侵蚀红壤区缓坡地土壤物理性状对水土保持措施的响应

喻荣岗，谢颂华，张华明，陈 浩，左继超，沈发兴

( 1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)



侵蚀红壤区缓坡地土壤物理性状对水土保持措施的响应

喻荣岗1,2，谢颂华1,2，张华明1,2，陈 浩1,2，左继超1,2，沈发兴1,2

( 1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

结合长期定位试验和室内分析，研究了侵蚀红壤区不同水土保持措施下坡地土壤容重、孔隙度、持水性能和团聚度等因子的变化，分析了不同水土保持措施的土壤改良效果。研究结果表明，不同水土保持措施显著影响侵蚀红壤区坡地土壤容重、持水量因子(最大持水量、毛管持水量和田间持水量)、湿筛团聚体组成、湿筛MWD、结构破坏率、团聚体稳定性等因子，但是对孔隙度因子(总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、分散率、干筛团聚体组成和干筛MWD影响不显著。牧草措施可显著降低土壤容重、结构破坏率和分散率，提高土壤总孔隙度、各持水量因子、大团聚体(>0.25 mm)含量和团聚体稳定性，显著改善土壤物理性质状况。研究区可用土壤持水量因子作为衡量土壤肥力状况的简化指标。

侵蚀红壤区；水土保持措施；土壤物理性质

土壤物理性状是最为重要的土壤性质之一，不但调控着发生在土壤中的化学和生物反应过程，而且是土壤抗侵蚀能力指标体系的重要组成部分，是水土保持效益研究的重要内容[1-2]。土壤物理性状对水土保持措施的响应与研究地点、水土保持措施种类、土壤类型、侵蚀类型和强度等诸多因子有关[3-5]。目前在土壤物理性状对水土保持措施响应研究方面，主要集中在黄土高原以及南方丘陵等地区的剧烈侵蚀类型区[6-8]，这些研究所涉及的侵蚀坡地坡度均大于15°，对于15°以下缓坡地的关注较少。我国退耕还林还草措施主要对象为大于15°的坡地[9]，而小于15°的坡地则继续被农业生产活动所影响，其土壤侵蚀和水土流失对区域水土流失总量的贡献逐渐增高[10]。因此开展缓坡地土壤物理性质对水土保持措施响应的研究，不但可以深化和完善水土保持效益评价的内容，而且可以为筛选合适的水土保持措施提供科学依据和实践指导。

侵蚀红壤区是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一，该区土壤侵蚀面积达25万km2，占东南部红壤面积的22%，是我国土壤侵蚀和水土流失治理的重点区域之一，在南方丘陵区土壤侵蚀与水土流失研究中具有非常典型的代表性[11-12]。本研究以江西水土保持生态科技园的牧草、农作物和梯田等缓坡地水土保持措施的不同处理小区为研究对象，分析了不同水土保持措施对土壤物理性状的影响，旨在为红壤侵蚀区高效的水土保持治理措施的选择与植被恢复的土壤改良效益评价提供理论依据，并且为比较不同侵蚀区缓坡地水土保持效益积累基础资料。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验布设在位于鄱阳湖水系的博阳河西岸的江西水土保持生态科技园内(115°23′～115°53′ E，29°10′～29°35′ N)，研究区海拔30～100 m，坡度小于25°，属浅丘岗地。研究区年均降雨1469 mm，主要集中在4～8月份，年均气温16.7 ℃，日照时数1700～2100 h，无霜期249 d，属亚热带季风气候。土壤为第四纪红色粘土发育的红壤，森林植被为常绿阔叶林带，植物种类繁多，但由于长期过度开发利用，地表植被遭到破坏，水土流失严重，其流失面积占总土地面积的85.6%，且土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主。

1.2 试验小区设计

在同一坡面上布设标准小区(5 m×20 m)，小区坡度12°。坡面植被类型为果园。试验设计牧草措施、农作物、梯田和对照措施4个处理，各个处理的重复数分别为6、2、4和3个。牧草处理采用牧草(百喜草、雀稗草、狗牙草)覆盖坡地，小区植被覆盖度为80%～95%；农作物处理播种黄豆和萝卜，每年4月12日～8月10日种黄豆，8月12日～次年3月12日种萝卜，不施肥；梯田处理梯壁植百喜草，梯面植柑橘树；对照处理全区裸露。小区管理均按《水土保持试验规范SD 239—87》标准[12]进行。

1.3 土壤样品采集和分析

于2006年9月在研究区内采样0～20 cm表层土壤样品。采样时，去除表层未腐解的枯枝落叶，每个小区按照S形取样法随机选取5点，用土钻采集土壤样品，混匀风干，以供土壤物理性质的测定。

土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量和饱和持水量的测定采用环刀法；干筛和湿筛土壤团聚体分析采用沙维诺夫分级法；团聚状况=>0.05 mm(微团聚体-机械组成)；团聚度=团聚状况×100%/(>0.05 mm微团聚体)；分散率=(<0.05 mm微团聚体)×100%/(<0.05 mm机械组成)；结构体破坏率=[>0.25 mm团粒(干筛-湿筛)]×100%/[>0.25 mm团粒(干筛)][13-14]。

土壤平均水稳性团粒重量直径(MWD)计算公式为：

式中：MWD为平均水稳性团粒重量直径(mm)；Xi为第i级的平均直径(mm)；Wi为第i级的土壤重量(mg)；WT为供试土壤的总重量(mg)。

方差分析(ANOVA)、相关性分析(CORR)、主成分分析(PRIN COMP)采用SPSS软件进行。

2 结果与分析

2.1 侵蚀红壤区坡地土壤物理性质的变化

通过比较研究区对照坡地2001年和2006年土壤物理性质变化可以看出(表1)，经过5年侵蚀后，对照坡地土壤物理性质发生了显著变化，土壤容重、分散率和结构破坏率分别增加了3.82%、5.26%和7.41%；总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、>0.25 mm水稳性团聚体、>0.05 mm微团聚体、团聚体稳定性和土壤MWD分别降低了2.26%、0.63%、10.54%、5.12%、4.52%、19.64%、29.53%、22.56%、45.02%和18.42%，表明其土壤结构恶化，土壤质量严重退化。

表1 裸露对照区2001与2006年土壤物理性质对比状况

2.2 不同水土保持措施对土壤物理性质的影响

不同水土保持措施显著改变了土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、湿筛各粒级团聚体、结构破坏率、团聚体稳定性、分散率和湿筛土壤MWD，但对土壤干筛各粒级团聚体组成和干筛土壤MWD状况影响不显著(表2)。

本研究中不同水土保持措施显著改变了土壤容重(表2、图1)。牧草、农作物和梯田措施显著降低了土壤容重值，降幅分别为7.69%、6.20%和4.16%(P<0.05)。土壤容重的降低表明3种水土保持措施特别是牧草措施能显著改善土壤表层结构。不同水土保持措施下土壤容重差异的原因主要有以下方面：(1)草本植物须根系埋藏浅且数量多，草根的穿插使得土壤颗粒粉碎，孔隙增多，直接减小土壤容重；(2)草本植物的凋落物在土壤中易分解腐化成土壤有机质，间接降低了土壤容重；(3)农作物处理经常翻耕，有利于土壤大颗粒的粉碎，从而间接降低了土壤的容重[3]。

表2 土壤物理性质方差分析结果

与对照相比，牧草、农作物和梯田措施均显著增加了土壤总孔隙度，增加幅度分别为6.75%、4.02%和2.95%；牧草措施降低了毛管孔隙度，降幅为1.13%，而农作物和梯田措施增加了毛管孔隙度，增幅分别为1.97%和5.11%；牧草和农作物措施增加了非毛管孔隙度，增幅分别为52.60%和15.98%，而梯田措施降低了非毛管孔隙度，降幅为9.68%。梯田措施在毛管孔隙度以及非毛管孔隙度等方面表现出与牧草区组和耕作区组不同的特征，主要是由于梯田修筑，截短了坡长，改变了坡面水系，下雨时台面容易受雨水充分浸润，天晴时台面裸露直接受到太阳曝晒，土壤毛细作用非常强烈，直接导致毛管孔隙度相对数量增多，非毛管孔隙度受水分强烈运动影响反而会较牧草措施和农作物措施有所减少[12]。

与对照相比，不同水土保持措施均显著增加了土壤持水性能，如牧草、农作物和梯田处理土壤最大持水量比对照处理分别增加15.72%、10.89%和7.40%，毛管持水量分别增加8.24%、9.76%和10.75%，田间持水量分别增加28.86%、16.88%和15.22%。各措施类型改善最大持水量效果依次为牧草>农作物>梯田；改善毛管持水量效果依次为梯田>牧草>农作物；改善田间持水量效果依次为牧草>农作物>梯田。可见，牧草措施对最大持水量和田间持水量改善效果比较好，梯田措施对毛管持水量改善效果比较好。土壤持水性能的改善对于提高缓坡地水土保持效益具有重要意义。南方丘陵区土壤侵蚀主要机理为蓄满产流[15]，土壤持水性能的增加，不但能够提高缓坡地土壤水分有效性，而且可以提高降雨过程中土壤蓄积雨水的容量，延迟初始产流时间，从而增强土壤对侵蚀的缓冲能力。

不同措施土壤干筛和湿筛团聚体组成如图1所示。干筛后各级别团聚体组成在不同措施间表现为：干筛>5 mm团聚体为牧草>梯田>农作物；5～3、3～2、2～1、1～0.5和<0.25 mm团聚体为农作物>梯田>牧草；0.5～0.25 mm团聚体为农作物>牧草>梯田。湿筛后各级别团聚体含量在不同措施间表现为：>5 mm团聚体为牧草>农作物>梯田；5～3、3～2、2～1和1～0.5 mm团聚体表现为梯田>牧草>农作物；0.5～0.25 mm团聚体含量表现为梯田>农作物>牧草；<0.25 mm团聚体含量表现为农作物>梯田>牧草。与对照相比，采取不同水土保持措施后，干筛和湿筛大团聚体(>0.25 mm)均有明显增加，牧草、农作物和梯田分别增加了3.24%、1.34%、2.22%和39.65%、13.13%、34.37%，体现了水保措施的作用与效果。不同级别团聚体分布也比较均匀，也表明长期采取水保措施能显著改善土壤团聚体的结构，增加团聚体尤其是较大团聚体的含量。为进一步了解长期水土保持措施土壤结构的整体分布状况，求出了干筛和湿筛土壤MWD(图1)。MWD大小全方位地反映了土壤的团聚状况，经过长期水保措施后，干筛和湿筛土壤团聚体MWD均发生了显著变化，所有土壤干湿筛MWD明显高于对照土壤，分别表现为牧草>梯田>农作物>对照和牧草>农作物>梯田>对照，相对于对照，增幅分别为13.02%、10.96%、4.36%和100.42%、64.50%、62.29%，表明水土保持措施能显著地改善土壤团聚体的基本组成，再次体现了长期水土保持措施的作用与效果。最后比较了不同水保措施土壤团聚体稳定性、结构破坏率和分散率(图1)。与对照相比，采取水土保持措施后，土壤结构破坏率和分散率有显著降低，且不同措施间表现为牧草<梯田<农作物，降幅分别为34.83%、31.11%和11.46%；团聚体稳定性增加，表现为牧草>梯田>农作物，增幅分别为53.99%、49.93%和19.57%。进一步表明，3种水土保持措施以牧草为最佳，农地则由于经常耕作，较易破坏大团聚体，相对而言其团聚体稳定性较差。

图1 不同水土保持措施下土壤物理性质的变化

2.3 土壤物理性状评价指标筛选

2.3.1 相关分析 本研究选取容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、结构破坏率、团聚体稳定性、分散率、干筛MWD、湿筛MWD等12个指标来评价试验区域的土壤物理性状。各指标的相关矩阵(表3)表明，大部分土壤物理性状之间具有一定的相关性，其中，土壤容重、总孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、结构破坏率、团聚体稳定性、分散率和湿筛平均重量直径之间具有显著的相关性。另外，毛管孔隙度与非毛管孔隙度和毛管持水量之间，非毛管孔隙度与容重、总孔隙度、田间持水量之间，干筛平均重量直径与结构破坏率、团聚体稳定性和湿筛平均重量直径之间具有显著的相关性，与其它物理性状指标的相关性不明显。

2.3.2 主成分分析 在主成分分析中，因子1、因子2和因子3的特征值都大于1，分别解释了总方差变异的63.4%、17.9%和12.7%，累计贡献率达94.1%(表4)。在因子1所包含的指标中，土壤最大持水量和田间持水量具有较高的正负载，由于因子1所包括的变量都与持水量显著相关，将其命名为持水量因子；在因子2上，毛管孔隙度和毛管持水量有较高的正负载，将其命名为孔隙度因子；在因子3上，干筛平均重量直径和团聚体稳定性有较高的负载，将其命名为团聚体因子。

通过主成分分析，将指标归结为3个因子，不同治理措施下土壤物理性状指标的差异可以通过3个因子的综合值体现出来(表5)。持水量因子(因子1)值越大，与持水量因子相关的土壤孔隙度、毛管孔隙度、团聚体稳定性、干筛MWD、湿筛MWD越高，土壤质量水平越高；孔隙度因子和团聚体因子值越大，则土壤毛管孔隙度、毛管持水量、团聚体稳定性和干筛MWD越高。本研究中，由于不同措施对毛管孔隙度和干筛平均重量直径影响不显著，而且不同措施下土壤持水量变化趋势与其他土壤物理指标变化趋势相似，因此在研究区可以利用持水量因子作为衡量土壤肥力状况的简化指标。

表3 土壤物理性状指标相关性分析

表4 不同治理措施土壤物理性状指标主成分分析的特征值与负荷量

表5 不同治理措施土壤物理性状指标的主成分分析

3 结论

本研究结果表明，不同水土保持措施显著影响侵蚀红壤区坡地土壤容重、持水量因子(最大持水量、毛管持水量和田间持水量)、湿筛团聚体组成、湿筛MWD、结构破坏率、团聚体稳定性等因子，但是对孔隙度因子(总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)、分散率、干筛团聚体组成和干筛MWD影响不显著。牧草措施可显著降低土壤容重、结构破坏率和分散率，提高土壤总孔隙度、各持水量因子、大团聚体(>0.25 mm)含量和团聚体稳定性，显著改善土壤物理性质状况。研究区可用土壤持水量因子作为衡量土壤肥力状况的简化指标。

[1] Shen H, Jiang F, Du X, et al. Evaluation on soil anti erodibility of soil and water conservation forest[J]. Ying Yong Sheng Tai Xue Bao, 2000, 11(3): 345-348.

[2] 史东梅,吕刚,蒋光毅,等.马尾松林地土壤物理性质变化及抗蚀性研究[J].水土保持学报,2005,19(6):35-39.

[3] 喻荣岗.水土保持措施土壤改良效益研究[D].南昌:江西农业大学,2011.

[4] 韩晓增,邹文秀,阎百兴,等.水土流失对黑土理化性状的影响及水土保持措施的效果[J].中国水土保持,2009(1):13-16.

[5] 郑海金,杨洁,黄鹏飞,等.覆盖和草篱对红壤坡耕地花生生长和土壤特性的影响[J].农业机械学报,2016,47(4):119-126.

[6] 费喜亮,景凌云,孙栋元.黄土区不同地类土壤容水量与渗水率的试验研究[J].水土保持通报,2011,31(6):5-10.

[7] 孙永明,叶川,王学雄,等.赣南脐橙园水土流失现状调查分析[J].水土保持研究,2014,21(2):61-71.

[8] 周毅,魏天兴,解建强,等.黄土高原不同林地类型水土保持效益分析[J].水土保持学报,2011,25(3):12-16.

[9] 罗海波,钱晓刚,刘方,等.喀斯特山区退耕还林(草)保持水土生态效益研究[J].水土保持学报,2003,17(4):31-34.

[10] 徐勇,田均良,刘普灵.黄土丘陵区“梯田退耕”生态重建规划方法:以燕沟流域为例[J].自然资源学报,2004,19(5):637-645.

[11] 彭新华,张斌,赵其国.红壤侵蚀裸地植被恢复及土壤有机碳对团聚体稳定性的影响[J].生态学报,2003,23(10):2176-2183.

[12] 喻荣岗,杨洁,王农,等.侵蚀红壤区不同水土保持措施的土壤改良效果研究[J].中国水土保持,2012,24(7)：40-42.

[13] 杨培岭,罗远培,石元春.用粒径的重量分布表征的土壤分形特征[J].科学通报,1993,38(20):1896-1899.

[14] 张甘霖.土壤调查实验室分析方法[M].北京:科学出版社,2012.

[15] 吕玉娟,彭新华,高磊,等.红壤丘陵岗地区坡地产流产沙特征及影响因素研究[J].水土保持学报,2014,28(6):19-23.

(责任编辑：许晶晶)

Response of Soil Physical Properties to Soil and Water Conservation Measures in Gentle Sloping Land of Erosive Red Soil Region

YU Rong-gang1,2, XIE Song-hua1,2, ZHANG Hua-ming1,2, CHEN Hao1,2,ZUO Ji-chao1,2, SHEN Fa-xing1,2

(1. Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China;2. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention, Nanchang 330029, China)

Combined with long-term location test and indoor analysis, the soil physical properties such as soil bulk density, soil porosity, soil water retention, and soil aggregation degree in gentle sloping land of erosive red soil region under different soil and water conservation measures were studied, and the soil improvement effects of different soil and water conservation measures were analyzed. The results showed that different soil and water conservation measures all had a significant impact on soil bulk density, soil water retention factors (maximum water retention, capillary water retention, and field water retention), wet-sieved aggregate composition, wet-sieved MWD (mean weight diameter), rate of structure deterioration, and aggregate stability of erosive red-soil sloping land, but they had no any significant impacts on soil porosity factors (total porosity, capillary porosity, and non-capillary porosity), soil dispersion rate, dry-sieved aggregate composition, and dry-sieved MWD. The forage grass planting measure could significantly reduce soil bulk density, rate of structure deterioration, and soil dispersion rate, and increase soil total porosity, all soil water retention factors, large aggregate (>0.25 mm) content, and aggregate stability, thus significantly improved soil physical properties. In the studied region, the soil water retention could be used as a simple indicator for the evaluation of soil fertility.

Red soil erosion region; Soil and water conservation measures; Soil physical properties

2016-09-07

国家自然科学基金资助项目(41461060)。

喻荣岗(1977─) ，男，江西德安人，高级工程师，硕士，主要从事水土保持研究和监测工作。

S152

A

1001-8581(2016)11-0085-05