苧麻對紅壤旱地土壤團(tuán)聚體及其特性的影響

鐘義軍，武 琳，黃欠如，廖綿清，葉 川，成艷紅，孫永明，章新亮，熊春貴

（1.江西省紅壤研究所，江西 南昌331717；2.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌331717）

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，是土壤的重要組成部分，其數(shù)量的多少在一定程度上反映了土壤供儲養(yǎng)分能力的高低［1－2］，并且其數(shù)量分布和空間排列方式?jīng)Q定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進(jìn)而決定了土壤的水力性質(zhì)，影響土壤生物的活動［3］。同時，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布狀況反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力［4］。目前常用來表征土壤團(tuán)聚體特性的指標(biāo)［5－7］主要有平均重量直徑（MWD）、大于0.25mm 團(tuán)聚體比例（R0.25）、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞率（PAD0.25）、團(tuán)聚體分維數(shù) D（CFD）和穩(wěn)定性指數(shù)（ASI）等。

我國南方地區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，降雨集中、強(qiáng)度較大，加上人類對土地的不合理利用，土壤退化現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是水土流失造成土壤肥力下降的狀況普遍存在［8］。南方紅壤地區(qū)僅占全國土地面積的22%，而有研究表明［9－10］，其土壤流失量卻占全國總流失量的50%以上，處于輕度、中度和嚴(yán)重退化的土地面積分別占21.5%，49.5%和29%。據(jù)統(tǒng)計，江西年水土流失量達(dá)1.64×108t，占土地面積的20%，而且還有不斷惡化的趨勢，極大制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展［11］。苧麻為多年生經(jīng)濟(jì)作物，卿太明［12］1991年在25°以下荒坡紫色土上進(jìn)行苧麻與水土保持林對比研究試驗結(jié)果表明，苧麻種植兩年后，水土流失輕微，相當(dāng)于種植5～6a的水土保持林。廖綿清［13］等于2009年在紅壤荒坡旱地采用徑流小區(qū)試驗對比研究了苧麻與花生的水土保持效益，從不同農(nóng)藝措施和土壤入滲率等闡述了苧麻水土保持的作用機(jī)理。但是，關(guān)于種植苧麻對土壤理化性質(zhì)及團(tuán)聚體的影響未見報道。本研究在廖綿清［13］研究基礎(chǔ)上，即是種植苧麻4a后，取樣分析了苧麻對紅壤旱地土壤理化性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體及其特性的影響，并探討了土壤理化性質(zhì)和團(tuán)聚體及其特性與地表徑流和土壤侵蝕量的關(guān)系，以期對紅壤旱地種植苧麻降低水土流失的機(jī)理有更全面、更深入的理解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

試驗在江西省紅壤研究所水土保持試驗站內(nèi)進(jìn)行。該試驗點的地理位置為116°20′24″N，28°15′30″E。試驗區(qū)氣候溫和，雨量豐富，日照充足，無霜期長，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1 537mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200mm；干濕季節(jié)明顯，3—6月為雨季，降雨量占全年雨量61%～69%；7—9月為旱季，蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的40%～59%；年均氣溫17.7～18.5℃，最冷月氣溫（1月）為4.6℃；最熱月（7月）平均氣溫一般在28.0～29.8℃。土壤為第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤旱地，質(zhì)地較黏重。肥力中等，于20世紀(jì)70年代平整的梯田，排灌設(shè)施良好。2009年試驗開始前測定土壤基礎(chǔ)地力為：pH值5.0，有機(jī)質(zhì)16.2g／kg，全氮1.93g／kg，全磷0.66g／kg，有效磷6.8mg／kg，全鉀1.39g／kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用徑流小區(qū)試驗，小區(qū)坡度為5°，面積200m2（25m×8m），設(shè)置花生橫坡種植、苧麻等高種植兩個處理，每處理重復(fù)3次。花生于2012年4月16日播種，8月17日收獲，供試花生品種為粵油“991”，種植密度為33cm×15cm。苧麻選用贛苧三號，于2009年3月25日移栽，移栽密度為50cm×30cm。試驗于2012年4月開始，在花生生長季測定地表徑流量和土壤侵蝕量。花生收獲后（8月20日），沿對應(yīng)等高線分別取土樣測定土壤基本理化性質(zhì)和土壤團(tuán)聚體。

1.3 樣品測定方法和數(shù)據(jù)處理

地表徑流量采用翻斗儀法測定，土壤侵蝕量采用烘干稱重法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀加熱法測定［14］，田間持水量、土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法，土壤pH值采用玻璃電極法，土壤機(jī)械組成采用虹吸法，團(tuán)聚體采用干篩、濕篩法測定，顆粒組成采用吸管法測定［15］；團(tuán)聚體穩(wěn)定性評價采用平均重量直徑（MWD）和穩(wěn)定性指數(shù)兩個指標(biāo)描述，MWD計算公式為：

式中：ri——第i個篩子孔徑（mm），r0＝r1，rn＝rn＋1；mi——第i個篩子的破碎團(tuán)聚體重量百分比。

團(tuán)聚體保存幾率和穩(wěn)定性指數(shù)（ASI）采用轉(zhuǎn)移矩陣法［16］。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析均用Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行，不同處理間的差異顯著性水平采用LSD法進(jìn)行檢驗，數(shù)據(jù)間的相關(guān)性分析采用皮爾遜法分析，采用Origin 7.5做圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 苧麻對土壤理化性質(zhì)的影響

有研究表明［17－18］，影響土壤團(tuán)聚體分布特征的主要因素包括土壤有機(jī)質(zhì)、土壤容重、土壤顆粒組成等。從表1可以看出，與花生地相比，苧麻地有機(jī)質(zhì)升高了28.44%，達(dá)顯著差異（p＜0.05），其原因主要有：（1）植株還田量的不一致，如苧麻根、莖還田量約為11 250kg／hm2，而花生莖、葉、根還田量約為3 000 kg／hm2；（2）苧麻地地表徑流和土壤侵蝕量均顯著低于花生地，流失的有機(jī)質(zhì)較少［13］。（3）有機(jī)質(zhì)的提升則影響了土壤田間持水量、容重和孔隙度的變化，如與花生地相比，苧麻地田間持水量、總孔隙度分別升高了10.06%和5.65%，土壤容重則降低了7.20%，均達(dá)顯著性差異（p＜0.05）。從表1中還可以看出，兩處理的顆粒組成差異顯著，如苧麻地土壤中沙粒含量比花生地高53.13%，而粉粒和黏粒含量則下降14.85%和34.95%。黏粒含量高是紅壤的主要障礙因素之一［8］。可見，紅壤旱地種植苧麻有利于減少土壤顆粒中沙粒的流失，從而引起土壤顆粒組成發(fā)生顯著變化。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

2012年，花生處理的地表徑流量和土壤侵蝕量分別為57.51±1.83m3／km2，1 680.09±78.58t／km2；苧麻處理的地表徑流量和土壤侵蝕量分別為12.35±1.13m3／km2，416.69±18.92t／km2。從土壤理化性質(zhì)與地表徑流和土壤侵蝕量相關(guān)性分析結(jié)果（表2）可以看出，地表徑流量和土壤侵蝕量與土壤有機(jī)質(zhì)、沙粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01）；與田間持水量、總孔隙度呈顯著性負(fù)相關(guān)（p＜0.05）；與土壤中粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與土壤容重呈顯著性正相關(guān)（p＜0.05）。從這一側(cè)面說明，水土保持是改善紅壤坡耕地土壤理化性狀的主要手段。

表2 土壤理化性質(zhì)與地表徑流量和土壤侵蝕量的相關(guān)性

2.2 種植苧麻對土壤團(tuán)聚體數(shù)量特征的影響

2.2.1 土壤團(tuán)聚體數(shù)量特征 通過干篩法可獲得土壤中團(tuán)聚體的總體數(shù)量，這些團(tuán)聚體包括非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體［19］。如圖1所示，土壤團(tuán)聚體各粒級的組成比例在不同種植模式下表現(xiàn)出一定差異。花生地和苧麻地均呈現(xiàn)隨著團(tuán)聚體粒徑減小而減小的總趨勢，兩者均以＞0.5mm的土壤團(tuán)聚體為主，分別占71.46%和85.56%，苧麻地高出14%；而花生地＜0.25mm的團(tuán)聚體則比苧麻地高23.50%，差異極顯著（p＜0.01）。各粒徑團(tuán)聚體的百分比也存在差異，如花生地＞2mm和1～2mm的團(tuán)聚體則顯著低于苧麻地（p＜0.05）；0.5～1mm，0.053～0.25mm和＜0.053mm的團(tuán)聚體則顯著高于苧麻地（p＜0.05），0.25～0.5mm的團(tuán)聚體則沒有差異（p＞0.05）。因此，種植苧麻能夠增加土壤中＞1mm風(fēng)干團(tuán)聚體，降低＜0.25mm的微小團(tuán)聚體。

濕篩法獲得的團(tuán)聚體是土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，水穩(wěn)性團(tuán)聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要的作用，同時也是衡量土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)之一［20］。濕篩法獲得的土壤團(tuán)聚體各粒徑組成比例差異顯著，從圖2可知，經(jīng)濕篩后，花生地和苧麻地水穩(wěn)團(tuán)聚體均以＜1mm的團(tuán)聚體為主，分別占85.58%和79.25%。花生地＞2mm，1～2mm，0.5～1mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別比苧麻地低28.98%，31.45%和3.52%，而0.25～0.5mm，0.053～0.25mm，＜0.053mm則高于苧麻地同粒徑水穩(wěn)團(tuán)聚體，分別高出15.16%，8.87%和15.24%。因此，種植苧麻有利于紅壤旱地＞0.5mm土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體的增加，尤其是＞1mm的土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體；同時，也能顯著降低＜0.5mm的微小團(tuán)聚體。

圖1 不同種植模式下風(fēng)干團(tuán)聚體數(shù)量

2.2.2 團(tuán)聚體穩(wěn)定性評價 從圖3可用看出，無論是干篩還是濕篩，苧麻地土壤團(tuán)聚體的MWD都顯著（p＜0.05）高于花生地，分別比花生高出5.64%和18.85%。同時，干篩法的MWD遠(yuǎn)比濕篩法的大，這是因為在水分的浸泡下大量的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體分解的結(jié)果，該結(jié)果和周虎［21］的研究一致。且經(jīng)統(tǒng)計分析得知（圖4），苧麻地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)ASI比花生地高出7.31，達(dá)顯著差異。該結(jié)果表明了紅壤旱地種植苧麻時土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性優(yōu)于種植花生。再從兩處理各粒徑團(tuán)聚體保存幾率（表3）來看，粒徑＜0.25mm的團(tuán)聚體保存幾率為1.00，這是由于將小于0.25mm的粒徑劃分為最小的一級，在進(jìn)行團(tuán)聚體濕篩時不可能再破壞為下一個粒徑級所致；其余的粒徑在濕篩過程中都有破裂，因此保存幾率小于1.00。苧麻地＞2mm，1～2mm，0.5～1mm的保存幾率顯著高于花生地（p＜0.05），分別高29.99%，40.66%和8.89%，而0.25～0.5mm 則比花生地低了5.38%。苧麻地和花生地0.5～1mm和0.25～0.5mm團(tuán)聚體保存幾率在各粒徑團(tuán)聚體保存幾率所占比例較大。就紅壤旱地而言，0.25～1mm粒徑團(tuán)聚體保存幾率最大，表明了該粒徑團(tuán)聚體抗水蝕能力強(qiáng)，因此，在紅壤旱地水土保持的研究工作中，關(guān)注0.25～1mm團(tuán)聚體數(shù)量和特性則顯得尤為重要。

圖2 不同種植模式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量

圖3 不同種植模式下團(tuán)聚體平均重量直徑

圖4 不同種植模式下團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)

表3 不同種植模式下土壤團(tuán)聚體保存幾率

2.3 土壤團(tuán)聚體與地表徑流和土壤侵蝕量的相關(guān)分析

表4為土壤團(tuán)聚體數(shù)量特征與地表徑流和土壤侵蝕量的相關(guān)分析結(jié)果。從表4可知，干篩法中，地表徑流和土壤侵蝕量與＞2mm和1～2mm的干團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），與0.5～1mm干團(tuán)聚體呈正顯著相關(guān)（p＜0.05），與0.25～0.5mm 干團(tuán)聚體呈正相關(guān)，與0.053～0.25mm，＜0.053mm干團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；而濕篩法中，地表徑流和土壤侵蝕量與＞2mm，1～2mm，0.5～1mm的水穩(wěn)團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），與0.25～0.5mm，0.053～0.25mm，＜0.053mm 的水穩(wěn)團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。可見，采用濕篩法分析土壤團(tuán)聚體與水土流失的關(guān)系效果更佳。

表4 土壤團(tuán)聚體數(shù)量與地表徑流量和土壤侵蝕量相關(guān)分析

3 結(jié)論

（1）種植苧麻4a后，與花生地相比，苧麻地有機(jī)質(zhì)、田間持水量、總孔隙度、沙粒指標(biāo)顯著升高，土壤容重、粉粒和黏粒指標(biāo)則顯著降低。地表徑流量和土壤侵蝕量與土壤有機(jī)質(zhì)、沙粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01）；與田間持水量、總孔隙度呈顯著性負(fù)相關(guān)（p＜0.05）；與土壤中粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與土壤容重呈顯著性正相關(guān)（p＜0.05）。

（2）種植苧麻，有利于提高＞1mm土壤團(tuán)聚體數(shù)量分布，降低微小團(tuán)聚體數(shù)量；且土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性優(yōu)于種植花生。就紅壤旱地而言，0.25～1mm粒徑團(tuán)聚體保存幾率最大，因此，在紅壤旱地水土保持的研究工作中，關(guān)注0.25～1mm團(tuán)聚體數(shù)量和特性則顯得尤為重要。

（3）地表徑流和土壤侵蝕量與＞1mm的干團(tuán)聚體和＞0.5mm的水穩(wěn)團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），與＜0.25mm干團(tuán)聚體和＜0.5mm的水穩(wěn)團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。因此，研究土壤團(tuán)聚體對指導(dǎo)紅壤旱地水土保持工作具有指導(dǎo)意義。

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