旱作条件下海拔梯度对土壤理化性质的影响

吴大方，黄明镜，王国芳，张吴平

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西太原030031；3.山西农业大学软件学院，山西太谷030801）

耕地土壤是农业生产的基础，为我国41%的农村人口提供了生活保障。我国人均耕地仅占世界人均耕地的44%。当前，耕地土壤面临的问题主要体现在2 个方面，一方面，目前我国耕地的资源环境承载能力已经接近极限；另一方面，随着工业化、城镇化发展以及国民食物消费结构的变化，我国用于生产口粮的耕地总量呈现减少趋势[1]。在耕地数量接近红线的情况下，土壤质量的提高成为广大学者研究的热点。而且由于耕作措施的改革，土壤的理化性质与传统农业时期相比也发生了变化。山西省是典型的雨养农业，水资源不充分，土壤质量对于农业生产的影响较大，只有根据土壤质量条件制定适当的农业生产措施，才能达到高产优质高效、持续发展的要求[2]。付丽霞等[3]研究表明，土壤肥力较差的土地，通过增施优质农家肥、实行秸秆还田，可以较好地改善土壤理化性状。金永贵等[4]研究发现，与免耕相比，休闲期耕作可以改善土壤物理性状，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤≥0.25 mm团粒粒径的比例。在此背景下，调查耕地土壤理化性质，对耕地进行特殊保护、提高耕地土壤可持续发展能力显得尤为重要。

海拔作为间接生态因子，通过影响土壤所处环境的温度、湿度、风速、日照强度、日照时长等环境因子，影响土壤的理化性质。已有大量研究发现，土壤理化性质与海拔高度有着密不可分的关系。许连富等[5]研究表明，不同海拔梯度下，土壤类型的差异较大，不同土壤类型的土壤受到环境影响时其理化性质变化的幅度和敏感度有一定区别。土壤理化性质与海拔梯度的相关性较高，土壤有机质、含水量会随海拔升高而升高，pH 值随海拔升高呈先降低后升高的趋势，土壤表层全氮含量随海拔升高而显著增加[6]。吴玥等[7]研究表明，土壤有机质含量会随海拔升高而呈现先升高再降低的趋势，在一定海拔高度达到最大值。高大威等[8]研究发现，土壤pH 值随海拔升高而呈先增加后减小的变化趋势；而土壤全磷和全钾含量随着海拔升高呈现减小趋势，土壤碱解氮和速效磷含量随着海的拔升高均呈显著增加趋势；土壤有机碳、全氮、速效钾和碳氮比随海拔升高变化不显著。魏强等[9]研究表明，随着海拔变化，土壤容重、总孔隙、有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾和速效钾无明显变化。王长庭等[10]研究表明，土壤有机质、土壤全氮、土壤速效氮、土壤全磷含量随海拔升高呈现先降低再升高的趋势。

对于旱作区耕地土壤理化性质的研究大多以耕地土壤养分动态为主，但对于耕地土壤理化性质与海拔梯度相互关系的研究较少。山西省晋南地区（包含运城、临汾两地）的海拔跨度较大，且海拔高度分布不均匀，是山西典型的旱作区。其中，垣曲县与乡宁县黄河滩两地的海拔不足400 m，而太岳山的霍山与垣曲县舜王坪海拔高达2 300 m[11]。区域范围内地形多样，高地悬殊，有高山、丘陵、平原、洼地等多种地形，因而既有纬度地带性气候，又有明显的垂直变化[12-13]，海拔跨度大，不同海拔高度上，日照、气温、气压、湿度等因子不同，对耕地土壤的影响不同。

本研究旨在探究山西省晋南地区旱作条件基础上，不同海拔梯度上土壤全氮、pH、容重及有机质的分布规律，为山西发展有机旱作农业和合理利用土地资源及耕地资源的可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

山西晋南地区位于汾河下游，地处黄河流域黄土高原，包含运城、临汾两地，是传统的旱作农业区。其中，运城平均海拔约为370 m，临汾为450 m，但境内有中条山、吕梁山、太岳山等山脉，最高海拔高达2 346.8 m，该地区海拔跨度比较大。夏季高温多雨，年平均气温10～14 ℃，年降水量500～650 mm，无霜期160～220 d。耕地土壤多为褐土，表层有机质含量为0.7%～1.2%，适宜农作物的生长。研究区涉及运城和临汾共18 个县市。

1.2 土壤采样方法

采样地选自临汾、运城两地的襄汾县、洪洞县、垣曲县、万荣县等18 个县市的不同海拔耕地，根据其土壤类型选取，使样品包含临汾、运城两地常见的各种土壤类型，选择各地有代表性的耕地。海拔选择范围为350～1 177 m，共选取其中15 个海拔作为样本，在选择不同海拔的耕地时，由于耕地分布并不是严格按照同一距离分布，故采样点之间的海拔差距在50～150 m 浮动。在每一海拔选择一块面积约500 m2的样地作为1 个单元进行采样，采样方法使用五点采样法，每个点取0～10 cm 和10～20 cm 环刀土和扰动土各3 个。将采集的扰动土样混合均匀，带回风干后过2 mm 筛用来测定pH、全氮含量，部分样品过0.149 mm 筛用来测定有机质含量。将环刀带回实验室用烘箱测定容重。

1.3 测定项目及方法

采用重铬酸钾滴定法测定土壤样品中的有机质含量，全氮含量采用凯式定氮法测定，土壤pH 值采用电位法（GB 7859—87）测定，土壤容重测定采用环刀法[14]。

1.4 数据处理

采用SPSS 25.0 和Excel 2019 进行数据处理与制图。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质与海拔梯度的相关性分析

表1 0～10 cm 土壤理化性质与海拔梯度的相关性分析

从表1 可以看出，0～10 cm 耕地土壤有机质和全氮含量与海拔梯度的相关性达极显著水平（P＜0.01），相关系数分别达到0.737 和-0.873；且在该层土壤有机质和全氮的相关性也达到了极显著水平（P＜0.01），相关系数为-0.762。

从表2 可以看出，在10～20 cm 土层，土壤有机质和全氮含量与海拔梯度的相关性达到极显著或显著水平，相关系数分别为0.669 和-0.608；且在10～20 cm 土层土壤容重分别与有机质和全氮含量相关系数分别达到了-0.566 和0.451，但未达显著水平。

表2 10～20 cm 土壤理化性质与海拔梯度的相关性分析

2.2 土壤有机质与海拔梯度的关系

土壤有机质含量随着海拔升高呈升高趋势。经回归分析得出，各土层有机质含量均与海拔梯度呈极显著正相关（P＜0.01）（表3）；10～20 cm 土层有机质含量高于0～10 cm 土层有机质含量，但随着海拔高度升高，0～10 cm 有机质含量不断向10～20 cm 有机质含量靠近，并且最终0～10 cm 有机质含量有超过10～20 cm 有机质含量的趋势（图1）。

表3 表层耕地土壤有机质含量与海拔的回归分析

2.3 土壤全氮与海拔梯度的关系

土壤全氮含量随着海拔升高而呈降低趋势。经回归分析得出，各土层全氮均与海拔梯度呈显著负相关（P＜0.05）（表4）。10～20 cm 土层全氮含量低于0～10 cm 土层全氮含量，但随着海拔升高，0～10 cm 和10～20 cm 全氮含量相近，并且最终10～20 cm 全氮含量超过10～20 cm 全氮含量（图2）

表4 表层耕地土壤全氮含量与海拔的回归分析

2.4 土壤pH、土壤容重与海拔梯度的关系

0～10 cm 土壤容重和0～20 cm 土壤pH 与海拔梯度相关性均不显著，而10～20 cm 土壤容重与海拔梯度显著负相关（表5），10～20 cm 土壤容重随海拔升高而降低。从回归曲线（图3、4）来看，在海拔梯度内，0～10 cm 土壤容重低于10～20 cm 土壤容重，0～10 cm 土壤pH 值低于10～20 cm 土壤pH 值。

表5 表层耕地土壤容重和pH 与海拔的回归分析

3 结论与讨论

山西省晋南地区是典型的中纬度干旱半干旱地区，晋南地区耕地多为旱作雨养。农业生产的基本环境因子是光、热、水、肥、气。而制约旱作农业产量的其中一个重要原因是地薄肥少[15]。晋南地区地形复杂，海拔跨度大，不同海拔耕地土壤的光、热、水、气有着较大差异，从而影响土壤理化性质。

旱作条件下，土壤水分较少，微生物活跃性低，土壤的理化性质直接影响着农业生产水平，土壤理化性质在空间和时间上呈现异质性分布[16]。本研究表明，0～10 cm 与10～20 cm 的有机质含量与海拔梯度呈极显著正相关。这主要与当地的气候环境有关，晋南地区地处盆地，日照时间长，但丘陵较多，海拔高处日照更加充足。随着海拔的升高，作物受到的光合作用增强，C 元素更多地在高海拔土壤中累积，导致有机质随着海拔升高而升高。这与柳领君[17]、刘伟等[18]和李长燕[19]的研究结果一致。而王琼芳等[20]研究表明，旱作条件下土壤有机质含量随海拔梯度的升高而降低。0～10 cm 土壤有机质与海拔梯度极显著正相关的原因可能是因为高海拔处人为活动较少，植被盖度高，表层土壤含水量较高，微生物活动较频繁，故土壤有机质含量与海拔呈正相关，而10～20 cm 土壤有机质与海拔梯度极显著正相关，可能是由于表层有机质在经受地表径流等因素影响时向下扩散，导致10～20 cm 与0～10 cm有机质变化趋势一致。同时旱作地区地表干燥，保水保肥能力不如底层土壤，导致10～20 cm 土层土壤有机质含量高于0～10 cm 土层。

本研究表明，0～20 cm 表土层全氮量与海拔梯度呈显著负相关。表层土壤全氮含量随着海拔升高而降低。原因是因为随着海拔升高，土壤表层积温降低，微生物活动强度降低，从而导致土壤氮含量随海拔升高而降低。魏强等[9]研究表明，2 300～2 700 m 海拔对土壤全氮的影响不显著，原因可能是因为其研究的海拔较高，当海拔到达一定高度后，海拔变化对土壤全氮的影响趋于稳定。而本研究中的海拔较低，且跨度较大，地表积温差异明显，导致结果中海拔对土壤全氮含量的影响显著。

本研究表明，0～10 cm 土壤容重与海拔梯度相关性不显著，而10～20 cm 土壤容重海拔梯度呈显著正相关。导致土壤表层容重不受海拔梯度变化得影响的原因可能是由于当地不同海拔条件下，种植作物种类不同，人为影响程度有差异，且海拔下耕作措施和农田管理措施都有很大的随机性，从而导致土壤容重受海拔梯度影响的程度不高。这与王顺利等[21]、魏强等[9]的研究结果相同。但马剑等[22]研究表明，随海拔升高，土壤容重随之升高。而10～20 cm土壤容重海拔梯度呈显著负相关，原因是由于随着海拔的升高，人为活动减少，土壤有机碳不断积累，导致下层土壤容重随海拔上升有所提高。本研究结果表明，人为因素很可能对土壤容重的影响程度高于海拔；在不同海拔下，人为的农业措施对土壤容重的影响较为直接，而环境对土壤容重的影响比较缓慢。人类活动对土壤变化的影响自有人类以来就不曾间断过，只是这种影响因农业生产工具、耕作方式、物质投入方式与数量等因素的变化程度不同而异[23]。

0～20 cm 土壤pH 与海拔梯度相关性不显著，原因可能是由于不同海拔种植的作物不同，旱作条件下，低海拔地区多种植小麦谷子，高海拔地区多种植玉米。不同作物的种植导致土壤表层的枯枝落叶层在分解过程中，所产生的有机酸含量差异显著，从而影响土壤中的pH；而且在不同地形情况下，地表径流随机因素多，土壤pH 受影响较为严重。这些随机因素是导致pH 与海拔相关性不显著的主要原因。

本研究表明，0～20 cm 耕地表层土壤有机质和全氮含量均与海拔梯度变化呈显著相关。土壤有机质含量随海拔升高而升高，且10～20 cm 有机质含量高于0～10 cm，但随着海拔升高，0～10 cm 有机质含量逐渐接近10～20 cm 有机质含量，且有超出的趋势。而全氮含量随海拔升高而降低，且0～10 cm全氮含量高于10～20 cm，但随着海拔升高，10～20 cm 全氮含量逐渐接近0～10 cm 全氮含量，且有超出的趋势。pH 和容重与海拔没有显著相关性。对于旱作条件下耕地土壤海拔跨度较大的地区，应该在较低海拔地区适当地多施用有机肥，在高海拔地区适当地多补充土壤氮含量，对不同海拔的耕地应当采取相应的管理模式和耕作措施。