山地黃壤區(qū)玉米不同生育期土壤抗蝕性特征

馬 瑞，鄭子成，王 雙，楊海龍，李廷軒，楊 帥

山地黃壤區(qū)玉米不同生育期土壤抗蝕性特征

馬 瑞1，鄭子成1※，王 雙1，楊海龍2，李廷軒1，楊 帥1

（1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130； 2. 眉山市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，眉山 620010）

山地黃壤區(qū)不僅是四川省重要的農(nóng)產(chǎn)區(qū)之一，也是水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，為闡明四川山地黃壤區(qū)土壤抗蝕性特征。該研究以山地黃壤區(qū)坡耕地為研究對(duì)象，采用野外徑流小區(qū)定位試驗(yàn)和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究了玉米不同生育期土壤抗蝕性的變化特征。結(jié)果表明：1）隨玉米生育期的推進(jìn)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體均表現(xiàn)出由小粒級(jí)團(tuán)聚體逐漸形成大粒級(jí)團(tuán)聚體的趨勢(shì)，提高了>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Water-Stable Aggregate, WSAwet）、平均重量直徑（Mean Weight Diameter, MWD）、團(tuán)聚度（Aggregation Degree, AD）和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Content of Soil Organic matter, SOM），降低了結(jié)構(gòu)體破壞率（Percentage of Aggregate Disruption, PAD）、平均重量比表面積（Mean Weight Specific Surface Area, MWSSA）、分形維數(shù)（Fractal Dimension, FD）和分散系數(shù)（Dispersion Coefficient, DC）；2）結(jié)合主成分分析和抗蝕指數(shù)（Soil Anti-erodibility Index, SAI），玉米不同生育期土壤抗蝕性由高到低為：成熟期、抽雄期、拔節(jié)期、苗期，且隨土層深度增加而逐漸降低；3）土壤抗蝕性與玉米葉面積指數(shù)（Leaf Area Index, LAI）和根系密度（Root Mass Density, RMD）均呈極顯著正相關(guān)（<0.01），玉米生長(zhǎng)可顯著影響土壤抗蝕性。山地黃壤區(qū)坡耕地，種植玉米有利于增強(qiáng)土壤抗蝕性，有助于研究區(qū)坡耕地水土流失的有效防控。

土壤；侵蝕；團(tuán)聚體；抗蝕性；玉米生育期；坡耕地；黃壤

0 引 言

山地黃壤區(qū)是四川省重要農(nóng)產(chǎn)區(qū)之一，夏季降雨頻繁且多以暴雨為主。加之地形陡峭、耕地分散和長(zhǎng)期不合理的耕作活動(dòng)，區(qū)域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重[1]。坡耕地是該區(qū)主要的耕地資源之一，水土流失不僅會(huì)造成坡耕地土壤質(zhì)量退化，也嚴(yán)重影響著山地黃壤區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。因此，開展山地黃壤區(qū)坡耕地土壤抗蝕性特征研究，有助于區(qū)域水土流失有效防控和土壤資源可持續(xù)利用。

坡耕地水土流失除了受植被覆蓋、人為活動(dòng)影響外，還與土壤本身的抗蝕性強(qiáng)弱有關(guān)。土壤抗蝕性是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一，其強(qiáng)弱與土壤理化性質(zhì)緊密相關(guān)[4]。大量研究表明，作物種植會(huì)降低土壤抗蝕性，加劇土壤侵蝕[5-6]。但部分學(xué)者指出，合理種植農(nóng)作物可顯著影響耕層土壤理化性質(zhì)，有助于增強(qiáng)土壤抗蝕性[7-8]。農(nóng)作物的種植，地上部可攔截降雨，抑制徑流匯集[9]，地下部根系能固土促滲，改善土壤結(jié)構(gòu)[10]。可見，植物通過地上部和地下部共同作用，可增強(qiáng)土壤抗蝕性。王計(jì)磊等[11]研究發(fā)現(xiàn)種植大豆可增強(qiáng)土壤抗蝕性；鄭子成等[12]指出種植玉米能顯著提高土壤抗蝕性?？梢姡侠淼霓r(nóng)作物種植有助于土壤抗蝕性的增強(qiáng)和水土流失有效防控。

目前針對(duì)坡耕地土壤抗蝕性的研究已取得了一定成果，但多集中于南方紅壤區(qū)、黃土高原區(qū)等區(qū)域[8,11]。山地黃壤區(qū)是四川省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，玉米是區(qū)域主栽農(nóng)作物，其生育期與區(qū)域自然降雨侵蝕期重疊，玉米生長(zhǎng)過程對(duì)坡面水土流失具有重要的影響[1]。前期研究表明坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙在玉米生育期間具有明顯差異[13-14]，玉米不僅對(duì)坡面有直接的防蝕作用，還可能影響土壤抗蝕性。因此，本研究以山地黃壤區(qū)坡耕地為研究對(duì)象，探討玉米不同生育期土壤抗蝕性變化特征，明晰玉米生育期對(duì)土壤抗蝕性的影響，以期為區(qū)域選擇合理種植模式和防治水土流失提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研園區(qū)（31°00′34″N，103°36′52″E），海拔773.5 m。區(qū)域地處華西雨屏區(qū)，年均降雨量約1 218.4 mm，雨季為5月到9月，夏季降雨量約占全年總降雨量的80%。研究區(qū)屬山地地貌，土壤類型為山地黃壤，pH值為5.95，砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.27%、44.26%、19.47%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.18 g/kg，堿解氮為52.14 mg/kg，有效磷為5.09 mg/kg，速效鉀為50.64 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況和研究區(qū)坡耕地坡度分布特點(diǎn)，設(shè)置4個(gè)規(guī)格為8 m2（長(zhǎng)4 m、寬2 m）的野外試驗(yàn)小區(qū)，坡度為15°，耕作措施均采用沿等高線常規(guī)耕作種植，其中1個(gè)小區(qū)用于玉米根系的采集。為防止小區(qū)間產(chǎn)生物質(zhì)交換，小區(qū)之間用水泥砌成的田埂隔開。

1.3 田間管理

供試玉米為當(dāng)?shù)刂髟缘馁Y玉22號(hào)。依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣，于2016年4月中旬播種，單行雙株進(jìn)行種植，行距90 cm，株距45 cm。玉米施肥情況：尿素（N 46%）210 kg/hm2，過磷酸鈣（P2O512%）75 kg/hm2，氯化鉀（K2O 56%）75 kg/hm2，其中氮肥分基肥、拔節(jié)期追肥2次施入，磷肥和鉀肥均一次性作為基肥施入。玉米播種后，田間管理均參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣執(zhí)行。

1.4 樣品采集

分別于2016年5月23日、6月14日、7月7日和8月17日進(jìn)行玉米苗期（Seedling Stage，SS）、拔節(jié)期（Jointing Stage，JS）、抽雄期（Tasseling Stage，TS）及成熟期（Maturing Stage，MS）4個(gè)生育期的樣品采集。

土樣采集：沿坡面自上而下，根據(jù)“五點(diǎn)采樣法”在試驗(yàn)小區(qū)按S型走向隨機(jī)選取5個(gè)具有代表性的樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)距離玉米植株約5 cm。采用土鉆（直徑約7 cm）分別取每個(gè)樣點(diǎn)0～10、>10～20 cm土層的原狀土，將同一深度的土樣均勻混合，重復(fù)3次[15]。土樣采集后帶回實(shí)驗(yàn)室沿土壤自然紋理輕輕掰成直徑約1 cm的土塊，用鑷子挑去土壤中的礫石和生物殘?bào)w[15]。然后將土樣置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，用于土壤抗蝕性指標(biāo)的測(cè)定。

玉米根系采集：樣品采集前，去除玉米地上部和周圍雜草。采用特制矩形取樣器（長(zhǎng)20 cm，寬10 cm，高10 cm）分別采集0～10和>10～20 cm深度的根系，帶回室內(nèi)置于0.25 mm篩網(wǎng)上沖洗干凈，再在75 ℃烘箱中烘干至恒定質(zhì)量，用于玉米根系密度的測(cè)定。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用干篩法，水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用Yoder濕篩法[16]，根據(jù)各粒級(jí)非水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比配成50g土樣，置于套篩（5、2、1、0.5、0.25 mm）上，先預(yù)濕5 min，再置于TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀中，以3.2 cm振幅、30次/min振頻在水中振蕩30 min。篩分完成后將各篩網(wǎng)上的團(tuán)聚體沖洗至鋁盒中烘干至恒定質(zhì)量，稱取各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量并計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法，微團(tuán)聚體采用吸管法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法測(cè)定[17]。

玉米葉面積用YMJ-B型葉面積儀測(cè)定[13]，根系密度采用烘干稱重法[10]。

1.6 指標(biāo)計(jì)算

本文所采用土壤抗蝕性指標(biāo)計(jì)算公式如下[8,15]：

平均重量直徑（Mean Weight Diameter, MWD）：

式中X是第粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm；W為第粒級(jí)團(tuán)聚體的烘干質(zhì)量，g。

結(jié)構(gòu)體破壞率（Percentage of Aggregate Disruption, PAD）：

式中WSAdry是>0.25 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；WSAwet是>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

平均重量比表面積（Mean Weight Specific Surface Area, MWSSA）：

式中P為第粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；本文假定各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體形狀均呈球形，忽略各粒級(jí)團(tuán)聚體間土壤密度ρ的差異，即ρ=2.65 g/cm3。

土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)（Fractal Dimension, FD）：

式中m為直徑小于d累積質(zhì)量，g；0為各粒級(jí)微團(tuán)聚體總質(zhì)量，g；d為兩篩分粒級(jí)間的平均直徑，mm；max為最大粒級(jí)微團(tuán)聚體的平均直徑，mm。

團(tuán)聚度（Aggregation Degree, AD）：

式中MA>0.05 mm是>0.05 mm微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；MC>0.05 mm是>0.05 mm土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

分散系數(shù)（Dispersion Coefficient, DC）：

式中MA<0.001 mm是<0.001 mm微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；MC<0.001 mm是<0.001 mm土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

葉面積指數(shù)（Leaf Area Index, LAI）的計(jì)算公式[13]：

式中表示單株玉米葉片的葉面積，m2；表示玉米的群體密度，本試驗(yàn)=4株/m2。

根系密度（Root Mass Density, RMD）的計(jì)算公式[10]：

式中表示玉米根系的烘干質(zhì)量，kg；表示特制采樣器的體積，本試驗(yàn)=0.002 m3。

1.7 主成分分析

本文選取了4大類10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（SOM），<0.05 mm粉黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（SL），<0.001 mm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（CL），>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（WSAwet），平均重量直徑（MWD），結(jié)構(gòu)體破壞率（PAD），平均重量比表面積（MWSSA），微團(tuán)聚體分形維數(shù)（FD），團(tuán)聚度（AD），分散系數(shù)（DC）。通過主成分分析，計(jì)算玉米不同生育期土壤抗蝕性綜合指數(shù)。

式中1、2分別為第一和第二主成分。

1.8 土壤抗蝕指數(shù)計(jì)算

參照薛萐等[18]提出的抗蝕指數(shù)（Soil Anti-erodibility Index, SAI）對(duì)土壤抗蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式如下：

式中w表示各抗蝕性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，通過主成分分析確定；SAI(x)表示各抗蝕指標(biāo)的隸屬度值。

升型和降型隸屬度函數(shù)計(jì)算公式如下：

式中xij表示各土壤抗蝕性指標(biāo)的數(shù)值，ximax和ximin分別表示第i個(gè)抗蝕指標(biāo)的最大值和最小值。