不同表土厚度对土壤养分及抗蚀性影响

2015-05-15林圣玉车腾腾张华明

江西农业大学学报 2015年3期

林圣玉，张龙，车腾腾，张华明，李英

(1.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌 330029;2.江西省水土保持科学研究院，江西南昌 330029)

伴随着人口的急剧膨胀和人类发展过程中对生态环境的肆意破坏，耕地数量急剧减少。如何增加耕地数量和提高耕地质量是当今农业的主要问题［1-3］。坡耕地是我国耕地资源的重要组成部分，在中国坡耕地约有24万km2，约占耕地总量的19.7%［6］。南方地貌多为山地丘陵，虽雨量充沛，但雨热不同季，干湿交替明显，造成了红壤坡耕地严重的表土流失。一方面雨水没有得到有效的拦蓄，水分未能充分利用，产生大量的地表径流，造成严重的坡面侵蚀;另一方面坡耕地表土资源的流失，带走了大量的养分物质，营养物质发生迁移，有机质含量降低，造成耕作层变薄，土地生产力不断下降。因此，表土资源合理利用亦成为当前的热点与难点问题。

在农业土壤中，表土层由耕作层和犁底层组成，耕作层薄的仅15 cm，厚的可达30 cm多，一般为20 cm左右，犁底层约6～8 cm［12-13］，土壤表层厚度能够影响植物的生长［4-5］，而地表植物的生长能够进一步提升土壤理化性质和土壤的抗蚀性［8-9］。滕利强［10］在研究表土回填对裸露底土碳库的改善中得出，表土回填是增加土壤有机质、提高土地生产力的重要举措。李娟等［11］对不同覆土厚度对裸岩石砾地土壤化学性状和春玉米产量研究中表明覆土厚度对土壤质量具有明显影响。坡耕地既是山丘区群众赖以生存的主要生产用地，也是我国水土流失的重要策源地。江西省共有坡耕地39.68万hm2，其中9.68万hm2存在着不同程度的水土流失，占坡耕地面积的73.5%。因此，坡耕地生产力降低的影响因子一直是广大学者关注的问题［7］。本实验通过花生盆栽生长实验，深入研究坡耕地植被覆盖下不同土壤表层厚度对土壤理化性质及抗蚀性影响，保护和提高土地生产力，为提炼坡耕地整治技术和表土资源综合防护技术体系奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验布设在江西德安县境内的江西水土保持生态科技园。该园地处江西省北部鄱阳湖水系的德安县城郊燕沟小流域，位于东经 115°23′—115°53′，北纬 29°10′—29°35′之间，全园占地面积为 80 hm2，地貌类型为浅丘岗地，海拔为30～100 m，坡度小于25°，地形条件在南方红壤丘陵区具有代表性。土壤类型为红壤，成土母质主要为第四纪红黏土、泥质岩类风化物。试验区属亚热带湿润季风气候区，四季分明，有明显的干季和湿季，气候温和，雨量充沛，多年平均降雨量为1 350.9 mm，多年平均气温为16.7℃。现状植被主要是天然次生林、半次生林、人工林木及其伴生的灌木和地被物，主要树中有马尾松、湿地松、杉木及经济型果林。该区域条件基本上满足花生生长的需要。

1.2 试验设计

于2014年4月实施，采取以覆表土厚度为单一因素的盆栽试验。盆栽实验采用的供测土壤采自德安国家水土保持生态科技示范园坡耕地的第四纪红壤，坡度为15°，平均土壤厚度80 cm，表土为0～20 cm，淀积层为20～80 cm，实验前植被覆盖主要为花生。供试花生品种山花12号。盆子规格为盆高50 cm，直径为50 cm。实验设置5种不同表土覆盖厚度，分别覆表土为0，10，20，30，40 cm，分别为C0、C10、C20、C30、C40，每种处理设置3次重复，盆栽底土均采用荒坡地淀积层红壤，厚度50 cm，表土和淀积层红壤均采用原状土回填。

施肥采用江西水土保持生态科技园坡耕地示范小区施用标准，有机钙镁磷肥3 750 kg/hm2，复合肥1 875 kg/hm2。经计算盆栽规格，本实验每个盆施用有机钙镁磷肥7.5 g，复合肥3.5 g，株距为20 cm，行距为20 cm，每穴3粒种子。

1.3 样品采集及测定方法

盆栽实验于2014年4月29日播种，8月25日收获。播种前采集土壤本底样，从花生的结荚期至成熟期采用直尺法测定株高。待花生收获后测定生物量和产量的干重等。生物量的测定采用烘干法(105 ℃，1 h;70 ℃，72 h)［14］。

花生收获后，取盆栽中0～15 cm表层土壤测定理化指标。全N:凯氏蒸馏法，全P:碳酸钠碱熔—钼锑抗比色法，速效P:分光光度法，全K:火焰光度法，碱解N:碱解扩散法，速效K:醋酸铵浸提—火焰光度法，阳离子交换量:乙酸铵交换法，土壤有机质:重铬酸钾外加热法测，pH值:水提2.5∶1电位法，水稳性大团聚体:人工筛分法，机械组成:比重计法，微团聚体:吸管法［14-16］。

1.4 不同表土厚度土壤质量综合评定方法

采用已修正过内梅罗公式综合质量指数进行土壤质量综合评定［18］。已修正过内梅罗公式如下:

式中:Q为土壤质量指数，Q值越大说明该土壤质量越好。

Piave为样品中土壤质量单指标指数的均值，Pimin为样品中单指标指数的最小值，n为样品中评价指标的个数。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准［19］，把第5级别的下、上限分别定为Xmin，Xmid，第3级别的下限定为Xmax，根据各指标测定值得出单质量指标指数。各指标的界限值如表1。

表1 土壤质量单指标分级标准Tab.1 Classification standards of single indicators for soil quality

测定的因子属于“极差”级别时，即Xi＜Xmin，Pi=Xi/Xmin(Pi＜1);测定的因子属于“差”级别时，即Xmin≤Xi＜Xmid，Pi=1+(Xi-Xmin)/(Xmid-Xmin)(1≤Pi＜2);测定的因子属于“中等”级别时，即 Xmid≤Xi＜Xmax，Pi=2+(Xi-Xmid)/(Xmax-Xmid)(2≤Pi＜3);测定的因子属于“良好”级别时，即 Pi≥Xmax，Pi=3;式中 Pi为单质量指标指数，Xi为某指标的测定值，i为各测定的指标。

1.5 土壤抗蚀性指标计算方法

各项数据计算公式如下:

式中:X1为土壤结构破坏率，%，n1为大于0.25 mm团聚体分析值(干筛)，%，n2为大于0.25 mm团聚体分析值(湿筛)，%。

式中:X2为土壤团聚状况，n3为大于0.05 mm微团聚体分析值，%，n4为大于0.05 mm机械组成分析值，%。

式中:X4为分散率，n5为小于0.05 mm微团聚体分析值，%，n6为小于0.05 mm机械组成分析值，%。

以下式中，X5为土壤有机质。

1.6 数据处理

采用Excel 2007对数据、图表进行处理，用SPSS18.0数据处理软件对数据进行方差分析及主成分分析，用Sigmaplot数据处理软件进行三维分析。

2 结果与分析

2.1 不同表土厚度对土壤养分的影响研究

2.1.1 不同表土厚度土壤养分变化对盆栽实验花生收获后各处理中有机质、全N、全P、全K、速效P、碱解N、有效K、CEC进行研究，结果如表2所示。对有机质含量研究表明，C10、C20、C30、C40的有机质含量与对照 C0 相比分别提高了90.36%、156.87%、190.60%和188.19%，且 C10、C20、C30 和 C40 的有机质含量与C0处理之间差异显著(P＜0.05)。

C10、C20、C30、C40 的全氮含量与对照 C0 相比分别提高了 35.00%、52.50%、65.00% 和82.50%，各处理与对照C0差异显著(P＜0.05)。C10、C20、C30、C40的全磷含量与对照 C0相比分别提高了18.52%、22.22%、33.33%和40.74%，C30和C40处理的全钾含量与C0之间存在显著差异(P＜0.05)，C10和 C20与对照 C0之间相比提高的并不显著(P＞0.05)。C10、C20、C30 的全钾含量与对照C0相比分别降低了0.78%、6.59%和3.72%，C40与对照C0相比却提高了3.34%，但是各处理与对照C0相比并没有显著差异(P＜0.05)。

C10、C20、C30、C40 的碱解氮含量与对照 C0 相比分别提高了 88.19%、123.48% 、158.76% 和105.86%，且 C20、C30 和 C40 的碱解氮含量与 C0 之间存在显著差异(P＜0.05)。C10、C20、C30、C40 的速效磷含量与对照C0相比分别提高了11.67%、47.80% 、113.44%和34.80%，且只有C30的速效磷含量与C0之间存在显著差异(P＜0.05)。分析速效钾含量，发现C10、C20、C30、C40的速效钾含量与对照 C0 相比分别提高了 54.11%、81.91% 、148.19%和140.23%，C10、C20、C30 和 C40 的速效钾含量与C0处理之间存在显著差异(P＜0.05)。

进一步研究发现，表土回填厚度在0～40 cm内，随着表土回填厚度的增加土壤有机质、CEC、碱解N、速效P、速效K等指标含量呈先增大后减小趋势，均在C30处理达到最大值。土壤有机质、CEC、碱解N、速效 P、速效 K 最大值分别为 12.06±1.10，11.99，53.9±20.90，9.69±4.62，171.67±25.29 mg/kg。C30处理有利于土壤有机质、CEC、碱解N、速效P、速效K等含量积累，同时不同处理对土壤有机质、CEC、碱解N、速效P、速效K等影响不同。

表2 表土与C10、C20、C30、C40处理指标对比Tab.2 The contrast of soil physical properties about topsoil and C10，C20，C30，C40

表土回填厚度在0～40 cm内，随着表土回填厚度的增加土壤全N、全P指标含量呈持续递增状态，在 C40 处理值最大，分别为0.73 g/kg、0.38 g/kg，含量从大到小依次为 C40、C30、C20、C10 和 C0。全 K含量呈先减小后增加趋势，在C20处理达到最小值，为12.04 g/kg。含量从大到小依次为C40、C10、C0、C30和C20。

2.1.2 花生覆盖下不同表土厚度土壤质量综合评定选取土壤有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P和速效K等养分指标，采用已修正过内梅罗公式综合质量指数进行土壤质量综合评定［18］。结果如表3所示。

表土回填厚度在0～40 cm范围内，随着表土回填厚度的增加，土壤综合质量指数逐渐增加，C40处理土壤质量最好，C0处理土壤质量最差。从大到小依次为C40、C30、C20、C10、C0。

表3 土壤综合质量指数变化Tab.3 The variation about soil comprehensive quality index

2.2 花生覆盖下不同表土厚度对土壤抗蚀性的影响研究

2.2.1 不同指标与抗蚀性的关系对土壤结构破坏率研究，结果如图1所示，随着表土厚度增加土壤破坏率逐渐降低的趋势且各处理之间并没有显著差异(P＞0.05)。土壤结构破坏率回归分析也表明土壤破坏率先减小，后逐渐趋于平稳的趋势，在C0处理值最大，为(58.03±2.64)%，且表土回填厚度在0～40 cm内，随着表层土壤厚度的增加土壤结构破坏率呈现三阶函数变化趋势。

图1 不同表土厚度土壤土壤团聚度变化Fig.1 The variation about aggregation condition under different thickness of topsoil

图2 不同表土厚度土壤结构破坏率变化Fig.2 The variation about structure deteriorative under different thickness of topsoil

对土壤团聚度与土壤团聚状况研究，结果如图2、3所示，表土回填厚度在0～40 cm内，土壤团聚度的各处理之间差异并不显著(P＞0.05);各处理之间的土壤团聚状况之间存在差异，其中C40与C0之间差异显著(P＜0.05)，土壤团聚度和土壤团聚状况之间的最大值均为C30处理，分别为(23.86±6.25)%和(70.09±6.39)%。表土回填厚度在0～40 cm内，土壤团聚度与土壤团聚状况基本随着回填厚度的增加呈先增大后减小的趋势，土壤团聚度随表土厚度变化情况与三阶函数有较好拟合(R2=0.874 2)，而土壤团聚状况随表土厚度变化情况与二阶函数有较好拟合度(R2=0.719 0)。

图3 不同表土厚度土壤团聚状况变化Fig.3 The variation about aggregation degree under different thickness of topsoil

图4 不同表土厚度结构分散率变化Fig.4 The variation about aggregation dispersive coefficient different thickness of topsoil

对土壤结构分散率研究，结果如图4所示，各处理之间并没有显著差异(P＞0.05)，表土回填厚度在0～40 cm内，随着回填厚度的增加土壤分散率呈先减小后增加的趋势，该趋势与三次函数方程有较好拟合度(R2=0.904 6)，且在 C0 处理值最大，为(86.71±2.66)%，C30 处理值最小为(73.82±3.68)%。

土壤抗蚀性研究中，土壤有机质是一个必不可少的指标，土壤抗蚀性的研究都将土壤有机质作为一个重要的评价指标［26-28］。由表2可知，表土层有机质含量高于淀积层，分别为3.56 g/kg和9.61 g/kg。由表5可知C0处理有机质含量最小，C30处理含量最大，表土回填厚度在0～40 cm内，随着表土回填厚度的增加土壤有机质含量呈先增加后减少的趋势，在C30处理达到最大值。

2.2.2 不同抗蚀性指标主成分分析本文主要选取了土壤结构破坏率、土壤团聚状况、土壤团聚度、土壤分散率和土壤有机质对土壤抗蚀性进行评价［20-23］。土壤抗蚀性是一个综合性因子，只能在一定的控制条件下通过测定土壤性质的某些参数来作为土壤抗蚀性的评价指标，考虑到众多的因子在进行分析时很不方便，并且有些指标间信息重叠，结合前人的研究经验，用最少的指标来代替原有指标，并尽可能保存原有多指标的信息。通过主成分分析，以确定不同土壤类型抗蚀性综合指标［30］。经过主成分分析将原来的诸多因子缩减到现在的2个新变量(即2个主成分)，用y1和y2，这2个新变量包含了原始数据信息总量的90.132%。可满足主成分的分析要求，因此，只取前2个主成分进行分析(表4、5)。

将2个主因子按其贡献率大小计算综合指数，从而对抗蚀性进行综合评价，具体函数式为F=0.735y1+0.112y2。y1、y2为两个主成分，其函数为:

表4 旋转后的载荷因子和因子得分系数Tab.4 The score of load factor and factor after rotation

土壤抗蚀性指标主成分分析综合指数(表5)表明，表土回填厚度在0～40 cm内，表土回填厚度为30 cm的土壤抗蚀性最大，未回填表土的处理抗蚀性最差容易产生水土流失，抗蚀性大小顺序为C30＞C40＞C20＞C10＞C0。

表5 土壤抗蚀性综合指数Tab.5 Analysis of the comprehensive index about soil anti-erosion

3 讨论

(1)在生态环境中，土壤与植被之间存在着密切的相互联系，土壤养分是土壤提供给植物生长发育所必需的营养元素［17］。在人类活动以及生物的综合作用下，表层土壤富集了丰富的有机腐殖质，成为作物生长发育的最好基质［31］。实验结果也表明表土回填厚度在0～40 cm内，随着表土回填厚度增加，土壤有机质、CEC、碱解N、速效P、速效K等指标含量呈现出先增大后减小趋势，在C30处理达到最大值。土壤有机质、CEC、碱解 N、速效 P、速效 K 最大值分别为 12.06±1.10 g/kg、11.99 g/kg、53.90±20.90 mg/kg、9.69±4.62 mg/kg、171.67±25.29 mg/kg。土壤全 N、全 P 等指标含量随着表土回填厚度增加呈递增状态，在 C40 处理值最大，分别为0.73±0.03 g/kg、0.38±0.02 g/kg。全 K 含量呈先减小后增加趋势，在C20处理达到最小值，为12.04±0.43 g/kg。根据修订的内梅罗土壤质量综合评价模型对上述处理进行评价也证明，随着表土回填厚度增加，土壤综合质量指数逐渐增加，从大到小依次为 C40、C30、C20、C10、C0 处理。

(2)土壤有机质是土壤水稳性团粒的主要胶结剂，能够促进土壤中团粒结构的形成，含有机质丰富的土壤能够形成良好结构，增加土壤的疏松性、通气性和透水性，从而提高土壤的抗侵蚀能力［29］。土壤有机质含量越高，土壤中的有机胶体越多，土壤的持水率也越大。植物的根系及凋落物最先归还到表层土壤，因此土壤表层具有丰富有机质。研究也表明，表土回填厚度在0～40 cm范围内，随着表土回填厚度的增加土壤有机质先增加后减少的趋势，在C30(12.06±1.10)g/kg处达到最大。该研究表明表土回填厚度在0～40 cm内，随着表土回填厚度的增加、土壤团聚度与土壤团聚状况呈先增加后减少的趋势，在C30处理达到最大值，分别为70.09%和23.87%。土壤团聚度和团聚状况变化表明了通过表土回填厚度的增加，土壤结构得到改善，土壤团聚体的团聚能力及稳定性得到显著提高，土壤抵抗侵蚀的能力逐渐增强，该结论与史东梅［24］研究结论一致。随着表土回填厚度的增加促进了作物生长，植被覆盖度提高，根系穿插固结能力增强，土壤结构性越来越好。土壤分散率呈先减小后增加的趋势，在C0处理值最大，为84.02%;C30处理值最小，为73.82%。土壤结构破坏率呈先减小，后逐渐趋于平稳的趋势，在C0处理值最大，为58.03%。说明随着表土回填厚度的增加促进了土壤中团粒结构的形成，增加土壤的疏松性、土壤结构得到改善，土壤微团聚体的团聚能力及稳定性得到显著提高，抵抗侵蚀的能力增强。这一结论与董慧霞［24］研究结果相同。根据抗蚀性指标主成分分析综合指数可知C30处理抗蚀性最强，综合指数为11.02。C0处理抗蚀性最弱，综合指数为3.78。土壤抗蚀性综合指数从大到小依次为 C30、C40、C20、C10、C0。

4 结论

该研究表明表土回填厚度在0～40 cm内，土壤有机质、CEC、碱解N、速效P、速效K含量随着表土回填厚度增加，呈先增大后减小趋势，均在C30处理达到最大值。土壤全N、全P含量随着表土回填厚度增加呈递增状态，在C40处理值最大。全K含量呈先减小后增加趋势，在C20处理达到最小值。随着表土回填厚度增加，土壤综合质量指数逐渐增加，从大到小依次为C40、C30、C20、C10、C0处理。根据抗蚀性综合指数显示C30处理抗蚀性最强，综合指数为12.70。C0处理抗蚀性最弱。土壤抗蚀性综合指数从大到小依次为 C30、C40、C20、C10、C0。

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