陕北黄土坡面微地形土壤化学性质

张宏芝，朱清科，赵磊磊，邝高明，谢静，李镇

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

陕北黄土坡面微地形土壤化学性质

张宏芝，朱清科†，赵磊磊，邝高明，谢静，李镇

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

由于侵蚀等原因使陕北黄土坡面不平整形成了各种微地形，造成了土壤化学性质的差异。通过对黄土区自然恢复状态下的微地形土壤化学性质进行调查，分析不同微地形之间的土壤异质性。结果表明:1)研究区内5种微地形与原状坡相比相对土壤化学性质均有一定改善，土壤有机质质量分数表现为塌陷微地形最高，切沟、缓台和浅沟微地形居中，原状坡和陡坎微地形最低;2)全效养分中，全效氮的质量分数与有机质质量分数规律一致，而全效磷和全效钾的质量分数差异较小;3)速效养分中，缓台、切沟、塌陷微地形中3种速效养分的质量分数较高，而陡坎微地形速效养分质量分数比较低;4)土壤阳离子交换量随土层深入而减小，在5种微地形中顺序为浅沟＞塌陷＞切沟＞原状坡＞缓台＞陡坎，pH值和碳酸钙质量分数在5种微地形中差异较小;5)通过对5种微地形和原状坡的3个土层的土壤化学性质进行灰色关联分析，发现塌陷和缓台微地形的关联度最高，而原状坡和陡坎微地形最低。

黄土坡面;微地形;土壤化学性质

在已有的微地形研究中，对土壤水分进行研究分析的居多，并提到了各类微地形之间的差异［5-7］，也有学者对土壤理化性质开展了调查研究［8-12］。前人的研究中指出了微地形的影响［13-15］，但并没有系统地将地形进行微地形的划分。笔者根据黄土区实际情况，对黄土区自然恢复状态下的微地形进行了划分，具体划分为浅沟、切沟、塌陷、缓台和陡坎5种微地形，并对不同微地形土壤的化学性质的异质性进行分析，以期对黄土区的植被恢复提供理论基础。

1 研究区概况

吴起县位于陕西省延安地区西北部，E 107°38'57″～108°32'49″，N 36°33'33″～37°24'27″，总面积3 791.5 km2，海拔1 233～1 809 m，该地区属半温带大陆性季风气候，年平均气温7.8℃。多年平均降雨量483.4 mm，雨季集中在7、8和9月份。属于黄土丘陵沟壑地貌，主要土壤类型为黄绵土。植被类型表现为中温带森林灌丛草原植被向草原化森林灌丛草原植被过渡特征。乔木树种主要有河北杨(Populus hopeiensis)、小叶杨(Populus simonii)、旱柳(Salix matsudana)等;灌木状树种主要有沙棘(Hippophae rhamnoides)、柠条(Caragana korshinskii)等;草本植物主要有茭蒿(Artemisia giraldii)、冷蒿(Artemisia frigida)、茵陈蒿(Artemisia capillaris)、针茅(Stipa capillata)、早熟禾(Poa annua)等。

2 研究方法

2.1 微地形的划分

微地形是指黄土坡面由于土壤侵蚀等作用形成的大小不等、性状各异的局部地形。微地形造成了水热养分等条件的差异变化，这种变化又影响着地表植被的生长;因此，对黄土坡面的微地形土壤质量进行研究，探讨其土壤质量的异质性及其在进行植被配置后的变化，对黄土高原植被恢复具有重要的意义。

根据黄土区实际情况，从小尺度入手将黄土区的地形分为浅沟、切沟、塌陷、缓台和陡坎5种微地形。浅沟是侵蚀沟发育的初级阶段，其横断面为宽浅槽形，一般深0.5～1.0 m，宽2～3 m;切沟是浅沟侵蚀的继续发展，横断面呈V字形，在长、宽、深3方面侵蚀同时不同程度地进行，切沟深1～2 m至10多m，宽2～3 m至数10 m;塌陷是指在切沟形成之前由于水力侵蚀和重力侵蚀的混合作用而形成凹陷状的微地形;缓台是坡面内坡度明显小于原状坡坡面平均坡度的局部地块;陡坎是坡面内坡度明显大于原状坡坡面平均坡度的局部地块。

2.2 采样方法

选取自然恢复的合沟流域作为研究区域，对该区域微地形的分布进行调查，确定半阳坡向的微地形为研究样地，同时取与微地形相邻的原状坡为对照样地。每个样地设置3个样点，从微地形的中心部位随机取样，挖土壤剖面分0～20，20～40和40～60 cm 3个层次采取土样，每层取土样500 g左右放入土壤采集袋中保存并带回实验室，用以测定土壤化学性质。在研究区域内共挖土壤剖面48个，土壤样品共144个。

2.3 土壤化学性质的测定

对土壤的化学性质进行测定，指标有速效氮、速效磷、速效钾、全效氮、全效磷、全效钾、有机质、阳离子交换量、碳酸钙和pH值。测定方法如下:速效氮的测定采用碱解扩散法;速效磷的测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼蓝比色法;速效钾的测定采用NH4OAc浸提—火焰光度法;全效氮的测定采用半微量凯氏法;全效磷的测定采用NaOH熔融，钼蓝比色法;全效钾的测定采用NaOH熔融，火焰光度法;有机质的测定采用重铬酸钾容量法—外加热法;阳离子交换量的测定采用乙酸钠—火焰光度法;碳酸钙的测定采用中和滴定法;pH的测定采用电位法。

2.4 数据分析

用灰色关联分析法对5种微地形进行排序［16-17］。

同时，教师还要转变家长的观念，使家长清楚家长助教是为了能够实现家园共育，家长不仅仅只是听从教师的安排，而是要和教师一起共同促进幼儿的发展。

3 结果与分析

3.1 不同微地形有机质质量分数

不同微地形有机质质量分数测定结果见图1。可以看出:5种微地形中，0～20 cm土层土壤的有机质质量分数从大到小的顺序是塌陷＞切沟＞缓台＞浅沟＞原状坡＞陡坎，其中塌陷的有机质质量分数是15.19 g/kg，是原状坡的1.9倍，显著高于其他几种微地形;20～40 cm土层有机质质量分数从小到大的顺序是塌陷＞浅沟＞切沟＞缓台＞原状坡＞陡坎;40～60 cm土层土壤有机质质量分数从大到小的顺序是塌陷＞切沟＞缓台＞原状坡 ＞陡坎＞浅沟。

图1 不同微地形土壤有机质质量分数Fig．1 Soil organic matter contents in different micro-topography

黄土高原黄绵土表层土壤有机质的质量分数一般低于8.0 g/kg，研究中0～20 cm土层原状坡的有机质质量分数为7.95 g/kg，处于平均水平，陡坎的有机质质量分数为6.15 g/kg，低于平均水平，其他塌陷、浅沟、切沟、缓台微地形的有机质质量分数均高于平均水平。塌陷、切沟和缓台的有机质质量分数在3个土层中均高于其他微地形，其中塌陷土壤有机质的质量分数最高，这是因为塌陷比其他微地形更有利于保水保肥，而有机质质量分数高，有利于促进植被生长，同时植被又会促进有机质质量分数的增加。塌陷、浅沟和原状坡的有机质质量分数随土层的深入逐渐减小，而缓台、切沟和陡坎则是先减小后增加，20～40和40～60 cm土层有机质质量分数均低于表层。因为土壤有机质的来源主要是地表植被，研究区是自然恢复11年，植被主要是草本，根系生长比较浅;因此，有机质主要集中在0～20 cm土层。

3.2 不同微地形土壤氮素

不同微地形土壤全效氮质量分数测定结果见图2，速效氮质量分数测定结果见图3。

图2 不同微地形土壤全效氮质量分数Fig．2 Total N content of soil in different micro-topography

图3 不同微地形土壤速效氮质量分数Fig．3 Available N content of soil in different micro-topography

从图2中可以看出:土壤全效氮的质量分数随土层的深入而下降。0～20 cm土层全效氮质量分数从大到小的顺序为塌陷＞切沟＞缓台＞原状坡＞浅沟 ＞陡坎，塌陷的全效氮质量分数最高，达到0.92 g/kg，是全效氮质量分数最少的陡坎的2.5倍;20～40 cm土层全效氮质量分数从大到小的顺序是塌陷＞切沟＞原状坡 ＞缓台 ＞浅沟＞陡坎;40～60 cm土层全效氮质量分数从大到小的顺序是塌陷＞切沟＞原状坡＞缓台＞浅沟＞陡坎。3个土层中土壤的全效氮质量分数的顺序变化基本一致。说明不同微地形对土壤全效氮质量分数的影响在3个土层是相同的。

从图3中可以看出:土壤速效氮质量分数除了浅沟和缓台外，切沟、塌陷、陡坎和原状坡都是随着土层的深入而减小，浅沟和缓台则是随土层的深入先减小后增加，原因是地表植被的不同造成了土壤中速效氮质量分数的不同;0～20 cm土层5种微地形中土壤速效氮质量分数从大到小的顺序为塌陷＞切沟＞缓台＞浅沟＞原状坡＞陡坎;20～40 cm土层中速效氮质量分数从大到小的顺序是塌陷＞陡坎＞浅沟、切沟＞原状坡＞缓台;40～60 cm土层中速效氮质量分数从大到小的顺序是缓台＞浅沟＞塌陷＞陡坎＞切沟＞原状坡。

土壤全效氮和速效氮质量分数在5种微地形中的趋势基本一致，在塌陷微地形中，全效氮和速效氮的质量分数都是最高的，陡坎的质量分数都是最低的。速效氮质量分数受当季地表植被的影响，因此其变化是比较大的。以塌陷为例，塌陷的全效氮质量分数在3个土层中都是最大的，而速效氮质量分数在40～60 cm土层却小于缓台和浅沟，原因就是塌陷中的植被比较高大，根系入土较深，而对深层的速效氮吸收相对来说要高于其他微地形。

3.3 不同微地形土壤磷素

不同微地形中土壤全效磷质量分数测定结果见图4，速效磷质量分数测定结果见图5。沟仅相差2.24 g/kg。

图4 不同微地形土壤全效磷质量分数Fig．4 Total P content of soil in different micro-topography

从图5可以看出:0～20 cm土层土壤中速效磷质量分数从大到小的顺序为缓台＞浅沟＞切沟、塌陷、原状坡＞陡坎;20～40 cm土层速效磷质量分数从大到小的顺序是缓台＞原状坡＞切沟＞浅沟＞塌陷＞陡坎;40～60 cm土层速效磷质量分数从大到小的顺序是缓台＞浅沟＞原状坡＞陡坎＞切沟＞塌陷。3个土层中缓台的速效磷质量分数显著高于其他几种微地形。

5种微地形及原状坡土壤全效磷质量分数在20～40和40～60 cm土层差别都比较小，基本处于同一水平。而速效磷质量分数水平普遍不高，原因是研究区内pH值偏高，碳酸钙质量分数较大，可溶性磷酸盐首先会生产磷酸钙沉淀，随着时间的推移，逐渐形成难溶解的磷酸盐，降低了磷的有效性。速效磷质量分数除浅沟外，其他微地形和原状坡都是随着土层的深入质量分数逐渐减小。

3.4 不同微地形土壤钾素

不同微地形中土壤全效钾质量分数测定结果见图6，速效钾质量分数测定结果见图7。

图5 不同微地形土壤速效磷质量分数Fig．5 Available P content of soil in different micro-topography

从图4可以看出:全效磷质量分数在0～60 cm土层的总体趋势是随着土层的深入先减小后增大;在每种微地形的3个土层中质量分数差别较小;0～20 cm土壤中全效磷质量分数从大到小的顺序为缓台＞陡坎＞塌陷＞切沟＞原状坡＞浅沟;土壤全效磷在5种微地形中质量分数变化幅度是比较小的，全效磷质量分数最高的缓台，与质量分数最低的浅

图6 不同微地形土壤全效钾质量分数Fig．6 Total K content of soil in different micro-topography

图7 不同微地形土壤速效钾质量分数Fig．7 Available K content of soil in different micro-topography

从图6可以看出:全效钾在0～20 cm土层质量分数从大到小的顺序是陡坎＞缓台＞浅沟＞原状坡＞塌陷＞切沟;20～40 cm土层从大到小的顺序是陡坎＞原状坡＞浅沟＞塌陷＞缓台＞切沟;40～60 cm土层从大到小的顺序是浅沟＞缓台＞原状坡＞陡坎＞塌陷＞切沟。陡坎的全效钾在5种微地形中是最高的，这与氮元素质量分数和磷元素质量分数的情形相反，说明陡坎对全效钾的积累有利。全效钾在3个土层中的质量分数差别较小，说明土层深度对全效钾的积累影响不大，钾素的质量分数主要取决于含钾矿物，而含钾矿物与土壤形成及土壤质地密切相关。研究区内的土壤质地都是黄绵土，质地基本相同，因此，全效钾的质量分数差异不大。

从图7可以看出:0～20 cm土层土壤速效钾质量分数从大到小的顺序为切沟＞缓台＞浅沟＞塌陷＞原状坡＞陡坎;20～40 cm土层从大到小的顺序是切沟＞缓台 ＞浅沟 ＞原状坡 ＞陡坎＞塌陷;40～60 cm土层从大到小的顺序是缓台＞浅沟＞原状坡＞陡坎＞塌陷＞切沟。在3个土层中，缓台的速效钾质量分数均比较高，原状坡和陡坎速效钾质量分数相对较低。

3.5 不同微地形土壤酸碱性、碳酸钙质量分数和阳离子交换量

对各个微地形的化学性质进行分析，包括土壤的酸碱性、碳酸钙质量分数和阳离子交换量，其测定结果见表1。可以看出:研究区内土壤 pH值在8.2～8.5之间，属于弱碱性土壤;pH值随着土层的深入而增大。这是由于表层土壤有机质质量分数比较高，植被生长状况好，有机质分解后放出H+和植物根系分泌出H+，都会降低土壤的pH值。

土壤阳离子交换量是土壤肥力的重要特征之一，是土壤保肥供肥能力和酸碱缓冲能力的重要标志。从表1可以看出:不同微地形中，0～20 cm土层土壤阳离子交换量从大到小的顺序为浅沟＞塌陷＞切沟＞原状坡＞缓台＞陡坎;20～40 cm土层阳离子交换量从大到小的顺序是塌陷＞浅沟＞原状坡＞缓台＞切沟＞陡坎;40～60 cm土层阳离子交换量从大到小的顺序是塌陷＞浅沟、切沟＞原状坡＞缓台＞陡坎。塌陷和浅沟微地形的阳离子交换量在3个土层中均高于其他微地形。土壤阳离子交换量随着土层的深入而逐渐减小，这是由于表层土壤植被生长良好，枯枝落叶和腐殖质较多，根系活跃，因此，阳离子交换量比下层有所增加。

碳酸钙对土壤养分有很大影响，钙本身是植物生长不可缺少的营养元素之一。从表1可以看出:0～20 cm土层土壤中各微地形碳酸钙质量分数从大到小的顺序为陡坎＞浅沟＞原状坡＞塌陷＞缓台＞切沟，20～40 cm土层碳酸钙从大到小的顺序是浅沟＞切沟＞原状坡＞陡坎＞缓台＞塌陷，40～60 cm土层碳酸钙从大到小的顺序是原状坡＞切沟、陡坎＞浅沟＞缓台＞塌陷。碳酸钙质量分数在同一微地形3个土层之间的变化没有明显规律性。研究区内的碳酸钙质量分数在15% ～19%之间，属于碳酸钙质量分数比较高的地区。由于研究区地处陕北黄土区，气候干旱，淋溶作用很弱，因此，碳酸钙质量分数较高。

表1 不同微地形阳离子交换量、碳酸钙、土壤pH值测定结果Tab．1 Soil cation exchange capacity，calcium carbonate content and soil pH values in different micro-topography

3.6 5种微地形土壤养分和土壤化学性质的灰色关联分析

利用灰色系统理论对土壤的化学性质进行分析，排序结果见表2。可以看出:0～20 cm层土壤化学性质灰色关联度从大到小的顺序是塌陷＞缓台＞切沟＞浅沟＞陡坎＞原状坡;20～40 cm层灰色关联度从大到小的顺序是塌陷＞缓台＞浅沟＞切沟＞原状坡＞陡坎;40～60 cm土层化学性质灰色关联度从大到小的顺序是缓台＞塌陷＞切沟＞浅沟＞原状坡＞陡坎。在3个土层中，塌陷和缓台的关联度都最高，原状坡和陡坎的则是最低的。这说明塌陷和缓台的化学性质最好，切沟、浅沟居中，原状坡和陡坎最差。

表2 不同微地形化学性质关联度Tab．2 Correlation degree of soil chemical properties in different micro-topography

4 结论

1)土壤中有机质质量分数塌陷最高，切沟、缓台和浅沟居中，原状坡和陡坎质量分数最低。

2)在土壤全效养分中，全效氮质量分数规律和有机质质量分数规律一致，塌陷最高。全效磷质量分数和全效钾质量分数在不同微地形中3个土层之间的差异较小。

3)速效养分中，速效氮的质量分数塌陷最高，切沟、浅沟和缓台居中，陡坎和原状坡最差。速效磷质量分数是缓台最高，切沟和浅沟居中，塌陷、原状坡和陡坎较差。速效钾质量分数是切沟和缓台较高，浅沟和原状坡居中，塌陷、陡坎最差。

4)土壤阳离子交换量随着土层的深入而逐渐减小，0～20 cm土层阳离子交换量从大到小的顺序为浅沟＞塌陷＞切沟＞原状坡＞缓台＞陡坎;pH值和碳酸钙质量分数在5种微地形中差异较小。

5)5种微地形化学因子灰色关联度中，3个土层塌陷和缓台的关联度都最高，原状坡和陡坎的则是最低的。

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Soil chemical properties of micro-topography on loess slope in Northern Shaanxi Province

Zhang Hongzhi，Zhu Qingke，Zhao Leilei，Kuang Gaoming，Xie Jing，Li Zhen
(College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry Universiy，100083，Beijing，China)

Due to erosion and other reasons，loess slope in Northern Shaanxi occurred unevenness，which formed a variety of micro-topography and led to differences in soil chemical properties.The soil chemical properties of the micro-topographies were investigated and analyzed in this paper.Results showed that:1)compared with undisturbed slope，soil chemical properties of five types of microtopography in study area were improved to some extent.Contents of soil organic matters in the 0-20 cm soil layer for the five micro-topography types were given as follows:collapse＞ gully，platform and ephemeral gully(EG)＞undisturbed slope and scarp.2)For the five types of micro-topography，the distribution of total N agreed with the soil organic matters，and there was no big difference between total P and total K.3)Except for scarp，available nutrients in collapse，gully，ephemeral gully(EG)and platform were higher than those in undisturbed slope.4)Cationic exchange capacity decreased with soil depth and performed the order of ephemeral gully(EG)＞ collapse＞ gully＞ undisturbed slope＞platform＞scarp.There were no significant difference between CaCO3and pH.5)From the analysis of grey correlation on the soil chemical properties of three soil layers of the five types of micro-topography and undisturbed slope，it can be concluded that the collapse and platform gained the closest correlation，but undisturbed slope and scarp were the worst.

loess slope;micro-topography;soil chemical properties

2011-02-24

2011-08-24

项目名称:十一五科技支撑课题“困难立地工程造林关键技术研究”(2006BAD03A0302)

张宏芝(1981—)，女，博士研究生。主要研究方向:生态环境地理学。E-mail:zhzwhx21@yahoo.com.cn

†责任作者简介:朱清科(1956—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向:水土保持和林业生态工程。E-mail:xiangmb@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)