延安南泥灣土埝養分含量變化特征統計分析

申江龍，張盼盼

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710021；3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；5.自然資源部土地工程技術創新中心，陜西 西安 710075）

引言

土壤是作物生長的基礎，為作物健康生長提供水分、養分等必需物質條件。土壤質量水平不僅影響作物的生長發育及產量，同時還影響和制約農業可持續發展。要獲得穩定的作物產量，維持農業生態環境的良性循環，就必須了解土壤質量與環境間的相互關系，維持和提高土壤質量[1-3]。

在黃土臺塬地區，尤其是南泥灣地區，當地農民通過一種叫“洗埝”的方式增加土壤肥力。埝是指水平梯田沿等高線的垂直面，土埝充分暴露在陽光、風力、水力的直接作用下，養分會在表層富集，農民通過“洗埝”這種方式搜集鉀肥、氮肥。這說明土埝土壤具有較強的養分富集及自我修復能力，揭示土埝土壤質量恢復對于糧食安全具有重要意義。

一般評價土壤恢復有三種途徑，第一種是直接在擾動后測量恢復程度；第二種是將擾動后的恢復過程量化；第三種是測量能體現恢復機制的特性的指標[4]。國內對土壤質量恢復的研究主要采用時空互代法，選擇流域內自然條件和管理方法相近，不同恢復年限的樣地，分析不同恢復年限下該土地利用類型下土壤質量及各評價指標的變化。該方法雖然無法保證外界環境的恒定，但卻可以取得較長的時間尺度的演變規律，是生態學領域中時空演變研究普遍采用的研究方法。有研究針對梯田土壤問題，以延安碾莊溝流域和淳化泥河溝流域為研究對象，分析多項土壤物理、化學和生物學質量指標，得到除全磷和鉀元素外其他養分均屬中低水平，梯田絕大多數土壤質量指標隨修建時間的增加先逐漸升高后緩慢降低的演變過程。以黃土丘陵區紙坊溝流域為研究對象，采用時空互代法，探究土壤物理、化學和生物學性質的演變過程。結果表明，通過工程改造為梯田當年，土壤各指標呈現不同程度的下降或沒有顯著變化；隨著改造年限的增加，土壤質量顯著增加[4]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于位于延安市寶塔區南泥灣鎮，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，系丘陵溝壑區，土壤為黃綿土，水稻土。林草覆蓋率83%，年平均氣溫8.1℃，年平均降雨量565mm。

1.2 樣品采集與測定

在研究區采集不同年限（1～5年、5～10年、10年以上）的土埝表層土壤；選取不同坡向（陰坡、陽坡）的土埝采集表層土壤。所有采集土壤均為混合土樣，由3個采樣點充分混合裝入樣品袋。

pH 采用玻璃電極法，用pH 計測定，水土比例為2.5:1；電導率采用上海雷磁生產的電導率儀測定，水土比為5:1；粒徑組成采用激光粒度分析儀（Mastersizer 2000）測定，用六偏磷酸鈉分散，沙浴加熱去除碳酸鈣；容重利用電熱鼓風干燥器采用重量法測定；全氮采用凱氏定氮儀分析測定；活性有機碳利用德國TOC/TN分析儀（MultiC/N 3100）測定；有效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗分光光度法，用紫外可見分光光度計測定；速效鉀用以1 mol·L-1CH3COONH4作為浸提劑與土壤混合（水土比為10:1），用火焰光度計測定；土壤中鈣的測定采用氣量法。

1.3 數據分析

根據野外采樣獲取的土壤樣本檢測結果，利用R軟件編程來對樣本進行描述統計分析。并利用多元線性相關分析與典型相關分析求解各指標之間以及土壤理化性質與土壤養分之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同年限區間土埝養分分布特征

土埝土壤中并非所有的元素都表現出隨著時間的增長元素含量增長的趨勢（表1）。其中，全氮、有機活性炭隨土埝形成時間的增加而增加，并且隨著時間的推移，增長速率不斷加快。另一方面，有效磷和速效鉀的含量均表現出先減小再增長的走勢。這一結果與以往的土埝養分相關研究存在差異。隨著土埝年齡的增長，pH表現出了先增長再減小的趨勢。土壤電導率則與pH 的表現恰恰相反，表現出了先減小再增大的趨勢。由此判定pH與電導率存在負相關關系，關系的強弱將通過之后的相關性分析進行度量。

表1 不同年限下土壤理化性質

2.2 不同坡向土埝養分分布特征

土埝土壤中元素的含量表現出了一致的趨勢，均表現為半陽坡的各種元素含量最高（表2）。有效磷的含量表現為陰坡大于陽坡，全氮、速效鉀、活性有機碳的含量均表現為陽坡大于陰坡。表明光照利于促進全氮、速效鉀、活性有機碳的富集，有效磷含量變化則相反，光照對有效磷含量的增加呈負作用。

表2 不同朝向下土埝理化性質

土壤pH 值大小梯度為：陽坡＞陰坡＞半陽坡，而土壤電導率的結果為陰坡＞半陽坡＞陽坡。

2.3 多元相關分析

通過對不同因子之間的相關關系進行分析，能夠發現土壤養分含量變化中的關鍵影響及驅動因素。首先，對pH、電導率、有效磷元素含量（mg/kg）、全氮元素含量（g/kg）、速效鉀元素含量（mg/kg）、有機活性炭元素含量（mg/kg）進行數據標準化處理：

其中：

皮爾森相關系數來度量指標之間的相關性：

如圖1所示，坐標軸的范圍是-1到1，顏色由深藍色過渡到淺藍色再由淺紅色過渡到深紅色，表明相關性的變化情況由強負相關到弱負相關到不相關到弱正相關再到強正相關的過程。上三角矩陣中圓面積的大小也刻畫了相關性的強弱。發現pH與電導率存在很強的負相關性，相關系數為-0.83；pH與有效磷存在較強的負相關性，相關系數為-0.55；全氮與有機活性炭有很強的正相關性，相關系數為0.84；電導率與有效磷存在較強的正相關性，相關系數為0.54。

圖1 土壤變量多元相關分析

3 討論與結論

3.1 討論

現階段，人地矛盾是我國社會發展的一大制約條件，國家劃定18億畝耕地紅線確定了我國耕地面積的數量值，但未對紅線耕地的質量進行明確規定，致使部分耕地質量低下，難以達到生產生活需求。化肥、農藥等的大量施用，對耕地本身也存在較大、甚至不可逆轉的傷害。國內已有大量的專家學者聚焦于土壤質量提升、土壤修復等有關方面的研究，并已取得相應的成果。

速效鉀主要受到成土母質、氣候等因素的影響。土埝采樣點的成土母質基本一致，因此主要影響因素為氣候因素。氣候對土壤中鉀的影響主要表征在降水和溫度對于土壤中交換性鉀的影響。通過研究溫度對土壤中鉀元素影響的分析，表明隨著溫度的升高，土壤中鉀元素的活性提高[5]；研究氣候變化對土壤鉀元素的影響，發現土壤中速效鉀含量隨著年均降水量和年均氣溫的升高而增加。

土壤有機質含量和氣候是影響土壤全氮含量的主要自然因子，土壤有機質的累積與礦化程度直接關系到土壤氮素的轉化和存儲，與土壤全氮含量呈顯著正相關；降水、氣溫直接影響土壤氮素的淋洗和反硝化作用的強度，并對土壤有機質的礦化度產生影響，進而影響土壤氮素含量[6]。

土壤水分、濕度、溫度、季節、土地利用方式、土地管理措施等因素均會對土壤有機活性碳產生影響。土壤質量恢復主要是土壤自身養分含量值的正常化。目前，國內對土壤質量恢復的研究大都集中在時間尺度方面，而影響土壤養分含量的自然因素很多，諸如光照、水分、凍融、植被等，且存在交互作用，加之人為因素的影響，使其研究內容更為復雜[7]。本研究針對時間、坡向的不同對土埝中的養分含量進行初步分析，得出了土壤營養物質之間的相關關系，以期為后續進一步研究提供借鑒。

3.2 結論

通過分析不同形成年限、不同朝向條件下土埝土壤養分的分布特點，以及對土壤中不同元素與化學性質的相關分析，得出以下結論：

（1）在溫度、光照、水分等自然因素的作用下，土埝表層的養分逐漸活化并富集，不同形成年限土埝的土壤中營養物質的含量表現出顯著的差異。

（2）不同坡向土埝的土壤中營養物質的含量存在巨大差異，并且半陽坡的土埝，土壤中營養物質含量最高，表明半陽坡適宜的溫度和光照條件有助于營養物質的產生和積累。

（3）土埝表層土壤化學性質與營養物質之間能夠相互影響。pH與電導率存在強的負相關性。有機活性炭與全氮存在強相關性，有效磷與電導率存在較強相關性。