不同生物治理模式下红壤抗蚀性变化特征及其影响因素

陈建威，张展羽，杨 洁，陈晓安，唐 丹

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098； 2.江西省水土保持科学研究院，南昌 330045)

南方红壤丘陵区是我国南方面积最大、水土流失最为严重的区域。水土流失不仅造成当地土地生产力下降，土地资源严重退化甚至彻底破坏，而且由此引发的生态环境问题日益突出，严重制约区域社会经济与环境资源的可持续发展[1]。生物措施(亦称林草措施)是通过植树种草结合发展经济植物，增加地面植被覆盖率，保持水土与涵养水源地措施，是水土保持3大措施之一，由于生物措施具有强大的防治水土流失的功能，并且与其他两种措施(工程措施和耕作措施)相比，治根治本，对地表的破坏程度也非常小，所以在水土流失中对生物措施的研究意义非常大[2,3]。

土壤抗蚀性是指土壤对侵蚀营力分离和搬运作用的抵抗能力，是土壤性质的一个方面，也是评价土壤抵抗侵蚀营力破坏的性能和土壤质量的重要指标之一[4,5]。抗蚀性的大小主要取决于土粒与水的亲和力及土粒间的胶结力[6,7]，Deuchras等[8]研究发现土壤抗蚀性的强弱与土壤内在的物理与化学性质关系密切。水土保持生物治理措施通过构建植被达到拦截降雨，阻滞气流，抵消侵蚀动能，蓄积水分的目的，其地下根系对土壤的抗侵蚀作用具有非常重要的影响[9]，通过网络、黏结土粒，固持土壤，改良土壤物理化学性质，比如水稳性团聚体的含量、土壤孔隙度和土壤有机质含量等性质[10]，进而提高土壤抗蚀性，在南方红壤丘陵地带得到广泛推广和应用。

因此，本文对不同生物治理模式下红壤抗蚀性进行分析研究，以期找到土壤抗蚀性变化的主要影响因子并建立土壤抗蚀性综合评价模型，为完善生物治理模式下南方红壤丘陵区土壤抗蚀性评价指标体系及土壤抗蚀性评价提供科学依据。

1 研究区概况

研究区设于江西省水土保持生态科技园内，地处鄱阳湖水系德安县郊燕沟小流域，位于东经115°42′38″～115°43′06″，北纬29°16″37″～29°17′40″之间。该园属于亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，日照充足，多年平均降雨量1 451.8 mm，年日照时数1 900～2 000 h，无霜期282 d。研究区位于我国红壤分布区的中心区域，土壤母质主要是第四纪红黏土和泥质岩类风化物；地貌类型主要为浅丘岗地，海拔高度25～30 m，坡度多在5°～25°。第四纪红黏土发育的红壤是南方红壤丘陵区主要土壤类型之一，又叫网纹红土，主要分布于浙、赣、湘、鄂、黔、滇、粤和桂，尤以赣、湘二省最为发育，因此，研究区的地形及土壤条件在我国南方红壤丘陵区具有代表性。

研究区生物治理模式包括水保林地、林草结合、果林清耕3种，另设用于对照的撂荒裸地处理组，其基本情况见表1。4个试验小区均建立在厚度均匀、坡度较均、土壤理化性质较一致的坡面上，其中T1处理为人工营造水保林地；T2、T3、CK三个处理为水土保持标准径流小区，宽5 m，长20 m(水平投影)，水平投影面积100 m2，径流小区及人工林均建造于1999年，至今运行已超过15 a，土壤理化性质及结构趋于稳定。

表1 实验区基本情况

2 研究方法

2.1 土壤样品的采集

土壤样品采集时间为2016年5月，根据治理模式、地形及植被分布等因素选择典型样方，每种治理模式样地上设置3个样方，且保证样方内植被分布状况、样方面积、侵蚀程度基本一致。在每个样方内按S型布设样点，按深度0～10、10～20 cm分层采集原状土样和散土样，带回室内进行理化分析试验。

2.2 测定项目及方法

土壤水稳性团聚体采用沙维诺夫湿筛法[11]测定；土壤机械组成、微团聚体、有机质质量分数均采用常规方法测定[12]。

抗蚀指数、水稳性指数采用静水崩解法[11]，将所取原状土样按自然断裂面掰成直径约10 mm的土粒，自然风干后进行筛分，选取直径7～10 mm的土粒50颗，均匀放在孔径为5 mm的金属网格上，然后置于静水中进行观测，以1 min为间隔，分别记录分散土粒的数量，连续观测10 min，其总和即为10 min内完成分散的土粒总数(包括半分散数)。

抗蚀指数S=(总土粒-崩塌土粒)/总土粒×100%

2.3 数据处理

土壤结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、分散率、分散系数、团聚体破坏率、水稳性团聚体平均重量直径的计算式如下：

试验数据采用Excel 2010和SPSS19统计分析软件分析。

3 结果与分析

3.1 不同生物治理措施下土壤抗蚀性变化特征

土壤抗蚀指数是指土壤团聚体在静水中的分散程度，反映的是土壤的抗崩塌能力，可以很好地表征土壤抗水蚀性的强弱；抗蚀指数越大，抗崩塌能力越强，抗蚀性越强。从表2中可以看到，在0～20 cm土层，水保林治理措施下的土壤抗蚀性指数最大，为73%，然后依次为林草结合措施(61.83%)、果林清耕措施(28.33%)，撂荒裸地对照组最小，仅为7.33%。可以看到不同生物治理措施条件下土壤抗蚀性差异明显，其中水保林条件下土壤抗崩塌能力最好，团聚体遇水不易分散，抗蚀性最好，林草结合措施、果林清耕措施次之，撂荒裸地最差。这是因为水保林地树龄较长，根系发达，枯落物分解层储量较多，进而增加了土壤中的腐殖质，丰富土壤中的有机质，促进团粒结构形成，改善土壤理化性质[13,14]，所以抗蚀性较好；林草处理措施地表草皮覆盖度高，植物根系发达，其抗蚀性仅次于水保林；果林清耕措施下地表植被稀少，果林枯枝落叶顺坡流失，不易形成腐殖质层，抗蚀性又次之；撂荒裸地不具备以上提高抗蚀性的所有因子，故抗蚀性最差，且与其他治理措施之间均达到差异显著(P<0.05)，这表明各种生物治理措施均可以明显改善土壤性质，增强土壤抗蚀性，提高土壤保水保土能力。

表2 不同生物治理措施下土壤抗蚀指数分析

注：同列数据后小写字母表示不同生物治理模式间在5%水平下差异，上标字母表示同一治理模式不同土层间在5%水平下差异。

另外如表2所示，不同土层土壤抗蚀指数也有明显差异，各治理措施上层0～10 cm土壤抗蚀指数均高于下层10～20 cm。其中差异最大的是果林清耕措施，0～10 cm抗蚀指数是10～20 cm的8.45倍，撂荒裸地为6.34倍，水保林地为1.33倍，林草结合措施最小，为1.17倍。可知，随着土层深度增加，土壤抗蚀性会逐渐降低，这表明深层土壤较表层土壤也就更易被侵蚀，一旦表层土壤被破坏，将造成更严重的水土流失，因此水保工作中要尤为注意对表层土壤的保护。

3.2 不同治理措施下土壤抗蚀性指数随时间变化规律

如图1所示，各治理措施下土壤抗蚀性指数随着时间的增加均呈现下降的趋势。说明随着降雨历时的延长，土壤颗粒越来越容易分散崩塌，分散崩塌的细小土粒堵塞土壤的非毛管孔隙，影响雨水下渗，从而有利于地表径流的产生，造成土壤侵蚀。同时除了撂荒裸地外，各治理措施下土壤抗蚀性指数在浸水试验第一分钟都在65%以上，抗蚀性较强；而且随着时间的延长，不同治理措施下土壤抗蚀性指数变化规律也不尽相同，其中水保林地、林草结合治理措施下土壤抗蚀性指数变化较为平缓，而果林清耕、撂荒裸地条件下土壤抗蚀性指数在前5分钟下降幅度比较明显，抗蚀性快速下降。

图1 抗蚀性指数随时间变化规律

为了找出土壤抗蚀性指数与浸水时间的具体关系，利用统计分析软件SPSS19对不同治理措施条件下土壤抗蚀性指数(S)与浸水时间(t)做回归分析，发现三次函数的拟合效果最好，其通式为S=at3+bt2+ct+d，其决定系数均在0.99以上，不同治理方式下土壤抗蚀性指数与浸水时间的函数关系见表3。

表3 不同治理方式下土壤抗蚀性指数随时间变化曲线

3.3 土壤抗蚀性影响因子主成分分析

土壤抗蚀性的影响因素多而繁杂，影响因子多样，在对前人研究成果[3,15]分析的基础上，结合研究区域的特点，本研究选取4大类13个因子评价土壤抗蚀性，见表4。

表4 土壤抗蚀性影响因子

单一因子虽可在一定程度上评价土壤抗蚀性的相对强弱，但有片面性，评价因子太多又显得过于繁杂，应用起来很不方便而且有些因子之间有一定的信息重叠。因此针对不同研究条件，优化抗蚀评价指标体系成为土壤抗蚀性评价的重要基础工作[6]。本文以不同生物治理措施下土壤测定结果为分析对象，对13个抗蚀性评价因子进行主成分分析，力求以较少的新因子来代替原有因子，并尽可能多的保存原有因子的信息，以期确定生物治理模式下土壤抗蚀性最佳评价因子，并构建土壤抗蚀性评价模型。由表5可知，前3个主成分(Y1、Y2、Y3)的方差累计贡献率达到了83.59%，且特征值均大于1，满足主成分分析的要求。因此选用前3个主成分基本能反映不同生物治理措施下土壤抗蚀性的变异信息，衡量土壤抗蚀性的强弱。经过主成分分析，抗蚀性评价因子由原来的13维降到了3维，在损失很少信息量的前提下把多个因子转化成了几个综合因子，使问题得以简化，提高了分析效率，同时也抓住了主要矛盾，揭示了事物内部变量之间的规律性。

表5 抗蚀性影响因子主成分分析结果

注：Y1、Y2、Y3分别代表第一、第二、第三主成分。

从表5及表6可以看出，第一个主成分(Y1)的方差贡献率最大，达到了53.939%，可以较好地反映土壤抗蚀性的高低，第一主成分中粉砂粒含量(X1)、黏粒含量(X2)、胶粒含量(X3)和结构性颗粒指数(X4)、>0.25 mm水稳性团聚体含量(X9)、>0.25 mm团聚体破坏率(X10)、>0.5 mm团聚体破坏率(X11)、平均质量直径(X12)以及有机质含量(X13)的载荷系数较高，其中X1、X10和X11三个指标载荷系数为负值，其余为正，表明X2、X3、X4、X9、X12、X13等因子数值越大，X1、X10、X11三个因子数值越小，土壤的抗蚀性越好。第二主成分中团聚状况(X5)、团聚度(X6)、分散率(X7)三个指标的载荷系数较高，可称为微团聚体类因子，其中分散率载荷系数为负值，团聚状况、团聚度为正值，表明团聚状况、团聚度值越大，分散率越小，抗蚀性越好。第三主成分中分散系数(X8)载荷系数较高，为负值，表明土壤抗蚀性随着分散系数的增大而减小。

表6 因子载荷矩阵

注：抗蚀性影响因子及主成分见表4、表5。

3.4 土壤抗蚀性综合评价模型构建

Y1=-0.338X1+0.315X2+0.311X3+0.324X4+

0.106X5-0.102X6-0.157X7+0.077X8+0.347X9-

0.341X10-0.354X11+0.326X12+0.254X13

(1)

Y2=0.115X1+0.174X2+0.143X3+0.057X4+

0.586X5+0.520X6-0.494X7-0.046X8-0.059X9+

0.066X10+0.055X11-0.157X12-0.190X13

(2)

Y3=-0.136X1+0.298X2+0.395X3+0.370X4-

0.229X5+0.136X6+0.295X7-0.556X8-0.184X9+

0.198X10+0.143X11-0.193X12-0.042X13

(3)

然后根据各主成分方差贡献率分配权重，可以得到不同生物治理措施下土壤抗蚀性的综合表达式，用以量化评价土壤抗蚀性的强弱。

综合抗蚀性Y=0.539 4Y1+0.181 0Y2+0.115 5Y3

主成分得分及综合抗蚀性得分见表7。

表7 不同生物治理模式下土壤综合抗蚀性评价

由表7可知，不同生物治理模式下土壤综合抗蚀性表现为水保林地>林草结合地>果林清耕地>撂荒裸地，这与土壤抗蚀性指数及水稳性指数的分析结果是一致的，三者互相印证，说明该模型在评价不同生物治理措施下土壤抗蚀性的强弱方面具有较高的可信度。

土壤抗蚀性影响因子繁多，有些指标之间信息重叠，相互之间具有一定的关联性，通过构建土壤抗蚀性综合评价模型，化繁为简，用三个主成分来代替原有的13个因子，综合抗蚀性得分函数简洁名了，模型应用方便、可信度较高。

4 结 语

(1)依据土壤抗蚀指数的大小，得出不同生物治理措施条件下土壤抗蚀性强弱为：水保林地>林草结合地>果林清耕地>撂荒裸地，各生物治理措施均能明显增强土壤抗蚀性，各治理措施下土壤抗蚀性均随着土层深度的增加而降低，因此水土保持工作中表层土壤的保护尤其重要。

(2)土壤抗蚀指数随浸水时间的增加而减小，经过拟合发现两者呈三次函数关系，其通式为S=at3+bt2+ct+d，说明随着降雨历时的增加，土壤抗蚀性越来越弱，土壤颗粒也越容易崩塌分解。

(3)用于评价土壤抗蚀性的4大类13个影响因子，通过运用主成分分析方法，提取出3个能够反映大部分(83.59%)原有因子信息的主成分Y1、Y2、Y3，建立土壤抗蚀性综合评价模型，即综合抗蚀性Y=0.539 4Y1+0.181 0Y2+0.115 5Y3，得出不同生物治理模式下土壤综合抗蚀性评价得分，水保林地(1.337)>林草结合地(0.978)>果林清耕地(-0.153)>撂荒裸地(-2.161)。

□

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