黄土高原坡耕地沟蚀的防治

黄土高原坡耕地沟蚀的防治

土壤侵蚀是世界环境的主要问题之一。严重的土壤侵蚀导致土壤资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损失约5×106~7×106hm2,其中我国每年损失耕地近7×104hm2,由水土流失引起的退化耕地占我国总耕地面积的1/3。黄土高原现有耕地7.84×106hm2,其中约78.6%属于坡耕地,是该区粮食的重要产地。由于黄土区侵蚀性降水较为集中、坡地容易跑水跑土以及土壤本身抗侵蚀性较低等因素的影响,坡耕地细沟、浅沟侵蚀频繁发生。每年的翻耕将沟间土壤填埋到侵蚀沟,表面上不会带来土壤质量的严重下降而被人们所忽视。然而,长期翻耕使得下层较为贫瘠的土壤与上层土壤混合会导致表层土壤逐步被稀释,土壤质量明显减退。定量化评价坡耕地土壤侵蚀对土壤质量的影响越来越引起管理者和科学家们的重视。土壤沟蚀是指暂时性线状水流对地表的侵蚀作用,形成细沟、浅沟和切沟等侵蚀系列的过程。黄土高原坡耕地土壤水蚀主要表现为面蚀和沟蚀。朱显谟将沟蚀划分为细沟、浅沟和切沟侵蚀系列。其中,浅沟和切沟是人类活动作用下产生的现代侵蚀沟,而细沟由于沟床不固定没有明显的汇水面积,有学者将其归入面蚀类。本研究基于细沟和浅沟侵蚀是黄土高原坡耕地的主要侵蚀形式,将细沟划入沟蚀系列。国内外在土壤沟蚀、土壤质量演变、土壤退化方面开展了大量研究,取得了重要进展。就坡耕地沟蚀与土壤质量关系研究发现,长期土壤侵蚀不仅造成富集养分的表层土壤的流失,而且会恶化流失区土壤理化性质,如土壤质地硬化、颗粒粗化和养分含量下降,进一步导致土壤质量的严重退化。但是以往的研究关于沟蚀演化过程中土壤质量退化规律较少,尤其是定量化分析不同沟蚀深度对土壤质量的影响研究更少。使得坡地侵蚀土壤质量评价缺乏系统性和指导性。因此,本文以黄土高原坡耕地为对象,研究了不同沟蚀深度下土壤质量特征。目的在于量化表达沟蚀对土壤质量的影响,筛选出坡耕地沟蚀土壤质量评价的关键指标,以期为侵蚀环境下土壤质量评价及土壤保育提供参考。1材料和方法1.1年降雨情况黄土高原位于北纬34°~40°、东经103°~114°之间。总面积64.2×104km2,其中水土流失面积4.3×105km2。气候属于温带大陆性季风气候。降水量集中在200~600mm之间,平均年降雨492mm。以梁峁坡为主要地形,土壤类型以黄土母质发育而成的黄绵土为主。土壤水蚀在该区坡耕地上主要表现为片蚀和沟蚀。其中,沟蚀(细沟和浅沟)是坡耕地土壤侵蚀的主要方式,平均侵蚀模数为2180t·hm-2·a-1,侵蚀量占坡面侵蚀量的35%~70%。由于长期强烈的土壤侵蚀导致土壤质量严重退化。土壤有机质流失量可达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侵蚀沟和沟间表层土壤样品的采集通过对黄土高原坡耕地大面积调查,选取不同侵蚀深度的侵蚀沟道24条,选择典型部位测量侵蚀沟截面特征(如上底宽、下底宽、深度等)来推算沟道土壤侵蚀量。在不同侵蚀深度(2~53cm)下沿沟底垂直于侵蚀部位挖取土壤剖面64个(以侵蚀沟旁边的沟间土壤为对照),它们代表不同退化程度的土壤(样点基本情况见表1)。为避免因取样深度过大而掩盖沟蚀对表层土壤性质所产生的影响,每个剖面分4层(0~2cm、2~5cm、5~10cm、10~20cm)分别采集侵蚀沟和沟间土壤样品(图1)。土壤容重和原状土来自侵蚀沟和沟间表层土壤(0~10cm),数量均为64×2=128个。养分土样分层采集,数量是64×2×4=512个,其中原状土用铝盒存放带回室内测定。1.3数据处理及分析将野外采集土样带回室内风干,剔除根系、石块等杂物。研磨过筛(1mm和0.25mm)测定16项土壤理化属性。其中物理指标包括土壤容重、孔隙度、粘粒含量、粉粒含量、砂粒含量(MS2000激光粒度仪—马尔文法)、土壤比表面积(soilspecificarea,SSA)。SSA=0.05Sa+4.0Si+20Cl,SSA为土壤比表面积,Sa、Si与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数。团聚体含量、团聚体平均质量直径(MWD):式中:是某级团聚体的平均直径;wi是该级别团聚体占土壤样品总量的质量百分含量。化学指标包括有机质、全氮、全磷、有效氮、速效磷、速效钾、阳离子交换量(CEC)、pH值(土水比1∶2.5)。除标注参考文献的土壤性质外,其他均按照常规方法测定。本研究数据土壤容重和团聚体为表层(0~10cm)数值,其他指标数值均是以土层深度为权重转化得到。为了消除采样点土壤背景差异对研究结果的影响,本文采用“差值法”,以沟间地(侵蚀沟近旁)土壤为对照,研究沟蚀对土壤质量的影响。数据处理采用SPSS13.0软件,差异显著性检验运用LSD法(P<0.05,双尾)。研究区土壤性质见表2。2结果与分析2.1不同地形条件对土壤功能的影响,中国特色社会主义道路土壤质量的综合评价首先要对各评价因素的优劣状况进行评价。但各评价因素在优劣之间仍是渐变的,对土壤功能的影响具有模糊性。因此,本研究借助模糊数学原理,建立土壤性质与土壤功能(以生产力和抗侵蚀能力为主)之间的隶属函数。以沟间土壤为对照,结合区域特征及前人研究结果,确定各土壤性质的阈值,从而建立黄土高原坡耕地沟蚀土壤单因素评价模型,模型依据一定范围内评价因素指标值与土壤功能的相关情况划分为“S”型隶属度函数、反“S”型隶属度函数和抛物线型隶属度函数。“S”型隶属度函数指一定范围内评价因素值与土壤功能呈正相关,而低于或者高于此范围评价因素指标值的变化对土壤功能的影响很小。土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效钾、速效磷、阳离子代换量(CEC)、水稳性团聚体、团聚体平均重量直径(MWD)、总孔度属于此类。在建立这些土壤性质的隶属函数时,可将“S”型曲线近似成升半梯形分布(图2)。反“S”型隶属度函数即因素值与土壤功能呈负相关,而低于或者高于此范围评价因素指标值的变化对土壤功能的影响很小。例如,碳酸钙含量属于此类,本研究选取指标均不属于此类。抛物线型隶属度函数即评价因素指标值对土壤功能有一个最佳的适宜范围,超过此范围,随着偏离程度的增大,对土壤功能的影响越不利,直达某一值时土壤丧失其功能。pH值、容重和质地属于此类,在建立隶属函数时,可将抛物线型曲线近似成梯形分布(图3,指标临界值及转折点见表3)。坡耕地不同沟蚀深度对土壤主要物理性质[图4(a)]和化学性质[图4(b)]的影响有较大差异。当坡耕地发生沟蚀后,与对照相比,土壤容重和pH值均有不同程度的增加,其中土壤容重在沟蚀深度15~30cm增幅最大(14.3%),而土壤pH值在沟蚀深度50cm处增幅最大(4.1%)。土壤有机质、阳离子交换量、碱解氮、速效钾、土壤比表面积和团聚体平均质量直径随着沟蚀深度的增加近似呈“W”型变化趋势。即在侵蚀初期(<5cm),土壤养分含量(除全磷变化较小,变化区间为-3.7%~2.2%)保持稳定或略有增加;当侵蚀程度增强时(5~20或30cm)时,土壤养分含量呈现出先下降后趋于稳定阶段;当侵蚀深度继续增加时(20或30~50cm),土壤养分含量再次呈现出先下降后趋于稳定的趋势。可见,坡耕地沟蚀作用会导致土壤硬化,pH值增加,且土壤养分含量(除全磷)随着沟蚀深度变化表现出明显的层次性,近似呈“W”型变化规律。2.2河岸耕地侵蚀土壤质量评价2.2.1加权和法评价土壤质量是各土壤属性综合作用的结果,因而在土壤单因素评价之后,需要将单因素评价结果转换为由各评价因子构成的土壤质量的综合评价。科学的土壤质量评价方法应能同时考虑各评价因素间的交互作用及各评价因素的权重对土壤质量评价结果的影响,参考前人研究成果,本文采用加权和法对土壤质量指数进行计算:式中:SQI是土壤质量指数,Ci是各个评价指标的隶属度值,Ki是第i个评价指标的权重,n是评价指标的个数。权重值是通过多元统计分析中的主成分分析法计算公因子方差及各个公因子方差占公因子方差总和的百分数,将公因子方差转换为0~1的数值来确定的。2.2.2不同沟蚀深度对土壤质量指数的影响土壤质量指数的建立是以沟间土壤为对照(未发生沟蚀),反映坡耕地沟蚀对土壤质量的影响。由图5可以看出,沟蚀深度对土壤质量的影响可以用幂函数曲线较好地拟合(R2=0.877)。当沟蚀深度<5cm时,侵蚀作用改变了原来土壤的微环境,土壤质量指数为0.894,较对照下降约10.6%。当沟蚀深度增加时(5~30cm),土壤质量指数处于0.808~0.821,与前者相比降低13.2%~20.6%,平均降幅为17.3%。当侵蚀强度继续增大时(30~50cm),土壤质量指数出现再次下降的趋势,处于0.624~0.650之间。与微度(<5cm)和中度(5~30cm)侵蚀相比,土壤质量指数显著下降,降幅分别为25.9%和8.6%。可见,黄土高原坡耕地随着沟蚀深度的增加,土壤质量指数呈幂函数曲线递减。微度侵蚀(<5cm)、中度侵蚀(5~30cm)和重度侵蚀(30~50cm)的土壤质量指数较沟间土壤分别降低了10.6%、27.9%和36.5%,且在沟蚀深度5cm和30cm发生显著下降。2.3土壤肥力因子的筛选和简化指标的确定土壤质量各指标之间包含的信息存在一定的相关性。因此,可利用较少的指标来反映土壤质量变化。本文采用主成分分析法,将原始数据归一化处理后,利用相关系数矩阵计算出相应的特征值及特征向量,依据累积贡献率85%的原则,从所测得的16项土壤指标中提取出3个主成分。各主成分的方差贡献率分别是39.976%、36.644%和10.364%,累积贡献率达86.984%。各主成分以因子特征值的大小进行排序。由表4可以看出,第一主成分与土壤有效氮、速效钾、有机质、酸碱度、粘粒含量、全氮均有较高的正荷载(≥0.8),这些指标都与土壤肥力有较好的相关关系,因此可将第一主成分称为土壤肥力因子。第二主成分与粉粒含量、容重、土壤比表面积、速效磷及阳离子交换量有较高的正荷载,而与土壤砂粒含量和孔隙度有较高的负荷载,这些指标中砂粒含量、粉粒含量、土壤比表面积、土壤容重、孔隙度均是反映土壤质地优劣的重要指标,而土壤速效磷、阳离子交换量与土壤质地有较好的相关关系,所以将第二主成分称为土壤质地因子。第三主成分与团聚体含量、团聚体平均质量直径有较高的正荷载(0.897和0.718),而这两个指标均是反映土壤结构的指标,因此将第三主成分称为土壤结构因子。由于各个主成分中指标之间依然包含信息的重叠,根据各个指标之间的相关性和权重大小,通过逐步判别分析法,对主成分分析所筛选出的土壤质量的主成分进一步分析,从而选择出在不同沟蚀程度之间差异最大的指标。最终确定能够表征坡耕地沟蚀土壤质量的关键指标。判别函数式如下:式中:Y1、Y2、Y3分别是反映土壤肥力、土壤质地和土壤结构因子的判别得分,无量纲;WSA为水稳性团聚体含量。判别函数中的因子判别系数大小反映了该因子在判别函数中的重要程度。结合主成分分析和判别式分析结果,主成分1中以土壤有机质分量最大(5.498)。主成分2中以土壤比表面积和容重分量最大(2.276和1.268)。主成分3中以水稳性团聚体分量最大(4.220)。因此,将土壤有机质、土壤比表面积、水稳性团聚体含量和土壤容重4项指标作为黄土高原坡耕地沟蚀土壤质量评价的简化评价指标。为了验证简化指标对坡耕地沟蚀土壤质量评价结果的代表性,将研究区64个样点的综合评价结果(SQI1)与简化指标评价结果(SQI2)进行相关性分析。由图6可以看出,综合评价指标与简化指标的评价结果具有显著的线性相关关系。表明所筛选的土壤质量简化评价指标基本能够反映综合评价指标的信息,评价结果具有较好的代表性。3土壤条件和侵蚀表面因子的关系(1)坡耕地侵蚀对土壤质量的影响存在时间差异性的特征。通过耕作可以在一定程度上消除坡耕地沟蚀对土壤形态的影响,但沟蚀对土壤质量的影响由于年复一年的翻耕,使得下层较为贫瘠的土壤与上层土壤混合会导致表层土壤逐步被稀释。对于一般坡地来讲,土壤侵蚀将导致土壤质量迅速退化。但就黄土高原坡耕地沟蚀土壤而言,由于犁底层的存在以及侵蚀-沉积过程并存使得侵蚀沟内土壤质量的下降没有随着沟蚀深度的增加呈线性下降,而是表现出明显的层次性。坡耕地发生微度侵蚀(<5cm)、中度侵蚀(5~30cm)和重度侵蚀(30~50cm)导致土壤硬化,酸碱度增加。而土壤团聚体与养分含量(除全磷)和土壤质量指数近似呈“W”型变化规律。可能原因是坡耕地在微度侵蚀下坡面土壤水分下渗,土壤颗粒填充孔隙、养分累积明显;当侵蚀强度增加时(5~30cm),坡面上溅蚀分散物质被陆续搬运,养分随之流失,土壤质量指数显著下降;当侵蚀继续加强时(30~50cm),坡面可能因失去犁底层保护在较大水流冲刷下土壤养分随着土壤颗粒迁移流失,导致土壤质量再次下降。因此,在该区坡耕地管理中对沟蚀要做到防微杜渐。当有细沟出现时要通过中耕、翻耕等措施及时填埋。同时坡耕地在耕作中要做好分洪措施,防止侵蚀沟过深而使底层土壤质量再次退化。(2)如何选取土壤指标临界值是建立隶属度函数的重要环节。因研究对象和目的不同,土壤指标临界值的选择方法有较大差异。以往的研究主要运用横向或纵向对照法来确定。例如评价天然草地、灌木地、乔木林地土壤质量指数时,一般将发育时间较长的乔木林地土壤属性作为指标临界值的标准。也可以针对同一土地利用类型,根据研究区内所采样品土壤属性指标的最值(或极值)来确定隶属度函数的临界值。这种方法较为普遍,但需要测定较大的样本量来获取客观的临界值。本文选择沟间土壤属性值作为临界值。即土壤指标阈值上限a2、下限a1分别为沟间土壤指标的最大值和最小值。b1、b2为最适宜值的上下界点,适宜值的确定是依据所测土壤指标值的分布特征,指标数值的集中分布区间是确定指标适宜范围的重要依据。这种方法使得评价结果能比较直观地反映侵蚀沟与沟间土壤质量的差距。(3)黄土高原坡耕地沟蚀土壤的16项理化属性指标可以归纳为3类土壤质量因子:土壤肥力因子、土壤质地因子和土壤结构因子。土壤有机质、水稳性团聚体、土壤比表面积和容重4项指标能够较好地反映黄土高原坡耕地沟蚀对土壤质量的影响,可作为评价黄土高原坡耕地沟蚀土壤质量的简化指标。而郑粉莉等等对子午林开垦地近100a的土壤质量动态变化研究,