秦岭北麓“坡改梯”农田土壤养分状况研究——以周至县余家河小流域为例

张晓佳，康婷婷，陈竹君，周建斌

(西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

秦岭北麓“坡改梯”农田土壤养分状况研究
——以周至县余家河小流域为例

张晓佳，康婷婷，陈竹君，周建斌

(西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

秦岭北麓；坡耕地；坡改梯；土壤养分

我国现有坡耕地约0.21亿hm2，虽然其面积仅占全国水土流失面积的6.7%，但每年的土壤侵蚀量却达约15亿t，占全国土壤侵蚀总量的28.3%[1]。目前，坡耕地已成为水土流失的主要策源地。在暴雨径流条件下，坡耕地土壤受到严重侵蚀，肥沃的表土大量丧失导致土壤退化和农业减产，土地资源遭到严重破坏，同时大量泥沙下泄，淤积河道、水库，给防洪工作带来了严峻的考验[2-3]；而且氮磷等物质随地表径流从农田汇入各种水体，对地表水地下水构成巨大压力，引起水体的富营养化等系列问题[4-5]。因此，加快坡耕地综合治理，对改善山丘区居民生产生活条件，保障国家粮食安全、生态安全和防洪安全等都具有十分重要的意义。

目前，治理坡耕地水土流失的主要措施之一是实行“坡改梯”工程[6]。实施“坡改梯”工程后能变跑水、跑土、跑肥的“三跑田”为保水、保土、保肥的“三保田”[7-8]，从源头上改变山丘区农业生产条件以及生态环境。但由于目前各地普遍采用大型机械修建梯田，很难保留表土，下层生土被大量翻到上层，造成表土深埋、生土外露，土层坚硬，养分含量低且易板结，土壤水、肥、气、热不协调，导致作物生长发育状况差，产量低而不稳[9]。因此，查明新修梯田的土壤肥力状况，是采取针对性培肥措施亟待解决的问题。

秦岭北麓是陕西渭河段径流的主要来源，占全区水资源量的2/3以上[10]。但这一地区地形复杂，呈现“一沟一梁一面坡”的地貌特征，水土流失严重。近年来，在国家政策的支持下，这一地区开始实施“坡改梯”工程,如位于秦岭北麓周至县西南塬区的时家山小流域在2012年新增“坡改梯”农田20 hm2，占到当年治理水土流失面积的13.3%[11]。同样位于西南塬区的竹峪和翠峰2个镇在2013年就新增梯田320 hm2[12]。可见，梯田日渐成为山丘区农民生产生活的主要农田类型。目前，对“坡改梯”农田土壤养分状况和土壤培肥效果已有不少研究，但多集中在陕北黄土高原和甘肃等地区[13-16]，对秦岭北麓“坡改梯”农田土壤养分特征的研究尚少见报道。为此，本试验对该地区“坡改梯”农田土壤养分状况进行了初步研究，旨在为当地“坡改梯”农田土壤培肥及施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为陕西省周至县西南塬区的余家河小流域，流域面积412.37 hm2，涉及竹峪镇丹阳和岭梅2个行政村(东经107°39′～108°37′，北纬33°42′～34°14′)，约有耕地89.07 hm2。流域内地势大致呈南-北走向，南部为秦岭山区，北部是丘陵台塬，流域内地形复杂多变，沟壑纵横，沟梁相依，川塬相望，海拔较高的梁或塬上多种植粮食作物，海拔较低处基本全部种植猕猴桃。年均气温13.2 ℃，年均光照时数2 154.7 h，年均降雨量674.3 mm，集中在每年的7、8、9月份，无霜期225 d，属典型的温带大陆性季风气候。主要粮食作物为小麦、玉米，经济作物有猕猴桃、核桃、油桃等。主要土壤类型为土娄土中的立茬土，土质较为黏重，物理性质不良。

1.2 土样采集

于2012-10在周至县余家河小流域采集30份农田耕层(0～20 cm)土壤，其中“坡改梯”农田26份(更改1年的有20份，更改3年的有6份)，坡耕地4份，同时进行GPS定位。利用2012-04获得的竹峪镇的Quickbird遥感影像目视解译生成流域土地利用图，输入采样点的GPS，得到周至县竹峪镇采样点分布格局(图1)。

图1 陕西省周至县余家河小流域土壤样点的分布
Fig.1 Distribution of soil sampling sites in Yujia river basin in Zhouzhi County,Shaanxi

此外，选择具有典型代表性的“坡改梯”农田和坡耕地，采集1 m深度的土壤剖面样品(每20 cm为1层)。将新鲜土样带回实验室，取部分土样冷藏，用以测定硝态氮和铵态氮含量；其余土样自然风干，剔除杂质后研磨, 分别过孔径1 和0.15 mm筛，测定土壤pH、有机质、全氮、速效磷和速效钾含量。

1.3 样品分析与数据处理

土壤有机质含量用重铬酸钾容量法测定；全氮含量采用半微量凯氏法测定；硝态氮和铵态氮含量采用1 mol/L KCl浸提，连续流动分析仪测定；速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法测定；pH采用pH计法[17]测定。采用Excel 2003软件进行数据分析，用SAS 8.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法)，采用SigmaPlot 12.0软件做图。根据陕西省土壤养分含量分级标准[18](表1)对所采集“坡改梯”农田土壤肥力状况进行评价。

2 结果与分析

2.1 “坡改梯”农田土壤养分含量状况

2.1.1 土壤pH、有机质及全氮含量 由表2可知，测定的“坡改梯”农田耕层土壤的pH为7.06～8.05，平均为7.88，变异系数(CV)为2%，表明不同田块间土壤pH变幅较小。依据陕西省土壤养分含量分级标准可知，测定的“坡改梯”农田土壤均呈弱碱性。

由表2还可知，测定土壤的有机质含量在7.54～16.72 g/kg，平均为10.73 g/kg，变异系数为21%，表明各个“坡改梯”农田土壤有机质含量差异较大。依据陕西省土壤养分含量分级标准可知，测定的“坡改梯”农田土壤有机质含量大部分处在6、7和8级3个水平(图2-A)，分布频率分别为30.8%，38.5%和19.2%，可知土壤有机质含量总体上处在较低水平。

表2显示，“坡改梯”农田土壤全氮含量为0.48～1.10 g/kg，平均为0.69 g/kg，依据陕西省土壤养分含量分级标准可知，“坡改梯”农田土壤全氮主要分布在5、6和7级3个水平，分布频率分别为23.1%，57.7%和15.4%(图2-B)，可知土壤全氮含量总体上处在较低水平。

图2 秦岭北麓“坡改梯”农田土壤有机质(A)及全氮含量(B)的分布频率
Fig.2 Distribution frequency of SOM (A) and Total N (B) in newly-built terraces in northern Qinling Mountains

2.1.2 土壤速效养分含量 表3显示，土壤矿质态氮含量为2.90～14.79 mg/kg，平均为6.02 mg/kg，变异系数为49%，可知各个“坡改梯”农田间土壤矿质态氮含量差异较大。

表3还显示，土壤速效磷含量为0.38～12.98 mg/kg，平均含量为5.95 mg/kg，变异系数为56%，说明不同田块间土壤速效磷含量变异很大。依据陕西省土壤养分含量分级标准可知，“坡改梯”农田土壤速效磷分布在5、6、7、8级4个级别，其中69.3%的“坡改梯”农田位于6、7 级2个级别，还有15.4%的“坡改梯”农田分布在8级水平，即速效磷评价标准中的最低级别(图3-A)。可知，超过80%的“坡改梯”农田土壤速效磷处于中低及以下水平，说明新修梯田土壤速效磷特别缺乏。

图3 秦岭北麓“坡改梯”农田土壤速效磷(A)和速效钾含量(B)的分布频率
Fig.3 Distribution frequency of the soil available P (A)and available K (B) in newly-built terraces in northern Qinling Mountains

由表3可知，土壤速效钾含量在92.80～158.00 mg/kg，平均为116.10 mg/kg，变异系数为14%，说明不同田块间土壤速效钾含量差异相对较小。从图3-B可以看出，土壤速效钾分布在3、4、5级3个级别，分布频率分别为30.8%，50.0%和19.2%，位于9个级别里的中上部，基本处于中等水平。

2.2 “坡改梯”农田与坡耕地土壤养分含量的比较

2.2.1 耕层土壤养分 由表4可知，“坡改梯”农田和坡耕地耕层土壤均呈弱碱性，但“坡改梯”农田的pH略大于坡耕地。坡耕地土壤养分含量均高于“坡改梯”农田土壤，其中土壤有机质和全氮含量分别比“坡改梯”农田高27.2%和33.6%，且差异均达显著水平。虽然土壤矿质态氮、速效磷和速效钾含量在两者间差异未达显著水平，但坡耕地比“坡改梯”农田分别高了37.3%，8.7%和11.3%。

注：同列数据后标不同字母者表示差异显著(P<0.05)，下表同。

Note:Values followed by different letters in each column are significantly different (P<0.05).The same below.

2.2.2 剖面土壤养分 图4-A和4-B显示，在1 m深的土壤剖面中，“坡改梯”农田土壤有机质和全氮含量变化趋势一致，均随土层的加深而逐渐降低，而其中坡耕地土壤有机质和全氮含量在0～60 cm急剧下降。土壤有机质在各土层均表现为坡耕地>坡改梯，但全氮含量从40～60 cm土层开始表现为坡耕地<坡改梯。

图4-C和4-D显示，“坡改梯”农田土壤速效磷含量在1 m深土壤剖面缓慢降低，而速效钾含量在1 m深土壤剖面降低幅度较大；坡耕地土壤速效磷含量在60～80 cm土层较低，土壤速效钾含量则与有机质含量的变化趋势基本一致,即在0～60 cm土层急剧下降。在整个土壤剖面速效磷含量均表现为坡改梯<坡耕地，而速效钾与全氮表现一致。

2.3 “坡改梯”年限对土壤养分含量的影响

由表5可知，随更改年限的增加，土壤pH略有降低，而土壤各养分含量则呈增加趋势，更改3年的“坡改梯”农田土壤有机质、全氮和速效钾含量显著高于更改1年的“坡改梯”农田，增加幅度分别为29.2%，27.8%和17.4%；土壤矿质态氮和速效磷含量在2个更改年限之间差异虽未达显著水平，但3年“坡改梯”农田土壤的矿质态氮和速效磷含量比1年“坡改梯”农田分别增加了11.6%和11.4%。

3 讨 论

实施“坡改梯”虽然能改善作物生长的光、热、水、气等环境条件，但它也存在一定缺点。“坡改梯”初期，土壤需要熟化,时间长短依据地域和管理措施而不同，一般为3～5年，熟化期间土壤贫瘠,生产力下降到最低程度，农作物产量不增反降。柳向阳[9]的研究显示，新修梯田与原坡地相比，土壤有机质和全氮含量分别减少了37%和36%，土壤速效氮和速效磷含量分别减少了72%和90%；新修梯田不仅土壤理化度变劣，微生物活动遭到破坏，而且土壤肥力也大幅度降低。本研究结果显示,“坡改梯”农田土壤养分含量与坡耕地相比明显下降，这与前人研究结果一致。这与目前梯田修筑几乎全部采用机械大规模作业，将坡地(坡耕地)表层熟土埋于深层，多年来形成、聚集的土壤有机质、活性酶等适宜于农作物生长繁衍的条件被破坏有关。一些研究表明，新修梯田不保留表土处理比保留表土处理的有机质含量减少7.7%，氮含量减少11.8%，禾本科作物产量减少5%～28%[19]。因此，在利用大型机械修筑梯田时如何保留表土是值得关注的问题。

许多学者对黄土高原地区“坡改梯”农田土壤肥力状况进行了研究。董水丽等[20]对陕西延安市新推梯田0～20 cm土层土壤养分含量进行了评价，结果表明，土壤有机质、碱解氮含量属于很低水平，土壤全氮、速效磷含量属于低水平，而速效钾含量为中等水平。张国艳[21]对甘肃天水张家川县新修梯田的研究显示，0～20 cm土层土壤有机质含量为 3.5～4.2 g/kg，氮不足，磷极其缺乏，钾稍有富余。本研究结果表明，研究区“坡改梯”农田中分别有88.5%和73.1%的土壤有机质和全氮含量属中低及以下水平，超过50%的“坡改梯”农田土壤速效磷含量处于缺乏状态，而土壤速效钾含量相对丰富，这与黄土高原地区成土母质为黄土及钾素含量丰富有关。可见，“坡改梯”农田施肥时，在施用有机肥的基础上，应重视氮肥和磷肥的施用。

本研究结果显示，3 年“坡改梯”农田土壤养分含量均高于1 年“坡改梯”农田，且土壤有机质、全氮和速效钾含量差异均达显著水平。这与薛箑等[14]的结论不同。他们认为，“坡改梯”农田土壤有机碳、全氮和速效钾含量在改造1年后即能得到显著提高，且增幅随改造年限的延长逐渐上升，坡改梯30年时土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾含量分别较坡耕地增加146%，155%，199%和126%。张超等[22]研究指出，坡耕地改造梯田后，土壤碳库组分变化显著，并随改造年限的延长呈线性增加。张源润等[16]和康玲玲等[23]的研究均表明，土壤有机质和全氮含量与整地时间成正比。随着种植年限的增加，新修梯田土壤肥力变化状况在不同的研究中其结果存在差异，这与采取的培肥措施不同有关，总的趋势是土壤肥力不断提高。综合来看，坡耕地改造为梯田，一方面造成短期内土壤养分匮乏，导致地力下降，使得农作物在当年甚至连续几年减产；另一方面，由于梯田修建后，改变了地形，拦蓄了径流，控制了水土流失，逐步改善了土壤团粒结构和微生物的生存环境，更有利于土壤肥力的恢复和重建。因此，有必要大力推广这一技术，并配以有效的土壤培肥措施。

4 结 论

秦岭北麓“坡改梯”农田耕层土壤养分含量均低于坡耕地，其中超过70%农田土壤有机质、全氮含量均处在中低及以下水平，超过80%农田土壤速效磷大部处于中低及以下水平，而土壤速效钾基本处于中等水平，因此土壤培肥时应在施用有机肥的基础上重视氮肥和磷肥的施用。

[1] 鄂竟平.中国水土流失与生态安全综合科学考察总结报告 [J].中国水土保持,2008(12):3-6.

E J P.Integrated scientific investigation of soil and water loss and ecological security in China [J].Soil and Water Conservation in China,2008(12):3-6.(in Chinese)

[2] 张 勇.陕西坡耕地水土流失综合治理对策探讨 [J].中国水利,2010(16):36-37.

Zhang Y.Discussion on the counter measures to regulate water loss and soil erosion comprehensively in sloping land of Shaanxi Province [J].China Water Resources,2010(16):36-37.(in Chinese)

[3] 刘志刚.坡改梯对我国经济可持续发展的影响和对策 [J].中国水土保持科学,2011,9(4):46-49.

Liu Z G.Impacts and strategies of farmland terracing on the economic sustainable development in China [J].Science of Soil and Water Conservation,2011,9(4):46-49.(in Chinese)

[4] 陈志良,程 炯,刘 平,等.暴雨径流对流域不同土地利用土壤氮磷流失的影响 [J].水土保持学报,2008,22(5):30-33.

Chen Z L,Cheng J,Liu P,et al.An experiment on influence of storm on nitrogen loss and phosphorus loss under different land use in river basin [J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,22(5):30-33.(in Chinese)

[5] 杨金玲,张甘霖,张 华,等.丘陵地区流域土地利用对氮素径流输出的影响 [J].环境科学,2003,24(1):16-23.

Yang J L,Zhang G L,Zhang H,et al.The impact of land uses on watershed runoff nitrogen discharge in Hilly Regions [J].Chinese Journal of Environmental Science,2003,24(1):16-23.(in Chinese)

[6] 胡腾云.四川省坡耕地、坡改梯措施及效益分析 [J].水土保持应用技术,2011(5):41-42.

Hu T Y.Analysis of slope farmland and benefit of terrace measures in Sichuan province [J].Technology of Soil and Water Conservation,2011(5):41-42.(in Chinese)

[7] 王 军.水土保持坡改梯工程的施工与管理 [J].中国水土保持，2009(5):54-55.

Wang J.Construction and management of transforming slope into terrace project for soil and water conservation [J].Soil and Water Conservation in China,2009(5):54-55.(in Chinese)

[8] 吴发启,张玉斌,宋娟丽,等.水平梯田环境效应的研究现状及其发展趋势 [J].水土保持学报,2003,17(5):28-31.

Wu F Q,Zhang Y B,Song J L,et al.Current state and development trend of researchon environmental effect of level terrace [J].Journal of Soil and Water Conservation,2003,17(5):28-31.(in Chinese)

[9] 柳向阳.固原市新修梯田增产措施初探 [J].中国水土保持,2010(8):45-46.

Liu X Y.Measures for production increase of newly-built terrace in Guyuan City [J].Soil and Water Conservation in China,2010(8):45-46.(in Chinese)

[10] 王文科,王 钊,孔金玲,等.关中地区水资源分布特点与合理开发利用模式 [J].自然资源学报,2001,16(6):499-504.

Wang W K,Wang Z,Kong J L,et al.The distribution characteristics and patterns of retional exploitation/utalizition of water resources in Guanzhong Region [J].Journal of Nature Resources,2001,16(6):499-504.(in Chinese)

[11] 李蓉至.周至县时家山小流域综合治理实施方案探析 [J].陕西水利,2012(6):159-160.

Ling R Z.Analysis on comprehensive governance implementation plan of Shijiahe drainage basin of Zhouzhi County [J].Water Conservancy of Shaanxi Province,2012(6):159-160.(in Chinese)

[12] 周至县水务局.周至县2012年坡耕地水土流失综合治理试点项目建设快速推进 [EB/OL].(2013-06-05)[2013-12-08].ht-tp://www.zhouzhi.gov.cn/info/egovinfo/xxgk/page/01348-3160-06_C/2013-0605002.htm.

Water Authority of Zhouzhi County.Comprehensive control of pilot projects on soil and water loss of slop farmland is moving forward rapidly in zhouzhi county[EB/OL].(2013-06-05)[2013-12-08].http://www.zhouzhi.gov.cn/info/egovinfo/xxgk/page/013483160-06_C/2013-0605002.htm.(in Chinese)

[13] 谢英荷,洪坚平,周淑琴,等.黄土丘陵区新造田培肥熟化高产技术措施的探讨 [J].水土保持学报,2001,15(4):126-128.

Xie Y H,Hong J P,Zhou S Q,et al.Approach of fertility betterment and ripeness and high yield techniques on newly-built fields in Loess Hi1ly Region [J].Journal of Soil and Water Conservation,2001,15(4):126-128.(in Chinese)

[14] 薛 箑,刘国彬,张 超,等.黄土高原丘陵区坡改梯后的土壤质量效应 [J].农业工程学报,2011,27(4):310-316.

Xue S,Liu G B,Zhang C,et al.Effects of terracing slope cropland on soil quality in Hilly Region of Loess Plateau [J].Transactions of the CSAE,2011,27(4):310-316.(in Chinese)

[15] 毛永珍.原州区张易镇水平梯田培肥措施及增产效益分析 [J].中国水土保持,2009(7):8-9.

Mao Y Z.Fertilizing measures and yield increase benefit analysis of leveled terraced in Zhangyi township of Yuanzhou District [J].Soil and Water Conservation in China,2009(7):8-9.(in Chinese)[16] 张源润,蔡进军,董立国,等.半干旱退化山区坡改梯地土壤养分变异特征研究:以宁夏彭阳县为例 [J].干旱区资源与环境,2007,21(3):121-124.

Zhang Y R,Cai J J,Dong L G,et al.Research on variation characteristics of soil nutrient after slope land changed into the terrace in semi-arid degenerated mountainous Area:Taking Ningxia Pengyang County as example [J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2007,21(3):121-124.(in Chinese)

[17] 鲍士旦.土壤农化分析 [M].北京:中国农业出版社,2000:25-114.

Bao S D.Soil agricultural chemistry analysis [M].Beijing:China Agriculture Press,2000:25-114.(in Chinese)

[18] 郭兆元.陕西土壤 [M].北京:科学出版社,1992:363-449.

Guo Z Y.Soil of Shaanxi [M].Beijing:Science Press,1992:363-449.(in Chinese)

[19] 刘海福.干旱地区提高新修梯田土地生产力的措施 [J].甘肃科技,2006,22(1):178-179.

Liu H F.Measures of improve the productivity of newly-built terraces in arid regions [J].Gansu Science and Technology,2006,22(1):178-179.(in Chinese)

[20] 董水丽,刘恩斌.绿肥培肥新修梯田的效果研究 [J].陕西农业科学,2003(4):17-19.

Dong S L,Liu E B.Fertilizing effects of green manure in new terraced fields [J].Science of Agricultural in Shaanxi,2003(4):17-19.(in Chinese)

[21] 张国艳.修梯田后的土壤培肥与增产问题 [J].农业科技与信息,2011(19):28-29.

Zhang G Y.Question of soil fertility and production increase after slope cropland changed into terrace with the machine [J].Agricultural Technology and Message,2011(19):28-29.(in Chinese)

[22] 张 超,刘国彬,薛 箑,等.丘陵区坡改梯田土壤碳库组分演变特征 [J].水土保持研究,2010,17(1):20-23.

Zhang C,Liu G B,Xue S,et al.Evolution of soil carbon fraction after slope crop land changed into terrace in Loess Hilly Region [J].Research of Soil and Water Conservation,2010,17(1):20-23.(in Chinese)

[23] 康玲玲,王云璋,刘 雪,等.水土保持措施对土壤化学特性的影响 [J].水土保持通报,2003,23(1):46-48.

Kang L L,Wang Y Z,Liu X,et al.Effect of soil and water conservation measures on soil chemical properties [J].Bullet in of Soil and Water Conservation,2003,23(1):46-48.(in Chinese)

Nutrients in soils of newly-built terraces in northern Qinling Mountains——A case study in Yujia river basin,Zhouzhi County

ZHANG Xiao-jia,KANG Ting-ting,CHEN Zhu-jun,ZHOU Jian-bin

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity/KeyLaboratoryofNorthwestPlantNutritionandAgriculturalEnvironment,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

northern Qinling Mountains;slope farmland;newly-built terrace;soil nutrient

2013-10-22

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD15B04)；中英可持续农业创新协作网资助项目

张晓佳(1987-),女,河南周口人,硕士,主要从事植物营养研究。E-mail：zhangxiaojia871230@163.com

周建斌(1964-),男,陕西大荔人,教授,博士生导师,主要从事植物营养与施肥、养分循环与生态环境研究。 E-mail：jbzhou@nwsuaf.edu.cn

时间:2015-01-05 08:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.02.021

S157.2

A

1671-9387(2015)02-0166-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150105.0859.021.html