三峽庫區(qū)不同坡改梯年限土壤肥力質(zhì)量評價研究

董宏偉，陳國建，郭 躍，韋 杰，劉玉芳

(重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047)

長江三峽庫區(qū)水土流失面積分布非常廣，中度和強(qiáng)烈流失面積占庫區(qū)水土流失總面積的64.55%[1]。庫區(qū)山地丘陵面積占97.3%，大部分耕地都分布在山地丘陵等坡地。有研究表明，三峽庫區(qū)90%以上的強(qiáng)度流失都發(fā)生在坡耕地。坡改梯是治理三峽庫區(qū)坡耕地水土流失、實現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[2-5]。國內(nèi)關(guān)于坡改梯的研究多集中于對紅壤坡地改梯后的水土保持效應(yīng)、半干旱退化山區(qū)坡改梯土壤養(yǎng)分變化的探討以及對長江上游、黃河上中游坡改梯對徑流及生態(tài)環(huán)境的影響研究方面[6-8]。而對三峽庫區(qū)不同坡改梯年限土壤養(yǎng)分的研究還少見報道。我們以重慶市巫山縣典型坡改梯為研究對象，對三峽庫區(qū)不同坡改梯年限土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行研究評價，這對于三峽庫區(qū)坡改梯后土地的合理有效施肥、防治水土流失以及確保庫區(qū)生態(tài)環(huán)境安全具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巫山縣位于重慶市東北部，處于四川盆地東緣山地、鄂西高地和大巴山接壤地帶，長江由西向東橫跨縣境中部。全縣南北長約80.3 km，東西寬61.2 km，幅員2 958 km2。巫山縣屬川東平行嶺谷區(qū)，有水稻土、潮土、紫色土、黃壤、石灰?guī)r土、山地黃棕壤等6種土壤類型。在三峽庫區(qū)蓄水后，該縣喪失大量水稻土和潮土。目前巫山地區(qū)主要以黃壤、石灰?guī)r土和山地黃棕壤為主，土壤質(zhì)地以壤土為主(占77.2%)。當(dāng)?shù)貙賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，受東南季風(fēng)和縣境北部高山屏障影響，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，四季分明，雨熱同季。全年大于10 ℃活動積溫為5 857.3 ℃，無霜期305 d，年平均降水量為1 049.3 mm。

1.2 研究方法與試驗材料

1.2.1 土壤樣品的采集

本研究采用時空互代法[9]，選取2、9、14、20、35 a(即坡改梯時間為1970、1992、1998、2003、2010年)5個年限的坡改梯及臨近坡耕地(對照，年限為0 a)為樣品采樣點(diǎn)。研究區(qū)為淺丘地貌，土壤類型為黃壤。為了研究的準(zhǔn)確性，盡量避免樣地之間的差異，減少其他變量對分析結(jié)果的干擾，本研究選取施肥情況相似的相鄰坡改梯并避開施肥期進(jìn)行采樣，土地利用方式選擇旱地作物。土壤樣本的采集按照基本等距離原則，各采樣點(diǎn)均按S形布點(diǎn)采集耕層土壤，并在有代表性的地方挖取剖面土樣，經(jīng)混合均勻后，用四分法處理，最后將剩余的約1 kg樣品帶回實驗室用以分析，本研究共采集190個樣點(diǎn)(詳見表1)。同時利用GPS定位儀確定經(jīng)緯度。

1.2.2 土壤樣品分析

本研究主要選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀8項指標(biāo)，指標(biāo)的測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》(第三版)[10]中的相關(guān)方法，具體見表2。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

1.2.3.1 土壤肥力質(zhì)量評價指標(biāo)

本研究選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀8項作為土壤肥力質(zhì)量評價指標(biāo)，采用模糊判別模式，對三峽庫區(qū)不同坡改梯年限土壤質(zhì)量進(jìn)行評價研究。

1.2.3.2 土壤肥力質(zhì)量評價方法

土壤肥力質(zhì)量的綜合評價一般分為3個步驟，即評價指標(biāo)隸屬度的計算、權(quán)重系數(shù)的確定和綜合評價指數(shù)的計算。

(1)評價指標(biāo)隸屬度的計算。由于土壤因子變化具有連續(xù)性質(zhì)，故各評價指標(biāo)采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。土壤各項養(yǎng)分因子采用升型分布函數(shù)計算[11]，即

Fi=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(1)

式中：Fi為各評價指標(biāo)的隸屬度值；xi為各評價指標(biāo)的數(shù)值；ximax和ximin分別為第i項評價指標(biāo)中的最大值和最小值。

(2) 評價指標(biāo)權(quán)重的計算。本研究基于土壤屬性本身內(nèi)在的關(guān)系，利用因子分析法得到各土壤評價指標(biāo)的公因子方差，通過計算各個公因子方差占公因子方差總和的百分?jǐn)?shù)，將權(quán)重值轉(zhuǎn)換為0～1的數(shù)值[12-13]。

(2)

式中：Wi為土壤各指標(biāo)的權(quán)重值；Ki為各評價指標(biāo)因子分析的公因子方差。

(3)土壤肥力綜合評價指數(shù)的計算。采用模糊數(shù)學(xué)中模糊集的加乘法則建立綜合肥力指數(shù)評價模型IFI(integrated fertility index)，計算參考張慶費(fèi)等[11]的土壤肥力綜合指標(biāo)公式，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中：Wi為各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Fi為各評價指標(biāo)的隸屬度值；n為評價指標(biāo)的個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的總體特征

表3是經(jīng)分析后的土壤肥力各指標(biāo)描述性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從均值來看，該坡改梯地土壤肥力較低，其中：全氮和速效鉀均值含量在全國第二次土地普查土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)中均處于三級標(biāo)準(zhǔn)；有機(jī)質(zhì)處于四級標(biāo)準(zhǔn)；速效磷和速效氮均處于五級標(biāo)準(zhǔn)。

參照重慶市的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(表4)，從均值來看，該處坡改梯地土壤養(yǎng)分含量較低，在重慶市土壤養(yǎng)分肥力分級中處于中等偏下水平，其中：土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，平均為1.59%，低于三峽庫區(qū)黃壤有機(jī)質(zhì)平均水平，處于缺乏狀態(tài)；土壤全氮平均值為0.11%，處于中等水平；速效鉀含量處于中等水平，平均含量為140.62 mg/kg；土壤速效磷含量平均為3.453 mg/kg，處于很缺狀態(tài)；土壤全磷均值為0.033%,處于很缺狀態(tài)；土壤全鉀很豐富，均值達(dá)到2.59%。

表3 土壤養(yǎng)分的描述性特征

表4 重慶市土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

表3中變異系數(shù)的大小表示土壤特性空間變異性的大小，變異系數(shù)≤0.1 時為弱變異性，處于0.1～1 時為中等變異性，≥1 時為強(qiáng)變異性[14]。從表3可看出： 8項評價指標(biāo)除硝態(tài)氮外，其余指標(biāo)的變異系數(shù)處于0.1～1之間，屬于中等變異性，說明庫區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性不大、整體含量較穩(wěn)定；硝態(tài)氮的變異系數(shù)達(dá)到1.328，說明該地區(qū)土壤硝態(tài)氮含量變化很大。

2.2 不同坡改梯年限土壤肥力的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征

對所測定的不同坡改梯年限土壤肥力各項指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表5。從均值來看，速效鉀含量最高的是開墾年限為9 a的坡改梯地；全氮及銨態(tài)氮含量最高的是開墾年限為2 a的坡改梯地；有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、速效磷、全磷和全鉀含量最高的是開墾年限為20 a的坡改梯地；全氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷和全鉀含量最低的是開墾年限為9 a的坡改梯地土壤；有機(jī)質(zhì)含量最低的是開墾年限為2 a的坡改梯地土壤；速效鉀含量最低的是開墾年限為14 a的坡改梯地土壤；銨態(tài)氮含量最低的是開墾年限為35 a的坡改梯地土壤。

從變異系數(shù)來看，各不同開墾年限坡改梯地土壤養(yǎng)分8項指標(biāo)的變異系數(shù)主要處于0.1～1之間，屬于中等變異性，其中：有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最高的是開墾年限為35 a的坡改梯地；全氮、硝態(tài)氮、速效鉀、速效磷以及全磷變異系數(shù)最高的是開墾年限為2 a的坡改梯地；銨態(tài)氮變異系數(shù)最高的是開墾年限為20 a的坡改梯地；全鉀變異系數(shù)最高的是開墾年限為14 a的坡改梯地；速效磷、全磷和全鉀變異系數(shù)最低的是坡耕地；銨態(tài)氮和速效鉀變異系數(shù)最低的是開墾年限為9 a的坡改梯地土壤；有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮變異系數(shù)最低的是開墾年限為14 a的坡改梯地土壤。

表5 不同坡改梯年限土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的統(tǒng)計特征

2.3 不同坡改梯年限土壤肥力質(zhì)量評價

為了探討坡改梯后其土壤質(zhì)量的變化，即對土壤屬性進(jìn)行定量評價，我們采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊集加乘法則建立綜合肥力指數(shù)評價模型IFI，對文中8個土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。首先運(yùn)用式(1)和式(2)求得不同年限坡改梯地土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值和權(quán)重(見表6)。然后根據(jù)加乘法則對各個肥力因子指標(biāo)值采用乘法進(jìn)行合成，利用式(3)計算不同坡改梯年限土壤肥力綜合評價指數(shù)(圖1)。最后，得到坡耕地(0 a)及坡改梯地年限分別為2、9、14、20、35 a的土壤肥力質(zhì)量綜合指數(shù)0.380、0.324、0.383、0.474、0.389、0.445，土壤肥力綜合評價指數(shù)(IFI)大小排序為14 a>35 a>20 a>9 a>0 a(坡耕地)>2 a。

表6 不同坡改梯年限土壤肥力指標(biāo)權(quán)重及隸屬度值

從圖1中可以看出，總體而言，該研究區(qū)土壤肥力較低，坡改梯工程短時間內(nèi)不利于土壤養(yǎng)分的集聚，但隨著年限的增加，土壤肥力總體呈上升趨勢。對不同年份和土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)進(jìn)行擬合，其上升趨勢符合關(guān)系式y(tǒng)=0.017 4x+0.338 3；坡改梯地年限為2 a的土壤肥力有所下降，而坡改梯年限分別為9、14、20和35 a的土壤養(yǎng)分則持續(xù)增加，其中坡改梯年限為14 a的土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)有一個峰值出現(xiàn)。

圖1 不同坡改梯年限土壤肥力綜合評價指數(shù)演變特征

實施坡改梯后，土壤受到擾動，當(dāng)不同層次土壤混合后，必然會導(dǎo)致土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)質(zhì)量的下降，所以在坡改梯初期土壤養(yǎng)分低于同期坡耕地[9]。但是由于坡改梯后顯著改善了土壤的坡度，降低了水土流失強(qiáng)度，加之生物的自肥作用，從而長期有效促進(jìn)了養(yǎng)分的積累；另外，隨著連年的耕作及有機(jī)和無機(jī)肥料的投入，促進(jìn)了物質(zhì)元素的積累，土壤碳、氮、磷、鉀等元素含量增加。所以，隨著年限的不斷增加，坡改梯土壤化學(xué)性質(zhì)有所改善，土壤養(yǎng)分總體呈上升趨勢。至于坡改梯年限為14 a的土壤肥力質(zhì)量出現(xiàn)峰值，可能是采樣點(diǎn)位于巫峽鎮(zhèn)龍山村的緣故，據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，當(dāng)?shù)刈?2011 年開始大力助推農(nóng)業(yè)發(fā)展，對農(nóng)民種植糧田、蔬菜等進(jìn)行農(nóng)科指導(dǎo)、技術(shù)培訓(xùn)等，土壤肥力質(zhì)量較高可能得益于當(dāng)?shù)胤柿系暮侠硎┯煤陀灭B(yǎng)地的有效結(jié)合。

3 結(jié) 論

整體而言，三峽庫區(qū)土壤肥力較低；從變異系數(shù)來看，各不同開墾年限坡改梯地土壤養(yǎng)分8項指標(biāo)中，除硝態(tài)氮為強(qiáng)變異性外，其余7項指標(biāo)的變異系數(shù)主要處于0.1～1之間，屬于中等變異；不同年限坡改梯地土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)大小排序為14 a>35 a>20 a>9 a>0 a(坡耕地)>2 a，說明坡改梯工程短時間內(nèi)不利于土壤養(yǎng)分的集聚，但隨著年限的增加，土壤肥力總體呈上升趨勢。

本研究存在一些問題有待改進(jìn)：首先，重慶巫山地處山區(qū)，土層厚度不大，土壤的整體環(huán)境條件較為復(fù)雜，土壤肥力質(zhì)量隨坡改梯時間推移受到的影響因素較多，如農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、施肥水平變化、作物類型變更等，加之采樣過程中除時間因素外未能排除其他因素的影響，而這些外在條件都會給評價結(jié)果帶來一定的誤差；其次，對于土壤肥力質(zhì)量的評價，本研究僅選取了土壤養(yǎng)分中的8項具代表性的指標(biāo)，評價指標(biāo)不夠全面勢必會對評價結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

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