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(guó)重要的土地資源，是構(gòu)成我國(guó)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(guó)耕地面積的2/5，而坡耕地糧食產(chǎn)量占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的1/5~1/3；紫色土主要分布于長(zhǎng)江上游，約占長(zhǎng)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(guó)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(qiáng)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(guó)、云南楚雄三個(gè)地點(diǎn)紫色土坡耕地為研究對(duì)象，野外實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)測(cè)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(cè)定了土壤入滲及水庫(kù)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(shí)通過土壤干篩和濕篩、土壤崩解及水穩(wěn)定性試驗(yàn)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(píng)價(jià)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(duì)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(píng)價(jià)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(duì)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(jìn)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(gè)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(diǎn)土壤機(jī)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(gè)地點(diǎn)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%）最小；同一地點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)質(zhì)含量由高到低依次為云南楚雄（28.80 g/kg）、江西興國(guó)（9.03 g/kg）、重慶合川（8.80 g/kg）；不同地點(diǎn)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(diǎn)紫色土坡耕地耕層土壤抗剪強(qiáng)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(guó)，且隨土層垂直深度耕層土壤抗剪強(qiáng)度和土壤貫入阻力值增加；不同地點(diǎn)坡耕地耕層土壤抗剪強(qiáng)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(jī)械碾壓能力。
　?。?）不同地點(diǎn)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(guó)，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(diǎn)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(kù)容的大小表現(xiàn)為云南楚雄（1052.52 t/hm2）>江西興國(guó)（974.15 t/hm2）>重慶合川（867.30 t/hm2）；土壤水死庫(kù)容的變化規(guī)律與土壤水總庫(kù)容的變化規(guī)律一致；興利庫(kù)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(guó)（182.28 t/hm2）；最大有效庫(kù)容以云南楚雄（873.311 t/hm2）最大；坡耕地耕層土壤水庫(kù)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(jī)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(kù)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(kù)特性與土壤含水率、土壤孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系。
　?。?）不同地點(diǎn)紫色土坡耕地因土壤屬性差異而表現(xiàn)出不同團(tuán)聚體分布特征。>0.25mm風(fēng)干團(tuán)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(guó)（90.875%）；紫色土坡耕地土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量較風(fēng)干團(tuán)聚體含量明顯降低，>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)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(guó)（65.805%）；紫色土坡耕地耕層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率表現(xiàn)為江西興國(guó)（34.195%）>重慶合川（16.231%）>云南楚雄（13.882%）；0~20cm土層>0.25mm風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量小于20~40cm和40~60cm土層；不同地點(diǎn)紫色土坡耕地土壤風(fēng)干團(tuán)聚體分形維數(shù)，重慶合川介于1.79~2.38之間，江西興國(guó)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(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)表現(xiàn)為云南楚雄>江西興國(guó)>重慶合川，同一地點(diǎn)不同土層的土壤團(tuán)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(duì)較好，具有較強(qiáng)的土壤抗侵蝕能力。土壤團(tuán)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(guó)（GM

14、D：2.808，MWD：1.008）；不同地點(diǎn)紫色土坡耕地土壤團(tuán)聚體最終破損率表現(xiàn)為江西興國(guó)（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(guó)最小（0.211）；在土壤含水量一定的情況下，抗剪強(qiáng)度隨土壤所承受垂直壓力的增加而線性增大；不同地點(diǎn)紫色土坡耕地所受垂直壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的作用大小存在差異，以云南楚雄土壤抗剪強(qiáng)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(guó)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(qiáng)度下降，含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是降低土壤粘聚力，對(duì)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(píng)價(jià)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(jī)質(zhì)、>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、田面坡度6個(gè)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(jī)質(zhì)含量>10g/kg；不同地點(diǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值超出耕性適宜范圍而20—40cm和40—60cm的個(gè)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(jìn)行

17、坡耕地耕層土壤質(zhì)量改良，如選擇深松、有機(jī)肥培肥、秸稈還田等合適耕作措施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)，一是控制耕地總量動(dòng)態(tài)平衡，保持坡耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量可持續(xù)性；二是強(qiáng)化坡耕地農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，保護(hù)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)，確保耕地保護(hù)的長(zhǎng)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(jí)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(jí)的根系穿插生長(zhǎng)。生物埂土壤容重、孔隙度特征、田間持水量隨干濕作用時(shí)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(shì)；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(shí)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(shì)；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?。?2.84°）；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(dá)到降雨前