土壤管理措施對坡耕地侵蝕退化耕層的恢復(fù)作用

宋鴿，史東梅，蔣光毅，江娜，葉青，張健樂

土壤管理措施對坡耕地侵蝕退化耕層的恢復(fù)作用

宋鴿1，史東梅1，蔣光毅2，江娜1，葉青1，張健樂1

1西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401147

【】紫色土坡耕地土壤侵蝕嚴(yán)重，研究土壤管理措施對不同侵蝕程度坡耕地耕層侵蝕恢復(fù)作用，為紫色土坡耕地耕層質(zhì)量調(diào)控和坡耕地持續(xù)利用提供理論及實踐依據(jù)。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗各指標(biāo)的差異顯著性，研究不施肥（CK）、施化肥（F）、施生物炭+化肥（BF）3種土壤管理措施對侵蝕0 cm（S-0）、侵蝕5 cm（S-5）、侵蝕10 cm（S-10）、侵蝕15 cm（S-15）、侵蝕20 cm（S-20） 5個不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤屬性的恢復(fù)作用。（1）隨侵蝕程度增加，土壤砂粒含量由38.1%—42.4%逐漸增至44.2%—46.4%，土壤黏粒含量由12.6%—14.8%逐漸減少至9.6%—11.0%；與S-0、S-5、S-10相比，S-15、S-20土壤容重顯著增大；S-10侵蝕程度下，土壤抗剪強(qiáng)度最大，在8.71—9.56 kg·cm-2之間；F、BF處理下S-15侵蝕程度的土壤穩(wěn)定入滲率、平均入滲率降幅均最大。（2）不同管理措施下坡耕地耕層土壤屬性差異顯著，BF處理下土壤砂粒含量小、黏粒含量最大，0—10 cm、10—20 cm土層土壤容重顯著低于CK（＜0.05），土壤總孔隙度、毛管孔隙度均顯著高于CK、F處理；BF處理下土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率均最大，CK處理最??；與CK處理相比，BF處理土壤抗剪強(qiáng)度顯著增大。（3）隨侵蝕程度增加，土壤可蝕性K值顯著下降，與S-0相比，S-20侵蝕程度下土壤可蝕性K值下降0.1960%—0.2192%；BF處理下土壤可蝕性K值最大，F(xiàn)處理次之，CK最?。籗-10侵蝕程度下F、BF處理的K值均較CK增加幅度最大，分別增加0.0684%、0.1404%。施加生物炭+化肥在改善土壤物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、提高土壤蓄滲性能等方面較單施化肥效果更為顯著，可有效減輕紫色土坡耕地耕層土壤侵蝕，對侵蝕10 cm條件下的坡耕地耕作層（0—20 cm）土壤的改良效果最佳。

紫色土坡耕地；耕層；侵蝕程度；管理措施；土壤可蝕性

0 引言

【研究意義】紫色土是長江上游重要的耕地資源[1-2]，成土速度快、土壤礦物質(zhì)含量高，具有宜水性、宜肥性、宜耕性的特點，但紫色土坡耕地是我國水土流失最為嚴(yán)重的土地類型之一，土層淺薄、結(jié)構(gòu)性差[3]，土壤侵蝕強(qiáng)度在5 897 t·km-2·a-1以上[4]。因此，探究不同土壤管理措施對紫色土坡耕地耕層侵蝕的恢復(fù)作用，可為地塊尺度坡耕地耕層土壤侵蝕恢復(fù)及耕層質(zhì)量提升提供理論支持?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國內(nèi)外學(xué)者針對紫色土坡耕地耕層土壤侵蝕狀況及管理措施開展了大量研究。一些研究結(jié)果表明，紫色土坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)烈，抗蝕性較差，土壤平均侵蝕速率在758—9 854 t·km-2·a-1之間，并且土壤平均侵蝕速率隨坡度增加顯著增大[2,5]；土壤侵蝕對土壤顆粒組成的空間變異性影響顯著，坡上部位土壤細(xì)顆粒流失嚴(yán)重，在坡下沉積[5]；土壤侵蝕強(qiáng)度沿坡面向下逐漸減小，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤養(yǎng)分在坡下積聚[5]；隨雨強(qiáng)增大，坡耕地地表徑流量及土壤侵蝕量急劇增加[6]。李富程等[7]的研究表明耕作侵蝕下耕層土壤主要從坡上流失至坡中部位，并在下部堆積，不會導(dǎo)致田間土壤直接流失，水蝕導(dǎo)致坡耕地土壤從坡中流失至坡下，并在泥沙堆積的坡下侵蝕最強(qiáng)，直接造成田間土壤流失。史東梅等[8]的研究表明，與坡上、坡下部位相比，紫色土坡耕地坡中部位砂粒、粉粒、黏粒組成配比適宜，土壤飽和導(dǎo)水率最大，蓄水性能最好。同時，有研究表明在橫坡壟作或順坡壟作基礎(chǔ)上進(jìn)行地膜或秸稈覆蓋能夠減少土壤侵蝕，并且秸稈覆蓋較地膜覆蓋效果更好[9]；施用生物炭能夠提高土壤總孔隙度、毛管孔隙度，增加土壤團(tuán)聚體含量，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提升土壤蓄水保水性能[10-14]，有利于減少地表徑流、土壤侵蝕的發(fā)生[15]，還能夠改良土壤酸度，提高坡耕地土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)作物生長[16]?！颈狙芯壳腥朦c】以往的研究多側(cè)重于坡耕地土壤侵蝕或施加生物炭單一方面的研究，研究土壤管理措施對不同侵蝕程度坡耕地耕層侵蝕的恢復(fù)作用對地塊尺度坡耕地耕層質(zhì)量提升具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以3種不同土壤管理措施下5個不同侵蝕程度紫色土坡耕地耕層為研究對象，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗各指標(biāo)差異顯著性，比較不同管理措施及不同侵蝕程度下的土壤可蝕性，可為紫色土坡耕地耕層質(zhì)量調(diào)控、合理耕層構(gòu)建、坡耕地持續(xù)利用提供參數(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)計

試驗地位于重慶市萬州區(qū)熊家鎮(zhèn)（30°55′10″N，108°25′51″E），屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，平均海拔355.5 m，年平均氣溫17.7 ℃，多年平均降水量1 200 mm且多集中在5—9月，約占全年總降水量70%。試驗地土壤類型為紫色沙泥頁巖母質(zhì)發(fā)育的紫色土，0—20 cm土層土壤理化性質(zhì)見表1。

試驗始于2018年2月，試驗選擇地形條件、基礎(chǔ)肥力一致的紫色土坡耕地作為試驗地，田面坡度均為15°，以侵蝕程度為主處理，管理措施為副處理設(shè)置裂區(qū)試驗。其中設(shè)置侵蝕0 cm（S-0）、侵蝕5 cm（S-5）、侵蝕10 cm（S-10）、侵蝕15 cm（S-15）、侵蝕20 cm（S-20）5個侵蝕程度，以S-0為對照；設(shè)置不施肥（CK）、施化肥（F）、施生物炭+化肥（BF）3種管理措施。小區(qū)建立時施加生物炭15 t·hm-2，九禾股份有限公司復(fù)合肥（N-P2O5-K2O≥45%）277.5 kg·hm-2均勻撒施在土壤表面，經(jīng)翻耕混入0—10 cm土層，玉米根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣追施尿素（總氮≥46.4%）兩次，各處理設(shè)3次重復(fù)，共45個小區(qū)，每個小區(qū)面積12 m2（3 m×4 m）。供試玉米品種為農(nóng)祥11，8月初進(jìn)行玉米收獲。

表1 試驗前土壤基本理化性質(zhì)

1.2 土樣采集及測定

土壤采樣于2018年8月初進(jìn)行，在鏟土侵蝕小區(qū)上部、中部、下部按0—10、10—20 cm分層采樣，于每層中部用環(huán)刀采集土樣，用于容重、孔隙度、土壤入滲速率和土壤飽和導(dǎo)水率測定。采集原狀土帶回實驗室自然風(fēng)干，過篩后用于土壤機(jī)械組成測定，3次重復(fù)。土壤機(jī)械組成采用吸管法測定，土壤抗剪強(qiáng)度采用便攜式三頭抗剪儀（14.10 Pocket Vane Tester型，荷蘭）測定，6次重復(fù)。

1.3 土壤可蝕性K值

采用Shirazi公式法計算土壤可蝕性K值[17-18]，計算公式如下：

=e(0.01Σln m)

2=0.983

式中，f為原土壤中第個粒徑級質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；m為第個粒徑級兩端數(shù)值的算術(shù)平均值（mm）；值為美國制，計算后將值乘以0.1317，轉(zhuǎn)為國際制單位（t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016處理后，采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗土壤各指標(biāo)的差異顯著性。

2 結(jié)果

2.1 坡耕地耕層土壤物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)

不同侵蝕程度下坡耕地耕層土壤粒徑分布特征差異顯著（圖1），隨侵蝕程度增大，土壤砂粒含量呈逐漸增大趨勢，土壤粉粒、黏粒含量呈逐漸減小趨勢。侵蝕程度由S-0增至S-20，土壤砂粒含量由38.1%— 42.4%增加至44.2%—46.4%，增幅隨侵蝕程度增加先增大后減??；土壤粉粒含量由46.6%—47.0%減少為44.0%—44.8%，土壤黏粒含量由12.6%— 14.8%減少至9.6%—11.0%，降幅隨侵蝕程度增加先增大后減小，這表明隨侵蝕程度增大，土壤中細(xì)顆粒不斷流失，砂粒含量逐漸增大，坡耕地土壤粗骨化現(xiàn)象不斷加重。說明坡耕地耕層土壤在人為耕作活動影響下，細(xì)顆粒優(yōu)先遷移，粗顆粒相對集中，耕層土壤質(zhì)地粗化。0—10 cm土層土壤砂粒含量隨侵蝕程度增加，變化幅度均大于10—20 cm土層。同一侵蝕程度下，0—10 cm土層土壤砂粒含量均大于10—20 cm土層，其原因主要是0—10 cm土層土壤耕作后土質(zhì)較為疏松，存在很多大孔隙，且裸露于地表，土壤中細(xì)顆粒更容易受到徑流沖刷而流失。

不同土壤管理方式下坡耕地耕層土壤砂粒含量由高到低依次為CK、F、BF，3種管理方式之間土壤砂粒含量變化較為顯著。與不施肥的CK相比，F(xiàn)、BF處理對坡耕地耕層土壤砂粒含量的調(diào)控作用隨侵蝕程度增大先增強(qiáng)后逐漸減弱，F(xiàn)、BF處理下S-10侵蝕程度土壤砂粒含量降幅均最大，分別為4.0%、8.4%。與F處理相比，BF處理下S-0、S-5、S-10侵蝕程度土壤砂粒含量分別下降3.6%、4.0%、4.6%。BF處理對S-0、S-5、S-10侵蝕程度耕層土壤砂粒含量調(diào)控作用明顯優(yōu)于F處理，S-15、S-20侵蝕程度下F、BF兩種管理措施間并未發(fā)生明顯變化，但均顯著高于CK（＜0.05）。不同土壤管理方式下土壤粉粒、黏粒含量由低到高依次為CK、F、BF，3種管理方式之間土壤黏粒含量變化差異顯著（＜0.05），而土壤粉粒含量僅在S-10侵蝕程度下呈顯著差異。與不施肥的CK相比，F(xiàn)、BF處理下S-10侵蝕程度土壤粉粒含量分別增加1.5%、2.9%；F、BF處理下土壤黏粒含量分別增加7.6%— 10.0%、15.2%—22.4%。與F處理相比，BF處理下土壤黏粒含量增加7.0%—11.3%。F、BF處理下S-10侵蝕程度土壤粉粒、黏粒含量與CK相比增幅均最大，土壤粉粒含量分別增加1.5%、2.9%，土壤黏粒含量分別增加10.0%、22.4%。這表明在不同侵蝕程度坡耕地上施加化肥、施加生物炭+化肥均能減少土壤細(xì)顆粒流失，減輕土壤粗骨化，且在S-10侵蝕程度下效果均最好。

不同侵蝕程度下坡耕地耕層土壤容重整體表現(xiàn)為S-0＜S-5＜S-10＜S-15＜S-20（圖2），CK處理下S-10、S-15、S-20較S-0、S-5土壤容重顯著增大；F、BF處理下，與S-0、S-5、S-10相比，S-15、S-20侵蝕程度下土壤容重變化差異顯著（＜0.05）。與S-0相比，S-15、S-20侵蝕程度下土壤容重由1.27—1.40 g·cm-3分別增至1.37—1.48和1.39—1.52 g·cm-3，這表明隨侵蝕程度增加，土壤板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤通氣、透水性較差，不利于農(nóng)作物根系生長。同一侵蝕程度下，10—20 cm土層土壤容重較0—10 cm土層整體呈增大趨勢，增加0—2.19%。

不同大寫字母表示同一侵蝕程度、同一土層不同管理方式差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示同一管理方式、同一土層不同侵蝕程度差異顯著（P＜0.05）。下同

圖2 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤容重的影響

不同管理措施下坡耕地耕層土壤容重變化差異顯著，其中BF處理下土壤容重顯著小于CK、F處理（＜0.05），而F處理下較CK下降趨勢不明顯。BF處理下S-0、S-5、S-10、S-15、S-20各侵蝕程度土壤容重分別為1.27、1.29、1.32、1.37和1.39 g·cm-3，與CK相比，各侵蝕程度土壤容重分別減小9.5%、9.0%、8.5%、7.0%、8.1%，這說明施加生物炭+化肥能夠顯著降低土壤容重，效果優(yōu)于單施化肥，可能是由于生物炭的多孔性以及較低的堆積密度降低了土壤容重[19]。BF處理下隨侵蝕程度的增加改良效果呈下降趨勢，各侵蝕程度10—20 cm土層土壤容重改良效果均優(yōu)于0—10 cm土層。

土壤孔隙度是表征土壤疏松程度及水分容量大小的重要指標(biāo)，由圖3、4可知，不同侵蝕程度下坡耕地耕層土壤總孔隙度、毛管孔隙度變化規(guī)律相同，由大到小依次為S-0、S-5、S-10、S-15、S-20，且變化差異顯著（＜0.05）。這表明隨侵蝕程度增加土壤孔隙度不斷減小，土壤通氣、透水性能逐漸減弱。隨侵蝕程度增加，S-5、S-10、S-15、S-20侵蝕程度下土壤總孔隙度下降幅度分別為1.7%—3.1%、3.6%—6.1%、2.6%—6.5%、2.5%—3.0%；CK處理S-10侵蝕程度下土壤總孔隙度下降幅度最大；F、BF處理S-15侵蝕程度下土壤總孔隙度降幅最大，較S-10相比降幅分別為4.9%、6.5%。隨侵蝕程度增加，土壤毛管孔隙度下降幅度先增大后減小，CK、F處理S-10侵蝕程度下土壤毛管孔隙度下降幅度最大，BF處理S-15侵蝕程度下土壤毛管孔隙度下降幅度最大，較S-10下降4.1%。同一侵蝕程度，0—10、10—20 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度未發(fā)生明顯變化，其主要原因是耕作層（0—20 cm）土壤經(jīng)常受到人為擾動，土質(zhì)均較為疏松。

由圖3、4可知，不同土壤管理措施下0—10、10—20 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度均表現(xiàn)為CK＜F＜BF（＜0.05）。BF處理下各侵蝕程度土壤總孔隙度分別較F處理增加2.0%、2.8%、3.6%、1.9%、1.6%，土壤毛管孔隙度分別較F處理增加4.5%、4.6%、4.8%、3.5%、3.4%。BF處理S-0侵蝕程度0—10 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度均最大，分別為50.9%、37.7%；CK處理下10—20 cm土層土壤總孔隙度最小，為41.1%，0—10 cm土層土壤毛管孔隙度最小，為31.8%。F、BF處理對坡耕地耕層土壤總孔隙度、毛管孔隙度的改良效果隨侵蝕程度的增加先增強(qiáng)后逐漸減弱，兩種管理措施對S-10侵蝕程度土壤總孔隙度、毛管孔隙度改良效果均最好；F、BF處理下S-10侵蝕程度土壤總孔隙度分別較CK增加4.5%、8.2%。這表明施加生物炭+化肥能夠顯著增加耕作層土壤孔隙，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤通氣、透水性能，這與生物炭疏松多孔、密度小、含有豐富的有機(jī)大分子密切相關(guān)[20]。

隨侵蝕程度增加，耕層土壤抗剪強(qiáng)度整體呈先增大后減小的趨勢（圖5），不同管理措施下S-10侵蝕程度土壤抗剪強(qiáng)度均增加至最大值，在8.71—9.56 kg·cm-2之間，隨著侵蝕程度進(jìn)一步增加，S-20侵蝕程度下土壤抗剪強(qiáng)度達(dá)最小值，在8.60—9.45 kg·cm-2之間，其原因可能是隨著侵蝕程度的增加，耕作層（0—20 cm）抗剪切破壞能力較弱的疏松土壤在徑流沖刷作用下大量流失，土壤板結(jié)現(xiàn)象逐漸加重，土壤抗剪能力呈增大趨勢，而隨著侵蝕程度的進(jìn)一步加劇，土壤細(xì)顆粒大量流失，土壤粗骨化現(xiàn)象嚴(yán)重，因此土壤抗剪切破壞能力呈下降趨勢。0—10 cm土層各侵蝕程度土壤抗剪強(qiáng)度在8.65—10.07 kg·cm-2之間，10—20 cm土層土壤抗剪強(qiáng)度較0—10 cm土層下降0.3%—1.7%，這可能是由于0—10 cm土層土壤受人為擾動后降雨引起土壤板結(jié)所致。

不同管理措施下坡耕地耕層土壤抗剪強(qiáng)度存在較大差異，由小到大依次為CK、F、BF，在BF處理S-0侵蝕程度下土壤抗剪強(qiáng)度較F處理未發(fā)生明顯變化，但F、BF處理較CK處理土壤抗剪強(qiáng)度顯著增強(qiáng)（＜0.05）；S-5、S-10、S-15、S-20侵蝕程度下CK、F、BF處理間土壤抗剪強(qiáng)度變化差異顯著（＜0.05）。F、BF處理對土壤抗剪強(qiáng)度的改良效果呈先增強(qiáng)后逐漸減弱的趨勢。S-10侵蝕程度下，F(xiàn)、BF處理0—10 cm土層土壤抗剪強(qiáng)度較CK處理增幅最大，分別為7.9%、12.2%。

圖3 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤總孔隙度的影響

圖4 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤毛管孔隙度的影響

圖5 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤抗剪強(qiáng)度的影響

2.2 坡耕地耕層土壤滲透性能

坡耕地耕層土壤滲透性能直接影響耕層地表徑流形成、土壤抗旱性能及生產(chǎn)性能[8]。不同侵蝕程度下坡耕地耕層土壤滲透性能存在較大差異（圖6—8）。土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率由大到小依次為S-0、S-5、S-10、S-15、S-20，差異顯著（＜0.05）。S-0侵蝕程度下土壤初始入滲率在12.29—17.19 mm·min-1之間，與S-0相比，S-20侵蝕程度下土壤初始入滲率下降78.1%—88.5%。S-20侵蝕程度下土壤初始入滲率降幅最大，S-10侵蝕程度次之，S-20較S-15下降43.1%—46.9%，S-10較S-5下降30.6%—38.2%。土壤穩(wěn)定入滲率下降幅度隨侵蝕程度增加先增大后減小，CK處理下S-10侵蝕程度的降幅最大，與S-5相比下降40.8%，F(xiàn)、BF處理下S-15侵蝕程度的降幅最大，與S-10相比分別下降42.5%、46.5%；土壤平均入滲率隨侵蝕程度的變化規(guī)律與土壤穩(wěn)定入滲率一致，S-0侵蝕程度下土壤平均入滲率在2.50—6.92 mm·min-1之間，S-20較S-0下降76.6%—84.0%，這表明隨著侵蝕程度的增加，土壤滲透性能逐漸減弱，更容易產(chǎn)生地表徑流，導(dǎo)致耕層土壤流失。同一侵蝕程度下，隨土層深度增加坡耕地耕層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率均逐漸下降，0—10 cm土層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率分別為3.41—21.57、0.48—4.99、0.62—6.92 mm·min-1，與0—10 cm土層相比，10—20 cm土層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率分別下降22.8%—65.2%、0.9%—12.7%、0.8%—29.2%。

圖6 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤初始入滲率的影響

圖7 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤穩(wěn)定入滲率的影響

圖8 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤平均入滲率的影響

不同土壤管理方式下坡耕地耕層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率存在較大差異，BF處理土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率均最大，F(xiàn)處理次之，CK處理最小，差異顯著（＜0.05）。CK、F、BF處理土壤初始入滲率分別為2.30—12.29、2.49—13.51、2.80—17.19 mm·min-1。F處理對S-10侵蝕程度土壤初始入滲率調(diào)控作用最明顯，與CK相比增加26.4%；BF處理對S-5、S-10侵蝕程度土壤初始入滲率調(diào)控效果均較為明顯，分別較CK增加49.9%、51.9%。F、BF處理對S-10侵蝕程度土壤穩(wěn)定入滲率、平均入滲率調(diào)控效果較好，F(xiàn)、BF處理下土壤穩(wěn)定入滲率分別較CK增加70.7%、178.4%，土壤平均入滲率分別較CK增加79.4%、146.0%。施用生物炭+化肥對耕層土壤滲透性能的調(diào)控效果較好，這是由于施用生物炭后耕層土壤容重顯著降低、孔隙度明顯增大，土壤通氣、透水性能得到改善，從而提高了耕層土壤的滲透性能。

不同侵蝕程度下坡耕地耕層土壤飽和導(dǎo)水率由大到小依次為S-0、S-5、S-10、S-15、S-20（＜0.05）（圖9）。隨侵蝕程度增加，土壤飽和導(dǎo)水率下降幅度先增大后減小，侵蝕程度增至S-15、S-20時土壤飽和導(dǎo)水率急劇下降，CK、F、BF處理下S-15侵蝕程度降幅均達(dá)最大值，與S-10相比分別下降44.5%、52.6%、59.6%；與S-0相比，S-20侵蝕程度下土壤飽和導(dǎo)水率下降79.7%—85.8%。這表明隨侵蝕程度增加，土壤通透性能減弱，不利于攔蓄降雨，從而加速坡耕地土壤侵蝕。隨土層深度增加土壤飽和導(dǎo)水率顯著降低，0—10 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率在0.47—3.15 mm·min-1之間，約為10—20 cm土層的1.05—1.63倍，這主要是因為10—20 cm土層土壤較緊實，土壤孔隙少，不利于土壤水分下滲。

圖9 不同施肥對不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤飽和導(dǎo)水率的影響

不同管理措施下坡耕地耕層土壤飽和導(dǎo)水率存在較大差異（圖9），S-0、S-5、S-10侵蝕程度下3種管理方式土壤飽和導(dǎo)水率差異顯著，CK（0.38—2.11 mm·min-1）＜F（0.43—2.48 mm·min-1）＜BF（0.49—2.90 mm·min-1）（＜0.05），說明F、BF處理對S-0、S-5、S-10侵蝕程度坡耕地耕層土壤飽和導(dǎo)水率調(diào)控作用均較為明顯，且BF處理優(yōu)于F處理。F、BF處理對S-10侵蝕程度土壤飽和導(dǎo)水率調(diào)控作用均最明顯，與CK相比分別增加39.0%、90.2%。F、BF處理對10—20 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率的調(diào)控作用較0—10 cm土層更為明顯。

2.3 不同管理措施對坡耕地耕層土壤侵蝕恢復(fù)作用

土壤可蝕性是指土壤對侵蝕的敏感程度[21-22]，是土壤對侵蝕營力分離和搬運作用的敏感性指標(biāo)，也是評價坡耕地耕層土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。由表2可知，不同侵蝕程度下，坡耕地耕層土壤可蝕性K值存在顯著差異，整體表現(xiàn)為S-0＞S-5＞S-10＞S-15＞S-20（＜0.05），S-0土壤可蝕性K值在0.04832—0.04839 t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2之間，與S-0相比，S-20侵蝕程度下土壤可蝕性K值下降0.1960%—0.2192%，這表明隨侵蝕程度增加，土壤可蝕性K值不斷減小，這主要是因為土壤侵蝕導(dǎo)致土壤細(xì)顆粒大量流失，土壤粗骨化嚴(yán)重，能夠被徑流沖刷的細(xì)顆粒逐漸減少，因此土壤可蝕性降低。CK、F處理下均表現(xiàn)為S-10侵蝕程度土壤可蝕性K值降幅最大，與S-5相比，分別下降0.0685%、0.0582%，BF處理下S-15侵蝕程度降幅最大，較S-10下降0.0812%。0—10 cm土層土壤可蝕性K值在0.04822—0.04836 t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2之間，與0—10 cm土層相比，10—20 cm土層土壤可蝕性K值增加0.0359%—0.0557%，其原因主要是隨著土層深度增加，土壤黏粒含量逐漸增加，而細(xì)顆粒易受徑流沖刷不斷流失，導(dǎo)致土壤可蝕性增大。

不同管理措施下，土壤可蝕性K值差異顯著（＜0.05），BF處理下土壤可蝕性K值最大，F(xiàn)處理次之，CK最小。這表明施加生物炭+化肥后，土壤可蝕性增強(qiáng)，這可能是由于施加化肥、生物炭+化肥后土壤容重下降，土壤板結(jié)問題得到改善，且土壤黏粒含量增加，土壤可蝕性增大。與CK相比，F(xiàn)、BF處理下土壤可蝕性K值增加幅度隨侵蝕程度增加先增大后減小，S-10侵蝕程度下兩種措施較CK增加幅度最大，分別增加0.0684%、0.0720%。CK處理下S-20侵蝕程度0—10 cm土層土壤可蝕性K值最小，為0.04822 t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2。F、BF兩種管理措施對0—10 cm土層土壤可蝕性K值的改良效果優(yōu)于10—20 cm土層。

由表3可知，3種管理措施下土壤可蝕性K值與各土壤屬性指標(biāo)相關(guān)程度具有較好的一致性。CK、F、BF處理下土壤可蝕性K值均與土壤砂粒含量、土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01），與土壤粉粒含量、黏粒含量、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率、飽和導(dǎo)水率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。

表2 不同土壤管理措施及侵蝕程度下坡耕地耕層土壤可蝕性K值變化特征

數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示同一侵蝕程度、同一土層不同管理方式差異顯著（＜0.05）；不同小寫字母表示同一管理方式、同一土層不同侵蝕程度差異顯著（＜0.05）。下同

Different capital letters indicated that there were significant differences in the same erosion degree and different management measures in the same cultivated-layer (<0.05). Different lowercase letters indicated that the erosion degree of the same cultivated-layer was significantly different under the same managementmeasures (<0.05). The same as below

表3 土壤屬性指標(biāo)與土壤可蝕性K值相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 坡耕地土壤侵蝕性K值的影響因素分析

紫色土坡耕地耕層淺薄、水穩(wěn)性差、抗侵蝕能力弱，侵蝕模數(shù)高達(dá)3 464—9 452 t·km-2·a-1[23-24]，耕層土壤侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。土壤可蝕性是指土壤受雨滴擊濺、徑流沖刷以及壤中流等作用而被分散和搬運的難易程度[21-22,25]，是表征土壤侵蝕敏感程度的重要指標(biāo)[24-25]，是土壤質(zhì)地、滲透性能、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等土壤屬性以及降雨、地形、土壤管理措施共同作用的結(jié)果，人為不合理使用進(jìn)一步加劇了坡耕地土壤侵蝕，增強(qiáng)了土壤可蝕性。相關(guān)研究表明，隨開墾年限增加、坡度增大[26]，土壤可蝕性均逐漸增強(qiáng)[27]；布設(shè)埂坎、水平溝的坡耕地上地塊土壤可蝕性K值高于下地塊，而無措施坡耕地與之相反；在地塊尺度中，中下坡位土壤可蝕性K值相對較高[24]；添加1%含量的生物炭能夠顯著降低土壤可蝕性，但施加7%含量生物炭土壤可蝕性K值顯著增大。朱冰冰等[27]的研究表明土壤可蝕性K值與土壤有機(jī)碳含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚度關(guān)系最為密切，土壤有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高、團(tuán)聚度越大土壤抗侵蝕性能越好，本研究在后續(xù)試驗中將增加有機(jī)質(zhì)、團(tuán)聚體與土壤可蝕性相關(guān)關(guān)系研究。徐文秀等[24]的研究表明土壤可蝕性K值與土壤黏粒含量、粉粒含量呈正相關(guān)，與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），與本研究結(jié)果基本一致，本研究表明，土壤可蝕性K值與土壤砂粒含量、土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01），與土壤粉粒含量、黏粒含量、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率、飽和導(dǎo)水率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），這主要是由于土壤越疏松，土壤孔隙越大，耕層土壤越容易在徑流沖刷作用下大量流失，加劇耕層淺薄化。不同侵蝕程度紫色土坡耕地耕層土壤可蝕性K值在0.04822—0.04839之間，隨侵蝕程度增加，土壤細(xì)顆粒大量流失，粗骨化嚴(yán)重，能夠被徑流沖刷的細(xì)顆粒逐漸減少，土壤可蝕性降低，說明坡耕地耕層土壤侵蝕進(jìn)行到一定程度后土壤可蝕性呈下降趨勢，這與鄧良基等[26]的研究一致。

3.2 土壤管理措施對耕層土壤抗侵蝕性能的影響

生物炭是多孔的輕質(zhì)物質(zhì)[28-29]，對土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在降低土壤容重、增加土壤孔隙度、改善土壤滲透性能及土壤團(tuán)聚體等方面，進(jìn)而提高土壤的抗侵蝕性能[29-30]。施加生物炭+化肥處理下耕作層（0—20 cm）土壤容重較對照組顯著下降，降低6.7%—9.0%，但較單施化肥處理相比改良效果不顯著，施加生物炭+化肥較單施化肥顯著提高了耕作層（0—20 cm）土壤總孔隙度、毛管孔隙度，分別增加3.3%—8.2%、5.1%—8.4%。OGUNTUNDE等[28]研究認(rèn)為，施加生物炭后土壤容重下降9%，土壤孔隙度增加10.7%；劉祥宏[31]通過人工模擬降雨試驗對不同生物炭施用量下的耕作層（0—10、10—20 cm）土壤屬性差異進(jìn)行分析，結(jié)果顯示施加生物炭能夠降低土壤容重、提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，延遲產(chǎn)流時間，并且對質(zhì)地較差、肥力較低的土壤改良效果較好；HSEU等[32]的研究結(jié)果表明施加稻殼生物炭后土壤容重下降12%—25%，土壤有效含水量增加18%—89%，土壤流失量顯著降低35%—90%；JIEN等[33]的研究表明施加生物炭后土壤飽和導(dǎo)水率較未施加生物炭增加1.8倍，土壤容重下降21.4%，土壤流失量下降64%，與本研究具有較好的一致性。

施加生物炭+化肥處理下土壤可蝕性K值顯著增大，較對照組、單施化肥處理分別增加0.0956%— 0.1404%、0.0431%—0.0720%，這可能是由于施加生物炭后土壤細(xì)顆粒流失量下降，土壤容重、孔隙度得到改善，耕作層土壤通氣透水性增強(qiáng)，導(dǎo)致坡耕地土壤可蝕性增大。研究表明，生物炭自身的易蝕性在一定程度上會限制生物炭對土壤抗侵蝕性能的改良效果[29]；施加生物炭可以延遲土壤產(chǎn)流時間，但作用效果微弱；相同土壤容重條件下的風(fēng)干土，施加生物炭并不能夠降低其地表徑流[31]。本研究表明，施加生物炭+化肥較單施化肥在提高紫色土坡耕地耕層土壤耕性方面效果更為顯著，施加生物炭+化肥能夠明顯調(diào)控耕層土壤耕性，這主要是由于生物炭能夠顯著增加耕層土壤孔隙，降低土壤容重，有利于形成上松下緊的耕層構(gòu)型。隨侵蝕程度增大，施加生物炭+化肥對耕層土壤的改良效果先增強(qiáng)后減弱，對S-10侵蝕程度下各土層土壤屬性指標(biāo)的改良效果最好，對侵蝕程度較高的耕層土壤作用效果不顯著。因此需要進(jìn)行長期試驗，進(jìn)一步分析使用生物炭對不同侵蝕程度土壤的改良效果。

4 結(jié)論

4.1 隨侵蝕程度增大，紫色土坡耕地耕層土壤砂粒含量顯著增加，黏粒含量顯著下降，土壤容重顯著增大，耕層土壤粗骨化、板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤滲透性能逐漸減弱，容易產(chǎn)生地表徑流導(dǎo)致耕層土壤流失，加速坡耕地土壤侵蝕，不利于農(nóng)作物根系生長。

4.2 單施化肥、施生物炭+化肥兩種管理措施對耕層土壤屬性改良效果隨侵蝕程度的增大先增強(qiáng)后減弱，對S-10侵蝕程度下各指標(biāo)調(diào)控效果均最為顯著。施加生物炭+化肥處理對紫色土坡耕地耕層土壤屬性改良效果優(yōu)于單施化肥。

4.3 紫色土坡耕地土壤可蝕性K值在0.04822— 0.04839 t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2之間，隨侵蝕程度增加土壤可蝕性逐漸減小。單施化肥、施用生物炭+化肥處理對S-10侵蝕程度的土壤可蝕性調(diào)控效果均最好，分別較CK增加0.0648%、0.1404%。

綜上所述，施生物炭+化肥處理能夠顯著改善坡耕地耕層土壤結(jié)構(gòu)及滲透性能，減輕坡耕地土壤粗骨化，有利于坡耕地可持續(xù)利用。

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SONG Ge1, SHI DongMei1, JIANG GuangYi2, JIANG Na1, YE Qing1, ZHANG JianLe1

1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715;2Chongqing Eco-environment Monitoring Station of Soil and Water Conservation, Chongqing 401147

【】The soil erosion of purple soil slope farmland is serious. The study on the effects of soil management measures on the restoration of soil erosion of different erosion degree of cultivated-layer in slope farmland could provide a theoretical and practical basis for the quality control and sustainable utilization of purple soil slope farmland. 【】One way ANOVA was used to test the significance of the differences of each index, and the effects of soil management measures on the restoration of soil properties in the cultivated-layer of slope farmland with five degrees of erosion was studied.【】(1) With the increase of erosion degree, the content of sand increased from 38.1%-42.4% to 44.2%-46.4%, while the content of clay decreased from 12.6%-14.8% to 9.6%-11.0%. Compared with S-0, S-5and S-10, soil bulk density of S-15and S-20increased significantly. Under the S-10erosion degree, the total porosity and capillary porosity decreased the most, and the shear strength of soil was the largest, between 8.71 and 9.56 kg·cm-2. Under the treatments of F and BF, the stable infiltration rate and average infiltration rate of S-15erosion degree soil decreased the most. (2) There was significant difference in soil properties of cultivated-layer under different management measures. The soil bulk density of 0-10 cm and 10-20 cm soil layers under fertilization treatments was significantly lower than that under CK (<0.05), and the soil total porosity and capillary porosity were significantly higher than that under CK and F. Under BF treatment, the initial infiltration rate, stable infiltration rate and average infiltration rate were the largest, while those under CK treatment are the smallest. Compared with CK treatment, the shear strength of BF treatment increased significantly. (3) With the increase of erosion degree, K value of soil erodibility decreased significantly. Compared with S-0, K value of soil erodibility was decreased by 0.1960%-0.2192% under S-20erosion degree. Under BF treatment, K value of soil erodibility was the highest, followed by F treatment, and CK was the lowest. Compared with CK, the increase of F and BF in S-10was the largest, with an increase of 0.0684% and 0.1404%, respectively.【】The application of biochar and chemical fertilizer was more effective than that of chemical fertilizer alone in improving soil material composition, structural characteristics and soil water storage and permeability. Applying biochar and chemical fertilizer could effectively reduce the soil erosion in the cultivated-layer of purple soil slope farmland, and the effects of soil improvement in the cultivated-layer (0-20 cm) of 10 cm slope was the best.

slope farmland of purple soil; cultivated-layer; erosion degree; management measures; soil erodibility

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.08.010

2020-06-26；

2020-10-14

國家自然科學(xué)基金（41771310）

宋鴿，E-mail：2298953443@qq.com。通信作者史東梅，E-mail：shidm_1970@126.com

（責(zé)任編輯 李云霞）