旱作條件下海拔梯度對土壤理化性質(zhì)的影響

吳大方，黃明鏡，王國芳，張吳平

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學山西有機旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西太原030031；3.山西農(nóng)業(yè)大學軟件學院，山西太谷030801）

耕地土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，為我國41%的農(nóng)村人口提供了生活保障。我國人均耕地僅占世界人均耕地的44%。當前，耕地土壤面臨的問題主要體現(xiàn)在2 個方面，一方面，目前我國耕地的資源環(huán)境承載能力已經(jīng)接近極限；另一方面，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展以及國民食物消費結(jié)構(gòu)的變化，我國用于生產(chǎn)口糧的耕地總量呈現(xiàn)減少趨勢[1]。在耕地數(shù)量接近紅線的情況下，土壤質(zhì)量的提高成為廣大學者研究的熱點。而且由于耕作措施的改革，土壤的理化性質(zhì)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時期相比也發(fā)生了變化。山西省是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，水資源不充分，土壤質(zhì)量對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大，只有根據(jù)土壤質(zhì)量條件制定適當?shù)霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，才能達到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效、持續(xù)發(fā)展的要求[2]。付麗霞等[3]研究表明，土壤肥力較差的土地，通過增施優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥、實行秸稈還田，可以較好地改善土壤理化性狀。金永貴等[4]研究發(fā)現(xiàn)，與免耕相比，休閑期耕作可以改善土壤物理性狀，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤≥0.25 mm團粒粒徑的比例。在此背景下，調(diào)查耕地土壤理化性質(zhì)，對耕地進行特殊保護、提高耕地土壤可持續(xù)發(fā)展能力顯得尤為重要。

海拔作為間接生態(tài)因子，通過影響土壤所處環(huán)境的溫度、濕度、風速、日照強度、日照時長等環(huán)境因子，影響土壤的理化性質(zhì)。已有大量研究發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)與海拔高度有著密不可分的關(guān)系。許連富等[5]研究表明，不同海拔梯度下，土壤類型的差異較大，不同土壤類型的土壤受到環(huán)境影響時其理化性質(zhì)變化的幅度和敏感度有一定區(qū)別。土壤理化性質(zhì)與海拔梯度的相關(guān)性較高，土壤有機質(zhì)、含水量會隨海拔升高而升高，pH 值隨海拔升高呈先降低后升高的趨勢，土壤表層全氮含量隨海拔升高而顯著增加[6]。吳玥等[7]研究表明，土壤有機質(zhì)含量會隨海拔升高而呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，在一定海拔高度達到最大值。高大威等[8]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH 值隨海拔升高而呈先增加后減小的變化趨勢；而土壤全磷和全鉀含量隨著海拔升高呈現(xiàn)減小趨勢，土壤堿解氮和速效磷含量隨著海的拔升高均呈顯著增加趨勢；土壤有機碳、全氮、速效鉀和碳氮比隨海拔升高變化不顯著。魏強等[9]研究表明，隨著海拔變化，土壤容重、總孔隙、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀和速效鉀無明顯變化。王長庭等[10]研究表明，土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤速效氮、土壤全磷含量隨海拔升高呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。

對于旱作區(qū)耕地土壤理化性質(zhì)的研究大多以耕地土壤養(yǎng)分動態(tài)為主，但對于耕地土壤理化性質(zhì)與海拔梯度相互關(guān)系的研究較少。山西省晉南地區(qū)（包含運城、臨汾兩地）的海拔跨度較大，且海拔高度分布不均勻，是山西典型的旱作區(qū)。其中，垣曲縣與鄉(xiāng)寧縣黃河灘兩地的海拔不足400 m，而太岳山的霍山與垣曲縣舜王坪海拔高達2 300 m[11]。區(qū)域范圍內(nèi)地形多樣，高地懸殊，有高山、丘陵、平原、洼地等多種地形，因而既有緯度地帶性氣候，又有明顯的垂直變化[12-13]，海拔跨度大，不同海拔高度上，日照、氣溫、氣壓、濕度等因子不同，對耕地土壤的影響不同。

本研究旨在探究山西省晉南地區(qū)旱作條件基礎(chǔ)上，不同海拔梯度上土壤全氮、pH、容重及有機質(zhì)的分布規(guī)律，為山西發(fā)展有機旱作農(nóng)業(yè)和合理利用土地資源及耕地資源的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

山西晉南地區(qū)位于汾河下游，地處黃河流域黃土高原，包含運城、臨汾兩地，是傳統(tǒng)的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。其中，運城平均海拔約為370 m，臨汾為450 m，但境內(nèi)有中條山、呂梁山、太岳山等山脈，最高海拔高達2 346.8 m，該地區(qū)海拔跨度比較大。夏季高溫多雨，年平均氣溫10～14 ℃，年降水量500～650 mm，無霜期160～220 d。耕地土壤多為褐土，表層有機質(zhì)含量為0.7%～1.2%，適宜農(nóng)作物的生長。研究區(qū)涉及運城和臨汾共18 個縣市。

1.2 土壤采樣方法

采樣地選自臨汾、運城兩地的襄汾縣、洪洞縣、垣曲縣、萬榮縣等18 個縣市的不同海拔耕地，根據(jù)其土壤類型選取，使樣品包含臨汾、運城兩地常見的各種土壤類型，選擇各地有代表性的耕地。海拔選擇范圍為350～1 177 m，共選取其中15 個海拔作為樣本，在選擇不同海拔的耕地時，由于耕地分布并不是嚴格按照同一距離分布，故采樣點之間的海拔差距在50～150 m 浮動。在每一海拔選擇一塊面積約500 m2的樣地作為1 個單元進行采樣，采樣方法使用五點采樣法，每個點取0～10 cm 和10～20 cm 環(huán)刀土和擾動土各3 個。將采集的擾動土樣混合均勻，帶回風干后過2 mm 篩用來測定pH、全氮含量，部分樣品過0.149 mm 篩用來測定有機質(zhì)含量。將環(huán)刀帶回實驗室用烘箱測定容重。

1.3 測定項目及方法

采用重鉻酸鉀滴定法測定土壤樣品中的有機質(zhì)含量，全氮含量采用凱式定氮法測定，土壤pH 值采用電位法（GB 7859—87）測定，土壤容重測定采用環(huán)刀法[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0 和Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)與海拔梯度的相關(guān)性分析

表1 0～10 cm 土壤理化性質(zhì)與海拔梯度的相關(guān)性分析

從表1 可以看出，0～10 cm 耕地土壤有機質(zhì)和全氮含量與海拔梯度的相關(guān)性達極顯著水平（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別達到0.737 和-0.873；且在該層土壤有機質(zhì)和全氮的相關(guān)性也達到了極顯著水平（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.762。

從表2 可以看出，在10～20 cm 土層，土壤有機質(zhì)和全氮含量與海拔梯度的相關(guān)性達到極顯著或顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.669 和-0.608；且在10～20 cm 土層土壤容重分別與有機質(zhì)和全氮含量相關(guān)系數(shù)分別達到了-0.566 和0.451，但未達顯著水平。

表2 10～20 cm 土壤理化性質(zhì)與海拔梯度的相關(guān)性分析

2.2 土壤有機質(zhì)與海拔梯度的關(guān)系

土壤有機質(zhì)含量隨著海拔升高呈升高趨勢。經(jīng)回歸分析得出，各土層有機質(zhì)含量均與海拔梯度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）（表3）；10～20 cm 土層有機質(zhì)含量高于0～10 cm 土層有機質(zhì)含量，但隨著海拔高度升高，0～10 cm 有機質(zhì)含量不斷向10～20 cm 有機質(zhì)含量靠近，并且最終0～10 cm 有機質(zhì)含量有超過10～20 cm 有機質(zhì)含量的趨勢（圖1）。

表3 表層耕地土壤有機質(zhì)含量與海拔的回歸分析

2.3 土壤全氮與海拔梯度的關(guān)系

土壤全氮含量隨著海拔升高而呈降低趨勢。經(jīng)回歸分析得出，各土層全氮均與海拔梯度呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）（表4）。10～20 cm 土層全氮含量低于0～10 cm 土層全氮含量，但隨著海拔升高，0～10 cm 和10～20 cm 全氮含量相近，并且最終10～20 cm 全氮含量超過10～20 cm 全氮含量（圖2）

表4 表層耕地土壤全氮含量與海拔的回歸分析

2.4 土壤pH、土壤容重與海拔梯度的關(guān)系

0～10 cm 土壤容重和0～20 cm 土壤pH 與海拔梯度相關(guān)性均不顯著，而10～20 cm 土壤容重與海拔梯度顯著負相關(guān)（表5），10～20 cm 土壤容重隨海拔升高而降低。從回歸曲線（圖3、4）來看，在海拔梯度內(nèi)，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 表層耕地土壤容重和pH 與海拔的回歸分析

3 結(jié)論與討論

山西省晉南地區(qū)是典型的中緯度干旱半干旱地區(qū)，晉南地區(qū)耕地多為旱作雨養(yǎng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本環(huán)境因子是光、熱、水、肥、氣。而制約旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的其中一個重要原因是地薄肥少[15]。晉南地區(qū)地形復雜，海拔跨度大，不同海拔耕地土壤的光、熱、水、氣有著較大差異，從而影響土壤理化性質(zhì)。

旱作條件下，土壤水分較少，微生物活躍性低，土壤的理化性質(zhì)直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，土壤理化性質(zhì)在空間和時間上呈現(xiàn)異質(zhì)性分布[16]。本研究表明，0～10 cm 與10～20 cm 的有機質(zhì)含量與海拔梯度呈極顯著正相關(guān)。這主要與當?shù)氐臍夂颦h(huán)境有關(guān)，晉南地區(qū)地處盆地，日照時間長，但丘陵較多，海拔高處日照更加充足。隨著海拔的升高，作物受到的光合作用增強，C 元素更多地在高海拔土壤中累積，導致有機質(zhì)隨著海拔升高而升高。這與柳領(lǐng)君[17]、劉偉等[18]和李長燕[19]的研究結(jié)果一致。而王瓊芳等[20]研究表明，旱作條件下土壤有機質(zhì)含量隨海拔梯度的升高而降低。0～10 cm 土壤有機質(zhì)與海拔梯度極顯著正相關(guān)的原因可能是因為高海拔處人為活動較少，植被蓋度高，表層土壤含水量較高，微生物活動較頻繁，故土壤有機質(zhì)含量與海拔呈正相關(guān)，而10～20 cm 土壤有機質(zhì)與海拔梯度極顯著正相關(guān)，可能是由于表層有機質(zhì)在經(jīng)受地表徑流等因素影響時向下擴散，導致10～20 cm 與0～10 cm有機質(zhì)變化趨勢一致。同時旱作地區(qū)地表干燥，保水保肥能力不如底層土壤，導致10～20 cm 土層土壤有機質(zhì)含量高于0～10 cm 土層。

本研究表明，0～20 cm 表土層全氮量與海拔梯度呈顯著負相關(guān)。表層土壤全氮含量隨著海拔升高而降低。原因是因為隨著海拔升高，土壤表層積溫降低，微生物活動強度降低，從而導致土壤氮含量隨海拔升高而降低。魏強等[9]研究表明，2 300～2 700 m 海拔對土壤全氮的影響不顯著，原因可能是因為其研究的海拔較高，當海拔到達一定高度后，海拔變化對土壤全氮的影響趨于穩(wěn)定。而本研究中的海拔較低，且跨度較大，地表積溫差異明顯，導致結(jié)果中海拔對土壤全氮含量的影響顯著。

本研究表明，0～10 cm 土壤容重與海拔梯度相關(guān)性不顯著，而10～20 cm 土壤容重海拔梯度呈顯著正相關(guān)。導致土壤表層容重不受海拔梯度變化得影響的原因可能是由于當?shù)夭煌０螚l件下，種植作物種類不同，人為影響程度有差異，且海拔下耕作措施和農(nóng)田管理措施都有很大的隨機性，從而導致土壤容重受海拔梯度影響的程度不高。這與王順利等[21]、魏強等[9]的研究結(jié)果相同。但馬劍等[22]研究表明，隨海拔升高，土壤容重隨之升高。而10～20 cm土壤容重海拔梯度呈顯著負相關(guān)，原因是由于隨著海拔的升高，人為活動減少，土壤有機碳不斷積累，導致下層土壤容重隨海拔上升有所提高。本研究結(jié)果表明，人為因素很可能對土壤容重的影響程度高于海拔；在不同海拔下，人為的農(nóng)業(yè)措施對土壤容重的影響較為直接，而環(huán)境對土壤容重的影響比較緩慢。人類活動對土壤變化的影響自有人類以來就不曾間斷過，只是這種影響因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具、耕作方式、物質(zhì)投入方式與數(shù)量等因素的變化程度不同而異[23]。

0～20 cm 土壤pH 與海拔梯度相關(guān)性不顯著，原因可能是由于不同海拔種植的作物不同，旱作條件下，低海拔地區(qū)多種植小麥谷子，高海拔地區(qū)多種植玉米。不同作物的種植導致土壤表層的枯枝落葉層在分解過程中，所產(chǎn)生的有機酸含量差異顯著，從而影響土壤中的pH；而且在不同地形情況下，地表徑流隨機因素多，土壤pH 受影響較為嚴重。這些隨機因素是導致pH 與海拔相關(guān)性不顯著的主要原因。

本研究表明，0～20 cm 耕地表層土壤有機質(zhì)和全氮含量均與海拔梯度變化呈顯著相關(guān)。土壤有機質(zhì)含量隨海拔升高而升高，且10～20 cm 有機質(zhì)含量高于0～10 cm，但隨著海拔升高，0～10 cm 有機質(zhì)含量逐漸接近10～20 cm 有機質(zhì)含量，且有超出的趨勢。而全氮含量隨海拔升高而降低，且0～10 cm全氮含量高于10～20 cm，但隨著海拔升高，10～20 cm 全氮含量逐漸接近0～10 cm 全氮含量，且有超出的趨勢。pH 和容重與海拔沒有顯著相關(guān)性。對于旱作條件下耕地土壤海拔跨度較大的地區(qū)，應該在較低海拔地區(qū)適當?shù)囟嗍┯糜袡C肥，在高海拔地區(qū)適當?shù)囟嘌a充土壤氮含量，對不同海拔的耕地應當采取相應的管理模式和耕作措施。