紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量診斷及調(diào)控途徑研究.pdf

1、坡耕地作為我國重要的土地資源，是構(gòu)成我國農(nóng)業(yè)土地資源的主要部分，以坡耕地為利用方式的耕地面積占全國耕地面積的2/5，而坡耕地糧食產(chǎn)量占我國糧食總產(chǎn)量的1/5~1/3；紫色土主要分布于長江上游，約占長江上游總土地面積的18％，集中分布在四川省和云南省境內(nèi)，這兩省內(nèi)的紫色土占全國總紫色土面積的75%以上。紫色土具有明顯的高生產(chǎn)力性、快速風(fēng)化性和強侵蝕性。紫色土坡耕地土層淺薄，多石質(zhì)，基巖埋深較淺，僅40~100cm，土壤孔隙度高，土壤飽和導(dǎo)

2、水率高，水力特性的空間變異性大。坡耕地土壤剖面構(gòu)形特征、理化性狀及耕性特征是影響坡耕地土壤質(zhì)量的根本原因；了解坡耕地土壤質(zhì)量變化及穩(wěn)定性特征、建立坡耕地土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集、提出坡耕地土壤質(zhì)量的優(yōu)化途徑是坡耕地土壤質(zhì)量定量化評價以及坡耕地土壤質(zhì)量提升的前提條件。
　　本文以重慶合川、江西興國、云南楚雄三個地點紫色土坡耕地為研究對象，野外實地調(diào)查與室內(nèi)測試相結(jié)合，揭示了不同區(qū)域紫色土坡耕地的土壤剖面構(gòu)型特征、分析了不同區(qū)域紫色土

3、坡耕地土壤基本理化性狀及耕性特征的差異性；采用室內(nèi)環(huán)刀法分別測定了土壤入滲及水庫特征，分析了不同區(qū)域紫色土坡耕地土壤入滲及保水性能；同時通過土壤干篩和濕篩、土壤崩解及水穩(wěn)定性試驗研究了不同區(qū)域紫色土坡耕地土壤穩(wěn)定性和抗蝕性；采用主成分分析方法建立了紫色土坡耕地土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集（MDS），分析了不同區(qū)域土壤侵蝕對紫色土坡耕地土壤質(zhì)量的影響；并通過資料查閱及數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果，分析各區(qū)域紫色土坡耕地土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的適宜性閾值，提出了

4、基于DPSIR坡耕地合理耕層的優(yōu)化途徑；最后針對坡耕地水土保持措施—生物埂在次降雨干濕交替作用下土壤物理、力學(xué)特性特征進行了分析。主要結(jié)論如下：
　?。?）農(nóng)作物根系主要分布于表土層（約占整個作物根系的60%以上），在心土層有少量分布（占作物根系的20%左右），而底土層幾乎沒有農(nóng)作物根系存在；不同地點土壤機械組成以砂粒含量和粉粒含量為主，且0—20 cm土壤粘粒（＜0.001 mm）含量顯著高于20—40 cm和40—60 cm；

5、土壤容重隨坡耕地土層垂直深度變化表現(xiàn)為0—20 cm<20—40 cm<40—60 cm；3個地點坡耕地土壤總孔隙度、毛管孔隙度的隨土壤垂直深度的變化規(guī)律均表現(xiàn)為耕作層（0—20 cm）>心土層（20—40 cm）>底土層（40—60 cm）；重慶合川坡耕地耕層土壤物理質(zhì)量較差，主要表現(xiàn)在土壤容重最高（1.43 g/cm3），土壤總孔隙度（45.97%）和毛管孔隙度（34.36%）最??；同一地點紫色土坡耕地土壤物理性質(zhì)隨垂直深度變化明顯

6、。從土壤質(zhì)量角度看，坡耕地0—20 cm耕層土壤物理質(zhì)量要優(yōu)于20—40 cm心土層和40—60 cm底土層。
　?。?）不同地點紫色土坡耕地土壤養(yǎng)分、耕性特征存在較大差異。不同地點紫色土坡耕地土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均存在較大差異，土壤有機質(zhì)含量由高到低依次為云南楚雄（28.80 g/kg）、江西興國（9.03 g/kg）、重慶合川（8.80 g/kg）；不同地點紫色土坡耕地土壤養(yǎng)分含量隨土層深度變化存在顯著差異，坡耕地0—20

7、cm土壤全氮含量高于20—40 cm和40—60 cm土層含量；坡耕地不同垂直層次土壤速效養(yǎng)分變化規(guī)律基本一致，速效養(yǎng)分主要在0—20 cm耕層富集，而20—40 cm和40—60 cm土層則無顯著差異；不同地點紫色土坡耕地耕層土壤抗剪強度和土壤貫入阻力均表現(xiàn)為重慶合川>云南楚雄>江西興國，且隨土層垂直深度耕層土壤抗剪強度和土壤貫入阻力值增加；不同地點坡耕地耕層土壤抗剪強度依次為15.39、14.74、10.66 kg/cm2，土壤貫入

8、阻力則分別為424.83、252.50、188.87kPa，這說明重慶合川紫色土坡耕地耕層土壤可以較好抵抗降雨、耕作的剪切破壞能力以及耕作機械碾壓能力。
　?。?）不同地點紫色土坡耕地土壤累積入滲量表現(xiàn)為云南楚雄>重慶合川>江西興國，耕層土壤入滲特征隨垂直深度的變化規(guī)律保持一致，土壤入滲隨著土層深度減小。Kostiakov模型適用于擬合不同地點紫色土坡耕地0~20cm土層土壤入滲過程；而20~40cm土層Horton模型適用于重慶

9、合川和云南楚雄。紫色土坡耕地土壤水總庫容的大小表現(xiàn)為云南楚雄（1052.52 t/hm2）>江西興國（974.15 t/hm2）>重慶合川（867.30 t/hm2）；土壤水死庫容的變化規(guī)律與土壤水總庫容的變化規(guī)律一致；興利庫容大小依次為重慶合川（293.02 t/hm2）>云南楚雄（291.89 t/hm2）>江西興國（182.28 t/hm2）；最大有效庫容以云南楚雄（873.311 t/hm2）最大；坡耕地耕層土壤水庫特征均表現(xiàn)為

10、0—20 cm耕作層大于20—40 cm心土層和40—60 cm底土層。耕層土壤入滲性能與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，而穩(wěn)定入滲率和平均入滲率與土壤容重之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.540和0.525；土壤總孔隙度與穩(wěn)定入滲率和平均入滲率之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.604和0.635；土壤入滲性能與機械組成的相關(guān)性表現(xiàn)為，與1~0.05mm呈正相關(guān)，與0.05~0.001mm和＜0.001mm呈負(fù)相關(guān)。土壤庫容與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)

11、系，相關(guān)系數(shù)在0.021~0.451之間，土壤水庫特性與土壤含水率、土壤孔隙度、土壤有機質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系。
　?。?）不同地點紫色土坡耕地因土壤屬性差異而表現(xiàn)出不同團聚體分布特征。>0.25mm風(fēng)干團聚體含量由大到小依次為重慶合川（97.716%）>云南楚雄（94.430%）>江西興國（90.875%）；紫色土坡耕地土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體含量較風(fēng)干團聚體含量明顯降低，>0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量具體表現(xiàn)為云南楚雄（86

12、.118%）>重慶合川（83.769%）>江西興國（65.805%）；紫色土坡耕地耕層土壤團聚體結(jié)構(gòu)破壞率表現(xiàn)為江西興國（34.195%）>重慶合川（16.231%）>云南楚雄（13.882%）；0~20cm土層>0.25mm風(fēng)干團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量小于20~40cm和40~60cm土層；不同地點紫色土坡耕地土壤風(fēng)干團聚體分形維數(shù)，重慶合川介于1.79~2.38之間，江西興國在2.01~2.30的范圍內(nèi)變化，云南楚雄數(shù)值在2.16~

13、2.52之間；土壤團聚體穩(wěn)定性指數(shù)表現(xiàn)為云南楚雄>江西興國>重慶合川，同一地點不同土層的土壤團聚體穩(wěn)定性指數(shù)總體表現(xiàn)為0~20cm>20~40cm>40~60cm，即0~20cm土層土壤結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性相對較好，具有較強的土壤抗侵蝕能力。土壤團聚體幾何平均直徑（GMD）和平均重量直徑（MWD）具有相同變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為重慶合川（GMD：4.975，MWD：1.014）>云南楚雄（GMD：3.977， MWD：1.012）>江西興國（GM

14、D：2.808，MWD：1.008）；不同地點紫色土坡耕地土壤團聚體最終破損率表現(xiàn)為江西興國（86.667%）>重慶合川（78.333%）>云南楚雄（45.333%）；耕層水穩(wěn)定性指數(shù)數(shù)值大小表現(xiàn)為云南楚雄最大（0.686），重慶合川次之（0.550），江西興國最?。?.211）；在土壤含水量一定的情況下，抗剪強度隨土壤所承受垂直壓力的增加而線性增大；不同地點紫色土坡耕地所受垂直壓力對抗剪強度的作用大小存在差異，以云南楚雄土壤抗剪強度增

15、加幅度最大，增大幅度≥300；以重慶合川次之，增加幅度介于273~299之間；江西興國隨壓力的增大增大幅度為130~299；隨著含水率增加，土壤抗剪強度下降，含水率對抗剪強度的影響主要是降低土壤粘聚力，對內(nèi)摩擦角的影響較小。
　　（5）紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集(MDS)有土壤容重、田間持水量、土壤貫入阻力、土壤有機質(zhì)、>0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量、田面坡度6個指標(biāo)。合理耕層適宜性閾值范圍分別如下：有效土層厚度25

16、~100cm之間、土壤容重介于1.15~1.45g/cm3范圍、總孔隙度在46%~56%、田間持水量>35%、有機質(zhì)含量>10g/kg；不同地點坡耕地耕層土壤耕性指標(biāo)平均值均在適宜值范圍，而20—40 cm和40—60 cm的評價指標(biāo)數(shù)值超出耕性適宜范圍而20—40cm和40—60cm的個別指標(biāo)數(shù)值超出耕性適宜范圍；耕性指標(biāo)良好程度將直接關(guān)系到農(nóng)作物產(chǎn)量高低，因此可在當(dāng)?shù)夭扇∵m當(dāng)耕作措施（如一般22—24 cm以下深松、深土培肥等）進行

17、坡耕地耕層土壤質(zhì)量改良，如選擇深松、有機肥培肥、秸稈還田等合適耕作措施，以實現(xiàn)對坡耕地耕層土壤質(zhì)量有效改善；基于DPSIR的坡耕地耕層質(zhì)量調(diào)控途徑主要有四個，一是控制耕地總量動態(tài)平衡，保持坡耕地數(shù)量和質(zhì)量可持續(xù)性；二是強化坡耕地農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，保護坡耕地生態(tài)環(huán)境安全；三是加大投入，確保坡耕地效益和質(zhì)量安全；四為制定耕地保護標(biāo)準(zhǔn)，確保耕地保護的長效性。
　?。?）坡耕地生物埂根系的空間分布在不同土層中存在差異，根徑級越小的根系集中

18、于土壤表層附近的位置，而深層次的土壤主要由較粗根徑級的根系穿插生長。生物埂土壤容重、孔隙度特征、田間持水量隨干濕作用時間變化差異顯著。在次降雨前，各層次桑樹生物埂土壤容重在1.19~1.38 g/cm3之間，且隨土層深度增加而增大；在次降雨之后隨干濕水平變化，土壤容重呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的變化趨勢；毛管孔隙和非毛管孔隙數(shù)量的變化主要發(fā)生在干濕作用第0天~第1天時間。土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而呈近似線性衰減，相關(guān)系數(shù)分別為0.

19、6820和0.7251；各層次土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕效應(yīng)作用下呈先衰減后恢復(fù)的“V”型變化趨勢；土壤粘聚力衰減程度依次為30~40cm（18.11Kpa）>0~10cm（15.80Kpa）>10~20 cm（15.28Kpa）>20~30cm（6.99kpa），土壤內(nèi)摩擦角以0~10cm層土壤衰減程度最大（14.69°），30~40cm的衰減程度最小（12.84°）；在干濕循環(huán)過程中，土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所恢復(fù)，但均未達到降雨前