丹江口库区不同坡度对土壤肥力特征的影响

张 君，蔡德宝，杨树琼，陈秀文，陈吉宝*

（1.河南省南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心，河南 南阳 473061；2.南阳师范学院水资源与环境工程学院，河南 南阳 473061）

农田中的土壤养分流失，不仅降低土壤肥力、肥料利用率和影响作物产量，而且使地表水质恶化，影响水资源的可持续利用，进而造成生态环境的失衡［1］。养分从土壤传递至地表径流的研究，不仅是研究土壤养分迁移的基础问题，也是研究农田合理施肥、植物对养分吸收与利用、土壤及水环境污染防治等的基础［2］，深入研究各种因素的内在影响机制，有助于更好地理解和控制土壤养分随地表径流的迁移过程，减少水土流失。

坡度是影响土壤养分流失最主要的地形因子之一，会影响降雨入渗时间以及径流流速，进而对坡面表层土壤颗粒起动、侵蚀方式和径流的挟沙能力产生影响，使其影响土壤养分的流失［3］。土壤养分流失随地表径流迁移受多种因素影响，是一个复杂的物理化学过程［4］。陶冶等［5］研究发现伊犁野果林的土壤养分具有阴坡聚集、阳坡流失的特点，坡向、降水和温度对土壤养分含量影响最大。邓龙洲等［6］指出，坡面土壤的不稳定性与坡度的大小成正比，坡度越大，土体越不稳定，在外力的作用下发生下移的可能性越大，在人为干扰较大的坡耕地上表现尤为突出。Qiu等［7］研究了新西兰耕地下植物可利用的养分和有机质的空间变异性，发现土壤质地的变化是影响其养分空间变异的主要因素。张彬等［8］研究了陕西省礼泉县苹果产区土壤养分的主要影响因素，发现有机质、碱解氮、速效钾与地形因子显著相关。坡度会引起土壤养分和土壤微生物量发生改变，在科尔沁沙地移动沙丘上建立小叶沙林的研究中发现，坡度、土壤深度、灌木下或灌木之间的区域会对土壤养分的空间分布和微生物特性有显著影响［9］。解文艳等［10］研究了农田土壤有机质时空变异及影响因素，结果表明，土壤有机质的时空变异是受多种因素共同作用的，主要有母质、种植结构、地形和施肥等因素。

丹江口水库地处长江最大支流汉江中上游，蓄水量丰富，是南水北调中线工程核心水源区，其水环境状况不仅是当地生态环境和用水安全问题［11］，更直接关系到工程受水区的水质安全问题。丹江口水库水质目前总体状况良好，库区水质保持在国家二类标准以上，但随着经济的发展，水源区暴露出的环境问题日益突出［12］。库区经济多以粗放的农业为主，耕地和果园面积大，范围广，化肥和农药的大量使用带来较高的氮磷输出负荷。此外，丹江口库区周边地形地貌较为复杂，主要为低山丘陵，相对高差和坡度大，水土流失严重，产生的面源污染不容忽视。为此，本文主要针对不同坡度条件下丹江口库区淅川县农田土壤的pH值、有机质、养分含量状况进行测定与分析评价，并根据土壤肥力分级标准，对当地农田土壤进行肥力评价，这不仅对淅川县农田合理施肥提供理论依据，而且也与国家大型工程建设项目科技发展的重大需求相契合。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区淅川县位于河南省西南部，与陕西、湖北省相邻。北纬32°55′～33°23′，东经110°58′～111°53′，是南水北调中线工程主要淹没区，也是渠首工程和干线工程所在地。境内最高海拔1086 m，最低海拔120 m，平均海拔568 m。淅川气候温和，资源丰富。属于北亚热带向暖温带过渡的季风性气候，四季分明，雨量充沛，年均日照时间1881.5 h，降水量802.9 mm，气温15.7℃，无霜期最长263 d、最短208 d。全县国土面积2820 km2，其中，耕地面积6.8万hm2。南水北调中线核心水源区面积2616 km2，占全县国土总面积的92.8%。

1.2 土壤样品采集

根据淅川县基本农田图及土地利用现状图叠加产生的卫星图作为土壤耕地调查的基本单元，确定0～5、5～10、10～15和>15°4个坡度等级，共计采样点数量160个，为减少人为施肥对研究区域的干扰，于2018年9～10月作物收获后，秋冬施肥前采集样本。选定地图中选定的、具有代表性的田块，按照“S”型多点采样方法进行取样，选取5个土壤采样点，采集表层（0～20 cm）土壤样品，将土壤样品充分混合后按四分法取集土样装入自封袋中，带回实验室备用。

1.3 土壤样品处理及指标测定

将采回来的土壤样本放在洁净的储藏室内，并铺成薄层于样品盘上，室内要通风阴凉，避免阳光暴晒，同时要严防样品被污染；将风干后的土样进行木棍捣碎和磨碎处理，对化学性质测定的样品全部通过2 mm孔径的土壤筛，将过筛后的土壤样品保存于自封袋中备用，并做好标签等标记。

土壤理化性质主要是土壤pH、有机质、碱解氮、全氮、全磷、有效磷、全钾7个指标，测定方法依照《土壤农化分析》（第3版）中的相关测试方法测定，土壤pH值采用水浸提电位法（水∶土为2.5∶1）测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤全氮采用H2SO4消煮-凯氏定氮法测定；土壤全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定［13］。

1.4 土壤pH值、有机质与常规养分分级标准

在河南省第二次土壤养分分级的基础上［14］，对淅川县的土壤pH值、有机质及土壤养分等级做出新的划分，因此，本分级标准充分适用于淅川的土壤等级划分（表1和表2）。

表1 土壤pH值等级划分状况

表2 土壤有机质、养分等级划分状况

1.5 数据分析

本研究运用Excel 2016进行描述性统计分析，SPSS 19.0软件进行主成分分析、方差分析和LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 淅川县农田土壤肥力统计状况

根据河南省第二次土壤肥力分级划分（表1和表2），土壤pH属于中性，有机质含量、全氮、全磷和全钾含量的均值分别为16.96、1.22、0.50和15.91 g/kg（表3），其中有机质和全磷含量处于中下水平，全氮和全钾含量均处于中上水平，对于土壤有效养分来说，碱解氮和有效磷含量分别处于缺乏和中上水平，均值分别为59.16和14.64 mg/kg。总体来说土壤中的养分全量处于中等水平，但有效养分含量较低尤其是碱解氮。土壤肥力指标的变异系数依次为有效磷>全磷>碱解氮>有机质>全氮>全钾>pH，对照变异系数的划分等级，除有效磷是强变异性外，均属于中等变异。

表3 土壤肥力指标统计结果分析

2.2 不同坡度对农田土壤肥力的影响

pH值是土壤的一项重要化学性质，直接影响土壤中各种养分元素的存在形态，不同坡度条件下，农田土壤的pH处于较为稳定的中性（图1），坡度在>15°农田土壤中的pH值高于其他坡度（P<0.05），属于碱性土壤；有机质是养分的重要来源，是衡量土壤肥力水平的基础，有机质含量分布情况依次为0～5°农田［（18.64±1.8）g/kg］、5～10°农田［（17.17±1.9）g/kg］、>15°农田［（16.49±2.0）g/kg］和10～15°农田［（14.66±1.3）g/kg］，其中0～5和5～100农田与10～15°农田有机质含量相比，分别增加了27.1%和17.2%，这说明土壤坡度对有机质含量的影响较显著。

图1 不同坡度对农田土壤pH与有机质含量的影响

土壤中氮素含量受自然因素和农业措施的影响，其含量处于动态变化中，不同坡度条件下，土壤全氮含量差异较小（P>0.05）（图2），10～15°农田全氮含量最低，为（1.11±0.3）g/kg，这说明不同坡度对土壤全氮含量没有显著的影响；对于土壤有效氮素来说，随着坡度的增加，土壤的碱解氮含量呈现降低趋势，依次为0～5°农 田［（61.80±12.6）mg/kg］、5～10°农 田［（61.25±19.7）mg/kg］、10～15°农田［（57.17±12.7）mg/kg］和>15°农田［（55.69±18.5）mg/kg］，但各坡度间差异较小（P>0.05）。

土壤中的磷素是植物生长发育所必须的影响元素之一。不同坡度条件下，土壤全磷含量无显著的变化（P>0.05）（图3），但对于有效磷来说，不同坡度对其影响较为显著，土壤有效磷含量依次为5～10°农田［（20.89±20.3）mg/kg］、0～5°农田［（14.78±16.1）mg/kg］、>15°农田［（10.59±10.3）mg/kg］和10～15°农田［（9.68±7.4）mg/kg］，其中>10°农田土壤的有效磷含量远低于<10°农田，0～5和5～10°农田土壤与10～15°农田相比，有效磷含量分别增加52.7%和115%（P<0.05），这说明各坡度对土壤有效磷含量影响较大（P<0.05）。

图2 不同坡度对农田土壤全氮与碱解氮含量的影响

图3 不同坡度对农田土壤全磷与有效磷含量的影响

全钾是不同形态钾的总和，不同坡度条件下，土壤的全钾含量依次为>15°农田［（16.30±3.5）g/kg］、5～10°农田［（16.04±3.2） g/kg］、10～15°农田［（15.99±2.8）g/kg］和0～5°农田［（14.99±3.3）g/kg］，且 各 坡 度 间 差 异 不 显 著（P>0.05）（图4）。

图4 不同坡度对农田土壤全钾含量的影响

2.3 基于CCA的农田土壤肥力因子与坡度间的响应关系

典范对应分析（CCA）是基于对应分析发展而来的一种排序方法，基于单峰模型的排序方法，样方排序与对象排序对应分析，而且在排序过程中可以结合多个环境因子［15］。因此，可以把对象与环境因子的排序结果表示在同一排序图上。土壤采集样点与土壤坡度高低的CCA排序结果，在统计学上具有显著性（图5）。农田坡度越高，其土壤质量因子pH、有机质和全钾含量与其相关性越强。

土壤肥力指标之间的距离代表各敏感因子之间相似度的强弱（图5），农田坡度5～10°（G2）和10～15°（G3）之间的距离较小，0～5°（G1）和>15°（G4）之间距离较远，说明G2和G3与土壤质量因子的相似度高，反之亦然；土壤质量因子指标线段的长短代表影响的大小，其中全磷和有效磷含量的线段最短，影响最小，土壤肥力指标与农田坡度指标的夹角代表相关性大小，农田坡度G1与有机质和全氮土壤质量因子呈正相关关系，而与全钾土壤质量因子为负相关关系，但有机质含量影响较为显著。

3 讨论

3.1 淅川县农田土壤肥力状况

图5 农田坡度与土壤各采样点及肥力指标CCA排序图

土壤肥力的空间特征是受地形、母质、气候、生物和人类活动等成土因素的影响［16］。本研究区不同坡度土壤有机质和各养分含量处于中等水平，在土壤养分全量方面，土壤的全氮和全钾虽然处于中上水平，但在有效养分中，仍处于中下水平，且土壤有效磷的变异系数较大，这说明土壤有效养分含量受人为因素干扰影响较大，一方面由于当地农民的耕作方式及施肥量所致，另一方面由于降雨，灌溉等原因养分由陡坡向缓坡耕地入渗，使缓坡土壤养分积累，进一步会造成水土流失。刘靖朝等［17］分析人为干扰对人工林土壤物理性质的影响，表明随着干扰程度的增加，砂粒增加，粉粒和粘粒减少，微团聚体数量上升，土壤结构变差，土壤容重增加，土壤变紧实。人为干扰除改变土壤物理性质外，土壤类型也会发生改变，由于人类长期的耕作制度，改变了土壤有机质来源，加之人工翻动，土壤透气性增加，造成土壤有效养分的含量发生变化。因此，根据土壤中基本养分标准在0～10°坡度农田应增施有机肥或农家肥（羊粪），改善土壤结构［18］，提高土壤养分利用率。

3.2 不同坡度对农田土壤养分流失的影响

土壤养分是土壤肥力的重要指标［19-20］，它受农作物的生产量、肥料投入、耕种、自然环境等因素影响，始终处于动态平衡。土壤氮素的赋存形式及化学行为不同，其在坡面的迁移转化规律也有差异［21］。本研究中，土壤全氮含量在不同坡度条件下差异不显著，对于有效养分碱解氮来说变化也较小。磷素是作物生长的主要营养元素［22］，同时也是水体富营养化的关键限制因子［23］。本研究中总体来看土壤全磷含量处于中下水平，但在不同坡度条件下，土壤全磷在>15°农田的含量最高，较高的土壤磷素储备量间接地说明土壤磷素流失的本底值较高，但难以完全反映本研究区磷素的流失风险；不同坡度条件下，从有效养分来看，土壤中有效磷的流失量较大，随着坡度的降低，土壤有效磷的含量显著增加，尤其是<10°农田土壤有效磷含量较高，属于丰富或中上水平，这说明在不同坡度条件下，随着降雨等径流的影响，土壤中的有效磷会随着坡度的降低发生磷素的流失风险，同时<10°的农田土壤便于耕作；大量的施用化肥，直接影响土壤磷素含量，间接使得大部分的无效态磷素在泥沙的裹挟作用下，进入水体，加大面源污染［24］。因此，在以后的施肥管理中应减少磷肥的施用比例，提高作物对营养元素的吸收，避免氮磷素等养分流失造成的环境污染问题。

3.3 坡度与灌河流域坡耕地土壤肥力指标的相关性分析

坡度是土壤养分含量空间变异的重要影响因素之一，坡度通过生态环境条件影响土壤养分的改变［25］，从而使不同坡度土壤养分含量存在显著的差异，并呈现一定的规律变化。研究土壤坡度与土壤养分间的相关性及分布特征，可为防治水土流失提供科学依据［26］。本研究为进一步的定量分析坡度和土壤养分流失量的关系，揭示土壤养分各因素对水土流失的贡献大小，在CCA分析中，土壤养分含量与坡耕地坡度存在有序关系，坡耕地坡度的改变会导致土壤养分、pH和有机质的变化，且在0～5°农田土壤有机质、全氮和碱解氮含量占主要作用，由于长期耕作制度和土壤养分流失，导致随着坡度的降低，土壤中有机质和有效磷含量显著升高，说明本研究区域中土壤磷素的流失程度较严重，应根据不同坡度农田土壤养分差异结果，对土壤养分实行精准施肥管理，不断提升土壤质量，提高养分利用效率，实现作物稳产高产；研究区0～10°农田土壤虽养分流失风险较小，为维持丹江口库区生态平衡，也应进一步的掌握坡度对土壤养分的运移规律，针对土壤养分变化，制定适宜耕作的施肥方式；研究区>10°的农田土壤养分易淋溶，水土流失严重，是土壤改善和治理的重要区域，主要是土壤有效磷流失问题，建议对该区域的农田土壤进行转型，改为果园或林地，防治土壤养分和水土流失。

4 结论

本研究区坡耕地土壤有机质、养分处于中等水平，但土壤中TP和AP的变异系数均超过50%，碱解氮变异系数达到40%，这说明土壤有效养分受人为因素干扰影响较大；随着坡度的增加，土壤肥力指标存在一定差异，土壤pH在>15°农田中呈碱性，其中有机质和有效磷随着坡度的增加呈现降低趋势，尤其5～10°农田土壤中有效磷含量最高，本研究区域水土流失风险存在于>10°坡耕地土壤中磷素流失，主要是土壤有效磷流失严重，为了维持丹江口库区生态平衡，提高环境效益，应将>10°的坡耕地区域作为土壤改良重要区域；将0～10°农田土壤作为灌河流域土壤质量管理的重点对象，增施有机肥或农家肥（羊粪），改善土壤结构，提高土壤养分利用率。