南方丘陵红壤地区是我国重要的耕地面积来源之一，主要分布在湘、赣、浙 3 省，该区域水热资源充沛，动植物资源丰富，生态系统循环旺盛，生产潜力高。然而，由于长期侵蚀退化等影响，土壤养分极其贫瘠。植被覆盖和梯田种植是减少丘陵坡地水土流失、提高土壤生产力的有效措施^[1-2]，可扩充我国耕地资源，保障粮食安全。研究表明，科学梯田种植可以提升土壤肥力^[3]，经过 3～5 年的合理培肥和土壤肥力的逐步恢复，梯田土壤肥力呈现出逐年提高的趋势^[4-5]。梯田土壤肥力提升受种植作物的影响，如种植马铃薯处理土壤肥力提升优于紫花苜蓿、当归及自然撂荒处理^[6]，水田、旱地玉米处理梯田土壤水稳性较高，设施栽培（葡萄、辣椒）较低^[7]，绿豆配合免耕种植等措施能提高梯田土壤有机质含量^[8]。Rodrigo-Comino 等^[9]研究表明，梯田建立好之后必须要进行合理的种植管理，否则可能带来土壤的退化。土壤为作物提供生存空间以及生长所需要的养分，同时，作物的生长、生产过程影响了土壤的状况，作物的生物量大小、作物对土壤的荫蔽度、作物收获对土壤的扰动等均会直接或间接地影响土壤物理、化学、生物性状。因此，作物种植对丘陵梯田土壤肥力状况的影响非常重要。

为了研究作物种植对梯田土壤肥力的影响，中国农业科学院红壤实验站于 2010 年建立了南方丘陵梯田长期定位试验，本研究选取了撂荒、梯田花生、梯田黄花菜、梯田油茶、梯田苎麻 5 个处理为研究对象，研究了作物种植对梯田土壤肥力要素演变影响，目的在于综合评价作物种植对丘陵梯田土壤养分的提升。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为湖南省祁阳县，地形以低山丘陵为主，年均气温 17.9～20.1℃，年降水量 1196～1451 mm，无霜期约 300 d，年太阳辐射量 4550 MJ/m²，温、光、水、热资源丰富，但分布不均匀，一般 4— 9 月高温多雨。试验布置在湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站内（111°52′32″E， 26°45′12″N），海拔 150～180 m，土壤类型为第四纪红色粘土发育成的深厚红壤，其地形、地貌、坡度和土壤类型在湘南红壤丘陵区具有很好的代表性。

1.2 试验设计

试验地设置时间 2010 年末，基础土壤肥力状况为：pH 4.92，有机质 7.59 g/kg，全氮 0.76 g/kg，全磷 0.30 g/kg，全钾 22.94 g/kg，碱解氮 38.76 mg/kg，有效磷 0.94 mg/kg，速效钾 85.90 mg/kg。

梯田不同生态种植模式试验共设置 5 个处理，3 次重复，分别为撂荒处理（T1）、花生处理（T2）、黄花菜处理（T3）、油茶处理（T4）、苎麻处理（T5），其中，每个小区面积为 100 m²，6 个梯层，每个梯层面积为 5 m × 3.33 m=16.65 m² （图1）。栽培管理状态，撂荒处理不进行人为扰动，其他处理作物均按当地习惯栽培管理，并根据生长情况及时收割。

1.3 土壤样品采集与分析

丘陵梯田长期定位试验土壤样品采集于每年秋季收获后，采集 0～20 cm 耕层土壤样品，每个小区以“S”形钻取 5 钻，去除大石块和植物残体后混合均匀，四分法留取 1 kg 样品，剩余土壤还回。待土壤样品风干后过筛。选取 2015、2020 年土壤样品进行土壤养分指标的测定。

土壤 pH 采用水土比为 2.5∶1（w/v）的电位法测定，土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤总磷采用碱熔融-钼锑抗比色法测定，土壤总钾采用碱熔融-火焰光度法测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，土壤有效磷采用盐酸-氟化铵提取钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用乙酸铵提取火焰光度法测定。

1.4 数据统计与分析

采用 Excel2010 和 SPSS 17.0 进行数据整理、主成分分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤 pH

结果表明，梯田土壤 pH 随着作物种植年限呈现出先降低后升高的趋势，如图2 所示，前 5 年土壤 pH 略有降低，5～10 年土壤 pH 显著升高。种植作物不同，土壤 pH 降低和升高的幅度不同，土壤初始pH 为 4.92，第 5 年油茶处理与初始值相比无差异，苎麻处理为 4.74，与初始值相比略有降低，撂荒、花生、黄花菜处理分别为4.31、4.20、4.22，与初始值相比均显著下降。

2.2 土壤养分

试验结果显示，作物种植有利于梯田土壤有机质的积累，不同作物种植土壤有机质提升速率不同。如图3 所示，土壤有机质初始值为 7.59 g/kg，第 5 年苎麻处理土壤有机质提升最高，达到 16.37 g/kg，极显著高于其他处理及初始值，撂荒、黄花菜、花生处理土壤有机质提升次之，分别为 11.47、 11.41、10.43 g/kg，油茶处理土壤有机质提升效果最低，为 8.39 g/kg。第 10 年，土壤有机质从高到低分别为苎麻、黄花菜、撂荒、花生、油茶，其中苎麻处理为 14.80 g/kg，油茶处理为 10.25 g/kg。

作物种植对土壤全氮的影响规律与有机质相似。如图3 所示，土壤全氮初始值为 0.76 g/kg，第 5 年苎麻处理土壤全氮提升最高，达到 1.25 g/kg，极显著高于其他处理及初始值，黄花菜、撂荒、花生处理土壤全氮提升次之，分别为 0.97、0.94、 0.92 g/kg，油茶处理土壤全氮提升效果最低，为 0.83 g/kg。第 10 年，土壤全氮从高到低分别为苎麻、黄花菜、花生、撂荒、油茶，其中苎麻处理为 1.02 g/kg，油茶处理为 0.77 g/kg。

梯田土壤全磷随着作物种植年限呈现出先升高后降低的趋势。如图3 所示，土壤全磷初始值为 0.30 g/kg，第 5 年花生处理土壤全磷提升最高，达到 0.81 g/kg，极显著高于其他处理及初始值，苎麻、黄花菜、油茶处理土壤全磷提升次之，分别为 0.69、0.67、0.64 g/kg，撂荒处理土壤全磷提升效果最低，为 0.58 g/kg。第 10 年，土壤全磷从高到低分别为花生、黄花菜、苎麻、撂荒、油茶，其中花生处理为 0.45 g/kg，油茶处理为 0.30 g/kg。

梯田土壤全钾随着作物种植年限呈现出先迅速降低后略有提升的趋势。如图3 所示，土壤全钾初始值为 22.94 g/kg，第 5 年花生处理土壤全钾含量最高，为 17.86 g/kg，极显著低于初始值，黄花菜、油茶、撂荒、苎麻处理土壤全钾含量较低，分别为 15.70、15.59、15.37、15.01 g/kg。第 10 年，土壤全钾从高到低分别为黄花菜、油茶、苎麻、撂荒、花生，其中黄花菜处理为 19.07 g/kg，花生处理为 18.46 g/kg。

2.3 土壤肥力指标相关性分析

结果显示，作物种植年限不同，梯田土壤肥力指标相关性不同。如表1 所示，第 5 年土壤 pH 与碱解氮呈现出极显著正相关关系，相关系数为 1，土壤有机质与全氮、速效钾含量呈现出极显著正相关关系，相关系数分别为 0.954、0.557，速效钾与土壤有机质、全氮呈现出极显著正相关关系，相关系数分别为 0.557、0.674，速效钾与有效磷呈现出显著正相关关系，相关系数为 0.525。第 10 年，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾 4 个指标两两呈现出极显著正相关关系，土壤全磷与有效磷呈现出极显著正相关关系，其相关系数为 0.820。

第 5、10 年数据整体分析表明，土壤 pH 与全磷、碱解氮、速效钾呈现出极显著负相关关系，与全钾、有效磷呈现出显著负相关关系，土壤有机质与全氮呈现出极显著正相关关系，土壤全氮与有机质、速效钾呈现出极显著正相关关系，与有效磷呈现出显著正相关关系，土壤全磷与土壤 pH 呈现出极显著负相关关系，与全钾呈现出显著负相关关系，与碱解氮、有效磷、速效钾呈现极显著正相关关系，土壤全钾与速效钾呈现出显著负相关关系。

续表

注：SOM：土壤有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；HN：碱解氮；AP：有效磷；AK：速效钾。^* 表示在 P<0.05 水平上显著相关，^** 表示在 P<0.01 水平上极显著相关。下同。

2.4 土壤综合肥力主成分分析

通过主成分分析（表2、表3，图4）可以看出，作物梯田种植第 5 年，前 3 个主成分的累积贡献率为 83.508%，表明这 3 个主成分已经提供了全部指标 80% 以上的信息。其中，有机质、全氮、 pH、碱解氮在第 1 主成分中贡献较高，速效钾、全磷、有效磷在第 2 主成分中贡献较高，全磷在第 3 主成分中贡献较高。作物梯田种植 5 年后，梯田苎麻处理与其他处理产生明显区别。

作物梯田种植第 10 年，前 3 个主成分的累积贡献率为 84.038%，表明这 3 个主成分已经提供了全部指标 80% 以上的信息。其中，全氮、有机质、速效钾、碱解氮在第 1 主成分中贡献较高，有效磷、全磷在第 2 主成分中贡献较高，pH、全钾在第 3 主成分中贡献较高。此时，不同处理在主成分分析图中进行分离，撂荒与苎麻处理较为接近，花生与黄花菜处理较为接近，油茶处理位于主成分 1 负方向，与其他处理产生明显区别。

第 5、10 年主成分分析可以看出，前 2 个主成分的累积贡献率为 75.256%，表明这 2 个主成分已经提供了全部指标 75% 以上的信息。其中，全磷、碱解氮、速效钾在第 1 主成分中贡献较高，有机质、全氮在第 2 主成分中贡献较高。此时，不同处理在主成分分析图中按照第 5、10 年进行分离，其中第 5 年位于主成分 1 的正方向，第 10 年位于主成分 1 的负方向。

注：5-Tn 代表梯田种植第 5 年 Tn 处理，10-Tn 代表梯田种植第 10 年 Tn 处理，其中 n 为 1～5。a 图中灰色区域为苎麻处理；b 图中橙色区域为地表覆盖量大的区域，浅黄色区域为地表覆盖量中等且耕作扰动较大的区域，浅绿色区域为地表覆盖量小且土壤扰动较小的区域；c 图中蓝色区域为 10 年处理区域，橙色区域为 5 年处理区域。

3 讨论

3.1 作物种植对丘陵梯田土壤 pH 的影响

不同作物种植对丘陵梯田土壤 pH 均呈现出先降低后升高的规律。很多研究表明梯田措施降低了土壤 pH^[3]，可能与梯田构建过程中土壤 pH 升高，作物种植后 pH 自然回落有关。梯田构建将深层土壤转移到表层，部分表层土壤被翻压到下层，有研究表明在土壤 pH 较低的区域，深层土壤的交换性盐基阳离子含量高^[10]，不同地域的土壤整体均表现出 pH 随着土壤深度的增加而增大，如藏东南不同种植年限的大棚土壤、秦岭北麓猕猴桃园土壤、黄土高原草地土壤等 pH 均表现出随着土壤深度的增加而增大^[11-13]，红壤区水田、果园、林地土壤 pH 均表现出随着土壤深度增加而增大的趋势^[14]。本试验研究区域土壤 pH 随土壤深度增加而增大，交换性盐基总量随土壤深度增加逐渐升高。而梯田形成后，由于作物吸收交换性盐基离子（K⁺、Na⁺、 Ca²⁺、Mg²⁺）、根系分泌物（如 HCO₃ ⁻、OH⁻、H⁺）、根系分泌物对土壤铝离子有效性、作物还田残体等因素影响土壤 pH，通常情况下，作物种植需要吸收大量盐基离子，根系分泌物活化土壤离子会降低土壤 pH^[15]。多年生作物可吸收大量深土层的交换性盐基离子^[10]，因此表层土壤 pH 降低较小，本研究结果表明，多年生油茶和苎麻处理土壤 pH 在第 5 年无明显降低。经过长期作物种植，梯田通过固持土壤减少交换性盐基离子损失量，降低水分流失，水分及表层盐基离子向下转移增加深层土壤的交换性盐基离子^[16]，土壤 pH 有了进一步的提高。文献表明油茶种植有利于提高红壤 pH 值^[17]，花生残体对土壤 pH 值提升效果较差^[18]，本研究结果与前人研究结果相符。

3.2 作物种植对丘陵梯田土壤肥力提升的影响

土壤有机质是土壤肥力的重要指标，梯田种植通过工程措施减少水土流失，从而减少土壤有机质的降低，不同作物种植通过农业措施，增强水土保持、养分提升。苎麻种植可在短期内有效提升水土保持能力，进而提升土壤肥力，主要是因为苎麻是宿根型作物，种植后其根系迅速增长，根系入土深、主根发达、根系分布广、覆盖时间长、叶面积指数大^[19]。梁羽石^[20]、熊伟等^[21]对不同根型的苎麻保水性能进行了研究，发现深根系型苎麻降低容重的能力和改善田间持水量、团聚体和有机质的能力最强，刘瑞^[22]研究表明不同土壤类型土壤有机碳均有显著提升，提升 35.00%～92.34%。本研究在采取梯田措施的同时，进行不同作物种植，结果显示，梯田苎麻处理土壤有机质提升速率最快，5 年增长 115.69%，5～10 年间保持稳定状态。梯田撂荒、黄花菜、花生处理 5 年土壤有机质增长 37.44%～51.16%，结果与廖绵清等^[23]研究结果相似，原因可能是覆盖度与水土保持呈显著正相关。

梯田措施显著降低水土流失，提升土壤肥力，不同作物种植措施对土壤肥力影响不同，苎麻处理对水土保持、土壤肥力提升效果显著，梯田措施与作物种植的影响程度哪个大，目前还少有研究。本研究在梯田措施上进行了不同作物的种植试验，总体土壤肥力状况主成分分析图以梯田种植年限为因子进行聚集，而不是按照作物种植处理进行聚集，由此表明，梯田措施影响程度大于不同作物种植措施。Arévalo 等^[24]的研究结果表明在西班牙荒废了 40 年的梯田土壤肥力高，促使了生物多样性，其结果也可以表明梯田措施对土壤肥力的影响力较大。

4 结论

不同作物种植改变了梯田土壤肥力状况，丘陵梯田土壤 pH 呈现出先降低后升高的趋势，油茶处理提升效果最显著；作物种植有利于梯田土壤有机碳、氮的积累，苎麻处理提升效果最显著；作物种植对梯田土壤全磷呈现出先升高后降低的趋势，全钾呈现出降低的趋势；5、10 年数据结果显示，梯田种植土壤 pH 与土壤全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾多个指标呈现出显著 / 极显著负相关关系。土壤肥力状况主成分分析主要以梯田种植年限为因子进行聚集，撂荒与苎麻处理较为接近，花生与黄花菜处理较为接近，处理聚集主要由作物覆盖度、土壤扰动小、土壤肥力等因素决定。苎麻种植对梯田土壤提升效果最显著，是改良南方丘陵红壤区坡耕地土壤养分的有效生物措施。

参考文献