陇东黄土丘陵区梯田土壤养分评价——以甘肃庄浪县为例

刘思涵，许明祥，吴永斌，张立功

(1 西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2 中国科学院 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3 甘肃省庄浪县农业技术推广中心，甘肃 庄浪 744600)

黄土丘陵区坡耕地水土流失严重，土地生产力难以提高[1]。坡改梯(坡耕地改为水平梯田)是坡耕地治理的重要措施，在减少水土流失、增强抗旱能力、提高土壤肥力和生产力等方面有显著功效[1-6]。以甘肃省为例，梯田与坡耕地相比每公顷粮食产量增加820.5 kg，平均增产率高达50.8%[4]。随着黄土高原退耕还林工程的实施，作为主要的基本农田，梯田在区域农业生产中的地位愈显重要。然而在梯田修建过程中，由于对土体和土壤层次的严重扰动，使得梯田土壤结构、养分状况较原来的坡耕地发生了根本性变化。黄土丘陵区绝大多数梯田土壤是从结构差、养分贫瘠的黄土母质上开始耕作熟化，梯田土壤肥力在很大程度上受耕作管理措施的影响。因此，土壤养分(尤其是微量元素)可能是土壤肥力的限制性因素。

庄浪县地处陇东黄土丘陵沟壑区，梯田化程度达到93.02%，我国第一个“梯田化模范县”。该县虽然部分梯田实现了高产，由于土壤肥力存在一定的空间差异，造成全县粮食产量不平衡[6]。目前，关于黄土丘陵区梯田土壤质量研究多集中于土壤质量的演变方面[7]，且以局地尺度的典型样地研究为主。以县域尺度开展梯田土壤养分评价，尤其是微量养分评价，将对全面掌握该区梯田土壤养分现状、制定土壤培肥措施有重要意义，目前这方面的研究还较少。因此，本试验以甘肃省庄浪县为研究区，借助庄浪县耕地质量评价数据，评价该区梯田土壤大量养分和微量养分分布特征及其影响因素，以期对黄土丘陵区梯田土壤培肥、粮食产量的增加提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

庄浪县(E105°46′15″～106°23′45″，N35°03′23″～35°28′26″)，位于甘肃省东部、六盘山西麓，甘肃与宁夏两省交汇处，属黄土丘陵沟壑区第三副区，面积约1 553 km2，气候属大陆性季风区温带半湿润气候，水热波动很大。5-9月降水较多，年均降雨量510 mm，年均气温8.1 ℃，无霜期159 d，年均日照时为2 179 h。主要土壤类型有黄绵土(占耕地面积的75%)、黑垆土、红黏土、新积土、潮土等。耕地面积61 107.9 hm2，农业人口人均占有耕地 0.146 7 hm2，梯田化程度达到93.02%。

庄浪县农田水分来源主要依靠天然降雨，主要播种作物为小麦与玉米，小麦产量为1 500～4 500 kg/hm2，玉米产量为6 000～9 000 kg/hm2。其中42.88%的耕地在作物播种时施有机肥(土粪，1.5×104～3.75×104kg/hm2)，生长季期间追施尿素(150～450 kg/hm2)。测土配方施肥耕地面积占粮食作物总播种面积的39.04%，施肥配方按照不同地区的土壤养分状况和种植制度制定。庄浪地区耕作方式主要靠人畜，作物还田方式为根部留茬，秸秆主要用来作为燃料燃烧及饲料喂养。

1.2 样品采集

以庄浪县耕地质量评价数据(庄浪县农业推广中心提供)为数据源。耕地质量评价样点规划设计参考县级土壤图，总面积为61 107.9 hm2，平均16 hm2耕地为一个采样单位，样方的长、宽均近似为400 m，按400 m描图确定采样点位，每个采样单元的土壤性状均匀一致。为便于田间示范追踪和施肥分区，采样点集中位于每个采样单元相对中心位置的典型地块，总样点数共计3 839个。依照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则，采用“S”形布点采样，采样深度为0～20 cm (耕层土壤)，每个代表土样由15～20个样点混合而成，取混合样土1 kg左右，用四分法将多余的土壤弃去。

1.3 测定指标与方法

有机质含量采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定，全氮含量采用半微量凯氏法测定，碱解氮含量用碱解扩散法测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定，缓效钾含量用硝酸提取-火焰光度计法测定，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定，有效铜、锌、铁、锰含量用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定，有效硼含量采用沸水浸提-甲亚胺-H比色法测定[8]。

1.4 数据处理与分析

土壤有机质、全磷、全氮、缓效钾、速效磷、碱解氮、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰、有效铁和有效硼含量的异常值采用域法处理[9]。数据的常规统计分析采用统计软件SPSS 19.0进行，用一般线性回归模型(GLM，The general loglinear analysis)中的方差成分估计模块(Variance components analysis)计算影响因子在土壤养分变异中所占比例，从而分析影响因子对土壤养分变异性的影响程度。

为了综合评价研究区土壤养分状况，本研究以土壤有机质、速效磷、全磷、碱解氮、全氮、缓效钾、速效钾7个大量养分因子和有效铜、有效锌、有效锰、有效铁、有效硼5个微量养分因子作为指标，通过极差法对数据进行标准化处理，并根据主成分分析中各指标的公因子方差值确定其权重系数，最后计算土壤大量养分综合指数(NImac)和微量养分综合指数(NImic)[10-11]。

NI=∑Ki×Ci。

式中：NI为土壤养分综合指数，取值为0～1之间，其值越高，表明土壤肥力质量越好；Ki是各个养分指标的权重系数；Ci是各个养分指标的标准得分。

采用等距法划分NI的评价标准(表1)，对土壤养分综合指数进行定性评价。

表 1 土壤养分综合指数(NI)的评价标准

2 结果与分析

2.1 梯田土壤大量养分的分布特征

表2为庄浪县土壤大量养分特征描述性统计结果，此基础上，根据黄土高原地区土壤养分含量分级标准[12-13](表3)，并结合庄浪县土壤大量养分的分布频率(图1)，本研究对该区土壤有机质、全磷、全氮、缓效钾、速效磷、碱解氮和速效钾含量变化进行评价。

表 2 甘肃庄浪县梯田土壤养分特征的描述性统计结果

表 3 黄土高原地区土壤养分含量的分级标准[12-13]

图 1 甘肃庄浪县梯田土壤大量养分的分布频率

表2和图1表明，土壤中全磷含量平均值为0.74 g/kg，有62%样点处于高水平，表明全磷处于高水平；有机质含量平均值为14.29 g/kg，有59%样点处于中等水平，表明有机质含量为中等水平；全氮平均含量为0.82 g/kg，有81%样点处于中等水平，表明全氮含量处于中等水平；速效钾含量平均值为177.94 mg/kg，有74%样点处于较高和高水平，表明速效钾含量属于较高水平；碱解氮的平均含量为58.45 mg/kg，有64%样点处于中等水平，表明碱解氮含量属于中等水平；速效磷分布比较离散，平均含量为24.06 mg/kg，有61%样点处于高水平，表明速效磷含量处于高水平。

变异系数(CV)是反映土壤特性空间变异性程度的指标。当CV≤0.1时，为弱变异性；0.1

2.2 梯田土壤微量养分的分布特征

由图2可以看出，土壤有效铜分布比较集中，有47%样点处于中等水平，53%的样点属于较高水平，表明有效铜含量为中上水平。土壤有效锌中，有6%的样点处于低水平，有93%样点处于中等水平。土壤有效锰中，有7%的样点处于低水平，有64%样点处于高水平，表明有效锰含量为中上水平。土壤有效铁中，有98%样点集中于中等范围，表明有效铁含量为中等水平。土壤有效硼的变异系数为0.39，分布比有效铜、有效锌、有效铁、有效锰离散，有42%的样点处于低水平，55%的样点处于中等水平。总体而言，研究区土壤有效铜、有效锰和有效铁含量处于中等水平，有效锌和有效硼含量属于中下水平，且有较大面积的土壤缺硼。

图 2 甘肃庄浪县梯田土壤微量养分的分布频率

2.3 土壤养分空间变异的影响因素

用一般线性回归模型中的方差成分估计模块，估算海拔、田间坡度、土壤类型、地形部位、土壤质地等因素对土壤养分指数空间变异的影响程度，结果见表4。由表4可以看出，在对黄土丘陵区土壤大量养分空间变异的影响中，土壤类型的贡献率最大，占 51.81%；海拔次之，占23.60%；田间坡度与土壤质地相对较小，两者共占22.89%。在影响土壤微量养分的各因素中，土壤类型贡献率最大，占69.41%；土壤质地和海拔贡献率次之，分别占17.65%和11.76%；田间坡度所占比例仅为1.18%；地形部位无影响。

表 4 不同影响因素对甘肃省庄浪县梯田土壤养分空间变异的贡献率

2.4 梯田土壤养分的综合评价

2.4.1 土壤大量养分 本研究计算了346个有效样本NImac，并根据NI评价标准将有效样本分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级(表1)，其分别占有效样本数的19.66%，65.89%和14.45%。

庄浪县海拔为1 389～2 217 m，将其按每200 m 1个间隔划分为1 300～1 500，1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100，2 100～2 300 m 5个梯度，5个海拔梯度下包含的样本数分别占有效样本数的5.78%，19.08%，51.73%，19.65%和3.76%，可知庄浪县农田主要集中在海拔1 700～1 900 m处，而海拔1 300～1 500和2 100～2 300 m样本所占比例过小，不具有代表性，可以忽略。庄浪县土壤主要有潮土、黑垆土、红黏土、黄绵土和新积土5种类型，黄绵土、黑垆土和红黏土样本数分别占有效样本数的21.68%，71.68%和4.91%；潮土和新积土样本数所占比例均为0.87%，可以忽略。故本研究只对1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100 m 3个海拔梯度以及黑垆土、黄绵土和红黏土3个土壤类型NImac分级结果进行分析，结果见表5。

表 5 不同影响因素下甘肃庄浪县梯田NImac的分级结果

由表5可知，随着海拔的升高，NImac为Ⅱ级时样本数所占比例明显增加，NImac为Ⅳ级时样本数所占比例降低。NImac为Ⅱ级时，黑垆土样本数所占比例为37.33%，在3种土壤类型中最高；NImac为Ⅲ和Ⅳ级时，红黏土样本数所占比例明显高于其他2种土壤类型；黄绵土中，NImac为Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级时样本数所占比例均介于黑垆土和红黏土之间。表明黑垆土NImac主要分布在中高水平(Ⅱ～Ⅲ级)，黄绵土次之(Ⅲ级)，红黏土NImac则主要分布在中低水平(Ⅲ～Ⅳ级)。

2.4.2 土壤微量养分 本研究计算了3 732个有效样本的NImic，并根据NI评价标准将有效样本分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级(表1)，其分别占有效样本数的4.12%， 63.35%，32.53%。土壤主要有黄绵土和黑垆土，其样本数分别占有效样本数的79.96%和15.70%，红黏土、潮土、新积土和山地草甸土样本数所占比例仅为3.46%，0.62%，0.21%和0.05%，可以忽略。土壤质地有砂土、中壤和重壤，其样本数分别占有效样本数的0.94%，95.44%和3.62%，砂土和重壤样本所占比例过小，不具有代表性，无法与中壤进行比较。海拔1 300～1 500、1 500～1 700、1 700～1 900、1 900～2 100和2 100～2 300 m样本数分别占有效样品数的4.72%，17.18%，54.05%，20.53%和3.52%，其中海拔2 100～2 300 m样本所占比例过小，不具有代表性，可以忽略。故本研究只对1 300～1 500、1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100 m 4个海拔梯度以及黑垆土和黄绵土2个土壤类型NImic分级结果进行分析，结果见表6。由表6可知，随着海拔的升高，NImic为Ⅲ级时样本数所占比例逐渐降低，而NImic为Ⅳ级时样本数所占比例逐渐增加。NImic为Ⅱ级时，黑垆土样本数所占比例为12.97%，而黄绵土样本数所占比例为2.45%，明显低于黑垆土；NImic为Ⅲ级时，黑垆土和黄绵土样本数所占比例分别为67.06%，62.67%；NImic为Ⅳ级时，黑垆土和黄绵土样本数所占比例分别为19.97%，34.88%。这说明黑垆土的NImic主要分布在中等偏高水平，而黄绵土的NImic主要分布在中等偏低水平。

表 6 不同影响因素下甘肃庄浪县梯田NImic的分级结果

3 讨 论

梯田是黄土丘陵区的主要农田类型，通过改变微地形使田面变得平整均匀，可减少地表径流，起到蓄水保肥、提高土壤质量的效果。至21世纪初，黄土高原地区已修成梯田400万hm2，占黄土高原坡耕地的31%[16]，但针对梯田土壤养分(尤其是微量元素)的相关研究较少，因而评价该地区农田土壤大量养分和微量养分分布特征及其影响因素，不仅可以为梯田土壤保育和管理提供依据，而且对提升该区域农田土壤生产力、提高和稳定粮食生产、促进区域农业可持续发展有重要的科学和现实意义。

本研究结果表明，位于陇东黄土丘陵区庄浪县的梯田土壤大量养分属于中等偏上水平，其中土壤有机质、全氮和碱解氮含量属于中等水平，速效钾含量为较高水平，全磷和速效磷含量处于高水平。这是由于坡改梯后耕地的坡度降低，更多的降雨原地入渗，蓄存于土壤中，减弱了养分流失。此外，连年的耕作和培肥，促进土壤碳、氮、磷、钾等大量元素含量积累，使得土壤肥力质量得到不断提高。与陕北丘陵区梯田相比[17]，在化肥用量相近的情况下，庄浪县有机肥用量和秸秆还田率均较高，分别为2.35×104kg/hm2和12.5%，故该县土壤大量养分的含量均较高。研究表明，有机肥在提高土壤有机质和改善土壤养分状况方面的作用显著优于化肥，有机和无机肥配施可有效提高土壤养分含量[18-22]。土壤大量养分是耕地产量提高的基础，为了促进梯田作物产量全面提高，可在梯田大量施用有机肥，推进秸秆还田，进一步提高黄土丘陵区梯田土壤养分水平。

有研究表明，黄土丘陵沟壑区有效态微量养分除铜、铁外，有效硼、钼、锌、锰含量均处于较低水平[23]。本研究结果表明，庄浪县梯田土壤有效铜、有效锰和有效铁含量为中等水平，有效锌和有效硼含量处于中下水平，且有较大面积的土壤缺硼。这是由于黄土丘陵区碳酸钙含量较高，硼被钙吸附生成硼酸钙盐所致。

受自然因素(丘陵区复杂地形条件)和人为因素(修建梯田)的综合影响，位于陇东黄土丘陵区庄浪县梯田土壤养分含量表现出一定的变异性，但与坡耕地为主的陕北丘陵区相比[24]，庄浪县梯田土壤养分含量的变异性较小。这可能与梯田修建过程中对土体和土壤层次的扰动有关，大多数梯田土壤是从养分贫瘠的黄土母质上开始耕作熟化，相对于陕北丘陵区坡耕地而言，自然因素对养分空间分布的影响程度相对减小。本研究中，由方差成分估计模块的计算结果可以发现，土壤类型和海拔对土壤养分变异的影响较大。黑垆土NImac分布在中高水平样本所占的比例较其他土壤类型多，黄绵土次之，红黏土NImac则主要分布在中低水平。杨文治等[12]对黄土高原区域土壤养分的研究表明，黑垆土土层深厚，上松下紧，有利于坡改梯田保水保肥；黄绵土透水通气，但水分蒸发强烈，土壤基础肥力低；红黏土有机质、全氮含量低，有效氮、磷极缺，地力产量较低。本研究中，随着海拔的升高，NImac在较高水平样本数所占比例逐渐增加。由于海拔升高后，温度相应下降，作物及微生物的呼吸作用降低，从而减少有机物的消耗，有利于有机物的积累。土壤类型是作物耕作的基础，其不仅对土壤养分有直接影响，而且也影响了海拔对土壤养分分布的作用趋势。可见，在研究区土壤养分管理中应充分考虑到土壤类型和海拔的影响。

4 结 论

1)陇东黄土丘陵区梯田土壤的大量养分含量处于中等偏上水平，微量养分含量整体处于中等水平。土壤有效锰、有效铁和有效铜含量为中等水平，有效锌和有效硼含量处于中下水平，并有较大面积的土壤缺硼。

2)土壤类型对陇东黄土丘陵区梯田土壤大量养分的空间变异的影响最大，其贡献率为51.81%；海拔的影响次之，贡献率为23.60%。随着海拔的升高，NImac在较高水平样本数所占比例相应增加。黑垆土NImac分布在中高水平样本所占比例较其他土壤类型多，黄绵土次之，红黏土NImac则主要分布在中低水平。

3)土壤微量养分空间变异受土壤类型、土壤质地、海拔综合影响，土壤类型的贡献率最大，达到69.41%；土壤质地次之，为17.65%；海拔贡献率较小，为11.76%。黑垆土的NImic主要分布在中等偏高水平，而黄绵土的NImic主要分布在中等偏低水平。随着海拔的升高，NImic处于中高水平样本数所占比例总体降低，应加大对高海拔地区有机肥与微肥的施用。

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