侵蝕紅壤區(qū)緩坡地土壤物理性狀對水土保持措施的響應(yīng)

喻榮崗，謝頌華，張華明，陳 浩，左繼超，沈發(fā)興

( 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)

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侵蝕紅壤區(qū)緩坡地土壤物理性狀對水土保持措施的響應(yīng)

喻榮崗1,2，謝頌華1,2，張華明1,2，陳 浩1,2，左繼超1,2，沈發(fā)興1,2

( 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)

結(jié)合長期定位試驗(yàn)和室內(nèi)分析，研究了侵蝕紅壤區(qū)不同水土保持措施下坡地土壤容重、孔隙度、持水性能和團(tuán)聚度等因子的變化，分析了不同水土保持措施的土壤改良效果。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)坡地土壤容重、持水量因子(最大持水量、毛管持水量和田間持水量)、濕篩團(tuán)聚體組成、濕篩MWD、結(jié)構(gòu)破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等因子，但是對孔隙度因子(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、分散率、干篩團(tuán)聚體組成和干篩MWD影響不顯著。牧草措施可顯著降低土壤容重、結(jié)構(gòu)破壞率和分散率，提高土壤總孔隙度、各持水量因子、大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，顯著改善土壤物理性質(zhì)狀況。研究區(qū)可用土壤持水量因子作為衡量土壤肥力狀況的簡化指標(biāo)。

侵蝕紅壤區(qū)；水土保持措施；土壤物理性質(zhì)

土壤物理性狀是最為重要的土壤性質(zhì)之一，不但調(diào)控著發(fā)生在土壤中的化學(xué)和生物反應(yīng)過程，而且是土壤抗侵蝕能力指標(biāo)體系的重要組成部分，是水土保持效益研究的重要內(nèi)容[1-2]。土壤物理性狀對水土保持措施的響應(yīng)與研究地點(diǎn)、水土保持措施種類、土壤類型、侵蝕類型和強(qiáng)度等諸多因子有關(guān)[3-5]。目前在土壤物理性狀對水土保持措施響應(yīng)研究方面，主要集中在黃土高原以及南方丘陵等地區(qū)的劇烈侵蝕類型區(qū)[6-8]，這些研究所涉及的侵蝕坡地坡度均大于15°，對于15°以下緩坡地的關(guān)注較少。我國退耕還林還草措施主要對象為大于15°的坡地[9]，而小于15°的坡地則繼續(xù)被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所影響，其土壤侵蝕和水土流失對區(qū)域水土流失總量的貢獻(xiàn)逐漸增高[10]。因此開展緩坡地土壤物理性質(zhì)對水土保持措施響應(yīng)的研究，不但可以深化和完善水土保持效益評價(jià)的內(nèi)容，而且可以為篩選合適的水土保持措施提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

侵蝕紅壤區(qū)是我國土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，該區(qū)土壤侵蝕面積達(dá)25萬km2，占東南部紅壤面積的22%，是我國土壤侵蝕和水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域之一，在南方丘陵區(qū)土壤侵蝕與水土流失研究中具有非常典型的代表性[11-12]。本研究以江西水土保持生態(tài)科技園的牧草、農(nóng)作物和梯田等緩坡地水土保持措施的不同處理小區(qū)為研究對象，分析了不同水土保持措施對土壤物理性狀的影響，旨在為紅壤侵蝕區(qū)高效的水土保持治理措施的選擇與植被恢復(fù)的土壤改良效益評價(jià)提供理論依據(jù)，并且為比較不同侵蝕區(qū)緩坡地水土保持效益積累基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在位于鄱陽湖水系的博陽河西岸的江西水土保持生態(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。研究區(qū)年均降雨1469 mm，主要集中在4～8月份，年均氣溫16.7 ℃，日照時(shí)數(shù)1700～2100 h，無霜期249 d，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的紅壤，森林植被為常綠闊葉林帶，植物種類繁多，但由于長期過度開發(fā)利用，地表植被遭到破壞，水土流失嚴(yán)重，其流失面積占總土地面積的85.6%，且土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

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)計(jì)牧草措施、農(nóng)作物、梯田和對照措施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、狗牙草)覆蓋坡地，小區(qū)植被覆蓋度為80%～95%；農(nóng)作物處理播種黃豆和蘿卜，每年4月12日～8月10日種黃豆，8月12日～次年3月12日種蘿卜，不施肥；梯田處理梯壁植百喜草，梯面植柑橘樹；對照處理全區(qū)裸露。小區(qū)管理均按《水土保持試驗(yàn)規(guī)范SD 239—87》標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行。

1.3 土壤樣品采集和分析

于2006年9月在研究區(qū)內(nèi)采樣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)按照S形取樣法隨機(jī)選取5點(diǎn)，用土鉆采集土壤樣品，混勻風(fēng)干，以供土壤物理性質(zhì)的測定。

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量和飽和持水量的測定采用環(huán)刀法；干篩和濕篩土壤團(tuán)聚體分析采用沙維諾夫分級法；團(tuán)聚狀況=>0.05 mm(微團(tuán)聚體-機(jī)械組成)；團(tuán)聚度=團(tuán)聚狀況×100%/(>0.05 mm微團(tuán)聚體)；分散率=(<0.05 mm微團(tuán)聚體)×100%/(<0.05 mm機(jī)械組成)；結(jié)構(gòu)體破壞率=[>0.25 mm團(tuán)粒(干篩-濕篩)]×100%/[>0.25 mm團(tuán)粒(干篩)][13-14]。

土壤平均水穩(wěn)性團(tuán)粒重量直徑(MWD)計(jì)算公式為：

式中：MWD為平均水穩(wěn)性團(tuán)粒重量直徑(mm)；Xi為第i級的平均直徑(mm)；Wi為第i級的土壤重量(mg)；WT為供試土壤的總重量(mg)。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕紅壤區(qū)坡地土壤物理性質(zhì)的變化

通過比較研究區(qū)對照坡地2001年和2006年土壤物理性質(zhì)變化可以看出(表1)，經(jīng)過5年侵蝕后，對照坡地土壤物理性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，土壤容重、分散率和結(jié)構(gòu)破壞率分別增加了3.82%、5.26%和7.41%；總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、>0.05 mm微團(tuán)聚體、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤MWD分別降低了2.26%、0.63%、10.54%、5.12%、4.52%、19.64%、29.53%、22.56%、45.02%和18.42%，表明其土壤結(jié)構(gòu)惡化，土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化。

表1 裸露對照區(qū)2001與2006年土壤物理性質(zhì)對比狀況

2.2 不同水土保持措施對土壤物理性質(zhì)的影響

不同水土保持措施顯著改變了土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、濕篩各粒級團(tuán)聚體、結(jié)構(gòu)破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、分散率和濕篩土壤MWD，但對土壤干篩各粒級團(tuán)聚體組成和干篩土壤MWD狀況影響不顯著(表2)。

本研究中不同水土保持措施顯著改變了土壤容重(表2、圖1)。牧草、農(nóng)作物和梯田措施顯著降低了土壤容重值，降幅分別為7.69%、6.20%和4.16%(P<0.05)。土壤容重的降低表明3種水土保持措施特別是牧草措施能顯著改善土壤表層結(jié)構(gòu)。不同水土保持措施下土壤容重差異的原因主要有以下方面：(1)草本植物須根系埋藏淺且數(shù)量多，草根的穿插使得土壤顆粒粉碎，孔隙增多，直接減小土壤容重；(2)草本植物的凋落物在土壤中易分解腐化成土壤有機(jī)質(zhì)，間接降低了土壤容重；(3)農(nóng)作物處理經(jīng)常翻耕，有利于土壤大顆粒的粉碎，從而間接降低了土壤的容重[3]。

表2 土壤物理性質(zhì)方差分析結(jié)果

與對照相比，牧草、農(nóng)作物和梯田措施均顯著增加了土壤總孔隙度，增加幅度分別為6.75%、4.02%和2.95%；牧草措施降低了毛管孔隙度，降幅為1.13%，而農(nóng)作物和梯田措施增加了毛管孔隙度，增幅分別為1.97%和5.11%；牧草和農(nóng)作物措施增加了非毛管孔隙度，增幅分別為52.60%和15.98%，而梯田措施降低了非毛管孔隙度，降幅為9.68%。梯田措施在毛管孔隙度以及非毛管孔隙度等方面表現(xiàn)出與牧草區(qū)組和耕作區(qū)組不同的特征，主要是由于梯田修筑，截短了坡長，改變了坡面水系，下雨時(shí)臺(tái)面容易受雨水充分浸潤，天晴時(shí)臺(tái)面裸露直接受到太陽曝曬，土壤毛細(xì)作用非常強(qiáng)烈，直接導(dǎo)致毛管孔隙度相對數(shù)量增多，非毛管孔隙度受水分強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)影響反而會(huì)較牧草措施和農(nóng)作物措施有所減少[12]。

與對照相比，不同水土保持措施均顯著增加了土壤持水性能，如牧草、農(nóng)作物和梯田處理土壤最大持水量比對照處理分別增加15.72%、10.89%和7.40%，毛管持水量分別增加8.24%、9.76%和10.75%，田間持水量分別增加28.86%、16.88%和15.22%。各措施類型改善最大持水量效果依次為牧草>農(nóng)作物>梯田；改善毛管持水量效果依次為梯田>牧草>農(nóng)作物；改善田間持水量效果依次為牧草>農(nóng)作物>梯田?？梢姡敛荽胧ψ畲蟪炙亢吞镩g持水量改善效果比較好，梯田措施對毛管持水量改善效果比較好。土壤持水性能的改善對于提高緩坡地水土保持效益具有重要意義。南方丘陵區(qū)土壤侵蝕主要機(jī)理為蓄滿產(chǎn)流[15]，土壤持水性能的增加，不但能夠提高緩坡地土壤水分有效性，而且可以提高降雨過程中土壤蓄積雨水的容量，延遲初始產(chǎn)流時(shí)間，從而增強(qiáng)土壤對侵蝕的緩沖能力。

不同措施土壤干篩和濕篩團(tuán)聚體組成如圖1所示。干篩后各級別團(tuán)聚體組成在不同措施間表現(xiàn)為：干篩>5 mm團(tuán)聚體為牧草>梯田>農(nóng)作物；5～3、3～2、2～1、1～0.5和<0.25 mm團(tuán)聚體為農(nóng)作物>梯田>牧草；0.5～0.25 mm團(tuán)聚體為農(nóng)作物>牧草>梯田。濕篩后各級別團(tuán)聚體含量在不同措施間表現(xiàn)為：>5 mm團(tuán)聚體為牧草>農(nóng)作物>梯田；5～3、3～2、2～1和1～0.5 mm團(tuán)聚體表現(xiàn)為梯田>牧草>農(nóng)作物；0.5～0.25 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為梯田>農(nóng)作物>牧草；<0.25 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為農(nóng)作物>梯田>牧草。與對照相比，采取不同水土保持措施后，干篩和濕篩大團(tuán)聚體(>0.25 mm)均有明顯增加，牧草、農(nóng)作物和梯田分別增加了3.24%、1.34%、2.22%和39.65%、13.13%、34.37%，體現(xiàn)了水保措施的作用與效果。不同級別團(tuán)聚體分布也比較均勻，也表明長期采取水保措施能顯著改善土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，增加團(tuán)聚體尤其是較大團(tuán)聚體的含量。為進(jìn)一步了解長期水土保持措施土壤結(jié)構(gòu)的整體分布狀況，求出了干篩和濕篩土壤MWD(圖1)。MWD大小全方位地反映了土壤的團(tuán)聚狀況，經(jīng)過長期水保措施后，干篩和濕篩土壤團(tuán)聚體MWD均發(fā)生了顯著變化，所有土壤干濕篩MWD明顯高于對照土壤，分別表現(xiàn)為牧草>梯田>農(nóng)作物>對照和牧草>農(nóng)作物>梯田>對照，相對于對照，增幅分別為13.02%、10.96%、4.36%和100.42%、64.50%、62.29%，表明水土保持措施能顯著地改善土壤團(tuán)聚體的基本組成，再次體現(xiàn)了長期水土保持措施的作用與效果。最后比較了不同水保措施土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)破壞率和分散率(圖1)。與對照相比，采取水土保持措施后，土壤結(jié)構(gòu)破壞率和分散率有顯著降低，且不同措施間表現(xiàn)為牧草<梯田<農(nóng)作物，降幅分別為34.83%、31.11%和11.46%；團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加，表現(xiàn)為牧草>梯田>農(nóng)作物，增幅分別為53.99%、49.93%和19.57%。進(jìn)一步表明，3種水土保持措施以牧草為最佳，農(nóng)地則由于經(jīng)常耕作，較易破壞大團(tuán)聚體，相對而言其團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差。

圖1 不同水土保持措施下土壤物理性質(zhì)的變化

2.3 土壤物理性狀評價(jià)指標(biāo)篩選

2.3.1 相關(guān)分析 本研究選取容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、結(jié)構(gòu)破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、分散率、干篩MWD、濕篩MWD等12個(gè)指標(biāo)來評價(jià)試驗(yàn)區(qū)域的土壤物理性狀。各指標(biāo)的相關(guān)矩陣(表3)表明，大部分土壤物理性狀之間具有一定的相關(guān)性，其中，土壤容重、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、結(jié)構(gòu)破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、分散率和濕篩平均重量直徑之間具有顯著的相關(guān)性。另外，毛管孔隙度與非毛管孔隙度和毛管持水量之間，非毛管孔隙度與容重、總孔隙度、田間持水量之間，干篩平均重量直徑與結(jié)構(gòu)破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和濕篩平均重量直徑之間具有顯著的相關(guān)性，與其它物理性狀指標(biāo)的相關(guān)性不明顯。

2.3.2 主成分分析 在主成分分析中，因子1、因子2和因子3的特征值都大于1，分別解釋了總方差變異的63.4%、17.9%和12.7%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)94.1%(表4)。在因子1所包含的指標(biāo)中，土壤最大持水量和田間持水量具有較高的正負(fù)載，由于因子1所包括的變量都與持水量顯著相關(guān)，將其命名為持水量因子；在因子2上，毛管孔隙度和毛管持水量有較高的正負(fù)載，將其命名為孔隙度因子；在因子3上，干篩平均重量直徑和團(tuán)聚體穩(wěn)定性有較高的負(fù)載，將其命名為團(tuán)聚體因子。

通過主成分分析，將指標(biāo)歸結(jié)為3個(gè)因子，不同治理措施下土壤物理性狀指標(biāo)的差異可以通過3個(gè)因子的綜合值體現(xiàn)出來(表5)。持水量因子(因子1)值越大，與持水量因子相關(guān)的土壤孔隙度、毛管孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、干篩MWD、濕篩MWD越高，土壤質(zhì)量水平越高；孔隙度因子和團(tuán)聚體因子值越大，則土壤毛管孔隙度、毛管持水量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和干篩MWD越高。本研究中，由于不同措施對毛管孔隙度和干篩平均重量直徑影響不顯著，而且不同措施下土壤持水量變化趨勢與其他土壤物理指標(biāo)變化趨勢相似，因此在研究區(qū)可以利用持水量因子作為衡量土壤肥力狀況的簡化指標(biāo)。

表3 土壤物理性狀指標(biāo)相關(guān)性分析

表4 不同治理措施土壤物理性狀指標(biāo)主成分分析的特征值與負(fù)荷量

表5 不同治理措施土壤物理性狀指標(biāo)的主成分分析

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，不同水土保持措施顯著影響侵蝕紅壤區(qū)坡地土壤容重、持水量因子(最大持水量、毛管持水量和田間持水量)、濕篩團(tuán)聚體組成、濕篩MWD、結(jié)構(gòu)破壞率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等因子，但是對孔隙度因子(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、分散率、干篩團(tuán)聚體組成和干篩MWD影響不顯著。牧草措施可顯著降低土壤容重、結(jié)構(gòu)破壞率和分散率，提高土壤總孔隙度、各持水量因子、大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，顯著改善土壤物理性質(zhì)狀況。研究區(qū)可用土壤持水量因子作為衡量土壤肥力狀況的簡化指標(biāo)。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Response of Soil Physical Properties to Soil and Water Conservation Measures in Gentle Sloping Land of Erosive Red Soil Region

YU Rong-gang1,2, XIE Song-hua1,2, ZHANG Hua-ming1,2, CHEN Hao1,2,ZUO Ji-chao1,2, SHEN Fa-xing1,2

(1. Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China;2. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention, Nanchang 330029, China)

Combined with long-term location test and indoor analysis, the soil physical properties such as soil bulk density, soil porosity, soil water retention, and soil aggregation degree in gentle sloping land of erosive red soil region under different soil and water conservation measures were studied, and the soil improvement effects of different soil and water conservation measures were analyzed. The results showed that different soil and water conservation measures all had a significant impact on soil bulk density, soil water retention factors (maximum water retention, capillary water retention, and field water retention), wet-sieved aggregate composition, wet-sieved MWD (mean weight diameter), rate of structure deterioration, and aggregate stability of erosive red-soil sloping land, but they had no any significant impacts on soil porosity factors (total porosity, capillary porosity, and non-capillary porosity), soil dispersion rate, dry-sieved aggregate composition, and dry-sieved MWD. The forage grass planting measure could significantly reduce soil bulk density, rate of structure deterioration, and soil dispersion rate, and increase soil total porosity, all soil water retention factors, large aggregate (>0.25 mm) content, and aggregate stability, thus significantly improved soil physical properties. In the studied region, the soil water retention could be used as a simple indicator for the evaluation of soil fertility.

Red soil erosion region; Soil and water conservation measures; Soil physical properties

2016-09-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41461060)。

喻榮崗(1977─) ，男，江西德安人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持研究和監(jiān)測工作。

S152

A

1001-8581(2016)11-0085-05