不同生物治理模式下紅壤抗蝕性變化特征及其影響因素

陳建威，張展羽，楊 潔，陳曉安，唐 丹

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098； 2.江西省水土保持科學(xué)研究院，南昌 330045)

南方紅壤丘陵區(qū)是我國(guó)南方面積最大、水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域。水土流失不僅造成當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力下降，土地資源嚴(yán)重退化甚至徹底破壞，而且由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境資源的可持續(xù)發(fā)展[1]。生物措施(亦稱林草措施)是通過(guò)植樹(shù)種草結(jié)合發(fā)展經(jīng)濟(jì)植物，增加地面植被覆蓋率，保持水土與涵養(yǎng)水源地措施，是水土保持3大措施之一，由于生物措施具有強(qiáng)大的防治水土流失的功能，并且與其他兩種措施(工程措施和耕作措施)相比，治根治本，對(duì)地表的破壞程度也非常小，所以在水土流失中對(duì)生物措施的研究意義非常大[2,3]。

土壤抗蝕性是指土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分離和搬運(yùn)作用的抵抗能力，是土壤性質(zhì)的一個(gè)方面，也是評(píng)價(jià)土壤抵抗侵蝕營(yíng)力破壞的性能和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[4,5]。抗蝕性的大小主要取決于土粒與水的親和力及土粒間的膠結(jié)力[6,7]，Deuchras等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤抗蝕性的強(qiáng)弱與土壤內(nèi)在的物理與化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。水土保持生物治理措施通過(guò)構(gòu)建植被達(dá)到攔截降雨，阻滯氣流，抵消侵蝕動(dòng)能，蓄積水分的目的，其地下根系對(duì)土壤的抗侵蝕作用具有非常重要的影響[9]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、黏結(jié)土粒，固持土壤，改良土壤物理化學(xué)性質(zhì)，比如水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量、土壤孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量等性質(zhì)[10]，進(jìn)而提高土壤抗蝕性，在南方紅壤丘陵地帶得到廣泛推廣和應(yīng)用。

因此，本文對(duì)不同生物治理模式下紅壤抗蝕性進(jìn)行分析研究，以期找到土壤抗蝕性變化的主要影響因子并建立土壤抗蝕性綜合評(píng)價(jià)模型，為完善生物治理模式下南方紅壤丘陵區(qū)土壤抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及土壤抗蝕性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)于江西省水土保持生態(tài)科技園內(nèi)，地處鄱陽(yáng)湖水系德安縣郊燕溝小流域，位于東經(jīng)115°42′38″～115°43′06″，北緯29°16″37″～29°17′40″之間。該園屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，日照充足，多年平均降雨量1 451.8 mm，年日照時(shí)數(shù)1 900～2 000 h，無(wú)霜期282 d。研究區(qū)位于我國(guó)紅壤分布區(qū)的中心區(qū)域，土壤母質(zhì)主要是第四紀(jì)紅黏土和泥質(zhì)巖類(lèi)風(fēng)化物；地貌類(lèi)型主要為淺丘崗地，海拔高度25～30 m，坡度多在5°～25°。第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤是南方紅壤丘陵區(qū)主要土壤類(lèi)型之一，又叫網(wǎng)紋紅土，主要分布于浙、贛、湘、鄂、黔、滇、粵和桂，尤以贛、湘二省最為發(fā)育，因此，研究區(qū)的地形及土壤條件在我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)具有代表性。

研究區(qū)生物治理模式包括水保林地、林草結(jié)合、果林清耕3種，另設(shè)用于對(duì)照的撂荒裸地處理組，其基本情況見(jiàn)表1。4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均建立在厚度均勻、坡度較均、土壤理化性質(zhì)較一致的坡面上，其中T1處理為人工營(yíng)造水保林地；T2、T3、CK三個(gè)處理為水土保持標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，寬5 m，長(zhǎng)20 m(水平投影)，水平投影面積100 m2，徑流小區(qū)及人工林均建造于1999年，至今運(yùn)行已超過(guò)15 a，土壤理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

表1 實(shí)驗(yàn)區(qū)基本情況

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

土壤樣品采集時(shí)間為2016年5月，根據(jù)治理模式、地形及植被分布等因素選擇典型樣方，每種治理模式樣地上設(shè)置3個(gè)樣方，且保證樣方內(nèi)植被分布狀況、樣方面積、侵蝕程度基本一致。在每個(gè)樣方內(nèi)按S型布設(shè)樣點(diǎn)，按深度0～10、10～20 cm分層采集原狀土樣和散土樣，帶回室內(nèi)進(jìn)行理化分析試驗(yàn)。

2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用沙維諾夫濕篩法[11]測(cè)定；土壤機(jī)械組成、微團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均采用常規(guī)方法測(cè)定[12]。

抗蝕指數(shù)、水穩(wěn)性指數(shù)采用靜水崩解法[11]，將所取原狀土樣按自然斷裂面掰成直徑約10 mm的土粒，自然風(fēng)干后進(jìn)行篩分，選取直徑7～10 mm的土粒50顆，均勻放在孔徑為5 mm的金屬網(wǎng)格上，然后置于靜水中進(jìn)行觀測(cè)，以1 min為間隔，分別記錄分散土粒的數(shù)量，連續(xù)觀測(cè)10 min，其總和即為10 min內(nèi)完成分散的土粒總數(shù)(包括半分散數(shù))。

抗蝕指數(shù)S=(總土粒-崩塌土粒)/總土粒×100%

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)、團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度、分散率、分散系數(shù)、團(tuán)聚體破壞率、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑的計(jì)算式如下：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS19統(tǒng)計(jì)分析軟件分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同生物治理措施下土壤抗蝕性變化特征

土壤抗蝕指數(shù)是指土壤團(tuán)聚體在靜水中的分散程度，反映的是土壤的抗崩塌能力，可以很好地表征土壤抗水蝕性的強(qiáng)弱；抗蝕指數(shù)越大，抗崩塌能力越強(qiáng)，抗蝕性越強(qiáng)。從表2中可以看到，在0～20 cm土層，水保林治理措施下的土壤抗蝕性指數(shù)最大，為73%，然后依次為林草結(jié)合措施(61.83%)、果林清耕措施(28.33%)，撂荒裸地對(duì)照組最小，僅為7.33%。可以看到不同生物治理措施條件下土壤抗蝕性差異明顯，其中水保林條件下土壤抗崩塌能力最好，團(tuán)聚體遇水不易分散，抗蝕性最好，林草結(jié)合措施、果林清耕措施次之，撂荒裸地最差。這是因?yàn)樗Ａ值貥?shù)齡較長(zhǎng)，根系發(fā)達(dá)，枯落物分解層儲(chǔ)量較多，進(jìn)而增加了土壤中的腐殖質(zhì)，豐富土壤中的有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，改善土壤理化性質(zhì)[13,14]，所以抗蝕性較好；林草處理措施地表草皮覆蓋度高，植物根系發(fā)達(dá)，其抗蝕性僅次于水保林；果林清耕措施下地表植被稀少，果林枯枝落葉順坡流失，不易形成腐殖質(zhì)層，抗蝕性又次之；撂荒裸地不具備以上提高抗蝕性的所有因子，故抗蝕性最差，且與其他治理措施之間均達(dá)到差異顯著(P<0.05)，這表明各種生物治理措施均可以明顯改善土壤性質(zhì)，增強(qiáng)土壤抗蝕性，提高土壤保水保土能力。

表2 不同生物治理措施下土壤抗蝕指數(shù)分析

注：同列數(shù)據(jù)后小寫(xiě)字母表示不同生物治理模式間在5%水平下差異，上標(biāo)字母表示同一治理模式不同土層間在5%水平下差異。

另外如表2所示，不同土層土壤抗蝕指數(shù)也有明顯差異，各治理措施上層0～10 cm土壤抗蝕指數(shù)均高于下層10～20 cm。其中差異最大的是果林清耕措施，0～10 cm抗蝕指數(shù)是10～20 cm的8.45倍，撂荒裸地為6.34倍，水保林地為1.33倍，林草結(jié)合措施最小，為1.17倍。可知，隨著土層深度增加，土壤抗蝕性會(huì)逐漸降低，這表明深層土壤較表層土壤也就更易被侵蝕，一旦表層土壤被破壞，將造成更嚴(yán)重的水土流失，因此水保工作中要尤為注意對(duì)表層土壤的保護(hù)。

3.2 不同治理措施下土壤抗蝕性指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

如圖1所示，各治理措施下土壤抗蝕性指數(shù)隨著時(shí)間的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。說(shuō)明隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，土壤顆粒越來(lái)越容易分散崩塌，分散崩塌的細(xì)小土粒堵塞土壤的非毛管孔隙，影響雨水下滲，從而有利于地表徑流的產(chǎn)生，造成土壤侵蝕。同時(shí)除了撂荒裸地外，各治理措施下土壤抗蝕性指數(shù)在浸水試驗(yàn)第一分鐘都在65%以上，抗蝕性較強(qiáng)；而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同治理措施下土壤抗蝕性指數(shù)變化規(guī)律也不盡相同，其中水保林地、林草結(jié)合治理措施下土壤抗蝕性指數(shù)變化較為平緩，而果林清耕、撂荒裸地條件下土壤抗蝕性指數(shù)在前5分鐘下降幅度比較明顯，抗蝕性快速下降。

圖1 抗蝕性指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

為了找出土壤抗蝕性指數(shù)與浸水時(shí)間的具體關(guān)系，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS19對(duì)不同治理措施條件下土壤抗蝕性指數(shù)(S)與浸水時(shí)間(t)做回歸分析，發(fā)現(xiàn)三次函數(shù)的擬合效果最好，其通式為S=at3+bt2+ct+d，其決定系數(shù)均在0.99以上，不同治理方式下土壤抗蝕性指數(shù)與浸水時(shí)間的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 不同治理方式下土壤抗蝕性指數(shù)隨時(shí)間變化曲線

3.3 土壤抗蝕性影響因子主成分分析

土壤抗蝕性的影響因素多而繁雜，影響因子多樣，在對(duì)前人研究成果[3,15]分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域的特點(diǎn)，本研究選取4大類(lèi)13個(gè)因子評(píng)價(jià)土壤抗蝕性，見(jiàn)表4。

表4 土壤抗蝕性影響因子

單一因子雖可在一定程度上評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的相對(duì)強(qiáng)弱，但有片面性，評(píng)價(jià)因子太多又顯得過(guò)于繁雜，應(yīng)用起來(lái)很不方便而且有些因子之間有一定的信息重疊。因此針對(duì)不同研究條件，優(yōu)化抗蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)體系成為土壤抗蝕性評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)工作[6]。本文以不同生物治理措施下土壤測(cè)定結(jié)果為分析對(duì)象，對(duì)13個(gè)抗蝕性評(píng)價(jià)因子進(jìn)行主成分分析，力求以較少的新因子來(lái)代替原有因子，并盡可能多的保存原有因子的信息，以期確定生物治理模式下土壤抗蝕性最佳評(píng)價(jià)因子，并構(gòu)建土壤抗蝕性評(píng)價(jià)模型。由表5可知，前3個(gè)主成分(Y1、Y2、Y3)的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了83.59%，且特征值均大于1，滿足主成分分析的要求。因此選用前3個(gè)主成分基本能反映不同生物治理措施下土壤抗蝕性的變異信息，衡量土壤抗蝕性的強(qiáng)弱。經(jīng)過(guò)主成分分析，抗蝕性評(píng)價(jià)因子由原來(lái)的13維降到了3維，在損失很少信息量的前提下把多個(gè)因子轉(zhuǎn)化成了幾個(gè)綜合因子，使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化，提高了分析效率，同時(shí)也抓住了主要矛盾，揭示了事物內(nèi)部變量之間的規(guī)律性。

表5 抗蝕性影響因子主成分分析結(jié)果

注：Y1、Y2、Y3分別代表第一、第二、第三主成分。

從表5及表6可以看出，第一個(gè)主成分(Y1)的方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到了53.939%，可以較好地反映土壤抗蝕性的高低，第一主成分中粉砂粒含量(X1)、黏粒含量(X2)、膠粒含量(X3)和結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)(X4)、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X9)、>0.25 mm團(tuán)聚體破壞率(X10)、>0.5 mm團(tuán)聚體破壞率(X11)、平均質(zhì)量直徑(X12)以及有機(jī)質(zhì)含量(X13)的載荷系數(shù)較高，其中X1、X10和X11三個(gè)指標(biāo)載荷系數(shù)為負(fù)值，其余為正，表明X2、X3、X4、X9、X12、X13等因子數(shù)值越大，X1、X10、X11三個(gè)因子數(shù)值越小，土壤的抗蝕性越好。第二主成分中團(tuán)聚狀況(X5)、團(tuán)聚度(X6)、分散率(X7)三個(gè)指標(biāo)的載荷系數(shù)較高，可稱為微團(tuán)聚體類(lèi)因子，其中分散率載荷系數(shù)為負(fù)值，團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度為正值，表明團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度值越大，分散率越小，抗蝕性越好。第三主成分中分散系數(shù)(X8)載荷系數(shù)較高，為負(fù)值，表明土壤抗蝕性隨著分散系數(shù)的增大而減小。

表6 因子載荷矩陣

注：抗蝕性影響因子及主成分見(jiàn)表4、表5。

3.4 土壤抗蝕性綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

Y1=-0.338X1+0.315X2+0.311X3+0.324X4+

0.106X5-0.102X6-0.157X7+0.077X8+0.347X9-

0.341X10-0.354X11+0.326X12+0.254X13

(1)

Y2=0.115X1+0.174X2+0.143X3+0.057X4+

0.586X5+0.520X6-0.494X7-0.046X8-0.059X9+

0.066X10+0.055X11-0.157X12-0.190X13

(2)

Y3=-0.136X1+0.298X2+0.395X3+0.370X4-

0.229X5+0.136X6+0.295X7-0.556X8-0.184X9+

0.198X10+0.143X11-0.193X12-0.042X13

(3)

然后根據(jù)各主成分方差貢獻(xiàn)率分配權(quán)重，可以得到不同生物治理措施下土壤抗蝕性的綜合表達(dá)式，用以量化評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的強(qiáng)弱。

綜合抗蝕性Y=0.539 4Y1+0.181 0Y2+0.115 5Y3

主成分得分及綜合抗蝕性得分見(jiàn)表7。

表7 不同生物治理模式下土壤綜合抗蝕性評(píng)價(jià)

由表7可知，不同生物治理模式下土壤綜合抗蝕性表現(xiàn)為水保林地>林草結(jié)合地>果林清耕地>撂荒裸地，這與土壤抗蝕性指數(shù)及水穩(wěn)性指數(shù)的分析結(jié)果是一致的，三者互相印證，說(shuō)明該模型在評(píng)價(jià)不同生物治理措施下土壤抗蝕性的強(qiáng)弱方面具有較高的可信度。

土壤抗蝕性影響因子繁多，有些指標(biāo)之間信息重疊，相互之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)構(gòu)建土壤抗蝕性綜合評(píng)價(jià)模型，化繁為簡(jiǎn)，用三個(gè)主成分來(lái)代替原有的13個(gè)因子，綜合抗蝕性得分函數(shù)簡(jiǎn)潔名了，模型應(yīng)用方便、可信度較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)依據(jù)土壤抗蝕指數(shù)的大小，得出不同生物治理措施條件下土壤抗蝕性強(qiáng)弱為：水保林地>林草結(jié)合地>果林清耕地>撂荒裸地，各生物治理措施均能明顯增強(qiáng)土壤抗蝕性，各治理措施下土壤抗蝕性均隨著土層深度的增加而降低，因此水土保持工作中表層土壤的保護(hù)尤其重要。

(2)土壤抗蝕指數(shù)隨浸水時(shí)間的增加而減小，經(jīng)過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)兩者呈三次函數(shù)關(guān)系，其通式為S=at3+bt2+ct+d，說(shuō)明隨著降雨歷時(shí)的增加，土壤抗蝕性越來(lái)越弱，土壤顆粒也越容易崩塌分解。

(3)用于評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的4大類(lèi)13個(gè)影響因子，通過(guò)運(yùn)用主成分分析方法，提取出3個(gè)能夠反映大部分(83.59%)原有因子信息的主成分Y1、Y2、Y3，建立土壤抗蝕性綜合評(píng)價(jià)模型，即綜合抗蝕性Y=0.539 4Y1+0.181 0Y2+0.115 5Y3，得出不同生物治理模式下土壤綜合抗蝕性評(píng)價(jià)得分，水保林地(1.337)>林草結(jié)合地(0.978)>果林清耕地(-0.153)>撂荒裸地(-2.161)。

□

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