坡耕地土壤侵蝕對作物產(chǎn)量的影響

不可否認，傾斜土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性對作物產(chǎn)量的影響是不可否認的。然而，空間異質(zhì)性的發(fā)生機制尚不完全清楚。土壤養(yǎng)分的空間變異是土壤本身特性和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的共同作用結(jié)果,只有認識其發(fā)生機理,才能通過調(diào)節(jié)田間管理措施克服空間變異對生產(chǎn)造成的不利影響。川中丘陵區(qū)是長江上游侵蝕最嚴重的區(qū)域之一。該區(qū)耕墾指數(shù)較高,坡耕地面積占耕地面積的60%以上,水土流失問題主要集中在坡耕地上,其侵蝕速率在3000～5000t·km-2·a-1以上,坡耕地侵蝕量占該區(qū)總的土壤侵蝕量60%～80%以上。土壤侵蝕導(dǎo)致土壤退化已成共識,同時,坡耕地土壤侵蝕所產(chǎn)生的土壤再分配對土壤質(zhì)量空間變異性的影響正引起國內(nèi)外學(xué)者的重視。國外學(xué)者對坡面土壤侵蝕與土壤性質(zhì)變化之間關(guān)系的研究結(jié)果顯示,景觀內(nèi)凸坡位置發(fā)生土壤侵蝕,土壤質(zhì)量降低;凹坡位置發(fā)生土壤沉積,但土壤質(zhì)量并未因此而提高。在我國黃土高原的研究也表明坡耕地土壤侵蝕影響土壤性質(zhì)。20世紀80年代以來,長江上游地區(qū)開展了一些坡耕地土壤侵蝕的實驗研究,指出了土壤侵蝕的嚴重性;同時在川中丘陵區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)了坡耕地紫色土特性的空間變異性,但是對兩者關(guān)系的研究卻鮮有報導(dǎo)。因此,本文利用137Cs示蹤技術(shù),定量研究川中丘陵區(qū)坡耕地土壤侵蝕對土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀等土壤肥力因子的影響,鑒明侵蝕引起的土壤再分配與土壤質(zhì)量空間變異性的關(guān)系。通過對土壤特性空間變異性及其動因的研究,為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和實現(xiàn)環(huán)境友好的持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1土壤質(zhì)砂質(zhì)采樣區(qū)位于四川省簡陽市(東經(jīng)104°28′E,北緯30°26′N),該區(qū)地貌為淺丘,海拔454～489m。氣候類型屬于亞熱帶濕潤氣候,四季分明,年平均氣溫17℃,極端最高溫度38.7℃,最低溫度-5.4℃,≥0℃的年積溫為5421℃。多年平均降雨量約為872.2mm,且90%以上的降雨量集中在5～10月期間。土壤母質(zhì)為侏羅系紫色砂泥巖,按照我國現(xiàn)有土壤系統(tǒng)分類標準,土壤被劃分為石灰紫色正常新成土。由于水蝕的分選作用,土壤質(zhì)地坡體中上部為粉(砂)壤土,坡下部為粉(砂)質(zhì)粘壤土。研究區(qū)土壤耕作方式為順坡,土層在坡頂較淺,一般厚約20cm;順坡向下,土層逐漸加深,可達40～50cm。土地利用基本為農(nóng)地,種植結(jié)構(gòu)以小麥-玉米-紅薯為主。1.2土壤有機碳的分析2004年在研究區(qū)選擇一個坡度為10.12%,坡長為110m的丘坡。該坡總體上中上部較陡,坡腳較平緩,坡腳下方鄰接堰塘。在坡面布設(shè)取樣剖面線,沿縱斷面線從坡頂至坡腳,每隔10m布設(shè)一個137Cs樣品及農(nóng)化分析樣采集點,每個樣品兩次重復(fù)。利用直徑6.8cm的取樣筒進行137Cs及農(nóng)化分析樣品的采集。將取樣筒垂直打入地面取剖面全樣,取樣深度依土層厚度而定。實驗室常規(guī)分析方法分析土壤理化特性。其分析項目與方法為:土壤機械組成采用吸管法;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀法;土壤全N采用凱氏法;土壤速效N采用堿解擴散法;土壤全P采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法;速效P采用碳酸氫鈉浸提比色法;速效K采用火焰分光光度計法。137Cs土樣經(jīng)風干、研磨、過篩(孔徑2.0mm),剔除大顆粒及植物根系,稱重后待測。137Cs樣品測定利用美國堪培拉(CANBERRA)公司生產(chǎn)的高純鍺(HPGe)探頭多道γ能譜儀。每個樣品測試重量不小于350g,測試時間為50000s,測試結(jié)果相對誤差<5%。2結(jié)果與討論2.11土壤侵蝕模數(shù)的變化單位面積的137Cs含量,即137Cs面積濃度反映了該地區(qū)不同地點的137Cs含量差異。理論上說,由于137Cs隨大氣環(huán)流并隨降雨分布于地表,因此,在一定地區(qū)內(nèi),如不發(fā)生土壤的侵蝕、搬運或堆積等物理過程,137Cs分布值應(yīng)大體相等。在耕地中,由于耕作擾動使137Cs均勻分布在耕層,土壤剖面137Cs殘存總量隨土壤流失而減少,據(jù)此前提,可根據(jù)無侵蝕與侵蝕土壤之間137Cs含量的差異對土壤侵蝕速率進行定量計算。研究業(yè)已證明,土壤137Cs含量是反映土壤侵蝕與沉積速率的可靠指標。為避免在土壤137Cs含量與土壤侵蝕模數(shù)的轉(zhuǎn)換中因一些假設(shè)引起的土壤侵蝕模數(shù)的估計誤差,本研究直接采用137Cs含量表示侵蝕引起的凈余土壤再分配速率?？v斷面順坡各點的137Cs面積濃度值如圖1。從圖中可以看出,在坡面不同位置各樣點間137Cs濃度變化較大?？傮w而言,整個坡面都存在不同程度的土壤侵蝕,但是在坡上部137Cs濃度最低,土壤侵蝕最為嚴重(0m處);順坡向下,在坡中部(距坡頂20～90m處),侵蝕逐漸減緩。坡腳下方鄰接堰塘,因而在坡腳仍有土壤侵蝕,但侵蝕強度最弱。土壤侵蝕模數(shù)的變化與在實地測量時觀察到的順坡向下耕層土壤逐漸加深的變化規(guī)律一致,說明隨著徑流侵蝕和農(nóng)耕活動,坡上部土壤會順坡下移,在坡下部相對積累,土壤侵蝕模數(shù)降低。同時,侵蝕強度順坡逐漸遞減趨于穩(wěn)定。坡上部(0～10m處)137Cs面積濃度理論上應(yīng)該高于坡中部才符合“標準”水蝕模式,但實測的土壤再分配格局不符合這樣的模式(圖1),耕作侵蝕是導(dǎo)致坡上部137Cs面積濃度低于坡中部的原因。因此,坡面的土壤侵蝕是水蝕和耕作侵蝕的共同結(jié)果。從圖1中可以看出,全坡面各樣點位置的137Cs濃度并未出現(xiàn)達到或超過川中丘陵區(qū)本區(qū)域的137Cs本底值1746Bqm-2(基于2000年的1870Bqm-2實測值計算)的情況,即在坡面無凈堆積發(fā)生。2.2土壤侵蝕與土壤化合物化學(xué)變化之間的關(guān)系2.2.1坡面因子p及全k含量土壤有機質(zhì)、全N、堿解N、有效P、K含量與順坡距離呈極顯著正相關(guān)(R2分別為0.50、0.72、0.77、0.45、0.71,P<0.01),表明順坡向下,有機質(zhì)、全N及有效養(yǎng)分含量逐漸增加,在坡上、中部損失,在坡腳相對積累(圖2,3);而全P以及全K含量與其所在坡面位置無明顯關(guān)系(R2分別為0.07和0.01,P>0.1),其含量在全坡面差異不大。方差分析結(jié)果(表1)表明,土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分含量在不同坡段位置之間存在顯著差異。全N、堿解N、有效P和K含量在坡頂(0～10m,2個采樣點)、坡腰(20～90m,8個采樣點)、坡腳(100～110m,2個采樣點)之間差異達極顯著水平(P≤0.01);有機質(zhì)和全K含量在坡頂、坡腰、坡腳之間差異達顯著水平(P<0.05);而全P含量在3個坡段間無顯著差異(P>0.05)。2.2.2坡面土壤化學(xué)特性的變化對土壤侵蝕的影響從137Cs面積濃度分布(圖1)可知,坡上部侵蝕最為強烈,相應(yīng)的有機質(zhì)含量最低(圖2),只有1.163%。隨著侵蝕程度的減輕,從坡頂至坡腳有機質(zhì)含量基本呈逐步上升趨勢,在坡腳處有機質(zhì)含量達到高值1.653%,較坡頂高出42.13%。由此可以看出,坡面土壤侵蝕的變化是造成土壤有機質(zhì)含量變化的主要原因之一。順坡各樣點有機質(zhì)含量與137Cs面積濃度呈極顯著正相關(guān)(R2=0.62,P=0.0024),二者之間有很好的線性關(guān)系(圖4)。這一結(jié)果與草地利用下的侵蝕坡地的研究結(jié)果一致。全N的變化趨勢與有機質(zhì)基本相同(圖2),從坡上部到坡中部,全N含量逐漸增加,在坡腳達到最高值,其含量變化與137Cs面積濃度變化同樣呈極顯著正相關(guān)(R2=0.75,P=0.0003)(圖5)。與有機質(zhì)和全N類似,土壤堿解N、有效P和K含量順坡向下呈增大趨勢(圖3),堿解N、有效P和K含量與137Cs濃度的相關(guān)均已達極顯著水平(R2分別為0.91、0.53和0.79,P<0.01)(圖6～圖8)。坡面土壤化學(xué)特性的變化對土壤侵蝕響應(yīng)的線性關(guān)系是地形、坡面曲率以及人為耕作對土壤再分配綜合影響的結(jié)果。全P、全K含量在整個坡面變化不大,這是由這兩種元素自身特性所決定的。P素在土壤中遷移很小,很少隨徑流而損失;而全K主要繼承紫色土母巖特性,侵蝕部位全K含量仍然保持較高水平,因此全坡面全P、全K含量無顯著變異。引起土壤侵蝕的動力因素并非只有降雨所產(chǎn)生的徑流,該區(qū)農(nóng)事耕作所導(dǎo)致的土壤位移也是不可忽略的。張建輝等在該區(qū)所做耕作侵蝕實驗研究表明,耕作侵蝕是坡耕地總土壤侵蝕的主要貢獻因子之一。當?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)利用鋤頭耕地,為省力和方便起見,農(nóng)民通常向下坡耕作,因而耕過的疏松土壤便發(fā)生向下坡方向的移動。這種耕作方式會造成丘頂土層淺薄,而將坡上部松散的耕層土壤帶到坡下部,因此,坡面中下部土層厚度往往高于坡面的中上部,相應(yīng)地有機質(zhì)及各養(yǎng)分含量在坡上部損失,坡下部相對積累。2.2.3坡耕地徑流對土壤粘粒分布的影響土壤細顆粒(即0.002～0.02mm粉粒與<0.002mm粘粒)在坡上部分布較少,順坡向下其含量逐漸增加,在坡下部富集。137Cs面積濃度與土壤<0.02mm顆粒和<0.002mm粘粒含量均呈極顯著正相關(guān)(R2分別為0.77和0.72,P<0.01)。據(jù)有關(guān)研究指出,坡耕地徑流對泥沙的分選作用十分明顯,即侵蝕水流攜帶的泥沙主要以<0.02mm細顆粒為主,這些細顆粒隨著坡下部坡度的降低而逐步沉積,因此土壤<0.02mm顆粒和<0.002mm粘粒分布規(guī)律呈現(xiàn)順坡增加的趨勢。由于土壤細顆粒易在徑流中傳輸,使得易于被細顆粒所吸附的化學(xué)元素呈現(xiàn)與土壤細顆粒類似的空間分布格局。分析結(jié)果表明,除<0.002mm粘粒與有效P含量無顯著相關(guān)性外,<0.02mm顆粒和<0.002mm粘粒含量與全N、堿解N、有效P和K含量均呈極顯著正相關(guān),而與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(表2)。這個結(jié)果反映了有效養(yǎng)分中,有效P更傾向分布于較粗顆粒內(nèi)。3土壤侵蝕對土壤理化特性的影響川中丘陵區(qū)坡耕地總體上土壤侵蝕嚴重,在坡上部137Cs濃度最低,土壤侵蝕最為嚴重;坡中部侵蝕逐漸減緩;坡腳仍有土壤侵蝕,但侵蝕強度最弱。除了水蝕的作用外,耕作侵蝕也是川中丘陵區(qū)坡耕地不可忽視的侵蝕形式,強烈的人為耕作活動導(dǎo)致坡上部發(fā)生最為嚴重的侵蝕。土壤侵蝕對土壤特性的空間變異性產(chǎn)生深刻影響,土壤細粒在坡上部流失,而在坡下部沉積,137Cs面積