延安南泥湾土埝养分含量变化特征统计分析

2022-10-01申江龙张盼盼

环境与发展 2022年6期

申江龙，张盼盼

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075；2.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710021；3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710021；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安 710075；5.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西西安 710075）

引言

土壤是作物生长的基础，为作物健康生长提供水分、养分等必需物质条件。土壤质量水平不仅影响作物的生长发育及产量，同时还影响和制约农业可持续发展。要获得稳定的作物产量，维持农业生态环境的良性循环，就必须了解土壤质量与环境间的相互关系，维持和提高土壤质量[1-3]。

在黄土台塬地区，尤其是南泥湾地区，当地农民通过一种叫“洗埝”的方式增加土壤肥力。埝是指水平梯田沿等高线的垂直面，土埝充分暴露在阳光、风力、水力的直接作用下，养分会在表层富集，农民通过“洗埝”这种方式搜集钾肥、氮肥。这说明土埝土壤具有较强的养分富集及自我修复能力，揭示土埝土壤质量恢复对于粮食安全具有重要意义。

一般评价土壤恢复有三种途径，第一种是直接在扰动后测量恢复程度；第二种是将扰动后的恢复过程量化；第三种是测量能体现恢复机制的特性的指标[4]。国内对土壤质量恢复的研究主要采用时空互代法，选择流域内自然条件和管理方法相近，不同恢复年限的样地，分析不同恢复年限下该土地利用类型下土壤质量及各评价指标的变化。该方法虽然无法保证外界环境的恒定，但却可以取得较长的时间尺度的演变规律，是生态学领域中时空演变研究普遍采用的研究方法。有研究针对梯田土壤问题，以延安碾庄沟流域和淳化泥河沟流域为研究对象，分析多项土壤物理、化学和生物学质量指标，得到除全磷和钾元素外其他养分均属中低水平，梯田绝大多数土壤质量指标随修建时间的增加先逐渐升高后缓慢降低的演变过程。以黄土丘陵区纸坊沟流域为研究对象，采用时空互代法，探究土壤物理、化学和生物学性质的演变过程。结果表明，通过工程改造为梯田当年，土壤各指标呈现不同程度的下降或没有显著变化；随着改造年限的增加，土壤质量显著增加[4]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于位于延安市宝塔区南泥湾镇，属暖温带半湿润大陆性季风气候，系丘陵沟壑区，土壤为黄绵土，水稻土。林草覆盖率83%，年平均气温8.1℃，年平均降雨量565mm。

1.2 样品采集与测定

在研究区采集不同年限（1～5年、5～10年、10年以上）的土埝表层土壤；选取不同坡向（阴坡、阳坡）的土埝采集表层土壤。所有采集土壤均为混合土样，由3个采样点充分混合装入样品袋。

pH 采用玻璃电极法，用pH 计测定，水土比例为2.5:1；电导率采用上海雷磁生产的电导率仪测定，水土比为5:1；粒径组成采用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）测定，用六偏磷酸钠分散，沙浴加热去除碳酸钙；容重利用电热鼓风干燥器采用重量法测定；全氮采用凯氏定氮仪分析测定；活性有机碳利用德国TOC/TN分析仪（MultiC/N 3100）测定；有效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提—钼锑抗分光光度法，用紫外可见分光光度计测定；速效钾用以1 mol·L-1CH3COONH4作为浸提剂与土壤混合（水土比为10:1），用火焰光度计测定；土壤中钙的测定采用气量法。

1.3 数据分析

根据野外采样获取的土壤样本检测结果，利用R软件编程来对样本进行描述统计分析。并利用多元线性相关分析与典型相关分析求解各指标之间以及土壤理化性质与土壤养分之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同年限区间土埝养分分布特征

土埝土壤中并非所有的元素都表现出随着时间的增长元素含量增长的趋势（表1）。其中，全氮、有机活性炭随土埝形成时间的增加而增加，并且随着时间的推移，增长速率不断加快。另一方面，有效磷和速效钾的含量均表现出先减小再增长的走势。这一结果与以往的土埝养分相关研究存在差异。随着土埝年龄的增长，pH表现出了先增长再减小的趋势。土壤电导率则与pH 的表现恰恰相反，表现出了先减小再增大的趋势。由此判定pH与电导率存在负相关关系，关系的强弱将通过之后的相关性分析进行度量。

表1 不同年限下土壤理化性质

2.2 不同坡向土埝养分分布特征

土埝土壤中元素的含量表现出了一致的趋势，均表现为半阳坡的各种元素含量最高（表2）。有效磷的含量表现为阴坡大于阳坡，全氮、速效钾、活性有机碳的含量均表现为阳坡大于阴坡。表明光照利于促进全氮、速效钾、活性有机碳的富集，有效磷含量变化则相反，光照对有效磷含量的增加呈负作用。

表2 不同朝向下土埝理化性质

土壤pH 值大小梯度为：阳坡＞阴坡＞半阳坡，而土壤电导率的结果为阴坡＞半阳坡＞阳坡。

2.3 多元相关分析

通过对不同因子之间的相关关系进行分析，能够发现土壤养分含量变化中的关键影响及驱动因素。首先，对pH、电导率、有效磷元素含量（mg/kg）、全氮元素含量（g/kg）、速效钾元素含量（mg/kg）、有机活性炭元素含量（mg/kg）进行数据标准化处理：

其中：

皮尔森相关系数来度量指标之间的相关性：

如图1所示，坐标轴的范围是-1到1，颜色由深蓝色过渡到浅蓝色再由浅红色过渡到深红色，表明相关性的变化情况由强负相关到弱负相关到不相关到弱正相关再到强正相关的过程。上三角矩阵中圆面积的大小也刻画了相关性的强弱。发现pH与电导率存在很强的负相关性，相关系数为-0.83；pH与有效磷存在较强的负相关性，相关系数为-0.55；全氮与有机活性炭有很强的正相关性，相关系数为0.84；电导率与有效磷存在较强的正相关性，相关系数为0.54。

图1 土壤变量多元相关分析

3 讨论与结论

3.1 讨论

现阶段，人地矛盾是我国社会发展的一大制约条件，国家划定18亿亩耕地红线确定了我国耕地面积的数量值，但未对红线耕地的质量进行明确规定，致使部分耕地质量低下，难以达到生产生活需求。化肥、农药等的大量施用，对耕地本身也存在较大、甚至不可逆转的伤害。国内已有大量的专家学者聚焦于土壤质量提升、土壤修复等有关方面的研究，并已取得相应的成果。

速效钾主要受到成土母质、气候等因素的影响。土埝采样点的成土母质基本一致，因此主要影响因素为气候因素。气候对土壤中钾的影响主要表征在降水和温度对于土壤中交换性钾的影响。通过研究温度对土壤中钾元素影响的分析，表明随着温度的升高，土壤中钾元素的活性提高[5]；研究气候变化对土壤钾元素的影响，发现土壤中速效钾含量随着年均降水量和年均气温的升高而增加。

土壤有机质含量和气候是影响土壤全氮含量的主要自然因子，土壤有机质的累积与矿化程度直接关系到土壤氮素的转化和存储，与土壤全氮含量呈显著正相关；降水、气温直接影响土壤氮素的淋洗和反硝化作用的强度，并对土壤有机质的矿化度产生影响，进而影响土壤氮素含量[6]。

土壤水分、湿度、温度、季节、土地利用方式、土地管理措施等因素均会对土壤有机活性碳产生影响。土壤质量恢复主要是土壤自身养分含量值的正常化。目前，国内对土壤质量恢复的研究大都集中在时间尺度方面，而影响土壤养分含量的自然因素很多，诸如光照、水分、冻融、植被等，且存在交互作用，加之人为因素的影响，使其研究内容更为复杂[7]。本研究针对时间、坡向的不同对土埝中的养分含量进行初步分析，得出了土壤营养物质之间的相关关系，以期为后续进一步研究提供借鉴。