丹江口庫區不同坡度對土壤肥力特征的影響

張 君，蔡德寶，楊樹瓊，陳秀文，陳吉寶*

（1.河南省南水北調中線水源區水安全河南省協同創新中心，河南 南陽 473061；2.南陽師范學院水資源與環境工程學院，河南 南陽 473061）

農田中的土壤養分流失，不僅降低土壤肥力、肥料利用率和影響作物產量，而且使地表水質惡化，影響水資源的可持續利用，進而造成生態環境的失衡［1］。養分從土壤傳遞至地表徑流的研究，不僅是研究土壤養分遷移的基礎問題，也是研究農田合理施肥、植物對養分吸收與利用、土壤及水環境污染防治等的基礎［2］，深入研究各種因素的內在影響機制，有助于更好地理解和控制土壤養分隨地表徑流的遷移過程，減少水土流失。

坡度是影響土壤養分流失最主要的地形因子之一，會影響降雨入滲時間以及徑流流速，進而對坡面表層土壤顆粒起動、侵蝕方式和徑流的挾沙能力產生影響，使其影響土壤養分的流失［3］。土壤養分流失隨地表徑流遷移受多種因素影響，是一個復雜的物理化學過程［4］。陶冶等［5］研究發現伊犁野果林的土壤養分具有陰坡聚集、陽坡流失的特點，坡向、降水和溫度對土壤養分含量影響最大。鄧龍洲等［6］指出，坡面土壤的不穩定性與坡度的大小成正比，坡度越大，土體越不穩定，在外力的作用下發生下移的可能性越大，在人為干擾較大的坡耕地上表現尤為突出。Qiu等［7］研究了新西蘭耕地下植物可利用的養分和有機質的空間變異性，發現土壤質地的變化是影響其養分空間變異的主要因素。張彬等［8］研究了陜西省禮泉縣蘋果產區土壤養分的主要影響因素，發現有機質、堿解氮、速效鉀與地形因子顯著相關。坡度會引起土壤養分和土壤微生物量發生改變，在科爾沁沙地移動沙丘上建立小葉沙林的研究中發現，坡度、土壤深度、灌木下或灌木之間的區域會對土壤養分的空間分布和微生物特性有顯著影響［9］。解文艷等［10］研究了農田土壤有機質時空變異及影響因素，結果表明，土壤有機質的時空變異是受多種因素共同作用的，主要有母質、種植結構、地形和施肥等因素。

丹江口水庫地處長江最大支流漢江中上游，蓄水量豐富，是南水北調中線工程核心水源區，其水環境狀況不僅是當地生態環境和用水安全問題［11］，更直接關系到工程受水區的水質安全問題。丹江口水庫水質目前總體狀況良好，庫區水質保持在國家二類標準以上，但隨著經濟的發展，水源區暴露出的環境問題日益突出［12］。庫區經濟多以粗放的農業為主，耕地和果園面積大，范圍廣，化肥和農藥的大量使用帶來較高的氮磷輸出負荷。此外，丹江口庫區周邊地形地貌較為復雜，主要為低山丘陵，相對高差和坡度大，水土流失嚴重，產生的面源污染不容忽視。為此，本文主要針對不同坡度條件下丹江口庫區淅川縣農田土壤的pH值、有機質、養分含量狀況進行測定與分析評價，并根據土壤肥力分級標準，對當地農田土壤進行肥力評價，這不僅對淅川縣農田合理施肥提供理論依據，而且也與國家大型工程建設項目科技發展的重大需求相契合。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區淅川縣位于河南省西南部，與陜西、湖北省相鄰。北緯32°55′～33°23′，東經110°58′～111°53′，是南水北調中線工程主要淹沒區，也是渠首工程和干線工程所在地。境內最高海拔1086 m，最低海拔120 m，平均海拔568 m。淅川氣候溫和，資源豐富。屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候，四季分明，雨量充沛，年均日照時間1881.5 h，降水量802.9 mm，氣溫15.7℃，無霜期最長263 d、最短208 d。全縣國土面積2820 km2，其中，耕地面積6.8萬hm2。南水北調中線核心水源區面積2616 km2，占全縣國土總面積的92.8%。

1.2 土壤樣品采集

根據淅川縣基本農田圖及土地利用現狀圖疊加產生的衛星圖作為土壤耕地調查的基本單元，確定0～5、5～10、10～15和>15°4個坡度等級，共計采樣點數量160個，為減少人為施肥對研究區域的干擾，于2018年9～10月作物收獲后，秋冬施肥前采集樣本。選定地圖中選定的、具有代表性的田塊，按照“S”型多點采樣方法進行取樣，選取5個土壤采樣點，采集表層（0～20 cm）土壤樣品，將土壤樣品充分混合后按四分法取集土樣裝入自封袋中，帶回實驗室備用。

1.3 土壤樣品處理及指標測定

將采回來的土壤樣本放在潔凈的儲藏室內，并鋪成薄層于樣品盤上，室內要通風陰涼，避免陽光暴曬，同時要嚴防樣品被污染；將風干后的土樣進行木棍搗碎和磨碎處理，對化學性質測定的樣品全部通過2 mm孔徑的土壤篩，將過篩后的土壤樣品保存于自封袋中備用，并做好標簽等標記。

土壤理化性質主要是土壤pH、有機質、堿解氮、全氮、全磷、有效磷、全鉀7個指標，測定方法依照《土壤農化分析》（第3版）中的相關測試方法測定，土壤pH值采用水浸提電位法（水∶土為2.5∶1）測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤全氮采用H2SO4消煮-凱氏定氮法測定；土壤全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定［13］。

1.4 土壤pH值、有機質與常規養分分級標準

在河南省第二次土壤養分分級的基礎上［14］，對淅川縣的土壤pH值、有機質及土壤養分等級做出新的劃分，因此，本分級標準充分適用于淅川的土壤等級劃分（表1和表2）。

表1 土壤pH值等級劃分狀況

表2 土壤有機質、養分等級劃分狀況

1.5 數據分析

本研究運用Excel 2016進行描述性統計分析，SPSS 19.0軟件進行主成分分析、方差分析和LSD多重比較。

2 結果與分析

2.1 淅川縣農田土壤肥力統計狀況

根據河南省第二次土壤肥力分級劃分（表1和表2），土壤pH屬于中性，有機質含量、全氮、全磷和全鉀含量的均值分別為16.96、1.22、0.50和15.91 g/kg（表3），其中有機質和全磷含量處于中下水平，全氮和全鉀含量均處于中上水平，對于土壤有效養分來說，堿解氮和有效磷含量分別處于缺乏和中上水平，均值分別為59.16和14.64 mg/kg?？傮w來說土壤中的養分全量處于中等水平，但有效養分含量較低尤其是堿解氮。土壤肥力指標的變異系數依次為有效磷>全磷>堿解氮>有機質>全氮>全鉀>pH，對照變異系數的劃分等級，除有效磷是強變異性外，均屬于中等變異。

表3 土壤肥力指標統計結果分析

2.2 不同坡度對農田土壤肥力的影響

pH值是土壤的一項重要化學性質，直接影響土壤中各種養分元素的存在形態，不同坡度條件下，農田土壤的pH處于較為穩定的中性（圖1），坡度在>15°農田土壤中的pH值高于其他坡度（P<0.05），屬于堿性土壤；有機質是養分的重要來源，是衡量土壤肥力水平的基礎，有機質含量分布情況依次為0～5°農田［（18.64±1.8）g/kg］、5～10°農田［（17.17±1.9）g/kg］、>15°農田［（16.49±2.0）g/kg］和10～15°農田［（14.66±1.3）g/kg］，其中0～5和5～100農田與10～15°農田有機質含量相比，分別增加了27.1%和17.2%，這說明土壤坡度對有機質含量的影響較顯著。

圖1 不同坡度對農田土壤pH與有機質含量的影響

土壤中氮素含量受自然因素和農業措施的影響，其含量處于動態變化中，不同坡度條件下，土壤全氮含量差異較?。≒>0.05）（圖2），10～15°農田全氮含量最低，為（1.11±0.3）g/kg，這說明不同坡度對土壤全氮含量沒有顯著的影響；對于土壤有效氮素來說，隨著坡度的增加，土壤的堿解氮含量呈現降低趨勢，依次為0～5°農 田［（61.80±12.6）mg/kg］、5～10°農 田［（61.25±19.7）mg/kg］、10～15°農田［（57.17±12.7）mg/kg］和>15°農田［（55.69±18.5）mg/kg］，但各坡度間差異較?。≒>0.05）。

土壤中的磷素是植物生長發育所必須的影響元素之一。不同坡度條件下，土壤全磷含量無顯著的變化（P>0.05）（圖3），但對于有效磷來說，不同坡度對其影響較為顯著，土壤有效磷含量依次為5～10°農田［（20.89±20.3）mg/kg］、0～5°農田［（14.78±16.1）mg/kg］、>15°農田［（10.59±10.3）mg/kg］和10～15°農田［（9.68±7.4）mg/kg］，其中>10°農田土壤的有效磷含量遠低于<10°農田，0～5和5～10°農田土壤與10～15°農田相比，有效磷含量分別增加52.7%和115%（P<0.05），這說明各坡度對土壤有效磷含量影響較大（P<0.05）。

圖2 不同坡度對農田土壤全氮與堿解氮含量的影響

圖3 不同坡度對農田土壤全磷與有效磷含量的影響

全鉀是不同形態鉀的總和，不同坡度條件下，土壤的全鉀含量依次為>15°農田［（16.30±3.5）g/kg］、5～10°農田［（16.04±3.2） g/kg］、10～15°農田［（15.99±2.8）g/kg］和0～5°農田［（14.99±3.3）g/kg］，且 各 坡 度 間 差 異 不 顯 著（P>0.05）（圖4）。

圖4 不同坡度對農田土壤全鉀含量的影響

2.3 基于CCA的農田土壤肥力因子與坡度間的響應關系

典范對應分析（CCA）是基于對應分析發展而來的一種排序方法，基于單峰模型的排序方法，樣方排序與對象排序對應分析，而且在排序過程中可以結合多個環境因子［15］。因此，可以把對象與環境因子的排序結果表示在同一排序圖上。土壤采集樣點與土壤坡度高低的CCA排序結果，在統計學上具有顯著性（圖5）。農田坡度越高，其土壤質量因子pH、有機質和全鉀含量與其相關性越強。

土壤肥力指標之間的距離代表各敏感因子之間相似度的強弱（圖5），農田坡度5～10°（G2）和10～15°（G3）之間的距離較小，0～5°（G1）和>15°（G4）之間距離較遠，說明G2和G3與土壤質量因子的相似度高，反之亦然；土壤質量因子指標線段的長短代表影響的大小，其中全磷和有效磷含量的線段最短，影響最小，土壤肥力指標與農田坡度指標的夾角代表相關性大小，農田坡度G1與有機質和全氮土壤質量因子呈正相關關系，而與全鉀土壤質量因子為負相關關系，但有機質含量影響較為顯著。

3 討論

3.1 淅川縣農田土壤肥力狀況

圖5 農田坡度與土壤各采樣點及肥力指標CCA排序圖

土壤肥力的空間特征是受地形、母質、氣候、生物和人類活動等成土因素的影響［16］。本研究區不同坡度土壤有機質和各養分含量處于中等水平，在土壤養分全量方面，土壤的全氮和全鉀雖然處于中上水平，但在有效養分中，仍處于中下水平，且土壤有效磷的變異系數較大，這說明土壤有效養分含量受人為因素干擾影響較大，一方面由于當地農民的耕作方式及施肥量所致，另一方面由于降雨，灌溉等原因養分由陡坡向緩坡耕地入滲，使緩坡土壤養分積累，進一步會造成水土流失。劉靖朝等［17］分析人為干擾對人工林土壤物理性質的影響，表明隨著干擾程度的增加，砂粒增加，粉粒和粘粒減少，微團聚體數量上升，土壤結構變差，土壤容重增加，土壤變緊實。人為干擾除改變土壤物理性質外，土壤類型也會發生改變，由于人類長期的耕作制度，改變了土壤有機質來源，加之人工翻動，土壤透氣性增加，造成土壤有效養分的含量發生變化。因此，根據土壤中基本養分標準在0～10°坡度農田應增施有機肥或農家肥（羊糞），改善土壤結構［18］，提高土壤養分利用率。

3.2 不同坡度對農田土壤養分流失的影響

土壤養分是土壤肥力的重要指標［19-20］，它受農作物的生產量、肥料投入、耕種、自然環境等因素影響，始終處于動態平衡。土壤氮素的賦存形式及化學行為不同，其在坡面的遷移轉化規律也有差異［21］。本研究中，土壤全氮含量在不同坡度條件下差異不顯著，對于有效養分堿解氮來說變化也較小。磷素是作物生長的主要營養元素［22］，同時也是水體富營養化的關鍵限制因子［23］。本研究中總體來看土壤全磷含量處于中下水平，但在不同坡度條件下，土壤全磷在>15°農田的含量最高，較高的土壤磷素儲備量間接地說明土壤磷素流失的本底值較高，但難以完全反映本研究區磷素的流失風險；不同坡度條件下，從有效養分來看，土壤中有效磷的流失量較大，隨著坡度的降低，土壤有效磷的含量顯著增加，尤其是<10°農田土壤有效磷含量較高，屬于豐富或中上水平，這說明在不同坡度條件下，隨著降雨等徑流的影響，土壤中的有效磷會隨著坡度的降低發生磷素的流失風險，同時<10°的農田土壤便于耕作；大量的施用化肥，直接影響土壤磷素含量，間接使得大部分的無效態磷素在泥沙的裹挾作用下，進入水體，加大面源污染［24］。因此，在以后的施肥管理中應減少磷肥的施用比例，提高作物對營養元素的吸收，避免氮磷素等養分流失造成的環境污染問題。

3.3 坡度與灌河流域坡耕地土壤肥力指標的相關性分析

坡度是土壤養分含量空間變異的重要影響因素之一，坡度通過生態環境條件影響土壤養分的改變［25］，從而使不同坡度土壤養分含量存在顯著的差異，并呈現一定的規律變化。研究土壤坡度與土壤養分間的相關性及分布特征，可為防治水土流失提供科學依據［26］。本研究為進一步的定量分析坡度和土壤養分流失量的關系，揭示土壤養分各因素對水土流失的貢獻大小，在CCA分析中，土壤養分含量與坡耕地坡度存在有序關系，坡耕地坡度的改變會導致土壤養分、pH和有機質的變化，且在0～5°農田土壤有機質、全氮和堿解氮含量占主要作用，由于長期耕作制度和土壤養分流失，導致隨著坡度的降低，土壤中有機質和有效磷含量顯著升高，說明本研究區域中土壤磷素的流失程度較嚴重，應根據不同坡度農田土壤養分差異結果，對土壤養分實行精準施肥管理，不斷提升土壤質量，提高養分利用效率，實現作物穩產高產；研究區0～10°農田土壤雖養分流失風險較小，為維持丹江口庫區生態平衡，也應進一步的掌握坡度對土壤養分的運移規律，針對土壤養分變化，制定適宜耕作的施肥方式；研究區>10°的農田土壤養分易淋溶，水土流失嚴重，是土壤改善和治理的重要區域，主要是土壤有效磷流失問題，建議對該區域的農田土壤進行轉型，改為果園或林地，防治土壤養分和水土流失。

4 結論

本研究區坡耕地土壤有機質、養分處于中等水平，但土壤中TP和AP的變異系數均超過50%，堿解氮變異系數達到40%，這說明土壤有效養分受人為因素干擾影響較大；隨著坡度的增加，土壤肥力指標存在一定差異，土壤pH在>15°農田中呈堿性，其中有機質和有效磷隨著坡度的增加呈現降低趨勢，尤其5～10°農田土壤中有效磷含量最高，本研究區域水土流失風險存在于>10°坡耕地土壤中磷素流失，主要是土壤有效磷流失嚴重，為了維持丹江口庫區生態平衡，提高環境效益，應將>10°的坡耕地區域作為土壤改良重要區域；將0～10°農田土壤作為灌河流域土壤質量管理的重點對象，增施有機肥或農家肥（羊糞），改善土壤結構，提高土壤養分利用率。