西南地区生物质改良剂对土壤侵蚀因子的影响

卢锦钊 王克勤 赵洋毅 张继辉

摘要：为探究玉米秸秆和EM菌剂2种生物质改良剂对西南土壤侵蚀因子（降雨侵蚀力R和土壤可蚀性指数K）的影响，采用微型小区（1m×lm）的研究方法，统一坡度，合理定量施用2种生物质改良剂，同时设置原状土壤对照，观测分析径流泥沙和各处理土壤理化性质变化。结果表明：2种改良方式相对原状土壤均具有减轻水土流失的功能：雨季（6-10月）在玉米秸秆还田的改良方式下土壤侵蚀量各月分别减少52.8%、53.O%、63.0%、62.1%、63.5%，在EM菌剂施用的改良方式下土壤侵蚀量各月分别减少34.0%、33.9%、43.7%、39.2%、41.3%；土壤侵蚀程度强弱排序：秸秆还田<菌剂施用<原状对照。秸秆还田、菌剂施用、原状对照3种不同处理方式下的土壤侵蚀量与降雨侵蚀力R的拟合优度为0.957、0.993、0.734，与土壤可蚀性指数K的拟合优度为0.692、0.738、0.974，均呈现较好的相关性；秸秆还田和菌剂施用2种改良方式K值分别为0.216～0.250和0.298～0.320，比原状土壤的K值0.345～0.369均显著减小。综合分析认为：在生物质改良剂作用下的西南红壤侵蚀量与降雨侵蚀力R、土壤可蚀性指数K均呈显著相关性，R值对滇中地区土壤侵蚀量的影响大于K值的；2种生物质土壤改良方式均能有效增强土壤抗蚀性，秸秆还田对土壤的固结效果大于菌剂施用的。

关键词：土壤改良；土壤侵蚀；降雨侵蚀力；土壤可蚀性指数

中图分类号：S157. 3+9

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.020

水土流失是制约人类生存与发展的主要环境灾害之一，水土流失问题加剧了人口、资源、环境之间的矛盾，严重制约着我国经济的可持续发展。云南省地处中国西南部，当地红壤区是我国重要的粮食基地，但因气候性降水过盛，造成的水土流失较为严重，导致当地粮食减产、社会经济效益下降，严重时则可能引发地质自然灾害，威胁当地人民的生命财产安全。研究生物质改良剂对西南红壤土流失量的削减效果是治理该区水土流失的方向，而降雨侵蚀力R和土壤可蚀性指数K是影响降雨侵蚀量的两个重要因子。因此，掌握生物质改良剂对土壤的治理效果与机理对于有效制定治理方案具有重要意义。

生物质改良剂对土壤的作用效果及机理是当前研究的热点，也是治理水土流失的有效选择：魏霞等 研究发现施加不同浓度玉米茎秆汁液作为土壤改良剂能够减少降雨产流产沙强度，且相同条件下的产沙强度减小程度大于产流强度减小程度：沈彦等研究发现泥炭可增强土壤持水能力，改善土壤物理性质，降低土壤容重与硬度，调节土壤结构，改善土壤的渗透性，可有效保土保水；段喜明等研究发现施用粉煤灰可显著降低土壤中水分的流失并有效增强固土性：ZHANG M.K.等研究发现高含量的黏土颗粒在泻湖沉积物中通过吸附和固定可明显降低沙质土壤的淋失潜力：P.A.MOORE等研究发现施用硫酸铝的同时配施家禽粪可明显降低径流中可溶性磷的浓度。由上述研究可知：生物质改良剂可有效改良土壤的理化性质，改善土壤孔隙结构，增强土壤肥力，有效加强“土壤一植物”系统的稳定性。

本试验选用玉米秸秆和EM菌剂2种生物质改良剂，同时设置原状土壤对照组，基于2017年6-10月的相关实测数据，就滇中地区迤者小流域生物质改良剂对土壤侵蚀量的影响、土壤侵蚀量与降雨侵蚀力R和土壤可蚀性指数K的关系进行了研究。

1材料与方法

1.1研究区自然概况

研究区位于云南省昆明市迤者小流域，属低纬度高原山地季风气候区，年均气温14.2℃，干湿季分明，多年平均降水量为785.1mm，雨季降雨量占全年降雨量的87.5%。迤者小流域呈不规则纺锤形，南北长6.7km，东西宽6.6km，土地总面积21.56km^2，区域内土壤为地带性黏性红壤，偏酸性，供试土壤初始理化性质：pH值为5.54，全氮（TN）含量为0.93g/kg，全磷（TP）含量为0.53g/kg，全钾（TK）含量为13.54g/kg，水解氮（AN）含量为62.4mg/kg，有效磷（AP）含量为5.6mg/kg，交换钾（EK）含量为74.0mg/kg，有机质含量为17.33 g/kg。区域地势总体为西北高、东南低，最高海拔为2589.5m，最低海拔为2010.0m，平均海拔为2220.0m。

1.2研究方案

1.2.1野外監测

在迤者小流域内布设1m×lm的微型小区，每个小区设置成同一坡度（坡角为15°）的坡面，施用玉米秸秆和EM菌剂2种土壤改良剂（玉米秸秆还田量为500g，EM菌剂施用浓度为70%、施用量为1000mL），并设置对照处理组（原状土壤），在微型小区内等高条播云南夏季大豆，继而在出苗期定苗9株/m^2。每组处理（秸秆还田、菌剂施用、原状土壤）设3个重复，共9个微型小区。

1.2.2土样采集方法

在每个微型小区0～20cm耕作层内进行土壤样品采集，采用五点法取样。采集供研究土壤物理性质的土样时，可利用环刀取样：采集供化学分析而不需物理分析用的土样时，可用小型铁铲取样，装入密封袋中保存。

1.2.3土壤机械组成测定

（1）样品分散。用天平准确称取过2mm筛的风干土壤样品10～20g（通常黏土用10g，其他质地20g或更多），置于500mL三角烧瓶中，加少量蒸馏水湿润土样，然后加入过氧化氢20mL，用玻璃棒搅拌，使有机质充分与过氧化氢反应，反应过程中会产生大量气泡，为防止样品溢出，可加异戊醇消泡，过量的过氧化氢用加热方法去除。根据土壤pH值，加入一定量的分散剂，再加入蒸馏水250mL，并振荡1min，充分破坏土壤团聚体结构。

（2）制备悬浊液。将三角烧瓶充分振荡分散的土壤及液体倒人1000mL量筒中，并多次用蒸馏水冲洗三角烧瓶，将冲洗的液体倒人量筒，直至将瓶中土壤完全转移至量筒。最后用蒸馏水定容成1000mL。

（3）测定悬浊液相对密度。悬浊液相对密度使用甲种密度计来测定。用搅拌棒搅拌量筒中的悬浊液30次，使悬浊液混合均匀，取出搅拌棒时开始计时，分别在1min和2h用甲种密度计读取读数m1和m2。需要注意的是：①若液面有气泡，可滴加异戊醇消泡；②密度计要在测定时间前15s左右轻轻放人悬液中，不可贴到量筒壁，待稳定后到达预定时间立即读数；③每次读数后，要立即测液温，再根据附表矫正。

（4）数据处理。计算沙粒、粉粒、黏粒所占比例：式中：SAN为沙粒含量，%；SIL為粉粒含量，%；CLA为黏粒含量，%，m为样品质量，g；m1为1min时的密度计读数，g；m2为2h时的密度计读数，g。

1.2.4土壤有机碳含量测定

称取通过0.25mm孔径筛的风干试样0.5g，放人硬质试管中，然后用滴定管准确加入0.4mol/L的重铬酸钾硫酸溶液10mL，摇匀并在每个试管口插人一玻璃漏斗。将试管逐个插入铁丝笼中，再将铁丝笼沉人已在电炉上加热至185～190℃的油浴锅内，使管中的液面低于油面，要求放人后油浴温度下降至170～180℃，待试管中的溶液沸腾时开始计时，此刻必须控制电炉温度，不使溶液剧烈沸腾，其间可轻轻提起铁丝笼在油浴锅中晃动几次，以使液温均匀。5.0±0.5min后将铁丝笼从油浴锅中提出，冷却片刻，擦去试管外的油液。把试管内的液体及土壤残渣无损地转人250mL三角瓶中，用水冲洗试管及小漏斗，洗液并人三角瓶中，使三角瓶内溶液的总体积控制在50～60mL。加3滴邻菲哕啉指示剂，用硫酸亚铁标准溶液滴定剩余的重铬酸钾硫酸溶液，溶液的变色过程是橙黄一蓝绿一棕红。记取硫酸亚铁溶液滴定毫升数V。如果滴定所用硫酸亚铁溶液的毫升数不到下述空白试验所耗硫酸亚铁溶液毫升数的1/3，则有氧化不完全的可能，应减少土壤称样量重测。

每批分析时，必须同时做2个空白试验，即称取大约0.2g灼烧过的浮石粉或土壤代替土样，其他步骤与土样测定相同，记取硫酸亚铁溶液滴定毫升数V0。土壤有机碳含量C计算公式为式中：V0为空白试验所消耗的硫酸亚铁标准溶液体积，mL；V为试样测定所消耗硫酸亚铁标准溶液体积，mL；c为硫酸亚铁标准溶液的浓度，mol/L；a为1/4碳原子的摩尔质量，0.003 g/mol；b为由有机碳换算成有机质的系数，取1.724；d为氧化校正系数，取1.10；m为风干试样的质量，g。

1.3降雨侵蚀力计算

1.3.1降雨观测

在迤者小流域制高点布置白记式雨量计，用于监测雨季降雨情况，每间隔15d将自记式雨量计连接到笔记本电脑拷取原始数据，后将原始数据导入RainReCord软件进行分析计算，即可获得降雨量（P）、降雨强度（I）、降雨动能（E）等降雨特征值。

1.3.2 降雨侵蚀力计算

降雨侵蚀力是指由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是一项客观评价由降雨所引起土壤分离和搬运的动力指标。用日降雨资料估算不同地区降雨侵蚀力R，计算公式为式中：降雨侵蚀力R的单位为MJ·mm/（hm^2·h）。

1.3.3土壤可蚀性指数计算

土壤可蚀性指数是指土壤是否易受侵蚀动力破坏的性能，即土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性，是控制土壤承受降雨和径流分离及输移等过程的综合效应。用W.H-Wischmeier等提出的EPIC（Ero-sion-Productivity ImpaCt Calculator）模型计算土壤可蚀性指数K，计算公式为式中：SN1=1-SAN/100。

1.4径流泥沙观测

在微型小区出水口放置一塑料桶，用于对径流取样。将径流样品静置沉淀，待径流和泥沙分层明显后，用1000mL量筒分离水沙，将烘干后的泥沙用电子天平称取其质量，从而计算出每1m^2土地内的土壤侵蚀量。

2结果与分析

2.1土壤侵蚀量

雨季各月份降雨次数决定了土壤侵蚀量的观测频次，如6月发生降雨2次，则分别在6月12日和28日分别观测不同条件下各重复组的相应侵蚀量，取平均值，结果见表1。

土壤侵蚀量受降雨侵蚀力、土壤类型、地表植被覆盖等多因子影响。烘干称重坡面尺度的土壤侵蚀量能够定量评估土壤侵蚀状况。由表1可知，不同条件下的微型小区月际平均土壤侵蚀量变化随月降雨情况的不同而呈现不同的特征，其中：秸秆还田条件下的各月平均土壤侵蚀量为15.38～25.34g，最大为7月（1m^2范围内流失25.34g），最小为10月（仅为15.38g），极值比为1.65；EM菌剂施用条件下的侵蚀量为24.76～35.68g；原状对照小区的侵蚀量为42.17～54.90g。可见，秸秆还田和EM菌剂施用2种土壤改良方式均可显著抑制雨季的土壤流失，6-10月降雨侵蚀量分别减少52.8%、53.0%、63.0%、62.1%、63.5%和34.0%、33.9%、43.7%、39.2%、41.3%，而秸秆还田改良方式的保土效果优于EM菌剂施用的。

2.2降雨侵蚀力R

由表2可知，2017年6-10月研究区降雨量月际变化范围为63.7～144.8mm，7月最大，10月最小，极值比为2.27；降雨侵蚀力R值月际变化范围为266～670MJ·mrn/（hm^2·h），极值月份与降雨量的相同，同样在7月、10月分别达到最大值和最小值，极值比为2.52。但由于降雨侵蚀力R值的计算较为复杂，受降雨量P、降雨强度I、降雨动能E等多因子的影响，因此降雨量的变化趋势并不能完全反映降雨侵蚀力的变化趋势，如8月降雨量为112.8mm、R值为328 MJ·mm/（ hm^2.h），而9月降雨量仅为76.8mm，R值却为407 MJ·mm/（hm^2·h）。

2.3土壤可蚀性指数K

关于土壤可蚀性指数K估算方法的研究有很多，其中最有代表性的为W.H. Wischmeier等提出的EPIC模型中的计算方法。EPIC模型中采用考虑土壤有机碳和粒径组成的公式来估算土壤可蚀性指数K值，见表3。

土壤可蚀性指数K是评价土壤对于水力侵蚀敏感性的重要参数，是进行土壤侵蚀和水土流失定量预估的重要依据。由表3可知，3种不同处理下的研究区土壤可蚀性指数K值基本维持在0.216～0.369，其中：原状对照组的K值变化范围为0.345～0.369，已超出中度可侵蚀性K值范围（0.250～0.300），说明此地区坡耕地易发生水土流失现象，须实施土壤改良措施：秸秆还田改良后的K值范围为0.216～0.250，显著降低了土壤可侵蚀性，这与黄新君等的研究結果一致。2种改良方式对比，秸秆还田措施的K值总体上小于菌剂施用的K值0.298～0.320。受雨季水力侵蚀影响，各试验组的K值均出

现了减小的趋势，原因可能是雨滴的击溅力改变了地表土壤的组成及有机碳含量，且地表植被的生长发育使土壤抗蚀性增强，抑制了水土流失。

2.4土壤侵蚀因子对土壤侵蚀量的影响

2. 4.1降雨侵蚀力R对土壤侵蚀量的影响

降雨侵蚀力R值的大小直接影响着土壤对水力侵蚀敏感性的高低。根据前人的研究结果，降雨侵蚀力与土壤侵蚀量成二次曲线关系。在秸秆还田、EM菌剂施用2种土壤改良方式下，降雨侵蚀力与土壤侵蚀量成显著相关关系（概率P2.4.2土壤可蚀性指数K对土壤侵蚀量的影响

生物质土壤改良方式会较大程度地改变土壤性状，如容重、土壤组成、有机碳含量、含水率等，这些影响因子综合转化为土壤可蚀性指数K。其中：在土壤组成方面，改良剂的施用往往有减小沙粒比例、稳固粉粒成分、增大黏粒含量的效果：有机碳含量的增加也使土壤抗蚀能力增强。

图2为K值与侵蚀量的关系，可以看出，在不同改良剂的作用下，侵蚀量与K值变化趋势一致，大小排序均为秸秆还田<菌剂施用<原状对照。

图3为K值和侵蚀量的线性拟合关系。在秸秆还田和菌剂施用2种改良方式下，K值和侵蚀量的拟合优度分别为0.692和0.738，呈显著相关关系；原状对照处理下的拟合优度为0.974，呈极显著相关关系，说明土壤K值对于判断土壤侵蚀量大小具有较好的指示性。

3讨论

西南红壤区耕作方式复杂多样，且受到高垦殖、高复种的不合理耕作方式影响，加之当地雨季气候湿润多雨，次降雨历时持久，多为大到暴雨，造成当地水土流失强烈，严重时会引起泥石流、崩岗等自然灾害的发生，给当地社会经济发展和人民生产生活造成极大的困难。因此，研究不同土壤改良剂对该地区土壤的改良效果，对于制定水土流失防治措施显得尤为重要。

分析同一时期不同处理方式下的降雨侵蚀量差异可知，秸秆还田和菌剂施用均能减轻土壤侵蚀。相关研究表明，玉米秸秆的施用可有效增强土壤团聚体结构的稳定性，使土壤孔隙度增大、导水性增强，降水人渗加快，有效抑制了地表径流的发生和发展，且降雨强度越大抑制效应越显著；光合菌群是EM菌剂中的重要微生物群落，可以在土壤、水等介质中利用太阳光光热能合成糖类、抗氧化物质等各种生理活性物质，带动其他有益微生物的繁殖壮大；EM菌剂中的菌群分泌的有益物质，如抗氧化酵素、活性激素、有机酸等，可以分解残留农药，使土壤处于抗氧化状态，激发作物在良性生长环境下的发育潜能。

降雨侵蚀力R和土壤可蚀性指数K与土壤侵蚀量具有显著的相关性。R值的大小和降雨量、降雨强度、降雨动能等多个影响因子相关，当R值增大时，各处理方式下的土壤侵蚀量均有所增大。而K值是土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运敏感程度的集中体现，也是土壤侵蚀预报模型和环境效应评价模型的重要参数之一，其值大小与土壤颗粒组成和有机碳含量相关。本研究3种处理方式的土壤可蚀性指数K值大小顺序为秸秆还田<菌剂施用<原状对照，且在降雨发生时，秸秆还田、菌剂施用、原状对照3种处理方式的土壤侵蚀量依次增大，说明生物质土壤改良剂通过改变K值对土壤侵蚀量具有较显著的削减作用。秸秆还田处理方式对可蚀性指数的削减效应大于菌剂施用处理方式的，原因可能是菌剂施人土壤的时间较短，对土壤结构的影响较小；而秸秆对水分具有较强的吸收能力，秸秆还田不仅可以改良土壤结构，而且可增加土壤有机质含量，进而促进植物根系的发育和横向延伸，增加地表粗糙度，缓冲雨滴溅蚀，阻延流速，降低水流能量，减缓径流冲刷。

4结论

本研究表明，施用玉米秸秆、EM菌剂2种生物质改良剂均可有效增强土壤的固结能力，保土效果排序为秸秆还田>菌剂施用>原状对照，秸秆还田和菌剂施用2种生物质改良方式比原状对照的土壤侵蚀量分别减少52.8%～63.5%和33.9%～43.7%，说明秸秆还田对于土壤改良的优越性大于菌剂施用。

秸秆还田、菌剂施用、原状对照3种土壤处理方式下，降雨侵蚀力R和土壤侵蚀量的拟合优度分别为0.957、0.993、0.734，土壤可蚀性指数K的数值范围分别为0.216～0.250、0.298～0.320、0.345～0.369，土壤可蚀性指数K和土壤侵蚀量的拟合优度分别为0.692、0.738、0.974。综上所述，在2种生物质改良剂的作用下，R值对滇中地区土壤侵蚀量的影响大于K值的。

秸秆还田和菌剂施用两种不同的改良方式具有不同的作用机理，两者耦合效应有待于进一步研究。