李　英，林圣玉，張　龍，張華明，韓圣明

(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；3.江西省水文局，江西 南昌 330002)

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鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)坡耕地表土抗蝕性評價

李英1，2，林圣玉1，2，張龍1，2，張華明1，2，韓圣明3

(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；3.江西省水文局，江西 南昌 330002)

[摘要]坡耕地是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的重要耕地資源，也是水土流失的主要源地。開展坡耕地表土抗蝕性評價，對認識坡耕地表土侵蝕規(guī)律、促進該區(qū)域坡耕地資源可持續(xù)利用具有重要意義。選取鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)內(nèi)坡耕地典型分布區(qū)域高安市、進賢縣和湖口縣為研究區(qū)，應(yīng)用主成分分析法對其進行表土抗蝕性分析，結(jié)果表明：與原始荒坡地相比，坡耕地的抗蝕性較弱；進賢縣、高安市、湖口縣坡耕地表土相對抗蝕性指數(shù)較原狀荒坡地減弱比例分別為13.46%、28.68%和12.30%，其中高安市荒坡地開發(fā)耕作后表土抗蝕性下降最明顯，水土流失風險較大。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗徑流懸浮和分散的能力，是評價土壤抗侵蝕能力的重要指標之一[1]，其大小不僅與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)密切相關(guān)[2-3]，還受到耕作、施肥、土地利用方式等人為活動的影響。由于土壤抗蝕性并不是一個簡單的物理或化學的定量的可直接測定的指標，而是一個綜合性因子，關(guān)于土壤抗蝕性因子的評價還未找到較普遍適用的指標，因此只能在一定的控制條件下通過測定土壤某些性質(zhì)作為土壤抗蝕性指標，從而達到評估土壤可蝕性的目的[4-7]。目前國內(nèi)主要從土壤抗蝕性機理、影響因素和指標體系等方面進行研究，在土壤抗蝕性研究指標的選取上，大多學者以土壤的顆粒組成、有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性指數(shù)，以及表征土壤團聚體特征的分散系數(shù)、分散率、團聚狀況、團聚度等指標為主，也有學者研究土壤抗蝕性能與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，綜合分析土壤的抗蝕性能。但由于土壤抗蝕性受土壤類型、植被、氣候、地形等多因子的影響且時空變異性較大，因此在不同的地方評價指標的選取也有所不同[8-10]。本研究擬采用主成分分析方法，對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)坡耕地表土抗蝕性進行評價，以期選出適合當?shù)赝寥揽刮g性評價的指標體系，分析坡耕地表土的抗蝕性，為水土流失的防治提供科學依據(jù)和理論指導。

1研究區(qū)概況與樣品采集

1.1研究區(qū)概況

鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)位于長江中下游南岸的江西北部，區(qū)域面積占江西省土地面積的31%，耕地面積占江西省耕地面積的46%。區(qū)內(nèi)地形為一個大型盆地，東、南、西三面高，北部低。地貌以平原、崗地、丘陵為主。氣候類型屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候，雨熱同期，農(nóng)業(yè)氣候條件十分優(yōu)越，是江西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域。長期以來，受自然和人為因素影響，坡耕地成為該區(qū)水土流失的主要源地。對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)坡耕地表土資源抗蝕性進行評價，對于促進坡耕地表土資源的可持續(xù)利用與管理、保障區(qū)域糧食安全、實現(xiàn)江西“生態(tài)立省”與“綠色崛起”的有機統(tǒng)一、帶動整個江西的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義和參考價值。

1.2樣品的采集與分析

根據(jù)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)坡耕地的分布特征，選取具有代表性的高安市、進賢縣和湖口縣作為研究區(qū)和土樣采集樣地。在各縣(市)分別選取6個典型樣地，每個樣地采集3個坡耕地和1個原狀荒坡地樣點，共計18個樣地72個樣點，其中原狀荒坡地樣地為對照組。在每個樣點中，采用網(wǎng)格法進行土壤樣品取樣，按S形采集每個網(wǎng)格中0～20 cm的表層土，然后每4個網(wǎng)格的土壤樣品經(jīng)充分混合后用四分法反復取舍，保留1 kg左右混合土樣帶回實驗室分析。

選取無機黏粒類、微團聚體類、水穩(wěn)性團粒類、有機膠體類4類9個指標作為表土抗蝕性評價指標。土壤機械組成采用吸管法測定；土壤團聚體采用干篩法和濕篩法測定；土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定；全氮用半微量凱氏法測定；全磷用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；速效磷用0.5 mol/L的碳酸氫鈉提取后用鉬藍比色法測定；速效鉀用1 mol/L的中性醋酸鈉提取后用火焰光度計法測定；pH值以2.5∶1的水土比混合后用pH計測定；土壤陽離子交換量(CEC)采用EDTA-乙酸銨交換法測定。各樣地的土壤物理化學指標分析測試結(jié)果為附近3個樣點的平均值，原狀荒坡地土壤物理化學指標分析測試結(jié)果為其單點值。

2研究方法

基于目前對南方紅壤地區(qū)土壤侵蝕研究不深入的現(xiàn)狀，用于評價土壤抗蝕性能的抗蝕性指標主要是借鑒國內(nèi)其他地區(qū)的研究成果。綜合前人研究成果，共選取了4類9個土壤抗蝕性評價指標(表1)，各指標計算均采用常規(guī)方法。采用SPSS 19.0 軟件對選取的9個土壤抗蝕性評價指標進行主成分分析，提取能夠評價土壤抗蝕性的幾個指標，對紅壤坡耕地土壤抗蝕能力進行綜合評價。

表1　表土抗蝕性評價指標

3結(jié)果與討論

3.1土壤抗蝕性影響因素

影響土壤抗蝕性的因素很多，一般從土壤機械組成、團聚體穩(wěn)定性、有機質(zhì)等方面進行分析。

(1)土壤機械組成。土壤顆粒是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的主要成分，不僅可以與孔隙度、緊實度、含水量等一起影響土壤中養(yǎng)分、水分循環(huán)和氣體流動，還可以用來解釋土壤受侵蝕的程度。一般而言，土壤中的砂粒(>0.05 mm)含量越高，越利于水分下滲；黏粒(<0.002 mm) 含量越低，土壤的通氣性和透水性就越好，反之，土壤則易形成板結(jié)。研究區(qū)表土土壤顆粒組成見表2。

表2　研究區(qū)坡耕地表土土壤顆粒組成　%

(2)土壤團聚體。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其在浸水狀況下的結(jié)構(gòu)性能和分散強度是鑒定土壤抗蝕性的重要指標。土壤團聚體的水穩(wěn)性與土壤可蝕性密切相關(guān)。水穩(wěn)性團聚體越多，土壤的抗蝕性越強，即使在地表形成徑流時團聚體結(jié)構(gòu)也不分散，被徑流帶走的泥沙就少。研究區(qū)各樣點土壤濕篩團聚體結(jié)果(表3)表明，坡耕地水穩(wěn)性大團聚體含量(>0.25 mm)均在80%～90%，與原始荒坡地相比，坡耕地水穩(wěn)性大團聚體含量下降。紅壤水穩(wěn)性大團聚體的形成主要靠有機質(zhì)的膠結(jié)作用。紅壤荒坡開墾后，有機質(zhì)分解加快或補充減少是導致團聚體穩(wěn)定性下降和水穩(wěn)性大團聚體減少的主要原因?？梢?，紅壤坡耕地耕作后，土壤中的水穩(wěn)性大團聚體會不斷下降，土壤的抗蝕性會不斷減弱。

表3　研究區(qū)土壤濕篩水穩(wěn)性團聚體組成

(3)微團聚體。土壤微團聚體組成是土壤結(jié)構(gòu)性的一個重要方面，它與土壤有機質(zhì)含量和土壤質(zhì)地有密切關(guān)系。由各樣地的地表土壤微團聚體組成(表4)可知，各樣地中<0.05 mm微團聚體含量很少，微團聚體主要集中在0.25～0.05 mm。與原始荒坡地相比，研究區(qū)坡耕地細小顆粒含量略有增加。細顆粒含量增加，土壤抗蝕性減弱。可見，紅壤坡耕地耕作后，其表土微團聚體中細小顆粒含量增加，表土抗蝕性減弱。

表4　研究區(qū)土壤微團聚體組成

(4)土壤有機質(zhì)。土壤有機質(zhì)含量越高，土壤抗蝕性越強。研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量見圖1。進賢縣和高安市原狀荒坡地開發(fā)為坡耕地后，土壤有機質(zhì)含量下降約20%，這主要是坡耕地耕種過程中土壤有機質(zhì)被植物利用和隨水土流失而損失所致。因此，在坡耕地耕作過程中增施有機肥，不僅能改良土壤，而且可有效增強土壤抗蝕性。

圖1　研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量

3.2紅壤坡耕地表土抗蝕性綜合評價

根據(jù)各指標測定值對研究區(qū)土壤抗蝕性指標進行主成分分析，提取能夠評價表土抗蝕性的部分指標，結(jié)果見表5。

從表5可以看出，前3個主成分的累積方差貢獻率達81.71%，且特征根均大于1，基本符合主成分分析要求，表明所提取的3個主成分基本能反映表土的抗蝕能力強弱。其中，第一主成分的方差貢獻率為31.87%，第二主成分的方差貢獻率為29.47%，第三主成分的方差貢獻率為20.37%。

表5　土壤抗蝕性指標的主成分分析結(jié)果

第一主成分主要綜合了<0.002 mm黏粒含量、結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)和分散率。其中，分散率對第一主成分有逆向效應(yīng)，其值越大，第一主成分分值越小，抗蝕能力越弱。第二主成分中團聚度的載荷系數(shù)較大，且載荷系數(shù)為正，說明其值越大，第二主成分分值越大，抗蝕能力就越強。第三主成分主要綜合了>0.25 mm結(jié)構(gòu)體破壞率、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、有機質(zhì)含量3個因子，其中有機質(zhì)含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量2個因子值越大，土壤抗蝕能力就越強。通過以上分析，根據(jù)原指標對主成分的貢獻率大小確定表征研究區(qū)域土壤抗蝕性的優(yōu)化指標，分別為結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)、團聚度、>0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量、<0. 002 mm黏粒含量和有機質(zhì)含量。

根據(jù)提取的三大主成分的特征值和各因子載荷矩陣進行相關(guān)計算，得到研究區(qū)土壤抗蝕性的綜合表達式為

(1)

式中：Y1、Y2、Y3為主成分分值；Y為綜合主成分分值。

用主成分線性函數(shù)計算不同樣點的主成分分值，即根據(jù)主成分分析獲得的主成分矩陣中每列除以開方后相應(yīng)的特征根便得到每個指標所對應(yīng)的系數(shù)，再分別乘以9個原始變量標準化之后的變量即為各分主成分的函數(shù)表達式，分別為

(2)

(3)

(4)

根據(jù)上述計算式，代入各樣點各指標的標準化值，計算各樣點的表土抗蝕性指數(shù)。在表土抗蝕性的評價中，綜合指數(shù)越高，表土抗蝕性越強；但綜合指數(shù)為負，并不說明表土抗蝕性是負的，只表明表土抗蝕性水平低于平均水平；評價值為正，則表明表土抗蝕性高于平均水平；正負不表示實際意義，只表示相對大小，是評價指標標準化的結(jié)果。為使表土抗蝕性指數(shù)正值化和便于比較，將表5中的綜合指數(shù)Y減去最小值使其正值化。同時，將正值化后的結(jié)果除以正值化的最大值，即可得到各樣點的相對抗蝕性指數(shù)，結(jié)果見圖2。研究區(qū)各縣市土壤抗蝕性差距不大，其中湖口縣坡耕地土壤抗蝕性最弱。與原始荒坡地相比，坡耕地的抗蝕性相對較弱，說明耕作使得紅壤坡耕地抗蝕性減弱。進賢縣、高安市、湖口縣坡耕地表土相對抗蝕性指數(shù)較原狀荒坡地減弱比例分別為13.46%、28.68%和12.30%，其中高安市荒坡地開發(fā)耕作后表土抗蝕性下降最劇烈。

圖2　研究區(qū)表土相對抗蝕性指數(shù)

綜合上述分析，鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)是江西省重要的糧食基地，也是坡耕地集中分布區(qū)，耕作后坡耕地較原狀荒坡地表土抗蝕性下降，迫切需要加強對坡耕地水土流失的治理，尤其是在種植前期，植被覆蓋度較低，加上表土抗蝕性差，極易發(fā)生強烈表土侵蝕。保護性耕作是坡耕地水土流失防治的有效技術(shù)之一，可針對種植前期植被覆蓋度低的特點，有效保護表土，增強抗蝕性。

4結(jié)論

本研究對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)典型區(qū)域坡耕地和原狀荒坡地進行表土采樣，分析其理化性狀，并通過主成

分分析，綜合評價了紅壤坡耕地的抗蝕性。評價結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)、團聚度、>0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量、<0.002 mm黏粒含量和有機質(zhì)含量等可作為評價研究區(qū)紅壤坡耕地表土抗蝕性的最佳指標。主成分綜合評價模型計算結(jié)果顯示，耕作后坡耕地表土流失嚴重，抗蝕性減弱，減弱比例接近30%。

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(責任編輯李楊楊)

[中圖分類號]S158.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)07-0048-04

[基金項目]江西省科技支撐項目(20111BBF60059)；江西省水利科技項目(KT201112)

[作者簡介]李英(1982—)，女，安徽安慶市人，工程師，碩士，主要從事水土保持科學研究工作。

[收稿日期]2015-12-30

[關(guān)鍵詞]坡耕地；土壤抗蝕性；主成分分析；鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)