哈尼梯田不同海拔水改旱土壤养分特征及肥力评价

褚琳琳，张学森，杨光伟，屠田霖，赵 燕，陈 丹，毕利东

（1. 河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 211100；2. 红河哈尼族彝族自治州水利水电工程地质勘察咨询规划研究院，云南 蒙自 661100）

0 引 言

云南红河哈尼梯田被誉为“世界山地农业生产的最高典范”，主要分布于坡度为15°～75°之间的沟壑山岭间，海拔144～2 939.6 m，平均海拔1 132.68 m，具有森林-村庄-梯田-河流“四素同构”的生态系统结构［1，2］。哈尼梯田水稻依山而建，分布在海拔1 450～1 850 m 的山坡，且水稻种植不使用肥料和农药，偶尔采用“冲肥”的方式施加一些农家有机肥料。特有的土地利用方式形成了独特的梯田稻作文化。然而，随着云南省2010年以来的连续五年干旱，降雨量骤减，哈尼梯田的各条河道及山箐水量断流或水量不足，造成梯田和水稻田面积呈下降趋势，且因缺水引起水稻产量下降，部分水稻田被长期转变为旱地。因气候变化、经济发展、工程性缺水等问题，水改旱改变了土地耕作制度，人为滞水条件不再存在，土壤剖面的氧化还原环境也发生了明显的变化，形成水耕人为土各发生层（或诊断层）的条件也逐渐消失或不再存在，从而改变了土壤养分循环过程和含量，导致哈尼民族文化传承和保护面临重大挑战，梯田农耕文化面临失传。

土壤是影响植物群落物种组成和群落动态的重要因子，土壤养分制约着生态系统的演替过程和对环境变化的响应方式［3］，其中氮、磷、钾是植物生长和发育所需的大量营养元素，也是调节陆地生态系统功能的关键性元素，在促进作物生长代谢，提高作物产量和品质方面具有十分重要的作用［4］。土壤养分长期受气候、地形地貌、成土母质、土壤类型、种植模式、水肥管理、耕作措施等自然或人为活动的综合影响，具有时空异质性［5-8］。尤其在梯田生态系统中，海拔是最重要的影响因素，它通过对光、热、水资源的再分配影响土壤理化性质的空间分布，使土壤理化性质存在垂直空间分异，同时还影响土壤养分状况［9，10］。迄今为止，针对哈尼梯田的研究集中在哈尼梯田的起源和历史，梯田稻作礼仪、梯田生产和管理方式等方面［11-14］。近年来，一些学者开始认识到哈尼梯田不同土地利用方式土壤肥力时空分布特征对哈尼梯田土地可持续利用、梯田农业的可持续发展的重要作用，开始了相关问题的研究［15-17］，但将哈尼梯田地区海拔梯度、水改旱结合起来研究土壤养分变化特征及土壤肥力评价的较少。本文以哈尼梯田核心区全福庄为研究对象，通过测定土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾与海拔、不同土地利用方式之间的关系，揭示不同海拔梯度下水稻田改旱地后土壤养分变化特征及土壤肥力评价，以期为中国西南梯田可持续发展和保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域哈尼梯田全福庄位于云南省南部，红河州元阳县哈尼梯田核心区中部（23°05'N，102°46'E）。研究区域地处哀牢山山脉南段，地形南高北低，地貌以侵蚀中山地貌和河谷地貌为主，该区属亚热带山地季风气候，冬暖夏热，多雾多雨，干湿季分明，多年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1 500 ～2 000 mm。降雨主要集中在5-10 月，降雨量占全年降雨量的81.0%，年平均雾日数180 d，年平均日照时数1 820.8 h［10］。土壤类型为水耕滞水人为土，主要种植水稻，实行一年一熟的耕作制度。在水稻收割以后进行泡田。梯田除了在收割之前被排干水，其他时候终年淹水，实行“三耕三耙”的耕作方式［18］。

1.2 样品采集与分析

本研究采样布点选取由水稻田改为旱地的区域进行，根据研究区主要土地利用类型的特点，选择5 个不同海拔梯度下的水田改旱种植旱作5～8 年和附近水稻田、田埂（作为对照）表层土壤（0～20 cm）成对样品（表1）。以海拔和植被长势接近的3块典型样地作为重复样地。调查取样于2021 年7 月完成。旱地采样于玉米生长后期，水稻田采样于水稻收获前进行。以每个田块为采样单元，每块样地仅采集根层（0～25 cm）土样，利用不锈钢麻花钻，按“S”形布点法采集5 个点样品。样品采集后，人工除去肉眼可见的根，待自然风干后过2 mm 筛，测定其土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量。其中土壤有机质采取硫酸-重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮采取半微量开氏法，土壤碱解氮采取碱解扩散法，土壤速效磷采取Olsen 法，土壤速效钾采取乙酸铵提取-火焰光度法。

表1 样本基本信息Tab.1 Basic information of samples

1.3 土壤肥力评价方法

1.3.1 土壤肥力指标隶属度和权重

在评价过程中，权重是反映土壤肥力指标贡献度的关键参数，确定权重有主观赋权法，如专家打分法、层次分析法等，和客观赋权法，如相关系数法、主成分分析法、熵权法等。为克服主观因素的影响，更加客观和准确的得到各指标权重，本研究采用相关系数法对进行指标赋权，首先计算土壤各肥力指标之间的相关系数的平均值，以其绝对值占土壤全部肥力指标间相关系数平均数之和的比作为该指标的权重。

1.3.2 土壤肥力质量分类

根据文献资料分类标准［19］，可将IFI分为5 个等级，根据结果对哈尼梯田不同海拔下土壤肥力进行评价分级，即Ⅰ级（0.8＜IFI≤1）、Ⅱ级（0.6＜IFI≤0.8）、Ⅲ级（0.4＜IFI≤0.6），Ⅳ级（0.2＜IFI≤0.4），Ⅴ级（IFI≤0.2）。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel2019 对数据进行初步处理，用SPSS 20软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），不同土地利用方式、海拔梯度处理分析采用多重比较法（Duncan）、土壤养分相关性分析采用Pearson相关，所有统计分析显著性水平设为0.01和0.05（P＜0.01或P＜0.01）。采用Origin 2021进行绘图。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准（表2）和《耕地地力评价指南》［20］，综合考虑样点的土壤类型、土地利用方式等对离群值予以剔除或保留后，对哈尼梯田土壤养分进行分级（见图1）。

图1 哈尼梯田土壤养分分级图Fig.1 Soil nutrient classification of Hani terraces

2 结果与分析

2.1 不同海拔梯度下土壤有机质变化特征

哈尼梯田耕地土壤有机质平均含量为28.95 g/kg，变化范围为16.06～42.58 g/kg，变异系数20.92%，处于16～35%内，属于中等变异。耕地有机质含量等级集中在中等和缺乏水平，分别占比为54.55%和34.09%。水稻田与旱地、田埂的表层土壤有机质含量差异达到了显著水平，旱地和田埂的表层土壤有机质含量差异不显著。图1 可以看出，水稻田表层土壤有机质含量高于旱地和田埂的土壤有机质含量，表现为水稻田＞旱地＞田埂，其中水稻田的土壤有机质含量等级处于中等水平，其余两个处理的有机质含量等级处于缺乏水平。

由图2（a）可知，海拔处理对土壤有机质含量的影响较大，且不同土地利用方式间差异显著。旱地、田埂的土壤有机质含量随着海拔的增加，表现为先增加后降低然后增加再降低的趋势，土壤有机质含量最低值（27.26 和24.15 g/kg）分别出现在海拔1 465 和1 729 m。有机质含量从小到大表现为海拔1 729、1 583、1 465、1 783、1 829 m，且处理间差异达显著性水平（p＜0.05）。水稻田的土壤有机质含量随着海拔的增加而逐渐上升，即从29.54 g/kg 增加至44.47g/kg，增加幅度达50.55%。总体而言，随着海拔的增大，土壤平均有机质含量先增加再下降然后逐渐增加，最低值（28.36 g/kg）出现在海拔1 465 m，最高值（38.23 g/kg）出现在海拔1 829 m。

图2 不同海拔梯度不同土地利用方式土壤有机质和养分特征Fig.2 Characteristics of soil organic matter and nutrient in different land use patterns at different

2.2 不同海拔梯度下土壤全氮变化特征

研究区土壤全氮平均含量为1.45 g/kg，变化范围为1.06～1.88 g/kg，变异系数11.90%，小于15%，属于小变异。耕地全氮含量等级集中在丰富和中等水平，分别占比为45.45%和59.09%。旱地、水稻田、田埂的表层土壤全氮含量差异不显著，图1 可以看出，水稻田和田埂土壤的全氮含量高于旱地土壤全氮含量，表现为水稻田＞田埂＞旱地，其中水稻田的土壤全氮含量等级处于丰富水平，其余两个处理的全氮含量等级处于中等水平。

在不同的土地利用方式下，随着海拔的增加，土壤全氮量先降低后增加（见图2（b）），分别在1 729 m 达到最低（1.27、1.38、1.39 g/kg）后上升，最大值（1.94、2.32、2.13 g/kg）出现在1 829 m，分别增加52.65%、47.73% 和54.18%。其中，海拔1 829 m 处理与其余4 个处理差异显著（p＜0.05）。总体来看，土壤全氮量平均值的变化与海拔的关系与有机质一致，表现为先增加后降低的趋势，各海拔处理之间差异达到显著水平。

2.3 不同海拔梯度下土壤碱解氮变化特征

土壤碱解氮平均含量为156.19 g/kg，变化范围为121.28～202.13 g/kg，变异系数12.14%，小于15%，属于小变异。土壤碱解氮含量等级集中在很丰富和丰富水平，分别占比为61.36%和38.64%。旱地、水稻田、田埂的表层土壤全氮含量差异不显著，旱地和水稻田土壤的碱解氮含量高于田埂土壤有机质含量，表现为水稻田＞旱地＞田埂，但3 种不同类型土壤的碱解氮含量平均值均＞150 g/kg，都处于很丰富水平。

由图2（c）可以看出，随着海拔的升高，旱地的土壤碱解氮含量先降低后升高再降低再升高，呈现“W”型变化趋势。3 种土地利用方式下土壤碱解氮含量及其平均值均在海拔1 583 m处理下达到最低（分别为155.58、149.45、151.90和152.31 g/kg），在海拔1 829 m 处理下达到最高（分别为203.35、209.48、194.78和202.53 g/kg），变化幅度分别达30.71%、40.16%、28.23%和32.98%。总体而言，水稻田和田埂的土壤碱解氮含量及总体平均值随着海拔的升高，其值先降低后逐渐增加，各海拔之间差异显著（p＜0.05）。

2.4 不同海拔梯度下土壤速效磷变化特征

研究区土壤速效磷平均含量为12.64 g/kg，变化范围为6.86～24.27 g/kg，变异系数37.45%，大于35%，属于高度变异。可以看出，速效钾作为速效态养分，迁移性强，更易受耕作制度、田间管理等人为活动的影响，其含量较有机质和全氮更不稳定［19］。土壤速效磷含量等级集中在中等和缺乏水平，分别占比为50%和36.36%。旱地、水稻田、田埂的表层土壤全氮含量差异不显著，旱地和水稻田土壤的速效磷含量高于田埂土壤速效磷含量，表现为旱地＞水稻田＞田埂，其中三种土地利用方式土壤速效磷含量处于中等水平。

由图2（d）可知，随着海拔的升高，各海拔之间土壤速效磷呈现先增加后减少的趋势。对不同海拔梯度下旱地、水稻田、田埂的土壤速效磷含量及其平均值进行分析，旱地在海拔1 783 m 处土壤速效磷含量达到最高（23.62 mg/kg），在1 583 m处达到最低（12.99 mg/kg）；其余两种土地利用方式下的土壤速效磷含量在海拔1 583 m 处达到最高（分别为15.08、12.33 mg/kg），分别在1 829 和1 729 m 处理达到最低（8.62、10.05 mg/kg）。从总体来看，土壤速效磷含量在海拔1 729 m 最高为14.74 mg/kg，在1 465 m最低为11.53 mg/kg，变化幅度为27.75%。

2.5 不同海拔梯度下土壤速效钾变化特征

哈尼梯田土壤速效钾平均含量为95.84 g/kg，变化范围41～59.15 g/kg，变异系数61.72%，大于35%，属于高度变异。速效钾作为速效态养分，与速效磷类似具有易迁移、不稳定的特点。土壤速效钾含量等级集中在很缺乏水平，占比为52.27%。田埂的表层土壤速效钾含量与旱地的差异达到了显著水平，两种土地利用方式土壤的速效钾含量高于水稻田土壤速效钾含量，表现为旱地＞田埂＞水稻田，其中旱地的土壤速效钾处于丰富水平，其余两个处理的速效钾含量处于缺乏水平。

由图1（e）可知，随着海拔的升高，各海拔之间土壤速效钾呈现先增加后减少的趋势，这一变化趋势和土壤速效磷的变化趋势基本一致，且各处理间差异显著（p＜0.05）。旱地、水稻田的土壤速效钾随海拔的增加变化趋势不同，但均在1 783 m 达到最高（236.67和76.33 mg/kg），在1 829 m 处达到最低（95.00和35.00 mg/kg），增加幅度分别为117.54%和23.81%。田埂的土壤速效钾随海拔的增加表现为先降低后升高再降低的趋势，在海拔1465m 处达到最大（88.67 mg/kg），在1 729 m 处达到最低（61.67 mg/kg），增加幅度为43.78%。总体而言，土壤速效钾含量平均值随着海拔的增加表现为先增加后降低的趋势，最高（129.67 mg/kg）、最低（68.78 mg/kg）与旱地、水稻田的海拔处理相同，变化幅度为51.05%。

2.6 哈尼梯田土壤肥力评价

由表3可知哈尼梯田土壤有机质及养分指标间的相关关系（Pearson 相关系数），除速效磷、速效钾与其余3 个指标没有显著相关外，其余3个指标两两互相显著正向相关，其中碱解氮和有机质、碱解氮和全氮在0.01 水平存在极显著相关性。权重系数采用相关系数法确定，土壤全氮和碱解氮的权重系数较大，分别为0.265和0.229，土壤速效磷权重系数最小，为0.104。

表3 土壤有机质及养分间相关系数、相关系数平均值和权重系数Tab.3 Correlation coefficients， mean correlation coefficients and weighting coefficients among soil organic matter and nutrients

基于改进的TOPSIS 模型评价结果显示（表4），随着海拔的上升，哈尼梯田不同海拔土壤肥力增加，其中海拔1 829 m，IFI值为0.688，土壤肥力处于Ⅱ级；海拔1 783 m，IFI值为0.478，土壤肥力处于Ⅲ级；海拔1 583 和1 729 m，土壤肥力处于Ⅳ级，海拔1 465 m，IFI值仅为0.172，土壤肥力处于Ⅴ级。从表5 可以看出，哈尼梯田不同土地利用方式下土壤IFI值由大到小分别为水稻田、旱地、田埂，但水稻田和旱地的土壤肥力均处于Ⅲ级，田埂的土壤肥力处于Ⅴ级。

表4 哈尼梯田不同海拔土壤肥力排序及等级Tab.4 Soil fertility ranking and grade of Hani terraces at different altitudes

表5 哈尼梯田不同土地利用方式土壤肥力排序及等级Tab.5 Soil fertility ranking and grade of different land use patterns in Hani terraces

3 讨 论

3.1 土壤有机质和养分含量对海拔的响应

梯田土壤是山地生态系统的重要基础环境，土壤养分的分解和积累受到自然与人为干扰的影响，还与气候、土壤养分状况和植被类型等外界环境因子息息相关［21，22］。哈尼梯田海拔跨度大，不同海拔的梯田温度、降水存在差异，土壤理化性质之间差异较大［1］。本研究发现，随着海拔的升高，土壤有机质含量先增加再下降然后逐渐增加，土壤全氮含量、碱解氮含量先下降再逐渐增加，但3 个指标的最大值均出现在海拔1 829 m 处理。总体表现为随着海拔的升高，3 个指标值逐渐增加。这种变化可能由于海拔升高后，气温下降，地上生物量增加，微生物活性下降，植被根系生命周期较短，促使植物凋落物和土壤有机质增加造成的［23］。且高海拔有机质的增加，进一步加速了土壤微生物呼吸和微生物对土壤养分的利用效率，即一定范围内海拔的升高，提高了土壤全氮的含量。土壤碱解氮主要来源于土壤有机质［9］，因此土壤碱解氮的变化趋势与有机质变化趋势基本一致。土壤速效磷和速效钾随着海拔的增加出现先增加后降低的趋势，最大值分别出现在海拔1 723和1 783 m，最小值出现在海拔1 829 m 处。海拔1 723 和1 783 m 海拔梯田土壤速效养分高于其余海拔的梯田土壤，这可能由于这两处海拔梯田与村落距离更近，村民生产、生活用水以及畜禽粪便等通过沟渠排入这两个海拔的梯田处，从而增加了梯田土壤速效养分含量。

3.2 土壤养分含量对土地利用方式的响应

土地利用方式的变化可引起许多生态过程的变化，如土壤养分、水分、地表径流与侵蚀［24］。氮、磷是生态系统中含量最丰富的元素之一，也是大多数农业和自然陆地生态系统初级生产过程最受限制的元素之一。梯田长期种植水稻，其土壤发生层、有机质组成、颜色和新生体等方面与其余土地利用方式的土壤有显著变化，是一种具有特定化学特性的土壤［25］。本研究发现，水稻田的土壤有机质、全氮、碱解氮含量高于旱地与田埂，这可能原因是水改旱改变了水稻土周期性的灌溉和排水的管理方式，增强了土壤通气性，促进了有机物质的分解，导致表层土壤有机质降低，大量有机氮随之矿化，导致全氮含量降低，且随着旱作年限的延长而下降明显。有研究表明，旱作15 年后，不同水改旱的耕层土壤全氮降幅在30.6%～74.8%之间，说明水改旱后，土壤硝化过程，以及硝态氮的淋溶和径流流失等致使氮素损失增加（不考虑作物对氮素吸收量的差异）［26］。土壤碱解氮主要集中在土壤表层，其浓度受施氮量的影响较大，碱解氮的变化趋势基本与全氮的变化趋势一致。旱地速效养分含量大于水稻田和田埂，可能原因是，旱作土壤磷肥的施用量大于水稻田，且铁猛氧化物的老化降低了对磷的吸附，使土壤中全磷和速效磷含量明显增加［27-29］，引起土壤磷素流失风险增加，从而增加了水体富营养化的风险。且由于耕作较频繁，钾肥的施用量较水稻田小幅度增加，且玉米对钾素的需求量较水稻低，因而表现为水改旱后旱地土壤速效钾含量增加。

4 结 论

（1）在梯田生态系统中，海拔对土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾影响显著。随着海拔的升高，土壤有机质含量先增加再降低最后逐渐增加，土壤全氮和碱解氮含量先降低再增加，3 个指标的最大值都出现在最高海拔1 829 m 处；土壤速效磷、速效钾含量的变化趋势基本一致，先增加再降低，两个指标的最大值出现在最高海拔处。

（2）哈尼梯田土壤养分指标除速效钾处于缺乏水平，碱解氮处于很丰富水平外，其余3个土壤养分指标均处于丰富、中等水平。3种土地利用方式下水稻田的土壤有机质、全氮、碱解氮含量大于旱地和田埂，旱地的土壤速效磷、速效钾含量大于水稻田和田埂。水稻田的土壤养分含量与旱地、田埂的差异显著，旱地和田埂的土壤养分含量差异不显著。水改旱后，土壤有机质、全氮、碱解氮含量下降，土壤速效磷、速效钾含量增加。