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坡耕地退化机理及侵蚀退化防治措施研究

朱青  
【摘要】: 针对我国西南中心地带的贵州山区红黄壤坡耕地退化的主要驱动因子和研究中存在的问题与不足,选择有代表性的贵州省南部罗甸县、边阳镇红黄壤坡耕地为研究对象,采用侵蚀小区径流泥沙观测法;中子活化Eu土芯定位示踪法;地面定位插钎法;土壤养分系统研究法以及坡耕地侵蚀退化防治的耕作措施(等高种植)、生物措施(林草覆盖)、工程措施(坡改梯)及综合措施,展开坡耕地退化机理和侵蚀退化防治措施研究。主要结论如下: 红黄壤坡耕地退化主要表现为土壤的侵蚀退化、土壤养分退化和土壤酸化。 1.红黄壤坡耕地侵蚀退化的关键因子是:1)土壤的可蚀性K值过高。裸露的红黄壤坡耕地,可蚀性K值的平均值达到0.376。不同种植制度和利用方式下的红黄壤坡耕地,可蚀性K值的平均值达到0.367。2)土壤的抗蚀性差,且变化不大。裸露的红黄壤坡耕地抗蚀性的平均值为69.49mm。而不同种植制度和利用方式下的红黄壤坡耕地,其抗蚀性变化甚微。3)降雨年内分配不均匀,而且降雨的侵蚀性极强。红黄壤坡耕地区雨量充沛,年平均降雨量达978.51mm。降雨的年内分配极不均匀,降雨一般集中在4-8月,合计降雨量占全年降雨量的80.55%。该区降雨转换成侵蚀性降雨的比例极高,达到75.96%,地表径流率高达80.37%。4)降雨的侵蚀力R值过高,危险性极大。红黄壤坡耕地区年R_(10)和R_(30)平均值分别为474.57和351.94。并在4-6月表现出提前于降雨的趋势,而此时正是田间换茬,地表裸露或作物生长幼苗期,地表覆盖低,由它引起水土流失发生的危险性极大。5)地表覆盖度不高。红黄壤坡耕地区年内月平均覆盖度达到28.26%,年内最高月平均覆盖度也才为48.72%。6)生物多样性低。红黄壤坡耕地区传统的耕作制度下,植物的物种数只达到2种,而分带轮作、粮草间作、植物篱种植和工程梯化方式下,这种以粮食生产为主的土壤,植物物种数也才达到3-6种。7)土壤的水分含量不高。裸露的红黄壤坡耕地土壤的水分含量平均值只为16.61%,而传统的种植制度下土壤的平均含水量只为18.90%。其它土地种植制度和利用方式下红黄壤坡耕地的水分含量平均值也才达到19.56%。8)坡度大。贵州省平均地表坡度为21.5°,红黄壤坡耕地研究区的地表坡度在11.3-34.7°之间。研究中发现在坡度为20°以下,传统耕作制度下的坡耕地都随坡度的增加,水土流失加大。9)人为因子加速坡耕地侵蚀退化。农事活动加速土壤的侵蚀不可忽视。传统的种植方式引发较严重的坡耕地水土流失。 2.红黄壤坡耕地养分退化的途径为:土壤侵蚀引起的坡耕地养分的数量性退化、土壤吸附固定造成的坡耕地养分的有效性退化和作物收获造成的坡耕地生物消耗性退化。 红黄壤坡耕地养分退化的机理主要表现在:1)水土流失造成的土壤养分损失量大。红黄壤坡耕地水土流失可造成的土壤养分损失在198.312-1536.121kg/ha.a。2)因土壤侵失而造成的土壤有机质和全钾损失大。红黄壤坡耕地土壤侵蚀造成的有机质损失达到90.964-708.937kg/ha.a,造成的全钾损失达到91.690-750.688kg/ha.a。3)径流造成土壤有效养分流失严重。红黄壤坡耕地水蚀引发的地表径流造成的土壤有效养分损失达到6.245-21.467kg/ha.a。4)径流造成土壤有效钾和硝态氮损失严重。红黄壤坡耕地水蚀引发的地表径流造成的土壤有效钾损失达到3.642-14.842kg/ha.a,硝态氮1.772-7.108kg/ha.a。5)侵蚀泥沙的养分富集率高,径流的养分浓度大。侵蚀泥沙的养分平均富集率都在1倍以上,对有效磷的富集能力最强,平均富集率达到8倍。径流带走的有效氮是泥沙的1.639-7.201倍,速效钾2.079-17.577倍。6)土壤对P、K、B的吸附固定率高,铵态氮与硝态氮转化快,土壤养分的有效性低。红黄壤坡耕地土壤对P,K,B有固定作用,平均固定率分别达到38.436%,26.915%和30.236%。铵态氮在土壤中15天内迅速下降,硝态氮在25天内迅速上升,之后10天内迅速下降达较低水平。7)作物收获是土壤养分输出的重要原因。不同种植制度和土地利用方式下因作物收获而带离土壤的养分总量达到127.296-1250.826kg/ha.a,占总的土壤养分输出量(即水土流失+作物收获而输出的土壤养分量之和)的15.23-86.57%,作物产量越高,生物量越高,土壤养分的输出量越大。8)作物的种类配置影响土壤养分输出。生产1kg黄豆、黄花菜、菊苣、油菜、紫苜蓿、红薯藤、玉米秸秆、玉米籽粒和红薯平均需要氮磷钾总养分分别为91.490g、78.567g、58.319g、54.077g、34.088g、29.120g、27.310g、22.009g和14.953g。对氮磷需求相当高的作物是黄豆、油菜和黄花菜;对钾需求较高的是菊苣、黄花菜和黄豆。因此不同的作物种类是生物消耗造成养分退化的关键因素。 3.坡耕地土壤酸化的机理是:1)红黄壤坡耕地土壤的CEC和盐基饱和度都比较低,大部分土壤的CEC在11 Cmol(+)/kg左右,大部分土壤盐基饱和度在30%以下,而且变化不大。2)土壤中交换性铝离子浓度明显高于交换性氢离子。土壤中交换性铝离子浓度较高,总体平均值达7.188Cmol(+)/kg,土壤中氢离子浓度较低,总体平均值达0.688Cmol(+)/kg,铝离子浓度平均是氢离子的10倍。3)红黄壤坡耕地的土壤缓冲性能不高,土壤的平均酸缓冲性能高于碱缓冲性能。图解法求得的土壤酸缓冲容量在4-16Cmol/kg范围内,碱缓冲容量在2.5-14.0Cmol/kg之间。酸碱缓冲曲线拟合参数的方法中回归系数b的范围在-1.4981~-2.1297。铁、阳离子代换量、硝态氮和粘粒含量是土壤酸缓冲性能的主要影响因素,而锰、活性酸、有机质、硝态氮、pH、镁是土壤碱缓冲性能的主要影响因素。 4.侵蚀针法操作简单,测定容易,省工省时,它能粗略测定土壤侵蚀量,可反映出侵蚀针点位上土壤的侵蚀或沉积动态变化。但周边的异常物和异常现象、侵蚀针细小的刻度、坡度等环境因素影响侵蚀针地上部分长度判读的精确性,从而极大影响侵蚀针的土壤侵蚀量计算结果,同时存在点面转换问题。中子活化Eu定位土芯示踪法可反映出土芯小面积上土壤的侵蚀或沉积动态变化,但不能测定地表径流。该方法毕竟是个新方法,操作规程有待于进一步完善。同样中子活化Eu定位土芯周边的异常物和异常现象影响其测量的准确性。中子活化Eu定位土芯示踪法测定的土壤侵蚀量也存在点面转换问题,且测定需精密仪器,成本较高。径流小区法实用性、灵活性都比较强,准确性高。可同时监测土壤流失量和地表径流量。可根据研究的目的展开多方面的研究。然而,径流小区法不能很好地反映坡面土壤侵蚀空间变异。另外,径流小区法需要修建径流场,需野外观察测定,工作量较大,成本较高。 5.坡耕地侵蚀退化防治的关键技术有耕作措施、工程措施、林草措施和综合措施。它们都具有保持水、土、肥的作用,具有增加地表覆盖度、土壤根系含量和生物多样性的作用,具有提高土壤有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾和缓效钾的作用。而不同措施的增产增收、土壤改良和土壤有效磷提升作用各有差异。植物篱措施具有很好的增产增收作用,并在实践中得到了较好的推广应用,产生了很好的效益。分带能作措施具有很好的提高土壤pH、全磷、全钾、有效磷和缓效钾的作用。粮草间作措施具有很好的提高土壤的抗蚀性、土壤水分和提高地表糙度的作用。工程措施具有很好的保持水、土、肥和降低坡度缩短坡长的作用。林地措施具有很好的改良土壤可蚀性、提高地表覆盖度、提高生物多样性、提高土壤有机质和全氮的作用。草地措施具有很好的提高土壤根系含量、提高土壤水分稳渗速率和土壤碱解氮的作用。综合措施具有很好的缩短坡长坡度的作用。不同措施的防治红黄壤坡耕地侵蚀退化综合效益,与农民习惯种植为对照,综合措施的效果最好,工程措施的效果次之,再其次是林草措施,最后是耕作措施。然而不同耕作措施其防治红黄壤坡耕地侵蚀退化效果也有不同。相比之下,植物篱耕作措施最好,其次是粮草间作,最后是分带轮作。 6.研究中初步肯定红黄壤坡耕地研究区侵蚀性降雨临界值为9.1mm。初步明确红黄壤坡耕地研究区引起水土流失发生最关键的气候因子是降雨侵蚀力因子R_(10)。初步肯定红黄壤坡耕地研究区传统种植制度下耕地的土壤侵蚀临界坡度在20.00-24°之间,而植物篱种植下土壤侵蚀临界坡度在17.10-20.00°之间。初步对美国通用土壤流失方程的参数进行修正,得出红黄壤坡耕地研究区概念土壤流失方程表达式为:A=b·R·K·C·Pb值分别为混交林179,农民习惯668,分带轮作375,经果林195,工程梯化165,粮草间作219,植物条带214,草地202和裸坡耕地147。K值为0.379。C值分别为混交林0.851,农民习惯0.219,分带轮作0.385,经果林0.724,工程梯化0.853,粮草间作0.681,植物条带0.697和草地0.728P值分别为混交林0.191,分带轮作0.788,经果林0.353,工程梯化0.189,粮草间作0.409,植物条带0.388和草地0.348。 初步得出裸露红黄壤坡耕地侵蚀模数达到25.8-631.2t/ha.a。达到中华人民共和国水利部采用土壤侵蚀模数拟定水蚀强度分级标准的Ⅲ-Ⅳ级范围,即中度侵蚀和强度侵蚀的范围。虽然各种种植制度和土地利用方式可减少土壤流失(侵蚀模数达到5.02-26.29t/ha.a),但耕作制度下(农民习惯、分带轮作、粮草间作和植物篱)的坡耕地仍然具有较大的土壤侵蚀危险,经果林和草地的坡耕地在短期内也具有土壤侵蚀危险。初步明确红黄壤坡耕地研究区土壤酸化明显,pH值在4.420-5.790之间。初步肯定用公式Ⅱ计算土壤侵蚀性K值,其变异程度小;用诺谟图查值,变异程度也较小,且方法简便。它们是红黄壤坡耕地研究区土壤侵蚀性K值计算的较好方法。团聚状况、团聚度和机配比的变异程度相对较低,评价红黄壤坡耕地抗蚀性的规律性强,结果相似,因此它们是评价红黄壤坡耕地抗蚀性对相对较好的指标。初步肯定酸碱缓冲曲线拟合参数方法可较好定量求取这一特定区域土壤的酸碱缓冲容量。初步肯定采用模糊数学用于评价坡耕地不同措施防治土壤退化综合效益是可行的。


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