不同侵蚀程度对土壤质量及作物产量影响的模拟研究

宗小天，左继超，王凌云，沈发兴，周春波，王 嘉，聂小飞，涂安国

（江西省水利科学院，江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌，330029）

土壤侵蚀破坏土地资源、造成土壤养分流失，是全球性的生态环境问题之一，对社会、经济、生态可持续产生严重影响，威胁人类生存和发展[1-3]。土壤侵蚀使得表层土壤随径流流失，土壤中氮、磷等养分随之大量流失，造成土壤理化性质、生物性状等发生改变，导致土壤环境质量下降、土地生产力降低等[4-7]。研究不同侵蚀程度条件下土壤理化性状、土壤微生物特性及其对作物生长的影响，对于了解侵蚀退化过程中土壤性质的变化规律具有重要意义，为防治土壤肥力下降和质量退化提供科学依据。

国内外学者关于土壤侵蚀对土壤结构、土壤养分、土壤微生物的影响以及对作物生长的影响已开展了一些研究。例如，Wei 等[8]研究表明，土壤水分、土壤有机质与土壤侵蚀有着密切的联系；陈芳等[9]通过对不同侵蚀程度的3 种土壤特性进行研究，发现随着侵蚀程度增加，土壤容重增加，饱和导水率下降，团聚体水稳性逐渐降低；胡婵娟等[10]通过137Cs 方法对土壤侵蚀程度进行表征，定量探究了土壤侵蚀对土壤养分和微生物的影响；Larney 等[11]在加拿大对6 块农地分别进行不同深度表土剥离，模拟研究了侵蚀程度对作物产量的影响，表明作物产量与土壤侵蚀程度显著相关；刘慧等[12]通过人工剥离土层试验与模型验证相结合的方法，定量描述了黑土区不同土壤侵蚀厚度对土地生产力的影响。然而，针对南方红壤区不同土壤侵蚀等级的土壤质量与作物生长的差异分析还鲜见系统报道。鉴于此，本研究将按照不同厚度剥离红壤土层，以模拟不同土壤侵蚀程度，借助于花生盆栽实验，分析无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀和强烈侵蚀背景下土壤质量差异与作物生长和产量变化，研究土壤侵蚀与土壤性质和作物生长之间的关系，为更好地理解水土流失过程与土壤功能之间的联系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验地点位于江西省九江市德安县的江西水土保持生态科技园（东经115°42′38″～115°43′06″、北纬29°16′37″～29°17′40″），地处我国南方红壤的中心分布区域，具有典型代表性，属亚热带季风气候区，年日照时数1 650～2 100h，多年平均气温16.7℃，多年平均无霜期为249d，多年平均降水量1 397.3mm，4～8月降水约占全年降水量的60%左右；地貌为浅丘岗地，海拔30～100m，坡度5°～25°，土壤侵蚀严重；地带性植被为亚热带常绿阔叶林。土壤为第四纪红色黏土发育的红壤，呈酸性至微酸性，土壤剖面从上至下典型土体构型为Ah（腐殖质层）-Bs（铁铝淀积层）-Csv（母质层），其中Ah 层厚度约为0～30cm，Bs 层厚度约为30～200cm。

1.2 试验设计

试验于江西水土保持生态科技园原始林地同一地块内取土，该取土样地为第四纪红黏土发育的红壤，其A 层（腐殖质层）厚为15cm。根据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190-2007），可按照土壤发生层的剥蚀厚度进行土壤侵蚀程度分级，分别是无明显侵蚀（A、B、C 三层剖面保持完整）、轻度侵蚀（A 层保留厚度大于1/2，B、C 层完整）、中度侵蚀（A 层保留厚度大于1/3，B、C层完整）和强烈侵蚀（A 层无保留、B 层开始裸露，受到剥蚀）。因此，本次试验设计4 个处理：①无明显侵蚀（不剥蚀A 层）；②轻度侵蚀（剥蚀A 层5cm，使A 层保留厚度为10cm）；③中度侵蚀（剥蚀A 层8cm，使A 层保留厚度为7cm）；④强烈侵蚀（A 层剥蚀15cm，使B层出露）。每个处理重复3 次，共挖取直径45cm、高40cm 的原状土12 个，具体试验设计与我们之前的研究相一致[13]。

将剥蚀处理后的原状土分装在12 个塑料盆中，于2022年4月28日种植花生，株行距为15cm×25cm，每盆3 穴，每穴3 粒。根据当地农民习惯，花生种植前翻耕，并按尿素150kg/hm2、过磷酸钙450kg/hm2、硫酸钾150kg/hm2施肥，其他管理措施也与当地保持一致。于花生花荚期（6月28日）在各处理的塑料盆中取3 株整株花生植株样品进行农艺性状测量，同时采集0～10cm土层土壤样品0.5kg 左右，一部分新鲜土样保存于4℃冰箱用于测定土壤微生物及酶活性等指标，另一部分自然风干过2mm 筛，用于测定土壤理化性状。

1.3 测试指标与方法

（1）土壤理化和微生物指标测定：按照《土壤农业化学分析方法》[14]测定土壤化学性质有关指标；土壤团聚体采用机械筛分法，颗粒组成采用比重计法，微团聚体采用吸管法[15]；土壤酶活性参考《土壤酶及其研究法》进行测定[16]；土壤主要微生物类群数量采用稀释平板法测定[16]。

（2）土壤质量指数计算：为了定量评价不同侵蚀程度对土壤质量的影响，本文采用指标体系评价法，以各个土壤物理、化学和生物学指标为评价指标。通过极差法对各个指标进行标准化处理，然后运用主成分分析法计算各指标权重，再通过模糊数学中的加权函数法，建立土壤质量综合评价模型，计算不同侵蚀程度下土壤质量指数（Soil Quality Index，SQI）：

式中，SQI 为土壤质量指数；Ni和Wi分别表示第i种评价指标所对应的隶属度值和权重系数；n 为参评因子数。

（3）花生生物学性状测定：花生收获时（8月13日）用精度为0.1 的天平测定花生植株的单株花生产量、单株地下生物量以及单株总生物量等。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 进行数据分析及作图，SPSS Statistics 20.0 数据处理软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同侵蚀程度对土壤物理性状的影响

不同侵蚀程度下土壤物理性状如表1所示，随着土壤侵蚀程度的增大，土壤容重呈现规律性增大趋势；相应地，土壤总孔隙度则随侵蚀加剧而逐渐降低。与无明显侵蚀土壤相比，轻度侵蚀、中度侵蚀和强烈侵蚀土壤容重由1.13g/cm3增加到1.19～1.44g/cm3，增幅为5.31%～27.12%，以强烈侵蚀土壤容重最大；轻度、中度和强烈侵蚀土壤总孔隙度由无明显侵蚀的59.49%下降到49.48%～58.27%，降幅为1.55%～16.83%。尤其是在强烈侵蚀条件下，土壤容重增加了近1/3，总孔隙度下降了近1/4。可见，随着土壤侵蚀程度增加直接表现为土壤容重增加，孔隙度减少，通气透水性降低[17-18]。

表1 不同土壤侵蚀程度下土壤物理性质

由表1 可知，土壤中＞2mm 和＞0.25mm 水稳性团聚体的质量百分含量均表现出无明显侵蚀＞轻度侵蚀＞中度侵蚀＞强烈侵蚀。相对无明显侵蚀土壤，轻度、中度和强烈侵蚀土壤的＞2mm 水稳性团聚体的质量百分含量依次降低了1.22%、7.60%和33.80%，而＞0.25mm 水稳性团聚体的质量百分含量依次降低了0.30%、0.99%和10.00%。这说明随着侵蚀强度加大，土壤中的团聚体破坏程度加剧，且侵蚀程度较高时大粒级团聚体更容易破碎[9，13]。

由表1 可知，土壤中0.25～0.05mm 微团聚体的质量百分含量表现为轻度侵蚀＞中度侵蚀＞强烈侵蚀＞无明显侵蚀，相对于轻度侵蚀，中度侵蚀、强烈侵蚀和无明显侵蚀土壤的0.25～0.05mm 微团聚体的质量百分含量分别降低了21.46%、40.66%和51.82%；土壤中0.05～0.001mm 土壤微团聚体的质量百分比含量以强烈侵蚀表现为最高，无明显侵蚀、中度侵蚀和轻度侵蚀相较于强烈侵蚀依次减少1.48%、10.63%和21.31%。可以看出，土壤中0.25～0.05mm 和0.05～0.001mm 微团聚体的质量百分含量并不是单纯地随着侵蚀程度的增大而呈现上升或下降的趋势，这可能是因为在侵蚀作用下，土壤中微团聚体一直处于动态的崩解与形成的相互转化过程，如＞0.25mm 的水稳性团聚体在侵蚀开始时容易被崩解为0.25～0.05mm 微团聚体，随着侵蚀加剧，＞0.25mm 的水稳性团聚体崩解的同时，也伴随着0.25～0.05mm 微团聚体逐渐崩解为更小粒径的微团聚体。土壤中＜0.001mm 水稳性团聚体的质量百分含量表现为无明显侵蚀＞轻度侵蚀＞中度侵蚀＞强烈侵蚀，相对无明显侵蚀土壤，轻度、中度和强烈侵蚀土壤的＜0.001mm水稳性团聚体的质量百分含量依次降低了46.84%、61.40%和66.32%。

2.2 不同侵蚀程度对土壤化学性质的影响

由表2 可知，土壤轻度侵蚀时，受土壤矿化、氮沉降等的影响，对土壤氮素尚未造成明显影响，但土壤有机质、全磷、速效磷含量分别降低了7.26%、4.84%和43.34%；中度侵蚀中，土壤有机质、全氮、全磷、速效磷和碱解氮含量均有所下降；强烈侵蚀与无明显侵蚀对照相比，土壤有机质、全氮和全磷含量减少了30%左右，碱解氮含量减少50%左右，速效磷含量减少了80%以上。总体而言，随着表土流失厚度增加，土壤碳、氮、磷等养分含量均表现出逐渐减少的规律，并且随着侵蚀强度的增加，土壤养分流失加剧[13，19-20]。

表2 不同侵蚀程度土壤化学质量和养分含量

2.3 不同侵蚀程度对土壤生物学性状的影响

细菌、放线菌和真菌是土壤微生物数量最大的3大类群，是反映土壤生物质量变化的灵敏指标[21]。由表3 可知，与无明显侵蚀相比，轻度侵蚀中土壤细菌、真菌和放线菌的数量均有所下降，分别下降了45.40%、32.64%和34.71%；中度侵蚀土壤中细菌、真菌和放线菌的数量分别下降39.66%、59.08%和41.29%；强烈侵蚀土壤中细菌、真菌和放线菌的数量分别仅为无明显侵蚀的34.48%、19.62%和39.92%。当A 层土壤流失掉5cm 或8cm 时，土壤中主要微生物类群总量较拥有完整A 土层的土壤减少45%左右，当A 土层丧失殆尽时，土壤中总微生物类群数量仅为拥有完整A 土层的20%左右。

表3 不同侵蚀程度土壤微生物数量

土壤酶常被用来反映土壤生态系统变化的预警和敏感指标[21-24]。通过对红壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶3 种常见酶的研究，探讨红壤酶活性与土壤侵蚀水平的联系。由表3 可知，蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性与土壤侵蚀等级表现出较好的一致性，随着侵蚀强度加大，这3 种土壤酶活性均呈下降趋势，尤其是强烈侵蚀土壤中的酶活性最低，蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性分别较无明显侵蚀土壤下降了38.07%、44.89%和19.37%。

2.4 土壤侵蚀-土壤质量-作物产量相互关系

表4 为花生产量与21 个土壤指标的相关性分析，花生产量与土壤侵蚀程度、大于0.25mm 团聚体呈显著负相关（P＜0.05），而与大于2mm 团聚体等土壤物理性质、有机质、全氮、全磷等化学性质以及脲酶、真菌等生物学性质呈显著正相关关系（P＜0.05），这表明土壤侵蚀程度影响土壤结构与土壤养分以及土壤生物学特性，进而对花生产量产生影响，说明土壤结构可以调控土壤环境，这与我们前期研究结果相一致[13]。

表4 土壤特性与花生产量的相关性

土壤质量指数是将不同量纲的因素归一化处理后加权求和[25-27]。由表5 可知，轻度侵蚀和中度侵蚀对花生总生物量未造成明显影响，这可能与施肥对侵蚀土壤的生产力具有一定的恢复作用有关；而强烈侵蚀与无明显侵蚀相比，花生总生物量减少约20%。总体上，尽管施肥对作物生产力的影响大于土壤侵蚀自身对作物产量的影响，但毋庸置疑的是，土壤侵蚀加剧、土层变薄难以保证作物高产稳产。由此可见，表土层的存在，对作物高产稳产具有重要的作用。

表5 不同侵蚀程度土壤质量与作物产量

本试验中，无明显侵蚀下A 土层保留厚度最大，其土壤质量指数最大，单株花生产量、地下生物量、总生物量也最大；剧烈侵蚀下A 土层保留厚度为零，其土壤质量指数最小，单株花生产量、地下生物量、总生物量也最小；轻度和中度侵蚀下A 土层保留厚度分别为10cm 和7cm，其土壤质量指数、单株花生产量、地下生物量、总生物量在无明显侵蚀和剧烈侵蚀二者之间。进一步分析可以看出，土壤侵蚀对SQI 影响显著，随着侵蚀程度的增大，SQI 明显下降，其中无明显侵蚀下SQI与其他侵蚀条件下SQI 差异显著（P＜0.05），轻、中度侵蚀下SQI 与剧烈侵蚀下的SQI 差异明显（P＜0.05），但轻度侵蚀和中度侵蚀之间的SQI 无明显差异（P＞0.05）；土壤质量对作物产量和生长影响差异显著，无明显侵蚀等级下的花生产量和生物量显著高于其他侵蚀处理（P＜0.05）。

3 讨 论

土壤侵蚀使得土壤物理性能下降，土壤养分流失以及土地生产力下降[12]。土壤团聚体是土壤中物理、化学、生物作用的综合结果，是构成土壤结构的基本单元[17]，其稳定性对土壤结构、土壤肥力等具有很大的影响[19]。土壤质量和肥力的高低，与团聚体本身特性有关，而且与大、小团聚体组成比例密切相关。大团聚体的多少直接影响着土壤抗蚀性，本试验中，随着土壤侵蚀程度的增大，＞2mm 和＞0.25mm 水稳性团聚体逐渐减少（表1），说明随着侵蚀程度的增加团聚体破碎加剧，大粒级团聚体更容易破碎成小粒级团聚体[19]。随着土壤侵蚀加剧，由于土壤中各种胶结物质数量减少，不利于土壤颗粒的团聚作用，使得大粒径水稳性团聚体和小粒径微团聚体含量逐渐降低，土壤水稳定团聚体的稳定性也随之不断下降，土壤结构体破坏率和结构性颗粒指数有所增大，土壤物理结构受到破坏，抗蚀性降低[28]。另外，土壤团聚体的变化与土壤养分含量密切相关，土壤团聚体不仅是土壤结构的基本单元，同时也是土壤养分的储存库，其大小、分布和稳定性影响着土壤养分物质循环，并能很好地反映出土壤抗侵蚀能力。本试验中，随着侵蚀程度的增大，土壤碳、氮、磷等养分含量总体表现出逐渐减少的趋势（表2）。这是由于土壤水稳性大团聚体中存储着大量有机碳、氮、磷等成分，而随着侵蚀程度的增大，大粒径团聚体逐渐被破碎成小粒径团聚体，一方面降低了对土壤养分的贮存能力，从而导致土壤养分的流失；另一方面小粒径团聚体赋存有机物质的能力较弱，有机物质的减少不利于大团聚体的形成[13，20]，进而形成侵蚀-团聚体破坏-养分流失的恶性循环。

土壤侵蚀通过影响土壤养分的分布从而间接对微生物生物量的分布产生影响[21]。本试验中，随着土壤侵蚀程度的增大，土壤微生物类群总量逐渐减少（表3），是由于随着侵蚀的加剧，土壤有机质、氮、磷等营养元素含量减少，从而影响了微生物类群活性，这与胡婵娟等[10]研究黄土丘陵区土壤侵蚀与土壤微生物之间的关系得出的结论相一致，但与土壤理化性质相比，土壤微生物更易受外界环境等因素影响，因此还需进一步深入探讨。土壤酶是土壤生态系统代谢的一类重要动力，通常用于反映土壤生态系统变化的敏感指标[22-24]。本试验中，蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性与土壤侵蚀等级表现出较好的一致性，随着侵蚀强度加大，这3 种土壤酶活性均呈下降趋势（表3），这是由于随着侵蚀程度的增加，土壤团聚结构受到破坏、土壤养分流失、土壤环境条件变差，对土壤酶活性产生影响。

不同侵蚀程度对土壤质量指数影响存在显著差异，随着侵蚀程度的增大，SQI 明显下降，其中无明显侵蚀下SQI 显著高于其他侵蚀条件（P＜0.05），且土壤质量对作物产量和生长影响差异显著，无明显侵蚀等级下的花生产量和生物量显著高于其他侵蚀处理（P＜0.05）（表5），说明SQI 能够反映不同侵蚀程度下土壤综合质量状况及土地生产力水平。然而，多数研究表明管理因素尤其是施肥管理对作物生产力的影响远大于土壤自身对作物产量的影响[25，29]。因此，要开展土壤侵蚀和土壤质量对作物产量作用的研究，准确揭示其相互关系，还需要将施肥管理等因素对作物生产力的影响有效剔除，这有待在后续研究中完善。

4 结论

（1）随着土壤侵蚀加剧，尤其是剧烈侵蚀条件下，土壤容重增加、孔隙度下降，大粒径水稳性团聚体和小粒径微团聚体含量降低，土壤水稳定团聚体的稳定性下降；土壤碳、氮、磷等养分含量均表现出逐渐减少的规律；土壤中总微生物类群数量以及3 种土壤酶活性随着侵蚀强度增大均呈下降趋势。

（2）土壤侵蚀对土壤综合质量具有显著影响，随着侵蚀程度的增大，土壤质量指数SQI 明显下降；土壤质量对作物产量和生长影响差异显著，无明显侵蚀等级下的花生产量和生物量显著高于其他侵蚀处理（P＜0.05）。SQI 能够反映不同侵蚀程度下土壤综合质量状况及土地生产力水平。