鄱阳湖生态经济区坡耕地表土抗蚀性评价

2016-08-02林圣玉张华明韩圣明

中国水土保持 2016年7期

关键词：坡耕地主成分分析

李　英，林圣玉，张　龙，张华明，韩圣明

(1.江西省水土保持科学研究院，江西南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌 330029；3.江西省水文局，江西南昌 330002)

鄱阳湖生态经济区坡耕地表土抗蚀性评价

李英1，2，林圣玉1，2，张龙1，2，张华明1，2，韩圣明3

(1.江西省水土保持科学研究院，江西南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌 330029；3.江西省水文局，江西南昌 330002)

[摘要]坡耕地是鄱阳湖生态经济区的重要耕地资源，也是水土流失的主要源地。开展坡耕地表土抗蚀性评价，对认识坡耕地表土侵蚀规律、促进该区域坡耕地资源可持续利用具有重要意义。选取鄱阳湖生态经济区内坡耕地典型分布区域高安市、进贤县和湖口县为研究区，应用主成分分析法对其进行表土抗蚀性分析，结果表明：与原始荒坡地相比，坡耕地的抗蚀性较弱；进贤县、高安市、湖口县坡耕地表土相对抗蚀性指数较原状荒坡地减弱比例分别为13.46%、28.68%和12.30%，其中高安市荒坡地开发耕作后表土抗蚀性下降最明显，水土流失风险较大。

土壤抗蚀性是指土壤抵抗径流悬浮和分散的能力，是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标之一[1]，其大小不仅与土壤内在的理化性质密切相关[2-3]，还受到耕作、施肥、土地利用方式等人为活动的影响。由于土壤抗蚀性并不是一个简单的物理或化学的定量的可直接测定的指标，而是一个综合性因子，关于土壤抗蚀性因子的评价还未找到较普遍适用的指标，因此只能在一定的控制条件下通过测定土壤某些性质作为土壤抗蚀性指标，从而达到评估土壤可蚀性的目的[4-7]。目前国内主要从土壤抗蚀性机理、影响因素和指标体系等方面进行研究，在土壤抗蚀性研究指标的选取上，大多学者以土壤的颗粒组成、有机质含量、水稳性指数，以及表征土壤团聚体特征的分散系数、分散率、团聚状况、团聚度等指标为主，也有学者研究土壤抗蚀性能与土壤理化性质的关系，综合分析土壤的抗蚀性能。但由于土壤抗蚀性受土壤类型、植被、气候、地形等多因子的影响且时空变异性较大，因此在不同的地方评价指标的选取也有所不同[8-10]。本研究拟采用主成分分析方法，对鄱阳湖生态经济区坡耕地表土抗蚀性进行评价，以期选出适合当地土壤抗蚀性评价的指标体系，分析坡耕地表土的抗蚀性，为水土流失的防治提供科学依据和理论指导。

1研究区概况与样品采集

1.1研究区概况

鄱阳湖生态经济区位于长江中下游南岸的江西北部，区域面积占江西省土地面积的31%，耕地面积占江西省耕地面积的46%。区内地形为一个大型盆地，东、南、西三面高，北部低。地貌以平原、岗地、丘陵为主。气候类型属于典型的亚热带湿润季风气候，雨热同期，农业气候条件十分优越，是江西省农业生产的重要区域。长期以来，受自然和人为因素影响，坡耕地成为该区水土流失的主要源地。对鄱阳湖生态经济区坡耕地表土资源抗蚀性进行评价，对于促进坡耕地表土资源的可持续利用与管理、保障区域粮食安全、实现江西“生态立省”与“绿色崛起”的有机统一、带动整个江西的发展具有重大的现实意义和参考价值。

1.2样品的采集与分析

根据鄱阳湖生态经济区坡耕地的分布特征，选取具有代表性的高安市、进贤县和湖口县作为研究区和土样采集样地。在各县(市)分别选取6个典型样地，每个样地采集3个坡耕地和1个原状荒坡地样点，共计18个样地72个样点，其中原状荒坡地样地为对照组。在每个样点中，采用网格法进行土壤样品取样，按S形采集每个网格中0～20 cm的表层土，然后每4个网格的土壤样品经充分混合后用四分法反复取舍，保留1 kg左右混合土样带回实验室分析。

选取无机黏粒类、微团聚体类、水稳性团粒类、有机胶体类4类9个指标作为表土抗蚀性评价指标。土壤机械组成采用吸管法测定；土壤团聚体采用干筛法和湿筛法测定；土壤有机质用重铬酸钾容量法测定；全氮用半微量凯氏法测定；全磷用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用0.5 mol/L的碳酸氢钠提取后用钼蓝比色法测定；速效钾用1 mol/L的中性醋酸钠提取后用火焰光度计法测定；pH值以2.5∶1的水土比混合后用pH计测定；土壤阳离子交换量(CEC)采用EDTA-乙酸铵交换法测定。各样地的土壤物理化学指标分析测试结果为附近3个样点的平均值，原状荒坡地土壤物理化学指标分析测试结果为其单点值。

2研究方法

基于目前对南方红壤地区土壤侵蚀研究不深入的现状，用于评价土壤抗蚀性能的抗蚀性指标主要是借鉴国内其他地区的研究成果。综合前人研究成果，共选取了4类9个土壤抗蚀性评价指标(表1)，各指标计算均采用常规方法。采用SPSS 19.0 软件对选取的9个土壤抗蚀性评价指标进行主成分分析，提取能够评价土壤抗蚀性的几个指标，对红壤坡耕地土壤抗蚀能力进行综合评价。

表1　表土抗蚀性评价指标

3结果与讨论

3.1土壤抗蚀性影响因素

影响土壤抗蚀性的因素很多，一般从土壤机械组成、团聚体稳定性、有机质等方面进行分析。

(1)土壤机械组成。土壤颗粒是构成土壤结构体的主要成分，不仅可以与孔隙度、紧实度、含水量等一起影响土壤中养分、水分循环和气体流动，还可以用来解释土壤受侵蚀的程度。一般而言，土壤中的砂粒(>0.05 mm)含量越高，越利于水分下渗；黏粒(<0.002 mm) 含量越低，土壤的通气性和透水性就越好，反之，土壤则易形成板结。研究区表土土壤颗粒组成见表2。

表2　研究区坡耕地表土土壤颗粒组成　%

(2)土壤团聚体。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其在浸水状况下的结构性能和分散强度是鉴定土壤抗蚀性的重要指标。土壤团聚体的水稳性与土壤可蚀性密切相关。水稳性团聚体越多，土壤的抗蚀性越强，即使在地表形成径流时团聚体结构也不分散，被径流带走的泥沙就少。研究区各样点土壤湿筛团聚体结果(表3)表明，坡耕地水稳性大团聚体含量(>0.25 mm)均在80%～90%，与原始荒坡地相比，坡耕地水稳性大团聚体含量下降。红壤水稳性大团聚体的形成主要靠有机质的胶结作用。红壤荒坡开垦后，有机质分解加快或补充减少是导致团聚体稳定性下降和水稳性大团聚体减少的主要原因。可见，红壤坡耕地耕作后，土壤中的水稳性大团聚体会不断下降，土壤的抗蚀性会不断减弱。

表3　研究区土壤湿筛水稳性团聚体组成

(3)微团聚体。土壤微团聚体组成是土壤结构性的一个重要方面，它与土壤有机质含量和土壤质地有密切关系。由各样地的地表土壤微团聚体组成(表4)可知，各样地中<0.05 mm微团聚体含量很少，微团聚体主要集中在0.25～0.05 mm。与原始荒坡地相比，研究区坡耕地细小颗粒含量略有增加。细颗粒含量增加，土壤抗蚀性减弱。可见，红壤坡耕地耕作后，其表土微团聚体中细小颗粒含量增加，表土抗蚀性减弱。

表4　研究区土壤微团聚体组成

(4)土壤有机质。土壤有机质含量越高，土壤抗蚀性越强。研究区土壤有机质含量见图1。进贤县和高安市原状荒坡地开发为坡耕地后，土壤有机质含量下降约20%，这主要是坡耕地耕种过程中土壤有机质被植物利用和随水土流失而损失所致。因此，在坡耕地耕作过程中增施有机肥，不仅能改良土壤，而且可有效增强土壤抗蚀性。

图1　研究区土壤有机质含量

3.2红壤坡耕地表土抗蚀性综合评价

根据各指标测定值对研究区土壤抗蚀性指标进行主成分分析，提取能够评价表土抗蚀性的部分指标，结果见表5。

从表5可以看出，前3个主成分的累积方差贡献率达81.71%，且特征根均大于1，基本符合主成分分析要求，表明所提取的3个主成分基本能反映表土的抗蚀能力强弱。其中，第一主成分的方差贡献率为31.87%，第二主成分的方差贡献率为29.47%，第三主成分的方差贡献率为20.37%。

表5　土壤抗蚀性指标的主成分分析结果

第一主成分主要综合了<0.002 mm黏粒含量、结构性颗粒指数和分散率。其中，分散率对第一主成分有逆向效应，其值越大，第一主成分分值越小，抗蚀能力越弱。第二主成分中团聚度的载荷系数较大，且载荷系数为正，说明其值越大，第二主成分分值越大，抗蚀能力就越强。第三主成分主要综合了>0.25 mm结构体破坏率、>0.25 mm水稳性团聚体含量、有机质含量3个因子，其中有机质含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量2个因子值越大，土壤抗蚀能力就越强。通过以上分析，根据原指标对主成分的贡献率大小确定表征研究区域土壤抗蚀性的优化指标，分别为结构性颗粒指数、团聚度、>0.25 mm 水稳性团聚体含量、<0. 002 mm黏粒含量和有机质含量。

根据提取的三大主成分的特征值和各因子载荷矩阵进行相关计算，得到研究区土壤抗蚀性的综合表达式为

(1)

式中：Y1、Y2、Y3为主成分分值；Y为综合主成分分值。

用主成分线性函数计算不同样点的主成分分值，即根据主成分分析获得的主成分矩阵中每列除以开方后相应的特征根便得到每个指标所对应的系数，再分别乘以9个原始变量标准化之后的变量即为各分主成分的函数表达式，分别为

(2)

(3)

(4)

根据上述计算式，代入各样点各指标的标准化值，计算各样点的表土抗蚀性指数。在表土抗蚀性的评价中，综合指数越高，表土抗蚀性越强；但综合指数为负，并不说明表土抗蚀性是负的，只表明表土抗蚀性水平低于平均水平；评价值为正，则表明表土抗蚀性高于平均水平；正负不表示实际意义，只表示相对大小，是评价指标标准化的结果。为使表土抗蚀性指数正值化和便于比较，将表5中的综合指数Y减去最小值使其正值化。同时，将正值化后的结果除以正值化的最大值，即可得到各样点的相对抗蚀性指数，结果见图2。研究区各县市土壤抗蚀性差距不大，其中湖口县坡耕地土壤抗蚀性最弱。与原始荒坡地相比，坡耕地的抗蚀性相对较弱，说明耕作使得红壤坡耕地抗蚀性减弱。进贤县、高安市、湖口县坡耕地表土相对抗蚀性指数较原状荒坡地减弱比例分别为13.46%、28.68%和12.30%，其中高安市荒坡地开发耕作后表土抗蚀性下降最剧烈。

图2　研究区表土相对抗蚀性指数

综合上述分析，鄱阳湖生态经济区是江西省重要的粮食基地，也是坡耕地集中分布区，耕作后坡耕地较原状荒坡地表土抗蚀性下降，迫切需要加强对坡耕地水土流失的治理，尤其是在种植前期，植被覆盖度较低，加上表土抗蚀性差，极易发生强烈表土侵蚀。保护性耕作是坡耕地水土流失防治的有效技术之一，可针对种植前期植被覆盖度低的特点，有效保护表土，增强抗蚀性。

4结论

本研究对鄱阳湖生态经济区典型区域坡耕地和原状荒坡地进行表土采样，分析其理化性状，并通过主成

分分析，综合评价了红壤坡耕地的抗蚀性。评价结果显示，结构性颗粒指数、团聚度、>0.25 mm 水稳性团聚体含量、<0.002 mm黏粒含量和有机质含量等可作为评价研究区红壤坡耕地表土抗蚀性的最佳指标。主成分综合评价模型计算结果显示，耕作后坡耕地表土流失严重，抗蚀性减弱，减弱比例接近30%。

[参考文献]

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