侵蝕紅壤區(qū)不同水土保持措施的土壤改良效果研究

喻榮崗，楊 潔，王 農(nóng)，張靖宇，魏 偉，付 濤

(江西省水土保持科學(xué)研究所，江西南昌 330029)

侵蝕紅壤區(qū)是我國土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，土壤侵蝕面積達(dá)25萬km2，占東南部紅壤面積的22%，是我國水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域之一。因此，開展侵蝕紅壤區(qū)水土保持措施的環(huán)境效應(yīng)研究，不僅可以豐富我國水土保持學(xué)科的研究?jī)?nèi)容，加深對(duì)侵蝕紅壤區(qū)水土流失治理效果的認(rèn)識(shí)，而且可以為區(qū)域土地整治提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

在水土保持措施的多種效益中，土壤改良效益是一個(gè)非常重要的方面，也是水土保持措施最直接、最基本的一項(xiàng)效益［1］。土壤肥力是研究土壤改良效益的重要指標(biāo)［2－9］，是水土流失區(qū)土地資源可持續(xù)利用和土地生產(chǎn)力提升的重要基礎(chǔ)。本研究以江西省水土保持生態(tài)科技園的牧草、耕作、梯田等水土保持措施的不同處理小區(qū)為研究對(duì)象，分析了不同水土保持措施的土壤肥力分異情況，旨在為紅壤侵蝕區(qū)高效水土保持治理措施的選擇和植被恢復(fù)的土壤改良效果提供評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在位于博陽河西岸的江西省水土保持生態(tài)科技園內(nèi)(115°23'—115°53'E，29°10'—29°35'N)。研究區(qū)海拔30—100 m，坡度小于25°，屬淺丘崗地。年均降雨量1 469 mm，年均氣溫16.7℃，日照時(shí)數(shù)1 700～2 100 h，無霜期249 d，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。土壤為第四紀(jì)紅色黏土，森林植被為常綠闊葉林，植物種類繁多，但由于長(zhǎng)期過度開發(fā)利用，因此地表植被遭到破壞，水土流失嚴(yán)重，其流失面積占土地總面積的85.6%，且土壤侵蝕以水力侵蝕為主。

1.2 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)

在同一坡面上布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(5 m×20 m)，小區(qū)坡度12°，坡面植被類型為果園。試驗(yàn)設(shè)牧草、耕作、梯田和對(duì)照4個(gè)處理，各個(gè)處理的重復(fù)數(shù)分別為6、2、4和3個(gè)。牧草處理采用牧草(百喜草、雀稗草、狗牙根)覆蓋坡地，小區(qū)植被覆蓋度為80%～95%;耕作處理播種黃豆和蘿卜，每年4月12日至8月10日種黃豆，8月12日至次年3月12日種蘿卜，不施肥;梯田處理梯壁植百喜草，田面植柑橘樹;對(duì)照處理為全區(qū)裸露。小區(qū)管理均按《水土保持試驗(yàn)規(guī)范SD239—87》部頒標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 土壤樣品采集和分析

2006年9 月在研究區(qū)內(nèi)采集0—20 cm表層土壤樣品。采樣時(shí)，去除表層未腐解的枯枝落葉，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5點(diǎn)用土鉆采集土壤樣品并混勻風(fēng)干，分別過1 mm和0.25 mm篩備用。

測(cè)定土壤樣品的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值，分別采用丘林法、開氏法、酸溶－鉬銻抗比色法、氫氧化鈉熔融法、火焰光度計(jì)法、堿解蒸餾法、Olsen法、火焰分光光度計(jì)法和酸度計(jì)法測(cè)定。

方差分析(ANOVA)、相關(guān)性分析(CORR)、主成分分析(PRIN COMP)通過SPSS軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕紅壤區(qū)坡地裸露對(duì)照區(qū)土壤養(yǎng)分流失特征

表1為研究區(qū)坡地裸露對(duì)照區(qū)2001年與2006年土壤pH值及養(yǎng)分對(duì)比情況，通過比較可以看出，從2001年到2006年土壤酸度加大，養(yǎng)分含量下降，土壤肥力退化嚴(yán)重。經(jīng)過5年侵蝕后，土壤pH值降低了0.17個(gè)單位，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀分別降低24%、26%、13%和7%，土壤速效氮、磷、鉀分別降低了44%、23%和2%。

表1 裸露對(duì)照區(qū)2001年與2006年土壤pH值及養(yǎng)分對(duì)比

2.2 不同水土保持措施對(duì)土壤性質(zhì)的影響

圖1為不同處理措施下的土壤性質(zhì)，表2為不同處理措施下的土壤性質(zhì)方差分析結(jié)果。由圖1、表2可看出，不同水土保持措施顯著改變了土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量，但對(duì)土壤鉀素狀況影響不顯著。

圖1 不同處理措施下的土壤性質(zhì)

表2 土壤性質(zhì)方差分析結(jié)果

本研究中不同水土保持措施顯著改變了土壤pH值(圖1、表2)。牧草處理和耕作處理顯著增加了土壤pH值(增幅分別為15%和8%，p＜0.05)，梯田處理也增加了土壤pH值(增幅2%)，但是其增加不顯著(p＞0.05)。土壤pH值的顯著增加表明牧草和農(nóng)作物的生長(zhǎng)有利于阻止侵蝕條件下的土壤酸化，這可能與這兩種措施對(duì)土壤鹽基離子的截留和保持有關(guān)。在侵蝕紅壤區(qū)，土壤酸化的主要原因是土壤鹽基離子減少。在牧草和農(nóng)作物生長(zhǎng)的條件下，植物根系對(duì)土壤起到了固持作用，減少了土壤顆粒的流失，也減少了土壤中鹽基離子向下層土壤的淋溶以及流失，從而緩解了土壤的酸化，因此與對(duì)照相比，土壤pH值顯著升高。對(duì)于梯田來說，土壤流失可能比較少，但是梯田截留的雨水比較多，這部分雨水沿坡面流出小區(qū)的部分較少，就地入滲的較多，其土壤中鹽基離子向深層土壤的淋溶也強(qiáng)于其他兩種處理，因此梯田土壤pH值低于牧草和耕作處理而高于對(duì)照處理。另外，不同處理措施下土壤pH值的差異還與土壤有機(jī)質(zhì)狀況有關(guān)。

不同水土保持措施下土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(圖1、表2)。牧草和耕作處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別高于對(duì)照處理36%和44%且均差異顯著(p＜0.05)，梯田處理有機(jī)質(zhì)含量高于對(duì)照處理11%但差異不顯著(p＞0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)不但與土壤肥力狀況有關(guān)，而且在土壤抵抗侵蝕作用方面有著重要作用。研究結(jié)果表明，牧草和耕作處理可以顯著改善土壤有機(jī)質(zhì)狀況，表明這兩種措施可以改善土壤肥力，提高土壤抗蝕性。牧草和耕作處理措施下土壤有機(jī)質(zhì)的改善主要與植物根系生長(zhǎng)有關(guān)：一方面，根系生長(zhǎng)過程中與土壤顆粒密切結(jié)合在一起，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以明顯降低侵蝕過程中的土壤流失，從而保護(hù)了土壤中固有的有機(jī)質(zhì);另一方面，根系在生長(zhǎng)過程中的分泌物可以補(bǔ)充土壤中的有機(jī)質(zhì)，加上根系周轉(zhuǎn)過程中對(duì)土壤有機(jī)物質(zhì)的補(bǔ)充，土壤有機(jī)質(zhì)含量得到顯著提高。此外，牧草和農(nóng)作物收獲后的殘茬及枯枝落葉也是土壤有機(jī)質(zhì)的一個(gè)重要來源。對(duì)于梯田土壤來說，梯田建設(shè)減少了隨徑流流失的土壤顆粒，因此減少了這部分土壤的有機(jī)質(zhì)流失，從而使其有機(jī)質(zhì)含量高于對(duì)照。但是與牧草處理和耕作處理相比，梯田土壤沒有有機(jī)物料來源，其土壤有機(jī)質(zhì)得不到補(bǔ)充，因此含量低于牧草和耕作處理。

不同措施對(duì)土壤氮素的影響總體來說與土壤有機(jī)質(zhì)相似，即牧草和耕作處理全氮和堿解氮顯著高于對(duì)照，這兩個(gè)處理的全氮分別比對(duì)照高34%和48%(p＜0.05)，堿解氮比對(duì)照高19%和55%(p＜0.05)，而梯田處理土壤全氮和堿解氮與對(duì)照處理接近(p＞0.05)。牧草和耕作處理對(duì)土壤氮素的影響除與植物根系對(duì)土壤顆粒的保持所保持的氮素和根系分泌物釋放、根系和植物殘?bào)w補(bǔ)充的氮素有關(guān)外，還與植物對(duì)土壤保護(hù)后增加的氮素固定有關(guān)。地表植物生長(zhǎng)后改善了土壤微環(huán)境以及地表的微氣象環(huán)境，有利于土壤固氮菌的活動(dòng)，從而增加了土壤自生固氮能力。而農(nóng)作物中的豆類植物本身就具有固氮作用，其生長(zhǎng)過程顯著補(bǔ)充了土壤氮素含量，因此耕作處理氮素含量也高于牧草處理，也因此區(qū)別于不同水保措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響趨勢(shì)。這些結(jié)果表明牧草和耕作處理可以顯著提高土壤氮素水平及其有效性。

牧草和耕作處理土壤全磷和速效磷含量顯著高于對(duì)照，這兩個(gè)處理的全磷含量分別比對(duì)照高23%和54%(p＜0.05)，速效磷比對(duì)照高109%和229%(p＜0.05)。梯田處理土壤全磷和速效磷含量高于對(duì)照11%和24%，但是差異不顯著(p＞0.05)。在侵蝕條件下，土壤磷素主要通過徑流損失，牧草和耕作處理中植物根系對(duì)土壤顆粒的固定和保持顯著減少了土壤磷素的損失，因此其全磷和速效磷含量顯著高于對(duì)照;梯田也在一定程度上減少了土壤顆粒的流失，其土壤全磷和速效磷含量也高于對(duì)照。此外，牧草處理和耕作處理土壤磷素差異較大，這可能與不同植物對(duì)土壤磷素的吸收強(qiáng)度有關(guān)。這些結(jié)果表明牧草和耕作處理可以顯著提高土壤磷素水平及其有效性。

與對(duì)土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和氮磷素養(yǎng)分含量的影響不同，不同水土保持措施對(duì)土壤鉀素狀況的影響不顯著(表2、圖1)，表明研究區(qū)在侵蝕條件下土壤鉀素不會(huì)成為土壤養(yǎng)分的限制因素，在以后該區(qū)土壤養(yǎng)分狀況研究中可以忽略鉀素因子。

2.3 土壤肥力指示指標(biāo)篩選

本研究選擇pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等8個(gè)指標(biāo)來衡量試驗(yàn)區(qū)域的土壤肥力水平。土壤養(yǎng)分性狀指標(biāo)的相關(guān)性分析(表3)表明，大部分土壤指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性，其中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷之間具有顯著的相關(guān)性。另外，pH值與有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷之間具有顯著的相關(guān)性。速效鉀與全鉀之間有一定相關(guān)性，但兩者與其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性不明顯。

表3 土壤養(yǎng)分性狀指標(biāo)相關(guān)性分析

在主成分分析中(表4)，因子1、2的特征值都大于1，分別解釋了總方差變異的59.250%和21.249%，累計(jì)貢獻(xiàn)率超過80%。公因子方差也表明，除了全鉀外，各變量的解釋方差都超過了80%(表5)。在因子1上，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷等都有較高的正負(fù)載，由于因子1所包括的變量都與有機(jī)質(zhì)顯著相關(guān)，所以將其命名為“有機(jī)質(zhì)”因子;在因子2上，速效鉀有較高的正負(fù)載，雖然全鉀也有較高的正負(fù)載，但后兩者公因子方差小，所以將其命名為“速效鉀”因子。

表4 不同措施土壤化學(xué)性狀指標(biāo)主成分分析的特征值與負(fù)荷量

表5 不同措施土壤化學(xué)性狀指標(biāo)主成分分析

通過主成分分析，將指標(biāo)歸結(jié)為兩個(gè)因子，不同措施下養(yǎng)分性狀指標(biāo)的差異可以通過兩個(gè)因子的綜合值體現(xiàn)出來。“有機(jī)質(zhì)”因子(因子1)值越大，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷含量越高，土壤肥力水平越高;“速效鉀”因子(因子2)值越大，則土壤速效鉀、全鉀含量越高。本研究中，由于不同措施對(duì)土壤鉀素含量影響不顯著，而且土壤肥力狀況不受鉀素限制，不同措施下土壤有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)與其他養(yǎng)分指標(biāo)變化趨勢(shì)相似，因此在研究區(qū)可以利用有機(jī)質(zhì)因子作為衡量土壤肥力狀況的簡(jiǎn)化指標(biāo)。

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，不同水土保持措施顯著影響侵蝕紅壤區(qū)坡地土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量，但對(duì)全鉀和速效鉀含量影響不顯著。牧草和耕作措施可以顯著提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷的含量，可以顯著改善土壤肥力狀況。研究區(qū)土壤肥力狀況不受鉀素限制，可以利用土壤有機(jī)質(zhì)作為衡量土壤肥力狀況的簡(jiǎn)化指標(biāo)。

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