不同水土保持措施对红壤坡耕地土壤物理性质的影响

李翔 杨贺菲 吴晓 张家其

摘要：【目的】针对红壤坡耕地土壤结构差、水土流失严重等问题，研究不同水土保持措施对土壤容重、孔隙度等土壤物理性质的影响，为实现红壤坡耕地的持续、高效利用提供参考。【方法】以等高花生常规耕作为对照（CK），探析表施聚丙烯酰胺（PAM）、香根草篱和PAM+香根草篱等3种水土保持措施对土壤容重、孔隙度、持水量的影响，综合评价不同措施对土壤物理性质的改良效果。【结果】不同水土保持措施处理下0～20 cm土层土壤容重差异显著（P<0.05），3种水土保持措施主要对红壤坡耕地0～20 cm土壤容重改善效果明显；不同处理下0～40 cm土层土壤孔隙度和持水量差异不显著（P>0.05），不同水土保持措施对0～10 cm土层土壤孔隙度和持水量的提升效果较好。土壤容重与其他土壤物理指标呈负相关，且作为主成分评价不同水土保持措施对土壤物理性质的改良效果的贡献率较高（76.517%）。【结论】土壤容重是评价不同水土保持措施对土壤物理性质改良效果的重要因子，影响着土壤孔隙度和持水量等物理性质；不同水土保持措施对0～10 cm土层土壤物理性质的综合改良效果较好，且以表施PAM+香根草篱效果最佳，是值得推广应用的红壤坡耕地水土保持措施。

关键词： 红壤坡耕地；水土保持措施；土壤物理性质；土壤容重

中图分类号： S157.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）10-1677-06

0 引言

【研究意义】红壤坡地是我国南方红壤区主要土地资源之一，其面积占南方红壤区旱地面积的70%以上（袁久芹等，2015）。该区域水热资源丰富，生物生产力潜力巨大（方少文等，2012），是我国重要的土壤资源和多种农林产品的主产区。随着土地资源的不断开发和集约化利用，我国南方红壤区水土流失日益严重，据统计，南方红壤区总面积1.03×108 ha，但水土流失面积超过0.60×108 ha，其水土流失范围及严重程度仅次于黄土高原地区（赵其国，1995）。修复和重建侵蚀红壤的措施包括生物、农业、化学等措施（史学正和于东升，1999；李恋卿等，2000），天然或合成的聚合物具有改善土壤团粒结构、保水性、保肥性和渗透性等效果（龙明杰和曾繁森，2000），而植物篱作为坡耕地农业利用的新型技术体系，可减少水土流失，改善土壤物理性质结构，进而提高土壤肥力，在水土保持领域备受关注（袁久芹等，2015）。因此，研究聚合物和植物篱对红壤坡耕地土壤物理性质的影响，可拓宽南方红壤改良途径，丰富和完善红壤区水土保持理论，对于红壤坡耕地的持续、高效利用具有重要意义。【前人研究进展】聚丙烯酰胺（Polyacrylamide， PAM）在土壤改良方面具有成本低、效果好、环境影响小等优点。20世纪90年代，国外将PAM作为一种水土保持剂，用以增加表层土壤颗粒间的凝聚力，维护良好的地表土壤结构，防止土壤结皮，增加土壤入渗率，减少地表径流，从而防止或减少土壤侵蚀（Lentz and Sojka， 1994）。PAM被引入到国内后，许多学者对其在坡耕地土壤结构改良方面做了相关研究，结果发现PAM在改善土壤团粒结构、减少水土流失、降低养分流失等方面具有较好的效果（刘纪根等，2003；员学锋等，2005）。香根草（Vetiveria zizanioides）篱作为一种植物篱，以其适应性广、抗逆性强、成篱速度快在我国南方红壤区得广泛应用。相关研究表明，香根草篱具有拦截地表径流、增加土壤渗透性、减小养分流失、提高土壤水含量、提高土壤酶活性等优良的水土保持效果（武琳等，2013；黄尚书等，2016）。近年来，以坡地等高植物篱技术应用为代表的坡地生态工程在我国南方红壤区得到广泛运用，以此形成的植物篱—作物系统可减少土壤侵蚀，增加经济效益（涂仕华等，2005）。【本研究切入点】目前，针对PAM在水土保持方面的研究主要集中在黄土高原地区，涉及其他类型土壤较少，而将其与香根草篱结合起来作为综合水土保持措施的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以红壤坡耕地为研究对象，通过探析不同水土保持措施对土壤容重、孔隙度及持水量等土壤物理性质的影响，综合评价不同水土保持措施对土壤物理性质的改良效果，为合理利用红壤坡耕地、减少水土流失及优化红壤坡耕地水土保持措施提供理论指导。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

试验地点位于湖北省咸宁市华中农业大学红壤试验站，年均气温16.5 ℃，年均降雨量1484 mm，年均蒸发量1473 mm，水热资源丰富，但时空分布极不均匀，春季和夏初水土流失严重，对该地区农业生产影响明显。该地区地带性土壤主要为红壤，成土母质以第四纪红色粘土为主，土层深厚。

1. 2 试验设计

选取坡度为8°的红壤坡耕地，以等高花生常规耕地作为对照（CK）处理，并设表施PAM（P）、香根草篱（H）和PAM+香根草篱（P+H）3种水土保持措施处理，3次重复，共12个试验小区，完全随机排列，小区面积为40 m2（20 m×2 m）。PAM由法国进口，白色粉末晶体，溶于水，具有很强的黏聚作用。表施PAM的具体方法为：PAM与过2 mm目筛的风干土按25%质量分数混匀后均匀洒在试验小区表层，用量为2 g/m2（小区用量为80 g）。香根草篱每隔5 m双行种植，株行距为50 cm×50 cm，株高控制在80～100 cm，寬度约60 cm。花生品种选用当地多粒花生品种，种植行株距为40 cm×15 cm，不同处理间花生每一行均对应等高种植，含香根草篱的小区种植66行花生，其他小区种植72行花生。试验前各处理的土壤基础理化性质及花生的种植方式和田间管理措施等基本一致。

1. 3 土壤样品采集与分析

花生收获前，在每小区选择坡上、坡中、坡下3个点采集0～10、10～20、20～30和30～40 cm等4个土层的环刀样品，每个点位每个土层采集环刀样品4个，共采集576个环刀样品。其中，选取坡上、坡中、坡下3个点每个土层的环刀样品各2个，总计288个环刀样品用于土壤容重测定；余下288个环刀样品用于土壤孔隙度、持水量的测定。土壤容重、孔隙度及持水量等土壤物理指标采用环刀法进行测定。

1. 4 数据处理

使用Excel 2007对试验数据进行整理，用Origin 8.1制图、SPSS 18.0进行方差、相关性及主成分分析。

2 结果与分析

2. 1 不同水土保持措施对土壤容重的影响

由表1可看出，在0～30 cm土层，土壤容重随土层深度增加而增加，0～10、10～20和20～30 cm土层的土壤容重变化幅度分别为1.11～1.21、1.22～1.31和1.41～1.48 g/cm3；但30～40 cm土层的土壤容重整体较20～30 cm土层低，可能与土壤剖面结构有关。与CK处理相比，P、H和P+H 3个处理均能降低0～20 cm土层的土壤容重，其中，以P+H处理的效果最好，其土壤容重与CK相比达显著差异水平（P<0.05，下同）；不同处理对20～40 cm土层土壤容重的影响均不显著（P>0.05，下同）。可见，各水土保持措施主要对红壤坡耕地0～20 cm土壤容重影响较明显。

2. 2 不同水土保持措施对土壤孔隙度的影响

由表2可看出， 0～10 cm土层土壤毛管孔隙度表现为H和P+H处理显著高于CK处理，而20～30 cm土层土壤毛管孔隙度P处理显著低于CK处理；各土层不同处理土壤非毛管孔隙度差异各不相同，其中0～10 cm土层土壤非毛管孔隙度表现为P和P+H处理显著高于CK和H处理，而10～20 cm表现为P、H和P+H处理均显著低于CK处理。可见，相对于CK处理，P、H、P+H处理增加了0～10 cm土壤毛管孔隙度，降低了10～20 cm 土壤非毛管孔隙度，且表施PAM处理（P、P+H）可显著增加0～10 cm土壤非毛管孔隙度。整体来看，不同处理下仅0～10 cm土层土壤孔隙度存在显著差异，说明3种水土保持措施对0～10 cm土层土壤总孔隙度的影响较明显。不同处理下土壤总孔隙度组成大致相同（图1），说明3种水土保持措施对土壤孔隙度组成影响较小。土壤毛管孔隙度占总孔隙度的比例以0～10 cm土层较高，达27.25%，且随着土层深度的增加而呈下降趋势，符合一般规律。本研究中各水土保持措施对20～40 cm土层的土壤毛管和非毛管孔隙度的影响相对复杂，有待于进一步研究。

2. 3 不同水土保持措施对土壤持水量的影响

由图2可看出，不同处理下土壤最大持水量随土层深度增加而呈下降趋势，4个土层的土壤最大持水量差异不显著；但各水土保持措施对0～10 cm土层土壤最大持水量的提升效果相对较好，P、H、P+H处理分别比CK提高18.60%、7.73%和19.84%；但各水土保持措施对10～40 cm土层土壤最大持水量的提升作用相对较差。

不同处理下土壤毛管持水量的空间变化特征与最大持水量相同，0～40 cm土层的土壤毛管持水量差异均不显著。4个土层由浅到深的土壤毛管持水量变幅分别为339.31～505.05、290.13～365.51、221.40～ 423.09和244.16～451.60 g/kg。各水土保持措施对土壤毛管持水量的提升效果仍以0～10 cm土层较好，其中以P+H处理最佳，提升幅度达15.00%。

不同处理下土壤最小持水量差异不显著，各土层的土壤最小持水量大体相同，0～40 cm整体平均为274.87 g/kg，分别比最大持水量、毛管持水量低25.07%和17.66%。3种水土保持措施对土壤最小持水量的提升效果也是0～10 cm土层较好。

2. 4 红壤坡耕地土壤物理性质相关性分析结果

对土壤容重（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、总孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）、最小持水量（X7）等7个指标进行相关性分析。由表3可看出，土壤容重与其他6个指标呈显著或极显著（P<0.01，下同）负相关；毛管孔隙度与非毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量及毛管持水量等4个指标呈极显著正相关，说明不同处理下土壤毛管孔隙度与非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量之间联系紧密；最小持水量与土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度呈不显著相关。

2. 5 主成分分析结果

选择土壤容重（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、总孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）、最小持水量（X7）等7个指标，采用主成分进行分析，评价不同水土保持措施改善土壤物理性质的效果。由表4可看出，第一、二主成分累积贡献率高达90.879%，故采用主成分分析评价不同水土保持措施改善土壤物理性质效果可靠。第一主成分各指标的绝对值大致相同，其中土壤容重的权系数是负数，其他指标均为正数，因此，第一主成分主要反映土壤容重与其他指标的对比程度，该主成分数值越大，土壤容重越小，其他指标值越大。第二主成分土壤最小持水量的权系数是一个较大的正值，且大于第一主成分各指标权系数的绝对值，因此，第二主成分主要反映最小持水量是治理模式改善土壤物理性质的关键因子。

从平均得分（表5）来看，不同处理对0～10 cm土层土壤物理性质的改良效果排序为P+H>P>H>CK；而在10～40 cm土层，整体表现为3种水土保持措施对土壤物理性质的改善作用不明显或较CK差。可见，不同水土保持措施主要对0～10 cm土层土壤物理性质的改良效果较好。

3 讨论

PAM作为一种土壤结构改良剂，不仅能减少地表径流和养分的流失，还可改善土壤结构（刘纪根等，2003；潘英華等，2003；员学锋等，2005），其对盐渍土、水稻土等黄土区物理性质的改良作用已得到证实（王永敏等，2010；马鑫，2014；陶淑鑫，2015）。本研究中，红壤坡耕地表施PAM的水土保持措施在一定程度上改善了0～10 cm土层土壤的物理性质，说明PAM对红壤坡耕地土壤物理性质也具有改善效果，可在我国南方红壤区推广应用。

表施香根草籬可增加土壤团聚体含量（钟义军等，2014）、改善土壤物理性质（梅雪梅等，2014）、提高土壤肥力（柳开楼等，2015），是南方红壤侵蚀区重要的水土保持措施之一。本研究中，表施香根草篱措施对0～10 cm土层土壤物理性质的改良效果验证了其在水土保持中的作用。另外，表施PAM+香根草篱明显改善了0～10 cm土层的土壤物理性质，且效果优于PAM或香根草篱独立使用的措施，是在红壤坡耕地值得推广的水土保持措施。

土壤容重作为重要的土壤物理因子，影响着土壤孔隙、持水等性质，进而影响土壤肥力状况和作物的生长（刘伟钦等，2003）。通过相关性和主成分分析，发现土壤容重与其他6个土壤物理指标呈显著负相关，且其作为主成分评价不同水土保持措施对土壤物理性质的改良效果的贡献率达76.517%，体现了容重在土壤物理性质中的重要作用。需要注意的是，通过对不同水土保持措施改善土壤物理性质效果的综合评价结果表明，表施PAM、香根草篱和PAM+香根草篱措施对10～40 cm土壤物理性质的改良效果较差，基至不如常规种植作物（花生），可能与土壤有机质含量、结构和其他化学性质有关，但具体原因有待进一步研究。

4 结论

土壤容重是评价不同水土保持措施对土壤物理性质改良效果的重要因子，影响着土壤孔隙度和持水量等物理性质。不同水土保持措施对0～10 cm土层土壤物理性质的综合改良效果较好，且以表施PAM+香根草篱措施效果最佳，是值得推广应用的红壤坡耕地水土保持措施。在实际生产过程中，应充分利用作物，发挥其植物篱作用，并配合其他水保措施，合理利用红壤坡耕地资源，减少水土流失。

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（责任编辑 邓慧灵）