西南地區(qū)生物質(zhì)改良劑對土壤侵蝕因子的影響

盧錦釗 王克勤 趙洋毅 張繼輝

摘要：為探究玉米秸稈和EM菌劑2種生物質(zhì)改良劑對西南土壤侵蝕因子（降雨侵蝕力R和土壤可蝕性指數(shù)K）的影響，采用微型小區(qū)（1m×lm）的研究方法，統(tǒng)一坡度，合理定量施用2種生物質(zhì)改良劑，同時設置原狀土壤對照，觀測分析徑流泥沙和各處理土壤理化性質(zhì)變化。結(jié)果表明：2種改良方式相對原狀土壤均具有減輕水土流失的功能：雨季（6-10月）在玉米秸稈還田的改良方式下土壤侵蝕量各月分別減少52.8%、53.O%、63.0%、62.1%、63.5%，在EM菌劑施用的改良方式下土壤侵蝕量各月分別減少34.0%、33.9%、43.7%、39.2%、41.3%；土壤侵蝕程度強弱排序：秸稈還田<菌劑施用<原狀對照。秸稈還田、菌劑施用、原狀對照3種不同處理方式下的土壤侵蝕量與降雨侵蝕力R的擬合優(yōu)度為0.957、0.993、0.734，與土壤可蝕性指數(shù)K的擬合優(yōu)度為0.692、0.738、0.974，均呈現(xiàn)較好的相關性；秸稈還田和菌劑施用2種改良方式K值分別為0.216～0.250和0.298～0.320，比原狀土壤的K值0.345～0.369均顯著減小。綜合分析認為：在生物質(zhì)改良劑作用下的西南紅壤侵蝕量與降雨侵蝕力R、土壤可蝕性指數(shù)K均呈顯著相關性，R值對滇中地區(qū)土壤侵蝕量的影響大于K值的；2種生物質(zhì)土壤改良方式均能有效增強土壤抗蝕性，秸稈還田對土壤的固結(jié)效果大于菌劑施用的。

關鍵詞：土壤改良；土壤侵蝕；降雨侵蝕力；土壤可蝕性指數(shù)

中圖分類號：S157. 3+9

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.020

水土流失是制約人類生存與發(fā)展的主要環(huán)境災害之一，水土流失問題加劇了人口、資源、環(huán)境之間的矛盾，嚴重制約著我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。云南省地處中國西南部，當?shù)丶t壤區(qū)是我國重要的糧食基地，但因氣候性降水過盛，造成的水土流失較為嚴重，導致當?shù)丶Z食減產(chǎn)、社會經(jīng)濟效益下降，嚴重時則可能引發(fā)地質(zhì)自然災害，威脅當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全。研究生物質(zhì)改良劑對西南紅壤土流失量的削減效果是治理該區(qū)水土流失的方向，而降雨侵蝕力R和土壤可蝕性指數(shù)K是影響降雨侵蝕量的兩個重要因子。因此，掌握生物質(zhì)改良劑對土壤的治理效果與機理對于有效制定治理方案具有重要意義。

生物質(zhì)改良劑對土壤的作用效果及機理是當前研究的熱點，也是治理水土流失的有效選擇：魏霞等 研究發(fā)現(xiàn)施加不同濃度玉米莖稈汁液作為土壤改良劑能夠減少降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙強度，且相同條件下的產(chǎn)沙強度減小程度大于產(chǎn)流強度減小程度：沈彥等研究發(fā)現(xiàn)泥炭可增強土壤持水能力，改善土壤物理性質(zhì)，降低土壤容重與硬度，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構，改善土壤的滲透性，可有效保土保水；段喜明等研究發(fā)現(xiàn)施用粉煤灰可顯著降低土壤中水分的流失并有效增強固土性：ZHANG M.K.等研究發(fā)現(xiàn)高含量的黏土顆粒在瀉湖沉積物中通過吸附和固定可明顯降低沙質(zhì)土壤的淋失潛力：P.A.MOORE等研究發(fā)現(xiàn)施用硫酸鋁的同時配施家禽糞可明顯降低徑流中可溶性磷的濃度。由上述研究可知：生物質(zhì)改良劑可有效改良土壤的理化性質(zhì)，改善土壤孔隙結(jié)構，增強土壤肥力，有效加強“土壤一植物”系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本試驗選用玉米秸稈和EM菌劑2種生物質(zhì)改良劑，同時設置原狀土壤對照組，基于2017年6-10月的相關實測數(shù)據(jù)，就滇中地區(qū)迤者小流域生物質(zhì)改良劑對土壤侵蝕量的影響、土壤侵蝕量與降雨侵蝕力R和土壤可蝕性指數(shù)K的關系進行了研究。

1材料與方法

1.1研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于云南省昆明市迤者小流域，屬低緯度高原山地季風氣候區(qū)，年均氣溫14.2℃，干濕季分明，多年平均降水量為785.1mm，雨季降雨量占全年降雨量的87.5%。迤者小流域呈不規(guī)則紡錘形，南北長6.7km，東西寬6.6km，土地總面積21.56km^2，區(qū)域內(nèi)土壤為地帶性黏性紅壤，偏酸性，供試土壤初始理化性質(zhì)：pH值為5.54，全氮（TN）含量為0.93g/kg，全磷（TP）含量為0.53g/kg，全鉀（TK）含量為13.54g/kg，水解氮（AN）含量為62.4mg/kg，有效磷（AP）含量為5.6mg/kg，交換鉀（EK）含量為74.0mg/kg，有機質(zhì)含量為17.33 g/kg。區(qū)域地勢總體為西北高、東南低，最高海拔為2589.5m，最低海拔為2010.0m，平均海拔為2220.0m。

1.2研究方案

1.2.1野外監(jiān)測

在迤者小流域內(nèi)布設1m×lm的微型小區(qū)，每個小區(qū)設置成同一坡度（坡角為15°）的坡面，施用玉米秸稈和EM菌劑2種土壤改良劑（玉米秸稈還田量為500g，EM菌劑施用濃度為70%、施用量為1000mL），并設置對照處理組（原狀土壤），在微型小區(qū)內(nèi)等高條播云南夏季大豆，繼而在出苗期定苗9株/m^2。每組處理（秸稈還田、菌劑施用、原狀土壤）設3個重復，共9個微型小區(qū)。

1.2.2土樣采集方法

在每個微型小區(qū)0～20cm耕作層內(nèi)進行土壤樣品采集，采用五點法取樣。采集供研究土壤物理性質(zhì)的土樣時，可利用環(huán)刀取樣：采集供化學分析而不需物理分析用的土樣時，可用小型鐵鏟取樣，裝入密封袋中保存。

1.2.3土壤機械組成測定

（1）樣品分散。用天平準確稱取過2mm篩的風干土壤樣品10～20g（通常黏土用10g，其他質(zhì)地20g或更多），置于500mL三角燒瓶中，加少量蒸餾水濕潤土樣，然后加入過氧化氫20mL，用玻璃棒攪拌，使有機質(zhì)充分與過氧化氫反應，反應過程中會產(chǎn)生大量氣泡，為防止樣品溢出，可加異戊醇消泡，過量的過氧化氫用加熱方法去除。根據(jù)土壤pH值，加入一定量的分散劑，再加入蒸餾水250mL，并振蕩1min，充分破壞土壤團聚體結(jié)構。

（2）制備懸濁液。將三角燒瓶充分振蕩分散的土壤及液體倒人1000mL量筒中，并多次用蒸餾水沖洗三角燒瓶，將沖洗的液體倒人量筒，直至將瓶中土壤完全轉(zhuǎn)移至量筒。最后用蒸餾水定容成1000mL。

（3）測定懸濁液相對密度。懸濁液相對密度使用甲種密度計來測定。用攪拌棒攪拌量筒中的懸濁液30次，使懸濁液混合均勻，取出攪拌棒時開始計時，分別在1min和2h用甲種密度計讀取讀數(shù)m1和m2。需要注意的是：①若液面有氣泡，可滴加異戊醇消泡；②密度計要在測定時間前15s左右輕輕放人懸液中，不可貼到量筒壁，待穩(wěn)定后到達預定時間立即讀數(shù)；③每次讀數(shù)后，要立即測液溫，再根據(jù)附表矯正。

（4）數(shù)據(jù)處理。計算沙粒、粉粒、黏粒所占比例：式中：SAN為沙粒含量，%；SIL為粉粒含量，%；CLA為黏粒含量，%，m為樣品質(zhì)量，g；m1為1min時的密度計讀數(shù)，g；m2為2h時的密度計讀數(shù)，g。

1.2.4土壤有機碳含量測定

稱取通過0.25mm孔徑篩的風干試樣0.5g，放人硬質(zhì)試管中，然后用滴定管準確加入0.4mol/L的重鉻酸鉀硫酸溶液10mL，搖勻并在每個試管口插人一玻璃漏斗。將試管逐個插入鐵絲籠中，再將鐵絲籠沉人已在電爐上加熱至185～190℃的油浴鍋內(nèi)，使管中的液面低于油面，要求放人后油浴溫度下降至170～180℃，待試管中的溶液沸騰時開始計時，此刻必須控制電爐溫度，不使溶液劇烈沸騰，其間可輕輕提起鐵絲籠在油浴鍋中晃動幾次，以使液溫均勻。5.0±0.5min后將鐵絲籠從油浴鍋中提出，冷卻片刻，擦去試管外的油液。把試管內(nèi)的液體及土壤殘渣無損地轉(zhuǎn)人250mL三角瓶中，用水沖洗試管及小漏斗，洗液并人三角瓶中，使三角瓶內(nèi)溶液的總體積控制在50～60mL。加3滴鄰菲噦啉指示劑，用硫酸亞鐵標準溶液滴定剩余的重鉻酸鉀硫酸溶液，溶液的變色過程是橙黃一藍綠一棕紅。記取硫酸亞鐵溶液滴定毫升數(shù)V。如果滴定所用硫酸亞鐵溶液的毫升數(shù)不到下述空白試驗所耗硫酸亞鐵溶液毫升數(shù)的1/3，則有氧化不完全的可能，應減少土壤稱樣量重測。

每批分析時，必須同時做2個空白試驗，即稱取大約0.2g灼燒過的浮石粉或土壤代替土樣，其他步驟與土樣測定相同，記取硫酸亞鐵溶液滴定毫升數(shù)V0。土壤有機碳含量C計算公式為式中：V0為空白試驗所消耗的硫酸亞鐵標準溶液體積，mL；V為試樣測定所消耗硫酸亞鐵標準溶液體積，mL；c為硫酸亞鐵標準溶液的濃度，mol/L；a為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量，0.003 g/mol；b為由有機碳換算成有機質(zhì)的系數(shù)，取1.724；d為氧化校正系數(shù)，取1.10；m為風干試樣的質(zhì)量，g。

1.3降雨侵蝕力計算

1.3.1降雨觀測

在迤者小流域制高點布置白記式雨量計，用于監(jiān)測雨季降雨情況，每間隔15d將自記式雨量計連接到筆記本電腦拷取原始數(shù)據(jù)，后將原始數(shù)據(jù)導入RainReCord軟件進行分析計算，即可獲得降雨量（P）、降雨強度（I）、降雨動能（E）等降雨特征值。

1.3.2 降雨侵蝕力計算

降雨侵蝕力是指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是一項客觀評價由降雨所引起土壤分離和搬運的動力指標。用日降雨資料估算不同地區(qū)降雨侵蝕力R，計算公式為式中：降雨侵蝕力R的單位為MJ·mm/（hm^2·h）。

1.3.3土壤可蝕性指數(shù)計算

土壤可蝕性指數(shù)是指土壤是否易受侵蝕動力破壞的性能，即土壤對侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運的敏感性，是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應。用W.H-Wischmeier等提出的EPIC（Ero-sion-Productivity ImpaCt Calculator）模型計算土壤可蝕性指數(shù)K，計算公式為式中：SN1=1-SAN/100。

1.4徑流泥沙觀測

在微型小區(qū)出水口放置一塑料桶，用于對徑流取樣。將徑流樣品靜置沉淀，待徑流和泥沙分層明顯后，用1000mL量筒分離水沙，將烘干后的泥沙用電子天平稱取其質(zhì)量，從而計算出每1m^2土地內(nèi)的土壤侵蝕量。

2結(jié)果與分析

2.1土壤侵蝕量

雨季各月份降雨次數(shù)決定了土壤侵蝕量的觀測頻次，如6月發(fā)生降雨2次，則分別在6月12日和28日分別觀測不同條件下各重復組的相應侵蝕量，取平均值，結(jié)果見表1。

土壤侵蝕量受降雨侵蝕力、土壤類型、地表植被覆蓋等多因子影響。烘干稱重坡面尺度的土壤侵蝕量能夠定量評估土壤侵蝕狀況。由表1可知，不同條件下的微型小區(qū)月際平均土壤侵蝕量變化隨月降雨情況的不同而呈現(xiàn)不同的特征，其中：秸稈還田條件下的各月平均土壤侵蝕量為15.38～25.34g，最大為7月（1m^2范圍內(nèi)流失25.34g），最小為10月（僅為15.38g），極值比為1.65；EM菌劑施用條件下的侵蝕量為24.76～35.68g；原狀對照小區(qū)的侵蝕量為42.17～54.90g?？梢姡斩掃€田和EM菌劑施用2種土壤改良方式均可顯著抑制雨季的土壤流失，6-10月降雨侵蝕量分別減少52.8%、53.0%、63.0%、62.1%、63.5%和34.0%、33.9%、43.7%、39.2%、41.3%，而秸稈還田改良方式的保土效果優(yōu)于EM菌劑施用的。

2.2降雨侵蝕力R

由表2可知，2017年6-10月研究區(qū)降雨量月際變化范圍為63.7～144.8mm，7月最大，10月最小，極值比為2.27；降雨侵蝕力R值月際變化范圍為266～670MJ·mrn/（hm^2·h），極值月份與降雨量的相同，同樣在7月、10月分別達到最大值和最小值，極值比為2.52。但由于降雨侵蝕力R值的計算較為復雜，受降雨量P、降雨強度I、降雨動能E等多因子的影響，因此降雨量的變化趨勢并不能完全反映降雨侵蝕力的變化趨勢，如8月降雨量為112.8mm、R值為328 MJ·mm/（ hm^2.h），而9月降雨量僅為76.8mm，R值卻為407 MJ·mm/（hm^2·h）。

2.3土壤可蝕性指數(shù)K

關于土壤可蝕性指數(shù)K估算方法的研究有很多，其中最有代表性的為W.H. Wischmeier等提出的EPIC模型中的計算方法。EPIC模型中采用考慮土壤有機碳和粒徑組成的公式來估算土壤可蝕性指數(shù)K值，見表3。

土壤可蝕性指數(shù)K是評價土壤對于水力侵蝕敏感性的重要參數(shù)，是進行土壤侵蝕和水土流失定量預估的重要依據(jù)。由表3可知，3種不同處理下的研究區(qū)土壤可蝕性指數(shù)K值基本維持在0.216～0.369，其中：原狀對照組的K值變化范圍為0.345～0.369，已超出中度可侵蝕性K值范圍（0.250～0.300），說明此地區(qū)坡耕地易發(fā)生水土流失現(xiàn)象，須實施土壤改良措施：秸稈還田改良后的K值范圍為0.216～0.250，顯著降低了土壤可侵蝕性，這與黃新君等的研究結(jié)果一致。2種改良方式對比，秸稈還田措施的K值總體上小于菌劑施用的K值0.298～0.320。受雨季水力侵蝕影響，各試驗組的K值均出

現(xiàn)了減小的趨勢，原因可能是雨滴的擊濺力改變了地表土壤的組成及有機碳含量，且地表植被的生長發(fā)育使土壤抗蝕性增強，抑制了水土流失。

2.4土壤侵蝕因子對土壤侵蝕量的影響

2. 4.1降雨侵蝕力R對土壤侵蝕量的影響

降雨侵蝕力R值的大小直接影響著土壤對水力侵蝕敏感性的高低。根據(jù)前人的研究結(jié)果，降雨侵蝕力與土壤侵蝕量成二次曲線關系。在秸稈還田、EM菌劑施用2種土壤改良方式下，降雨侵蝕力與土壤侵蝕量成顯著相關關系（概率P2.4.2土壤可蝕性指數(shù)K對土壤侵蝕量的影響

生物質(zhì)土壤改良方式會較大程度地改變土壤性狀，如容重、土壤組成、有機碳含量、含水率等，這些影響因子綜合轉(zhuǎn)化為土壤可蝕性指數(shù)K。其中：在土壤組成方面，改良劑的施用往往有減小沙粒比例、穩(wěn)固粉粒成分、增大黏粒含量的效果：有機碳含量的增加也使土壤抗蝕能力增強。

圖2為K值與侵蝕量的關系，可以看出，在不同改良劑的作用下，侵蝕量與K值變化趨勢一致，大小排序均為秸稈還田<菌劑施用<原狀對照。

圖3為K值和侵蝕量的線性擬合關系。在秸稈還田和菌劑施用2種改良方式下，K值和侵蝕量的擬合優(yōu)度分別為0.692和0.738，呈顯著相關關系；原狀對照處理下的擬合優(yōu)度為0.974，呈極顯著相關關系，說明土壤K值對于判斷土壤侵蝕量大小具有較好的指示性。

3討論

西南紅壤區(qū)耕作方式復雜多樣，且受到高墾殖、高復種的不合理耕作方式影響，加之當?shù)赜昙練夂驖駶櫠嘤?，次降雨歷時持久，多為大到暴雨，造成當?shù)厮亮魇娏?，嚴重時會引起泥石流、崩崗等自然災害的發(fā)生，給當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和人民生產(chǎn)生活造成極大的困難。因此，研究不同土壤改良劑對該地區(qū)土壤的改良效果，對于制定水土流失防治措施顯得尤為重要。

分析同一時期不同處理方式下的降雨侵蝕量差異可知，秸稈還田和菌劑施用均能減輕土壤侵蝕。相關研究表明，玉米秸稈的施用可有效增強土壤團聚體結(jié)構的穩(wěn)定性，使土壤孔隙度增大、導水性增強，降水人滲加快，有效抑制了地表徑流的發(fā)生和發(fā)展，且降雨強度越大抑制效應越顯著；光合菌群是EM菌劑中的重要微生物群落，可以在土壤、水等介質(zhì)中利用太陽光光熱能合成糖類、抗氧化物質(zhì)等各種生理活性物質(zhì)，帶動其他有益微生物的繁殖壯大；EM菌劑中的菌群分泌的有益物質(zhì)，如抗氧化酵素、活性激素、有機酸等，可以分解殘留農(nóng)藥，使土壤處于抗氧化狀態(tài)，激發(fā)作物在良性生長環(huán)境下的發(fā)育潛能。

降雨侵蝕力R和土壤可蝕性指數(shù)K與土壤侵蝕量具有顯著的相關性。R值的大小和降雨量、降雨強度、降雨動能等多個影響因子相關，當R值增大時，各處理方式下的土壤侵蝕量均有所增大。而K值是土壤對侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運敏感程度的集中體現(xiàn)，也是土壤侵蝕預報模型和環(huán)境效應評價模型的重要參數(shù)之一，其值大小與土壤顆粒組成和有機碳含量相關。本研究3種處理方式的土壤可蝕性指數(shù)K值大小順序為秸稈還田<菌劑施用<原狀對照，且在降雨發(fā)生時，秸稈還田、菌劑施用、原狀對照3種處理方式的土壤侵蝕量依次增大，說明生物質(zhì)土壤改良劑通過改變K值對土壤侵蝕量具有較顯著的削減作用。秸稈還田處理方式對可蝕性指數(shù)的削減效應大于菌劑施用處理方式的，原因可能是菌劑施人土壤的時間較短，對土壤結(jié)構的影響較??；而秸稈對水分具有較強的吸收能力，秸稈還田不僅可以改良土壤結(jié)構，而且可增加土壤有機質(zhì)含量，進而促進植物根系的發(fā)育和橫向延伸，增加地表粗糙度，緩沖雨滴濺蝕，阻延流速，降低水流能量，減緩徑流沖刷。

4結(jié)論

本研究表明，施用玉米秸稈、EM菌劑2種生物質(zhì)改良劑均可有效增強土壤的固結(jié)能力，保土效果排序為秸稈還田>菌劑施用>原狀對照，秸稈還田和菌劑施用2種生物質(zhì)改良方式比原狀對照的土壤侵蝕量分別減少52.8%～63.5%和33.9%～43.7%，說明秸稈還田對于土壤改良的優(yōu)越性大于菌劑施用。

秸稈還田、菌劑施用、原狀對照3種土壤處理方式下，降雨侵蝕力R和土壤侵蝕量的擬合優(yōu)度分別為0.957、0.993、0.734，土壤可蝕性指數(shù)K的數(shù)值范圍分別為0.216～0.250、0.298～0.320、0.345～0.369，土壤可蝕性指數(shù)K和土壤侵蝕量的擬合優(yōu)度分別為0.692、0.738、0.974。綜上所述，在2種生物質(zhì)改良劑的作用下，R值對滇中地區(qū)土壤侵蝕量的影響大于K值的。

秸稈還田和菌劑施用兩種不同的改良方式具有不同的作用機理，兩者耦合效應有待于進一步研究。