長(zhǎng)期向上耕作對(duì)坡耕地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的影響

王 勇， 張建輝， 張澤洪， 賈立志

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 雅安 625014; 2.中國(guó)科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041)

注：同列相同字母表示不同耕作方式在0.05水平?jīng)]有顯著差異。

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長(zhǎng)期向上耕作對(duì)坡耕地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的影響

王 勇1，2， 張建輝2， 張澤洪2， 賈立志2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 雅安 625014; 2.中國(guó)科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041)

為了研究耕作侵蝕對(duì)坡耕地不同景觀位置內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。以常規(guī)順坡向下耕作和長(zhǎng)期向上耕作的坡耕地為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、有機(jī)碳含量等指標(biāo)的測(cè)定，分析了不同耕作方式引起土壤不同分布模式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征空間變異性的影響。結(jié)果表明：長(zhǎng)期向上耕作平均質(zhì)量直徑值(MWD)在不同景觀位置均高于常規(guī)向下耕作。在坡耕地1 m和20 m位置，向上耕作MWD比向下耕作分別顯著(p<0.05)增加了31.94%，23.54%，在5，10，15 m位置分別增加了0.87%，2.99%，3.03%。幾何平均直徑值(GMD)和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA0.25)的變化趨勢(shì)與MWD類似。兩種不同耕作方式引起土壤結(jié)構(gòu)特征顯著變化主要發(fā)生在坡頂和坡底位置，而中坡僅僅起類似于傳送帶的作用傳輸來(lái)自上坡(向下耕作)或下坡(向上耕作)的土壤。向上耕作比向下耕作的團(tuán)聚體破壞率(PAD)值降低了25.29%，表明向上耕作顯著減少了對(duì)大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的破壞程度。結(jié)果顯示長(zhǎng)期向上耕作顯著減少了耕作侵蝕，增加了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

向上耕作; 土壤再分布; 團(tuán)聚體穩(wěn)定性; 破壞率

土壤團(tuán)聚體不僅是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，亦是土壤最為重要的固碳途徑和影響土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)穩(wěn)定的主要機(jī)制之一，它的穩(wěn)定性對(duì)土壤的產(chǎn)量以及土壤物理特性具有極大的影響[1]。因此，土壤團(tuán)聚體大小的分布和穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量及抗蝕能力的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。土壤團(tuán)聚體受很多因素的影響，如有機(jī)質(zhì)的含量、微生物活性、根系的生長(zhǎng)、耕作和土地管理方式等[3]。SOC/有機(jī)質(zhì)和黏粒等作為團(tuán)聚體的重要組成部分，在團(tuán)聚體的形成過(guò)程中起著重要的膠結(jié)劑作用[4]。許多研究表明，不同的耕作管理措施不僅改變土壤理化性質(zhì)，而且還會(huì)影響土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性，從而造成土壤質(zhì)量發(fā)生顯著變化[5]，長(zhǎng)期研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：免耕、壟耕以及常規(guī)向下耕作等耕作措施對(duì)團(tuán)聚體大小的分布和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響具有很大的差異[6]。合理的耕作管理方式對(duì)形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)具有重要的作用，不恰當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞綍?huì)引起土壤物理性質(zhì)的退化和水土流失現(xiàn)象[7]。因此發(fā)展和采用保護(hù)性的土壤管理模式是改善和恢復(fù)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的迫切需求。

川中丘陵區(qū)常規(guī)向下耕作產(chǎn)生了強(qiáng)烈的耕作侵蝕，往往成為短坡的主導(dǎo)侵蝕類型，導(dǎo)致土壤在上坡流失，下坡堆積[8]。土壤流失的同時(shí)也引起上坡SOC和養(yǎng)分向下坡搬運(yùn)，最終導(dǎo)致坡面土壤從坡頂向下坡發(fā)生退化。農(nóng)民在耕作實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)常規(guī)耕作導(dǎo)致土壤向下坡移動(dòng)引起了嚴(yán)重的土壤流失，在1982年實(shí)施家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制后，即土地分產(chǎn)到戶，農(nóng)民依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)改變耕作方式，以減小土壤侵蝕。如部分農(nóng)民開始采取保護(hù)性耕作方式——向上耕作。向上耕作是指耕作從坡頂開始，農(nóng)民向下坡方向前進(jìn)，土壤被鋤頭向上坡方向拉。常規(guī)順坡向下耕作對(duì)SOC和養(yǎng)分遷移的影響已有較多研究[8-10]。然而，對(duì)于長(zhǎng)期向上耕作導(dǎo)致的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的研究還較少。本文主要研究不同耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，同時(shí)確定團(tuán)聚體穩(wěn)定性與SOC和全N含量之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)不同耕作方式下土壤結(jié)構(gòu)空間變異特征的研究，為川中丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于四川盆地中部的簡(jiǎn)陽(yáng)市石橋鎮(zhèn)(30°26′N，104°28′E)。該區(qū)為典型的川中丘陵淺丘地貌，海拔454～489 m，多年平均降雨量約為900 mm，降雨量主要集中于5—10月，氣候類型屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，多年平均氣溫為17.4℃，極端最低氣溫-5.4℃，最高溫度38.7℃，≥0℃的年積溫為5 421℃。土壤母質(zhì)為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂泥巖，按現(xiàn)有土壤分類標(biāo)準(zhǔn)被劃分為石灰紫色正常新成土，按照聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織土壤分類系統(tǒng)，被劃分為石灰粗骨土。研究區(qū)域坡耕地分布廣泛，具有坡度大、地塊小的顯著特點(diǎn)，因此鋤頭是主要耕作工具。農(nóng)作物種植基本以小麥(Triticumaestivum)—玉米(Zeamays)—紅薯(Ipomoeabatatas)輪作為主。

1.2樣地選擇與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相距約500 m的兩塊坡地被選為研究對(duì)象，一塊一直實(shí)行向下耕作(試驗(yàn)地Ⅰ)，另一塊已經(jīng)實(shí)施了29 a的向上耕作(試驗(yàn)地Ⅱ)。試驗(yàn)地Ⅰ，Ⅱ具有相同的坡長(zhǎng)(21 m)和相近的坡度，坡度分別為18%，20%。兩塊試驗(yàn)地在1982年以前土地管理方式相同，都采用向下耕作；在1982年以后采用相反的耕作方向，試驗(yàn)地Ⅰ仍采用向下耕作，而試驗(yàn)地Ⅱ開始改用向上耕作。2012年9月在兩塊試驗(yàn)地分別布設(shè)兩條相同的取樣剖面線，兩條剖面線間隔2 m，沿每條縱斷面線從坡頂至坡底分為5個(gè)坡位(從坡頂?shù)狡碌滓来畏譃?，5，10，15，20 m)，每隔5 m布設(shè)一個(gè)團(tuán)聚體及農(nóng)化分析樣采集點(diǎn)。用取土鏟在同一取樣點(diǎn)取表層(0—20 cm)原狀土壤團(tuán)聚體樣品，用手將大塊土壤沿自然結(jié)構(gòu)輕輕的剝成直徑約10 mm的小土塊，除去石塊和根系等雜質(zhì)后，裝入塑料盒帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干備用。農(nóng)化分析土樣利用直徑8 cm的取樣筒進(jìn)行原狀樣品采集，將取樣筒垂直打入地面至母巖取全剖面樣，每5 cm厚度為一個(gè)土樣裝袋封存，帶回實(shí)驗(yàn)室晾干待測(cè)相關(guān)指標(biāo)。

1.3測(cè)定方法與儀器標(biāo)定

土壤理化性質(zhì)采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析方法[11]：SOC利用重鉻酸鉀外加熱法；全N采用凱氏法；土壤容重采用環(huán)刀法；利用激光粒度儀(Mastersizer 2000)測(cè)定機(jī)械組成；土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性測(cè)定采用機(jī)械篩分法，利用TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀，該儀器含有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑(5.0，2.0，1.0，0.5，0.25 mm)分離篩，通過(guò)分離篩在水中上下震蕩，最后從土壤中分離出5種粒徑的團(tuán)粒。具體做法將原狀土樣輕輕剝開成為直徑約10 mm的土塊，為了保證樣品代表性，將樣品干篩分為3級(jí)(>5 mm，5～2 mm，<2 mm)，然后按其干篩百分?jǐn)?shù)比稱取樣品，配成50 g樣品置于團(tuán)粒分析儀的篩組上，將篩組置于團(tuán)粒分析儀的震蕩架上，以3 cm振幅、30次/min的頻率在水中震蕩30 min(震蕩過(guò)程中篩組上緣部分不得超出水面)，將各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體洗入已知質(zhì)量的燒杯中，烘干稱重，利用偏磷酸鈉溶液分離各粒徑團(tuán)聚體含沙量，計(jì)算各粒徑團(tuán)聚體含沙量的百分比，從而去除各粒徑團(tuán)聚體中的含沙量。

1.4土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)計(jì)算

研究表明，平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA0.25)和團(tuán)聚體破壞率(PAD)能更好地反映土壤團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性特征[12-13]。各參數(shù)計(jì)算方法如下：

MWD=∑YiXi

(1)

式中：Yi——第i粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量；Xi——相鄰兩級(jí)團(tuán)聚體的平均粒徑。

(2)

式中：Wi——第i粒級(jí)團(tuán)聚體的重量，lnXi——土壤粒級(jí)的平均直徑的自然對(duì)數(shù)。

(3)

式中：DA0.25，WSA0.25——>0.25 mm干篩和濕篩團(tuán)聚體百分?jǐn)?shù)含量。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布

兩種耕作方式下表層0—20 cm土壤的基本理化性質(zhì)，如表1所示。兩種耕作方式下土壤的理化性質(zhì)除了容重，pH和機(jī)械組成均發(fā)生了顯著變化(p<0.05)。與常規(guī)向下耕作相比，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期向上耕作表層土壤的碳氮比(C/N)顯著(p=0.001)提高了11.69%，表明耕作方向?qū)OC和全N的貯存起著重要作用。這進(jìn)一步驗(yàn)證了以前的結(jié)論，合理的土壤保持措施將促進(jìn)SOC等養(yǎng)分物質(zhì)優(yōu)先在表層土壤累積[14]。這是因?yàn)殚L(zhǎng)期向上耕作由于耕作工具的拉力導(dǎo)致土壤不斷向上遷移，即明顯減少了SOC和全N等物質(zhì)隨徑流和泥沙流失，促進(jìn)了這些物質(zhì)在表層固定。而常規(guī)向下耕作引起土壤不斷的向下坡搬運(yùn)，同時(shí)缺乏外源土壤的輸入，因此，導(dǎo)致上坡發(fā)生強(qiáng)烈侵蝕，下坡發(fā)生沉積。

兩種耕作方式下坡面不同景觀位置的不同粒徑的團(tuán)聚體分布見(jiàn)表2。在不同景觀位置(1，5，10，15，20 m)，向上耕作>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA0.25)含量比向下耕作明顯增高，尤其在坡頂1 m和坡底20 m位置分別顯著(p<0.05)增加了26.72%，12.96%。這與以前相關(guān)研究結(jié)果類似，即保護(hù)性耕作增加了表層大團(tuán)聚體分布[15]。不同景觀位置WSA0.25的分布有較大差異。在坡頂1 m位置，向上耕作的>5，2～5，1～2，0.5～1 mm團(tuán)聚體比向下耕作明顯增加，尤其>5 mm的大團(tuán)聚體顯著(p<0.01)增加了81.23%。然而，0.25～0.5，<0.25 mm的小團(tuán)聚體與向下耕作相比減少了11.94%，32.53%。這與唐曉紅等[15]的研究是一致的，保護(hù)性耕作顯著增加表層大團(tuán)聚體的含量。在中坡10 m位置，方差分析結(jié)果顯示兩種耕作管理方式下各粒徑的團(tuán)聚體分布均未發(fā)生顯著變化(p>0.05)。在坡底20 m位置，與0 m位置類似，向上耕作的大粒徑團(tuán)聚體(>5，2～5，1～2，0.5～1 mm)含量比向下耕作明顯增高，2～5 mm團(tuán)聚體變化最顯著(p<0.01)，增加了64.69%。而<0.25 mm團(tuán)聚體顯著(p<0.05)下降了24.12%。這些結(jié)果表明，與向下耕作相比，向上耕作更有利于表層土壤大團(tuán)聚體和WSA0.25的形成，這主要是由于長(zhǎng)期向上耕作將土壤不斷地向上坡搬運(yùn)。向上耕作WSA0.25在坡頂(1 m)位置顯著高于向下耕作，這是由于長(zhǎng)期向上耕作使土壤向上傳輸，使其在坡頂位置發(fā)生堆積。

表1兩種耕作方式下表層(0-20 cm)土壤理化性質(zhì)

耕作方式pH容重/(g·cm-3)C/N機(jī)械組成/%沙粒粉粒黏粒向上耕作8.17±0.07a1.42±0.06a9.08±0.71a33.31±1.14a53.82±1.02a12.93±0.54a向下耕作8.42±0.05b1.43±0.02a8.13±0.48b45.04±3.12b44.52±2.83b10.51±0.42b

注：同列相同字母表示不同耕作方式在0.05水平?jīng)]有顯著差異。

2.2兩種耕作方式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

圖1—2分別顯示了兩種耕作管理方式下MWD，GMD值在不同景觀位置的分布。向上耕作和向下耕作坡面MWD值分別為1.26，1.08 mm，結(jié)果表明向上耕作團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于向下耕作。向上耕作的MWD和GMD值在不同景觀位置(1，5，10，15，20 m)均比向下耕作高。在向上耕作坡面的1 m和20 m位置，MWD值分別顯著(p<0.05)增加了31.94%，23.54%，在5，10，15 m位置分別增加了0.87%，2.99%，3.03%，表明兩種耕作方式下土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯變化發(fā)生在坡頂和坡底位置，中坡變化不明顯。GMD在不同坡位的變化與MWD類似，向上耕作的GMD值比向下耕作平均增加了26.98%(6.90%～42.62%)，顯著變化(p<0.05)的坡位仍然發(fā)生在坡頂(1 m)和坡底(20 m)處。向上耕作MWD，GMD值均高于向下耕作，表明向上耕作土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)比向下耕作更穩(wěn)定。向上耕作的大粒徑團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體顯著高于向下耕作，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期向上耕作有利于SOC和養(yǎng)分等物質(zhì)在表層積累，而不易流失，更容易形成穩(wěn)定的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，其土壤結(jié)構(gòu)比向下耕作更穩(wěn)定。

團(tuán)聚體破壞率(PAD)也是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，通常PAD值愈大則團(tuán)聚體愈容易遭到破碎，其穩(wěn)定性就越低。反之，PAD值愈低，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也就越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也就越好。由圖3可知，不同耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體破壞程度具有很大的差別。向下耕作平均PAD值為35.90%(31.44%～44.24%)，而向上耕作平均PAD值為26.82%(24.77%～28.54%)。向上耕作比向下耕作的PAD值降低了25.29%，說(shuō)明向上耕作顯著減少團(tuán)聚體破壞率。向下耕作沿著坡頂1 m到坡底20 m處，PAD值逐漸減少，說(shuō)明從上坡到下坡向下耕作對(duì)團(tuán)聚體的破壞程度逐漸減小，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期向下耕作導(dǎo)致上坡發(fā)生強(qiáng)烈的土壤侵蝕(主要是耕作侵蝕和水蝕)，而下坡發(fā)生沉積。向上耕作方式在5個(gè)不同坡位PAD值基本一致，未發(fā)生明顯的變化，這是因?yàn)橄蛏细鲗⑼寥缊F(tuán)聚體由下坡不斷的搬運(yùn)到上坡過(guò)程中，由于水蝕作用將部分團(tuán)聚體從上坡搬運(yùn)到下坡，從而使團(tuán)聚體在坡面的不同景觀位置仍處于動(dòng)態(tài)平衡。另外，長(zhǎng)期向上耕作使得菌絲、微生物和莊稼根系等生物數(shù)量和質(zhì)量在不同景觀位置的分布基本一致，而這些生物是連接和綁定團(tuán)聚體的重要粘結(jié)物[16]。

表2兩種耕作方式下表層(0-20 cm)各粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的百分含量

景觀位置耕作方式>5mm2～5mm1～2mm0.5～1mm0.25～0.5mm<0.25mmWSA0.25向上耕作6.48a13.84a12.38a22.21a14.66a30.42a69.58a1m向下耕作3.58b8.75b11.24a14.69b16.65a45.09b54.91b變化量/%81.2358.2310.2151.16-11.94-32.5326.72向上耕作3.09a11.75a12.91a22.64a23.37a26.23a73.77a5m向下耕作3.47a13.36a10.41a17.70a16.17a38.89b61.11a變化量/%-10.95-12.0523.9927.9144.53-32.5520.72向上耕作2.56a11.03a11.39a23.87a20.45a30.69a69.31a10m向下耕作3.09a10.04a11.39a20.33a18.11a37.03a62.97a變化量/%-17.159.85017.4612.8717.1210.07向上耕作5.99a9.21a9.44a23.47a21.53a30.36a69.64a15m向下耕作3.16b13.30b15.64b18.82a15.25b33.82a66.18a變化量/%89.59-30.78-39.6824.6941.17-10.235.23向上耕作7.22a14.61a13.76a20.70a17.19a26.52a73.48a20m向下耕作5.63b8.87b12.17a17.33a21.06a34.95b65.05b變化量/%28.3064.6913.0619.44-18.36-24.1212.96

注：同列相同的字母表示同一粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體在不同耕作方式下沒(méi)有顯著性差異(p=0.05)。

圖1　兩種耕作方式下MWD在不同景觀位置的變化

圖2　向上耕作和向下耕作方式的GMD對(duì)比

圖3　不同景觀位置PAD的變化

2.3土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

向上耕作和向下耕作的SOC沿著坡面順坡向下逐漸增加，并與MWD值呈顯著的正相關(guān)(r=0.76，0.69；p=0.011 3，0.028 8)，二者之間具有很好的線性關(guān)系(圖4A)。這一研究結(jié)果與一些保護(hù)性耕作(如減耕、免耕等)管理措施下的侵蝕坡面的研究結(jié)果一致[17]。研究表明SOC含量對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性起著重要的作用。全N在不同耕作方式下的變化趨勢(shì)與SOC基本相同(圖4B)，從坡頂?shù)街衅?，全N含量逐漸增加，在坡底部位達(dá)到最大；兩種耕作方式全N含量變化與MWD值變化同樣呈顯著的線性相關(guān)性(r=0.65，0.62；p=0.043 6，0.056 9)。與MWD類似，兩種耕作方式下的GMD值與SOC(r=0.81，0.74；p=0.004 4，0.014 7)和全N(r=0.67，0.75；p=0.034 1，0.013 0)含量均達(dá)到顯著線性相關(guān)性(圖5)。這說(shuō)明土壤中SOC和全N的含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的貢獻(xiàn)作用。向上耕作坡面SOC和全N含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)(MWD，GMD)的回歸方程的截距和顯著性明顯高于向下耕作，這是由于長(zhǎng)期向下耕作導(dǎo)致土壤在上坡位置顯著流失，在下坡累積，造成土壤在坡面不同景觀位置分布失衡造成的，而向上耕作引起土壤坡面再分布模式與向下耕作相反。向上耕作和向下耕作坡面SOC和全N的變化對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性響應(yīng)的線性關(guān)系主要是不同耕作方向?qū)ν寥涝俜植加绊懙慕Y(jié)果。

圖4　MWD與SOC和全N含量的關(guān)系

圖5　GMD與SOC和全N含量的關(guān)系

3　討論與結(jié)論

研究已證實(shí)，川中丘陵區(qū)土壤侵蝕總體較嚴(yán)重。葛方龍[10]、Frielinghaus[18]等在該區(qū)域通過(guò)模擬耕作等侵蝕試驗(yàn)研究顯示，耕作侵蝕和水蝕是該區(qū)域坡耕地總侵蝕的主要貢獻(xiàn)因子。因此，引起土壤侵蝕的動(dòng)力因素并非只是降雨所產(chǎn)生的地表徑流引起的水土流失，該區(qū)域的耕作管理方式所引起的土壤遷移同樣是不可忽略的重要因素。田間試驗(yàn)顯示向上耕作坡地水蝕和耕作侵蝕導(dǎo)致的土壤再分布模式顯著不同于向下耕作。對(duì)于向下耕作坡地，耕作導(dǎo)致土壤在上坡部位流失，在坡底累積，而坡底位置是水蝕最嚴(yán)重的部位。川中丘陵區(qū)大面積耕作一般發(fā)生在10月末到11月初，而水蝕一般發(fā)生在雨季(5—10月)，水蝕和耕作侵蝕交替發(fā)生，周而復(fù)始。向下耕作坡地耕作侵蝕與水蝕像接力一樣，耕作侵蝕將土壤從上坡輸送到下坡，水蝕將中坡和下坡土壤向坡底部位傳輸，部分土壤直接隨徑流流出耕地，最終導(dǎo)致整個(gè)坡面土壤嚴(yán)重侵蝕。因此，耕作導(dǎo)致的土壤移動(dòng)方向與水蝕相同時(shí)，增強(qiáng)了總土壤侵蝕。在長(zhǎng)期向上耕作坡地內(nèi)，由于耕作方向向上使土壤向上坡移動(dòng)，限制了上坡部位的土壤侵蝕，但是卻引起坡底位置的土壤向上坡傳輸，而水蝕將坡面上部土壤向坡底部傳輸，并沉積在坡底部位。向上耕作導(dǎo)致坡耕地底部形成一個(gè)空洞，這個(gè)空洞有效地控制了水和泥沙流出耕地，顯著減小了坡面凈侵蝕。

向上耕作與向下耕作土壤C/N再分布的差異，主要是由于水蝕與耕作侵蝕的特殊組合作用下導(dǎo)致土壤再分布模式發(fā)生變化。研究結(jié)果說(shuō)明水蝕與耕作侵蝕搬運(yùn)土壤的方向相同，加速了SOC庫(kù)的消耗；水蝕與耕作侵蝕引起的土壤移動(dòng)方向相反，導(dǎo)致SOC和全N貯存量高于向下耕作。與傳統(tǒng)向下耕作比較，向上耕作措施增加了表層土壤大團(tuán)聚體含量，使MWD和GMD值明顯增加，同時(shí)明顯減少了微團(tuán)聚體和黏砂粒含量。這是由于向上耕作的管理措施增加了上坡表層SOC，全N的含量，莊稼根系和植物殘茬的數(shù)量，從而影響土壤中的菌絲，微生物量的數(shù)量及其活性[19]，最終提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。另外，向上耕作有助于植物殘?bào)w在上坡部位的土壤表層積累，可提供微生物維系生命活動(dòng)的充足能量，從而促進(jìn)土壤表層的生物活性，包括真菌生長(zhǎng)、根和土壤動(dòng)物區(qū)系，有利于小粒徑團(tuán)聚體之間的結(jié)合形成大粒徑團(tuán)聚體[20]。向上耕作與向下耕作團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)差異最大的部位出現(xiàn)在坡頂(0 m)和坡底(20 m)位置。坡頂和坡底土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)的顯著變化主要是由于土壤侵蝕的變化引起的，但兩個(gè)部位的主導(dǎo)因素是不同的。坡頂團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高主要是由于耕作方向由向下耕作改為向上耕作后，坡頂不再發(fā)生耕作侵蝕，而是變成耕作沉積區(qū)，土壤在坡頂不斷累積，使土壤剖面厚度不斷增加。然而，坡底部位團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高主要是由于水蝕和耕作侵蝕的共同作用引起的，耕作侵蝕導(dǎo)致坡底出現(xiàn)空洞，空洞將水蝕帶來(lái)的土壤物質(zhì)捕獲，在坡底部位沉積，最終導(dǎo)致坡底部位有利于土壤團(tuán)聚體的形成，使土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。中坡位置主要起著一個(gè)類似傳送帶作用來(lái)傳輸上坡(向下耕作)或下坡(向上耕作)的土壤[8-9]，因此，其土壤特征未發(fā)生明顯的變化，故團(tuán)聚體穩(wěn)定性并未發(fā)生顯著變化。

本文通過(guò)對(duì)29年的向上耕作的坡地與長(zhǎng)期實(shí)行向下耕作的坡地對(duì)比，定量分析了長(zhǎng)期向上耕作對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間再分配的變化特征，結(jié)果表明：不同耕作管理方式顯著影響了土壤理化性質(zhì)和團(tuán)聚體的大小分布及穩(wěn)定性。與常規(guī)向下耕作相比，長(zhǎng)期向上耕作顯著增加了表層C/N，并明顯增加了不同景觀位置的MWD，GMD，WSA0.25值，同時(shí)減少了PAD值。MWD，GMD值增加最顯著發(fā)生在坡頂和坡底邊界位置。造成這種差異主要是由于耕作方向不同引起土壤在坡面再分布模式發(fā)生顯著變化引起的。因此，向上耕作是一種有效控制土壤養(yǎng)分流失和增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的耕作方法，耕作方向的改變對(duì)于土壤可持續(xù)管理戰(zhàn)略是一種可行的措施。

[1]盧金偉,李占斌.土壤團(tuán)聚體研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2002,9(1):81-85.

[2]Horn R, Smucker A. Structure formation and its consequences for gas and water transport in unsaturated arable and forest soils[J]. Soil & Tillage Research,2005,82(1):5-14.

[3]呂春花,鄭粉莉.冰草根系生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性的影響[J].水土保持研究,2004,11(4):97-100.

[4]Cantón Y, Solé-Benet A, Asensio C, et al. Aggregate stability in range sandy loam soils relationships with runoff and erosion.[J]. Catena,2009,77(3):192-199.

[5]秦明周.紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)土地利用對(duì)土壤肥力的影響及評(píng)價(jià)[J].山地學(xué)報(bào),1999,17(1):71-75.

[6]韓加強(qiáng),高曉飛,路炳軍,等.水保措施對(duì)褐土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響研究[J].水土保持研究,2012,19(6):50-53.

[7]田雨,莊瑩,曹義,等.霧靈山低山區(qū)土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J].水土保持研究,2012,19(6):41-44.

[8]Zhang J H, Nie X J, Su Z A. Soil profile properties in relation to soil redistribution by intense tillage on a steep hillslope[J]. Soil Science Society of America Journal,2008,72(6):1767-1773.

[9]Wang Y, Zhang J H, Li F C. Using Cesium-137 to investigate soil quality under conservation tillage on steep lands[J]. Journal of Soil & Water Conservation,2014,69(5):439-448.

[10]葛方龍,張建輝,蘇正安,等.坡耕地紫色土養(yǎng)分空間變異對(duì)土壤侵蝕的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(2):459-464.

[11]劉光菘,蔣能慧,張連第,等.土壤理化分析與剖面描述[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996.

[12]Castro F C, Lourenco A, De F G M, et al. Aggregate stability under different soil management systems in a red latosol in the state of Parana, Brazil[J]. Soil & Tillage Research,2002,65(1):45-51.

[13]閆峰陵,史志華,蔡崇法,等.紅壤表土團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)坡面侵蝕的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2007,44(4):577-583.

[14]Wright A L, Dou F, Hons F M. Soil organic C And N distribution for wheat cropping systems after 20 years of conservation tillage in central Texas[J]. Agriculture Ecosystems & Environment,2007,121(4):376-382.

[15]唐曉紅,邵景安,高明,等.保護(hù)性耕作對(duì)紫色水稻土團(tuán)聚體組成和有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(5):1027-1032.

[16]王勇,姬強(qiáng),劉帥,等.耕作措施對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)碳分布的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,31(7):1365-1373.

[17]Kahle P, M?ller J, Baum C, et al. Tillage-induced changes in the distribution of soil organic matter and the soil aggregate stability under a former short rotation coppice[J]. Soil & Tillage Research,2013,133(5):49-53.

[18]Frielinghaus M, Zhang J H. Ridge and contour tillage effects on soil erosion from steep hillslopes in the sichuan basin, China[J]. Journal of Soil & Water Conservation,2004,59(6):277-284.

[19]楊景成,韓興國(guó),黃建輝,等.土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(8):1385-1390.

[20]Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal,1992,56(3):777-783.

Impacts of Long-Term Upslope Tillage Systems on Soil Water-Stable Aggregates on a Steep Hillslope

WANG Yong1，2, ZHANG Jianhui2, ZHANG Zehong2, JIA Lizhi2

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,SichuanAgriculturalUniversity,Ya′an,Sichuan625014,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu610041,China)

To enlarge our knowledge about the effects of tillage erosion on soil structure stability in different landscape positions for the hillslopes， traditional tillage and long-term upslope tillage were investigated by measuring and analyzing the characters of soil water-stable aggregates and soil organic carbon (SOC) contents to examine the impacts of soil redistribution by tillage (upslope and downslope tillage) on soil water-stable aggregate properties. The results showed that the mean weight diameter (MWD) value was lager by upslope tillage than downslope tillage at each slope position. After upslope tillage, significant increases (p<0.05) of MWD by 31.94% and 23.54% occurred at the 1 m and 20 m slope positions, but there were slight increases by 0.87%，2.99%, and 3.03% at 5 m, 10 m, and 15 m slope positions, respectively, compared with downslope tillage. The results indicated that apparent changes in soil structural properties occurred close to the upslope and downslope boundaries of the field and the middle slope acted as a conveyor belt. Percentage of aggregate destruction (PAD) remarkably decreased by 25.29% after upslope tillage, implying that upslope tillage notably reduced in breakage of large aggregates (>0.25 mm). This finding demonstrated that upslope tillage significantly decreased tillage erosion, and increased soil aggregate stability.

upslope tillage; soil redistribution; aggregate stability; percentage of aggregate destruction

2014-10-09

2014-11-04

國(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41271242);中國(guó)科學(xué)院成都山地所“一三五”方向性項(xiàng)目(SDS-135-1206)

王勇(1985—),男,陜西安康人,博士研究生,工程師,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:wysoil@126.com

S152.4

A

1005-3409(2016)01-0044-06