不同水土保持措施對紅壤坡耕地土壤物理性質的影響

李翔 楊賀菲 吳曉 張家其

摘要：【目的】針對紅壤坡耕地土壤結構差、水土流失嚴重等問題，研究不同水土保持措施對土壤容重、孔隙度等土壤物理性質的影響，為實現紅壤坡耕地的持續、高效利用提供參考。【方法】以等高花生常規耕作為對照（CK），探析表施聚丙烯酰胺（PAM）、香根草籬和PAM+香根草籬等3種水土保持措施對土壤容重、孔隙度、持水量的影響，綜合評價不同措施對土壤物理性質的改良效果。【結果】不同水土保持措施處理下0～20 cm土層土壤容重差異顯著（P<0.05），3種水土保持措施主要對紅壤坡耕地0～20 cm土壤容重改善效果明顯；不同處理下0～40 cm土層土壤孔隙度和持水量差異不顯著（P>0.05），不同水土保持措施對0～10 cm土層土壤孔隙度和持水量的提升效果較好。土壤容重與其他土壤物理指標呈負相關，且作為主成分評價不同水土保持措施對土壤物理性質的改良效果的貢獻率較高（76.517%）。【結論】土壤容重是評價不同水土保持措施對土壤物理性質改良效果的重要因子，影響著土壤孔隙度和持水量等物理性質；不同水土保持措施對0～10 cm土層土壤物理性質的綜合改良效果較好，且以表施PAM+香根草籬效果最佳，是值得推廣應用的紅壤坡耕地水土保持措施。

關鍵詞： 紅壤坡耕地；水土保持措施；土壤物理性質；土壤容重

中圖分類號： S157.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）10-1677-06

0 引言

【研究意義】紅壤坡地是我國南方紅壤區主要土地資源之一，其面積占南方紅壤區旱地面積的70%以上（袁久芹等，2015）。該區域水熱資源豐富，生物生產力潛力巨大（方少文等，2012），是我國重要的土壤資源和多種農林產品的主產區。隨著土地資源的不斷開發和集約化利用，我國南方紅壤區水土流失日益嚴重，據統計，南方紅壤區總面積1.03×108 ha，但水土流失面積超過0.60×108 ha，其水土流失范圍及嚴重程度僅次于黃土高原地區（趙其國，1995）。修復和重建侵蝕紅壤的措施包括生物、農業、化學等措施（史學正和于東升，1999；李戀卿等，2000），天然或合成的聚合物具有改善土壤團粒結構、保水性、保肥性和滲透性等效果（龍明杰和曾繁森，2000），而植物籬作為坡耕地農業利用的新型技術體系，可減少水土流失，改善土壤物理性質結構，進而提高土壤肥力，在水土保持領域備受關注（袁久芹等，2015）。因此，研究聚合物和植物籬對紅壤坡耕地土壤物理性質的影響，可拓寬南方紅壤改良途徑，豐富和完善紅壤區水土保持理論，對于紅壤坡耕地的持續、高效利用具有重要意義。【前人研究進展】聚丙烯酰胺（Polyacrylamide， PAM）在土壤改良方面具有成本低、效果好、環境影響小等優點。20世紀90年代，國外將PAM作為一種水土保持劑，用以增加表層土壤顆粒間的凝聚力，維護良好的地表土壤結構，防止土壤結皮，增加土壤入滲率，減少地表徑流，從而防止或減少土壤侵蝕（Lentz and Sojka， 1994）。PAM被引入到國內后，許多學者對其在坡耕地土壤結構改良方面做了相關研究，結果發現PAM在改善土壤團粒結構、減少水土流失、降低養分流失等方面具有較好的效果（劉紀根等，2003；員學鋒等，2005）。香根草（Vetiveria zizanioides）籬作為一種植物籬，以其適應性廣、抗逆性強、成籬速度快在我國南方紅壤區得廣泛應用。相關研究表明，香根草籬具有攔截地表徑流、增加土壤滲透性、減小養分流失、提高土壤水含量、提高土壤酶活性等優良的水土保持效果（武琳等，2013；黃尚書等，2016）。近年來，以坡地等高植物籬技術應用為代表的坡地生態工程在我國南方紅壤區得到廣泛運用，以此形成的植物籬—作物系統可減少土壤侵蝕，增加經濟效益（涂仕華等，2005）。【本研究切入點】目前，針對PAM在水土保持方面的研究主要集中在黃土高原地區，涉及其他類型土壤較少，而將其與香根草籬結合起來作為綜合水土保持措施的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以紅壤坡耕地為研究對象，通過探析不同水土保持措施對土壤容重、孔隙度及持水量等土壤物理性質的影響，綜合評價不同水土保持措施對土壤物理性質的改良效果，為合理利用紅壤坡耕地、減少水土流失及優化紅壤坡耕地水土保持措施提供理論指導。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

試驗地點位于湖北省咸寧市華中農業大學紅壤試驗站，年均氣溫16.5 ℃，年均降雨量1484 mm，年均蒸發量1473 mm，水熱資源豐富，但時空分布極不均勻，春季和夏初水土流失嚴重，對該地區農業生產影響明顯。該地區地帶性土壤主要為紅壤，成土母質以第四紀紅色粘土為主，土層深厚。

1. 2 試驗設計

選取坡度為8°的紅壤坡耕地，以等高花生常規耕地作為對照（CK）處理，并設表施PAM（P）、香根草籬（H）和PAM+香根草籬（P+H）3種水土保持措施處理，3次重復，共12個試驗小區，完全隨機排列，小區面積為40 m2（20 m×2 m）。PAM由法國進口，白色粉末晶體，溶于水，具有很強的黏聚作用。表施PAM的具體方法為：PAM與過2 mm目篩的風干土按25%質量分數混勻后均勻灑在試驗小區表層，用量為2 g/m2（小區用量為80 g）。香根草籬每隔5 m雙行種植，株行距為50 cm×50 cm，株高控制在80～100 cm，寬度約60 cm。花生品種選用當地多粒花生品種，種植行株距為40 cm×15 cm，不同處理間花生每一行均對應等高種植，含香根草籬的小區種植66行花生，其他小區種植72行花生。試驗前各處理的土壤基礎理化性質及花生的種植方式和田間管理措施等基本一致。

1. 3 土壤樣品采集與分析

花生收獲前，在每小區選擇坡上、坡中、坡下3個點采集0～10、10～20、20～30和30～40 cm等4個土層的環刀樣品，每個點位每個土層采集環刀樣品4個，共采集576個環刀樣品。其中，選取坡上、坡中、坡下3個點每個土層的環刀樣品各2個，總計288個環刀樣品用于土壤容重測定；余下288個環刀樣品用于土壤孔隙度、持水量的測定。土壤容重、孔隙度及持水量等土壤物理指標采用環刀法進行測定。

1. 4 數據處理

使用Excel 2007對試驗數據進行整理，用Origin 8.1制圖、SPSS 18.0進行方差、相關性及主成分分析。

2 結果與分析

2. 1 不同水土保持措施對土壤容重的影響

由表1可看出，在0～30 cm土層，土壤容重隨土層深度增加而增加，0～10、10～20和20～30 cm土層的土壤容重變化幅度分別為1.11～1.21、1.22～1.31和1.41～1.48 g/cm3；但30～40 cm土層的土壤容重整體較20～30 cm土層低，可能與土壤剖面結構有關。與CK處理相比，P、H和P+H 3個處理均能降低0～20 cm土層的土壤容重，其中，以P+H處理的效果最好，其土壤容重與CK相比達顯著差異水平（P<0.05，下同）；不同處理對20～40 cm土層土壤容重的影響均不顯著（P>0.05，下同）。可見，各水土保持措施主要對紅壤坡耕地0～20 cm土壤容重影響較明顯。

2. 2 不同水土保持措施對土壤孔隙度的影響

由表2可看出， 0～10 cm土層土壤毛管孔隙度表現為H和P+H處理顯著高于CK處理，而20～30 cm土層土壤毛管孔隙度P處理顯著低于CK處理；各土層不同處理土壤非毛管孔隙度差異各不相同，其中0～10 cm土層土壤非毛管孔隙度表現為P和P+H處理顯著高于CK和H處理，而10～20 cm表現為P、H和P+H處理均顯著低于CK處理。可見，相對于CK處理，P、H、P+H處理增加了0～10 cm土壤毛管孔隙度，降低了10～20 cm 土壤非毛管孔隙度，且表施PAM處理（P、P+H）可顯著增加0～10 cm土壤非毛管孔隙度。整體來看，不同處理下僅0～10 cm土層土壤孔隙度存在顯著差異，說明3種水土保持措施對0～10 cm土層土壤總孔隙度的影響較明顯。不同處理下土壤總孔隙度組成大致相同（圖1），說明3種水土保持措施對土壤孔隙度組成影響較小。土壤毛管孔隙度占總孔隙度的比例以0～10 cm土層較高，達27.25%，且隨著土層深度的增加而呈下降趨勢，符合一般規律。本研究中各水土保持措施對20～40 cm土層的土壤毛管和非毛管孔隙度的影響相對復雜，有待于進一步研究。

2. 3 不同水土保持措施對土壤持水量的影響

由圖2可看出，不同處理下土壤最大持水量隨土層深度增加而呈下降趨勢，4個土層的土壤最大持水量差異不顯著；但各水土保持措施對0～10 cm土層土壤最大持水量的提升效果相對較好，P、H、P+H處理分別比CK提高18.60%、7.73%和19.84%；但各水土保持措施對10～40 cm土層土壤最大持水量的提升作用相對較差。

不同處理下土壤毛管持水量的空間變化特征與最大持水量相同，0～40 cm土層的土壤毛管持水量差異均不顯著。4個土層由淺到深的土壤毛管持水量變幅分別為339.31～505.05、290.13～365.51、221.40～ 423.09和244.16～451.60 g/kg。各水土保持措施對土壤毛管持水量的提升效果仍以0～10 cm土層較好，其中以P+H處理最佳，提升幅度達15.00%。

不同處理下土壤最小持水量差異不顯著，各土層的土壤最小持水量大體相同，0～40 cm整體平均為274.87 g/kg，分別比最大持水量、毛管持水量低25.07%和17.66%。3種水土保持措施對土壤最小持水量的提升效果也是0～10 cm土層較好。

2. 4 紅壤坡耕地土壤物理性質相關性分析結果

對土壤容重（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、總孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）、最小持水量（X7）等7個指標進行相關性分析。由表3可看出，土壤容重與其他6個指標呈顯著或極顯著（P<0.01，下同）負相關；毛管孔隙度與非毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量及毛管持水量等4個指標呈極顯著正相關，說明不同處理下土壤毛管孔隙度與非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量之間聯系緊密；最小持水量與土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度呈不顯著相關。

2. 5 主成分分析結果

選擇土壤容重（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、總孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）、最小持水量（X7）等7個指標，采用主成分進行分析，評價不同水土保持措施改善土壤物理性質的效果。由表4可看出，第一、二主成分累積貢獻率高達90.879%，故采用主成分分析評價不同水土保持措施改善土壤物理性質效果可靠。第一主成分各指標的絕對值大致相同，其中土壤容重的權系數是負數，其他指標均為正數，因此，第一主成分主要反映土壤容重與其他指標的對比程度，該主成分數值越大，土壤容重越小，其他指標值越大。第二主成分土壤最小持水量的權系數是一個較大的正值，且大于第一主成分各指標權系數的絕對值，因此，第二主成分主要反映最小持水量是治理模式改善土壤物理性質的關鍵因子。

從平均得分（表5）來看，不同處理對0～10 cm土層土壤物理性質的改良效果排序為P+H>P>H>CK；而在10～40 cm土層，整體表現為3種水土保持措施對土壤物理性質的改善作用不明顯或較CK差。可見，不同水土保持措施主要對0～10 cm土層土壤物理性質的改良效果較好。

3 討論

PAM作為一種土壤結構改良劑，不僅能減少地表徑流和養分的流失，還可改善土壤結構（劉紀根等，2003；潘英華等，2003；員學鋒等，2005），其對鹽漬土、水稻土等黃土區物理性質的改良作用已得到證實（王永敏等，2010；馬鑫，2014；陶淑鑫，2015）。本研究中，紅壤坡耕地表施PAM的水土保持措施在一定程度上改善了0～10 cm土層土壤的物理性質，說明PAM對紅壤坡耕地土壤物理性質也具有改善效果，可在我國南方紅壤區推廣應用。

表施香根草籬可增加土壤團聚體含量（鐘義軍等，2014）、改善土壤物理性質（梅雪梅等，2014）、提高土壤肥力（柳開樓等，2015），是南方紅壤侵蝕區重要的水土保持措施之一。本研究中，表施香根草籬措施對0～10 cm土層土壤物理性質的改良效果驗證了其在水土保持中的作用。另外，表施PAM+香根草籬明顯改善了0～10 cm土層的土壤物理性質，且效果優于PAM或香根草籬獨立使用的措施，是在紅壤坡耕地值得推廣的水土保持措施。

土壤容重作為重要的土壤物理因子，影響著土壤孔隙、持水等性質，進而影響土壤肥力狀況和作物的生長（劉偉欽等，2003）。通過相關性和主成分分析，發現土壤容重與其他6個土壤物理指標呈顯著負相關，且其作為主成分評價不同水土保持措施對土壤物理性質的改良效果的貢獻率達76.517%，體現了容重在土壤物理性質中的重要作用。需要注意的是，通過對不同水土保持措施改善土壤物理性質效果的綜合評價結果表明，表施PAM、香根草籬和PAM+香根草籬措施對10～40 cm土壤物理性質的改良效果較差，基至不如常規種植作物（花生），可能與土壤有機質含量、結構和其他化學性質有關，但具體原因有待進一步研究。

4 結論

土壤容重是評價不同水土保持措施對土壤物理性質改良效果的重要因子，影響著土壤孔隙度和持水量等物理性質。不同水土保持措施對0～10 cm土層土壤物理性質的綜合改良效果較好，且以表施PAM+香根草籬措施效果最佳，是值得推廣應用的紅壤坡耕地水土保持措施。在實際生產過程中，應充分利用作物，發揮其植物籬作用，并配合其他水保措施，合理利用紅壤坡耕地資源，減少水土流失。

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（責任編輯 鄧慧靈）