侵蚀条件下紫色土坡耕地耕层质量变化特征及适宜性研究

发布时间：2020-05-16 07:51

【摘要】：紫色土坡耕地是西南区农业生产重要的耕地资源,是当地农业生产主体区域和长江流域重要侵蚀地带;紫色土坡耕地耕层质量集中表现为侵蚀性退化严重且农作物产量低而不稳,土壤侵蚀是造成坡耕地退化、水土流失、生产力降低的主要原因,对坡耕地生态安全和持续利用具有很大的潜在危险性。坡耕地耕层土壤不仅是农业生产的根本,也是土壤侵蚀的对象。了解坡耕地耕层土壤剖面构型和理化性质特征,研究土壤侵蚀对耕层土壤水分及抗旱性、土壤稳定性的影响,建立紫色土坡耕地合理耕层评价最小数据集,分析农作物—耕层土壤适宜性关系,明确坡耕地耕层土壤质量障碍因素可为坡耕地合理耕层进行评价及调控提供重要的依据。本文以紫色土坡耕地为研究对象,通过野外坡耕地小流域调查、铲土侵蚀模拟小区、资料查阅,分析了不同侵蚀程度紫色土坡耕地耕层剖面构型特征,通过野外调查及室内理化性质测试,分析了不同侵蚀程度紫色土坡耕地土壤理化性质变化特征,解释了土壤侵蚀对紫色土坡耕地理化性质的影响;通过土壤水分特征曲线、土壤入渗及土壤水库特征,分析了不同侵蚀程度坡耕地土壤保水抗旱性能;通过土壤水稳性指数、崩解及力学稳定性特征,分析了不同侵蚀程度坡耕地耕层土壤的稳定性及抗侵蚀性能;利用主成分分析和Norm值法,建立了紫色土坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集(MDS);利用土壤质量障碍因子诊断模型,分析了各土壤指标的障碍度;通过构建农作物—耕层耦合协调度模型,分析了不同地力等级紫色土坡耕地农作物—耕层耦合协调程度及适宜性,并根据障碍类型提出调控途径。主要结论如下:(1)在地块尺度上,紫色土坡耕地耕层土壤剖面构型、不同侵蚀程度坡耕地耕层土壤理化性质存在显著差异。紫色土坡耕地耕层土壤结构较好,均表现为粒状结构,土壤疏松,质地表现为随着地力等级的下降由中壤变化为砂壤、重壤,土壤结构呈块状、土壤稍紧实或紧实,母质层则是由于为扰动导致土壤呈块状、土壤紧实或极紧实。随土壤侵蚀程度加剧坡耕地土壤质地逐渐“粗骨化”,S_(-0)坡耕地土壤颗粒主要集中在粉粒含量50.67%;S_(-5)、S_(-10)和S_(-15)主要以砂粒含量和粉粒含量为主,分别在41.83-44.33%和38.67-43.33%之间变化;S_(-20)土壤颗粒主要集中在1-0.05 mm。不同侵蚀程度坡耕地土壤容重平均值表现为S_(-5)(1.44 g/cm~3)S_(-15)(1.43 g/cm~3)S_(-0)(1.41 g/cm~3)S_(-20)(1.40 g/cm~3)S_(-10)(1.36 g/cm~3);不同侵蚀程度紫色土坡耕地土壤养分总体上偏低,属于中下等水平。其中土壤有机质、全氮、碱解氮均呈五级水平,速效钾四级水平,全磷、有效磷呈现三级水平,全钾二级水平。(2)不同侵蚀程度坡耕地耕层、不同土层深度土壤水分特征曲线、孔隙特征、入渗及水库特征差异明显。在相同吸力下土壤容积含水率随着侵蚀程度加剧呈下降变化,当侵蚀程度由0 cm加剧至20 cm时,土壤容积含水率下降率在7.8-24.32%,平均下降率为17.80%,土壤侵蚀程度加剧可以使相同吸力下的土壤的容积含水量降低,不利于坡耕地土壤的水分贮存。不同侵蚀程度坡耕地孔隙集中分布在0.03 mm直径的贮存孔隙,其占比达24.47-31.83%之间,其次为0.1 mm直径的通气孔隙,占比达11.88-22.13%之间,最后为0.1~0.03mm直径的导水孔隙,其占比仅为0.15-3.31%之间。不同垂直深度上各径级孔隙存在明显差异,总体上表现为耕层(0-10 cm和10-20 cm)土壤的土壤孔隙大于20-30 cm和30-40 cm层。土壤总库容的大小表现为S_(-10)(422.65 t/hm~2)S_(-5)(413.12 t/hm~2)S_(-15)(408.20 t/hm~2)S_(-0)(404.92t/hm~2)S_(-20)(403.46 t/hm~2),随着侵蚀程度加剧紫色土坡耕地土壤水库无效水分有着不同程度的增加,其中S_(-10)坡耕地土壤无效水库增加最多,增加了7.3%。不同侵蚀坡耕地0-40 cm层土壤的各贮水特征之间差异不大,最大吸持贮水量在139-144mm之间变化,最大滞留水量在42-50 mm之间变化,饱和贮水量在182-194 mm之间变化,相同土层深度下不同侵蚀程度坡耕地,最大吸持贮水量占饱和贮水量的75%。在相同吸力下,坡耕地耕层土壤累计损失水百分率随侵蚀程度加剧呈增大的变化,依次为S_(-10)S_(-20)S_(-15)S_(-5)S_(-0),在相同土壤吸力下,S_(-0)坡耕地土壤失水最少,S_(-10)坡耕地土壤失水最多,随侵蚀程度加剧坡耕地土壤抗旱性变差。(3)不同侵蚀程度坡耕地、不同垂直深度的土壤水稳定性和土壤力学稳定性存在明显差异。不同侵蚀程度坡耕地水稳性指数依次为S_(-15)(47.35%)S_(-5)(36.47%)S_(-10)(31.20%)S_(-0)(27.44%)S_(-20)(23.37%);说明紫色土坡耕地发生侵蚀时,首先抵抗水土流失能力增强,随后又减弱,当侵蚀继续发生时抗侵蚀能力又增强,继而又减弱。对不同侵蚀程度坡耕地地块而言,在不同垂直深度上,S_(-0)和S_(-20)坡耕地各个土层间土壤水稳性指数差异较小,分别在18.88%-32%和13.48%-28.44%之间变化。不同侵蚀程度坡耕地土壤抗剪强度依次表现为S_(-15)(7.94 kg/cm~2)S_(-0)(7.57 kg/cm~2)S_(-20)(6.88 kg/cm~2)S_(-5)(6.82 kg/cm~2)S_(-10)(6.73 kg/cm~2);紧实度总体上表现为随侵蚀程度加剧,呈现先减小后增大再减小的变化趋势;其中S_(-0)坡耕地土壤紧实度最大(平均值为167.12 N/cm~2),再为S_(-15)(平均值为151.93 N/cm~2),S_(-10)最小(平均值为96.25 N/cm~2)。坡耕地耕层土壤可蚀性K值依次表现为:S_(-0)(0.0410)S_(-10)(0.0406)S_(-15)(0.0399)S_(-5)(0.0389)S_(-20)(0.0377)。不同侵蚀程度坡耕地耕层土壤稳定性上呈中下等水平,随侵蚀程度加剧土壤稳定性表现为先增大后减小的趋势。随着土壤侵蚀程度加剧,土壤稳定性依次为S_(-15)S_(-10)S_(-5)S_(-20)S_(-0);这表明当土壤侵蚀发生初期土壤稳定性最弱,随侵蚀程度加剧土壤稳定性逐渐增强,当侵蚀程度为15 cm时土壤稳定性达到最强,随后土壤稳定性又开始下降。随着土壤侵蚀程度加剧,土壤贯入阻力呈现先减小后增大的趋势,依次表现为S_(-20)(8.77 kPa)S_(-0)(8.37 kPa)S_(-5)(7.71 kPa)S_(-15)(7.51 kPa)S_(-10)(4.72 kPa)。(4)紫色土坡耕地耕层质量评价最小数据集由耕层厚度、粉粒、粘粒、土壤有机质、土壤紧实度、土壤抗剪强度,6个土壤属性指标构成;坡耕地土壤障碍因子主要分成3类。紫色土坡耕地耕层土壤质量偏中低下等级,小流域坡耕地最小数据集下土壤质量指数(SQI-MDS)介于0.28-0.58。不同侵蚀程度坡耕地土壤质量指数表现为S_(-10)(0.63)S_(-0)(0.59)S_(-15)(0.54)S_(-5)(0.52)S_(-20)(0.47)。3类紫色土坡耕地土壤障碍因子分别为:第一类为养分限制型,障碍度在0.065-0.083之间,包括土壤有效磷、饱和导水率、有机质、粉粒含量、抗剪强度、全氮;第二类为土壤厚度限制型,障碍度在0.047-0.057之间,包括pH值、速效钾、坡度、砂粒含量、耕层厚度、容重、总孔隙、有效土层厚度;第三类为耕性限制,障碍度在0.032-0.041之间,包括自然含水率、贯入阻力、紧实度、粘粒含量。土壤紧实度的直接影响最大且为负值(-0.716),对耕层土壤质量有抑制作用。有机质、抗剪强度、耕层厚度、粘粒含量对耕层土壤质量指数的直接通径系数分别为0.409、0.393、0.335、-0.282。耕层土壤质量指数和最小数据集指标决策系数排序为:R~2_((X6))R~2_((X4))R~2_((X3))R~2_((X1))R~2_((X2))R~2_((X5)),紧实度和有机质为耕层土壤质量指数的主要决策变量,抗剪强度为主要限制变量。(5)紫色土坡耕地农作物与耕层适宜关系存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现。紫色土坡耕地可分为3种耕层类型,其作物产量主导性影响因素为田面坡度、有效土层厚度、土壤酸化、阳离子交换量;在同样地力条件下,农作物产量的衰退表现更为明显,耕层质量衰退具有滞后性。农作物-耕层耦合度(C_d)表现为I类耕层(0.4820)和II类耕层(0.5207)为基本协调发展类农作物耕层同步型、农作物生长勉强适宜,III类(0.3343)濒临失调衰退类耕层损益型、农作物生长中度不适宜。紫色土坡耕地耕层土壤调控主要为:土壤厚度调控可以采用聚土免耕、放炮改土、深松、修筑生物埂等措施实现;土壤养分调节可以采用适当的施加生物炭+施肥、秸秆还田+施肥等措施实现。
【图文】：

铲土,小区,土壤样品

图 2-2 坡耕地铲土侵蚀模拟小区Fig.2-2 Sloping land erosion simulation shovel community.2 土壤样品采集及理化力学性质测定方法

侵蚀程度,贯入阻力,土壤,结构差异

图 3-1 不同侵蚀程度坡耕地土壤贯入阻力变化Changes in soil penetration resistance of sloping farmland with different degrees结在地块尺度上，不同地力等级坡耕地土壤剖面结构差异显著。紫色土坡耕
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S157

【参考文献】