不同生物埂模式對川中丘陵區(qū)坡耕地土壤抗蝕性的影響

王 培, 郭天雷, 高 強(qiáng), 劉 成, 石勁松

(1.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 武漢 430051; 2.長江水利委員會長江科學(xué)院, 武漢 430019)

土壤抗蝕性是指土壤對侵蝕營力分散和搬運(yùn)作用的抵抗能力，也是評估土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)之一，其大小主要取決于土壤對水的親和力以及土粒間的膠合力[1]，與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)密切相關(guān)。川中丘陵區(qū)土壤結(jié)構(gòu)比較疏松，加上人為不合理的耕作活動，容易發(fā)生嚴(yán)重土壤侵蝕，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低，流失的養(yǎng)分也會加劇該地區(qū)的面源污染，因此如何控制該區(qū)域的水土流失，提高土地生產(chǎn)力不僅對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)具有重要意義，而且對該地區(qū)流域內(nèi)的水生態(tài)安全具有重要指導(dǎo)作用。生物埂作為當(dāng)?shù)匾环N保護(hù)性耕作模式和典型的坡耕地水土保持措施，不僅可以有效保持水土、減少土壤侵蝕，還可以通過土壤—植被系統(tǒng)改善土壤理化性質(zhì)[2]，維持土壤穩(wěn)定性。目前關(guān)于生物埂對土壤的改良方面已有部分研究，例如，汪三樹等[3]研究了紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，認(rèn)為桑樹地埂與花椒地埂能有效維持土壤穩(wěn)定性。李建興等[4]研究了網(wǎng)格式生物埂對坡面土壤貯水及滲透性的影響，認(rèn)為生物埂能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水分下滲，減少坡面徑流對土壤的侵蝕。黃歡等[5]通過研究生物埂對坡面養(yǎng)分分布特征的影響，認(rèn)為生物埂有良好的保肥作用，極少坡面養(yǎng)分的流失。但主要是集中在生物埂模式對土壤的理化性質(zhì)的改良方面，而關(guān)于生物埂模式下土壤抗蝕性的綜合評估以及其影響因素較少。本文以川中丘陵區(qū)坡耕地幾種典型生物埂模式為研究對象，深入分析不同生物埂模式下土壤抗蝕特征及其影響因素，以期為選擇合理的坡耕地生物埂配置模式，更好地保護(hù)川中丘陵區(qū)坡耕地水土資源、提高土地生產(chǎn)力以及保證流域水生態(tài)安全提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)設(shè)在四川遂寧船山區(qū)桂花鎮(zhèn)南婭小流域內(nèi)(東經(jīng)105°26′54″—105°26′0″，北緯30°34′14″—30°33′11″)，地貌形態(tài)以中淺丘為主，有少量低山。試驗區(qū)屬中亞熱帶濕潤氣候，多年平均日照時間為1 333.4 h，多年平均無霜期296 d，多年平均氣溫17.4℃，≥10℃積溫5 627.1℃。域內(nèi)多年平均降水量933.3 mm，年內(nèi)最大降水量1 443.3 mm，最小降水量736.7 mm，暴雨多集中在5—10月，降雨量達(dá)804.5 mm，占年降雨量的81%。區(qū)域內(nèi)植被豐富，耕地類型以坡耕地為主，土壤類型以紫色土和水稻土為主。

1.2 研究材料

坡耕地生物埂以草本和木本兩種類型進(jìn)行布設(shè)，將桑樹、花椒和紫花苜蓿分別等高布置在坡耕地臺面外側(cè)形成桑樹埂(SS)、花椒埂(HJ)、紫花苜蓿埂(ZH)，以雜草埂(狗尾草為主)為試驗對照(CK)(注：2005年之前4個地埂主要以自然生草為主，沒有人為的干擾活動，4個地埂自然生草的生長情況與土壤情況基本一致)，生物埂面寬0.4～0.6 m。于2005年種植木本地?。簡涡猩浜突ń?，株間距0.5～0.8 m；草本地?。簵l播紫花苜蓿，每年定期除雜草，桑樹和花椒每年冬季進(jìn)行修剪。至2015年，桑樹和花椒株高0.8～1.5 m，蓋度分別為66.3%和74.5%，紫花苜蓿高30～50 cm，覆蓋度達(dá)81.2%。坡耕地生物埂基本情況見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集與分析 按照土壤農(nóng)化分析方法于2015年6月15日采集土樣，在長勢基本一致的生物埂投影中心(灌層投影帶上)采用多點采樣法在每個采樣點用100 cm3環(huán)刀采取0—20 cm土層土壤樣品(該區(qū)域土層厚度在30 cm左右)，并在相應(yīng)位置采集土壤散樣1～2 kg帶回實驗室進(jìn)行理化性質(zhì)分析，所有理化分析重復(fù)3次。土壤容重采用環(huán)刀法；土壤含水率采用烘干法；機(jī)械組成、微團(tuán)聚體采用吸管法；土壤團(tuán)聚體組成采用干篩與濕篩法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法；水穩(wěn)定性指數(shù)測定：選取粒徑7～10 mm土壤顆粒50粒，均勻放置在孔徑5 mm土壤篩中，然后靜置于水中，每隔1 min記錄崩解土粒數(shù)，連續(xù)記錄30 min?？刮g性指數(shù)測定：首先將在生物埂0—20 cm土層采集的3個重復(fù)的土壤混合樣風(fēng)干，然后用5 mm和7 mm兩個篩子進(jìn)行干篩篩分；再將干篩后留在5 mm篩上的5—7 mm的土壤顆粒隨機(jī)數(shù)出75粒，每次25粒，分3次放入水盆中的2 mm土壤篩上進(jìn)行試驗，水盆中的水面高度要剛好浸沒土粒，水溫在20℃左右，以土粒開始完全散開為準(zhǔn)，每隔1 min記錄土粒崩塌的個數(shù)，連續(xù)記錄10 min；根據(jù)文獻(xiàn)所用方法計算水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)、團(tuán)聚度、平均重量直徑、幾何平均直徑、分散系數(shù)和團(tuán)聚體破壞率[6-9]。

團(tuán)聚度=[(>0.05 mm微團(tuán)聚體含量)―(>0.05 mm機(jī)械組成含量)]/(>0.05 mm微團(tuán)聚體含量)

團(tuán)聚體破壞率=[(>0.25 mm干篩含量)―

(>0.25 mm濕篩含量)]/(>0.25 mm干篩含量)

分散系數(shù)=微團(tuán)聚體(<0.001 mm)含量/機(jī)械組成(<0.001 mm)含量

式中：wi為第i級團(tuán)聚體質(zhì)量百分比(%)；xi為相鄰兩級團(tuán)聚體的平均粒徑。

式中：wi為土壤不同粒級團(tuán)聚體的重量(g)；xi為相鄰兩級團(tuán)聚體的平均粒徑。

式中：pi為第i分鐘分散土粒數(shù)，i=1，2，3，…，10；ki為第i分鐘校正數(shù)；pj為10 min內(nèi)沒有分散的土粒數(shù)；A為試驗土?？倲?shù)。

抗蝕性指數(shù)=(總土粒數(shù)―崩塌土粒數(shù))/總土粒數(shù)

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0和Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。方差分析采用SPSS中的單因素ANOVA模塊，相關(guān)性分析采用Pearson分析方法，顯著性檢驗采用T檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物埂土壤基本理化性質(zhì)特征

生物埂措施作為該地區(qū)坡耕地常見水土保持農(nóng)業(yè)措施，能有效防止土壤侵蝕[10]，改善坡耕地土壤水分狀況[11]，改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗蝕能力[3,12]。由表2可知，與CK相比，SS和HJ土壤含水量提高了10.26%和35.76%，呈極顯著增加(p<0.01)；ZH土壤含水量提高了7.39%，呈顯著增加(p<0.05)。4種生物埂土壤容重大小依次為ZH>CK>SS>HJ，孔隙度規(guī)律與之相反，說明木本埂比草本埂(ZH)更能有效改善土壤的孔隙狀況。4種生物埂的砂粒(1～0.05 mm)含量與粉粒(0.05～0.001 mm)含量較高，分別為41.96%～53.01%和37.39%～47.19%；黏粒(<0.001 mm)含量較低，為8.00%～12.54%，這說明該地區(qū)生物埂土壤質(zhì)地類型屬于粉壤土，與耕地臺面的沙壤土相比，粉壤土可更好地維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。生物埂土壤黏粒含量較低，說明坡耕地生物埂土壤礦質(zhì)膠體含量較少，減少了土壤團(tuán)粒間的粘聚力。土壤有機(jī)質(zhì)含量大小依次為HJ(4.74 g/kg)>SS(4.65 g/kg)>ZH(4.08 g/kg)>CK(3.19 g/kg)，說明生物埂有效提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤結(jié)構(gòu)。

表2 不同生物埂的土壤基本理化性質(zhì)

同一列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

2.2 生物埂土壤抗蝕性特征分析

土壤抗蝕性是評定土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)之一，也是土壤侵蝕研究內(nèi)容之一。土壤水穩(wěn)性指數(shù)是表征土粒隨時間變化的破碎特性，是衡量土壤抗蝕性的重要指標(biāo)之一。由表3可知，不同生物埂土壤水穩(wěn)性指數(shù)大小依次為HJ(0.50)>SS(0.74)>ZH(0.44)>CK(0.37)，HJ與其他3種生物埂差異顯著，分別是SS，ZH和CK的1.48，1.70，2.03倍，且木本埂大于草本?。豢刮g性指數(shù)反映了土壤抵抗徑流破壞的能力，抗蝕性指數(shù)大小依次為SS>HJ>ZH>CK，本本埂與草本埂之間差異顯著；團(tuán)聚度反映了土壤顆粒的團(tuán)聚狀況，團(tuán)聚度越大，土壤結(jié)構(gòu)越好。不同生物埂土壤團(tuán)聚度大小依次為HJ(0.72)>SS(0.61)>ZH(0.44)>CK(0.41)，HJ與SS之間差異不顯著，ZH與CK之間差異也不顯著，而木本埂與草本埂之間差異顯著，4種生物埂土壤的團(tuán)聚體大小與團(tuán)聚度大小規(guī)律相反，說明HJ的團(tuán)聚狀況最好，且木本埂的團(tuán)聚狀況比草本埂的更好；分散系數(shù)表征土壤抵抗徑流的分散能力，系數(shù)越小，對徑流分散的抵抗能力越強(qiáng)，不同生物埂分散系數(shù)大小依次為CK>ZH>SS>HJ，本本埂與草本埂之間差異顯著。

表3 坡耕地生物埂土壤抗蝕性分析

土壤抗蝕性受到土壤有機(jī)碳含量、耕作方式、土壤質(zhì)量和施肥方式等的影響，團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑是反映土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[13]。從表3可知，4種生物埂模式下土壤的幾何平均直徑大小依次為HJ(1.20)>SS(1.31)>ZH(1.00)>CK(0.63)，相比CK，其他3種生物埂的幾何平均直徑呈顯著性增加(p<0.05)；4種生物埂模式下的土壤平均重量直徑大小與幾何平均直徑一致，與草本埂相比，木本埂的平均重量直徑呈顯著性增加(p<0.05)，說明生物埂措施能有效提高土壤抗蝕性，且木本埂的效果更好。

2.3 生物埂土壤抗蝕性評價

土壤抗蝕性的影響因素多而復(fù)雜，不同研究區(qū)域所選用的指標(biāo)有一定的差異[7]。單一指標(biāo)只能反映土壤對侵蝕能力的相對敏感程度，而且具有一定的偶然性，無法準(zhǔn)確分析土壤的抗蝕性。為了綜合各個指標(biāo)的評價結(jié)果，并考慮各個指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，對8個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。從中提取到2個公因子，其特征值均大于1，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)96.705%(旋轉(zhuǎn)后)，能較全面地概括土壤抗蝕性。旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣見表4，可知主成分1主要包括了水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)、團(tuán)聚度、分散系數(shù)、有機(jī)質(zhì)5個指標(biāo)的信息，主成分2則主要包括了幾何平均直徑、平均重量直徑、團(tuán)聚體破壞率3個指標(biāo)的信息。

表4 土壤抗蝕性指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表5 生物埂土壤抗蝕性主成分分析綜合指數(shù)

2.4 生物埂土壤抗蝕性影響因素

土壤理化性質(zhì)與土壤抗蝕性密切相關(guān)，本研究對土壤基本理化性質(zhì)與土壤抗蝕性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表6)。由表6可知，土壤含水率與水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)和團(tuán)聚度呈極顯著正相關(guān)，與團(tuán)聚體破壞率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與幾何平均直徑、平均重量直徑呈顯著正相關(guān)，與分散系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與幾何平均直徑和平均重量直徑呈極顯著正相關(guān)，與分散系數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)和團(tuán)聚度呈顯著正相關(guān)，與團(tuán)聚體破壞率呈顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)作為團(tuán)粒膠結(jié)劑，對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成影響很大，所以有機(jī)質(zhì)能有效影響土壤抗蝕性的大小。容重與水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)、團(tuán)聚度和平均重量直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)，與團(tuán)聚體破壞率呈極顯著正相關(guān)，與幾何平均直徑呈顯著負(fù)相關(guān)，而孔隙度與土壤抗蝕性指標(biāo)的相關(guān)性剛好與容重相反，因為一般來說，容重越大，土壤越緊實，土壤的孔隙越少，孔隙度也就越小。

對機(jī)械組成而言，砂粒與水穩(wěn)性指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與抗蝕性指數(shù)、團(tuán)聚度、幾何平均直徑、平均重量直徑和團(tuán)聚體破壞率呈顯著性相關(guān)。粉粒與水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他抗蝕性指標(biāo)相關(guān)性不顯著。黏粒與水穩(wěn)性指數(shù)、抗蝕性指數(shù)相關(guān)性較低，與團(tuán)聚度、幾何平均直徑、平均重量直徑、團(tuán)聚體破壞率和分散系數(shù)相關(guān)性顯著。從不同生物埂模式下土壤抗蝕指標(biāo)與土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)性分析來看，研究區(qū)土壤顆粒對土壤抗蝕性能影響不同，生物埂模式下砂粒、粉粒和黏粒含量與土壤抗蝕性指標(biāo)呈顯著或極顯著相關(guān)?？梢?，土壤機(jī)械組成與部分土壤抗蝕性指標(biāo)的關(guān)系較為密切。因此，在實踐中可通過合理配置生物埂模式從而間接調(diào)控土壤機(jī)械組成，改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤抗蝕性。

表6 生物埂土壤抗蝕性指標(biāo)與土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

注:“*”表示相關(guān)性達(dá)顯著水平(p<0.05)，“**”表示相關(guān)性達(dá)極顯著水平(p<0.01)。

3 討 論

生物埂是一種典型的坡耕地水土保持措施，具有降低坡面徑流流速，促進(jìn)水分下滲，減少養(yǎng)分流失，提高土地生產(chǎn)力[4]的作用。本研究得出，與CK相比，HJ，SS和ZH孔隙度增加了40.3%，18.0%，9.3%，這是因為生物埂具有更發(fā)達(dá)的根系結(jié)構(gòu)，特別是花椒埂和桑樹埂，粗壯根系的縱向、橫向穿插使土壤更加疏松，孔隙結(jié)構(gòu)更豐富，提高了土壤的孔隙度。另外相比CK，HJ，SS和ZH土壤含水率分別增加了35.8%，10.3%和7.4%，這是因為生物埂孔隙的增加對水分的滯留與涵養(yǎng)有促進(jìn)作用，而且生物埂措施增加了地埂植被覆蓋度，有效減少了水分的蒸發(fā)，使土壤水庫充滿程度高。相比CK，HJ，SS和ZH有機(jī)質(zhì)含量分別增加了48.9%，45.8%和27.9%，這與汪三樹等[14]研究的結(jié)果一致，這可能是因為：(1) 坡面在發(fā)生土壤侵蝕情況下，表層養(yǎng)分含量較高的土壤在徑流的搬運(yùn)作用下在生物埂位置沉積；(2) 生物埂枯枝落葉、腐爛根系在土壤微生物作用下發(fā)生分解，增加有機(jī)質(zhì)的來源。

土壤抗蝕性的大小主要受機(jī)械組成、團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)含量等因素的影響[15]，本研究認(rèn)為紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂模式下土壤抗蝕性與土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、容重、孔隙度及機(jī)械組成相關(guān)性顯著或極顯著。相關(guān)研究也證實了這一結(jié)論，王儉成等[15]通過研究北川地區(qū)典型林分土壤抗蝕性特點認(rèn)為林地地表覆蓋著大量的枯枝落葉，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤的結(jié)構(gòu)，增大了土壤孔隙度，提高了土壤的滲透性和持水能力，從而增強(qiáng)了土壤的抗蝕性，而且樹冠以及地表的枯枝落葉對降雨有較好的消能作用，減小了降雨對地表的直接打擊，也減弱了徑流對地表的沖刷。何淑勤等[16]研究了不同植被條件下土壤抗蝕性特征及其影響因素，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量、土壤機(jī)械組成與抗蝕性指數(shù)、水穩(wěn)性指數(shù)、分散系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)均顯著相關(guān)。薛萐等[1]認(rèn)為土壤微團(tuán)聚體組成、有機(jī)質(zhì)和機(jī)械組成是影響土壤穩(wěn)定性的重要因素。有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)粒的主要膠結(jié)劑，與土壤顆粒結(jié)合形成大團(tuán)聚體，土壤團(tuán)粒的形成能有效保持土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[19]，能有效改善土壤的土壤孔隙結(jié)構(gòu)，增加土壤的有效庫容，這對抵御坡耕地季節(jié)性干旱以及保證坡耕地土地生產(chǎn)力穩(wěn)定和提高有重要意義。由于土壤抗蝕性受到根系、土壤結(jié)構(gòu)、人為干擾、生物含量等因素的影響，影響因素復(fù)雜，單從基本理化性質(zhì)方面來分析其對土壤侵蝕響應(yīng)特征具有一定的不足，今后應(yīng)加強(qiáng)生物埂根—土復(fù)合體作用機(jī)制的研究，以期為紫色土坡耕地生物埂配置模式的選擇提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 不同生物埂措施對土壤理化性質(zhì)的改善效果明顯，木本埂改良效果更好，能有效增加土壤含水率和土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)。土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、孔隙度均表現(xiàn)為HJ>SS>ZH>CK。

(2) 主成分分析得到不同生物埂模式下土壤抗蝕性強(qiáng)弱順序為HJ>SS>ZH>CK，因此，花椒埂和桑樹埂可作為紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失有效防控措施。

(3) 利用相關(guān)性分析得到紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂模式下土壤抗蝕性與土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、容重、孔隙度和土壤機(jī)械組成相關(guān)性顯著或極顯著，因此，在實踐中可通過合理配置生物埂模式從而間接調(diào)控土壤機(jī)械組成，改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤抗蝕性。

參考文獻(xiàn):

CDIO模式在本課程的應(yīng)用規(guī)劃從教學(xué)方式、實踐鍛煉和教學(xué)評價考核等多個方面進(jìn)行。在教學(xué)方式和教學(xué)過程上，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方案進(jìn)行改革，改進(jìn)前期基于案例項目的學(xué)徒式設(shè)計，延續(xù)“做中學(xué)”的教學(xué)模式，將項目分析、項目設(shè)計、文檔能力等融入課程體系，零散知識點之間通過項目銜接，化點為線，形成“知識+能力+素質(zhì)”的培養(yǎng)思路；實踐鍛煉采用課上+課下、課堂+教學(xué)平臺、小項目+大項目的方式，讓學(xué)生接觸更多的實踐項目，在實踐中理解理論知識，體驗團(tuán)隊合作，更好的體會UML在分析和設(shè)計中的作用；評價考核，更多的融入對學(xué)生能力和素質(zhì)的考察，通過實踐鍛煉和成果展示、評議等方式幫助學(xué)生更好的提高綜合能力水平。

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