渭北旱塬不同程度土壤侵蝕及生產(chǎn)力恢復(fù)試驗(yàn)

成婧，吳發(fā)啟，王健，云峰，吳光艷，于曉玲

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

土壤侵蝕會(huì)改變土壤的理化性狀，破壞土體結(jié)構(gòu)，降低土壤肥力與生產(chǎn)力［1］。由于其最終結(jié)果往往會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，因此人們對(duì)土壤侵蝕及生產(chǎn)力恢復(fù)方面產(chǎn)生了廣泛的關(guān)注。恢復(fù)土壤生產(chǎn)力有許多方法，如水土保持工程［2］、植樹造林［3］等，這些措施雖然能起到積極的效果，但需要很長(zhǎng)時(shí)間的土壤熟化過(guò)程，不能使土壤生產(chǎn)力得到快速的恢復(fù)。國(guó)外20世紀(jì)40年代至今一直在研究土壤退化及對(duì)生產(chǎn)力的影響［4-10］，國(guó)內(nèi)對(duì)侵蝕造成土壤理化性質(zhì)變化的研究較多［11-14］，而關(guān)于土壤侵蝕影響土壤生產(chǎn)力的定量研究則不多見，且多數(shù)只是單純地研究土壤生產(chǎn)力隨侵蝕深度的變化情況［15-17］，對(duì)于模擬侵蝕狀態(tài)下的土壤生產(chǎn)力恢復(fù)的研究則較為少見。基于此，筆者采用人工剝離和覆蓋表土法對(duì)土壤退化現(xiàn)狀進(jìn)行模擬研究，并通過(guò)培肥來(lái)探討土壤生產(chǎn)力的恢復(fù)狀況;同時(shí)，對(duì)比2類不同的施肥量，以期高效、快速地恢復(fù)土壤生產(chǎn)力，旨在對(duì)黃土高原土壤侵蝕的治理及生產(chǎn)力的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于陜西省合陽(yáng)縣，海拔910 m，E 106°20′～110°40′、N3 4°10′～ 36°20′，地勢(shì)西北高東南低，呈傾斜狀。該區(qū)多年平均降水量517.9 mm，主要集中在7、8、9月，降水年際間分配不均，降水變率為0.779～1.464，蒸發(fā)量為1 832.8 mm。光能資源較為豐富，年平均氣溫21℃，氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，屬半干旱地區(qū)。土壤為紅塿土，中性偏堿，pH值為8.4。

1.2 試驗(yàn)處理與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地設(shè)在陜西省合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)的一處平緩耕地上(＜2°)，分別設(shè)計(jì)侵蝕深度和施肥2個(gè)因素。

1)侵蝕深度。剝離表土10 cm(S-10)、剝離表土20 cm(S-20)、原未擾動(dòng)土(S0)和在未擾動(dòng)地表覆蓋表土10 cm(S+10)4種處理小區(qū)，模擬不同程度的土壤侵蝕。

2)施肥處理。設(shè)無(wú)肥、常規(guī)施肥(N300P150K150)和過(guò)量施肥(N450P225K225)3個(gè)水平，分別記為F0、F1和F2。

該試驗(yàn)地先前為玉米(Zea mays L.)種植大田，耕作年限為20年，采用的耕作制度為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，施肥水平為常規(guī)施肥量，即純氮300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，土壤理化性狀基本穩(wěn)定。將大田平整后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)布置，各小區(qū)為隨機(jī)區(qū)組排列，共12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)的處理面積為5 m×5 m，四周用土埂相隔，為消除人為影響，小區(qū)在修建后閑置1年，于2009年進(jìn)行侵蝕模擬及土壤生產(chǎn)力恢復(fù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)所用玉米品種為沈單16，于4月16日播種，行距0.6 m、株距0.3 m，種植密度4.95株/m2?；室淮涡允┤?，生育期間各小區(qū)進(jìn)行人工除草，小區(qū)不澆水，水分的獲取均為當(dāng)?shù)刈匀唤涤甑难a(bǔ)給，為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，9月28日收獲玉米。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分 玉米收獲后每小區(qū)分別用蛇形采集0～20和20～40 cm土樣，取多點(diǎn)(至少5點(diǎn))混合成1個(gè)土樣。土樣于播種前和收后采集，樣品經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)后過(guò)1和0.149 mm篩備用。土壤養(yǎng)分測(cè)定采用常規(guī)分析方法［18］，有機(jī)質(zhì)用硫酸-重鉻酸鉀法;全氮用硫酸-高氯酸消煮，全自動(dòng)凱氏定氮儀法;銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均采用氯化鉀浸提-流動(dòng)分析儀法;全磷用高氯酸-硫酸消化，鉬銻抗比色法;速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法浸提，鉬銻抗比色法;速效鉀用1.0 mol/L NH4OAc浸提，火焰光度法。

1.3.2 生物量和產(chǎn)量 生物量主要采集玉米的地上部分，包括秸稈、苞葉、葉和玉米籽粒。在每個(gè)小區(qū)的近中央取2 m×2 m面積上的各樣品，帶回室內(nèi)進(jìn)行鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的稱量。

產(chǎn)量于玉米成熟期采集植株樣本，測(cè)定其籽粒質(zhì)量，并根據(jù)面積計(jì)算出各小區(qū)玉米產(chǎn)量。

1.4 分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Excel 2003進(jìn)行整理分析，用SPSS15.0軟件做相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用LSR法，顯著水平為0.05和0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤物理性狀的影響

2.1.1 土壤侵蝕對(duì)土壤物理性狀的影響 由表1可知，剝離地表熟土下的含水量低于原狀未擾動(dòng)土壤的含水量，并呈現(xiàn)出顯著性差異，平均每侵蝕1 cm，含水量下降1.85%，覆蓋10 cm熟土的土壤含水量比對(duì)照的高0.10%，表明覆土可以增加一定的土壤含水量。地表熟土的減少同樣對(duì)土壤密度及孔隙度產(chǎn)生影響，與對(duì)照相比較，剝離地表10 cm和20 cm的土壤密度均有所增加，孔隙度則減小，表明侵蝕能夠使土壤的物理性狀變得惡化。覆土可以降低土壤密度，增加孔隙度，在一定程度上改善土壤物理性質(zhì)。

表1 無(wú)肥下各處理的土壤物理特征Tab．1 Soil physical properties in treatments without fertilization

2.1.2 施肥對(duì)土壤物理性狀的影響 從表2中可以看出，施肥下的各物理性狀較無(wú)肥處理(F0)均有所改善，過(guò)量施肥處理(F2)下的土壤物理性狀要優(yōu)于常規(guī)施肥處理(F1)。對(duì)于土壤含水量，剝離表土每1 cm，常規(guī)施肥處理下的土壤含水量下降1.45%，過(guò)量施肥處理的下降0.95%。覆蓋表土同樣也可以增加一定的含水量。在2種施肥措施條件下，剝離表土的土壤密度較無(wú)肥處理有所下降，孔隙度有一定的增加，但仍與原狀未擾動(dòng)土有一定的差距。

表2 不同施肥下各處理的土壤物理性狀Tab．2 Soil physical properties in treatments with different fertilization

2.2 對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 土壤侵蝕對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 由表3可以看出，剝離表土下有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，平均每侵蝕1 cm土壤，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少0.026 g/kg，而平均每增加1 cm表土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)則增加0.017 g/kg;全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著侵蝕程度的加深而減少，且全氮比全磷下降幅度大，平均每侵蝕10 cm土壤，全氮和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低0.05和0.04 g/kg，平均每增加1 cm表土，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加0.03和0.02 g/kg;對(duì)于硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，土層厚度平均每侵蝕1 cm，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別減少0.044和0.034 mg/kg，平均每增加1 cm，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加0.031和0.033 mg/kg;速磷和速鉀也表現(xiàn)出同樣的現(xiàn)象，但同速磷比起來(lái)，速鉀的下降幅度較大，平均每侵蝕土層1 cm，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少0.048和0.486 mg/kg，平均每增加1 cm，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加0.027和0.271 mg/kg。

2.2.2 施肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 由表4可知，對(duì)于同一地表處理，常規(guī)施肥和過(guò)量施肥的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于無(wú)肥處理下的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且F2的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于F1的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與表3進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于有機(jī)質(zhì)，常規(guī)施肥的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比無(wú)肥的平均高7.3%，過(guò)量施肥要比無(wú)肥平均高11.0%;對(duì)于全氮和全磷，常規(guī)施肥比無(wú)肥的平均高5.2%和7.4%，過(guò)量施肥處理比常規(guī)施肥平均高6.1%和4.7%;硝態(tài)氮和銨態(tài)氮同樣表現(xiàn)出與全氮和全磷類似的變化趨勢(shì)，常規(guī)施肥比無(wú)肥平均高3.6%和2.7%，過(guò)量施肥比常規(guī)施肥平均高3.3%和3.2%;常規(guī)施肥條件下的速磷和速鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)比無(wú)肥平均增加3.8%和4.1%，過(guò)量施肥比常規(guī)施平均增加3.1%和3.7%。

表3 無(wú)肥下各處理的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．3 The mass contents of soil nutrient in treatments without fertilization

表4 不同施肥下各處理的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．4 The mass contents of soil nutrient in treatments with different fertilization

2.3 對(duì)生物量的影響

2.3.1 土壤侵蝕對(duì)生物量的影響 由于土壤生產(chǎn)力表示的是土壤能夠產(chǎn)出作物的能力，因此生物量一定程度上也可反映土壤生產(chǎn)力的大小。由圖1可以看出:土壤表層被侵蝕后會(huì)對(duì)玉米的生物量產(chǎn)生影響，且侵蝕程度不同，影響也不同。隨著侵蝕程度的加深，玉米的生物量下降越明顯。在不施肥的情況下，每侵蝕1 cm的土壤，玉米生物量平均降低0.38%;相反每增加1 cm熟土層，玉米生物量平均升高0.24%，表明生物量受土壤侵蝕的影響較明顯。

圖1 不施肥條件下各處理的玉米生物量Fig．1 Zea mays L.biomass in treatments without fertilization

2.3.2 施肥對(duì)生物量的影響 由圖2可知，對(duì)于任一種表土處理，施肥后玉米的生物量均高于圖1中無(wú)肥下的玉米生物量，表明施入化肥能夠增加玉米的生物量。盡管玉米生物量在施肥后有所提高，但對(duì)于不同侵蝕程度的土壤來(lái)說(shuō)，生物量的變化依然隨著侵蝕程度的增加而減少。對(duì)于常規(guī)施肥，每侵蝕1 cm表土，玉米生物量平均降低0.32%，相反，每增加1 cm土壤，玉米生物量平均增加0.28%;對(duì)于過(guò)量施肥處理下的玉米生物量，每侵蝕1 cm表土，玉米生物量平均降低0.27%，相反的，每增加1 cm土壤，玉米生物量平均增加0.23%。

圖2 不同施肥量下各處理的玉米生物量Fig．2 Zea mays L.biomass in treatments with different fertilization

2.4 對(duì)產(chǎn)量的影響

2.4.1 土壤侵蝕對(duì)產(chǎn)量的影響 由表5可知，剝離表土下的玉米產(chǎn)量都有所減少，且差異顯著。隨表土層鏟除厚度的增加，產(chǎn)量減少的幅度上升，由此現(xiàn)象可以說(shuō)明侵蝕土壤越接近母質(zhì)層，土壤生產(chǎn)力就越低。覆土下的玉米產(chǎn)量有所增加。與表土未擾動(dòng)的地塊對(duì)比，每侵蝕1 cm土層，玉米產(chǎn)量平均下降2.49%，每增加 1 cm土層，玉米產(chǎn)量平均提高1.46%。對(duì)照處理下的玉米產(chǎn)量為5 592.1 kg/hm2，屬渭北地區(qū)玉米產(chǎn)量4 500～1萬(wàn)3 500 kg/hm2范圍內(nèi)，也就是說(shuō)對(duì)于目前的坡耕地，投入的肥料與流失的養(yǎng)分大體相當(dāng)。

表5 無(wú)肥下各處理的玉米產(chǎn)量Tab．5 Zea mays L.yields in treatments without fertilization

2.4.2 施肥對(duì)產(chǎn)量的影響 從表6可以看出，2種施肥處理下的玉米產(chǎn)量均顯著提高，從剝離地表20 cm到覆蓋10 cm表土，F(xiàn)1比 F0分別提高2.44%、2.13%，1.50%、1.23%，F(xiàn)2比 F0分別提高2.99%、2.56%、1.98%、1.14%。不論是何種施肥，各地表處理下的玉米產(chǎn)量依然隨侵蝕深度的增加而減少，且差異顯著，表明土壤侵蝕對(duì)玉米產(chǎn)量的影響仍起著重要的作用。在F1施肥處理?xiàng)l件下，平均每侵蝕1 cm土壤，玉米減產(chǎn)1.99%，平均每覆蓋1 cm表層熟化土，玉米增產(chǎn)1.20%。對(duì)于F2施肥處理的玉米產(chǎn)量，土壤每侵蝕1 cm，玉米產(chǎn)量平均降低2.01%，每增加1 cm熟土，產(chǎn)量提高0.67%，提高幅度要比F1施肥處理的低，說(shuō)明在土壤肥力較高的地區(qū)，施入過(guò)量的化肥并不會(huì)大幅提高作物產(chǎn)量。

表6 不同施肥下各處理的玉米產(chǎn)量Tab．6 Zea mays L.yields in treatments under different fertilization

3 討論

土壤侵蝕能夠降低土壤生產(chǎn)力，是土壤退化的主要形式［19］，它對(duì)土壤生產(chǎn)力影響的機(jī)制比較復(fù)雜，表現(xiàn)在多方面，導(dǎo)致生物產(chǎn)量下降是最終表現(xiàn)形式［20］。土壤被侵蝕后，有機(jī)質(zhì)和其他土壤養(yǎng)分被隨之帶走，表層的土壤養(yǎng)分往往最為豐富，因而受侵蝕的土壤其養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)有不同程度的降低。據(jù)吳發(fā)啟等［21］研究總結(jié)，12°坡地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與侵蝕30 cm表土厚的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，可見侵蝕之嚴(yán)重。王志強(qiáng)等［17］的研究發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量隨侵蝕程度減產(chǎn)的主導(dǎo)因素是土壤有機(jī)質(zhì)及其他養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并呈現(xiàn)出隨侵蝕深度的增加而降低的規(guī)律。本試驗(yàn)中，有機(jī)質(zhì)及其他土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨侵蝕程度增加而減少的趨勢(shì)較為明顯，表明土壤侵蝕能夠?qū)ν寥乐叙B(yǎng)分產(chǎn)生較大的影響。施肥能夠增加一定產(chǎn)量，但剝離表土的玉米產(chǎn)量，尤其是除去表土20 cm的玉米產(chǎn)量仍低于未施肥原狀土的玉米產(chǎn)量，表明施肥能夠提高侵蝕土壤的玉米產(chǎn)量，但很難恢復(fù)到侵蝕前的產(chǎn)量水平。

土壤侵蝕對(duì)作物的生物量會(huì)產(chǎn)生一定影響，侵蝕程度越大，對(duì)生物量的影響也越大。施入一定量化肥會(huì)對(duì)侵蝕所造成的損失有一定補(bǔ)償作用，但不能完全恢復(fù)。侵蝕程度越大的土壤，施肥后作物生物量的增幅也越大，但對(duì)于侵蝕程度較弱的土壤來(lái)說(shuō)增幅并不顯著。陳奇伯等［15］研究了不同地表處理下4種作物的生物量變化，在耕層表土剝離后均有不同程度的減少，且表土損失越多，作物的生物量也越低，與本試驗(yàn)研究的結(jié)果相一致。

對(duì)于侵蝕不嚴(yán)重地區(qū)，土壤侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量的影響是土壤侵蝕引起土地生產(chǎn)力損失的綜合體現(xiàn)［22］。本試驗(yàn)中各處理下的玉米產(chǎn)量均有不同程度的下降，施肥可以有效提高作物產(chǎn)量，對(duì)于侵蝕程度較嚴(yán)重的土壤，投入的肥料越多，對(duì)其土地生產(chǎn)力的恢復(fù)效果越好;但要注意的是施肥量不宜過(guò)多，以防養(yǎng)分在耕層土壤中發(fā)生了富集現(xiàn)象，這樣不僅會(huì)造成化肥的浪費(fèi)，而且還會(huì)導(dǎo)致土體的污染。

4 結(jié)論

1)土壤侵蝕會(huì)使有機(jī)質(zhì)和其他土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，侵蝕越深，養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，增加表土?xí)岣咄寥乐叙B(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。施肥也能夠增加土壤中養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但施肥過(guò)多易造成養(yǎng)分的富集。

2)土壤侵蝕會(huì)影響玉米的生物量，不施肥的情況下，每侵蝕1 cm耕層土壤，生物量平均下降0.38%，施肥能夠在一定程度上改善侵蝕對(duì)生物量的影響，各處理下的玉米生物量平均降低0.27% ～0.32%，但侵蝕下的玉米生物量依然要比對(duì)照下的生物量要少，說(shuō)明施肥雖能增加作物的生物量，但并不能完全彌補(bǔ)侵蝕造成的影響。

3)玉米產(chǎn)量隨土壤侵蝕程度的增加而降低，每侵蝕1 cm土層，產(chǎn)量平均下降2.49%。施肥能夠提高侵蝕土壤的玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度約0.67% ～1.20%，但與未侵蝕的土壤相比，依然不能完全補(bǔ)償產(chǎn)量的損失。

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