三峡库区不同坡改梯年限土壤肥力质量评价研究

2014-04-02董宏伟陈国建刘玉芳

中国水土保持 2014年6期

董宏伟，陈国建，郭跃，韦杰，刘玉芳

(重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 400047)

长江三峡库区水土流失面积分布非常广，中度和强烈流失面积占库区水土流失总面积的64.55%[1]。库区山地丘陵面积占97.3%，大部分耕地都分布在山地丘陵等坡地。有研究表明，三峡库区90%以上的强度流失都发生在坡耕地。坡改梯是治理三峡库区坡耕地水土流失、实现当地农业生产可持续发展的重要措施[2-5]。国内关于坡改梯的研究多集中于对红壤坡地改梯后的水土保持效应、半干旱退化山区坡改梯土壤养分变化的探讨以及对长江上游、黄河上中游坡改梯对径流及生态环境的影响研究方面[6-8]。而对三峡库区不同坡改梯年限土壤养分的研究还少见报道。我们以重庆市巫山县典型坡改梯为研究对象，对三峡库区不同坡改梯年限土壤肥力质量进行研究评价，这对于三峡库区坡改梯后土地的合理有效施肥、防治水土流失以及确保库区生态环境安全具有重要的理论指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巫山县位于重庆市东北部，处于四川盆地东缘山地、鄂西高地和大巴山接壤地带，长江由西向东横跨县境中部。全县南北长约80.3 km，东西宽61.2 km，幅员2 958 km2。巫山县属川东平行岭谷区，有水稻土、潮土、紫色土、黄壤、石灰岩土、山地黄棕壤等6种土壤类型。在三峡库区蓄水后，该县丧失大量水稻土和潮土。目前巫山地区主要以黄壤、石灰岩土和山地黄棕壤为主，土壤质地以壤土为主(占77.2%)。当地属亚热带湿润季风气候，受东南季风和县境北部高山屏障影响，气候温和，雨量充沛，日照充足，四季分明，雨热同季。全年大于10 ℃活动积温为5 857.3 ℃，无霜期305 d，年平均降水量为1 049.3 mm。

1.2 研究方法与试验材料

1.2.1 土壤样品的采集

本研究采用时空互代法[9]，选取2、9、14、20、35 a(即坡改梯时间为1970、1992、1998、2003、2010年)5个年限的坡改梯及临近坡耕地(对照，年限为0 a)为样品采样点。研究区为浅丘地貌，土壤类型为黄壤。为了研究的准确性，尽量避免样地之间的差异，减少其他变量对分析结果的干扰，本研究选取施肥情况相似的相邻坡改梯并避开施肥期进行采样，土地利用方式选择旱地作物。土壤样本的采集按照基本等距离原则，各采样点均按S形布点采集耕层土壤，并在有代表性的地方挖取剖面土样，经混合均匀后，用四分法处理，最后将剩余的约1 kg样品带回实验室用以分析，本研究共采集190个样点(详见表1)。同时利用GPS定位仪确定经纬度。

1.2.2 土壤样品分析

本研究主要选取土壤有机质、全氮、氨态氮、硝态氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾8项指标，指标的测定方法参照《土壤农化分析》(第三版)[10]中的相关方法，具体见表2。

1.2.3 数据处理

1.2.3.1 土壤肥力质量评价指标

本研究选择土壤有机质、全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾8项作为土壤肥力质量评价指标，采用模糊判别模式，对三峡库区不同坡改梯年限土壤质量进行评价研究。

1.2.3.2 土壤肥力质量评价方法

土壤肥力质量的综合评价一般分为3个步骤，即评价指标隶属度的计算、权重系数的确定和综合评价指数的计算。

(1)评价指标隶属度的计算。由于土壤因子变化具有连续性质，故各评价指标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性确定隶属度函数分布的升降性。土壤各项养分因子采用升型分布函数计算[11]，即

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

(1)

式中：Fi为各评价指标的隶属度值；xi为各评价指标的数值；ximax和ximin分别为第i项评价指标中的最大值和最小值。

(2) 评价指标权重的计算。本研究基于土壤属性本身内在的关系，利用因子分析法得到各土壤评价指标的公因子方差，通过计算各个公因子方差占公因子方差总和的百分数，将权重值转换为0～1的数值[12-13]。

(2)

式中：Wi为土壤各指标的权重值；Ki为各评价指标因子分析的公因子方差。

(3)土壤肥力综合评价指数的计算。采用模糊数学中模糊集的加乘法则建立综合肥力指数评价模型IFI(integrated fertility index)，计算参考张庆费等[11]的土壤肥力综合指标公式，数学表达式为

(3)

式中：Wi为各评价指标的权重系数；Fi为各评价指标的隶属度值；n为评价指标的个数。

2 结果与分析

2.1 土壤养分的总体特征

表3是经分析后的土壤肥力各指标描述性统计数据，从均值来看，该坡改梯地土壤肥力较低，其中：全氮和速效钾均值含量在全国第二次土地普查土壤养分分级标准中均处于三级标准；有机质处于四级标准；速效磷和速效氮均处于五级标准。

参照重庆市的土壤养分分级标准(表4)，从均值来看，该处坡改梯地土壤养分含量较低，在重庆市土壤养分肥力分级中处于中等偏下水平，其中：土壤有机质含量较低，平均为1.59%，低于三峡库区黄壤有机质平均水平，处于缺乏状态；土壤全氮平均值为0.11%，处于中等水平；速效钾含量处于中等水平，平均含量为140.62 mg/kg；土壤速效磷含量平均为3.453 mg/kg，处于很缺状态；土壤全磷均值为0.033%,处于很缺状态；土壤全钾很丰富，均值达到2.59%。

表3 土壤养分的描述性特征

表4 重庆市土壤养分分级标准

表3中变异系数的大小表示土壤特性空间变异性的大小，变异系数≤0.1 时为弱变异性，处于0.1～1 时为中等变异性，≥1 时为强变异性[14]。从表3可看出： 8项评价指标除硝态氮外，其余指标的变异系数处于0.1～1之间，属于中等变异性，说明库区土壤养分空间异质性不大、整体含量较稳定；硝态氮的变异系数达到1.328，说明该地区土壤硝态氮含量变化很大。

2.2 不同坡改梯年限土壤肥力的数据统计特征

对所测定的不同坡改梯年限土壤肥力各项指标进行统计分析，结果见表5。从均值来看，速效钾含量最高的是开垦年限为9 a的坡改梯地；全氮及铵态氮含量最高的是开垦年限为2 a的坡改梯地；有机质、硝态氮、速效磷、全磷和全钾含量最高的是开垦年限为20 a的坡改梯地；全氮、硝态氮、速效磷、全磷和全钾含量最低的是开垦年限为9 a的坡改梯地土壤；有机质含量最低的是开垦年限为2 a的坡改梯地土壤；速效钾含量最低的是开垦年限为14 a的坡改梯地土壤；铵态氮含量最低的是开垦年限为35 a的坡改梯地土壤。

从变异系数来看，各不同开垦年限坡改梯地土壤养分8项指标的变异系数主要处于0.1～1之间，属于中等变异性，其中：有机质变异系数最高的是开垦年限为35 a的坡改梯地；全氮、硝态氮、速效钾、速效磷以及全磷变异系数最高的是开垦年限为2 a的坡改梯地；铵态氮变异系数最高的是开垦年限为20 a的坡改梯地；全钾变异系数最高的是开垦年限为14 a的坡改梯地；速效磷、全磷和全钾变异系数最低的是坡耕地；铵态氮和速效钾变异系数最低的是开垦年限为9 a的坡改梯地土壤；有机质、全氮和硝态氮变异系数最低的是开垦年限为14 a的坡改梯地土壤。

表5 不同坡改梯年限土壤养分各指标的统计特征

2.3 不同坡改梯年限土壤肥力质量评价

为了探讨坡改梯后其土壤质量的变化，即对土壤属性进行定量评价，我们采用模糊数学中的模糊集加乘法则建立综合肥力指数评价模型IFI，对文中8个土壤肥力指标进行综合评价。首先运用式(1)和式(2)求得不同年限坡改梯地土壤肥力指标的隶属度值和权重(见表6)。然后根据加乘法则对各个肥力因子指标值采用乘法进行合成，利用式(3)计算不同坡改梯年限土壤肥力综合评价指数(图1)。最后，得到坡耕地(0 a)及坡改梯地年限分别为2、9、14、20、35 a的土壤肥力质量综合指数0.380、0.324、0.383、0.474、0.389、0.445，土壤肥力综合评价指数(IFI)大小排序为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标权重及隶属度值

从图1中可以看出，总体而言，该研究区土壤肥力较低，坡改梯工程短时间内不利于土壤养分的集聚，但随着年限的增加，土壤肥力总体呈上升趋势。对不同年份和土壤综合肥力指数(IFI)进行拟合，其上升趋势符合关系式y=0.017 4x+0.338 3；坡改梯地年限为2 a的土壤肥力有所下降，而坡改梯年限分别为9、14、20和35 a的土壤养分则持续增加，其中坡改梯年限为14 a的土壤综合肥力指数(IFI)有一个峰值出现。

图1 不同坡改梯年限土壤肥力综合评价指数演变特征

实施坡改梯后，土壤受到扰动，当不同层次土壤混合后，必然会导致土壤物理、化学和生物学质量的下降，所以在坡改梯初期土壤养分低于同期坡耕地[9]。但是由于坡改梯后显著改善了土壤的坡度，降低了水土流失强度，加之生物的自肥作用，从而长期有效促进了养分的积累；另外，随着连年的耕作及有机和无机肥料的投入，促进了物质元素的积累，土壤碳、氮、磷、钾等元素含量增加。所以，随着年限的不断增加，坡改梯土壤化学性质有所改善，土壤养分总体呈上升趋势。至于坡改梯年限为14 a的土壤肥力质量出现峰值，可能是采样点位于巫峡镇龙山村的缘故，据当地村民介绍，当地自 2011 年开始大力助推农业发展，对农民种植粮田、蔬菜等进行农科指导、技术培训等，土壤肥力质量较高可能得益于当地肥料的合理施用和用养地的有效结合。

3 结论

整体而言，三峡库区土壤肥力较低；从变异系数来看，各不同开垦年限坡改梯地土壤养分8项指标中，除硝态氮为强变异性外，其余7项指标的变异系数主要处于0.1～1之间，属于中等变异；不同年限坡改梯地土壤综合肥力指数(IFI)大小排序为14 a>35 a>20 a>9 a>0 a(坡耕地)>2 a，说明坡改梯工程短时间内不利于土壤养分的集聚，但随着年限的增加，土壤肥力总体呈上升趋势。

本研究存在一些问题有待改进：首先，重庆巫山地处山区，土层厚度不大，土壤的整体环境条件较为复杂，土壤肥力质量随坡改梯时间推移受到的影响因素较多，如农业结构调整、施肥水平变化、作物类型变更等，加之采样过程中除时间因素外未能排除其他因素的影响，而这些外在条件都会给评价结果带来一定的误差；其次，对于土壤肥力质量的评价，本研究仅选取了土壤养分中的8项具代表性的指标，评价指标不够全面势必会对评价结果产生一定的影响。

[参考文献]

[1] 赵健,郭宏忠,陈健桥,等.三峡库区水土流失类型划分及防治对策[J].中国水土保持,2010(1):16-18.

[2] 邓嘉农,徐航,郭甜，等.长江流域坡耕地“坡式梯田+坡面水系”治理模式及综合效益探讨[J].中国水土保持,2011(10):4-6.

[3] 张信宝,付仕祥.长江上游重点水土流失区陡坡耕地的出路[J].中国水土保持,1999(9):38-39.

[4] 范玉芳,罗友进,魏朝富.西南丘陵山区坡耕地水平梯田工程设计分析[J].山地学报,2010,28(5):560-565.

[5] 韦杰,贺秀斌.三峡库区坡耕地水土保持措施研究进展[J].世界科技研究与发展,2011,33(1):41-45.

[6] 严冬春,龙翼,史忠林.长江上游陡坡耕地“大横坡+小顺坡”耕作模式[J].中国水土保持,2010(10):8-9.

[7] 张信宝,贺秀斌. 长江上游坡耕地整治成效分析[J].人民长江,2010,41(13):21-23.

[8] 薛萐,刘国彬,张超，等.黄土高原丘陵区坡改梯后的土壤质量效应[J].农业工程学报,2011,27(4):310-316.

[9] 焦峰,温仲明,从怀军，等.基于属性识别模型的退耕地土壤肥力综合评价[J].水土保持学报,2010,24(5):204-208.

[10] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社,2007：25-114.

[11] 张庆费,宋永昌.浙江天童植物群落次生演替与土壤肥力的关系[J].生态学报,1999,19(2):174-178.