喀斯特石灰土水土保持劑的篩選

黃耀思 張曉聲 楊鈣仁 陸衛(wèi) 尹建

摘要：【目的】篩選出適合喀斯特石灰土的最佳水土保持劑，為喀斯特地區(qū)的石漠化治理重建提供參考依據(jù)?！痉椒ā炕诓煌参镄圆牧纤治展δ艿牟町?，制備6種配方的水土保持劑，并在人工模擬降雨條件下進(jìn)行喀斯特石灰土水土保持劑篩選試驗(yàn)。【結(jié)果】稻草比木糠（桉樹）更有利于土壤物理結(jié)構(gòu)改善，添加有稻草配方水土保持劑的土壤容重比空白對(duì)照處理（CK，未施用任何水土保持劑）約降低14.0%、總孔隙度約增大13.0%、最大持水量約增加31.0%。硅酸鹽黏合劑能增加地表產(chǎn)流量，其中以單獨(dú)施用硅酸鹽黏合劑的累積產(chǎn)流量最高（3307 mL），極顯著高于其他配方（P<0.01，下同），其地表產(chǎn)流量在降雨過程的各階段也最高。6種配方的水土保持劑均能極顯著減少土壤侵蝕，比CK分別降低了37.4%、26.1%、32.6%、47.5%、50.0%和55.9%?！窘Y(jié)論】硅酸鹽黏合劑、稻草和木糠配合使用能充分發(fā)揮出各自的土壤保持功能，且硅酸鹽黏合劑、木糠（加適量甘油）、稻草（加適量甘油）按2∶1∶1比例進(jìn)行配制的配方水土保持功能最強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 水土保持劑；硅酸鹽黏合劑；稻草；木糠；喀斯特石灰土；篩選

中圖分類號(hào)： S157.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2016）02-0201-05

0 引言

【研究意義】我國西南喀斯特山區(qū)因母巖成土物質(zhì)先天不足，致使其巖溶區(qū)成土速度十分緩慢（袁道先和蔡桂鴻，1988），加上自然與人為因素的雙重影響，造成地表植被遭受破壞，水土流失及石漠化程度非常嚴(yán)重（Busscher et al.，2007）。土壤稀缺、雨水難以保存是石漠化區(qū)生態(tài)修復(fù)的難點(diǎn)，因此，篩選出適用于喀斯特山區(qū)的水土保持劑，對(duì)提高石漠化治理重建的生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】至今，已有許多學(xué)者從國家目標(biāo)和學(xué)術(shù)思想等不同角度對(duì)石漠化治理進(jìn)行了廣泛探討（彭晚霞等，2008；王明云等，2010），并一致認(rèn)為水土保持是石漠化區(qū)生態(tài)重建的核心任務(wù)。廣西巖溶區(qū)土壤類型主要為石灰土（陳平和梁其彪，1991），其質(zhì)地較黏重，易發(fā)生水土流失（李月臣等，2008）。在喀斯特石漠化區(qū)尤其是城郊區(qū)喀斯特石山的生態(tài)系統(tǒng)快速重建過程中，一般土壤系統(tǒng)重建多采用客土方法，若未采取合理的水土保持措施，客土則會(huì)在短期內(nèi)被侵蝕殆盡。使用土壤改良劑可改善土壤物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)，因此是維持重建生態(tài)系統(tǒng)健康的一種重要手段（楊文艷和周忠學(xué)，2014）?？茖W(xué)使用土壤改良產(chǎn)品可有效緩解肥力下降、結(jié)構(gòu)惡化、水土流失加快等問題，因此土壤改良產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用逐漸受到青睞。目前，市場(chǎng)上存在各種類型的改良劑，主要有保濕劑、松土劑、固沙劑、增肥劑、消毒劑和降酸堿劑等，按其物質(zhì)來源及形態(tài)可分為天然改良劑（天然礦物如膨潤石、無機(jī)固體廢棄物如粉煤灰、天然提取高分子化合物）、人工合成土壤改良劑、天然—合成共聚物改良劑等（陳義群和董元華，2008；劉肖肖等，2013）。其中，利用天然有機(jī)物制備土壤改良劑因其功能強(qiáng)大且容易獲得，已成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐也證明，作物秸稈還田可有效降低地表徑流量和土壤侵蝕量（盛良學(xué)等，2006）、減少養(yǎng)分元素流失（劉紅江等，2010）、提高土壤肥力（黃景等，2012），但利用作物秸稈制備土壤改良劑需通過接枝共聚反應(yīng)（苗永剛等，2009；左廣玲等，2010）或其他化學(xué)手段提取植物中的天然高分子物質(zhì)，由于工藝復(fù)雜、成本高等原因，目前尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】喀斯特石灰土與其他類型土壤在物理化學(xué)性質(zhì)方面存在較大差異，在其他類型土壤上獲得成功的水土保持劑不一定適用于石灰土，因此有必要對(duì)喀斯特石灰土的水土保持劑進(jìn)行深入研究和篩選?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于不同植物性材料水分吸收功能的差異，在人工模擬降雨條件下進(jìn)行喀斯特石灰土水土保持劑的篩選試驗(yàn)，以期為喀斯特地區(qū)的石漠化治理重建提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 水土保持劑制備

試驗(yàn)共制備6種配方。配方A：硅酸鹽親水黏合劑，成分主要有硅酸鹽粉劑、聚乙烯醇等（現(xiàn)配現(xiàn)用）。配方B：木糠（桉樹）+甘油等，新鮮木糠（粒徑 3 mm）加水調(diào)節(jié)水分含量約60%后保濕避光，在25 ℃以上的條件下發(fā)酵20 d，然后均勻加入適量（5%）甘油備用。配方C：稻草+甘油等，新鮮稻草經(jīng)脫谷機(jī)打細(xì)并剪短（長度 20 mm），加水調(diào)節(jié)水分含量約65%保濕避光，在25 ℃以上的條件下發(fā)酵20 d，然后均勻加入適量（5%）甘油備用。配方D：配方A+配方B（1∶1，現(xiàn)配現(xiàn)用）。配方E：配方A+配方C（1∶1，現(xiàn)配現(xiàn)用）。配方F：配方A+配方B+配方C（2∶1∶1，現(xiàn)配現(xiàn)用）。

1. 2 土壤抗侵蝕性試驗(yàn)

1. 2. 1 供試土壤 在廣西都安縣地蘇鎮(zhèn)拉棠村喀斯特灌木林下采集0～20 cm土壤作為供試土壤，土壤類型為石灰土，基本物理性質(zhì)見表1。供試土壤經(jīng)風(fēng)干碾碎并過5 mm篩備用。

1. 2. 2 試驗(yàn)處理 水土保持劑各配方均為現(xiàn)配現(xiàn)用。分別將制備的水土保持劑按3∶100拌入供試土壤，并充分混合均勻，然后將供試土壤平鋪于2.00 m×1.00 m×0.25 m的長方形PVC箱內(nèi)，土層厚度20 cm，鋪好土后均勻?yàn)⑺? L/m2），并用薄膜覆蓋2 d；PVC箱一端底部設(shè)有凹型集水槽，用于收集徑流。將PVC箱無凹型槽的一端墊高，使箱內(nèi)土面形成18°坡度，開始進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)。同時(shí)以未施用任何水土保持劑為對(duì)照處理（CK）。每處理3次重復(fù)。

1. 2. 3 人工降雨試驗(yàn) 采用自制的人工模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行模擬降雨（蘇曉琳，2014），降雨高度5.0 m，降雨總量30 mm，降雨歷時(shí)60 min，雨滴直徑0.5～2.5 mm，降雨均勻度75%～91%。供試土壤初始水含量20.3%。人工模擬降雨結(jié)束后自然風(fēng)干5 d，用環(huán)刀采集PVC箱內(nèi)土樣，用于土壤物理性質(zhì)測(cè)試分析。

1. 2. 4 徑流量與侵蝕量測(cè)定 人工模擬降雨開始后，以1000 mL的塑料燒杯置于凹型槽出水口收集徑流，每10 min更換一次燒杯，然后用量筒測(cè)量徑流體積，并保存所有徑流用于泥沙含量分析。含有泥沙的徑流先6000 r/min離心5 min，棄上清液，剩余泥沙與渾濁液于102 ℃烘箱烘干后稱重。

1. 3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，再以SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同配方水土保持劑對(duì)供試土壤物理性質(zhì)的影響

由表1可知，除配方A外，其余配方的水土保持劑對(duì)土壤物理性質(zhì)均有明顯影響。其中，配方B、C、D、E和F均極顯著降低土壤容重及增加土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度（P<0.01，下同），且以添加有稻草的配方（C、E、F）變化最明顯，其土壤容重比CK約降低14.0%，總孔隙度約增大13.0%，最大持水量約增加31.0%。

2. 2 不同配方水土保持劑對(duì)人工降雨產(chǎn)流的影響

由圖1可以看出，不同處理土壤在不同時(shí)間段的產(chǎn)流量存在明顯差異，且各處理的地表產(chǎn)流量均隨人工降雨時(shí)間延長而逐漸增加，在人工降雨21 min后，其產(chǎn)流量增幅最大，比11～20 min階段增加了3～5倍，而后每10 min的產(chǎn)流量會(huì)比前10 min增加5%～15%，在降雨的最后階段（51～60 min）地表產(chǎn)流量達(dá)最大值（642～801 mL）；降雨停止后，地表產(chǎn)流仍持續(xù)5～8 min，產(chǎn)流量為257～448 mL。

不同處理間的累積產(chǎn)流量也存在明顯差異（圖2），其中以配方A的累積產(chǎn)流量最高（3307 mL），極顯著高于其他處理，其產(chǎn)流量在降雨過程的各階段也是最高，但在人工降雨停止后產(chǎn)流量最少（圖1），說明配方A水土保持劑對(duì)土壤的持水效果最差。配方C的累積產(chǎn)流量（2631 mL）極顯著低于其他處理組，僅為配方A的79.6%；配方E和F的累積產(chǎn)流量也較低，分別為2697和2716 mL，均極顯著低于CK和配方A。

2. 3 不同配方水土保持劑對(duì)土壤侵蝕的影響

由圖3可以看出，除41～50 min階段的配方B外，在各人工降雨階段，添加水土保持劑的土壤侵蝕量均顯著低于CK（P<0.05），表明水土保持劑具有良好的土壤保持作用。在人工降雨過程中，各處理的土壤侵蝕量與其產(chǎn)流量密切相關(guān)，侵蝕量均隨產(chǎn)流量的增加而增加，土壤侵蝕主要發(fā)生在21～60 min階段，說明在相同條件下（同一處理），降低產(chǎn)流量能有效降低土壤侵蝕量。

由圖4可以看出，6種配方的水土保持劑均能極顯著減少土壤侵蝕，比CK分別降低了37.4%、26.1%、32.6%、47.5%、50.0%和55.9%。不同配方水土保持劑的土壤保持功能也存在明顯差異，其中以配方B的侵蝕量最高，其次為配方C，而配方F最低，前兩者分別為后者的1.68和1.53倍，其差異達(dá)極顯著水平?？梢?，添加硅酸鹽黏合劑及植物性材料均能提高土壤的抗侵蝕能力，且硅酸鹽粘合劑的作用效果優(yōu)于植物性材料；同時(shí)添加木糠、稻草和硅酸鹽黏合劑（配方F）對(duì)提高土壤抗侵蝕功能效果最佳。

3 討論

本研究結(jié)果表明，植物性材料（木糠、稻草等）的添加能使土壤容重降低、孔隙度增大，有利于水分入滲，且植物材料孔隙度大、持水量大，尤其是稻草，進(jìn)而有效減少地表產(chǎn)流量。沈穎等（2013）也曾研究發(fā)現(xiàn)，添加少量（<0.3%）的植物纖維雖不能顯著降低土壤容重，但可有效提高土壤的保水性能。稻草具有較強(qiáng)的吸水性（陳曦等，2009），因此施用大量稻草可降低地表徑流量和土壤侵蝕量（盛良學(xué)等，2006）。本研究中，配方B、C、D、E和F的水土保持劑均能顯著改善土壤物理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤水分入滲，可能與其添加有機(jī)物量較多（>1.0%）有關(guān)（左廣玲等，2010），但與農(nóng)作物秸稈還田相比（盛良學(xué)等，2006；劉紅江等，2010），本研究配制的水土保持劑對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的改善作用相對(duì)有限。由于稻草纖維比較細(xì)長，在土壤中能起到土壤編織和連接作用，因此其土壤保持功能較木糠強(qiáng)；而木糠的添加能增加土壤的抗濺蝕能力和雨滴緩沖能力，并降低雨滴動(dòng)能。植物性材料的添加促進(jìn)了土壤水分入滲，減少地表徑流，進(jìn)而降低表面流對(duì)土壤的切割和沖刷，起到保水保土作用。

硅酸鹽黏合劑能有效增加土壤顆粒間的黏合度，土壤顆粒間的連接變緊密、大孔隙減少，土壤水分下滲阻力增加，而導(dǎo)致其地表產(chǎn)流量有所增加（陳義群和董元華，2008）。本研究結(jié)果表明，在6個(gè)配方中以配方A的累積產(chǎn)流量最高（3307 mL），極顯著高于其他配方，其產(chǎn)流量在降雨過程的各階段也最高，但在人工降雨停止后產(chǎn)流量最少，說明該水土保持劑對(duì)土壤的持水效果最差。添加硅酸鹽黏合劑和植物性材料均能提高土壤抗侵蝕能力，其中硅酸鹽黏合劑是通過增強(qiáng)土壤顆粒間的黏結(jié)作用，有利于土壤團(tuán)聚體的形成；植物性材料則是通過其植物纖維起到土壤編織和連接作用?？梢姡杷猁}黏合劑、稻草和木糠配合使用，能充分發(fā)揮出各自的土壤保持功能，且以配方F的水土保持功能最強(qiáng)，即硅酸鹽黏合劑、木糠（加適量甘油）、稻草（加適量甘油）按2∶1∶1比例進(jìn)行配制。

4 結(jié)論

硅酸鹽黏合劑、稻草和木糠配合使用能充分發(fā)揮出各自的土壤保持功能，且硅酸鹽黏合劑、木糠（加適量甘油）、稻草（加適量甘油）按2∶1∶1比例進(jìn)行配制的配方水土保持功能最強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

陳平，梁其彪. 1991. 廣西石山地區(qū)的山地土壤類型和利用[J]. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，（3）：123-126.

Chen P，Liang Q B. 1991. Soil type and utilization of stony region in Guangxi[J]. Guangxi Agricultural Sciences，（3）：123-126.

陳曦，李永梅，鄭毅. 2009. 稻草、黃麻纖維、棕櫚葉的吸水性和腐解速率研究[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），24（2）：206-264.

Chen X，Li Y M，Zheng Y. 2009. Research on water absorption characteristic and decomposition velocity of rice straw， jute fiber and Palm leaf[J]. Journal of Yunnan Agricultural University，24（2）：206-264.

陳義群，董元華. 2008. 土壤改良劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境，17（3）：1282-1289.

Chen Y Q，Dong Y H. 2008. Progress of research and utilization of soil amendments[J]. Ecology and Environment，17（3）：1282-1289.

黃景，顧明華，徐世宏，楊為芳，江立庚. 2012. 稻草還田免耕拋秧對(duì)土壤剖面氮、磷、鉀含量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，45（13）：2648-2657.

Huang J，Gu M H，Xu S H，Yang W F，Jiang L G. 2012. Effects of no-tillage and rice-seedling casting with rice straw returning on content of nitrogen，phosphorus and potassium of soil profiles[J]. Scientia Agricultura Sinica，45（13）：2648-2657.

李月臣，劉春霞，趙純勇，黃建輝. 2008. 三峽庫區(qū)重慶段水土流失的時(shí)空格局特征[J]. 地理學(xué)報(bào)，63（5）：502-513.

Li Y C，Liu C X，Zhao C Y，Huang J H. 2008. Spatiotemporal features of soil and water loss in the Three Gorges reservoir area of Chongqing[J]. Acta Geographica Sinica，63（5）：502-513.

劉紅江，陳留根，朱普平，盛婧，張?jiān)婪迹嵔ǔ? 2010. 稻草還田對(duì)小麥產(chǎn)量、地表徑流NPK流失量及土壤肥力的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，24（6）：6-10.

Liu H J，Chen L G，Zhu P P，Sheng J，Zhang Y F，Zheng J C. 2010. Effects of rice straw return on wheat yield，overland runoff NPK loss and soil fertility[J]. Journal of Soil and Water Conservation，24（6）：6-10.

劉肖肖，董元華，李建剛. 2013. 不同土壤改良劑對(duì)番茄青枯病的防治效果[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，32（7）：1368-1374.

Liu X X，Dong Y H，Li J G. 2013. Effects of soil amendments on suppression of bacterial wilt of tomato[J]. Journal of Agro-Environment Science，32（7）：1368-1374.

苗永剛，劉作新，尹光華，王振營. 2009. 改性玉米秸稈制備農(nóng)用保水劑及其性能研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，27（2）：213-214.

Miao Y G，Liu Z X，Yin G H，Wang Z Y. 2009. Synthesis and characterization of a novel super-absorbent hydro-gel based on chemically modified pulverized corn stalks and acrylic acid[J]. Agricultural Research in the Arid Areas，27（2）：213-214.

彭晚霞，王克林，宋同清，曾馥平，王久榮. 2008. 喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)復(fù)合退化控制與重建模式[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，28（2）：811-820.

Peng W X，Wang K L，Song T Q，Zeng F P，Wang J R. 2008. Controlling and restoration models of complex degradation of vulnerable Karst ecosystem[J]. Acta Ecologica Sinica，28（2）：811-820.

沈穎，徐秋芳，沈振明，蔣晨，彭燕，李松昊，郭帥，李清良. 2013. 自制林木廢棄物再生型保水劑在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力評(píng)價(jià)[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，27（4）：136-141.

Shen Y，Xu Q F，Shen Z M，Jiang C，Peng Y，Li S H，Guo S，Li Q L. 2013. Evaluation of application potential of two non-commercial super absorbent polymers made from Chinese fir and bamboo sawdust in forestry[J]. Journal of Soil and Water Conservation，27（4）：136-141.

盛良學(xué)，黃道友，汪立剛，賀喜全，夏海鰲. 2006. 稻草還田對(duì)春玉米生長發(fā)育與產(chǎn)量的影響[J]. 廣西農(nóng)業(yè)生物科學(xué)，25（1）：56-59.

Sheng L X，Huang D Y，Wang L G，He X Q，Xia H A. 2006. Effects of returning rice straw into field on spring maize growth and productivity[J]. Journal o f Guangxi Agricultu-

ral and Biological Science，25（1）：56-59.

蘇曉琳. 2014. 桉樹造林對(duì)林地土壤水文功能和養(yǎng)分淋失的影響[D]. 南寧： 廣西大學(xué).

Su X L. 2014. Effects of Eucalyptus afforestation on soil hydrological function and nutrient loss[D]. Nanning：Guangxi University.

王明云，陳波，容麗. 2010. 普定喀斯特石漠化地區(qū)森林植被恢復(fù)示范研究[J]. 地球與環(huán)境，38（2）：202-206.

Wang M Y，Chen B，Rong L. 2010. Indicative research on restoration of the forest vegetation in rocky desertification-affected Karst areas，Puding county，Guizhou province[J]. Earth and Environment，38（2）：202-206.

楊文艷，周忠學(xué). 2014. 西安都市圈農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)水土保持價(jià)值估算[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 25（12）：3637-3644.

Yang W Y，Zhou Z X. 2014. Stimation on value of water and soil conservation of agricultural ecosystems in Xian metropolitan， northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Eco-

logy， 25（12）：3637-3644.

袁道先，蔡桂鴻. 1988. 巖溶環(huán)境學(xué)[M]. 重慶：重慶出版社.

Yuan D X，Cai G H. 1988. Karst Environtology[M]. Chongqing：Chongqing Press.

左廣玲，葉紅勇，李入林，史恒欣. 2010. 利用大豆秸稈制備農(nóng)用保水劑及其保水性能研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，（4）：10-13.

Zuo G L，Ye H Y，Li R L，Shi H X. 2010. Synthesis and water-holding performance of agricultural water retaining agent made form Soybean straw[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences，（4）：10-13.

Busscher W J，Novak J M，Caesar-TonThat T C. 2007. Organic matter and polyacrylamide amendment of Norfolk loamy sand[J]. Soil and Tillage Research，93（1）：171-178.

（責(zé)任編輯 鄧慧靈）