黃土高原坡耕地溝蝕的防治

黃土高原坡耕地溝蝕的防治

土壤侵蝕是世界環(huán)境的主要問(wèn)題之一。嚴(yán)重的土壤侵蝕導(dǎo)致土壤資源流失和土壤肥力下降。目前全世界每年由于水土流失而造成的耕地?fù)p失約5×106~7×106hm2,其中我國(guó)每年損失耕地近7×104hm2,由水土流失引起的退化耕地占我國(guó)總耕地面積的1/3。黃土高原現(xiàn)有耕地7.84×106hm2,其中約78.6%屬于坡耕地,是該區(qū)糧食的重要產(chǎn)地。由于黃土區(qū)侵蝕性降水較為集中、坡地容易跑水跑土以及土壤本身抗侵蝕性較低等因素的影響,坡耕地細(xì)溝、淺溝侵蝕頻繁發(fā)生。每年的翻耕將溝間土壤填埋到侵蝕溝,表面上不會(huì)帶來(lái)土壤質(zhì)量的嚴(yán)重下降而被人們所忽視。然而,長(zhǎng)期翻耕使得下層較為貧瘠的土壤與上層土壤混合會(huì)導(dǎo)致表層土壤逐步被稀釋,土壤質(zhì)量明顯減退。定量化評(píng)價(jià)坡耕地土壤侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響越來(lái)越引起管理者和科學(xué)家們的重視。土壤溝蝕是指暫時(shí)性線(xiàn)狀水流對(duì)地表的侵蝕作用,形成細(xì)溝、淺溝和切溝等侵蝕系列的過(guò)程。黃土高原坡耕地土壤水蝕主要表現(xiàn)為面蝕和溝蝕。朱顯謨將溝蝕劃分為細(xì)溝、淺溝和切溝侵蝕系列。其中,淺溝和切溝是人類(lèi)活動(dòng)作用下產(chǎn)生的現(xiàn)代侵蝕溝,而細(xì)溝由于溝床不固定沒(méi)有明顯的匯水面積,有學(xué)者將其歸入面蝕類(lèi)。本研究基于細(xì)溝和淺溝侵蝕是黃土高原坡耕地的主要侵蝕形式,將細(xì)溝劃入溝蝕系列。國(guó)內(nèi)外在土壤溝蝕、土壤質(zhì)量演變、土壤退化方面開(kāi)展了大量研究,取得了重要進(jìn)展。就坡耕地溝蝕與土壤質(zhì)量關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期土壤侵蝕不僅造成富集養(yǎng)分的表層土壤的流失,而且會(huì)惡化流失區(qū)土壤理化性質(zhì),如土壤質(zhì)地硬化、顆粒粗化和養(yǎng)分含量下降,進(jìn)一步導(dǎo)致土壤質(zhì)量的嚴(yán)重退化。但是以往的研究關(guān)于溝蝕演化過(guò)程中土壤質(zhì)量退化規(guī)律較少,尤其是定量化分析不同溝蝕深度對(duì)土壤質(zhì)量的影響研究更少。使得坡地侵蝕土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)缺乏系統(tǒng)性和指導(dǎo)性。因此,本文以黃土高原坡耕地為對(duì)象,研究了不同溝蝕深度下土壤質(zhì)量特征。目的在于量化表達(dá)溝蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響,篩選出坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo),以期為侵蝕環(huán)境下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及土壤保育提供參考。1材料和方法1.1年降雨情況黃土高原位于北緯34°~40°、東經(jīng)103°~114°之間?？偯娣e64.2×104km2,其中水土流失面積4.3×105km2。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。降水量集中在200~600mm之間,平均年降雨492mm。以梁峁坡為主要地形,土壤類(lèi)型以黃土母質(zhì)發(fā)育而成的黃綿土為主。土壤水蝕在該區(qū)坡耕地上主要表現(xiàn)為片蝕和溝蝕。其中,溝蝕(細(xì)溝和淺溝)是坡耕地土壤侵蝕的主要方式,平均侵蝕模數(shù)為2180t·hm-2·a-1,侵蝕量占坡面侵蝕量的35%~70%。由于長(zhǎng)期強(qiáng)烈的土壤侵蝕導(dǎo)致土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化。土壤有機(jī)質(zhì)流失量可達(dá)216kg·hm-2·a-1,土壤全氮流失118kg·hm-2·a-1,全磷流失255kg·hm-2·a-1。1.2侵蝕溝和溝間表層土壤樣品的采集通過(guò)對(duì)黃土高原坡耕地大面積調(diào)查,選取不同侵蝕深度的侵蝕溝道24條,選擇典型部位測(cè)量侵蝕溝截面特征(如上底寬、下底寬、深度等)來(lái)推算溝道土壤侵蝕量。在不同侵蝕深度(2~53cm)下沿溝底垂直于侵蝕部位挖取土壤剖面64個(gè)(以侵蝕溝旁邊的溝間土壤為對(duì)照),它們代表不同退化程度的土壤(樣點(diǎn)基本情況見(jiàn)表1)。為避免因取樣深度過(guò)大而掩蓋溝蝕對(duì)表層土壤性質(zhì)所產(chǎn)生的影響,每個(gè)剖面分4層(0~2cm、2~5cm、5~10cm、10~20cm)分別采集侵蝕溝和溝間土壤樣品(圖1)。土壤容重和原狀土來(lái)自侵蝕溝和溝間表層土壤(0~10cm),數(shù)量均為64×2=128個(gè)。養(yǎng)分土樣分層采集,數(shù)量是64×2×4=512個(gè),其中原狀土用鋁盒存放帶回室內(nèi)測(cè)定。1.3數(shù)據(jù)處理及分析將野外采集土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干,剔除根系、石塊等雜物。研磨過(guò)篩(1mm和0.25mm)測(cè)定16項(xiàng)土壤理化屬性。其中物理指標(biāo)包括土壤容重、孔隙度、粘粒含量、粉粒含量、砂粒含量(MS2000激光粒度儀—馬爾文法)、土壤比表面積(soilspecificarea,SSA)。SSA=0.05Sa+4.0Si+20Cl,SSA為土壤比表面積,Sa、Si與Cl依次是砂粒(2mm~50μm)、粉粒(50~2μm)和粘粒(<2μm)在土壤中所占的百分?jǐn)?shù)。團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD):式中:是某級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑;wi是該級(jí)別團(tuán)聚體占土壤樣品總量的質(zhì)量百分含量。化學(xué)指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效氮、速效磷、速效鉀、陽(yáng)離子交換量(CEC)、pH值(土水比1∶2.5)。除標(biāo)注參考文獻(xiàn)的土壤性質(zhì)外,其他均按照常規(guī)方法測(cè)定。本研究數(shù)據(jù)土壤容重和團(tuán)聚體為表層(0~10cm)數(shù)值,其他指標(biāo)數(shù)值均是以土層深度為權(quán)重轉(zhuǎn)化得到。為了消除采樣點(diǎn)土壤背景差異對(duì)研究結(jié)果的影響,本文采用“差值法”,以溝間地(侵蝕溝近旁)土壤為對(duì)照,研究溝蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響。數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0軟件,差異顯著性檢驗(yàn)運(yùn)用LSD法(P<0.05,雙尾)。研究區(qū)土壤性質(zhì)見(jiàn)表2。2結(jié)果與分析2.1不同地形條件對(duì)土壤功能的影響,中國(guó)特色社會(huì)主義道路土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)首先要對(duì)各評(píng)價(jià)因素的優(yōu)劣狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。但各評(píng)價(jià)因素在優(yōu)劣之間仍是漸變的,對(duì)土壤功能的影響具有模糊性。因此,本研究借助模糊數(shù)學(xué)原理,建立土壤性質(zhì)與土壤功能(以生產(chǎn)力和抗侵蝕能力為主)之間的隸屬函數(shù)。以溝間土壤為對(duì)照,結(jié)合區(qū)域特征及前人研究結(jié)果,確定各土壤性質(zhì)的閾值,從而建立黃土高原坡耕地溝蝕土壤單因素評(píng)價(jià)模型,模型依據(jù)一定范圍內(nèi)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)值與土壤功能的相關(guān)情況劃分為“S”型隸屬度函數(shù)、反“S”型隸屬度函數(shù)和拋物線(xiàn)型隸屬度函數(shù)?！癝”型隸屬度函數(shù)指一定范圍內(nèi)評(píng)價(jià)因素值與土壤功能呈正相關(guān),而低于或者高于此范圍評(píng)價(jià)因素指標(biāo)值的變化對(duì)土壤功能的影響很小。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀、速效磷、陽(yáng)離子代換量(CEC)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、總孔度屬于此類(lèi)。在建立這些土壤性質(zhì)的隸屬函數(shù)時(shí),可將“S”型曲線(xiàn)近似成升半梯形分布(圖2)。反“S”型隸屬度函數(shù)即因素值與土壤功能呈負(fù)相關(guān),而低于或者高于此范圍評(píng)價(jià)因素指標(biāo)值的變化對(duì)土壤功能的影響很小。例如,碳酸鈣含量屬于此類(lèi),本研究選取指標(biāo)均不屬于此類(lèi)。拋物線(xiàn)型隸屬度函數(shù)即評(píng)價(jià)因素指標(biāo)值對(duì)土壤功能有一個(gè)最佳的適宜范圍,超過(guò)此范圍,隨著偏離程度的增大,對(duì)土壤功能的影響越不利,直達(dá)某一值時(shí)土壤喪失其功能。pH值、容重和質(zhì)地屬于此類(lèi),在建立隸屬函數(shù)時(shí),可將拋物線(xiàn)型曲線(xiàn)近似成梯形分布(圖3,指標(biāo)臨界值及轉(zhuǎn)折點(diǎn)見(jiàn)表3)。坡耕地不同溝蝕深度對(duì)土壤主要物理性質(zhì)[圖4(a)]和化學(xué)性質(zhì)[圖4(b)]的影響有較大差異。當(dāng)坡耕地發(fā)生溝蝕后,與對(duì)照相比,土壤容重和pH值均有不同程度的增加,其中土壤容重在溝蝕深度15~30cm增幅最大(14.3%),而土壤pH值在溝蝕深度50cm處增幅最大(4.1%)。土壤有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、堿解氮、速效鉀、土壤比表面積和團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑隨著溝蝕深度的增加近似呈“W”型變化趨勢(shì)。即在侵蝕初期(<5cm),土壤養(yǎng)分含量(除全磷變化較小,變化區(qū)間為-3.7%~2.2%)保持穩(wěn)定或略有增加;當(dāng)侵蝕程度增強(qiáng)時(shí)(5~20或30cm)時(shí),土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出先下降后趨于穩(wěn)定階段;當(dāng)侵蝕深度繼續(xù)增加時(shí)(20或30~50cm),土壤養(yǎng)分含量再次呈現(xiàn)出先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。可見(jiàn),坡耕地溝蝕作用會(huì)導(dǎo)致土壤硬化,pH值增加,且土壤養(yǎng)分含量(除全磷)隨著溝蝕深度變化表現(xiàn)出明顯的層次性,近似呈“W”型變化規(guī)律。2.2河岸耕地侵蝕土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)2.2.1加權(quán)和法評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量是各土壤屬性綜合作用的結(jié)果,因而在土壤單因素評(píng)價(jià)之后,需要將單因素評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)換為由各評(píng)價(jià)因子構(gòu)成的土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)。科學(xué)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法應(yīng)能同時(shí)考慮各評(píng)價(jià)因素間的交互作用及各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,參考前人研究成果,本文采用加權(quán)和法對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行計(jì)算:式中:SQI是土壤質(zhì)量指數(shù),Ci是各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值,Ki是第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,n是評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。權(quán)重值是通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析中的主成分分析法計(jì)算公因子方差及各個(gè)公因子方差占公因子方差總和的百分?jǐn)?shù),將公因子方差轉(zhuǎn)換為0~1的數(shù)值來(lái)確定的。2.2.2不同溝蝕深度對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響土壤質(zhì)量指數(shù)的建立是以溝間土壤為對(duì)照(未發(fā)生溝蝕),反映坡耕地溝蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響。由圖5可以看出,溝蝕深度對(duì)土壤質(zhì)量的影響可以用冪函數(shù)曲線(xiàn)較好地?cái)M合(R2=0.877)。當(dāng)溝蝕深度<5cm時(shí),侵蝕作用改變了原來(lái)土壤的微環(huán)境,土壤質(zhì)量指數(shù)為0.894,較對(duì)照下降約10.6%。當(dāng)溝蝕深度增加時(shí)(5~30cm),土壤質(zhì)量指數(shù)處于0.808~0.821,與前者相比降低13.2%~20.6%,平均降幅為17.3%。當(dāng)侵蝕強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)(30~50cm),土壤質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)再次下降的趨勢(shì),處于0.624~0.650之間。與微度(<5cm)和中度(5~30cm)侵蝕相比,土壤質(zhì)量指數(shù)顯著下降,降幅分別為25.9%和8.6%。可見(jiàn),黃土高原坡耕地隨著溝蝕深度的增加,土壤質(zhì)量指數(shù)呈冪函數(shù)曲線(xiàn)遞減。微度侵蝕(<5cm)、中度侵蝕(5~30cm)和重度侵蝕(30~50cm)的土壤質(zhì)量指數(shù)較溝間土壤分別降低了10.6%、27.9%和36.5%,且在溝蝕深度5cm和30cm發(fā)生顯著下降。2.3土壤肥力因子的篩選和簡(jiǎn)化指標(biāo)的確定土壤質(zhì)量各指標(biāo)之間包含的信息存在一定的相關(guān)性。因此,可利用較少的指標(biāo)來(lái)反映土壤質(zhì)量變化。本文采用主成分分析法,將原始數(shù)據(jù)歸一化處理后,利用相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算出相應(yīng)的特征值及特征向量,依據(jù)累積貢獻(xiàn)率85%的原則,從所測(cè)得的16項(xiàng)土壤指標(biāo)中提取出3個(gè)主成分。各主成分的方差貢獻(xiàn)率分別是39.976%、36.644%和10.364%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)86.984%。各主成分以因子特征值的大小進(jìn)行排序。由表4可以看出,第一主成分與土壤有效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、酸堿度、粘粒含量、全氮均有較高的正荷載(≥0.8),這些指標(biāo)都與土壤肥力有較好的相關(guān)關(guān)系,因此可將第一主成分稱(chēng)為土壤肥力因子。第二主成分與粉粒含量、容重、土壤比表面積、速效磷及陽(yáng)離子交換量有較高的正荷載,而與土壤砂粒含量和孔隙度有較高的負(fù)荷載,這些指標(biāo)中砂粒含量、粉粒含量、土壤比表面積、土壤容重、孔隙度均是反映土壤質(zhì)地優(yōu)劣的重要指標(biāo),而土壤速效磷、陽(yáng)離子交換量與土壤質(zhì)地有較好的相關(guān)關(guān)系,所以將第二主成分稱(chēng)為土壤質(zhì)地因子。第三主成分與團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑有較高的正荷載(0.897和0.718),而這兩個(gè)指標(biāo)均是反映土壤結(jié)構(gòu)的指標(biāo),因此將第三主成分稱(chēng)為土壤結(jié)構(gòu)因子。由于各個(gè)主成分中指標(biāo)之間依然包含信息的重疊,根據(jù)各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性和權(quán)重大小,通過(guò)逐步判別分析法,對(duì)主成分分析所篩選出的土壤質(zhì)量的主成分進(jìn)一步分析,從而選擇出在不同溝蝕程度之間差異最大的指標(biāo)。最終確定能夠表征坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。判別函數(shù)式如下:式中:Y1、Y2、Y3分別是反映土壤肥力、土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)因子的判別得分,無(wú)量綱;WSA為水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。判別函數(shù)中的因子判別系數(shù)大小反映了該因子在判別函數(shù)中的重要程度。結(jié)合主成分分析和判別式分析結(jié)果,主成分1中以土壤有機(jī)質(zhì)分量最大(5.498)。主成分2中以土壤比表面積和容重分量最大(2.276和1.268)。主成分3中以水穩(wěn)性團(tuán)聚體分量最大(4.220)。因此,將土壤有機(jī)質(zhì)、土壤比表面積、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和土壤容重4項(xiàng)指標(biāo)作為黃土高原坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了驗(yàn)證簡(jiǎn)化指標(biāo)對(duì)坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的代表性,將研究區(qū)64個(gè)樣點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(SQI1)與簡(jiǎn)化指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果(SQI2)進(jìn)行相關(guān)性分析。由圖6可以看出,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)與簡(jiǎn)化指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果具有顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。表明所篩選的土壤質(zhì)量簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)基本能夠反映綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息,評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的代表性。3土壤條件和侵蝕表面因子的關(guān)系(1)坡耕地侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響存在時(shí)間差異性的特征。通過(guò)耕作可以在一定程度上消除坡耕地溝蝕對(duì)土壤形態(tài)的影響,但溝蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響由于年復(fù)一年的翻耕,使得下層較為貧瘠的土壤與上層土壤混合會(huì)導(dǎo)致表層土壤逐步被稀釋。對(duì)于一般坡地來(lái)講,土壤侵蝕將導(dǎo)致土壤質(zhì)量迅速退化。但就黃土高原坡耕地溝蝕土壤而言,由于犁底層的存在以及侵蝕-沉積過(guò)程并存使得侵蝕溝內(nèi)土壤質(zhì)量的下降沒(méi)有隨著溝蝕深度的增加呈線(xiàn)性下降,而是表現(xiàn)出明顯的層次性。坡耕地發(fā)生微度侵蝕(<5cm)、中度侵蝕(5~30cm)和重度侵蝕(30~50cm)導(dǎo)致土壤硬化,酸堿度增加。而土壤團(tuán)聚體與養(yǎng)分含量(除全磷)和土壤質(zhì)量指數(shù)近似呈“W”型變化規(guī)律。可能原因是坡耕地在微度侵蝕下坡面土壤水分下滲,土壤顆粒填充孔隙、養(yǎng)分累積明顯;當(dāng)侵蝕強(qiáng)度增加時(shí)(5~30cm),坡面上濺蝕分散物質(zhì)被陸續(xù)搬運(yùn),養(yǎng)分隨之流失,土壤質(zhì)量指數(shù)顯著下降;當(dāng)侵蝕繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)(30~50cm),坡面可能因失去犁底層保護(hù)在較大水流沖刷下土壤養(yǎng)分隨著土壤顆粒遷移流失,導(dǎo)致土壤質(zhì)量再次下降。因此,在該區(qū)坡耕地管理中對(duì)溝蝕要做到防微杜漸。當(dāng)有細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)要通過(guò)中耕、翻耕等措施及時(shí)填埋。同時(shí)坡耕地在耕作中要做好分洪措施,防止侵蝕溝過(guò)深而使底層土壤質(zhì)量再次退化。(2)如何選取土壤指標(biāo)臨界值是建立隸屬度函數(shù)的重要環(huán)節(jié)。因研究對(duì)象和目的不同,土壤指標(biāo)臨界值的選擇方法有較大差異。以往的研究主要運(yùn)用橫向或縱向?qū)φ辗▉?lái)確定。例如評(píng)價(jià)天然草地、灌木地、喬木林地土壤質(zhì)量指數(shù)時(shí),一般將發(fā)育時(shí)間較長(zhǎng)的喬木林地土壤屬性作為指標(biāo)臨界值的標(biāo)準(zhǔn)。也可以針對(duì)同一土地利用類(lèi)型,根據(jù)研究區(qū)內(nèi)所采樣品土壤屬性指標(biāo)的最值(或極值)來(lái)確定隸屬度函數(shù)的臨界值。這種方法較為普遍,但需要測(cè)定較大的樣本量來(lái)獲取客觀(guān)的臨界值。本文選擇溝間土壤屬性值作為臨界值。即土壤指標(biāo)閾值上限a2、下限a1分別為溝間土壤指標(biāo)的最大值和最小值。b1、b2為最適宜值的上下界點(diǎn),適宜值的確定是依據(jù)所測(cè)土壤指標(biāo)值的分布特征,指標(biāo)數(shù)值的集中分布區(qū)間是確定指標(biāo)適宜范圍的重要依據(jù)。這種方法使得評(píng)價(jià)結(jié)果能比較直觀(guān)地反映侵蝕溝與溝間土壤質(zhì)量的差距。(3)黃土高原坡耕地溝蝕土壤的16項(xiàng)理化屬性指標(biāo)可以歸納為3類(lèi)土壤質(zhì)量因子:土壤肥力因子、土壤質(zhì)地因子和土壤結(jié)構(gòu)因子。土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤比表面積和容重4項(xiàng)指標(biāo)能夠較好地反映黃土高原坡耕地溝蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響,可作為評(píng)價(jià)黃土高原坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量的簡(jiǎn)化指標(biāo)。而鄭粉莉等等對(duì)子午林開(kāi)墾地近100a的土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化研究,