鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)坡耕地表土抗蝕性評(píng)價(jià)

李　英，林圣玉，張　龍，張華明，韓圣明

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029；3.江西省水文局，江西 南昌 330002)

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鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)坡耕地表土抗蝕性評(píng)價(jià)

李英1，2，林圣玉1，2，張龍1，2，張華明1，2，韓圣明3

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029；3.江西省水文局，江西 南昌 330002)

[摘要]坡耕地是鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要耕地資源，也是水土流失的主要源地。開(kāi)展坡耕地表土抗蝕性評(píng)價(jià)，對(duì)認(rèn)識(shí)坡耕地表土侵蝕規(guī)律、促進(jìn)該區(qū)域坡耕地資源可持續(xù)利用具有重要意義。選取鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)坡耕地典型分布區(qū)域高安市、進(jìn)賢縣和湖口縣為研究區(qū)，應(yīng)用主成分分析法對(duì)其進(jìn)行表土抗蝕性分析，結(jié)果表明：與原始荒坡地相比，坡耕地的抗蝕性較弱；進(jìn)賢縣、高安市、湖口縣坡耕地表土相對(duì)抗蝕性指數(shù)較原狀荒坡地減弱比例分別為13.46%、28.68%和12.30%，其中高安市荒坡地開(kāi)發(fā)耕作后表土抗蝕性下降最明顯，水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗徑流懸浮和分散的能力，是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一[1]，其大小不僅與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)密切相關(guān)[2-3]，還受到耕作、施肥、土地利用方式等人為活動(dòng)的影響。由于土壤抗蝕性并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理或化學(xué)的定量的可直接測(cè)定的指標(biāo)，而是一個(gè)綜合性因子，關(guān)于土壤抗蝕性因子的評(píng)價(jià)還未找到較普遍適用的指標(biāo)，因此只能在一定的控制條件下通過(guò)測(cè)定土壤某些性質(zhì)作為土壤抗蝕性指標(biāo)，從而達(dá)到評(píng)估土壤可蝕性的目的[4-7]。目前國(guó)內(nèi)主要從土壤抗蝕性機(jī)理、影響因素和指標(biāo)體系等方面進(jìn)行研究，在土壤抗蝕性研究指標(biāo)的選取上，大多學(xué)者以土壤的顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性指數(shù)，以及表征土壤團(tuán)聚體特征的分散系數(shù)、分散率、團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度等指標(biāo)為主，也有學(xué)者研究土壤抗蝕性能與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，綜合分析土壤的抗蝕性能。但由于土壤抗蝕性受土壤類(lèi)型、植被、氣候、地形等多因子的影響且時(shí)空變異性較大，因此在不同的地方評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取也有所不同[8-10]。本研究擬采用主成分分析方法，對(duì)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)坡耕地表土抗蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期選出適合當(dāng)?shù)赝寥揽刮g性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，分析坡耕地表土的抗蝕性，為水土流失的防治提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1研究區(qū)概況與樣品采集

1.1研究區(qū)概況

鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)位于長(zhǎng)江中下游南岸的江西北部，區(qū)域面積占江西省土地面積的31%，耕地面積占江西省耕地面積的46%。區(qū)內(nèi)地形為一個(gè)大型盆地，東、南、西三面高，北部低。地貌以平原、崗地、丘陵為主。氣候類(lèi)型屬于典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雨熱同期，農(nóng)業(yè)氣候條件十分優(yōu)越，是江西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域。長(zhǎng)期以來(lái)，受自然和人為因素影響，坡耕地成為該區(qū)水土流失的主要源地。對(duì)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)坡耕地表土資源抗蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于促進(jìn)坡耕地表土資源的可持續(xù)利用與管理、保障區(qū)域糧食安全、實(shí)現(xiàn)江西“生態(tài)立省”與“綠色崛起”的有機(jī)統(tǒng)一、帶動(dòng)整個(gè)江西的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。

1.2樣品的采集與分析

根據(jù)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)坡耕地的分布特征，選取具有代表性的高安市、進(jìn)賢縣和湖口縣作為研究區(qū)和土樣采集樣地。在各縣(市)分別選取6個(gè)典型樣地，每個(gè)樣地采集3個(gè)坡耕地和1個(gè)原狀荒坡地樣點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)樣地72個(gè)樣點(diǎn)，其中原狀荒坡地樣地為對(duì)照組。在每個(gè)樣點(diǎn)中，采用網(wǎng)格法進(jìn)行土壤樣品取樣，按S形采集每個(gè)網(wǎng)格中0～20 cm的表層土，然后每4個(gè)網(wǎng)格的土壤樣品經(jīng)充分混合后用四分法反復(fù)取舍，保留1 kg左右混合土樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

選取無(wú)機(jī)黏粒類(lèi)、微團(tuán)聚體類(lèi)、水穩(wěn)性團(tuán)粒類(lèi)、有機(jī)膠體類(lèi)4類(lèi)9個(gè)指標(biāo)作為表土抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)。土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定；土壤團(tuán)聚體采用干篩法和濕篩法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮用半微量凱氏法測(cè)定；全磷用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定；堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷用0.5 mol/L的碳酸氫鈉提取后用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；速效鉀用1 mol/L的中性醋酸鈉提取后用火焰光度計(jì)法測(cè)定；pH值以2.5∶1的水土比混合后用pH計(jì)測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)采用EDTA-乙酸銨交換法測(cè)定。各樣地的土壤物理化學(xué)指標(biāo)分析測(cè)試結(jié)果為附近3個(gè)樣點(diǎn)的平均值，原狀荒坡地土壤物理化學(xué)指標(biāo)分析測(cè)試結(jié)果為其單點(diǎn)值。

2研究方法

基于目前對(duì)南方紅壤地區(qū)土壤侵蝕研究不深入的現(xiàn)狀，用于評(píng)價(jià)土壤抗蝕性能的抗蝕性指標(biāo)主要是借鑒國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的研究成果。綜合前人研究成果，共選取了4類(lèi)9個(gè)土壤抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)，各指標(biāo)計(jì)算均采用常規(guī)方法。采用SPSS 19.0 軟件對(duì)選取的9個(gè)土壤抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取能夠評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的幾個(gè)指標(biāo)，對(duì)紅壤坡耕地土壤抗蝕能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表1　表土抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3結(jié)果與討論

3.1土壤抗蝕性影響因素

影響土壤抗蝕性的因素很多，一般從土壤機(jī)械組成、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、有機(jī)質(zhì)等方面進(jìn)行分析。

(1)土壤機(jī)械組成。土壤顆粒是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的主要成分，不僅可以與孔隙度、緊實(shí)度、含水量等一起影響土壤中養(yǎng)分、水分循環(huán)和氣體流動(dòng)，還可以用來(lái)解釋土壤受侵蝕的程度。一般而言，土壤中的砂粒(>0.05 mm)含量越高，越利于水分下滲；黏粒(<0.002 mm) 含量越低，土壤的通氣性和透水性就越好，反之，土壤則易形成板結(jié)。研究區(qū)表土土壤顆粒組成見(jiàn)表2。

表2　研究區(qū)坡耕地表土土壤顆粒組成　%

(2)土壤團(tuán)聚體。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其在浸水狀況下的結(jié)構(gòu)性能和分散強(qiáng)度是鑒定土壤抗蝕性的重要指標(biāo)。土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性與土壤可蝕性密切相關(guān)。水穩(wěn)性團(tuán)聚體越多，土壤的抗蝕性越強(qiáng)，即使在地表形成徑流時(shí)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)也不分散，被徑流帶走的泥沙就少。研究區(qū)各樣點(diǎn)土壤濕篩團(tuán)聚體結(jié)果(表3)表明，坡耕地水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(>0.25 mm)均在80%～90%，與原始荒坡地相比，坡耕地水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量下降。紅壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成主要靠有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用。紅壤荒坡開(kāi)墾后，有機(jī)質(zhì)分解加快或補(bǔ)充減少是導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體減少的主要原因?？梢?jiàn)，紅壤坡耕地耕作后，土壤中的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體會(huì)不斷下降，土壤的抗蝕性會(huì)不斷減弱。

表3　研究區(qū)土壤濕篩水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

(3)微團(tuán)聚體。土壤微團(tuán)聚體組成是土壤結(jié)構(gòu)性的一個(gè)重要方面，它與土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤質(zhì)地有密切關(guān)系。由各樣地的地表土壤微團(tuán)聚體組成(表4)可知，各樣地中<0.05 mm微團(tuán)聚體含量很少，微團(tuán)聚體主要集中在0.25～0.05 mm。與原始荒坡地相比，研究區(qū)坡耕地細(xì)小顆粒含量略有增加。細(xì)顆粒含量增加，土壤抗蝕性減弱?？梢?jiàn)，紅壤坡耕地耕作后，其表土微團(tuán)聚體中細(xì)小顆粒含量增加，表土抗蝕性減弱。

表4　研究區(qū)土壤微團(tuán)聚體組成

(4)土壤有機(jī)質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤抗蝕性越強(qiáng)。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量見(jiàn)圖1。進(jìn)賢縣和高安市原狀荒坡地開(kāi)發(fā)為坡耕地后，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降約20%，這主要是坡耕地耕種過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)被植物利用和隨水土流失而損失所致。因此，在坡耕地耕作過(guò)程中增施有機(jī)肥，不僅能改良土壤，而且可有效增強(qiáng)土壤抗蝕性。

圖1　研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量

3.2紅壤坡耕地表土抗蝕性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各指標(biāo)測(cè)定值對(duì)研究區(qū)土壤抗蝕性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取能夠評(píng)價(jià)表土抗蝕性的部分指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，前3個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)81.71%，且特征根均大于1，基本符合主成分分析要求，表明所提取的3個(gè)主成分基本能反映表土的抗蝕能力強(qiáng)弱。其中，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為31.87%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為29.47%，第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為20.37%。

表5　土壤抗蝕性指標(biāo)的主成分分析結(jié)果

第一主成分主要綜合了<0.002 mm黏粒含量、結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)和分散率。其中，分散率對(duì)第一主成分有逆向效應(yīng)，其值越大，第一主成分分值越小，抗蝕能力越弱。第二主成分中團(tuán)聚度的載荷系數(shù)較大，且載荷系數(shù)為正，說(shuō)明其值越大，第二主成分分值越大，抗蝕能力就越強(qiáng)。第三主成分主要綜合了>0.25 mm結(jié)構(gòu)體破壞率、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)含量3個(gè)因子，其中有機(jī)質(zhì)含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量2個(gè)因子值越大，土壤抗蝕能力就越強(qiáng)。通過(guò)以上分析，根據(jù)原指標(biāo)對(duì)主成分的貢獻(xiàn)率大小確定表征研究區(qū)域土壤抗蝕性的優(yōu)化指標(biāo)，分別為結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)、團(tuán)聚度、>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、<0. 002 mm黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量。

根據(jù)提取的三大主成分的特征值和各因子載荷矩陣進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到研究區(qū)土壤抗蝕性的綜合表達(dá)式為

(1)

式中：Y1、Y2、Y3為主成分分值；Y為綜合主成分分值。

用主成分線(xiàn)性函數(shù)計(jì)算不同樣點(diǎn)的主成分分值，即根據(jù)主成分分析獲得的主成分矩陣中每列除以開(kāi)方后相應(yīng)的特征根便得到每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)，再分別乘以9個(gè)原始變量標(biāo)準(zhǔn)化之后的變量即為各分主成分的函數(shù)表達(dá)式，分別為

(2)

(3)

(4)

根據(jù)上述計(jì)算式，代入各樣點(diǎn)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，計(jì)算各樣點(diǎn)的表土抗蝕性指數(shù)。在表土抗蝕性的評(píng)價(jià)中，綜合指數(shù)越高，表土抗蝕性越強(qiáng)；但綜合指數(shù)為負(fù)，并不說(shuō)明表土抗蝕性是負(fù)的，只表明表土抗蝕性水平低于平均水平；評(píng)價(jià)值為正，則表明表土抗蝕性高于平均水平；正負(fù)不表示實(shí)際意義，只表示相對(duì)大小，是評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果。為使表土抗蝕性指數(shù)正值化和便于比較，將表5中的綜合指數(shù)Y減去最小值使其正值化。同時(shí)，將正值化后的結(jié)果除以正值化的最大值，即可得到各樣點(diǎn)的相對(duì)抗蝕性指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。研究區(qū)各縣市土壤抗蝕性差距不大，其中湖口縣坡耕地土壤抗蝕性最弱。與原始荒坡地相比，坡耕地的抗蝕性相對(duì)較弱，說(shuō)明耕作使得紅壤坡耕地抗蝕性減弱。進(jìn)賢縣、高安市、湖口縣坡耕地表土相對(duì)抗蝕性指數(shù)較原狀荒坡地減弱比例分別為13.46%、28.68%和12.30%，其中高安市荒坡地開(kāi)發(fā)耕作后表土抗蝕性下降最劇烈。

圖2　研究區(qū)表土相對(duì)抗蝕性指數(shù)

綜合上述分析，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)是江西省重要的糧食基地，也是坡耕地集中分布區(qū)，耕作后坡耕地較原狀荒坡地表土抗蝕性下降，迫切需要加強(qiáng)對(duì)坡耕地水土流失的治理，尤其是在種植前期，植被覆蓋度較低，加上表土抗蝕性差，極易發(fā)生強(qiáng)烈表土侵蝕。保護(hù)性耕作是坡耕地水土流失防治的有效技術(shù)之一，可針對(duì)種植前期植被覆蓋度低的特點(diǎn)，有效保護(hù)表土，增強(qiáng)抗蝕性。

4結(jié)論

本研究對(duì)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)典型區(qū)域坡耕地和原狀荒坡地進(jìn)行表土采樣，分析其理化性狀，并通過(guò)主成

分分析，綜合評(píng)價(jià)了紅壤坡耕地的抗蝕性。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)、團(tuán)聚度、>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、<0.002 mm黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量等可作為評(píng)價(jià)研究區(qū)紅壤坡耕地表土抗蝕性的最佳指標(biāo)。主成分綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果顯示，耕作后坡耕地表土流失嚴(yán)重，抗蝕性減弱，減弱比例接近30%。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[中圖分類(lèi)號(hào)]S158.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)07-0048-04

[基金項(xiàng)目]江西省科技支撐項(xiàng)目(20111BBF60059)；江西省水利科技項(xiàng)目(KT201112)

[作者簡(jiǎn)介]李英(1982—)，女，安徽安慶市人，工程師，碩士，主要從事水土保持科學(xué)研究工作。

[收稿日期]2015-12-30

[關(guān)鍵詞]坡耕地；土壤抗蝕性；主成分分析；鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)