川中丘陵區(qū)玉米生育期土壤抗蝕性特征及其影響因素

0土壤抗蝕性研究土壤抗侵蝕性是指土壤的外部反應(yīng)能力，即地表徑流的懸浮速度。這是評估土壤侵蝕性的重要指標(biāo)之一。川中丘陵區(qū)紫色土由于其較差的成土母質(zhì)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)烈的人為以及自然因素干擾,致使土壤侵蝕極其強(qiáng)烈,僅次于黃土區(qū),土壤抗侵蝕能力弱是導(dǎo)致紫色丘陵區(qū)坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)烈發(fā)生的主要原因,因此就坡耕地土壤抗蝕性進(jìn)行系統(tǒng)研究,對該區(qū)農(nóng)耕地土壤侵蝕防治有重要意義。目前,對土壤抗蝕性研究主要集中在抗蝕性評價(jià)指標(biāo)以及與土壤理化性質(zhì)和植物根系之間的關(guān)系,且主要以土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)和土壤抗蝕指數(shù)等參數(shù)表征其大小。任改等通過浸水試驗(yàn)采用土壤抗蝕指數(shù)對重慶四面山土壤抗蝕性進(jìn)行研究,指出不同人工林地土壤抗蝕性差異達(dá)顯著水平;鄭子成等選用>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均質(zhì)量直徑和>0.25mm團(tuán)聚體破壞率等6個(gè)優(yōu)化指標(biāo)構(gòu)建了不同退耕模式下土壤抗蝕性的判別模型。植物根系與土壤抗蝕性呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,同時(shí)植被的生長對土壤抗蝕性具有較大的增強(qiáng)效應(yīng),徐文遠(yuǎn)等指出<1mm根系對土壤抗蝕性的提高起主導(dǎo)作用?？梢?目前對土壤抗蝕性及其影響因素方面雖取得了一定成果,但多為林地和草地,而針對紫色土區(qū)玉米全生育期坡耕地土壤抗蝕性方面研究甚少,因此,本文以紫色土區(qū)坡耕地為研究對象,開展玉米生長期坡耕地土壤抗蝕性研究,并對其影響因素進(jìn)行分析,以期為紫色土區(qū)水土流失防治和區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。1土壤侵蝕率及氣溫研究區(qū)位于長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘上段,位于104°34′12″~104°35′19″E和30°05′12″~30°06′44″N之間,屬四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)的響水村與花椒村,平均海拔395m,年土壤侵蝕率為3000~5000t/km2,是長江上游水土流失重點(diǎn)防治區(qū)。該區(qū)多年平均降雨量為965.8mm,多雨年平均降雨量1290.7mm,少雨年平均降雨量725.2mm,70%分布于6~9月。平均年氣溫16.8℃,極端高溫和低溫分別為36.5和-3.6℃。土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥,pH值7.28,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1g/kg,全氮和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.56和54.5mg/kg,全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.94和6.26mg/kg。2材料和方法2.1播種前管理措施供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N川單13,于2011年4月上旬播種,行距80cm,株距30cm。播種前基施氮肥(N)和磷肥(P2O5)各250和125kg/hm2,氮肥為尿素(含N46.3%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%),其中氮肥兌清水灌窩,磷肥干施于植株窩內(nèi),并在拔節(jié)前追施氮肥150kg/hm2,其他管理措施均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣進(jìn)行。2.2土樣采集方法按玉米苗期(5月7日-5月9日)、小喇叭口期(5月19日-5月21日)、大喇叭口期(6月11日-6月13日)、抽雄期(6月18日-6月22日)、成熟期(7月15日-7月17日)進(jìn)行樣品采集。各生育期土樣采集時(shí),分別從試驗(yàn)地坡上、坡中、坡下各選取3個(gè)具有代表性的點(diǎn)采集0~20和>20~40cm土層土樣,均勻混合土樣,風(fēng)干保存。同時(shí),利用環(huán)刀和塑料盒采集原狀土,用于土壤團(tuán)聚體含量和根系參數(shù)的測定。2.3土粒浸水法水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用LB(LeBissonnais)法。土壤抗蝕性指數(shù)測定采用土粒浸水法,重復(fù)5次,土壤抗蝕指數(shù)按S=(總土粒-崩塌土粒)/總土粒×100%計(jì)算。平均根徑、根系表面積、根系體積等根系參數(shù),均采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析測定。土壤土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定。2.4數(shù)據(jù)分析選用Excel(2003)軟件進(jìn)行圖表制作,用DPS(v11.0)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。3結(jié)果與分析3.1不同浸水時(shí)間土壤抗蝕指數(shù)變化特征由圖1可知,隨著土粒浸水時(shí)間的延長,玉米各生育期土壤抗蝕指數(shù)均呈下降趨勢,這說明隨著浸水時(shí)間的延續(xù),土壤抵抗水流對土粒的分散能力逐漸降低,更多土壤被分散,被分散形成的小顆粒大部分堵塞土壤孔隙從而影響雨水下滲最終促進(jìn)地表徑流量增大造成土壤侵蝕加劇。0~20cm土層,各生育期土壤在浸水第1分鐘時(shí)土壤抗蝕指數(shù)較接近,且均處于較高水平,其值為80.04%~89.58%,隨浸水時(shí)間延長,各生育期土壤抗蝕指數(shù)逐漸降低。苗期-小喇叭口期土壤隨浸水時(shí)間延長其抗蝕指數(shù)大小相近且均明顯低于其余生育期,在浸水第1分鐘后土壤抗蝕指數(shù)迅速降低,這說明隨浸水時(shí)間延長,苗期-小喇叭口期土壤更易被徑流分散而造成土壤侵蝕。第5分鐘后土壤抗蝕指數(shù)呈較慢的下降趨勢,其后抗沖指數(shù)穩(wěn)定在一個(gè)較低水平。抽雄期土壤抗蝕指數(shù)隨土粒浸水時(shí)間延長整體下降較慢,表明這一生育期土壤具有較強(qiáng)的抗徑流分散能力。>20~40cm土層,苗期、小喇叭口期和大喇叭口期在4min前其抗蝕指數(shù)變化特征較為相似,均呈劇烈的下降趨勢,其后苗期土壤抗蝕指數(shù)呈現(xiàn)出較大的下降趨勢,于第9分鐘下降至最低水平,而小喇叭口期和大喇叭口期在第4分鐘后下降趨勢驟減。抽雄期在第6分鐘前呈較快的下降趨勢,其后下降趨勢減緩,而成熟期在浸水8min前其抗蝕指數(shù)均大于其余生育期,但其土粒在整個(gè)浸水過程均呈較大的下降趨勢,在第8分鐘后抗蝕指數(shù)下降至抽雄期以下。可見,各土粒在浸水過程中土壤抗蝕指數(shù)均呈現(xiàn)出一定的下降趨勢,在同一生育期,0~20cm土層土壤在整個(gè)浸水過程中土壤抗蝕指數(shù)下降速度均小于>20~40cm土層,這表明0~20cm土層土壤抵抗水流分散能力強(qiáng)于>20~40cm土層。在同一土層,隨生育期推進(jìn)土粒在浸水過程中抗蝕指數(shù)下降速度呈逐漸降低的趨勢,而在抽雄期-成熟期其下降速度最為緩慢,這說明在玉米生長過程中此階段土壤表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗蝕性。3.2不同生育期土壤抗蝕指數(shù)的變化由表1可知,土壤抗蝕指數(shù)隨玉米生育期推進(jìn)呈先增加后減小的趨勢。0~20cm土層,苗期-小喇叭口期土壤抗蝕指數(shù)由57.41%增至60.35%,呈較小的增加趨勢,未達(dá)到顯著水平。小喇叭口期-大喇叭口期抗蝕指數(shù)由60.35%增至69.36%,在此階段抗蝕指數(shù)增幅較大,為苗期-小喇叭口期的3.06倍,且差異顯著,這主要是由于此時(shí)期玉米植株生長速度較快,玉米根系對土壤作用較強(qiáng)。當(dāng)抽雄期時(shí)土壤抗蝕指數(shù)達(dá)最大,其值為76.85%,分別為前3個(gè)生育期的1.34、1.27和1.11倍,且與3個(gè)生育期差異顯著。當(dāng)至成熟期時(shí),土壤抗蝕指數(shù)較抽雄期有一定的降低趨勢,但仍顯著高于苗期-小喇叭口期。通過對各生育期土壤抗蝕指數(shù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明苗期-小喇叭口期土壤抗蝕指數(shù)呈一定的增加趨勢但未達(dá)顯著水平,而當(dāng)生育期在小喇叭口期-抽雄期時(shí),土壤抗蝕指數(shù)呈顯著增加趨勢,當(dāng)至成熟期時(shí),其抗蝕指數(shù)雖呈下降趨勢但與抽雄期差異未達(dá)顯著水平。>20~40cm土層,隨玉米生育期推進(jìn),土壤抗蝕指數(shù)呈先增加后減小的趨勢,在抽雄期達(dá)最大,其值為61.11%,分別為苗期、小喇叭口期、大喇叭口期和成熟期的1.32、1.29、1.16和1.17倍。通過對該土層各生育期土壤抗蝕指數(shù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明抽雄期和成熟期顯著高于苗期和小喇叭口期,而大喇叭口期分別與其他4個(gè)生育期差異不顯著。在同一生育期,0~20cm土層土壤抗蝕指數(shù)均大于>20~40cm土層,經(jīng)方差分析,除苗期外,其余生育期2土層間均達(dá)顯著水平。0~20和>20~40cm土層各生育期土壤抗蝕指數(shù)的總體表現(xiàn)為:苗期-小喇叭口期土壤抗蝕指數(shù)變化較小,大喇叭口期-抽雄期土壤抗蝕指數(shù)呈現(xiàn)出較大的增加趨勢,抽雄期-成熟期時(shí)呈一定的下降趨勢。3.3抗蝕性增強(qiáng)效應(yīng)隨生育期的變化由表2可知,隨玉米生育期推進(jìn),相對于裸地,玉米地土壤抗蝕性均有不同程度的增加,各生育期玉米根系對土壤抗蝕性均能產(chǎn)生一定的增強(qiáng)效應(yīng)。0~20cm土層,苗期土壤抗蝕性增強(qiáng)效應(yīng)較弱,其增強(qiáng)值和增強(qiáng)率分別僅為12.97和29.19%。由于苗期玉米植株較小,尤其是根系分布稀疏,故對土壤抗蝕性影響較弱。小喇叭口期時(shí),土壤抗蝕性增強(qiáng)值和增強(qiáng)率較苗期雖有一定程度增大,但與苗期差異不顯著。至大喇叭口期時(shí),土壤抗蝕性增強(qiáng)效應(yīng)呈較大的增長趨勢,且顯著高于苗期和小喇叭口期,相對于小喇叭口期土壤抗蝕性增強(qiáng)值和增強(qiáng)率增幅分別達(dá)56.63%和56.64%,為小喇叭口期的2.5倍,這說明小喇叭口期-大喇叭口期之間,玉米植株根系的迅速生長對土壤抗蝕性的增強(qiáng)效應(yīng)具有重要影響。至抽雄期時(shí)其增強(qiáng)效應(yīng)達(dá)最大,其增強(qiáng)值和增強(qiáng)率分別達(dá)32.41和72.93%,且顯著高于前3個(gè)生育期。至成熟期后,土壤抗蝕性增強(qiáng)效應(yīng)有一定降低,其增強(qiáng)值顯著高于苗期和小喇叭口期,與抽雄期差異不顯著;成熟期增強(qiáng)率顯著高于苗期、小喇叭口期和大喇叭口期,與抽雄期差異不顯著。>20~40cm土層,土壤抗蝕性增強(qiáng)效應(yīng)變化趨勢與0~20cm土層基本一致,抗蝕性增強(qiáng)率隨生育期推進(jìn)均呈先增加后略減小的趨勢,并在抽雄期達(dá)最大,顯著高于苗期、小喇叭口期和大喇叭口期。隨著玉米生育期的推進(jìn),各土層土壤抗蝕性呈先增加后減小的趨勢,玉米植株對土壤抗蝕性的增強(qiáng)效應(yīng)主要體現(xiàn)在大喇叭口期-成熟期。除苗期外,0~20cm土層土壤抗蝕性增強(qiáng)效應(yīng)均顯著優(yōu)于>20~40cm土層,這可能與其不同生育期根系狀況密切有關(guān)。3.4大朗咯口期水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化特征由表3可知,0~20cm土層,土壤含水率在整個(gè)生育期介于18.36%~19.60%之間,其變幅總體較小。土壤容重隨生育期推進(jìn)呈逐漸增加的趨勢,苗期-小喇叭口期階段,容重由1.26g/cm3增至1.32g/cm3,這主要是由于苗期土壤較松散,經(jīng)雨滴擊打夯實(shí)后土壤容重有所增加。小喇叭口期-成熟期,除了在大喇叭口期有小幅降低外,土壤容重由1.32g/cm3增至1.37g/cm3,其總體增加幅度低于苗期-小喇叭口期階段,這主要是由于前期土壤較疏松,隨著自然降雨對土粒的擊打夯實(shí),土壤容重增加較大,至生育期后期土壤容重增加,雨滴對土壤的擊打夯實(shí)作用降低。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在整個(gè)生育期呈增加趨勢,這主要是由于玉米根系分泌物和部分根系殘?bào)w分解的影響。在水穩(wěn)性團(tuán)聚體中,<0.25mm和≥0.5~2.0mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例總體較大。其中>2.0mm和≥0.5~2.0mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體大小在苗期-大喇叭口期變化較小,在大喇叭口期-成熟期二者所占比例分別由14.4%和32.5%增至17.7%和34.1%,≥0.25~0.5mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例總體變化較小。<0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體在苗期-大喇叭口期變化較小,抽雄期以后呈一定的降低趨勢。>20~40cm土層,土壤含水率、容重和有機(jī)質(zhì)含量以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體在玉米各生育期總體變化特征與0~20cm土層較為一致,但各指標(biāo)變幅均小于0~20cm土層。3.4.2玉米生育期對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響由表4可知,0~20cm土層,土壤抗蝕性與土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量、>2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),與<0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。經(jīng)測定可知,隨玉米生育期的推進(jìn),土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量和>2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈逐漸增加的趨勢,<0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈降低趨勢(表3),這說明隨玉米生育期推進(jìn),土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量和>2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加可增強(qiáng)土壤抵抗徑流對土粒的分散能力。同時(shí),由于其根系分泌物能促進(jìn)<0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體向更大粒徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化,增強(qiáng)土壤抗蝕性。>20~40cm土層,土壤抗蝕性與有機(jī)質(zhì)含量和>2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān),與土壤容重、<0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(p<0.05)。3.4.3不同生育期土壤條件下玉米各徑級根長和根系直徑分布特點(diǎn)由表5可知,0~20cm土層,含根量、根系表面積、根系體積和總根長均隨玉米生育期推進(jìn)呈先增加后降低的趨勢,且均于抽雄期達(dá)最大。平均根徑在整個(gè)生育期變幅較小,其介于0.22~0.25mm之間,各徑級根長中,<0.5mm根長所占比例最大。>20~40cm土層,含根量、根系表面積、根系體積和總根長在整個(gè)生育期內(nèi)與0~20cm土層相似大致呈先增加后降低的趨勢。苗期-小喇叭口期總體分布較小且呈降低趨勢,這主要是因?yàn)樵谶@2個(gè)生育期,玉米向下穿插的根系在此土層分布較少,土壤中存在的根系多為以往未被分解的根系殘?bào)w。至大喇叭口期后,除平均根徑外,其他各根系特征參數(shù)較小喇叭口期均有較大幅度提高,這表明玉米的根系在此生育期發(fā)育較快。3.4.4不同徑級土壤基由表6可知,玉米根系特征參數(shù)與土壤抗蝕性相關(guān)性較密切。0~20cm土層,含根量、根系表面和根系體積與抗蝕性相關(guān)性均達(dá)極顯著水平(p<0.01),這表明土壤抗蝕性隨玉米植株根系的生長能得到有效提高。在各徑級根長參數(shù)中,<0.5、0.5~1和>1mm根長與土壤抗蝕性相關(guān)性也均達(dá)極顯著水平,這表明在0~20cm土層,各徑級根系對土壤抗蝕性的增加均具有重要作用。>20~40cm土層,土壤抗蝕性與含根量、根系體積的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平,而分別與根系表面積、平均根徑呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系,這表明在>20~40cm土層,玉米植株根系表面積的增加能顯著提高土壤抗蝕性,在各徑級根長參數(shù)中,僅<0.5mm根長與土壤抗蝕性相關(guān)性達(dá)極顯著正相關(guān),這表明隨著玉米根系的生長,特別是<0.5mm根系的增加可顯著提高此土層的土壤抗蝕性。4對不同土壤條件下土壤抗蝕性的影響土壤抗蝕性是影響土壤侵蝕的重要因子,由于受土壤、植被、人為等因素影響較大,到目前為止尚未見普遍適用的指標(biāo)報(bào)道,通常表征其大小的指標(biāo)主要有土壤團(tuán)聚體組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成、抗蝕指數(shù)等。土壤抗蝕指數(shù)排除了指標(biāo)之間信息重疊,能夠客觀、全面地反映土壤抗蝕性大小。本研究通過浸水試驗(yàn)對玉米各生育期土壤抗蝕指數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明在土粒浸水過程中,土壤抗蝕指數(shù)均隨浸水時(shí)間延長呈逐步下降趨勢,這與呂文星等研究結(jié)果一致,這說明土粒隨水流作用時(shí)間延長,土壤抗蝕性降低,易于土壤侵蝕的發(fā)生和加劇?？梢?研究區(qū)土壤在歷時(shí)較長的降雨過程中應(yīng)加大土壤侵蝕防控。在0~20cm土層,土壤抗蝕性大小表現(xiàn)為抽雄期(76.85%)>成熟期(72.68%)>大喇叭口期(69.36%)>小喇叭口期(60.35%)>苗期(57.41%),其中抽雄期、成熟期和大喇叭口期抗蝕性大小接近任改等對木荷石櫟混交林地(87.2%)和杉木純林地(73.3%)等測定結(jié)果,這主要由于喇叭口期-成熟期土粒在浸水過程中較難崩解。在浸水試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)部分較細(xì)根系穿插在土粒中,根系的彈性拉力能平衡掉部分崩解力使土粒較難在浸水過程中崩解,致使大量土粒在水中發(fā)生崩解的時(shí)間滯后,而部分土粒在整個(gè)浸水過程中均未破壞。在>20~40cm土層,隨玉米生育期推進(jìn),該土層土壤抗蝕指數(shù)呈先增加后減小的趨勢,總體增長趨勢小于0~20cm土層,這與馬西軍等研究結(jié)果一致,這表明隨著土層深度的增加,土壤抗蝕性逐漸降低,而表層土壤一旦遭到破壞,深層土壤便會更快被侵蝕?？梢?在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,應(yīng)考慮玉米的合理種植方式以及不同生育期地表的有效覆蓋,能有效防止或減緩?fù)寥狼治g。土壤抗蝕性主要取決于土粒的水親和力和土粒間的膠結(jié)能力,與土壤內(nèi)在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成單位,能有效改善土壤松散性,提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。黃進(jìn)等研究表明,決定土壤抗蝕大小的本質(zhì)在于土壤結(jié)構(gòu)體的水穩(wěn)性。本研究>2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與土壤抗蝕性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤中有機(jī)質(zhì)含量作為土壤水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)的膠結(jié)劑,能促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,可增強(qiáng)土壤抗蝕性。本研究下有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤抗蝕性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。張洪等研究指出團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)質(zhì)存在密切關(guān)系,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),對團(tuán)聚體破壞率影響較小,而當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)