基于不同时间尺度的坡改梯土壤肥力研究——以永和县为例

高文君，张春燕，李 冰，刘志刚

(1.山西省水土保持科学研究所，山西 太原 030012； 2.山西省国有林管理局，山西 太原 030012)

1 研究背景和意义

山西地处黄土高原，位于黄河中游地区，是全国水土流失最严重的省份之一。为了遏制严重的水土资源流失并提高粮食产量，从2010年起，山西省在中央和地方政府的支持下，连续7年在13个县累计投资7.25亿元，将4.64万hm2坡耕地改造为水平梯田。目前，这些新修建的水平梯田已投入到农业生产中，为山西的生态文明建设和农业生产发挥着重要的作用。

连续7年大面积开展坡改梯工程，将坡耕地修建为水平梯田后，土壤的肥力状况、物理性质及经济效益与原坡耕地相比究竟有多大提高，有哪些指标得以改善？这些还没经过系统的调查和研究，而这对国家和地方制定与改进水平梯田的总体规划和下一步的部署具有重要的影响。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

以山西省临汾市永和县的坡耕地和不同年份修建的水平梯田为研究对象，按照时间梯度，从土壤的物理性质和化学性质角度进行系统的对比分析和研究，以了解坡改梯后不同时间尺度下土壤质地的恢复和改善状况，为更好地实施坡改梯项目提供理论依据。

2.2 研究方法

2.2.1 梯田样地布设

为了更好地研究不同年份坡改梯后的土壤肥力和效益，2018年以坡耕地为对照，以永和县2010—2016年坡改梯项目为主要研究对象，按照不同年份分别选择面积接近、田面平整度接近、走向一致、作物均为玉米的田块作为代表性梯田，在每个田块内布设3个样地，样地面积5 m×5 m。土壤、植物样本采集及作物经济产量估算均在选定的样地内进行。样地基本情况见表1。

表1 永和县2010—2016年坡改梯研究样地基本情况

2.2.2 土壤测定指标及其测定方法

本次测定的土壤物理指标主要有土壤含水量、土壤容重和孔隙度，土壤肥力指标主要有土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量。

在样地内开挖土壤剖面，分别在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层内进行取样。测定方法：土壤有机质采用重铬酸钾容量法(外加热法)，土壤全氮采用凯氏定氮法，土壤全磷采用钼锑抗比色法，土壤全钾采用NaOH熔融-火焰光度法[1]。每个土样均重复测定3次。

3 结果与分析

3.1 不同年份修建的梯田土壤基本物理性质分析

3.1.1 不同年份修建的梯田土壤含水量变化

玉米在永和县种植面积较大，是主要的粮食作物。玉米的生长发育和经济产量高低与土壤水分的关系非常密切。通过开挖土壤剖面，对玉米苗期和成熟后期的土壤含水量进行了监测，结果见图1和图2。由监测结果和图1可知：总体上，各样地玉米苗期土壤含水量在0～40 cm深度时普遍较高，介于21%～25%之间，往下随着土壤深度的增加，土壤含水量逐步降低；各样地土壤含水量在表层(0～20 cm)差异较大，随着土壤深度的增加含水量差异逐渐减小。

图1 不同年份修建的梯田样地玉米苗期土壤含水量比较

图2 不同年份修建的梯田样地玉米收获期土壤含水量比较

由图2可知，玉米收获期土壤上层(0～40 cm)含水量普遍低于下层(40～80 cm)，且土壤含水量的变异程度上下差异不大。这可能与玉米收获期正值雨季后期，降雨量通常较大，蒸发量相对减小，土壤水分蓄存量大于水分蒸散量有关，且进入收获期后玉米根系活动大为减弱，对土壤水分的吸收减弱，因而产生土壤下层含水量高于上层含水量这一垂向分布上较为规律的梯田水文特征。

3.1.2 不同年份修建的梯田土壤容重和孔隙度垂向变化

土壤容重反映土壤的松紧程度，容重小则土壤疏松多孔，结构性良好；反之，则表明土壤紧实板结，缺少团粒结构。

由表2、3可看出，总体上，坡耕地和不同年份修建的梯田土壤容重均随着土层的加深而增加，总孔隙度的变化则恰好相反，随着土层的加深而减少。表层(0～20 cm)为耕作层，容重最小，总孔隙度最大；随着土层加深，分别进入犁底层和心土层，土壤容重有逐渐增大的趋势，各样地土壤剖面均表现为60～80 cm容重最大。造成这种现象的原因，一是耕作增加了总孔隙度，二是施肥利于团粒结构的形成，从而降低了土壤容重，增加了孔性。这种“上虚下实”的结构极有利于作物的生长，“上虚”有利于通气透水和种子的发芽、破土，“下实”有利于保水和扎稳根系[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学性质分析

3.2.1 不同年份修建的梯田土壤有机质含量变化

各样地有机质含量测定结果显示，坡耕地(CK)有机质含量最高，为7.01‰，2014年修建的梯田有机质含量最低，为3.79‰，其余年份修建的梯田有机质含量介于3.79‰～7.01‰之间(图3)。

图3 不同年份修建的梯田土壤有机质含量比较

图3趋势线表明，随着坡改梯的时间延长，有机质含量呈增加趋势，但尚未恢复到坡耕地时的水平。分析可知，一方面，刚刚坡改梯后田面表土大量为生土，导致有机质含量非常低，需要有一个土壤熟化和有机质逐渐积累的过程；另一方面，也体现出当地群众对土地的经营管理存在“重用轻养”的状况。实地调查发现，当地使用农家肥很少，且在玉米收获后地上秸秆被全部收割作为家畜的饲料，即使地下部分也会被刨出用作燃料，秸秆没有还田，土壤缺乏有机质补充，因此梯田土壤有机质含量总体较低，即使是2010年修建的梯田，其土壤有机质含量也未恢复到原坡耕地水平。

3.2.2 不同年份修建的梯田土壤全氮含量变化

从测定结果和图4可知，土壤全氮含量坡耕地(CK)最高，为0.36 g/kg，2014年修建梯田最低，为0.20 g/kg。

图4 不同年份修建的梯田土壤全氮含量比较

图4趋势线表明，随着坡改梯时间的延长，全氮含量具有增加的趋势，但均未恢复到坡耕地时的全氮水平，这一趋势与有机质含量的变化具有相似性。

3.2.3 不同年份修建的梯田土壤全磷含量变化

由测定结果和图5可知，坡耕地(CK)土壤全磷含量为0.37 g/kg，2013年修建梯田土壤全磷含量最高，为0.39 g/kg，比坡耕地高出5.41%。

图5 不同年份修建的梯田土壤全磷含量比较

图5趋势线表明，土壤全磷含量普遍较低。分析其原因，可能是磷在土壤中容易被固定，作物对磷素的吸收主要是通过根系的直接接触而获得，因而根系生长点与施肥点的距离和根系与肥料接触面积的大小是影响肥料吸收利用的两个重要因素，同时也受根系活跃吸收面积的制约。

3.2.4 不同年份修建的梯田土壤全钾含量变化

由测定结果和图6可知，坡耕地(CK)全钾含量为15.13 g/kg，2010、2011、2012、2013、2014、2015、2016年修建的梯田与坡耕地相比，全钾含量分别较坡耕地增加7.87%、10.38%、-0.53%、5.42%、9.98%、-2.05%、4.36%。

总体看，全钾变化较为稳定，坡耕地和各年份修建梯田土壤全钾含量均无明显差别。这可能与土壤全钾背景值较大有关。

图6 不同年份修建的梯田土壤全钾含量比较

4 结论与建议

4.1 结 论

(1)总体上，玉米苗期的土壤含水量在0～40 cm深度较高，往下随着土壤深度的增加，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层(0～20 cm)差异较大，随着土壤深度的增加含水量差异逐渐减小。在玉米收获期，土壤上层(0～40 cm)含水量普遍低于下层(40～80 cm)，而且土壤含水量的变异程度上下差异不大。

(2)坡耕地和不同年份修建的梯田土壤容重均随着土壤深度的增加而增加，总孔隙度的变化则恰好相反，随着土壤深度的增加而减少。

(3)随着坡改梯的时间延长，土壤有机质和全氮含量有增加的趋势，但均未恢复到坡耕地时的水平；土壤全磷含量普遍较低；土壤全钾含量变化较为稳定。

总之，对2010—2016年修建梯田的土壤理化性状的研究发现：新建梯田性能不够稳定，土壤肥力普遍偏低，当地群众在梯田耕作过程中存在“重用轻养”的现象。因此，坡改梯后，采取各种技术措施保证土壤肥力持续增加、农作物产量持续提升是急需解决的问题。

4.2 建 议

(1)搞好梯田的二次开发。当前山西省大力推进坡改梯项目，梯田开发建设取得了巨大的成绩，并形成了一定的规模。但是梯田资源的二次开发还需要深化研究。农业综合开发，应依托梯田土地资源，注重新修梯田培肥、丰产栽培、地埂综合开发利用等实用技术的推广，不断提高梯田资源的综合效益。

(2)加大梯田建设力度。受气候和黄土高原地形地貌等因素影响，山西省水土流失严重。梯田在生态建设中发挥着举足轻重的作用，既具有保持水土的功效，又具有增产粮食的作用。梯田仅占黄土高原耕地面积的22%，修筑梯田，整治土地资源，提高优质农田的比例具有很大的空间。因此，在还没有修筑梯田的地区，应积极推进梯田建设，科学规划，规模治理，加大机修力度，加快梯田建设步伐。

(3)梯田建设应与小流域综合治理相结合。要根据小流域地形地貌特点，在全面规划的基础上，把兴修梯田与以山、水、田、林、路、窖为内容的小流域综合治理结合起来，进行土地资源综合整治开发，实现可持续发展。

(4)在山西省的干旱半干旱地区，梯田发挥着涵养水源的重要作用。水资源短缺是制约干旱半干旱地区经济社会发展的重要因素，也是生态环境脆弱的一个重要因子。因此，深入研究本省区域水资源形成与转化关系、地表水和地下水相互转化关系，以及坡改梯的推进和深化仍是今后工作的重点。