东北典型黑土区坡耕地土壤生产能力的研究

范益恺，许增涵，李玄同，杨晓慧，姜春慧，孟庆峰

（东北农业大学 资源与环境学院，哈尔滨 150030）

0 引言

东北地区是我国粮食作物的主产区，是影响中国粮食安全的关键地带。但是，由于多年重开发、轻保护，加上东北黑土区自身风蚀、水土流失等自然原因，目前黑土区面临严重的土壤侵蚀和养分流失等威胁，据相关研究表明，黑土层退化极快，近30年黑土层下降9厘米，土壤退化致使耕地地力逐渐下降。因此，黑土退化的原因是我们应该关注的重要问题。徐晓斌[1]归纳总结我国黑土区退化现状、退化表现形式和驱动因素，并称黑土区主要退化形式包括水土流失、土地贫瘠化和荒漠化。孙永光[2]发现，黑土退化的特征主要体现在腐殖质层变薄、土壤化学营养元素降低、容重增加、侵蚀沟大量出现、有机质含量降低和土地生产力下降等。刘宝元[3]、阎百兴等[4]认为土壤侵蚀是导致黑土区坡耕地退化的主要驱动因素，其影响主要为坡面耕层变薄、土壤理化及生物学性质恶化和地力下降。

目前针对坡耕地土壤生产性能限制因素的研究较少，通过探讨，亟待明确坡耕地土壤生产的限制因素，为坡耕地利用提供相应指导，为农业可持续发展和黑土利用保护提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区基本概况

土壤采集于黑龙江省哈尔滨市向阳镇东北农业大学向阳试验示范基地，该地属于温带大陆性季风气候，处于黑龙江省第一积温带，全年≥10℃有效积温为2782.6℃，年降水量618.2毫米，属半湿润区，漫川漫岗地形，研究地块的坡角约为10°。土壤类型为典型黑土，土壤质地为粘壤土。

1.2 试验设计

依据研究区域的自然地形设置为3个采样区域，分别为坡上位、坡中位、坡下位，每个坡位3次重复。供试作物为玉米，于2021年5月18日播种，株距30厘米，垄宽为65厘米，顺坡起垄。本项研究未施用肥料，便于探究土壤基础理化性质对于土壤粮食作物产量的影响，并于2021年10月13日收获。

1.3 土壤样品采集

2021年10月中旬，玉米生育期结束后，依据研究区域的自然地形设置的采样区域（坡上位、坡中位、坡下位），采集土壤深度在0~20厘米的土壤样品，用于土壤各项理化性质的测定。样方内玉米全部收获（垄宽0.65米，选取5条垄，5米长，面积3.25平方米），三次重复，各个采样点均在样方内。

1.4 土壤样品处理与分析

土壤样品带回实验室后，剔除石子、根系等杂质，在通风阴凉处风干，经过晾晒，研磨分别过1毫米、0.25毫米筛，用于测定各项土壤理化性质。土壤容重采用环刀法，取样后105℃烘干至恒重。土壤密度采用密度瓶法。土壤孔隙度通过土壤容重和土壤密度计算：

式中，ft为土壤总孔隙度（%）；ρb为土壤容重（g/cm3）；ρd为土壤密度（g/cm3）。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法。土壤碱解氮采用碱解扩散法。土壤有效磷采用NaHCO3浸提，700 nm钼锑抗比色法；土壤速效钾采用乙酸钠浸提-火焰光度法；用环刀采集原状土，测定田间持水量和饱和持水量；pH值经过2.5：1水土比震荡后，通过pH计测得[5]。

1.5 数据分析

通过SPSS 22.0版本软件采用Duncan法单因素方差显著性检验，玉米产量与土壤性质之间的关系采用多元线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同坡位的土壤速效养分的分析

土壤碱解氮、速效钾、有效磷在不同坡位上变化明显。坡中位碱解氮含量最高，为16.57 mg·kg-1；其次是坡上位，为15.23 mg·kg-1；坡下位土壤碱解氮含量最少，为12.95 mg·kg-1，然而不同坡位土壤碱解氮含量均未达到显著性差异。不同坡位土壤有效磷含量同样均未达到显著性差异，坡中位土壤有效磷含量最高，为3.67 mg·kg-1；坡下位其次，为3.43 mg·kg-1；坡上位土壤有效磷含量最少，为3.37 mg·kg-1。速效钾含量随着坡位高度的提升不断减少，坡下位土壤速效钾含量最高，为211.41 mg·kg-1；坡中位其次，为203.62 mg·kg-1；坡上位土壤速效钾含量最低，为157.48 mg·kg-1；坡下位和坡中位的速效钾含量显著高于坡上位，坡上位土壤速效钾含量与坡中位和坡下位之间达到显著性差异，坡中位和坡下位的速效钾含量未达到显著性差异，见表1。

表1 不同坡位的土壤速效养分

2.2 不同坡位下土壤有机质和pH的变化

土壤有机质含量随着坡位高度的升高逐渐降低。坡上位土壤有机质含量最低，仅为8.39 g/kg；坡中位有机质含量大于坡上位，含量为10.65 g/kg；坡下位有机质含量最高，可达到10.94 g/kg。然而土壤有机质含量在不同坡位之间未达到显著性差异，见图1。

图1 不同坡位的土壤有机质

坡下位土壤pH最大，数值为6.18。坡中位和坡上位土壤pH相等，比坡下位土壤pH值下降了0.14，达到6.04。由此可见，土壤在坡上位和坡中位的酸性大于坡下位。坡中位和坡上位土壤pH值未达到显著性差异，但坡下位土壤pH值与坡中位和坡上位之间达到显著性差异，见图2。

图2 不同坡位的土壤pH值

2.3 不同坡位的容重、密度、孔隙度的变化

不同坡位之间土壤容重、密度、孔隙度均未达到显著性差异。土壤容重坡下位最大，为1.35 g·cm-3；坡上位其次，为1.33 g·cm-3；坡中位土壤容重最小，为1.30 g·cm-3。土壤密度随着坡位高度的升高而不断减小，坡下位土壤密度最大，为2.29 g·cm-3；坡中位其次，为2.27 g·cm-3；坡上位土壤密度最小，为2.25 g·cm-3。土壤孔隙度坡中位最大，达到了42.9%，其次是坡下位，为40.81%，最后为坡上位，也能达到40.77%，见表2。

表2 不同坡位的容重、密度、孔隙度的变化

2.4 不同坡位的土壤保水能力的分析

土壤田间持水量随着坡位高度的升高而不断升高。其中，坡上位的土壤田间持水量显著高于坡下位，坡中位的土壤田间持水量和坡上位、坡下位差异均不显著，坡上、坡下位田间持水量均与坡中位存在显著性差异；土壤饱和持水量在不同坡位的差异均不显著，土壤饱和持水量和田间持水量一样也随着坡位高度的升高而不断升高，见图3。

图3 不同坡位的土壤蓄水能力

2.5 不同坡位的玉米产量

不同坡位对于粮食作物产量均无显著性影响。随着坡位的上升，粮食产量不断降低，坡下位玉米产量最高，可达到2 595 kg/hm2，坡中位比坡下位稍有减少，也能达到2 589 kg//ha，坡上位玉米产量最少，仅仅为2 396 kg//hm2。总之，坡下和坡中粮食作物产量明显大于坡上位，见图4。

图4 不同坡位的粮食作物产量

2.6 玉米产量与土壤各个理化性质的关系

通过多元线性回归分析的方式建立了玉米产量和土壤理化性质的模型。结果表明，土壤玉米产量受土壤有机质、有效磷、孔隙度、土壤密度和田间持水量的影响。其中，玉米产量与有机质、有效磷呈现出显著正相关，随着土壤有机质、有效磷含量增加玉米产量也相应增加；与土壤密度、孔隙度和田间持水量呈现出负相关，玉米产量随着土壤密度、孔隙度和田间持水量的增加而减少。

式中，y为玉米产量（kg/hm2）；x1为土壤有机质（g/kg）；x2为土壤有效磷（mg/kg）；x3为土壤密度（g/cm3）；x4为土壤孔隙度（%）；x5为土壤田间持水量（%）。

3 讨论

坡位的不同会对土壤理化性质以及最后粮食作物的产量有着极大的影响。土壤容重和土壤密度、土壤孔隙度是评价土壤蓄水保土能力的重要指标。本试验研究表明，土壤容重、土壤密度都是坡下位高于坡上位，而土壤孔隙度是坡上位最小，这与黄天忠、曹国璠、秦娟、唐心红等学者的研究保持一致[6-7]，这主要是由于坡的存在，雪水融化会使得较高坡位处的表层土壤被水流冲刷到坡下位，导致土壤在坡下位积累，导致坡下位土壤容重、密度大于坡上位和坡下位。同理，雨水和冰雪融水沿坡向下流淌，在坡下位汇集，会使坡下位土壤含水量增加，土壤的保水能力更强。

土壤速效养分（碱解氮、有效磷、速效钾）、有机质、pH、水分条件等显著影响着玉米产量的大小。本试验结果表明，坡下位土壤有效磷、速效钾和有机质含量均高于坡上位，这是由于本研究坡耕地的坡角约为10°，降雨或者冰雪融化所形成的地表径流会导致表土冲刷现象，将表土从坡上位冲刷到坡下位，土壤养分也随之发生迁移，因此坡中位和坡下位土壤有效磷、速效钾以及有机质含量高于坡上位。坡中位土壤碱解氮含量高于坡上位和坡下位，这是因为坡上位到坡中位这段距离坡度较陡，坡中位到坡下位这段距离坡位较缓，导致土壤碱解氮在坡中位积累。

土壤有机质是土壤肥力的重要属性，影响着土壤密度，土壤的孔隙度影响土壤通气性、储水能力以及土壤热量状况，进而影响着玉米对养分的吸收和干物质累积。本试验研究结果表明，土壤有机质含量随坡位高度的升高而降低，坡下位土壤有机质含量最高，坡中位其次，坡上位土壤有机质含量最低，相应的坡下位土壤容重和密度高于坡上位。总体来说，本研究中坡下位和坡中位土壤速效养分、有机质以及水分条件均优于坡上位，坡下位和坡中位土壤肥力发挥充分。因此，坡下位和坡中位的玉米产量高于坡上位，尤其是坡下位的玉米产量最高，达到2 595 kg/hm2。

4 结论

坡中位和坡下位的土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、pH均高于坡上位；坡上位的土壤田间持水量、饱和持水量最高，其次是坡中位和坡下位。

坡下位的玉米产量最高，为2 595 kg/hm2，其次是坡中位和坡下位，回归分析表明，土壤有机质、有效磷、土壤密度、土壤孔隙、田间持水量是影响坡耕地玉米产量的关键因素。