王 培, 郭天雷, 高 強, 劉 成, 石勁松

(1.長江水資源保護科學研究所, 武漢 430051; 2.長江水利委員會長江科學院, 武漢 430019)

土壤抗蝕性是指土壤對侵蝕營力分散和搬運作用的抵抗能力，也是評估土壤抵抗侵蝕能力的重要參數之一，其大小主要取決于土壤對水的親和力以及土粒間的膠合力[1]，與土壤內在的理化性質密切相關。川中丘陵區(qū)土壤結構比較疏松，加上人為不合理的耕作活動，容易發(fā)生嚴重土壤侵蝕，導致土壤養(yǎng)分流失，導致土地生產力降低，流失的養(yǎng)分也會加劇該地區(qū)的面源污染，因此如何控制該區(qū)域的水土流失，提高土地生產力不僅對當地農業(yè)經濟具有重要意義，而且對該地區(qū)流域內的水生態(tài)安全具有重要指導作用。生物埂作為當地一種保護性耕作模式和典型的坡耕地水土保持措施，不僅可以有效保持水土、減少土壤侵蝕，還可以通過土壤—植被系統(tǒng)改善土壤理化性質[2]，維持土壤穩(wěn)定性。目前關于生物埂對土壤的改良方面已有部分研究，例如，汪三樹等[3]研究了紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂的土壤結構穩(wěn)定性，認為桑樹地埂與花椒地埂能有效維持土壤穩(wěn)定性。李建興等[4]研究了網格式生物埂對坡面土壤貯水及滲透性的影響，認為生物埂能有效改善土壤結構，促進水分下滲，減少坡面徑流對土壤的侵蝕。黃歡等[5]通過研究生物埂對坡面養(yǎng)分分布特征的影響，認為生物埂有良好的保肥作用，極少坡面養(yǎng)分的流失。但主要是集中在生物埂模式對土壤的理化性質的改良方面，而關于生物埂模式下土壤抗蝕性的綜合評估以及其影響因素較少。本文以川中丘陵區(qū)坡耕地幾種典型生物埂模式為研究對象，深入分析不同生物埂模式下土壤抗蝕特征及其影響因素，以期為選擇合理的坡耕地生物埂配置模式，更好地保護川中丘陵區(qū)坡耕地水土資源、提高土地生產力以及保證流域水生態(tài)安全提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)設在四川遂寧船山區(qū)桂花鎮(zhèn)南婭小流域內(東經105°26′54″—105°26′0″，北緯30°34′14″—30°33′11″)，地貌形態(tài)以中淺丘為主，有少量低山。試驗區(qū)屬中亞熱帶濕潤氣候，多年平均日照時間為1 333.4 h，多年平均無霜期296 d，多年平均氣溫17.4℃，≥10℃積溫5 627.1℃。域內多年平均降水量933.3 mm，年內最大降水量1 443.3 mm，最小降水量736.7 mm，暴雨多集中在5—10月，降雨量達804.5 mm，占年降雨量的81%。區(qū)域內植被豐富，耕地類型以坡耕地為主，土壤類型以紫色土和水稻土為主。

1.2 研究材料

坡耕地生物埂以草本和木本兩種類型進行布設，將桑樹、花椒和紫花苜蓿分別等高布置在坡耕地臺面外側形成桑樹埂(SS)、花椒埂(HJ)、紫花苜蓿埂(ZH)，以雜草埂(狗尾草為主)為試驗對照(CK)(注：2005年之前4個地埂主要以自然生草為主，沒有人為的干擾活動，4個地埂自然生草的生長情況與土壤情況基本一致)，生物埂面寬0.4～0.6 m。于2005年種植木本地埂：單行桑樹和花椒，株間距0.5～0.8 m；草本地?。簵l播紫花苜蓿，每年定期除雜草，桑樹和花椒每年冬季進行修剪。至2015年，桑樹和花椒株高0.8～1.5 m，蓋度分別為66.3%和74.5%，紫花苜蓿高30～50 cm，覆蓋度達81.2%。坡耕地生物埂基本情況見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集與分析 按照土壤農化分析方法于2015年6月15日采集土樣，在長勢基本一致的生物埂投影中心(灌層投影帶上)采用多點采樣法在每個采樣點用100 cm3環(huán)刀采取0—20 cm土層土壤樣品(該區(qū)域土層厚度在30 cm左右)，并在相應位置采集土壤散樣1～2 kg帶回實驗室進行理化性質分析，所有理化分析重復3次。土壤容重采用環(huán)刀法；土壤含水率采用烘干法；機械組成、微團聚體采用吸管法；土壤團聚體組成采用干篩與濕篩法；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法；水穩(wěn)定性指數測定：選取粒徑7～10 mm土壤顆粒50粒，均勻放置在孔徑5 mm土壤篩中，然后靜置于水中，每隔1 min記錄崩解土粒數，連續(xù)記錄30 min?？刮g性指數測定：首先將在生物埂0—20 cm土層采集的3個重復的土壤混合樣風干，然后用5 mm和7 mm兩個篩子進行干篩篩分；再將干篩后留在5 mm篩上的5—7 mm的土壤顆粒隨機數出75粒，每次25粒，分3次放入水盆中的2 mm土壤篩上進行試驗，水盆中的水面高度要剛好浸沒土粒，水溫在20℃左右，以土粒開始完全散開為準，每隔1 min記錄土粒崩塌的個數，連續(xù)記錄10 min；根據文獻所用方法計算水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數、團聚度、平均重量直徑、幾何平均直徑、分散系數和團聚體破壞率[6-9]。

團聚度=[(>0.05 mm微團聚體含量)―(>0.05 mm機械組成含量)]/(>0.05 mm微團聚體含量)

團聚體破壞率=[(>0.25 mm干篩含量)―

(>0.25 mm濕篩含量)]/(>0.25 mm干篩含量)

分散系數=微團聚體(<0.001 mm)含量/機械組成(<0.001 mm)含量

式中：wi為第i級團聚體質量百分比(%)；xi為相鄰兩級團聚體的平均粒徑。

式中：wi為土壤不同粒級團聚體的重量(g)；xi為相鄰兩級團聚體的平均粒徑。

式中：pi為第i分鐘分散土粒數，i=1，2，3，…，10；ki為第i分鐘校正數；pj為10 min內沒有分散的土粒數；A為試驗土?？倲怠?/p>

抗蝕性指數=(總土粒數―崩塌土粒數)/總土粒數

1.3.2 數據分析 試驗數據采用SPSS 17.0和Excel 2003軟件進行統(tǒng)計分析。方差分析采用SPSS中的單因素ANOVA模塊，相關性分析采用Pearson分析方法，顯著性檢驗采用T檢驗。

2 結果與分析

2.1 生物埂土壤基本理化性質特征

生物埂措施作為該地區(qū)坡耕地常見水土保持農業(yè)措施，能有效防止土壤侵蝕[10]，改善坡耕地土壤水分狀況[11]，改良土壤結構，提高土壤抗蝕能力[3,12]。由表2可知，與CK相比，SS和HJ土壤含水量提高了10.26%和35.76%，呈極顯著增加(p<0.01)；ZH土壤含水量提高了7.39%，呈顯著增加(p<0.05)。4種生物埂土壤容重大小依次為ZH>CK>SS>HJ，孔隙度規(guī)律與之相反，說明木本埂比草本埂(ZH)更能有效改善土壤的孔隙狀況。4種生物埂的砂粒(1～0.05 mm)含量與粉粒(0.05～0.001 mm)含量較高，分別為41.96%～53.01%和37.39%～47.19%；黏粒(<0.001 mm)含量較低，為8.00%～12.54%，這說明該地區(qū)生物埂土壤質地類型屬于粉壤土，與耕地臺面的沙壤土相比，粉壤土可更好地維持土壤結構穩(wěn)定性。生物埂土壤黏粒含量較低，說明坡耕地生物埂土壤礦質膠體含量較少，減少了土壤團粒間的粘聚力。土壤有機質含量大小依次為HJ(4.74 g/kg)>SS(4.65 g/kg)>ZH(4.08 g/kg)>CK(3.19 g/kg)，說明生物埂有效提高了土壤有機質含量，改善了土壤結構。

表2 不同生物埂的土壤基本理化性質

同一列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

2.2 生物埂土壤抗蝕性特征分析

土壤抗蝕性是評定土壤抵抗侵蝕能力的重要參數之一，也是土壤侵蝕研究內容之一。土壤水穩(wěn)性指數是表征土粒隨時間變化的破碎特性，是衡量土壤抗蝕性的重要指標之一。由表3可知，不同生物埂土壤水穩(wěn)性指數大小依次為HJ(0.50)>SS(0.74)>ZH(0.44)>CK(0.37)，HJ與其他3種生物埂差異顯著，分別是SS，ZH和CK的1.48，1.70，2.03倍，且木本埂大于草本??；抗蝕性指數反映了土壤抵抗徑流破壞的能力，抗蝕性指數大小依次為SS>HJ>ZH>CK，本本埂與草本埂之間差異顯著；團聚度反映了土壤顆粒的團聚狀況，團聚度越大，土壤結構越好。不同生物埂土壤團聚度大小依次為HJ(0.72)>SS(0.61)>ZH(0.44)>CK(0.41)，HJ與SS之間差異不顯著，ZH與CK之間差異也不顯著，而木本埂與草本埂之間差異顯著，4種生物埂土壤的團聚體大小與團聚度大小規(guī)律相反，說明HJ的團聚狀況最好，且木本埂的團聚狀況比草本埂的更好；分散系數表征土壤抵抗徑流的分散能力，系數越小，對徑流分散的抵抗能力越強，不同生物埂分散系數大小依次為CK>ZH>SS>HJ，本本埂與草本埂之間差異顯著。

表3 坡耕地生物埂土壤抗蝕性分析

土壤抗蝕性受到土壤有機碳含量、耕作方式、土壤質量和施肥方式等的影響，團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑是反映土壤抗蝕性的重要指標[13]。從表3可知，4種生物埂模式下土壤的幾何平均直徑大小依次為HJ(1.20)>SS(1.31)>ZH(1.00)>CK(0.63)，相比CK，其他3種生物埂的幾何平均直徑呈顯著性增加(p<0.05)；4種生物埂模式下的土壤平均重量直徑大小與幾何平均直徑一致，與草本埂相比，木本埂的平均重量直徑呈顯著性增加(p<0.05)，說明生物埂措施能有效提高土壤抗蝕性，且木本埂的效果更好。

2.3 生物埂土壤抗蝕性評價

土壤抗蝕性的影響因素多而復雜，不同研究區(qū)域所選用的指標有一定的差異[7]。單一指標只能反映土壤對侵蝕能力的相對敏感程度，而且具有一定的偶然性，無法準確分析土壤的抗蝕性。為了綜合各個指標的評價結果，并考慮各個指標之間的關聯(lián)性，對8個指標進行主成分分析。從中提取到2個公因子，其特征值均大于1，累計方差貢獻率達96.705%(旋轉后)，能較全面地概括土壤抗蝕性。旋轉后因子載荷矩陣見表4，可知主成分1主要包括了水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數、團聚度、分散系數、有機質5個指標的信息，主成分2則主要包括了幾何平均直徑、平均重量直徑、團聚體破壞率3個指標的信息。

表4 土壤抗蝕性指標旋轉因子載荷矩陣

表5 生物埂土壤抗蝕性主成分分析綜合指數

2.4 生物埂土壤抗蝕性影響因素

土壤理化性質與土壤抗蝕性密切相關，本研究對土壤基本理化性質與土壤抗蝕性指標進行相關性分析(表6)。由表6可知，土壤含水率與水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數和團聚度呈極顯著正相關，與團聚體破壞率呈極顯著負相關，與幾何平均直徑、平均重量直徑呈顯著正相關，與分散系數呈顯著負相關；有機質與幾何平均直徑和平均重量直徑呈極顯著正相關，與分散系數呈極顯著負相關，與水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數和團聚度呈顯著正相關，與團聚體破壞率呈顯著負相關，有機質作為團粒膠結劑，對團聚體結構的形成影響很大，所以有機質能有效影響土壤抗蝕性的大小。容重與水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數、團聚度和平均重量直徑呈極顯著負相關，與團聚體破壞率呈極顯著正相關，與幾何平均直徑呈顯著負相關，而孔隙度與土壤抗蝕性指標的相關性剛好與容重相反，因為一般來說，容重越大，土壤越緊實，土壤的孔隙越少，孔隙度也就越小。

對機械組成而言，砂粒與水穩(wěn)性指數呈極顯著正相關，與抗蝕性指數、團聚度、幾何平均直徑、平均重量直徑和團聚體破壞率呈顯著性相關。粉粒與水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數呈顯著負相關，與其他抗蝕性指標相關性不顯著。黏粒與水穩(wěn)性指數、抗蝕性指數相關性較低，與團聚度、幾何平均直徑、平均重量直徑、團聚體破壞率和分散系數相關性顯著。從不同生物埂模式下土壤抗蝕指標與土壤基本理化性質的相關性分析來看，研究區(qū)土壤顆粒對土壤抗蝕性能影響不同，生物埂模式下砂粒、粉粒和黏粒含量與土壤抗蝕性指標呈顯著或極顯著相關?？梢姡寥罊C械組成與部分土壤抗蝕性指標的關系較為密切。因此，在實踐中可通過合理配置生物埂模式從而間接調控土壤機械組成，改善土壤物理性質，提高土壤抗蝕性。

表6 生物埂土壤抗蝕性指標與土壤基本理化性質的相關性分析

注:“*”表示相關性達顯著水平(p<0.05)，“**”表示相關性達極顯著水平(p<0.01)。

3 討 論

生物埂是一種典型的坡耕地水土保持措施，具有降低坡面徑流流速，促進水分下滲，減少養(yǎng)分流失，提高土地生產力[4]的作用。本研究得出，與CK相比，HJ，SS和ZH孔隙度增加了40.3%，18.0%，9.3%，這是因為生物埂具有更發(fā)達的根系結構，特別是花椒埂和桑樹埂，粗壯根系的縱向、橫向穿插使土壤更加疏松，孔隙結構更豐富，提高了土壤的孔隙度。另外相比CK，HJ，SS和ZH土壤含水率分別增加了35.8%，10.3%和7.4%，這是因為生物埂孔隙的增加對水分的滯留與涵養(yǎng)有促進作用，而且生物埂措施增加了地埂植被覆蓋度，有效減少了水分的蒸發(fā)，使土壤水庫充滿程度高。相比CK，HJ，SS和ZH有機質含量分別增加了48.9%，45.8%和27.9%，這與汪三樹等[14]研究的結果一致，這可能是因為：(1) 坡面在發(fā)生土壤侵蝕情況下，表層養(yǎng)分含量較高的土壤在徑流的搬運作用下在生物埂位置沉積；(2) 生物埂枯枝落葉、腐爛根系在土壤微生物作用下發(fā)生分解，增加有機質的來源。

土壤抗蝕性的大小主要受機械組成、團聚體、有機質含量等因素的影響[15]，本研究認為紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂模式下土壤抗蝕性與土壤含水率、有機質、容重、孔隙度及機械組成相關性顯著或極顯著。相關研究也證實了這一結論，王儉成等[15]通過研究北川地區(qū)典型林分土壤抗蝕性特點認為林地地表覆蓋著大量的枯枝落葉，增加了土壤有機質含量，改善了土壤的結構，增大了土壤孔隙度，提高了土壤的滲透性和持水能力，從而增強了土壤的抗蝕性，而且樹冠以及地表的枯枝落葉對降雨有較好的消能作用，減小了降雨對地表的直接打擊，也減弱了徑流對地表的沖刷。何淑勤等[16]研究了不同植被條件下土壤抗蝕性特征及其影響因素，認為有機質含量、土壤機械組成與抗蝕性指數、水穩(wěn)性指數、分散系數、結構系數均顯著相關。薛萐等[1]認為土壤微團聚體組成、有機質和機械組成是影響土壤穩(wěn)定性的重要因素。有機質是土壤團粒的主要膠結劑，與土壤顆粒結合形成大團聚體，土壤團粒的形成能有效保持土壤的結構穩(wěn)定性[19]，能有效改善土壤的土壤孔隙結構，增加土壤的有效庫容，這對抵御坡耕地季節(jié)性干旱以及保證坡耕地土地生產力穩(wěn)定和提高有重要意義。由于土壤抗蝕性受到根系、土壤結構、人為干擾、生物含量等因素的影響，影響因素復雜，單從基本理化性質方面來分析其對土壤侵蝕響應特征具有一定的不足，今后應加強生物埂根—土復合體作用機制的研究，以期為紫色土坡耕地生物埂配置模式的選擇提供理論依據。

4 結 論

(1) 不同生物埂措施對土壤理化性質的改善效果明顯，木本埂改良效果更好，能有效增加土壤含水率和土壤有機質，改善土壤孔隙結構。土壤含水率、有機質、孔隙度均表現(xiàn)為HJ>SS>ZH>CK。

(2) 主成分分析得到不同生物埂模式下土壤抗蝕性強弱順序為HJ>SS>ZH>CK，因此，花椒埂和桑樹埂可作為紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失有效防控措施。

(3) 利用相關性分析得到紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂模式下土壤抗蝕性與土壤含水率、有機質、容重、孔隙度和土壤機械組成相關性顯著或極顯著，因此，在實踐中可通過合理配置生物埂模式從而間接調控土壤機械組成，改善土壤物理性質，提高土壤抗蝕性。

參考文獻:

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