侵蝕紅壤區緩坡地土壤物理性狀對水土保持措施的響應

喻榮崗，謝頌華，張華明，陳 浩，左繼超，沈發興

( 1.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

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侵蝕紅壤區緩坡地土壤物理性狀對水土保持措施的響應

喻榮崗1,2，謝頌華1,2，張華明1,2，陳 浩1,2，左繼超1,2，沈發興1,2

( 1.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

結合長期定位試驗和室內分析，研究了侵蝕紅壤區不同水土保持措施下坡地土壤容重、孔隙度、持水性能和團聚度等因子的變化，分析了不同水土保持措施的土壤改良效果。研究結果表明，不同水土保持措施顯著影響侵蝕紅壤區坡地土壤容重、持水量因子(最大持水量、毛管持水量和田間持水量)、濕篩團聚體組成、濕篩MWD、結構破壞率、團聚體穩定性等因子，但是對孔隙度因子(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、分散率、干篩團聚體組成和干篩MWD影響不顯著。牧草措施可顯著降低土壤容重、結構破壞率和分散率，提高土壤總孔隙度、各持水量因子、大團聚體(>0.25 mm)含量和團聚體穩定性，顯著改善土壤物理性質狀況。研究區可用土壤持水量因子作為衡量土壤肥力狀況的簡化指標。

侵蝕紅壤區；水土保持措施；土壤物理性質

土壤物理性狀是最為重要的土壤性質之一，不但調控著發生在土壤中的化學和生物反應過程，而且是土壤抗侵蝕能力指標體系的重要組成部分，是水土保持效益研究的重要內容[1-2]。土壤物理性狀對水土保持措施的響應與研究地點、水土保持措施種類、土壤類型、侵蝕類型和強度等諸多因子有關[3-5]。目前在土壤物理性狀對水土保持措施響應研究方面，主要集中在黃土高原以及南方丘陵等地區的劇烈侵蝕類型區[6-8]，這些研究所涉及的侵蝕坡地坡度均大于15°，對于15°以下緩坡地的關注較少。我國退耕還林還草措施主要對象為大于15°的坡地[9]，而小于15°的坡地則繼續被農業生產活動所影響，其土壤侵蝕和水土流失對區域水土流失總量的貢獻逐漸增高[10]。因此開展緩坡地土壤物理性質對水土保持措施響應的研究，不但可以深化和完善水土保持效益評價的內容，而且可以為篩選合適的水土保持措施提供科學依據和實踐指導。

侵蝕紅壤區是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區之一，該區土壤侵蝕面積達25萬km2，占東南部紅壤面積的22%，是我國土壤侵蝕和水土流失治理的重點區域之一，在南方丘陵區土壤侵蝕與水土流失研究中具有非常典型的代表性[11-12]。本研究以江西水土保持生態科技園的牧草、農作物和梯田等緩坡地水土保持措施的不同處理小區為研究對象，分析了不同水土保持措施對土壤物理性狀的影響，旨在為紅壤侵蝕區高效的水土保持治理措施的選擇與植被恢復的土壤改良效益評價提供理論依據，并且為比較不同侵蝕區緩坡地水土保持效益積累基礎資料。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗布設在位于鄱陽湖水系的博陽河西岸的江西水土保持生態科技園內(115°23′～115°53′ E，29°10′～29°35′ N)，研究區海拔30～100 m，坡度小于25°，屬淺丘崗地。研究區年均降雨1469 mm，主要集中在4～8月份，年均氣溫16.7 ℃，日照時數1700～2100 h，無霜期249 d，屬亞熱帶季風氣候。土壤為第四紀紅色粘土發育的紅壤，森林植被為常綠闊葉林帶，植物種類繁多，但由于長期過度開發利用，地表植被遭到破壞，水土流失嚴重，其流失面積占總土地面積的85.6%，且土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

1.2 試驗小區設計

在同一坡面上布設標準小區(5 m×20 m)，小區坡度12°。坡面植被類型為果園。試驗設計牧草措施、農作物、梯田和對照措施4個處理，各個處理的重復數分別為6、2、4和3個。牧草處理采用牧草(百喜草、雀稗草、狗牙草)覆蓋坡地，小區植被覆蓋度為80%～95%；農作物處理播種黃豆和蘿卜，每年4月12日～8月10日種黃豆，8月12日～次年3月12日種蘿卜，不施肥；梯田處理梯壁植百喜草，梯面植柑橘樹；對照處理全區裸露。小區管理均按《水土保持試驗規范SD 239—87》標準[12]進行。

1.3 土壤樣品采集和分析

于2006年9月在研究區內采樣0～20 cm表層土壤樣品。采樣時，去除表層未腐解的枯枝落葉，每個小區按照S形取樣法隨機選取5點，用土鉆采集土壤樣品，混勻風干，以供土壤物理性質的測定。

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量和飽和持水量的測定采用環刀法；干篩和濕篩土壤團聚體分析采用沙維諾夫分級法；團聚狀況=>0.05 mm(微團聚體-機械組成)；團聚度=團聚狀況×100%/(>0.05 mm微團聚體)；分散率=(<0.05 mm微團聚體)×100%/(<0.05 mm機械組成)；結構體破壞率=[>0.25 mm團粒(干篩-濕篩)]×100%/[>0.25 mm團粒(干篩)][13-14]。

土壤平均水穩性團粒重量直徑(MWD)計算公式為：

式中：MWD為平均水穩性團粒重量直徑(mm)；Xi為第i級的平均直徑(mm)；Wi為第i級的土壤重量(mg)；WT為供試土壤的總重量(mg)。

方差分析(ANOVA)、相關性分析(CORR)、主成分分析(PRIN COMP)采用SPSS軟件進行。

2 結果與分析

2.1 侵蝕紅壤區坡地土壤物理性質的變化

通過比較研究區對照坡地2001年和2006年土壤物理性質變化可以看出(表1)，經過5年侵蝕后，對照坡地土壤物理性質發生了顯著變化，土壤容重、分散率和結構破壞率分別增加了3.82%、5.26%和7.41%；總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、>0.25 mm水穩性團聚體、>0.05 mm微團聚體、團聚體穩定性和土壤MWD分別降低了2.26%、0.63%、10.54%、5.12%、4.52%、19.64%、29.53%、22.56%、45.02%和18.42%，表明其土壤結構惡化，土壤質量嚴重退化。

表1 裸露對照區2001與2006年土壤物理性質對比狀況

2.2 不同水土保持措施對土壤物理性質的影響

不同水土保持措施顯著改變了土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、濕篩各粒級團聚體、結構破壞率、團聚體穩定性、分散率和濕篩土壤MWD，但對土壤干篩各粒級團聚體組成和干篩土壤MWD狀況影響不顯著(表2)。

本研究中不同水土保持措施顯著改變了土壤容重(表2、圖1)。牧草、農作物和梯田措施顯著降低了土壤容重值，降幅分別為7.69%、6.20%和4.16%(P<0.05)。土壤容重的降低表明3種水土保持措施特別是牧草措施能顯著改善土壤表層結構。不同水土保持措施下土壤容重差異的原因主要有以下方面：(1)草本植物須根系埋藏淺且數量多，草根的穿插使得土壤顆粒粉碎，孔隙增多，直接減小土壤容重；(2)草本植物的凋落物在土壤中易分解腐化成土壤有機質，間接降低了土壤容重；(3)農作物處理經常翻耕，有利于土壤大顆粒的粉碎，從而間接降低了土壤的容重[3]。

表2 土壤物理性質方差分析結果

與對照相比，牧草、農作物和梯田措施均顯著增加了土壤總孔隙度，增加幅度分別為6.75%、4.02%和2.95%；牧草措施降低了毛管孔隙度，降幅為1.13%，而農作物和梯田措施增加了毛管孔隙度，增幅分別為1.97%和5.11%；牧草和農作物措施增加了非毛管孔隙度，增幅分別為52.60%和15.98%，而梯田措施降低了非毛管孔隙度，降幅為9.68%。梯田措施在毛管孔隙度以及非毛管孔隙度等方面表現出與牧草區組和耕作區組不同的特征，主要是由于梯田修筑，截短了坡長，改變了坡面水系，下雨時臺面容易受雨水充分浸潤，天晴時臺面裸露直接受到太陽曝曬，土壤毛細作用非常強烈，直接導致毛管孔隙度相對數量增多，非毛管孔隙度受水分強烈運動影響反而會較牧草措施和農作物措施有所減少[12]。

與對照相比，不同水土保持措施均顯著增加了土壤持水性能，如牧草、農作物和梯田處理土壤最大持水量比對照處理分別增加15.72%、10.89%和7.40%，毛管持水量分別增加8.24%、9.76%和10.75%，田間持水量分別增加28.86%、16.88%和15.22%。各措施類型改善最大持水量效果依次為牧草>農作物>梯田；改善毛管持水量效果依次為梯田>牧草>農作物；改善田間持水量效果依次為牧草>農作物>梯田。可見，牧草措施對最大持水量和田間持水量改善效果比較好，梯田措施對毛管持水量改善效果比較好。土壤持水性能的改善對于提高緩坡地水土保持效益具有重要意義。南方丘陵區土壤侵蝕主要機理為蓄滿產流[15]，土壤持水性能的增加，不但能夠提高緩坡地土壤水分有效性，而且可以提高降雨過程中土壤蓄積雨水的容量，延遲初始產流時間，從而增強土壤對侵蝕的緩沖能力。

不同措施土壤干篩和濕篩團聚體組成如圖1所示。干篩后各級別團聚體組成在不同措施間表現為：干篩>5 mm團聚體為牧草>梯田>農作物；5～3、3～2、2～1、1～0.5和<0.25 mm團聚體為農作物>梯田>牧草；0.5～0.25 mm團聚體為農作物>牧草>梯田。濕篩后各級別團聚體含量在不同措施間表現為：>5 mm團聚體為牧草>農作物>梯田；5～3、3～2、2～1和1～0.5 mm團聚體表現為梯田>牧草>農作物；0.5～0.25 mm團聚體含量表現為梯田>農作物>牧草；<0.25 mm團聚體含量表現為農作物>梯田>牧草。與對照相比，采取不同水土保持措施后，干篩和濕篩大團聚體(>0.25 mm)均有明顯增加，牧草、農作物和梯田分別增加了3.24%、1.34%、2.22%和39.65%、13.13%、34.37%，體現了水保措施的作用與效果。不同級別團聚體分布也比較均勻，也表明長期采取水保措施能顯著改善土壤團聚體的結構，增加團聚體尤其是較大團聚體的含量。為進一步了解長期水土保持措施土壤結構的整體分布狀況，求出了干篩和濕篩土壤MWD(圖1)。MWD大小全方位地反映了土壤的團聚狀況，經過長期水保措施后，干篩和濕篩土壤團聚體MWD均發生了顯著變化，所有土壤干濕篩MWD明顯高于對照土壤，分別表現為牧草>梯田>農作物>對照和牧草>農作物>梯田>對照，相對于對照，增幅分別為13.02%、10.96%、4.36%和100.42%、64.50%、62.29%，表明水土保持措施能顯著地改善土壤團聚體的基本組成，再次體現了長期水土保持措施的作用與效果。最后比較了不同水保措施土壤團聚體穩定性、結構破壞率和分散率(圖1)。與對照相比，采取水土保持措施后，土壤結構破壞率和分散率有顯著降低，且不同措施間表現為牧草<梯田<農作物，降幅分別為34.83%、31.11%和11.46%；團聚體穩定性增加，表現為牧草>梯田>農作物，增幅分別為53.99%、49.93%和19.57%。進一步表明，3種水土保持措施以牧草為最佳，農地則由于經常耕作，較易破壞大團聚體，相對而言其團聚體穩定性較差。

圖1 不同水土保持措施下土壤物理性質的變化

2.3 土壤物理性狀評價指標篩選

2.3.1 相關分析 本研究選取容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、結構破壞率、團聚體穩定性、分散率、干篩MWD、濕篩MWD等12個指標來評價試驗區域的土壤物理性狀。各指標的相關矩陣(表3)表明，大部分土壤物理性狀之間具有一定的相關性，其中，土壤容重、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、結構破壞率、團聚體穩定性、分散率和濕篩平均重量直徑之間具有顯著的相關性。另外，毛管孔隙度與非毛管孔隙度和毛管持水量之間，非毛管孔隙度與容重、總孔隙度、田間持水量之間，干篩平均重量直徑與結構破壞率、團聚體穩定性和濕篩平均重量直徑之間具有顯著的相關性，與其它物理性狀指標的相關性不明顯。

2.3.2 主成分分析 在主成分分析中，因子1、因子2和因子3的特征值都大于1，分別解釋了總方差變異的63.4%、17.9%和12.7%，累計貢獻率達94.1%(表4)。在因子1所包含的指標中，土壤最大持水量和田間持水量具有較高的正負載，由于因子1所包括的變量都與持水量顯著相關，將其命名為持水量因子；在因子2上，毛管孔隙度和毛管持水量有較高的正負載，將其命名為孔隙度因子；在因子3上，干篩平均重量直徑和團聚體穩定性有較高的負載，將其命名為團聚體因子。

通過主成分分析，將指標歸結為3個因子，不同治理措施下土壤物理性狀指標的差異可以通過3個因子的綜合值體現出來(表5)。持水量因子(因子1)值越大，與持水量因子相關的土壤孔隙度、毛管孔隙度、團聚體穩定性、干篩MWD、濕篩MWD越高，土壤質量水平越高；孔隙度因子和團聚體因子值越大，則土壤毛管孔隙度、毛管持水量、團聚體穩定性和干篩MWD越高。本研究中，由于不同措施對毛管孔隙度和干篩平均重量直徑影響不顯著，而且不同措施下土壤持水量變化趨勢與其他土壤物理指標變化趨勢相似，因此在研究區可以利用持水量因子作為衡量土壤肥力狀況的簡化指標。

表3 土壤物理性狀指標相關性分析

表4 不同治理措施土壤物理性狀指標主成分分析的特征值與負荷量

表5 不同治理措施土壤物理性狀指標的主成分分析

3 結論

本研究結果表明，不同水土保持措施顯著影響侵蝕紅壤區坡地土壤容重、持水量因子(最大持水量、毛管持水量和田間持水量)、濕篩團聚體組成、濕篩MWD、結構破壞率、團聚體穩定性等因子，但是對孔隙度因子(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、分散率、干篩團聚體組成和干篩MWD影響不顯著。牧草措施可顯著降低土壤容重、結構破壞率和分散率，提高土壤總孔隙度、各持水量因子、大團聚體(>0.25 mm)含量和團聚體穩定性，顯著改善土壤物理性質狀況。研究區可用土壤持水量因子作為衡量土壤肥力狀況的簡化指標。

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(責任編輯：許晶晶)

Response of Soil Physical Properties to Soil and Water Conservation Measures in Gentle Sloping Land of Erosive Red Soil Region

YU Rong-gang1,2, XIE Song-hua1,2, ZHANG Hua-ming1,2, CHEN Hao1,2,ZUO Ji-chao1,2, SHEN Fa-xing1,2

(1. Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China;2. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention, Nanchang 330029, China)

Combined with long-term location test and indoor analysis, the soil physical properties such as soil bulk density, soil porosity, soil water retention, and soil aggregation degree in gentle sloping land of erosive red soil region under different soil and water conservation measures were studied, and the soil improvement effects of different soil and water conservation measures were analyzed. The results showed that different soil and water conservation measures all had a significant impact on soil bulk density, soil water retention factors (maximum water retention, capillary water retention, and field water retention), wet-sieved aggregate composition, wet-sieved MWD (mean weight diameter), rate of structure deterioration, and aggregate stability of erosive red-soil sloping land, but they had no any significant impacts on soil porosity factors (total porosity, capillary porosity, and non-capillary porosity), soil dispersion rate, dry-sieved aggregate composition, and dry-sieved MWD. The forage grass planting measure could significantly reduce soil bulk density, rate of structure deterioration, and soil dispersion rate, and increase soil total porosity, all soil water retention factors, large aggregate (>0.25 mm) content, and aggregate stability, thus significantly improved soil physical properties. In the studied region, the soil water retention could be used as a simple indicator for the evaluation of soil fertility.

Red soil erosion region; Soil and water conservation measures; Soil physical properties

2016-09-07

國家自然科學基金資助項目(41461060)。

喻榮崗(1977─) ，男，江西德安人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持研究和監測工作。

S152

A

1001-8581(2016)11-0085-05