紙坊溝流域不同農(nóng)田類(lèi)型土壤理化指標(biāo)和抗蝕性演變特征

紙坊溝流域不同農(nóng)田類(lèi)型土壤理化指標(biāo)和抗蝕性演變特征

洛杉磯高原以其深厚的黃土層和嚴(yán)重的水土流失而聞名。長(zhǎng)期以來(lái)，由于開(kāi)墾、砍伐和灌溉，該地區(qū)的農(nóng)業(yè)區(qū)面積顯著增加。這種不適當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞竭M(jìn)一步加劇了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。近年來(lái),以實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展為目標(biāo),在該地區(qū)開(kāi)展了一系列的生態(tài)治理研究,逐步形成了多種各具特色的水土保持型生態(tài)農(nóng)業(yè)用地模式。土壤質(zhì)量是評(píng)價(jià)這些模式生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要方面,監(jiān)測(cè)其變化方向、幅度和持續(xù)時(shí)間是農(nóng)業(yè)土地管理的重要內(nèi)容。土壤抗蝕性(Soilanti-erodibility)是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,是指土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分散和搬運(yùn)作用的抵抗能力,即土壤對(duì)侵蝕的易損性或敏感性的倒數(shù),是反映土壤是否易受侵蝕動(dòng)力破壞的指標(biāo)。土壤抗蝕性作為評(píng)定土壤抵抗土壤侵蝕能力的重要參數(shù)之一,與土壤內(nèi)在理化性質(zhì)關(guān)系密切,其大小主要取決于土壤對(duì)水的親和力以及土粒間的膠合力。目前,針對(duì)黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)田類(lèi)型土壤抗蝕性的研究相對(duì)較少,因此本文以典型侵蝕環(huán)境下的紙坊溝流域不同類(lèi)型農(nóng)田土壤為研究對(duì)象,分析土壤抗蝕性的分異特征,旨在為該地區(qū)生態(tài)治理過(guò)程中土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1森林草原干草原研究區(qū)位于陜西省安塞縣紙坊溝流域(109°13′46″—109°16′03″E,36°46′42″—36°46′28″N),處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過(guò)渡的森林草原帶。該區(qū)地形破碎,溝壑縱橫,屬黃土高原丘陵溝壑地貌,暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候,海拔1010~1400m,年均氣溫8.8℃,年平均降水量505.3mm。土壤類(lèi)型以黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃土正常新成土為主,抗沖抗蝕能力差。紙坊溝流域是中科院安塞水土保持試驗(yàn)站生態(tài)恢復(fù)定位試驗(yàn)研究小流域,經(jīng)過(guò)30多年的水土保持綜合治理,在該流域內(nèi)形成了較為全面的土地利用方式和農(nóng)田土地利用類(lèi)型。1.2對(duì)于采樣地的采樣在流域內(nèi)選擇營(yíng)造和管理方法相近,土壤與成土母質(zhì)類(lèi)型相同的農(nóng)田類(lèi)型為樣地(表1)。這些樣地(除大棚以外)的水分來(lái)源主要依靠天然降雨,所有作物秸稈以能源材料或者牲畜飼料形式被利用,不回田,根茬通過(guò)犁地挖掘等方式取出并就地焚燒回田。采樣時(shí)避開(kāi)施肥期和施肥點(diǎn)。在每個(gè)樣地中選取3個(gè)研究小區(qū),每個(gè)小區(qū)之間相隔大于30m,在每個(gè)小區(qū)按S型選取6個(gè)點(diǎn),用土鉆法取0—20cm混合土樣,因?yàn)闃臃介g的距離超過(guò)了絕大多數(shù)土壤理化性質(zhì)和微生物性質(zhì)的空間依賴性,所以上述樣方可以看作是真重復(fù)。土壤樣品帶回室內(nèi)充分混勻后風(fēng)干、過(guò)1mm和0.25mm篩后測(cè)定其基本化學(xué)性質(zhì),同時(shí)用鋁飯盒多點(diǎn)(4~6點(diǎn))采集0—20cm表層有代表性的原狀土樣,保持其原有結(jié)構(gòu)狀態(tài),運(yùn)回室內(nèi),沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕剝開(kāi),剝成直徑為10~20mm的小土塊,并剔去粗根和小石塊,在室溫下風(fēng)干備用。1.2.1土壤中nbp測(cè)定(1)全氮(TN)采用半微量凱氏法測(cè)定;(2)pH值采用pH計(jì)測(cè)定,水土比為2.5∶1;(3)土壤全磷采用碳酸鈉熔融—鉬銻抗比色法;(4)速效磷用Olsen法測(cè)定;(5)速效鉀用乙酸銨提取—火焰光度法;(6)有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法。1.2.2重鉻酸鉀外加熱法土壤結(jié)構(gòu)用干濕篩法,干篩采用沙維諾夫法,濕篩采用改進(jìn)的約得(Yoder)法;土壤顆粒及微團(tuán)聚體采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000型激光粒度儀測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法。文中各項(xiàng)有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下:結(jié)構(gòu)體破壞率=?0.25mm團(tuán)粒(干篩?濕篩)?0.25mm團(tuán)粒(干篩)×100%=?0.25mm團(tuán)粒(干篩-濕篩)?0.25mm團(tuán)粒(干篩)×100%團(tuán)聚狀況=?0.05mm微團(tuán)聚體-?0.05mm機(jī)械組成團(tuán)聚度=團(tuán)聚狀況?0.05mm機(jī)械組成×100=團(tuán)聚狀況?0.05mm機(jī)械組成×100分散系數(shù)=＜0.001mm微團(tuán)聚體分析值＜0.001mm機(jī)械組成分析值=＜0.001mm微團(tuán)聚體分析值＜0.001mm機(jī)械組成分析值2結(jié)果與分析2.1坡耕地土壤肥力及土壤物理性質(zhì)的改變土壤化學(xué)屬性是土壤質(zhì)量的重要組成部分,反映了土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況,是度量土壤生長(zhǎng)潛勢(shì)的指標(biāo)。對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的分析表明,黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)田類(lèi)型土壤化學(xué)性質(zhì)差異較大(表2),其中以坡耕地最低,大棚菜地最高,土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效鉀含量由高到低均表現(xiàn)為:大棚菜地>川地>梯田>壩地>溝臺(tái)地>坡耕地;前5種農(nóng)地類(lèi)型土壤有機(jī)碳和全氮分別是坡耕地的1.43~4.80倍和1.46~5.2倍;全磷和速效磷大小順序略有差異,所不同之處為溝臺(tái)地略高于梯田和壩地。土壤化學(xué)性質(zhì)較易受外界環(huán)境因素的影響,耕作的精細(xì)化程度、土壤侵蝕等多種因素都會(huì)使土壤化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,坡耕地由于粗放式管理和水土流失的作用,土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重,化學(xué)性質(zhì)低下;經(jīng)土地整治改為其它幾種農(nóng)田類(lèi)型后,有效地降低了坡度,使水分就地入滲,減弱了土壤侵蝕的作用,使養(yǎng)分流失減少,加之耕作經(jīng)營(yíng)的精細(xì)化,有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料的投入,促進(jìn)了物質(zhì)元素的積累,土壤碳、氮、磷、鉀等元素含量增加,土壤化學(xué)性質(zhì)顯著改善。其中大棚菜地由于高強(qiáng)度的物質(zhì)輸入,土壤肥力顯著改善,碳、氮、磷含量較其它利用方式明顯增加,pH值明顯降低。川地由于良好的地形和較高的水分條件,對(duì)其耕作相對(duì)較為精細(xì),土壤養(yǎng)分的積累較為明顯,其含量相對(duì)較高。由于該地區(qū)農(nóng)田經(jīng)營(yíng)管理方法的相似性,梯田、壩地和溝臺(tái)地土壤化學(xué)性質(zhì)整體差異不大,但相對(duì)于坡耕地,這三者的養(yǎng)分流失較少,土壤化學(xué)性質(zhì)高于坡耕地,表明這三種農(nóng)田類(lèi)型較坡耕地對(duì)土壤養(yǎng)分的積累作用明顯。2.2土壤結(jié)構(gòu)與土壤微團(tuán)聚體土壤物理特征是反映土壤基本性狀和結(jié)構(gòu)的指標(biāo),土壤容重是土壤物理的一個(gè)重要指標(biāo),其大小受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性和松緊度等因素的影響,對(duì)不同農(nóng)田類(lèi)型土壤物理性狀的分析表明(表3),大棚、川地、壩地的土壤容重要高于梯田、溝臺(tái)地和坡耕地,這主要是由于川地和大棚菜地施肥量較大,管理較為精細(xì),有機(jī)物質(zhì)的粘結(jié)性更強(qiáng),容重較大,壩地的容重較高可能是由于壩地土壤是土壤侵蝕的產(chǎn)物,隨著侵蝕物的沉積,形成了具有自身特征的土壤結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為容重較大。土壤抗蝕性是指土壤抵抗徑流水對(duì)其分散和懸浮的能力,是影響土壤侵蝕的重要因子,通常主要通過(guò)土壤團(tuán)聚體組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成、微團(tuán)聚體組成等進(jìn)行表征。土壤大團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元,是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器,主要包括水穩(wěn)性團(tuán)聚體和非水穩(wěn)性團(tuán)聚體,其具有保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層等作用,在一定程度上表征土壤的通氣性與抗蝕性。不同農(nóng)田類(lèi)型土壤大團(tuán)聚體含量在83%~97%,整體變幅不大;水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在12%~51%,整體值偏小,這主要是由于長(zhǎng)期耕作造成土壤大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞,而在不同農(nóng)田類(lèi)型中,以坡耕地的水穩(wěn)性團(tuán)聚體最小,這主要是由于水土流失造成地表裸露,有機(jī)質(zhì)不能有效地歸還到土壤中,造成土壤黏結(jié)度降低,制約了土壤大團(tuán)聚體的形成,使結(jié)構(gòu)體很難得到恢復(fù),水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量極低;梯田水穩(wěn)性團(tuán)聚體較低的原因是由于樣地中包含一個(gè)當(dāng)年新修梯田,從而顯著地降低了其含量,而修建多年以后的梯田水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量則顯著增加。土壤微團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)地有密切關(guān)系,在有機(jī)物缺乏、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)很難形成的土壤中常作為土壤肥力水平的主要判據(jù)之一,特別是在團(tuán)粒結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性較差的黃土高原區(qū),土壤微團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量(穩(wěn)定性、大小等)對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)有著重要的作用,其中<1μm的微團(tuán)聚體含量和大團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用緊密相關(guān)。由表3可以看出,<1μm微團(tuán)聚體含量在1.8%~3.8%之間,除大棚外,其他農(nóng)田類(lèi)型均高于坡耕地,但整體變幅并不大,這可能是黃綿土的特性和該區(qū)域耕作措施共同作用的結(jié)果。土壤結(jié)構(gòu)是維持土壤功能的基礎(chǔ),其穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì),主要體現(xiàn)在土壤團(tuán)聚度、分散系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)和結(jié)構(gòu)體破壞率。土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)是評(píng)價(jià)土壤形成微團(tuán)聚體的能力和土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo),也是評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的重要指標(biāo),結(jié)構(gòu)系數(shù)越大,抗蝕能力越強(qiáng)。土壤分散系數(shù)也可以表達(dá)土壤的抗蝕能力,分散系數(shù)越小,表示土壤抵抗侵蝕能力越強(qiáng);反之,分散系數(shù)越大,表示土壤抗侵蝕能力越弱。黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)田類(lèi)型土壤可蝕性因子差異較大(表3),土壤團(tuán)聚度大小依次為:川地>大棚>溝臺(tái)地>壩地>坡耕地>梯田,分散系數(shù)依次為:坡耕地>梯田>大棚>川地>壩地>溝臺(tái)地,結(jié)構(gòu)系數(shù)與分散系數(shù)的大小順序正好相反,土壤體破壞度大小依次為:坡耕地>梯田>溝臺(tái)地>川地>壩地;通過(guò)分析可以看出,總體上前幾種農(nóng)地類(lèi)型較坡耕地可以明顯增加土壤抗蝕能力,其中溝臺(tái)地和川地要好于壩地、大棚和梯田。2.3各功能性狀的相關(guān)性對(duì)土壤抗蝕性指標(biāo)與理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4),結(jié)果表明:容重和土壤化學(xué)養(yǎng)分因子相關(guān)性較強(qiáng),和有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效鉀呈顯著或極顯著正相關(guān),和CaCO3呈極顯著負(fù)相關(guān);<1μm微團(tuán)聚體含量和有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷呈顯著負(fù)相關(guān),和pH值呈極顯著正相關(guān);水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、土壤結(jié)構(gòu)體破壞率和速效磷、CaCO3相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著水平;團(tuán)聚度僅和pH值呈顯著負(fù)相關(guān);大團(tuán)聚體含量、分散系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)和化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性較弱。3農(nóng)田類(lèi)型對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)田類(lèi)型土壤化學(xué)性質(zhì)和抗蝕性差異較大,土壤化學(xué)性質(zhì)以坡耕地最低,大棚菜地最高,土壤有機(jī)碳、全氮、堿解