三峽庫(kù)區(qū)坡耕地水土流失的原因及防治對(duì)策

三峽庫(kù)區(qū)坡耕地水土流失的原因及防治對(duì)策

傾斜耕地作為我國(guó)山區(qū)和山區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源，在確保人民生活和發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮了重要作用。坡耕地“三跑”嚴(yán)重的特性也使其成為我國(guó)水土流失的重要策源地,年流失量占我國(guó)水土流失總量的30%。大量的研究資料表明,坡耕地是江河泥沙的主要來(lái)源,其嚴(yán)重的水土流失造成耕地水、土、肥的大量損失,致使土地日益瘠薄,生產(chǎn)力嚴(yán)重下降,從而威脅區(qū)域的糧食和生態(tài)安全。三峽庫(kù)區(qū)坡耕地面積廣大,耕作管理較為粗放,生產(chǎn)力低下,水土流失非常嚴(yán)重,已經(jīng)成為影響庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境和庫(kù)區(qū)安全的重要因素之一。在此背景下,我國(guó)在20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始興起在坡耕地上種植植物籬。植物籬是一種傳統(tǒng)的水土保持措施,為無(wú)間斷式或接近連續(xù)的狹窄帶狀植物群,由木本植物或一些莖干堅(jiān)挺、直立的草本植物組成。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)植物籬已有大量報(bào)道,國(guó)外研究主要包括植物籬控制土壤侵蝕、面源污染及改變坡耕地微地形等方面;國(guó)內(nèi)主要集中在長(zhǎng)江中上游干旱河谷區(qū)、三峽庫(kù)區(qū)和北方黃土高原等水土流失嚴(yán)重地區(qū)。縱觀歷年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物籬的相關(guān)報(bào)道可以發(fā)現(xiàn),植物籬生態(tài)效益明顯,主要體現(xiàn)在改善土壤物理性質(zhì)、控制水土流失、減少土壤養(yǎng)分流失和增加土壤肥力等幾個(gè)方面。在國(guó)內(nèi)外植物籬研究的基礎(chǔ)上,利用長(zhǎng)期定位小區(qū)試驗(yàn),通過(guò)對(duì)2種植物籬及對(duì)照處理的對(duì)比分析,研究不同植物籬對(duì)坡耕地土壤理化性質(zhì)及土壤侵蝕的影響。旨在為植物籬技術(shù)在三峽庫(kù)區(qū)的應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。1風(fēng)性氣候本試驗(yàn)地位于三峽庫(kù)區(qū)尾端的重慶市江津區(qū)李市鎮(zhèn),地處東經(jīng)105°49′-106°38′和北緯28°28′-29°28′之間,海拔在188~1034m之間。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候,年降雨量為1030.7mm,年均氣溫在13.6~18.4℃之間。地質(zhì)巖層主要是紫紅色粉砂巖,供試土壤為紫色土,土層在50~70cm之間,土壤層次分化不明顯,土壤肥力不高,供試土壤初始化學(xué)性質(zhì)如下:pH為6.7,有機(jī)質(zhì)含量為12.217g/kg,全氮含量為0.498g/kg,水解氮含量為62.129mg/kg,全鉀含量為10.358g/kg,有效鉀含量為210.259mg/kg,全磷含量為3.023g/kg,有效磷含量為22.568mg/kg,陽(yáng)離子交換量為99.491mmol/kg。2學(xué)習(xí)方法2.1不同立地條件表1于2005年11月在研究區(qū)修建3個(gè)簡(jiǎn)易徑流小區(qū),小區(qū)四周用水泥砂漿和粘土磚砌筑,海拔為265m,坡度為20°,坡向?yàn)槲鞅毕?小區(qū)投影面積為20m×5m。共設(shè)3個(gè)處理:處理1為等高種植3帶黃荊(Vitexnegundo);處理2為等高種植3帶紫背天葵(Begoniafimbristipula);處理3為對(duì)照(無(wú)植物籬)。植物籬帶間種植玉米,帶間距為6.16m,植物籬帶寬為0.5m,每帶以“品”字形種植2行,株距和行距均為0.2m,在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),植物籬已經(jīng)在坡耕地中自然生長(zhǎng)了5年(2006-2010年)。對(duì)照樣地和植物籬帶間順坡行播種植玉米。每年3月22日左右播種,密度為4株/m2,每年8月1日左右收獲。玉米作物施肥量為:氮肥(N)0.02kg/m2,磷肥(P2O5)0.01kg/m2,鉀肥(K2O)0.01kg/m2。于2010年7月中旬,在不同處理坡面中下部的第二帶植物籬帶上(冠層投影帶上±20cm范圍內(nèi))、植物籬帶內(nèi)(冠層投影中點(diǎn)處)、植物籬帶下(冠層投影帶下±20cm范圍內(nèi))和植物籬帶間坡耕地(兩植物籬帶間距的中點(diǎn)處)沿坡面從左到右等間距布設(shè)3個(gè)重復(fù)采樣點(diǎn)。在每個(gè)土壤采樣點(diǎn)土壤耕層(0-20cm)采集土樣,每個(gè)采樣點(diǎn)用環(huán)刀取原狀土,測(cè)定土壤密度、總孔隙度等,取混合均勻土樣測(cè)定土壤顆粒組成、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀、陽(yáng)離子交換量和土壤抗蝕性。土壤基本理化性質(zhì)采用《土壤理化分析》常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定。2.2干篩和土壤顆粒的分離土壤抗蝕性的測(cè)定采用土粒浸水實(shí)驗(yàn),首先將在植物籬帶內(nèi)0-20cm土層采集的3個(gè)重復(fù)的土壤混合樣風(fēng)干,然后用5mm和7mm兩個(gè)篩子進(jìn)行干篩篩分;再將干篩后留在5mm篩上的5~7mm的土壤顆粒隨機(jī)數(shù)出75粒,每次25粒,分3次放入水盆中的2mm土壤篩上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),水盆中的水面高度要?jiǎng)偤媒](méi)土粒,水溫在20℃左右,以土粒開(kāi)始完全散開(kāi)為準(zhǔn),每隔1min記錄土粒崩塌的個(gè)數(shù),連續(xù)記錄10min;最后按下式計(jì)算土壤抗蝕指數(shù):S=(總土粒-崩塌土粒)/總土?！?00%3結(jié)果與分析3.1不同植物籬土壤理化指標(biāo)土壤密度、孔隙度和顆粒組成是衡量土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo),反映了土壤的水、氣、質(zhì)地和結(jié)構(gòu)等綜合物理性狀,對(duì)土壤肥力具有較大影響,直接影響到土壤中根系穿插,動(dòng)物和微生物活動(dòng)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程。由圖1可見(jiàn),植物籬帶間、帶上、帶內(nèi)和帶下4個(gè)位置,黃荊和紫背天葵2種植物籬土壤密度平均值比對(duì)照分別低13.7%和6.6%;土壤總孔隙度平均值比對(duì)照分別高13.8%和7.7%;土壤含水量平均值比對(duì)照分別高45.2%和15.3%;土壤砂粒含量平均值比對(duì)照分別低6.3%和13.2%;土壤粉粒含量平均值比對(duì)照分別高6.2%和16.6%;土壤粘粒含量平均值比對(duì)照分別高23.4%和1.6%。這說(shuō)明植物籬顯著改善了坡耕地的土壤物理性質(zhì),2種植物籬處理對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良作用表現(xiàn)為黃荊優(yōu)于紫背天葵,這主要是由于黃荊植物籬根部具有較強(qiáng)的擋土和截流作用,其根系的穿插固土作用強(qiáng),同時(shí)其莖葉的腐爛增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,在一定程度上也改善了土壤物理性質(zhì)。3.2坡面養(yǎng)分分布特征土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀和陽(yáng)離子交換量是衡量土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源,是衡量土壤肥力水平的基礎(chǔ);土壤全氮可以衡量土壤氮素供應(yīng)狀況;土壤水解氮可以反映易淋失和被植物吸收利用的氮量;土壤全磷可以反映土壤中磷素的總貯量;土壤有效磷可以反映被當(dāng)季作物吸收利用的磷量;土壤有效鉀可以反映被當(dāng)季作物吸收利用的鉀量;陽(yáng)離子交換量的大小,基本上代表了土壤保肥性的高低,可作為評(píng)價(jià)土壤保肥能力的指標(biāo)。黃荊、紫背天葵植物籬和對(duì)照3個(gè)處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量比試驗(yàn)初始時(shí)分別降低了26.6%,43.0%和44.8%,可見(jiàn),植物籬可以減緩有機(jī)質(zhì)含量的降低速度。黃荊、紫背天葵植物籬2個(gè)處理土壤全氮平均含量(0.498g/kg)、水解氮平均含量(62.129mg/kg)、有效磷平均含量(22.568mg/kg)、全鉀平均含量(10.358g/kg)、陽(yáng)離子交換量平均含量(99.491mmol/kg)與試驗(yàn)土壤初始量基本持平,略有增長(zhǎng)。全磷平均含量(3.023g/kg)和有效鉀平均含量(210.259mg/kg)比試驗(yàn)初始時(shí)有顯著提高。而對(duì)照處理中各養(yǎng)分指標(biāo)均低于試驗(yàn)土壤初始時(shí)的含量,其養(yǎng)分指標(biāo)的分布規(guī)律均表現(xiàn)為從坡頂?shù)狡履_含量逐漸增加,以全氮含量和全磷含量在坡面上的遷移為例,全氮含量從0.250g/kg(坡頂)增加到0.645g/kg(坡腳),增幅達(dá)2.58倍;全磷含量從1.010g/kg(坡頂)增加到2.098g/kg(坡腳),增幅達(dá)1.08倍。這表明坡面養(yǎng)分分布表現(xiàn)為從坡上向坡下富積。在有植物籬的坡耕地上,氮素分布呈現(xiàn)出帶前富積,帶下流失的特點(diǎn),并顯著提高了坡面上部的養(yǎng)分含量。從圖2可以看出,土壤各養(yǎng)分指標(biāo)含量在坡面上的分布呈現(xiàn)規(guī)律性。2種植物籬樣地中不同位置養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為帶內(nèi)最高,帶間最低,帶上和帶下位于中間,互有高低,并呈現(xiàn)出帶前富積,帶下流失的分布特點(diǎn),同時(shí)也顯著提高了整個(gè)坡面的養(yǎng)分含量。這是因?yàn)轲B(yǎng)分元素主要富集在細(xì)小顆粒中,隨著坡耕地發(fā)生土壤侵蝕,沖走粉粘粒而流失,而栽植植物籬后,徑流攜帶的土壤顆粒受植物籬阻擋后發(fā)生沉降,導(dǎo)致土壤細(xì)小顆粒分布發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致植物籬-坡耕地系統(tǒng)不同位置養(yǎng)分分布出現(xiàn)差異。綜合考慮帶間、帶上、帶內(nèi)和帶下4個(gè)位置,與對(duì)照處理相比,黃荊和紫背天葵2種植物籬有機(jī)質(zhì)平均含量分別增加了36.5%和6.5%,全氮平均含量分別增加了53.3%和27.8%,水解氮平均含量分別增加了55.4%和8.4%,全磷平均含量分別增加了228.3%和36.3%,有效磷平均含量分別增加了90.9%和32.1%,全鉀平均含量分別增加了75.8%和14.6%,有效鉀平均含量分別增加了177.5%和99.3%,陽(yáng)離子交換量平均值分別增加了68.3%和7.3%。說(shuō)明栽植了植物籬的坡耕地與對(duì)照處理相比,減少了養(yǎng)分流失量,這主要是由于帶間坡耕地被刈割的枝葉覆蓋,作為綠肥還田,增加了土壤養(yǎng)分含量,改善了土壤滲透性能。2個(gè)植物籬處理中,黃荊植物籬培肥地力的效果較顯著,保肥性較好,改良土壤的能力較強(qiáng)。3.3不同植物籬間土壤物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量多重比較對(duì)不同植物籬-坡耕地系統(tǒng)以及對(duì)照的帶間、帶上、帶內(nèi)和帶下4個(gè)位置物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明:土壤砂粒含量和有機(jī)質(zhì)含量在不同植物籬間有顯著性差異(P<0.05),土壤總孔隙度、土壤含水量、粉粒含量、粘粒含量、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀和陽(yáng)離子交換量在不同植物籬間有極顯著性差異(P<0.01),而土壤密度和全氮在不同植物籬間差異不顯著(P>0.05)。土壤物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量多重比較結(jié)果見(jiàn)表1和表2。2種不同植物籬-坡耕地系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量的變化表明:植物籬的種類和結(jié)構(gòu)改變后,通過(guò)改變枯落物儲(chǔ)量及環(huán)境條件影響土壤過(guò)程,并改變土壤的物理性質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)。3.4植物墻對(duì)土壤的抗侵蝕性3.4.1植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系土壤抗蝕性是評(píng)定土壤抵抗土壤侵蝕能力的重要參數(shù)之一,也是土壤侵蝕研究的重要內(nèi)容之一。植物籬植物種的根系和枯落物有助于提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)了土壤抗蝕能力。但是,由于植物籬植物種的差異,其帶內(nèi)土壤的抗蝕性強(qiáng)弱也存在差異,土壤抗蝕指數(shù)反映土壤抗崩塌能力。黃荊和紫背天葵2種植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)平均值分別為79.2%和15.3%,均高于對(duì)照樣地(8.7%)。表明黃荊植物籬帶內(nèi)土壤抗崩塌能力最強(qiáng),土壤顆粒遇水難分散,土壤抗蝕性最好,紫背天葵帶內(nèi)土壤抗蝕性較差。這主要是因?yàn)辄S荊植物籬帶內(nèi)枯落物相對(duì)較多,根系的穿插作用促使團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,增強(qiáng)了土壤抗蝕性;紫背天葵是多年生草本植物,其枯落物儲(chǔ)量較少,根系分布較淺,改良土壤結(jié)構(gòu)能力較差,土壤抗蝕性較弱。通過(guò)對(duì)植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)與土壤理化性質(zhì)間相關(guān)分析表明:除了砂粒、粉粒和粘粒含量外,植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)與其他土壤理化性質(zhì)間均具有顯著或極顯著的相關(guān)性。其中土壤抗蝕指數(shù)與土壤密度之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01),與全磷含量之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與其他土壤理化性質(zhì)之間呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)。這一結(jié)果表明土壤抗蝕指數(shù)能夠反映土壤理化性質(zhì)的優(yōu)劣,抗蝕指數(shù)越大,土壤密度越小,土壤總孔隙度、土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全鉀、有效鉀、全磷、有效磷、陽(yáng)離子交換量越大。3.4.2土壤抗蝕指數(shù)變化2種植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)隨土粒浸水時(shí)間的變化如圖3。隨著土粒浸水時(shí)間的增加,土壤抗蝕指數(shù)呈下降趨勢(shì),說(shuō)明在自然條件下,隨著降雨歷時(shí)的增加,降雨量不斷增加,植物籬帶內(nèi)土壤顆粒逐漸被破壞,土壤抗蝕能力逐漸降低,同時(shí)產(chǎn)生地表徑流,最終造成水土流失。黃荊植物籬帶內(nèi)土壤顆粒隨浸水時(shí)間增加變化相對(duì)緩慢;紫背天葵土壤顆粒浸水后6min內(nèi)迅速分散,之后逐漸變緩。說(shuō)明黃荊植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕性較強(qiáng),紫背天葵帶內(nèi)土壤抗蝕性較差。由圖3可以看出:(1)在1min內(nèi),2種植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)均較大,除對(duì)照外,其值在36.0%~89.3%之間;(2)在2~6min內(nèi),2種植物籬帶內(nèi)土壤顆粒逐漸分散崩塌,土壤抗蝕性差異明顯。其中紫背天葵植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)降低程度較大,第6分鐘比第2分鐘降低了54.3%,黃荊植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)降低程度較小,僅為6.3%;(3)在7~10min內(nèi),各植物籬帶內(nèi)土壤顆粒崩塌速率變慢,第10分鐘比第7分鐘,黃荊植物籬帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)降低程度較小,僅為8.6%。為探討土壤抗蝕指數(shù)與土粒浸水時(shí)間的定量關(guān)系,在SPSS15.0軟件曲線估計(jì)中,模擬不同處理土壤抗蝕指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,得出三次函數(shù)曲線的相關(guān)系數(shù)最高。因此,土壤抗蝕指數(shù)與時(shí)間呈三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系,黃荊、紫背天葵植物籬和對(duì)照帶內(nèi)土壤抗蝕指數(shù)與時(shí)間的關(guān)系式分別為:y=-0.0004t3+0.006t2-0.046t+0.925(R2=0.984),y=-0.0002t3+0.01t2-0.104t+0.451(R2=0.985),y=-0.0009t3+0.019t2-0.129t+0.365(R2=0.961)。通式為:S=at3+bt2+ct+d。4植物籬帶土壤抗蝕指數(shù)與土粒浸水關(guān)系黃荊和紫背天葵2種植物籬均降低了土壤密度和沙粒含量,增加了土壤孔隙度、土壤含水量、粉粒含量和粘粒含量,在不同程度上改良了土壤物理性質(zhì)。這主要是由于植物籬帶內(nèi)的擋土截流作用、根系的穿插固土作用以及枯落物的分解作用,顯著改善了坡耕地土壤的物理性質(zhì),這與田茂潔的結(jié)論基本一致。土壤養(yǎng)分在坡面上的分布呈現(xiàn)規(guī)律性,植物籬樣地中不同位置土壤有機(jī)質(zhì)、N、P、K和陽(yáng)離子交換量等養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)為帶內(nèi)最高,帶間最低,帶上和帶下位于兩者中間,植物籬能明顯提高帶內(nèi)土壤肥力,減弱帶下土壤肥力,這與林超文等的研究結(jié)論基本一致。因此,建議加強(qiáng)植物籬帶下土壤的培肥,以提高養(yǎng)分分布的均衡性和坡