不同水土保持措施對(duì)紅壤坡耕地土壤物理性質(zhì)的影響

李翔 楊賀菲 吳曉 張家其

摘要：【目的】針對(duì)紅壤坡耕地土壤結(jié)構(gòu)差、水土流失嚴(yán)重等問(wèn)題，研究不同水土保持措施對(duì)土壤容重、孔隙度等土壤物理性質(zhì)的影響，為實(shí)現(xiàn)紅壤坡耕地的持續(xù)、高效利用提供參考。【方法】以等高花生常規(guī)耕作為對(duì)照（CK），探析表施聚丙烯酰胺（PAM）、香根草籬和PAM+香根草籬等3種水土保持措施對(duì)土壤容重、孔隙度、持水量的影響，綜合評(píng)價(jià)不同措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良效果。【結(jié)果】不同水土保持措施處理下0～20 cm土層土壤容重差異顯著（P<0.05），3種水土保持措施主要對(duì)紅壤坡耕地0～20 cm土壤容重改善效果明顯；不同處理下0～40 cm土層土壤孔隙度和持水量差異不顯著（P>0.05），不同水土保持措施對(duì)0～10 cm土層土壤孔隙度和持水量的提升效果較好。土壤容重與其他土壤物理指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，且作為主成分評(píng)價(jià)不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良效果的貢獻(xiàn)率較高（76.517%）?！窘Y(jié)論】土壤容重是評(píng)價(jià)不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)改良效果的重要因子，影響著土壤孔隙度和持水量等物理性質(zhì)；不同水土保持措施對(duì)0～10 cm土層土壤物理性質(zhì)的綜合改良效果較好，且以表施PAM+香根草籬效果最佳，是值得推廣應(yīng)用的紅壤坡耕地水土保持措施。

關(guān)鍵詞： 紅壤坡耕地；水土保持措施；土壤物理性質(zhì)；土壤容重

中圖分類號(hào)： S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2016）10-1677-06

0 引言

【研究意義】紅壤坡地是我國(guó)南方紅壤區(qū)主要土地資源之一，其面積占南方紅壤區(qū)旱地面積的70%以上（袁久芹等，2015）。該區(qū)域水熱資源豐富，生物生產(chǎn)力潛力巨大（方少文等，2012），是我國(guó)重要的土壤資源和多種農(nóng)林產(chǎn)品的主產(chǎn)區(qū)。隨著土地資源的不斷開(kāi)發(fā)和集約化利用，我國(guó)南方紅壤區(qū)水土流失日益嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方紅壤區(qū)總面積1.03×108 ha，但水土流失面積超過(guò)0.60×108 ha，其水土流失范圍及嚴(yán)重程度僅次于黃土高原地區(qū)（趙其國(guó)，1995）。修復(fù)和重建侵蝕紅壤的措施包括生物、農(nóng)業(yè)、化學(xué)等措施（史學(xué)正和于東升，1999；李戀卿等，2000），天然或合成的聚合物具有改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、保水性、保肥性和滲透性等效果（龍明杰和曾繁森，2000），而植物籬作為坡耕地農(nóng)業(yè)利用的新型技術(shù)體系，可減少水土流失，改善土壤物理性質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高土壤肥力，在水土保持領(lǐng)域備受關(guān)注（袁久芹等，2015）。因此，研究聚合物和植物籬對(duì)紅壤坡耕地土壤物理性質(zhì)的影響，可拓寬南方紅壤改良途徑，豐富和完善紅壤區(qū)水土保持理論，對(duì)于紅壤坡耕地的持續(xù)、高效利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】聚丙烯酰胺（Polyacrylamide， PAM）在土壤改良方面具有成本低、效果好、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，國(guó)外將PAM作為一種水土保持劑，用以增加表層土壤顆粒間的凝聚力，維護(hù)良好的地表土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤結(jié)皮，增加土壤入滲率，減少地表徑流，從而防止或減少土壤侵蝕（Lentz and Sojka， 1994）。PAM被引入到國(guó)內(nèi)后，許多學(xué)者對(duì)其在坡耕地土壤結(jié)構(gòu)改良方面做了相關(guān)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PAM在改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、減少水土流失、降低養(yǎng)分流失等方面具有較好的效果（劉紀(jì)根等，2003；員學(xué)鋒等，2005）。香根草（Vetiveria zizanioides）籬作為一種植物籬，以其適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、成籬速度快在我國(guó)南方紅壤區(qū)得廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明，香根草籬具有攔截地表徑流、增加土壤滲透性、減小養(yǎng)分流失、提高土壤水含量、提高土壤酶活性等優(yōu)良的水土保持效果（武琳等，2013；黃尚書等，2016）。近年來(lái)，以坡地等高植物籬技術(shù)應(yīng)用為代表的坡地生態(tài)工程在我國(guó)南方紅壤區(qū)得到廣泛運(yùn)用，以此形成的植物籬—作物系統(tǒng)可減少土壤侵蝕，增加經(jīng)濟(jì)效益（涂仕華等，2005）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，針對(duì)PAM在水土保持方面的研究主要集中在黃土高原地區(qū)，涉及其他類型土壤較少，而將其與香根草籬結(jié)合起來(lái)作為綜合水土保持措施的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以紅壤坡耕地為研究對(duì)象，通過(guò)探析不同水土保持措施對(duì)土壤容重、孔隙度及持水量等土壤物理性質(zhì)的影響，綜合評(píng)價(jià)不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良效果，為合理利用紅壤坡耕地、減少水土流失及優(yōu)化紅壤坡耕地水土保持措施提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省咸寧市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)紅壤試驗(yàn)站，年均氣溫16.5 ℃，年均降雨量1484 mm，年均蒸發(fā)量1473 mm，水熱資源豐富，但時(shí)空分布極不均勻，春季和夏初水土流失嚴(yán)重，對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響明顯。該地區(qū)地帶性土壤主要為紅壤，成土母質(zhì)以第四紀(jì)紅色粘土為主，土層深厚。

1. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取坡度為8°的紅壤坡耕地，以等高花生常規(guī)耕地作為對(duì)照（CK）處理，并設(shè)表施PAM（P）、香根草籬（H）和PAM+香根草籬（P+H）3種水土保持措施處理，3次重復(fù)，共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，完全隨機(jī)排列，小區(qū)面積為40 m2（20 m×2 m）。PAM由法國(guó)進(jìn)口，白色粉末晶體，溶于水，具有很強(qiáng)的黏聚作用。表施PAM的具體方法為：PAM與過(guò)2 mm目篩的風(fēng)干土按25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)混勻后均勻?yàn)⒃谠囼?yàn)小區(qū)表層，用量為2 g/m2（小區(qū)用量為80 g）。香根草籬每隔5 m雙行種植，株行距為50 cm×50 cm，株高控制在80～100 cm，寬度約60 cm?；ㄉ贩N選用當(dāng)?shù)囟嗔；ㄉ贩N，種植行株距為40 cm×15 cm，不同處理間花生每一行均對(duì)應(yīng)等高種植，含香根草籬的小區(qū)種植66行花生，其他小區(qū)種植72行花生。試驗(yàn)前各處理的土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)及花生的種植方式和田間管理措施等基本一致。

1. 3 土壤樣品采集與分析

花生收獲前，在每小區(qū)選擇坡上、坡中、坡下3個(gè)點(diǎn)采集0～10、10～20、20～30和30～40 cm等4個(gè)土層的環(huán)刀樣品，每個(gè)點(diǎn)位每個(gè)土層采集環(huán)刀樣品4個(gè)，共采集576個(gè)環(huán)刀樣品。其中，選取坡上、坡中、坡下3個(gè)點(diǎn)每個(gè)土層的環(huán)刀樣品各2個(gè)，總計(jì)288個(gè)環(huán)刀樣品用于土壤容重測(cè)定；余下288個(gè)環(huán)刀樣品用于土壤孔隙度、持水量的測(cè)定。土壤容重、孔隙度及持水量等土壤物理指標(biāo)采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用Origin 8.1制圖、SPSS 18.0進(jìn)行方差、相關(guān)性及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同水土保持措施對(duì)土壤容重的影響

由表1可看出，在0～30 cm土層，土壤容重隨土層深度增加而增加，0～10、10～20和20～30 cm土層的土壤容重變化幅度分別為1.11～1.21、1.22～1.31和1.41～1.48 g/cm3；但30～40 cm土層的土壤容重整體較20～30 cm土層低，可能與土壤剖面結(jié)構(gòu)有關(guān)。與CK處理相比，P、H和P+H 3個(gè)處理均能降低0～20 cm土層的土壤容重，其中，以P+H處理的效果最好，其土壤容重與CK相比達(dá)顯著差異水平（P<0.05，下同）；不同處理對(duì)20～40 cm土層土壤容重的影響均不顯著（P>0.05，下同）?？梢?jiàn)，各水土保持措施主要對(duì)紅壤坡耕地0～20 cm土壤容重影響較明顯。

2. 2 不同水土保持措施對(duì)土壤孔隙度的影響

由表2可看出， 0～10 cm土層土壤毛管孔隙度表現(xiàn)為H和P+H處理顯著高于CK處理，而20～30 cm土層土壤毛管孔隙度P處理顯著低于CK處理；各土層不同處理土壤非毛管孔隙度差異各不相同，其中0～10 cm土層土壤非毛管孔隙度表現(xiàn)為P和P+H處理顯著高于CK和H處理，而10～20 cm表現(xiàn)為P、H和P+H處理均顯著低于CK處理?？梢?jiàn)，相對(duì)于CK處理，P、H、P+H處理增加了0～10 cm土壤毛管孔隙度，降低了10～20 cm 土壤非毛管孔隙度，且表施PAM處理（P、P+H）可顯著增加0～10 cm土壤非毛管孔隙度。整體來(lái)看，不同處理下僅0～10 cm土層土壤孔隙度存在顯著差異，說(shuō)明3種水土保持措施對(duì)0～10 cm土層土壤總孔隙度的影響較明顯。不同處理下土壤總孔隙度組成大致相同（圖1），說(shuō)明3種水土保持措施對(duì)土壤孔隙度組成影響較小。土壤毛管孔隙度占總孔隙度的比例以0～10 cm土層較高，達(dá)27.25%，且隨著土層深度的增加而呈下降趨勢(shì)，符合一般規(guī)律。本研究中各水土保持措施對(duì)20～40 cm土層的土壤毛管和非毛管孔隙度的影響相對(duì)復(fù)雜，有待于進(jìn)一步研究。

2. 3 不同水土保持措施對(duì)土壤持水量的影響

由圖2可看出，不同處理下土壤最大持水量隨土層深度增加而呈下降趨勢(shì)，4個(gè)土層的土壤最大持水量差異不顯著；但各水土保持措施對(duì)0～10 cm土層土壤最大持水量的提升效果相對(duì)較好，P、H、P+H處理分別比CK提高18.60%、7.73%和19.84%；但各水土保持措施對(duì)10～40 cm土層土壤最大持水量的提升作用相對(duì)較差。

不同處理下土壤毛管持水量的空間變化特征與最大持水量相同，0～40 cm土層的土壤毛管持水量差異均不顯著。4個(gè)土層由淺到深的土壤毛管持水量變幅分別為339.31～505.05、290.13～365.51、221.40～ 423.09和244.16～451.60 g/kg。各水土保持措施對(duì)土壤毛管持水量的提升效果仍以0～10 cm土層較好，其中以P+H處理最佳，提升幅度達(dá)15.00%。

不同處理下土壤最小持水量差異不顯著，各土層的土壤最小持水量大體相同，0～40 cm整體平均為274.87 g/kg，分別比最大持水量、毛管持水量低25.07%和17.66%。3種水土保持措施對(duì)土壤最小持水量的提升效果也是0～10 cm土層較好。

2. 4 紅壤坡耕地土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果

對(duì)土壤容重（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、總孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）、最小持水量（X7）等7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。由表3可看出，土壤容重與其他6個(gè)指標(biāo)呈顯著或極顯著（P<0.01，下同）負(fù)相關(guān)；毛管孔隙度與非毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量及毛管持水量等4個(gè)指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明不同處理下土壤毛管孔隙度與非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量之間聯(lián)系緊密；最小持水量與土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度呈不顯著相關(guān)。

2. 5 主成分分析結(jié)果

選擇土壤容重（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、總孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）、最小持水量（X7）等7個(gè)指標(biāo)，采用主成分進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)不同水土保持措施改善土壤物理性質(zhì)的效果。由表4可看出，第一、二主成分累積貢獻(xiàn)率高達(dá)90.879%，故采用主成分分析評(píng)價(jià)不同水土保持措施改善土壤物理性質(zhì)效果可靠。第一主成分各指標(biāo)的絕對(duì)值大致相同，其中土壤容重的權(quán)系數(shù)是負(fù)數(shù)，其他指標(biāo)均為正數(shù)，因此，第一主成分主要反映土壤容重與其他指標(biāo)的對(duì)比程度，該主成分?jǐn)?shù)值越大，土壤容重越小，其他指標(biāo)值越大。第二主成分土壤最小持水量的權(quán)系數(shù)是一個(gè)較大的正值，且大于第一主成分各指標(biāo)權(quán)系數(shù)的絕對(duì)值，因此，第二主成分主要反映最小持水量是治理模式改善土壤物理性質(zhì)的關(guān)鍵因子。

從平均得分（表5）來(lái)看，不同處理對(duì)0～10 cm土層土壤物理性質(zhì)的改良效果排序?yàn)镻+H>P>H>CK；而在10～40 cm土層，整體表現(xiàn)為3種水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善作用不明顯或較CK差。可見(jiàn)，不同水土保持措施主要對(duì)0～10 cm土層土壤物理性質(zhì)的改良效果較好。

3 討論

PAM作為一種土壤結(jié)構(gòu)改良劑，不僅能減少地表徑流和養(yǎng)分的流失，還可改善土壤結(jié)構(gòu)（劉紀(jì)根等，2003；潘英華等，2003；員學(xué)鋒等，2005），其對(duì)鹽漬土、水稻土等黃土區(qū)物理性質(zhì)的改良作用已得到證實(shí)（王永敏等，2010；馬鑫，2014；陶淑鑫，2015）。本研究中，紅壤坡耕地表施PAM的水土保持措施在一定程度上改善了0～10 cm土層土壤的物理性質(zhì)，說(shuō)明PAM對(duì)紅壤坡耕地土壤物理性質(zhì)也具有改善效果，可在我國(guó)南方紅壤區(qū)推廣應(yīng)用。

表施香根草籬可增加土壤團(tuán)聚體含量（鐘義軍等，2014）、改善土壤物理性質(zhì)（梅雪梅等，2014）、提高土壤肥力（柳開(kāi)樓等，2015），是南方紅壤侵蝕區(qū)重要的水土保持措施之一。本研究中，表施香根草籬措施對(duì)0～10 cm土層土壤物理性質(zhì)的改良效果驗(yàn)證了其在水土保持中的作用。另外，表施PAM+香根草籬明顯改善了0～10 cm土層的土壤物理性質(zhì)，且效果優(yōu)于PAM或香根草籬獨(dú)立使用的措施，是在紅壤坡耕地值得推廣的水土保持措施。

土壤容重作為重要的土壤物理因子，影響著土壤孔隙、持水等性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤肥力狀況和作物的生長(zhǎng)（劉偉欽等，2003）。通過(guò)相關(guān)性和主成分分析，發(fā)現(xiàn)土壤容重與其他6個(gè)土壤物理指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)，且其作為主成分評(píng)價(jià)不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良效果的貢獻(xiàn)率達(dá)76.517%，體現(xiàn)了容重在土壤物理性質(zhì)中的重要作用。需要注意的是，通過(guò)對(duì)不同水土保持措施改善土壤物理性質(zhì)效果的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，表施PAM、香根草籬和PAM+香根草籬措施對(duì)10～40 cm土壤物理性質(zhì)的改良效果較差，基至不如常規(guī)種植作物（花生），可能與土壤有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)和其他化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，但具體原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

土壤容重是評(píng)價(jià)不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)改良效果的重要因子，影響著土壤孔隙度和持水量等物理性質(zhì)。不同水土保持措施對(duì)0～10 cm土層土壤物理性質(zhì)的綜合改良效果較好，且以表施PAM+香根草籬措施效果最佳，是值得推廣應(yīng)用的紅壤坡耕地水土保持措施。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)充分利用作物，發(fā)揮其植物籬作用，并配合其他水保措施，合理利用紅壤坡耕地資源，減少水土流失。

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（責(zé)任編輯 鄧慧靈）