基于不同時間尺度的坡改梯土壤肥力研究
——以永和縣為例

高文君，張春燕，李 冰，劉志剛

(1.山西省水土保持科學研究所，山西 太原 030012； 2.山西省國有林管理局，山西 太原 030012)

1 研究背景和意義

山西地處黃土高原，位于黃河中游地區，是全國水土流失最嚴重的省份之一。為了遏制嚴重的水土資源流失并提高糧食產量，從2010年起，山西省在中央和地方政府的支持下，連續7年在13個縣累計投資7.25億元，將4.64萬hm2坡耕地改造為水平梯田。目前，這些新修建的水平梯田已投入到農業生產中，為山西的生態文明建設和農業生產發揮著重要的作用。

連續7年大面積開展坡改梯工程，將坡耕地修建為水平梯田后，土壤的肥力狀況、物理性質及經濟效益與原坡耕地相比究竟有多大提高，有哪些指標得以改善？這些還沒經過系統的調查和研究，而這對國家和地方制定與改進水平梯田的總體規劃和下一步的部署具有重要的影響。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

以山西省臨汾市永和縣的坡耕地和不同年份修建的水平梯田為研究對象，按照時間梯度，從土壤的物理性質和化學性質角度進行系統的對比分析和研究，以了解坡改梯后不同時間尺度下土壤質地的恢復和改善狀況，為更好地實施坡改梯項目提供理論依據。

2.2 研究方法

2.2.1 梯田樣地布設

為了更好地研究不同年份坡改梯后的土壤肥力和效益，2018年以坡耕地為對照，以永和縣2010—2016年坡改梯項目為主要研究對象，按照不同年份分別選擇面積接近、田面平整度接近、走向一致、作物均為玉米的田塊作為代表性梯田，在每個田塊內布設3個樣地，樣地面積5 m×5 m。土壤、植物樣本采集及作物經濟產量估算均在選定的樣地內進行。樣地基本情況見表1。

表1 永和縣2010—2016年坡改梯研究樣地基本情況

2.2.2 土壤測定指標及其測定方法

本次測定的土壤物理指標主要有土壤含水量、土壤容重和孔隙度，土壤肥力指標主要有土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量。

在樣地內開挖土壤剖面，分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層內進行取樣。測定方法：土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤全磷采用鉬銻抗比色法，土壤全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法[1]。每個土樣均重復測定3次。

3 結果與分析

3.1 不同年份修建的梯田土壤基本物理性質分析

3.1.1 不同年份修建的梯田土壤含水量變化

玉米在永和縣種植面積較大，是主要的糧食作物。玉米的生長發育和經濟產量高低與土壤水分的關系非常密切。通過開挖土壤剖面，對玉米苗期和成熟后期的土壤含水量進行了監測，結果見圖1和圖2。由監測結果和圖1可知：總體上，各樣地玉米苗期土壤含水量在0～40 cm深度時普遍較高，介于21%～25%之間，往下隨著土壤深度的增加，土壤含水量逐步降低；各樣地土壤含水量在表層(0～20 cm)差異較大，隨著土壤深度的增加含水量差異逐漸減小。

圖1 不同年份修建的梯田樣地玉米苗期土壤含水量比較

圖2 不同年份修建的梯田樣地玉米收獲期土壤含水量比較

由圖2可知，玉米收獲期土壤上層(0～40 cm)含水量普遍低于下層(40～80 cm)，且土壤含水量的變異程度上下差異不大。這可能與玉米收獲期正值雨季后期，降雨量通常較大，蒸發量相對減小，土壤水分蓄存量大于水分蒸散量有關，且進入收獲期后玉米根系活動大為減弱，對土壤水分的吸收減弱，因而產生土壤下層含水量高于上層含水量這一垂向分布上較為規律的梯田水文特征。

3.1.2 不同年份修建的梯田土壤容重和孔隙度垂向變化

土壤容重反映土壤的松緊程度，容重小則土壤疏松多孔，結構性良好；反之，則表明土壤緊實板結，缺少團粒結構。

由表2、3可看出，總體上，坡耕地和不同年份修建的梯田土壤容重均隨著土層的加深而增加，總孔隙度的變化則恰好相反，隨著土層的加深而減少。表層(0～20 cm)為耕作層，容重最小，總孔隙度最大；隨著土層加深，分別進入犁底層和心土層，土壤容重有逐漸增大的趨勢，各樣地土壤剖面均表現為60～80 cm容重最大。造成這種現象的原因，一是耕作增加了總孔隙度，二是施肥利于團粒結構的形成，從而降低了土壤容重，增加了孔性。這種“上虛下實”的結構極有利于作物的生長，“上虛”有利于通氣透水和種子的發芽、破土，“下實”有利于保水和扎穩根系[2]。

表2 土壤容重在剖面上的垂向分布

表3 土壤孔隙度在剖面上的垂向分布

3.2 不同年份修建的梯田土壤基本化學性質分析

3.2.1 不同年份修建的梯田土壤有機質含量變化

各樣地有機質含量測定結果顯示，坡耕地(CK)有機質含量最高，為7.01‰，2014年修建的梯田有機質含量最低，為3.79‰，其余年份修建的梯田有機質含量介于3.79‰～7.01‰之間(圖3)。

圖3 不同年份修建的梯田土壤有機質含量比較

圖3趨勢線表明，隨著坡改梯的時間延長，有機質含量呈增加趨勢，但尚未恢復到坡耕地時的水平。分析可知，一方面，剛剛坡改梯后田面表土大量為生土，導致有機質含量非常低，需要有一個土壤熟化和有機質逐漸積累的過程；另一方面，也體現出當地群眾對土地的經營管理存在“重用輕養”的狀況。實地調查發現，當地使用農家肥很少，且在玉米收獲后地上秸稈被全部收割作為家畜的飼料，即使地下部分也會被刨出用作燃料，秸稈沒有還田，土壤缺乏有機質補充，因此梯田土壤有機質含量總體較低，即使是2010年修建的梯田，其土壤有機質含量也未恢復到原坡耕地水平。

3.2.2 不同年份修建的梯田土壤全氮含量變化

從測定結果和圖4可知，土壤全氮含量坡耕地(CK)最高，為0.36 g/kg，2014年修建梯田最低，為0.20 g/kg。

圖4 不同年份修建的梯田土壤全氮含量比較

圖4趨勢線表明，隨著坡改梯時間的延長，全氮含量具有增加的趨勢，但均未恢復到坡耕地時的全氮水平，這一趨勢與有機質含量的變化具有相似性。

3.2.3 不同年份修建的梯田土壤全磷含量變化

由測定結果和圖5可知，坡耕地(CK)土壤全磷含量為0.37 g/kg，2013年修建梯田土壤全磷含量最高，為0.39 g/kg，比坡耕地高出5.41%。

圖5 不同年份修建的梯田土壤全磷含量比較

圖5趨勢線表明，土壤全磷含量普遍較低。分析其原因，可能是磷在土壤中容易被固定，作物對磷素的吸收主要是通過根系的直接接觸而獲得，因而根系生長點與施肥點的距離和根系與肥料接觸面積的大小是影響肥料吸收利用的兩個重要因素，同時也受根系活躍吸收面積的制約。

3.2.4 不同年份修建的梯田土壤全鉀含量變化

由測定結果和圖6可知，坡耕地(CK)全鉀含量為15.13 g/kg，2010、2011、2012、2013、2014、2015、2016年修建的梯田與坡耕地相比，全鉀含量分別較坡耕地增加7.87%、10.38%、-0.53%、5.42%、9.98%、-2.05%、4.36%。

總體看，全鉀變化較為穩定，坡耕地和各年份修建梯田土壤全鉀含量均無明顯差別。這可能與土壤全鉀背景值較大有關。

圖6 不同年份修建的梯田土壤全鉀含量比較

4 結論與建議

4.1 結 論

(1)總體上，玉米苗期的土壤含水量在0～40 cm深度較高，往下隨著土壤深度的增加，土壤含水量逐步降低；不同年份修建的梯田土壤含水量在表層(0～20 cm)差異較大，隨著土壤深度的增加含水量差異逐漸減小。在玉米收獲期，土壤上層(0～40 cm)含水量普遍低于下層(40～80 cm)，而且土壤含水量的變異程度上下差異不大。

(2)坡耕地和不同年份修建的梯田土壤容重均隨著土壤深度的增加而增加，總孔隙度的變化則恰好相反，隨著土壤深度的增加而減少。

(3)隨著坡改梯的時間延長，土壤有機質和全氮含量有增加的趨勢，但均未恢復到坡耕地時的水平；土壤全磷含量普遍較低；土壤全鉀含量變化較為穩定。

總之，對2010—2016年修建梯田的土壤理化性狀的研究發現：新建梯田性能不夠穩定，土壤肥力普遍偏低，當地群眾在梯田耕作過程中存在“重用輕養”的現象。因此，坡改梯后，采取各種技術措施保證土壤肥力持續增加、農作物產量持續提升是急需解決的問題。

4.2 建 議

(1)搞好梯田的二次開發。當前山西省大力推進坡改梯項目，梯田開發建設取得了巨大的成績，并形成了一定的規模。但是梯田資源的二次開發還需要深化研究。農業綜合開發，應依托梯田土地資源，注重新修梯田培肥、豐產栽培、地埂綜合開發利用等實用技術的推廣，不斷提高梯田資源的綜合效益。

(2)加大梯田建設力度。受氣候和黃土高原地形地貌等因素影響，山西省水土流失嚴重。梯田在生態建設中發揮著舉足輕重的作用，既具有保持水土的功效，又具有增產糧食的作用。梯田僅占黃土高原耕地面積的22%，修筑梯田，整治土地資源，提高優質農田的比例具有很大的空間。因此，在還沒有修筑梯田的地區，應積極推進梯田建設，科學規劃，規模治理，加大機修力度，加快梯田建設步伐。

(3)梯田建設應與小流域綜合治理相結合。要根據小流域地形地貌特點，在全面規劃的基礎上，把興修梯田與以山、水、田、林、路、窖為內容的小流域綜合治理結合起來，進行土地資源綜合整治開發，實現可持續發展。

(4)在山西省的干旱半干旱地區，梯田發揮著涵養水源的重要作用。水資源短缺是制約干旱半干旱地區經濟社會發展的重要因素，也是生態環境脆弱的一個重要因子。因此，深入研究本省區域水資源形成與轉化關系、地表水和地下水相互轉化關系，以及坡改梯的推進和深化仍是今后工作的重點。