山地黄壤区玉米不同生育期土壤抗蚀性特征

马 瑞，郑子成，王 双，杨海龙，李廷轩，杨 帅

山地黄壤区玉米不同生育期土壤抗蚀性特征

马 瑞1，郑子成1※，王 双1，杨海龙2，李廷轩1，杨 帅1

（1. 四川农业大学资源学院，成都 611130； 2. 眉山市农业农村局，眉山 620010）

山地黄壤区不仅是四川省重要的农产区之一，也是水土流失较为严重的区域，为阐明四川山地黄壤区土壤抗蚀性特征。该研究以山地黄壤区坡耕地为研究对象，采用野外径流小区定位试验和室内分析相结合的方法，研究了玉米不同生育期土壤抗蚀性的变化特征。结果表明：1）随玉米生育期的推进，土壤水稳性团聚体和微团聚体均表现出由小粒级团聚体逐渐形成大粒级团聚体的趋势，提高了>0.25 mm水稳性团聚体质量分数（Water-Stable Aggregate, WSAwet）、平均重量直径（Mean Weight Diameter, MWD）、团聚度（Aggregation Degree, AD）和土壤有机质质量分数（Content of Soil Organic matter, SOM），降低了结构体破坏率（Percentage of Aggregate Disruption, PAD）、平均重量比表面积（Mean Weight Specific Surface Area, MWSSA）、分形维数（Fractal Dimension, FD）和分散系数（Dispersion Coefficient, DC）；2）结合主成分分析和抗蚀指数（Soil Anti-erodibility Index, SAI），玉米不同生育期土壤抗蚀性由高到低为：成熟期、抽雄期、拔节期、苗期，且随土层深度增加而逐渐降低；3）土壤抗蚀性与玉米叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）和根系密度（Root Mass Density, RMD）均呈极显著正相关（<0.01），玉米生长可显著影响土壤抗蚀性。山地黄壤区坡耕地，种植玉米有利于增强土壤抗蚀性，有助于研究区坡耕地水土流失的有效防控。

土壤；侵蚀；团聚体；抗蚀性；玉米生育期；坡耕地；黄壤

0 引 言

山地黄壤区是四川省重要农产区之一，夏季降雨频繁且多以暴雨为主。加之地形陡峭、耕地分散和长期不合理的耕作活动，区域内水土流失较为严重[1]。坡耕地是该区主要的耕地资源之一，水土流失不仅会造成坡耕地土壤质量退化，也严重影响着山地黄壤区农业的可持续发展[2-3]。因此，开展山地黄壤区坡耕地土壤抗蚀性特征研究，有助于区域水土流失有效防控和土壤资源可持续利用。

坡耕地水土流失除了受植被覆盖、人为活动影响外，还与土壤本身的抗蚀性强弱有关。土壤抗蚀性是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标之一，其强弱与土壤理化性质紧密相关[4]。大量研究表明，作物种植会降低土壤抗蚀性，加剧土壤侵蚀[5-6]。但部分学者指出，合理种植农作物可显著影响耕层土壤理化性质，有助于增强土壤抗蚀性[7-8]。农作物的种植，地上部可拦截降雨，抑制径流汇集[9]，地下部根系能固土促渗，改善土壤结构[10]。可见，植物通过地上部和地下部共同作用，可增强土壤抗蚀性。王计磊等[11]研究发现种植大豆可增强土壤抗蚀性；郑子成等[12]指出种植玉米能显著提高土壤抗蚀性。可见，合理的农作物种植有助于土壤抗蚀性的增强和水土流失有效防控。

目前针对坡耕地土壤抗蚀性的研究已取得了一定成果，但多集中于南方红壤区、黄土高原区等区域[8,11]。山地黄壤区是四川省重要的农业生产区，玉米是区域主栽农作物，其生育期与区域自然降雨侵蚀期重叠，玉米生长过程对坡面水土流失具有重要的影响[1]。前期研究表明坡耕地产流产沙在玉米生育期间具有明显差异[13-14]，玉米不仅对坡面有直接的防蚀作用，还可能影响土壤抗蚀性。因此，本研究以山地黄壤区坡耕地为研究对象，探讨玉米不同生育期土壤抗蚀性变化特征，明晰玉米生育期对土壤抗蚀性的影响，以期为区域选择合理种植模式和防治水土流失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川农业大学教学科研园区（31°00′34″N，103°36′52″E），海拔773.5 m。区域地处华西雨屏区，年均降雨量约1 218.4 mm，雨季为5月到9月，夏季降雨量约占全年总降雨量的80%。研究区属山地地貌，土壤类型为山地黄壤，pH值为5.95，砂粒、粉粒、黏粒质量分数分别为36.27%、44.26%、19.47%，有机质质量分数为17.18 g/kg，碱解氮为52.14 mg/kg，有效磷为5.09 mg/kg，速效钾为50.64 mg/kg。

1.2 试验设计

根据实地调查情况和研究区坡耕地坡度分布特点，设置4个规格为8 m2（长4 m、宽2 m）的野外试验小区，坡度为15°，耕作措施均采用沿等高线常规耕作种植，其中1个小区用于玉米根系的采集。为防止小区间产生物质交换，小区之间用水泥砌成的田埂隔开。

1.3 田间管理

供试玉米为当地主栽的资玉22号。依据当地农耕习惯，于2016年4月中旬播种，单行双株进行种植，行距90 cm，株距45 cm。玉米施肥情况：尿素（N 46%）210 kg/hm2，过磷酸钙（P2O512%）75 kg/hm2，氯化钾（K2O 56%）75 kg/hm2，其中氮肥分基肥、拔节期追肥2次施入，磷肥和钾肥均一次性作为基肥施入。玉米播种后，田间管理均参照当地农耕习惯执行。

1.4 样品采集

分别于2016年5月23日、6月14日、7月7日和8月17日进行玉米苗期（Seedling Stage，SS）、拔节期（Jointing Stage，JS）、抽雄期（Tasseling Stage，TS）及成熟期（Maturing Stage，MS）4个生育期的样品采集。

土样采集：沿坡面自上而下，根据“五点采样法”在试验小区按S型走向随机选取5个具有代表性的样点，每个样点距离玉米植株约5 cm。采用土钻（直径约7 cm）分别取每个样点0～10、>10～20 cm土层的原状土，将同一深度的土样均匀混合，重复3次[15]。土样采集后带回实验室沿土壤自然纹理轻轻掰成直径约1 cm的土块，用镊子挑去土壤中的砾石和生物残体[15]。然后将土样置于通风处自然风干，用于土壤抗蚀性指标的测定。

玉米根系采集：样品采集前，去除玉米地上部和周围杂草。采用特制矩形取样器（长20 cm，宽10 cm，高10 cm）分别采集0～10和>10～20 cm深度的根系，带回室内置于0.25 mm筛网上冲洗干净，再在75 ℃烘箱中烘干至恒定质量，用于玉米根系密度的测定。

1.5 测定项目及方法

土壤非水稳性团聚体采用干筛法，水稳性团聚体采用Yoder湿筛法[16]，根据各粒级非水稳性团聚体的质量百分比配成50g土样，置于套筛（5、2、1、0.5、0.25 mm）上，先预湿5 min，再置于TTF-100型土壤团聚体分析仪中，以3.2 cm振幅、30次/min振频在水中振荡30 min。筛分完成后将各筛网上的团聚体冲洗至铝盒中烘干至恒定质量，称取各粒级团聚体质量并计算质量分数。

土壤机械组成采用比重计法，微团聚体采用吸管法，土壤有机质采用重铬酸钾—外加热法测定[17]。

玉米叶面积用YMJ-B型叶面积仪测定[13]，根系密度采用烘干称重法[10]。

1.6 指标计算

本文所采用土壤抗蚀性指标计算公式如下[8,15]：

平均重量直径（Mean Weight Diameter, MWD）：

式中X是第粒级团聚体的平均直径，mm；W为第粒级团聚体的烘干质量，g。

结构体破坏率（Percentage of Aggregate Disruption, PAD）：

式中WSAdry是>0.25 mm的非水稳性团聚体质量分数，%；WSAwet是>0.25 mm的水稳性团聚体质量分数，%。

平均重量比表面积（Mean Weight Specific Surface Area, MWSSA）：

式中P为第粒级团聚体的质量分数，%；本文假定各粒级土壤团聚体形状均呈球形，忽略各粒级团聚体间土壤密度ρ的差异，即ρ=2.65 g/cm3。

土壤微团聚体分形维数（Fractal Dimension, FD）：

式中m为直径小于d累积质量，g；0为各粒级微团聚体总质量，g；d为两筛分粒级间的平均直径，mm；max为最大粒级微团聚体的平均直径，mm。

团聚度（Aggregation Degree, AD）：

式中MA>0.05 mm是>0.05 mm微团聚体质量分数，%；MC>0.05 mm是>0.05 mm土壤颗粒质量分数，%；

分散系数（Dispersion Coefficient, DC）：

式中MA<0.001 mm是<0.001 mm微团聚体质量分数，%；MC<0.001 mm是<0.001 mm土壤颗粒质量分数，%；

叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）的计算公式[13]：

式中表示单株玉米叶片的叶面积，m2；表示玉米的群体密度，本试验=4株/m2。

根系密度（Root Mass Density, RMD）的计算公式[10]：

式中表示玉米根系的烘干质量，kg；表示特制采样器的体积，本试验=0.002 m3。

1.7 主成分分析

本文选取了4大类10个评价指标，分别为有机质质量分数（SOM），<0.05 mm粉黏粒质量分数（SL），<0.001 mm黏粒质量分数（CL），>0.25 mm水稳性团聚体质量分数（WSAwet），平均重量直径（MWD），结构体破坏率（PAD），平均重量比表面积（MWSSA），微团聚体分形维数（FD），团聚度（AD），分散系数（DC）。通过主成分分析，计算玉米不同生育期土壤抗蚀性综合指数。

式中1、2分别为第一和第二主成分。

1.8 土壤抗蚀指数计算

参照薛萐等[18]提出的抗蚀指数（Soil Anti-erodibility Index, SAI）对土壤抗蚀性进行评价。计算公式如下：

式中w表示各抗蚀性指标的权重系数，通过主成分分析确定；SAI(x)表示各抗蚀指标的隶属度值。

升型和降型隶属度函数计算公式如下：

式中xij表示各土壤抗蚀性指标的数值，ximax和ximin分别表示第i个抗蚀指标的最大值和最小值。