別占全磷和全鉀總數的66.67%和61.64%。而速效磷與速效鉀4級、5級、6級水平分別占總量的71.07%和72.96%，含量非常缺乏。

2.2 不同海拔耕地土壤的養分含量

由圖2可知，研究區土壤全氮和有機質含量流域底部<流域中部<流域頂部，隨著海拔的升高而增加，呈極顯著正相關線性關系，主要因為隨著海拔升高，該區域植被覆蓋度越大，來自于地表森林植被的枯枝落葉不斷分解補充與累積，使得土壤全氮與有機質含量隨海拔升高而增加。土壤中全鉀、速效磷、速效鉀含量則表現為流域底部>流域中部>流域頂部，隨海拔升高而不斷降低，呈極顯著負相關，這由于當地農業生產主要集中于流域中低海拔地區，在耕作中大量施用鉀、磷肥，受耕作、施肥等人為因素影響較大。全磷含量與pH由流域中部向兩極遞減，原因可能是受土壤類型影響較大。

表2 研究區土壤的養分含量

2.3 不同坡度耕地土壤的養分含量

從圖3 a可以看出，研究區土壤全氮含量、有機質含量、pH隨著耕地坡度的變化均呈先降低再升高后降低趨勢，其中全氮最大值為1.68 g/kg，出現在6°～15°坡度內，最小值為1 g/kg，出現在2°～6°坡度內；有機質最大值為33.15 g/kg，出現在0°～2°坡度內，最小值為19.99 g/kg，出現在2°～6°坡度內；pH最大值為5.55，出現在6°～15°坡度內，最小值為4.73，出現在大于25°的坡度。

由圖3 b可以看出，研究區土壤全磷及速效磷含量隨著耕地坡度的變化均呈先升高后降低趨勢，其中全磷最大值為1.55 g/kg，最小值為1.12 g/kg，分別出現在6°～15°坡度內和大于25°的坡度；速效磷最大值為17.70 mg/kg，最小值為7.09 mg/kg，分別出現在2°～6°坡度內和大于25°的坡度。

從圖3 c可知，研究區土壤全鉀含量隨著耕地坡度的變大呈先升高后降低趨勢，而速效鉀含量則為先升高再降低后升高。其中全鉀最大值為32.66 g/kg，最小值為16.26 g/kg，分別出現在15°～25°坡度內和0°～2°坡度內；速效鉀最大值為112.08 mg/kg，最小值為56.12 mg/kg，分別出現在大于25°的坡度和15°～25°坡度內。

綜上所述，除全鉀和速效鉀以外，研究區土壤養分含量隨坡度變化而降低的大致趨勢，主要由于研究區夏季雨量大，多暴雨，耕地坡度越大，受到的雨水沖刷更強烈，水土流失嚴重；而全鉀和速效鉀在坡度較大地區含量較高則可能受成土母質影響較大，研究區含鉀礦物較多。

2.4 不同土層深度耕地土壤養分的含量

由表4可知，在小流域耕地土壤中，除全鉀和pH外，其余土壤養分含量依次為0～20 cm土層>20～40 cm土層>40～60 cm土層，養分由表層土壤向深層土壤依次遞減，說明表層土壤受到農業生產活動影響最大，施用肥料可直接為表層土壤補充各類養分元素，而對深層土壤基本無影響，故養分含量較表層土壤??；pH由表層土壤向深層依次遞增，酸度0～20 cm土層>20～40 cm土層>40～60 cm土層。

從表5看出，除pH為中低等變異水平外，其余土壤養分為高等變異水平，表明pH在0～60 cm土層中分布較均勻，而其余養分在表層土壤與深層土壤中分布極不均勻；pH變異程度由表層土壤向深層土壤遞減，而其他土壤養分變異程度基本由表層向深層遞增，說明表層土壤養分含量離散程度較深層土壤小，主要原因是表層土壤受到人類生產生活影響多，表層土壤養分較深層土壤趨于穩定。

表4不同土層深度土壤養分含量

表5 不同土層深度土壤養分變異系數

2.5 不同耕地條件下土壤養分的分布差異

由表6可知，研究區旱地土壤有機質平均含量為21.97 g/kg，變異系數為0.35，屬于中等變異水平；全氮平均含量為1.28 g/kg，變異系數為 0.33，為中等變異水平；全磷平均含量為1.17 g/kg，變異系數為0.33，為中等變異水平；全鉀平均含量為24.1 g/kg，變異系數為0.44，達到高等變異水平；速效磷平均含量為9.94 mg/kg，變異系數為0.69，為高等變異水平；速效鉀平均含量為83.19 mg/kg，變異系數為0.50，為高等變異水平；pH平均值為5.1，變異系數為0.15，屬于低等變異水平。

水田中土壤有機質平均含量為24.06 g/kg，變異系數為0.2，屬于中等變異水平；全氮平均含量為1.49 g/kg，變異系數為 0.21，為中等變異水平；全磷平均含量為1.09 g/kg，變異系數為0.39，為高等變異水平；全鉀平均含量為27.19 g/kg，變異系數為0.26，達到中等變異水平；速效磷平均含量為9.74 mg/kg，變異系數為0.67，為高等變異水平；速效鉀平均含量為63.67 mg/kg，變異系數為0.5，為高等變異水平；pH平均值為4.76，變異系數為0.11，屬于低等變異水平。

綜上所述，研究區水田中有機質、全氮、全鉀平均含量最高，主要是由于水田中腐殖質層較旱地更多，能夠提供更多的有機質、氮素等養分；其余養分指標均屬旱地最高，可能與當地農業管理中大量施用磷肥、鉀肥等有關。在研究區不同耕地條件下，所有養分指標變異水平以中等變異和高等變異為主，且變異程度除全磷旱地略小于水田外，其余指標均為旱地大于水田，說明旱地土壤養分離散程度更高，分布更加不均。這是由于旱地受到雨水直接沖刷，養分更易受到遷運和搬移，加之人為擾動更大，經常的翻耕農作，使得土壤養分物質遷移更加頻繁，分布更加復雜，而且水田中有水作為介質，相比于旱地，養分物質更容易相對均勻地分布。

表6 不同耕地條件土壤養分分布差異

3 結論與討論

研究區土壤全磷和全鉀含量頗豐，全氮含量處于中上水平，有機質含量一般，而速效磷與速效鉀含量相對缺乏，建議當地在農業管理中少施用氮肥，增施農家肥；而速效磷和速效鉀為農作物生長發育必不可缺的2種營養元素，很難快速從自然環境中得到補充，因此在農業生產中應著重注意磷肥與鉀肥的施用；研究區土壤大部分屬于中強酸到強酸性土壤，應注意避免種植趨向中堿性的作物，可選擇茶樹等適應酸性土壤的作物。

在土壤形成的過程中，海拔高低可影響地表物質和能量的再分配，對土壤形成起到間接作用[16]。不同地形高度的成土過程不同，其土壤養分含量也不同。MOORE等[17-18]研究表明，某一地區的土壤屬性與該地區海拔高度有一定相關性。研究區內土壤全氮和有機質含量流域底部<流域中部<流域頂部，全鉀、速效磷、速效鉀含量則表現為流域底部>流域中部>流域頂部。而耕地的坡度不同，其土壤保水保肥能力也不同，使得不同坡度土壤養分含量存在一定差異[19]。尤其是山區，地勢陡峭，地形起伏較大，耕地坡度較大，土壤侵蝕強烈，使得山區不同坡度耕地土壤養分差異顯著。此研究區土壤養分含量呈隨坡度變大而降低的大致趨勢。因此建議盡量減少在流域高海拔、坡度較大地區從事農業生產活動，若確要進行生產，則應加大磷肥與鉀肥的施用以提高農作物產量，并且在坡度較大地區修筑土坎、溝渠等工程措施防止和減輕水土流失。

土壤是時空連續的變異體，具有高度的空間異質性[20]，這就導致不同深度的土壤養分含量存在一定的差異性。研究不同深度土壤的養分含量能夠更好的指導農業生產，提高農業生產力。而耕地條件的變化是影響土壤養分變化最直接、最深刻的因素。不同的耕地條件與土壤養分差異也有著極密切的聯系，是人類利用土地進行各類活動的綜合反映[21-22]。此研究區除全鉀和pH外，土壤養分含量均由表層土壤向深層土壤遞減，土壤養分指標的變異系數都比較高。在不同耕地條件下，研究區所有養分指標的變異系數均為旱地大于水田。因此在平時耕作中要注意加大翻耕力度，促使土壤養分均勻化。