紫色土坡耕地土壤屬性差異對耕層土壤質(zhì)量的影響

丁文斌,蔣光毅,史東梅,*,劉益軍,蔣 平,常松果,劉志鵬

1 西南大學資源環(huán)境學院,重慶 400716 2 重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,重慶 401147 3 重慶市水利電力勘測設計研究院,重慶 400020

紫色土坡耕地土壤屬性差異對耕層土壤質(zhì)量的影響

丁文斌1,蔣光毅2,史東梅1,*,劉益軍1,蔣 平3,常松果1,劉志鵬1

1 西南大學資源環(huán)境學院,重慶 400716 2 重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,重慶 401147 3 重慶市水利電力勘測設計研究院,重慶 400020

坡耕地是一個區(qū)域最易發(fā)生水土流失的土地利用類型,其嚴重的水土流失、面源污染和耕層退化現(xiàn)象直接威脅著坡耕地持續(xù)利用以及當?shù)丶Z食安全、生態(tài)安全；耕層土壤質(zhì)量對自然因素和人為耕作活動的影響較為敏感。以南方3個地點紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量為研究對象,從土壤屬性角度,對比分析了重慶合川、江西興國、云南楚雄不同耕層垂直深度土壤養(yǎng)分特征、土壤物理性質(zhì)、土壤水庫特征、耕作性能差異性及其形成原因。結(jié)果表明：(1)坡耕地耕層土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為云南楚雄(28.80 g/kg)>江西興國(9.03 g/kg)>重慶合川(8.80 g/kg)；除全鉀含量外,土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分的含量表現(xiàn)為云南楚雄>江西興國>重慶合川；坡耕地耕層速效養(yǎng)分垂直分布變化規(guī)律基本一致,主要表現(xiàn)為土壤速效養(yǎng)分主要在0—20 cm土層富集,而20—40 cm和40—60 cm土層無顯著差異。(2)不同地點紫色土坡耕地耕層土壤物理性質(zhì)差異明顯,以重慶合川坡耕地土壤物理質(zhì)量最差,表現(xiàn)為土壤砂粒含量>60 %、土壤容重最大(1.43 g/cm3)、土壤總孔隙度(45.97%)和毛管孔隙度(34.36%)最?。粡钠赂馗麑油寥牢锢硇再|(zhì)垂直變化特征看,耕作層(0—20 cm)優(yōu)于心土層(20—40 cm)和底土層(40—60 cm)。(3)紫色土坡耕地耕層土壤初始入滲率以江西興國坡耕地耕層最大(0.32 mm/min),而以重慶合川坡耕地耕層最小(0.19 mm/min)；土壤穩(wěn)定入滲率和平均入滲率均表現(xiàn)為云南楚雄>重慶合川>江西興國；坡耕地耕層土壤最大有效庫容以云南楚雄最好(873.311 t/hm2),說明云南楚雄紫色土坡耕地耕層土壤具有較好的抵御季節(jié)性干旱能力；不同地點坡耕地耕層土壤總庫容、死庫容、興利庫容、滯洪庫容、最大有效庫容在垂直方向變化表現(xiàn)為耕作層(0—20 cm)大于心土層(20—40 cm)和底土層(40—60 cm)。(4)不同地點紫色土坡耕地耕層土壤抗剪強度和貫入阻力均呈現(xiàn)出相同變化規(guī)律,土壤抗剪強度表現(xiàn)為重慶合川(15.39 kg/cm2)>云南楚雄(14.74 kg/cm2)>江西興國(10.66 kg/cm2),而土壤貫入阻力值為重慶合川(424.83 kPa)>云南楚雄(252.50 kPa)>江西興國(188.87 kPa),這種土壤力學性能的變化說明重慶合川紫色土坡耕地耕層土壤具有較好抵抗剪切破壞的能力和較大耕作阻力。上述研究結(jié)果可為不同地點紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量診斷、坡耕地合理耕層評價提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

耕層；坡耕地；土壤質(zhì)量；耕作性能；垂直分布；紫色土

我國坡耕地面積3823.98 hm2,可占全國耕地面積的28.35 %；坡耕地作為一種重要的耕地類型,其嚴重水土流失和面源污染直接威脅著區(qū)域糧食安全和生態(tài)安全[1]。紫色土(主要為耕地) 資源2198.8萬hm2,其中旱地1889.1萬hm2,集中分布在四川盆地,在云南、重慶、廣東、廣西、江西等省都有分布[2]。與其它旱坡地(疏幼林地和灌草地)相比,坡耕地耕作活動模式是由社會經(jīng)濟因素和自然因素綜合決定的,坡耕地人為擾動最為頻繁且有周期性、高強度的特點,坡耕地生產(chǎn)過程對土壤理化性質(zhì)影響強烈[3]。土壤質(zhì)量指標是指能夠反映土壤實現(xiàn)其功能的程度并且能夠測量的土壤或植物屬性,指標篩選和確定因研究區(qū)域和目的而不同。Power等[4]認為土壤質(zhì)量指土壤供養(yǎng)維持作物生長的能力,主要包括耕性、土壤深度、持水能力、滲透速率、團聚作用、有機質(zhì)含量、pH、養(yǎng)分性能等。Doran等[5]把土壤質(zhì)量定義為維持作物生產(chǎn)力,維護環(huán)境質(zhì)量,促進植物和動物健康的能力,并不破壞自然資源及生態(tài)環(huán)境的能力。Franzluebbers[6]認為土壤質(zhì)量包括土壤內(nèi)在質(zhì)量和動態(tài)質(zhì)量,內(nèi)在質(zhì)量為相對穩(wěn)定的屬性(如土壤質(zhì)地等),動態(tài)質(zhì)量易受到人為活動的影響(如土壤養(yǎng)分等),土壤質(zhì)量高低直接關(guān)系到人類生存狀況及糧食生產(chǎn)能力。我國農(nóng)業(yè)部2008年將耕地質(zhì)量定義為耕地滿足作物生長和清潔生產(chǎn)程度,主要包含耕地內(nèi)在地力和耕地外在環(huán)境質(zhì)量兩個方面[7],從農(nóng)學角度土壤質(zhì)量通常包括土壤供作物生長內(nèi)在能力及土壤質(zhì)量動態(tài)兩方面[8],耕作層是為了栽培農(nóng)作物,利用工具對土壤進行擾動的深度層,農(nóng)田土壤的土體一般分為表土層、穩(wěn)定層、心土層和犁底層4個層次,每個層次的物理、化學、生物形狀及調(diào)節(jié)肥力因素都不同[9],土壤0—100 cm的質(zhì)地層次結(jié)構(gòu)對耕層土壤物理、化學性狀和生產(chǎn)性能有重要影響[10]；并在基于“壓力-狀態(tài)-響應(PSR)”框架下,在地塊和小流域尺度建立了針對土壤侵蝕的土地質(zhì)量評價指標體系[11],分析了特定地區(qū)耕地土壤質(zhì)量分等定級與基本農(nóng)田劃定標準等方面[12],而對坡耕地耕層土壤質(zhì)量研究較少。坡耕地嚴重水土流失不僅造成耕層土壤退化、土層厚度變薄和土壤肥力惡化等土壤環(huán)境發(fā)生根本性變化,還可造成坡耕地面積減少、農(nóng)作物產(chǎn)量下降等一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題,因此本文選擇重慶合川、江西興國、云南楚雄紫色土坡耕地為研究對象,通過野外耕層剖面土壤力學性能測定、室內(nèi)土壤理化性質(zhì)測定等綜合手段,從土壤屬性角度,重點分析了紫色土坡耕地不同垂直深度的耕層土壤化學性質(zhì)、物理性質(zhì)與耕作性能差異性及形成原因,分析了坡耕地耕層土壤入滲性能與土壤水庫特征差異性,研究結(jié)果可為當?shù)刈仙疗赂赝寥蕾|(zhì)量評價、土壤肥力提升及坡耕地合理耕層建立提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料及研究區(qū)概況

選擇重慶市合川、江西興國、云南楚雄的紫色土坡耕地耕層土壤為研究對象,3個區(qū)域紫色土的母巖均為不同地質(zhì)時期紫色砂泥(頁)巖。紫色砂巖顆粒粗大、組織疏松并多含石英砂粒,除機械崩墜外,一般不易被地面徑流所沖刷；而紫色泥頁巖,由于顆粒細小、組織微密、透水性差,在自然光熱水作用下,易風化成顆粒碎屑,物理風化強烈,化學風化微弱。重慶市合川采樣點位于雙鳳鎮(zhèn)塘灣村,屬亞熱帶濕潤季風氣候,年均降雨量1107.9 mm,多集中在5—9月；年均氣溫18.1℃,>10℃的有效積溫5903.1℃；無霜期331d,年均日照1316.2h。江西省興國采樣點位于社富鄉(xiāng)東邵村,屬亞熱帶東南季風氣候,年降雨量1600 mm,多集中在4—6月；年均溫度18℃,>10℃有效積溫6135—6699℃；無霜期284 d,年均日照1861.4 h。云南省楚雄市采樣點位于紫溪鎮(zhèn)冷水村,屬亞熱帶季風氣候,年均降水量800—1000 mm,集中在7—10月；年氣溫為14.8—21.9℃,>10℃的有效積溫2500℃；無霜期221—275d,年均日照2450 h。紫色土坡耕地各采樣點基本情況見表1。

表1 坡耕地采樣點基本情況

1.2 采樣方法

在3個地區(qū)選擇典型紫色土坡耕地地塊作為研究對象,在樣地內(nèi)以“S”型布置采樣點進行土壤散樣采集,在樣地其中間位置挖掘土壤剖面點進行垂直分布樣品采集,土壤剖面構(gòu)型示意圖及各屬性土壤剖面見圖1。以0—20、20—40、40—60 cm分層采樣,樣品用塑料薄膜密封,各層次分別用鋁盒法采集含水率測定的樣品,用環(huán)刀(100 cm3)法采集土壤容重、孔隙度和田間持水分析的樣品,各樣品分別重復3次；土壤力學指標的測定以0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm分層進行測定。

圖1 坡耕地耕層土壤剖面構(gòu)型示意Fig.1 The soil profile configuration diagram of slop farmland plow- layer

1.3 土壤理化性質(zhì)測試方法

土壤理化性質(zhì)測定方法[13-14]如下：含水量采用烘干法；容重、孔隙度采用環(huán)刀法；機械組成采用吸管法；土壤入滲采用單環(huán)刀法,采用最初入滲3 min作為初始入滲率,穩(wěn)滲率為單位時間內(nèi)滲透量趨于穩(wěn)定(單位時間入滲水量相等)的滲透速率；同時在土壤入滲做完以后將環(huán)刀上部蓋嚴,經(jīng)過2 d重力水排出后測定土壤田間持水量。采用半微量凱氏法測定土壤全氮,氧化鎂浸提-擴散法測定土壤銨態(tài)氮,氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定土壤全磷,雙酸浸提法測定土壤有效磷,氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定土壤全鉀,乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀,重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質(zhì)。

1.4 土壤水庫特征值計算方法

土壤水庫蓄水量可以按文獻[15]計算,設某時刻地表以下一定深度H處土壤含水量為θ(h),則該深度土層相應蓄水量為：

式中,Wa為地表以下H深度土層的土壤蓄水量(mm)。

土壤水庫各種特征庫容計算方法如下：

最大有效庫容=總庫容-死庫容

式中,Wl為凋萎持水量(%)；r為土壤密度(g/cm3)；H為土層厚度(cm)；n為土壤層次；C為田間持水量(%)；S為飽和持水量(%)。

1.5 土壤力學指標測試方法

土壤抗剪強度采用荷蘭產(chǎn)便攜式 14.10Pocket Vane Tester 型三頭抗剪儀,在試驗點按開挖約為 10 cm×15 cm的試坑,分別于5、15、25、35、45、55 cm的深度平面,用小鐵鏟將之整平,并注意保持土壤結(jié)構(gòu)完整,不受破壞。根據(jù)該試驗土壤的性質(zhì)(壤質(zhì)土)選擇 CL100 型(中號)抗剪旋頭,將三頭抗剪儀先將指針歸零,抗剪儀頭部放至預定試驗深度。用手摁壓使抗剪儀徐徐壓入土中至預定試驗深度,并靜置2—3 min。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤,直至土體開始被切斷時(即表示土體己被剪損)時,記錄儀表盤上的X。土壤抗剪強度計算公式為：

Y= 2. 734X

式中,X為實測值(kg/cm2)；Y為轉(zhuǎn)換后的土壤抗剪強度(kg/cm2)。

土壤貫入阻力選用江蘇省漂陽市天目儀器廠的PT型袖珍貫入儀測定,該貫入儀參數(shù)見表2。PT型貫入儀貫入數(shù)值(P,無量綱)與貫入阻力(Pt,kPa)有如下關(guān)系:Pt=-Kt×P。式中Kt為率定參數(shù)(正值),對于同一個貫入儀來說Kt為一定值,故可用貫入數(shù)值P表示土壤貫入阻力。

表2 PT型貫入儀特征參數(shù)

A、B、C分別代表不同測頭規(guī)格的測頭,其中A、B測頭為圓柱形,故測頭規(guī)格用cm2表示,而C測頭為圓錐形,故采用錐度30°表示測頭規(guī)格

2 結(jié)果與分析

2.1 坡耕地土壤化學性質(zhì)差異性分析

2.1.1 耕層土壤有機質(zhì)的差異性分析

土壤有機質(zhì)對改善耕層作物生長具有重要的作用,同時在農(nóng)業(yè)環(huán)境保護、坡耕地持續(xù)利用方面有著重要意義。由不同地點土壤有機質(zhì)含量分布特征(圖2)可知,不同地點紫色土坡耕地和同一地點不同垂直深度土壤有機質(zhì)含量差異顯著。

圖2 不同地點坡耕地耕層土壤有機質(zhì)分布特征Fig.2 Soil organic matter characteristics of slope farmland plow- layer in three different locations

不同地點紫色土坡耕地土壤有機質(zhì)差異較大,有機質(zhì)含量由高到低依次為云南楚雄、江西興國、重慶合川。相較與重慶合川和江西興國,云南楚雄由于長期精耕細作及土壤施肥頻繁,有機質(zhì)輸入量較大,所以耕層土壤有機質(zhì)平均含量相對較高,平均可達28.80 g/kg；重慶合川最低,平均為8.80 g/kg。耕層土壤有機質(zhì)隨土層垂直深度增加呈逐漸減小趨勢,重慶合川、江西興國、云南楚雄0—20 cm層有機質(zhì)含量是40—60 cm含量的2.50倍左右；但在YN- 2采樣點則以0—20 cm土層有機含量最低(9.89 g/kg),最高值(24.45 g/kg)出現(xiàn)在20—40 cm層次,該差異出現(xiàn)原因在于在當?shù)馗鬟^程中,不斷深翻耕作,將表層土壤翻入下層,而將下層土壤置于耕地表層,從而導致土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出這種變化規(guī)律。

2.1.2 耕層土壤養(yǎng)分的差異性

土壤養(yǎng)分是土壤提供的植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素,土壤養(yǎng)分受母質(zhì)、氣候、生物、時間和人類活動的影響,其形態(tài)和形成過程相當復雜,具有高度的空間變異性[16]。由表3不同地點土壤養(yǎng)分特征可知,紫色土坡耕地土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均存在較大差異。除全鉀含量外,土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分的含量云南楚雄大于重慶合川和江西興國,云南楚雄紫色土坡耕地土壤全氮在0.45—0.91 g/kg之間變化,重慶合川和江西興國變化范圍分別為0.50—1.36 g/kg和0.39—0.75 g/kg；云南楚雄全磷量平均值分別為0.74 g/kg,是重慶合川和江西興國的1.88倍和1.72倍；不同地點紫色土坡耕地土壤全鉀含量的差異不顯著,JX地區(qū)全鉀含量最高,平均值為29.20 g/kg,而重慶合川的全鉀含量最低,為18.48 g/kg。不同地點土壤堿解氮和有效磷差異較大,而土壤速效鉀差異不顯著；云南楚雄土壤堿解氮含量在91.40—237.00 mg/kg,有效磷含量在3.40—44.00 mg/kg范圍內(nèi)變化,分別是江西興國的2.80倍和3.10倍；重慶合川、江西興國、云南楚雄土壤速效鉀平均值含量分別為81.50、64.00、88.50 mg/kg。

不同地點紫色土坡耕地土壤養(yǎng)分含量隨土層深度變化存在顯著差異(表6)?？傮w上,不同地點紫色土坡耕地0—20 cm土壤全氮含量高于20—40 cm和40—60 cm土層含量；但在CQ- 2和YN- 1樣地出現(xiàn)不同變化,CQ- 2土壤全氮含量最大值(1.36g/kg)出現(xiàn)在20—40 cm,而YN- 1土壤全氮含量最大值(1.39 g/kg)出現(xiàn)在40—60 cm；土壤全磷在各土壤層次間變化差異明顯,與土壤全氮含量變化特征一樣,土壤全磷最大值出現(xiàn)在0—20 cm；而土壤全鉀含量在各土壤層次間含量無明顯差異性。坡耕地不同垂直層次土壤速效養(yǎng)分變化規(guī)律基本一致,速效養(yǎng)分主要在0—20 cm耕層富集,而20—40 cm和40—60 cm土層則無顯著差異。

土壤pH對土壤供肥能力具有重要調(diào)控作用,同時pH高低也能限定土壤某些養(yǎng)分有效性。除YN- 2樣地土壤呈堿性(pH范圍在7.3—7.9)外,其他樣地土壤均呈酸性,以江西興國土壤pH最低,在5.2—5.9范圍內(nèi)變化；重慶合川pH變化范圍為5.3—6.2；主要原因是江西興國紫色土坡耕地耕層土壤處于長期免耕或少耕狀態(tài),而已有研究表明免耕土壤pH往往比傳統(tǒng)耕作低。

表3 不同地點坡耕地耕層土壤養(yǎng)分特征

不同大寫字母表示同一垂直層次不同地點差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一地點不同垂直層次差異顯著(P<0.05)

2.2 坡耕地耕層土壤物理性質(zhì)差異性分析

土壤物理性質(zhì)是坡耕地合理耕層構(gòu)建主要調(diào)控指標,土壤機械組成、容重及孔隙直接關(guān)系農(nóng)作物生長期間的水、熱、氣條件,土壤機械組成也是影響土壤肥力的重要物理性質(zhì)之一。由表4不同地點坡耕地耕層土壤物理性質(zhì)特征可見,不同地點紫色土坡耕地土壤機械組成表現(xiàn)出明顯差異,重慶合川紫色土坡耕地土壤顆粒主要集中在0.05—0.001 mm,粉粒含量可高達61.04%—63.11%；江西興國紫色土坡耕地土壤砂粒和粉粒含量遠大于粘粒,1—0.05 mm砂粒含量在37.80—54.00%,0.05—0.001 mm粉粒含量在36.20%—47.80%之間變化；云南楚雄紫色土坡耕地土壤主要以砂粒和粉粒為主,云南耕層土壤1—0.05 mm砂粒含量分別為37.40%和47.13%,0.05—0.001mm粉粒含量為49.93%和42.42%。不同垂直深度的土壤顆粒組成存在一定差異,這說明土壤質(zhì)地在坡耕地耕層剖面上分布不均；總體來說,0—20 cm土壤粘粒(<0.001 mm)含量顯著高于20—40 cm和40—60 cm,主要原因在于0—20 cm土層為坡耕地耕作層,由于定期耕作、除草等活動,能夠?qū)⒏麑影褰Y(jié)土壤人為地破碎成不同大小的土塊,使耕層土壤疏松、透水透氣性得到有效改善。

土壤容重是衡量土壤環(huán)境優(yōu)劣的重要指標,直接影響土壤通氣狀況、作物根系穿透阻力及水肥供應等因素。由表4可知不同地點坡耕地耕層土壤容重存在一定差異性。以重慶合川坡耕地土壤容重最大(平均值為1.43 g/cm3),江西興國坡耕地次之(平均值為1.40 g/cm3),而云南楚雄坡耕地最小(平均值為1.30g/cm3)；不同地點土壤容重差異性原因在于土壤母質(zhì)本身影響基礎上,主要受到當?shù)馗鞣绞脚c種植作物影響。土壤容重隨坡耕地土層垂直深度變化表現(xiàn)為0—20 cm<20—40 cm<40—60 cm,即呈現(xiàn)出土壤層次越深、土壤容重越大的變化趨勢。

土壤孔隙的連續(xù)性與穩(wěn)定性是直接影響作物根系生長和養(yǎng)分運輸?shù)闹匾蛩?。不同地點坡耕地土壤孔隙差異性顯著,土壤總孔隙大小為云南楚雄(54.12%)>江西興國(47.22%)>重慶合川(45.97%),這說明云南楚雄較重慶合川、江西興國具有更好土壤通透結(jié)構(gòu)；土壤毛管孔隙度的變化趨勢與總孔隙度保持一致,分別為云南楚雄(38.15%)、江西興國(36.31%)、重慶合川(34.36%)。總體上,3個地點坡耕地土壤總孔隙度、毛管孔隙度的隨土壤垂直深度的變化規(guī)律具有一致性,表現(xiàn)為耕作層(0—20 cm)>心土層(20—40 cm)>底土層(40—60 cm),其主要原因在于0—20 cm土壤層,由于經(jīng)常性人為耕作擾動,使得土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著性變化；因此為了改善深層土壤的孔隙特性,應該采取適當?shù)谋Ｗo性耕作措施,如深松耕作等措施。

不同大寫字母表示同一垂直層次不同地點差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一地點不同垂直層次差異顯著(P<0.05)

2.3 坡耕地耕層土壤入滲與土壤水庫特征差異性分析

2.3.1 耕層土壤入滲差異性特征

土壤入滲性能與坡面地表徑流和土壤侵蝕程度密切相關(guān),直接關(guān)系到坡耕地耕層土壤質(zhì)量生產(chǎn)性能及退化程度[17]。不同地點坡耕地耕層土壤入滲特征存在差異,隨著入滲時間延續(xù),土壤入滲速率減小并最終趨于不同的穩(wěn)定值,表明了在不同土壤含水率條件下坡耕地耕層土壤入滲性能的差異。不同地點坡耕地耕層土壤在入滲初期(0—5 min)土壤入滲速率均最大,如江西興國耕層初始土壤入滲率最大(0.32 mm/min),為重慶合川的1.66倍；但隨著入滲時間持續(xù),由于土壤水分含量增加,耕層土壤入滲速率逐漸變緩且在入滲開始50 min后,土壤水分基本達到飽和狀態(tài),因此土壤入滲速率基本保持穩(wěn)定。同 樣地,坡耕地耕層土壤穩(wěn)定入滲率、平均入滲率均隨著入滲時間持續(xù),其土壤入滲速率呈下降變化,但入滲速率存在明顯差異性,總體表現(xiàn)為云南楚雄>重慶合川>江西興國。不同地點坡耕地耕層土壤入滲特征隨耕層垂直深度的變化規(guī)律保持一致,即隨著土層深度土壤入滲減小；這主要由于耕層作物根系及人為耕作擾動,導致土壤孔隙結(jié)構(gòu)變大、透水能力和持水能力增加；隨著土層深度增加,土壤孔隙數(shù)量減少、土壤緊實度變大。

由表5數(shù)據(jù)可知,不同地點坡耕地耕層土壤初始入滲在垂直深度變化均表現(xiàn)為0—20 cm耕作層要顯著大于20—40 cm心土層和40—60 cm底土層,即降雨初期水分可在0—20 cm耕作層迅速入滲,難以形成地表徑流,只有當降雨強度超過初始入滲量才會產(chǎn)流。雖然0—20 cm土層滲透條件好,但蓄水能力有限,當土壤水分在0—20 cm土層蓄滿可導致具有一定流速的壤中流產(chǎn)生,可將在土壤結(jié)構(gòu)中起膠結(jié)作用的細粒物質(zhì)攜帶出土壤體之外,形成渾濁的、具有一定含沙量的壤中流,這就是在紫色丘陵區(qū)水力侵蝕導致坡耕地耕層土壤退化的主要原因。

表5 不同地點坡耕地耕層土壤入滲及降雨強度特征

不同大寫字母表示同一垂直層次不同地點差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一地點不同垂直層次差異顯著(P<0.05)

2.3.2 坡耕地耕層土壤水庫特征差異分析

土壤水庫在解決農(nóng)田供水、提高旱作產(chǎn)量和節(jié)約灌溉水方面,有其自身的特殊作用；同時具有顯著的調(diào)節(jié)作物供水的功能[17-18]。由表6可知,不同地點坡耕地土壤水庫特征及相應土壤貯水能力差異顯著。土壤水總庫容的大小表現(xiàn)為云南楚雄(1052.52 t/hm2)>江西興國(974.15 t/hm2)>重慶合川(867.30 t/hm2),說明不同地點紫色土坡耕地土壤所能容蓄的水分總量存在較大差異；土壤水死庫容的變化規(guī)律與土壤水總庫容的變化規(guī)律一致,以云南楚雄(179.20 t/hm2)最大,江西興國(150.82 t/hm2)次之,重慶合川(101.26 t/hm2)最小,表明重慶合川耕層土壤水庫無效水分較高,即該地區(qū)坡耕地作物的水分可用量較少,土壤水分循環(huán)效率較低；不同地點紫色土坡耕地興利庫容大小依次為重慶合川(293.02 t/hm2)>云南楚雄(291.89 t/hm2)>江西興國(182.28 t/hm2),說明重慶合川耕層土壤具有較強的土壤貯水能力；土壤滯洪庫容以江西興國(458.776 t/hm2)最大,是重慶耕層土壤的2.54倍,這說明江西興國紫色土坡耕地土壤當土壤含水量大于田間持水量時,坡面徑流能夠更多的蓄存在土壤中。土壤最大有效庫容越大,即土壤的蓄水能力越強,不同地點紫色土坡耕地土壤最大有效庫容以云南楚雄(873.311 t/hm2)最大,即云南楚雄坡耕地土壤具有較好的蓄水能力,能夠較好抵御西南地區(qū)普遍存在的季節(jié)性干旱,為農(nóng)作物正常生長提供足夠水分支持。

不同地點坡耕地耕層土壤水庫庫容隨土層垂直深度表現(xiàn)出相似變化規(guī)律,坡耕地耕層土壤總庫容、死庫容、興利庫容、滯洪庫容、最大有效庫容均表現(xiàn)為0—20 cm耕作層大于20—40 cm心土層和40—60 cm底土層,這一現(xiàn)象在云南楚雄表現(xiàn)最為顯著；土壤庫容受到土壤質(zhì)地、土壤孔隙結(jié)構(gòu)、土壤有機質(zhì)及土壤層厚度等因素綜合影響,土壤容重越小、砂粒含量和有機質(zhì)越高、土壤的團聚結(jié)構(gòu)越好,則土壤孔隙越大、通氣性較好,土壤最大有效庫容也就越大,即土壤的蓄水能力也就越強。

表6 不同地點坡耕地耕層土壤水庫特征

不同大寫字母表示同一垂直層次不同地點差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一地點不同垂直層次差異顯著(P<0.05)

2.4 坡耕地耕層土壤耕作力學性能的差異性分析

耕層土壤力學性能評價在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項活動中廣泛應用,如改善土壤耕性、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)力穩(wěn)性、提高車輛通過性、增強土壤承載力等。土壤力學性質(zhì)主要表現(xiàn)為土壤抗剪力和土壤貫入阻力等指標。土壤抗剪強度是表征土體力學性質(zhì)一個重要指標,直接反映了在外力作用下發(fā)生剪切變形的難易程度。由圖4可知,不同地點和不同垂直深度坡耕地耕層土壤抗剪強度存在顯著性差異。不同地點紫色土坡耕地土壤抗剪強度依次為重慶合川(15.39 kg/cm2)>云南楚雄(14.74 kg/cm2)>江西興國(10.66 kg/cm2)；不同地點紫色土坡耕地土壤抗剪強度最大值(23.950 kg/cm2)出現(xiàn)在YN- 2采樣點50—60 cm土層,而最小值(3.94 kg/cm2)出現(xiàn)在YN- 1采樣點0—10 cm土層；這說明江西興國坡耕地土體在受到外力作用條件下易發(fā)生剪切變形而破壞,而重慶合川坡耕地土體抵抗這種剪切變形的能力較好。各地點坡耕地耕層不同垂直深度土壤抗剪強度變化規(guī)律不一致,重慶合川坡耕地耕層土壤抗剪強度隨垂直深度呈現(xiàn)出先增大、后減小變化趨勢,CQ- 1和CQ- 2土壤抗剪強度最大值分別出現(xiàn)在30—40 cm和40—50 cm土層；江西興國坡耕地耕層土壤抗剪強度隨土層深度逐漸增大,JX- 2采樣點30—40、40—50、50—60 cm土層抗剪強度基本保持一致；云南楚雄紫色土坡耕地土壤抗剪強度總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,但YN- 1采樣點最大值(19.083 kg/cm2)在40—50 cm土層。

圖3 不同地點坡耕地耕層土壤抗剪特征Fig.3 Soil shear resistance of slope farmland plow- layer in three different locations

土壤貫入阻力是耕層土壤重要物理參數(shù)之一,在預測機械觸土部件工作性能,車輛的通過性能、附著性能、牽引性能,估計由于車輛的碾壓而導致的土壤板結(jié)程度等方面具有廣泛的應用[19]。不同地點紫色土坡耕地土壤貫入阻力特征值見表7。由表可知,坡耕地耕層同一垂直深度不同地點的土壤貫入阻力值存在明顯差異,對于坡耕地0—10cm耕作表層,以重慶合川土壤貫入阻力值最大(平均424.83kPa),云南楚雄次之(平均252.50 kPa),江西興國最小(188.87 kPa)；坡耕地10—20、20—30 cm的土壤貫入阻力大小變化均為重慶合川>江西興國>云南楚雄；而坡耕地30—40、40—50、50—60 cm的土壤貫入阻力均表現(xiàn)為重慶合川最大,云南楚雄次之,江西興國最??；這說明云南楚雄坡耕地耕層(0—20 cm)土壤在機械耕作過程中易受到機械碾壓而板結(jié),大型機械引入不利于農(nóng)作物產(chǎn)量提高。對于同一地點不同垂直深度坡耕地耕層而言,土壤貫入阻力值差異較大；總體上隨著土層深度增加、土壤貫入阻力值變大,這主要因為長期人為耕作活動而導致上層土壤疏松,而農(nóng)業(yè)機械長期碾壓下層土壤且沒有翻耕所致其緊實。

表7 不同地點坡耕地耕層土壤貫入阻力特征值

不同大寫字母表示同一垂直深度不同地點差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一地點不同垂直深度差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 土壤侵蝕對紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量的影響

紫色土具有成土作用迅速、耕性和生產(chǎn)力高的特點；同時具有侵蝕性高、抗旱性差、土壤退化嚴重的特點[2]。朱波[20]認為土層厚度是紫色土生產(chǎn)力基本限制條件,20 cm厚紫色土蓄水量僅為60 cm厚土壤蓄水量的1/3,不及100 cm厚土壤蓄水量的1/5。史東梅[3]認為如果坡耕地土壤因素表現(xiàn)為土層深厚、壤質(zhì)、容重適中、土壤結(jié)構(gòu)良好、有機質(zhì)含量較高則水土流失強度較輕,而土壤因素表現(xiàn)為土壤結(jié)構(gòu)差、土層淺薄、土壤肥力低則表現(xiàn)為水土流失嚴重并加劇坡耕地干旱和洪澇災害。表8列出了不同坡度的坡耕地土壤侵蝕特征及其對坡耕地耕層厚度的影響。

表8 土壤侵蝕對紫色土坡耕地耕層厚度的影響

平均流失厚度和年成土厚度按容重1.25 g/cm3計算；耕層厚度薄化值=平均流失厚度-年成土厚度；抗侵蝕年限=耕層初始厚度/年均耕層厚度薄化值,耕層初始值=40 cm

研究顯示,土壤侵蝕減少了植物可利用有效水分,損失了土壤營養(yǎng)物質(zhì),破壞了土壤肥力結(jié)構(gòu),影響農(nóng)業(yè)耕作制度,從而嚴重地降低了土壤質(zhì)量[21]。對坡耕地土壤質(zhì)量退化,目前主要從降雨侵蝕和耕作侵蝕對坡耕地土壤質(zhì)量的退化作用開展研究。Nyssen[22]等研究發(fā)現(xiàn)坡耕地土壤在耕作深度為8.7 cm時,坡面土壤會大量聚集在坡耕地的坡下部位,導致坡上部位土層薄化,每年耕作1—4次,土壤運移量由最初的68 kg/m增加到272 kg/m。Kosmas等[23]在12°坡耕地研究發(fā)現(xiàn)耕作擾動會導致土壤粘粒含量分布不均,坡上部位為20%、坡下部位為34%。聶小軍等[24]利用137Cs示蹤方法和耕作侵蝕模型評價了川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕速率,發(fā)現(xiàn)短陡坡耕地土壤侵蝕速率高達52.6t hm-2a-1,是緩長坡耕地土壤侵蝕速率的2倍；陡坡坡耕地的主要侵蝕過程為耕作侵蝕,對土壤總侵蝕貢獻率高達74%；而緩長坡主要侵蝕過程為水蝕,對土壤總侵蝕貢獻為55%。陳奇伯等[25]對干熱河谷土壤侵蝕對坡耕地土地生產(chǎn)力衰退研究表明,土壤容重在0—30 cm土層為1.38 g/cm3,在30—50 cm土層為1.55g/cm3；毛管孔隙度和總孔隙度分別比下層土壤高4.3%和3.7%；土層每減少1cm,生物量下降2.32%—5.29%。史德明等[26]對中國南方侵蝕土壤退化指標體系研究表明,侵蝕土壤退化導致了土壤肥力狀況(水、肥、氣、熱)和土壤質(zhì)量普遍下降,與正常土壤(未退化土壤)相比較,土壤質(zhì)量等級要降低2—3個等級,使成為難以利用的土壤.。王志強等[27]對東北黑土區(qū)土壤侵蝕對土地生產(chǎn)力影響試驗研究結(jié)果表明,土壤容重由侵蝕0 cm的1.22 g/cm3增加到侵蝕70 cm的1.43 g/cm3；大豆產(chǎn)量隨侵蝕程度增加呈指數(shù)遞減函數(shù)的變化形式,隨土壤侵蝕深度增加呈凹型曲線遞減。郭云周等[28]通過侵蝕模擬試驗發(fā)現(xiàn)表層土壤侵蝕1.66—20cm后,深翻可使耕層達到20 cm,耕層有機質(zhì)降低14.37%—46.87%,硝態(tài)氮降低14.42%—46.98%,速效磷降低33.48%—85.71%,速效鉀降低8.09%—36.27%,同時作物產(chǎn)量大幅度減產(chǎn)。本文對各地點坡耕地耕層土壤質(zhì)量差異性分析表明,由于重慶合川坡耕地耕層具有土壤容重較大、孔隙度較低,滲透性和蓄水能力差特點,總體上坡耕地土壤物理質(zhì)量較差。

3.2 坡耕地耕層土壤耕性參數(shù)適宜性閾值

土壤耕作性能是一系列土壤物理性質(zhì)和機械力學性質(zhì)的綜合反映,如土壤黏結(jié)性、黏著性、可塑脹縮性、結(jié)構(gòu)性、孔隙松緊狀況等。丁啟朔等[29]認為構(gòu)成土壤宏觀力學結(jié)構(gòu)力學行為的物理基礎是土壤質(zhì)地、土壤容重、土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)及土壤含水量等,土壤破碎發(fā)生機理及耕作機具田間碎土行為是土壤宏觀力學結(jié)構(gòu)基本研究內(nèi)容。有關(guān)研究表明,重慶土壤侵蝕流失粒徑主要是0.05—0.002 mm(粉粒)和<0.002 mm(粘粒)這兩部分,而0.25—0.05 mm(細砂)、0.25—0.5 mm(中砂)、0.5—20 mm(粗砂)則相對富集[30]；從顆粒分析看,重慶紫色土坡耕地具有明顯粗骨化特征,>0.01 mm物理性砂粒含量占52.00%—69.97%,尤其是0.1—0.05 mm顆粒,可占31.40%—41.99%[31]；江西紫色土坡耕地土層厚度為1 cm時,土壤滲透系數(shù)為2.2 mm/min[32]；云南干熱河谷侵蝕土壤表土有機質(zhì)含量介于2.4—9.6 g/kg之間,土壤緊實化嚴重且土壤容重在1.36—1.54 g/cm3；土壤表層淺薄化,表層厚度范圍為0——17 cm；土壤堿化嚴重,pH在8.0—8.9之間[33]。本文綜合上述前人研究結(jié)果,列出坡耕地耕層土壤耕性指標適宜性范圍(表9),并根據(jù)實測數(shù)據(jù)評價不同不同地點坡耕地的耕性特征。

表9 不同地點坡耕地耕層土壤耕性數(shù)值特征

由上表可知,不同地點坡耕地耕層土壤耕性指標平均值均在當?shù)馗馗赃m宜值范圍,而20—40 cm和40—60 cm的評價指標數(shù)值超出耕性適宜范圍而20—40 cm和40—60 cm的個別指標數(shù)值超出耕性適宜范圍,如土壤容重最大值可達1.70 g/cm3,這使土壤更加緊實、不易耕作；土壤總孔隙度最大值為70.06%,說明該土壤保水效益較差、不宜耕層抗旱性發(fā)揮；土壤有機質(zhì)含量最小值為5.10%,比適宜性范圍小4.90%,這導致土壤肥力水平下降,不宜農(nóng)作物生長?？傮w看,耕性指標良好程度將直接關(guān)系到農(nóng)作物產(chǎn)量高低。因此可在當?shù)夭扇∵m當耕作措施(如一般22—24 cm以下深松、深土培肥等)進行坡耕地耕層土壤質(zhì)量改良,如何選擇深松、有機肥培肥、秸稈還田等合適耕作措施,以實現(xiàn)對坡耕地耕層土壤質(zhì)量有效改善將是今后坡耕地合理耕層培育及穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)土壤地力保持的研究重點。

4 結(jié)論

(1)不同地點紫色土坡耕地耕層土壤化學性質(zhì)、物理性質(zhì)差異性顯著。云南楚雄坡耕地耕層土壤肥力較好,土壤有機質(zhì)達28.80 g/kg,土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均最高；而重慶合川耕層土壤有機質(zhì)僅為8.80 g/kg。重慶合川坡耕地耕層土壤物理質(zhì)量較差,主要表現(xiàn)在土壤容重最高(1.43 g/cm3),土壤總孔隙度(45.97%)和毛管孔隙度(34.36%)最??；同一地點紫色土坡耕地土壤物理性質(zhì)隨垂直深度變化明顯。從土壤質(zhì)量角度看,坡耕地0—20 cm耕層土壤物理質(zhì)量要優(yōu)于20—40 cm心土層和40—60 cm底土層。

(2)不同地點紫色土坡耕地耕層土壤穩(wěn)定入滲率、平均入滲率變化規(guī)律相一致,但土壤入滲率大小存在差異,表現(xiàn)為云南楚雄>重慶合川>江西興國。坡耕地耕層土壤水庫特征差異顯著,各種土壤水庫特征值均表現(xiàn)為0——20 cm耕層大于20—40 cm和40—60 cm土層；坡耕地耕層土壤水總庫容和最大有效庫容以云南楚雄最大,分別為1052.52 t/hm2和873.311 t/hm2,這說明其紫色土坡耕地具有較好水分容蓄能力。

(3)不同地點紫色土坡耕地耕層土壤抗剪強度和土壤貫入阻力均表現(xiàn)為重慶合川>云南楚雄>江西興國,且隨土層垂直深度耕層土壤抗剪強度和土壤貫入阻力值增加。不同地點坡耕地耕層土壤抗剪強度依次為15.39、14.74、10.66 kg/cm2,土壤貫入阻力則分別為424.83、252.50、188.87kPa,這說明重慶合川紫色土坡耕地耕層土壤可以較好抵抗降雨、耕作的剪切破壞能力以及耕作機械碾壓能力。

(4)不同地點紫色土坡耕地0—20 cm耕層土壤耕性均處于適宜閾值范圍,而20—40cm和40—60 cm土壤物理特征值超出耕性適宜性范圍,采用適宜的深松、有機肥、秸稈還田等措施有利于改良深層次土壤質(zhì)量,可用于坡耕地合理耕層構(gòu)建和培育。

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Effectofdifferentsoilpropertiesonplow-layersoilqualityofslopingfarmlandinpurplehillyareas

DING Wenbin1, JIANG Guangyi2, SHI Dongmei1,*, LIU Yijun1, JIANG Ping3, CHANG Songguo1, LIU Zhipeng1

1CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China2ChongqingEco-environmentMonitoringStationofSoilandWaterConservation,Chongqing401147,China3ChongqingHydropowerSurveyandDesignInstitute,Chongqing400020,China

As the most easily eroded land-use type, severe soil degradation of the plow layer (as a shallow soil layer), deterioration of soil properties, and gravel process, could restrict the sustainable utilization of slope farmland, which also directly threatens local food security and ecological security. Plow-layer soil quality is highly sensitive to both natural factors and artificial farming tillage. Taking the plow-layer soil quality of three slope farmlands in the southern purple hilly area (Hechuan-Chongqing, Xingguo-jiangxi, and Chuxiong-Yunnan) as examples, this study mainly analyzed the differences in soil physical properties, soil reservoir characteristics, and soil nutrient characteristics of slope farmlands, and their vertical distribution characteristics, from the perspective of soil properties, so did the forming causes at the same time. The results indicated the following. (1) The soil organic matter of the plow-layer in the three locations in decreasing order was as follows: Chuxiong-Yunnan (28.80 g/kg) > Xingguo-jiangxi (9.03 g/kg) > Hechuan-Chongqing (8.80 g/kg). With the exception of total soil potassium content, other contents such as total soil nutrients and available soil nutrients, could be arranged in the following order: Chuxiong-Yunnan > Hechuan-Chongqing > Xingguo-jiangxi. The vertical characteristics of available soil nutrients in the plow-layer of slope farmland showed the same distribution, being mainly concentrated in the 0—20-cm soil layer. However, there were no significant differences between the 20—40-cm soil layer and the 40—60-cm soil layer. (2) The soil physical properties of the plow-layer of slope farmlands among the three purple hilly locations showed significant differences. The soil physical quality of the plow-layer in Hechuan-Chongqing was the worst, with the characteristic of soil sand content > 60%, maximum soil bulk density of 1.43 g/cm3, minimum soil total porosity of 45.97%, and capillary porosity of 34.36%. From the viewpoint of the plow-layer vertical characteristics of slope farmland, the soil physical properties of the tillage layer (0—20 cm) were better than those of the subsoil (20—40 cm) and bottom layer (40—60 cm). (3) The initial soil infiltration rate of the plow-layer in the Xingguo-jiangxi slope farmland was the largest (0.32 mm/min), and the initial soil infiltration rate in Hechuan-Chongqing plow-layer was the lowest (0.19 mm/min). The soil infiltration rate and the average soil infiltration rate both showed the same order of Chuxiong-Yunnan > Xingguo-jiangxi > Hechuan-Chongqing. The soil maximum effective capacity of the plow-layer in Chuxiong-Yunnan slope farmland was the best (873.311 t/hm2), which indicated that such plow-layers of slope farmland have better resistance to seasonal drought. Plow-layer vertical characteristics, such as the total storage capacity, dead storage capacity, active storage capacity, flood detention storage capacity, and maximum effective capacity, all showed the same order: tillage layer (0—20 cm) > subsoil layer (20—40 cm) > bottom layer (40—60 cm). (4) The soil shear strength and the soil penetration resistance of the plow-layer among the three slope farmland locations showed the same regular changes. The soil shear strengths of the plow-layer were Hechuan-Chongqing (15.39 kg/cm2) > Chuxiong-Yunnan (14.74 kg/cm2) > Xingguo-jiangxi (10.66 kg/cm2), whereas the soil penetration resistances of the plow-layer were Hechuan-Chongqing (424.83 kPa) > Chuxiong-Yunnan (252.50 kPa) > Xingguo-jiangxi (188.87 kPa), which indicated that the plow-layer soil of slope farmland in the Hechuan-Chongqing purple hilly area has better resistance to shear stress and greater resistance to farming tillage. These results could provide a theoretical basis and supporting data not only for soil quality diagnosis but also for rational plow-layer evaluation for slope farmlands in different purple hilly areas.

plow layer; slope farmland; soil quality; tillage performances; vertical distribution; purple soil

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503119-01-01)；重慶市水利局項目(2016)

2016- 07- 18; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shidm_1970@126.com

10.5846/stxb201607181460

丁文斌,蔣光毅,史東梅,劉益軍,蔣平,常松果,劉志鵬.紫色土坡耕地土壤屬性差異對耕層土壤質(zhì)量的影響.生態(tài)學報,2017,37(19):6480- 6493.

Ding W B, Jiang G Y, Shi D M, Liu Y J, Jiang P, Chang S G, Liu Z P.Effect of different soil properties on plow-layer soil quality of sloping farmland in purple hilly areas.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6480- 6493.