肖 理, 王章文, 殷慶元, 黃成敏

(四川大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，四川 成都 610065)

【研究意義】坡耕地是我國(guó)山地與丘陵區(qū)重要的耕地資源，約有0.21 億 hm2，其面積雖然只占我國(guó)總耕地面積的6.7 %，但貢獻(xiàn)的水土流失量卻占28.3 %[1]。因此，治理坡耕地的水土流失問(wèn)題已成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)刻不容緩的一環(huán)。針對(duì)坡耕地水土流失嚴(yán)重及土地生產(chǎn)力低下等問(wèn)題，坡耕地改成梯田是控制坡地開(kāi)發(fā)的水土流失，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】金沙江下游干熱河谷氣候干熱，地形起伏，水熱矛盾突出，地質(zhì)條件復(fù)雜，加上當(dāng)?shù)氐亩钙?、順坡耕作比較普遍，人為擾動(dòng)劇烈，導(dǎo)致了坡耕地成為金沙江干熱河谷區(qū)水土流失面積和程度最大的土地利用類(lèi)型和金沙江下游泥沙的主要來(lái)源[3-5]。大量泥沙淤積也威脅金沙江下游已建和在建的多座巨型水庫(kù)，導(dǎo)致水庫(kù)安全性和功能性下降，綜合效益大大降低等問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)水庫(kù)的使用壽命造成影響[6]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】鑒于山區(qū)耕地資源十分稀缺，為滿(mǎn)足基本的糧食需求和生計(jì)，坡耕地現(xiàn)在或?qū)?lái)一定時(shí)間都會(huì)存在，坡改梯以及相應(yīng)的種植方式和類(lèi)型的水土保持效益需要評(píng)估。對(duì)于金沙江干熱河谷坡改梯后梯田裸地，尤其是生物地埂的水土保持效益已有報(bào)道[7]，但對(duì)于不同修建年代梯田種植不同作物方式下土壤可蝕性和減流、減沙效果還缺乏研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，本文選擇金沙江下游的云南省昆明市東川區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，分析當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)作物種植的習(xí)慣下坡耕地、新老梯田的土壤養(yǎng)分、抗蝕性以及產(chǎn)流產(chǎn)沙差異，旨在評(píng)價(jià)坡改梯在固土保水、提高土壤質(zhì)量、增強(qiáng)土壤抗沖和抗蝕性等效益。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市東川區(qū)南段阿旺鎮(zhèn)的拖潭溝流域范圍內(nèi)(102°47′50″～103°18′35″E，25°47′5″～26°32′52″N)。拖潭溝流域位于金沙江下游小江流域上游大白河左岸，地勢(shì)南西高、北東低，小流域水流均匯入大白河。研究區(qū)巖性以灰?guī)r、白云巖、玄武巖、泥質(zhì)砂巖為主，巖層傾向東。研究區(qū)土壤主要類(lèi)型水稻土、紅壤；自然種類(lèi)有紅椿、赤桉、云南松、麻櫟、車(chē)桑子、白刺花、杜鵑、扭黃茅、香茅等。農(nóng)作物主要有水稻、玉米、紅薯、烤煙、小麥等。實(shí)驗(yàn)地海拔1800 m左右，年均溫13 ℃，年均降水量700～850 mm，年均蒸發(fā)量1700 mm，雨季(6-10月)降水量約占全年降水量的70 %。

1.2 實(shí)驗(yàn)地設(shè)計(jì)與采樣

在東川區(qū)阿旺鎮(zhèn)研究區(qū)內(nèi)選擇紅壤剖面，所有實(shí)驗(yàn)地海拔在1816至1822 m之間，且坡向相同。選擇1～2年新修梯田、10年以上老梯田和坡耕地為研究對(duì)象，新、老梯田所處山坡的整體坡度與坡耕地一致。上述耕地類(lèi)型分別種植玉米、紅薯、烤煙或玉米和紅薯套種，每種樣地處理隨機(jī)選擇3塊進(jìn)行定位觀(guān)測(cè)(表1)。對(duì)每種農(nóng)作物處理類(lèi)型的3個(gè)田塊分別采集土壤樣品，每個(gè)樣品沿S形布多點(diǎn)采取耕作表層(0 ～ 20 cm)，共采集81份土壤樣品，以測(cè)定土壤養(yǎng)分、pH和機(jī)械組成等性質(zhì)。同時(shí)，對(duì)新、老梯田、坡耕地以及每種作物類(lèi)型處理均采集原狀土，用于土壤風(fēng)干和水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析。

1.3 室內(nèi)分析與測(cè)試方法

1.3.1 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定 土壤容重采用環(huán)刀法野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，土壤孔隙度利用土壤容重計(jì)算。土壤pH以及有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效磷含量分別采用電位法、重鉻酸鉀-硫酸氧化法、凱氏定氮法、堿解擴(kuò)散法和碳酸氫鈉法測(cè)定[8]。將土壤樣品去除膠結(jié)物和分散預(yù)處理后，利用激光粒度儀(MS2000型，英國(guó)馬爾文公司)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 土壤風(fēng)干和水穩(wěn)性團(tuán)聚體 根據(jù)薩維諾夫濕篩法[8]，分別測(cè)定不同類(lèi)型梯田及坡耕地表層(0～20 cm)土壤的風(fēng)干大團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

結(jié)構(gòu)體破壞率(%)=>0.25 mm團(tuán)粒(干篩-濕篩)/>0.25 mm團(tuán)粒(干篩)×100%；

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GWD)分別為：

1.3.3 徑流小區(qū)侵蝕實(shí)驗(yàn) 用鍍鋅薄鐵皮分別置于種植不同作物的坡耕地和坡改梯土壤中，埋深10cm，圍成面積為2 m2(1 m×2 m)徑流小區(qū)共8個(gè)，出口處做成三角出水口，且上方用鐵皮遮蓋，出水接入帶蓋水桶，以收集降水過(guò)程中所產(chǎn)生的地表徑流量及泥沙量。徑流量用量筒進(jìn)行量取，泥沙量用濾紙進(jìn)行過(guò)濾后，烘干稱(chēng)重。2014年8-9月期間經(jīng)歷了5場(chǎng)自然降雨實(shí)驗(yàn)，并收集5場(chǎng)降雨所產(chǎn)生的地表徑流與泥沙量。

表1 樣地基本情況

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是利用SPSS軟件和Microsoft Excel2016進(jìn)行分析處理，不同處理之間開(kāi)展顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本物理性質(zhì)

2.1.1 土壤容重和土壤孔隙度 在坡耕地上種植不同作物，土壤容重和孔隙度差異不顯著(表2)。新修梯田上，種植玉米、紅薯以及紅薯與玉米套種的土壤容重之間沒(méi)有顯著差異，但種植烤煙土壤的容重顯著高于種植紅薯和紅薯與玉米套種土壤，但新修梯田各處理之間的土壤孔隙度沒(méi)有顯著性差異。坡改梯10年以上的老梯田種植紅薯和玉米的土壤容重和孔隙度沒(méi)有顯著差異。

種植玉米條件下，新修梯田土壤容重值和孔隙度分別顯著高、低于坡耕地與老梯田土壤；種植紅薯?xiàng)l件下，坡耕地、新修梯田和老梯田之間土壤容重差異顯著；在玉米與紅薯套種方式下，坡耕地與新修梯田之間容重和孔隙度無(wú)顯著差異。整體上，老梯田土壤的平均容重(<0.95 g·cm-3)、孔隙度(> 63 %)分別小于和高于新修梯田的平均容重(1.08～1.22 g·cm-3)、孔隙度(53 %～57 %)。

2.1.2 土壤機(jī)械組成 雖然老梯田土壤粘粒大于但并不顯著高于坡耕地和新修梯田，老梯田、坡耕地和新修梯田土壤粘粒和粉砂含量之間均無(wú)顯著差異。但無(wú)論種植紅薯或玉米方式下，老梯田土壤砂粒含量(<15 %)顯著低于相應(yīng)的坡耕地(>18 %)和新修梯田(>17 %)。

2.2 坡耕地及新老梯田土壤團(tuán)聚體分布特征

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化趨勢(shì)是隨著土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)減少而含量逐漸增多，土壤團(tuán)聚體粒級(jí)大于5 mm的含量最少，坡耕地處理的甚至完全消失，說(shuō)明較大的團(tuán)聚體遇水后更容易破壞(表3)。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)以1～ 0.25 mm的含量為主，占水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的50 %左右。種植玉米田塊中，老梯田(OT1)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高(69.60 %)，分別比坡耕地(CK1)(59.94 %)、新梯田(NT1)的(60.51 %)高10 %、9 %，且經(jīng)方差分析，均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。種植紅薯田塊中，老梯田(OT2)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高(72.29 %)，分別比坡耕地(CK2)(54.35 %)、新梯田(NT2)(61.63 %)高18 %、11 %，且差異顯著(P<0.05)。NT1、NT2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與坡耕地對(duì)照 CK1、CK2無(wú)顯著性差異。

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率NT1>CK1>OT1，CK2>NT2>OT2，老梯田的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性?xún)?yōu)于坡耕地和新修梯田，而新修梯田的土壤結(jié)構(gòu)破壞率與坡耕地相比較差異不大。平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的值越大，表示團(tuán)聚體平均粒徑團(tuán)聚度越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)[9]，比較可反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的土壤質(zhì)量平均直徑(MWD)與土壤幾何平均直徑(GMD)值，除種植玉米方式下的三類(lèi)土壤MWD值外，新、老梯田MWD、GMD 值均顯著高于坡耕地。

表2 土壤容重與機(jī)械組成

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同一列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。CK1：玉米坡耕地、CK2:紅薯坡耕地、CK3:玉米+紅薯坡耕地、NT1:玉米新修梯田、NT2：紅薯新修梯田、NT3:玉米+紅薯新修梯田、NT4：烤煙新修梯田、OT1:玉米老梯田、OT2：紅薯老梯田。

Note: Data in the table represent the average value ± standard deviation; Different small letters in each column indicate significant difference at 0.05 level.

表3 土壤風(fēng)干團(tuán)聚體及水穩(wěn)性的分布特征

注：CK1: 玉米坡耕地、NT1: 玉米新修梯田、OT1:玉米老梯田、CK2: 紅薯坡耕地、NT2: 紅薯新修梯田、OT2：紅薯老梯田。

2.3 土壤pH與養(yǎng)分特征

研究區(qū)紅壤的平均pH范圍為5.27～5.89，坡耕地、新修梯田、老梯田及各種作物下土壤pH均無(wú)顯著性差異(表4)。

老梯田的有機(jī)質(zhì)含量最高，大于30 g·kg-1，顯著高于新修梯田和坡耕地處理，而新修梯田與坡耕地各作物處理下一般無(wú)顯著差異。在種植玉米條件下，老梯田(OT1)土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于另外2種處理，但新修梯田(NT1)和坡耕地(CK1)土壤無(wú)顯著差異。在種植紅薯?xiàng)l件下，老梯田(OT2)土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于另外2種處理，但新修梯田(NT2)和坡耕地(CK2)土壤也無(wú)顯著差異。玉米和紅薯套種的坡耕地(CK3)與新修梯田(NT3)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別是20.2、21.1 g·kg-1，并無(wú)顯著性差異。

全氮含量最高的是老梯田，平均含量大于1.75 g·kg-1，顯著高于新修梯田和坡耕地土壤。新修梯田土壤全氮平均含量在1.28～1.34 g·kg-1之間，高于坡耕地土壤全氮平均含量(0.83～1.23 g·kg-1)，但除CK1處理外，新修梯田與坡耕地之間無(wú)顯著差異。在種植玉米條件下，老梯田(OT1)土壤全氮含量>新修梯田(NT1)>坡耕地(CK1)，且3種處理間差異顯著。在種植紅薯的條件下，老梯田(OT2)土壤全氮含量顯著高于新修梯田(NT2)和坡耕地(CK2)，后2種處理之間土壤全氮含量無(wú)顯著差異。玉米和紅薯套種的坡耕地(CK3)與新修梯田(NT3)土壤全氮平均含量無(wú)顯著性差異。

表4 土壤pH與養(yǎng)分含量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Data in the table represent the average value ± standard deviation; Different small letters in each column indicate significant difference at 0.05 level.

圖1 不同降雨強(qiáng)度下坡耕地和新修梯田的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量Fig.1 Runoff and sediment yield of slope croplands and newly-built terraces with different rainfall intensities

老梯田土壤水解氮平均含量整體最高，超過(guò)150 mg·kg-1，顯著高于坡耕地，而新修梯田土壤水解氮平均含量則位于老梯田和坡耕地土壤之間。在種植玉米條件下，老梯田(OT1)顯著高于坡耕地(CK1)和新修梯田(NT1)，而CK1和NT1兩者間不具有顯著性差異。種植紅薯的老梯田(OT2)和新修梯田(NT2)土壤水解氮平均含量顯著大于種植紅薯的坡耕地(CK2)。

2.4 種植不同作物方式下的產(chǎn)流與產(chǎn)沙

2.4.1 坡耕地 在中雨、小雨條件下，紅薯地(CK2)產(chǎn)生的徑流量最大，均高于玉米地(CK1)和紅薯與玉米套種地(CK3)，降雨量越大，CK2產(chǎn)流量就越高于另外兩種處理。僅在降雨強(qiáng)度為6.5 mm·h-1時(shí)，套種處理(CK3)的產(chǎn)流量大于玉米地，其余均小于CK1處理(圖1)。

就產(chǎn)沙量而言，在中雨(> 2.5 mm·h-1)條件下，玉米地(CK1)的產(chǎn)沙量遠(yuǎn)高于紅薯地(CK2)，是紅薯與玉米套種地(CK3)的5和8倍。在小雨條件下，各處理產(chǎn)沙量均不高。在6.5 mm·h-1降雨強(qiáng)度時(shí)，紅薯地產(chǎn)流量雖高于玉米地，但產(chǎn)沙量卻低于玉米地，這應(yīng)該與紅薯葉主要是近地面生長(zhǎng)，地表覆蓋度高，具有相對(duì)好的保持水土能力有關(guān)。

2.4.2 新修梯田 新修梯田種植不同作物，不同降雨強(qiáng)度下，隨降雨強(qiáng)度增大，產(chǎn)流量隨之增大，烤煙地(NT4)產(chǎn)流量最大，其次為紅薯地(NT2)，最小的是玉米地(NT1)。產(chǎn)沙量也有相似現(xiàn)象，尤其是中雨條件下，烤煙地(NT4)產(chǎn)沙量高于玉米地，更高于紅薯地(NT2)產(chǎn)沙量的3倍。在小雨條件下，各處理產(chǎn)沙量均不高。中雨條件下，可能由于烤煙地的土壤容重、孔隙度及土壤緊實(shí)度有關(guān)，地表過(guò)于板結(jié)，直接影響了水分入滲能力，導(dǎo)致降雨難以及時(shí)下滲，烤煙地的產(chǎn)流和產(chǎn)沙量均高。

種植同一作物的坡耕地和新修梯田對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論種植玉米或紅薯，在中雨條件下新修梯田的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均遠(yuǎn)低于坡耕地。

3 討 論

梯田能夠攔截地表徑流，保持土壤，減少水土流失[10-13]。本文的自然降雨條件下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量實(shí)驗(yàn)也表明，在可產(chǎn)生明顯的降水量(如中雨)條件下，即使是新修梯田減流和減沙效果均高于坡耕地。種植的作物類(lèi)型與方式也影響產(chǎn)流產(chǎn)沙，植被覆蓋率大的單種或套種方式能有效的減少水土流失(圖1)。

盡管梯田減流與減沙效果顯著，但由于新修梯田的翻耕，以及梯田修筑過(guò)程中，表土回填不完全，會(huì)導(dǎo)致新修梯田在最初的一段時(shí)間內(nèi)土壤性質(zhì)不佳，可能不如同樣條件下的坡耕地[14-15]。在東川實(shí)驗(yàn)區(qū)的研究結(jié)果反映，在種植同一單一作物條件下，新修梯田土壤容重及孔隙度甚至分別顯著高于和低于坡耕地。但隨著坡改梯年限的增加，土壤容重及土壤孔隙度可以顯著降低和提高(表2)，改善土壤的耕作性，增強(qiáng)降水的入滲，減少地表徑流和產(chǎn)沙量。同時(shí)因?yàn)槲⒌匦蔚母淖?，梯田保水保土，?jīng)過(guò)多年耕作熟化，使老梯田土壤砂粒顯著減少。坡改梯工程將田面坡度變得平坦，延長(zhǎng)了雨水的入滲時(shí)間，減少了雨水沖刷泥土帶來(lái)的坡面水土流失，坡改梯提高土壤風(fēng)干大團(tuán)聚體的含量。坡改梯可以形成良好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，而且地勢(shì)變平坦有利于枯枝落葉的堆積，也有利于良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，從而增強(qiáng)梯田土壤的抗沖性和抗蝕性。

修筑建成初期的新修梯田不僅土壤容重、孔隙度與坡耕地土壤差異不顯著，而且在有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮和速效磷含量也無(wú)顯著差異。但由于梯田具有的攔截泥沙，減少?gòu)搅?，攔蓄養(yǎng)分和減少的功能，隨著坡改年限的增加，土壤質(zhì)地逐步變輕，土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，養(yǎng)分流失減少，有機(jī)物質(zhì)積累增多，老梯田的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮等主要養(yǎng)分含量相較于新修梯田和坡耕地顯著增加(表4)。

作物種植類(lèi)型與方式對(duì)土壤容重以及養(yǎng)分含量等性質(zhì)影響作用不顯著。分別種植玉米、紅薯、煙草及玉米和紅薯套種等方式下在坡耕地、新修梯田和老梯田內(nèi)部之間的土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮等含量未出現(xiàn)顯著性差異(表2、表4)。可見(jiàn)實(shí)行坡改梯措施的長(zhǎng)期效益，在固土保水、提高土壤質(zhì)量、增強(qiáng)土壤抗沖和抗蝕性的作用十分顯著。

4 結(jié) 論

坡耕地改為梯田后，削緩坡度，截短坡長(zhǎng)，增加了土壤入滲，其減流減沙效果明顯。但受翻耕擾動(dòng)以及可能的施工措施不規(guī)范、嚴(yán)格等因素影響，梯田修筑后的初期階段，梯田土壤的主要物理性質(zhì)與養(yǎng)分與坡耕地土壤沒(méi)有顯著差異，土壤質(zhì)量改善未有改善，部分性質(zhì)可能出現(xiàn)劣化。而隨坡改梯年限增加，其減流減沙和保肥等水土保持累積效應(yīng)以及耕作熟化作用明顯，老梯田(>10a)土壤容重顯著下降而土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和水解氮等含量顯著提高，土壤質(zhì)量極大改善?？梢?jiàn)，坡改梯在長(zhǎng)期實(shí)行后，其在固土保水、提高土壤質(zhì)量等效益會(huì)十分顯著。