崩崗洪積扇農(nóng)田土壤物理性質(zhì)空間分異規(guī)律

崩崗洪積扇農(nóng)田土壤物理性質(zhì)空間分異規(guī)律

0崩崗洪積扇農(nóng)田理化性質(zhì)研究【研究】崩塌侵蝕是一種其次為滑坡和泥石流而破壞的水土流失。中國(guó)的崩塌侵蝕主要集中在長(zhǎng)江以南的亞熱帶、亞熱帶紅平壤和紅平壤山區(qū)，尤其是中國(guó)南方的花崗巖風(fēng)化帶。崩崗發(fā)生時(shí)大量泥沙排出丘陵山地外,掩埋山間梯田和綠地,變良田為砂礫裸露的沙漬地,同時(shí),流出崩崗的黃泥水沉積一層或砂或黏土的新覆蓋層,致使原來(lái)熟化的耕作層被淤埋,嚴(yán)重影響了農(nóng)田土壤理化性質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),近年來(lái)崩崗沖毀壓埋耕地面積約38.04萬(wàn)hm2,約有20%的受危害耕地?zé)o法恢復(fù),農(nóng)田恢復(fù)和清理直接費(fèi)用達(dá)5.5億元。探討洪積扇土壤的物理性質(zhì)能夠充分反映崩崗對(duì)洪積扇農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律,研究結(jié)果可為洪積扇農(nóng)田質(zhì)量恢復(fù)與改良提供理論依據(jù),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】崩崗是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),主要由崩壁、崩積堆和洪積扇組成,其中洪積扇是崩崗侵蝕的沉積區(qū),相關(guān)研究表明崩崗對(duì)洪積扇農(nóng)田具有毀滅性的影響。崩崗根據(jù)洪積扇沉積特征,可分為3個(gè)亞相,扇體最上部以片狀漫流垂向加積為主的沉積區(qū),稱(chēng)為扇頂;中部為辮狀分支水流活動(dòng)的沉積區(qū),稱(chēng)為扇中;下部為交叉點(diǎn)以下地區(qū),稱(chēng)為扇緣。自從曾昭璇先生提出崩崗的概念以來(lái),中國(guó)對(duì)崩崗的研究逐年增多,縱觀(guān)前人的研究,大多側(cè)重于侵蝕機(jī)理以及危害治理等方面,對(duì)于崩崗影響農(nóng)業(yè)耕作也僅僅只是提出了相應(yīng)的問(wèn)題而沒(méi)有針對(duì)洪積扇農(nóng)田危害規(guī)律和治理改良方面提出解決方法。中國(guó)過(guò)去對(duì)洪積扇的研究工作也只涉及了洪積扇分布以及流域特點(diǎn)等方面,對(duì)于崩崗洪積扇土壤性質(zhì)也基本停留在宏觀(guān)的分析方面。【本研究切入點(diǎn)】洪積扇是崩崗的重要組成部分,然而國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)針對(duì)崩崗洪積扇土壤理化性質(zhì)進(jìn)行研究的尚未見(jiàn)報(bào)道,而關(guān)于崩崗洪積扇土壤物理性質(zhì)空間分布的研究目前尚未發(fā)現(xiàn)。本研究選取通城縣崩崗洪積扇農(nóng)田為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)洪積扇水田和旱地的綜合研究,探討崩崗洪積扇區(qū)域的土壤顆粒組成、容重、土壤孔隙度、土壤持水情況、有機(jī)質(zhì)并分析它們之間的相互關(guān)系,歸納洪積扇不同區(qū)域的土壤性質(zhì)分異規(guī)律。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】闡述并討論崩崗洪積扇農(nóng)田土壤的物理性質(zhì)并分析其分異特征,同時(shí)針對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出初步的解決方案,研究結(jié)果有利于規(guī)劃洪積扇農(nóng)業(yè)用地,同時(shí)為改良崩崗洪積扇土壤物理性質(zhì)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及基本情況崩崗是鄂東南花崗巖地區(qū)普遍存在的土壤侵蝕現(xiàn)象,其中通城縣崩崗分布最為集中。據(jù)調(diào)查顯示,通城縣崩崗數(shù)量為1102處,占湖北省崩崗總數(shù)的47%,是湖北省崩崗集中分布的典型地區(qū)。選在通城縣開(kāi)展研究,在鄂東南具有很強(qiáng)的代表性。通城縣位于鄂東南,湘、贛、鄂交界之幕阜山北麓,地跨東徑113°36′—114°4′,北緯29°2′—29°24′,全縣土地總面積約為1172km2。通城縣屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫17℃?！?0℃積溫為5058℃,無(wú)霜期為260d左右。該縣雨量充沛,年降雨量為1521mm。經(jīng)過(guò)野外調(diào)查和選點(diǎn)工作后,課題組于2014年3月在通城縣楊壟小流域選取典型崩崗洪積扇農(nóng)田開(kāi)展試驗(yàn)研究工作。該地崩崗發(fā)生于20世紀(jì)80年代,崩崗洪積物沉積影響洪積扇農(nóng)田達(dá)5000m2,洪積物堆積耕層表面厚度約10—20cm,近年來(lái)崩崗發(fā)育緩慢,基本上趨于穩(wěn)定型,土地利用方式包括水田和旱地,調(diào)查發(fā)現(xiàn)近十年采用常規(guī)的耕作方式,耕作條件相似。土壤類(lèi)型為棕紅壤,結(jié)構(gòu)較為松散。1.2土樣采集與散土采集2014年3月15日選擇楊壟小流域兩處典型的崩崗洪積扇為研究對(duì)象,兩處洪積扇區(qū)的土地利用方式分別為水田和旱地。根據(jù)洪積扇水田和旱地的特點(diǎn)研究,可將其劃分為扇頂、扇中和扇緣進(jìn)行土樣采集,同時(shí)選擇洪積扇外采集對(duì)照土樣。采樣時(shí),除去地表凋落物,每個(gè)區(qū)域按“S”型采集耕作層土樣(0—20cm),分別用體積200cm3環(huán)刀取樣,每個(gè)區(qū)域采集10個(gè)重復(fù);散土采集也按“S”型方法采集,將采集的土樣混合為1個(gè)土樣,然后采用四分法分取樣品1—2kg帶回室內(nèi),剔除粗根和小石塊,磨細(xì)過(guò)篩,根據(jù)樣品分析的需要制備相應(yīng)粒徑土樣備用。2014年4月進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析。1.3土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定礫石含量采用篩分法測(cè)定,土壤顆粒組成采用吸管法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤飽和持水量、毛管持水量、總孔隙度、通氣孔隙度、毛管孔隙度、容重用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定。1.4顯著性差異檢驗(yàn)采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和簡(jiǎn)單的分析,并繪制相應(yīng)的圖表,利用SPSS16.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析等,應(yīng)用最小顯著性差異(LSD)檢驗(yàn)不同處理之間的顯著性差異。2結(jié)果2.1農(nóng)田土壤顆粒組成崩崗發(fā)生時(shí),洪積物流出崩崗體之后,隨著水流作用分散,能量逐漸降低,洪積物逐漸沉積于農(nóng)田耕作層表面,導(dǎo)致表層土壤顆粒組成變大,而不同的土地利用方式也使得地表土壤漸漸熟化,但土壤表層土壤顆粒組成仍然存在一定分異規(guī)律。研究洪積扇農(nóng)田土壤顆粒分布特征見(jiàn)表1。由表1可知,洪積扇水田扇頂、扇中、扇緣土樣中礫石含量分別比對(duì)照區(qū)土樣分別多252.60%、134.82%、18.30%;砂粒含量比對(duì)照區(qū)土樣分別增加161.51%、68.77%、30.34%;粉粒含量比對(duì)照區(qū)土樣分別減少76.06%、36.75%、12.46%;黏粒含量比對(duì)照區(qū)土樣分別減少83.57%、27.40%、19.12%。經(jīng)過(guò)分析,洪積扇旱地土壤顆粒分布也有相似的規(guī)律。進(jìn)一步分析可知,洪積扇農(nóng)田土壤粗顆粒(礫石和砂粒)平均比對(duì)照區(qū)多75.89%,土壤細(xì)顆粒(粉粒和黏粒)平均比對(duì)照區(qū)減少39.13%。綜合以上結(jié)果分析可知,扇頂?shù)牡[石和砂粒含量最多,而粉粒和黏粒含量最少;扇緣的礫石和砂粒含量最少,而粉粒和黏粒含量最多,扇頂、扇中和扇緣之間的顆粒組成差異達(dá)到顯著水平。同時(shí),隨著和扇頂距離的增加,區(qū)域土樣中礫石和砂粒的含量顯著減少,粉粒和黏粒的含量則顯著增加。經(jīng)分析可知,洪積扇水田扇頂土壤質(zhì)地屬于壤砂土,扇中土壤質(zhì)地屬于砂壤土,扇緣和對(duì)照區(qū)土壤質(zhì)地屬于壤土;洪積扇旱地部分均屬于砂壤土,其對(duì)照區(qū)土壤質(zhì)地為壤土。2.2崩崗對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響從表2可以看出,崩崗洪積扇水田和旱地扇頂部分土壤容重較大,分別為1.68和1.55g·cm-3,均顯著大于對(duì)照,相對(duì)對(duì)照區(qū)平均增加了0.25g·cm-3;而扇緣區(qū)域土壤容重較小,分別為0.97和1.06g·cm-3,和對(duì)照沒(méi)有明顯的差異性。同時(shí),由扇頂?shù)缴染?崩崗洪積扇水田與旱地土壤容重均呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律,洪積扇水田扇中土壤容重比扇頂?shù)?0.83%,扇緣土壤容重比扇中低27.07%;洪積扇旱地扇中土壤容重比扇頂?shù)?.74%,扇緣土壤容重比扇中低11.19%,且差異性均達(dá)到極顯著水平。從表里還可以得到,洪積扇土壤有機(jī)質(zhì)含量平均比對(duì)照區(qū)減少了58.70%,洪積扇水田和洪積扇旱地扇頂?shù)挠袡C(jī)質(zhì)含量較少,僅有1.93和0.89g·kg-1,可見(jiàn)受崩崗的影響程度之大,這可能是因?yàn)闅埩舻牡[石太多,不利于有機(jī)質(zhì)的形成。從表2可知,與對(duì)照相比,崩崗洪積扇水田扇頂、扇中、扇緣土壤總孔隙度分別減少35.54%,20.98%,0.53%,洪積扇旱地扇頂、扇中、扇緣土壤總孔隙度分別減少34.82%,25.47%,16.12%,洪積扇土壤總孔隙度顯著小于對(duì)照區(qū),同時(shí)洪積扇總孔隙度呈現(xiàn)扇頂<扇中<扇緣的規(guī)律,且差異達(dá)到顯著水平,可見(jiàn)崩崗洪積扇導(dǎo)致了農(nóng)田土壤總孔隙度降低。毛管孔隙度也呈現(xiàn)與總孔隙度相似的規(guī)律,洪積扇部分土壤毛管孔隙度均小于對(duì)照,且扇頂部分土壤毛管孔隙度最小,洪積扇水田扇頂毛管孔隙度僅為35.07%,旱地扇頂毛管孔隙度為33.72%,均顯著小于對(duì)照區(qū)的55.97%和55.64%。洪積扇土壤通氣孔隙度與對(duì)照相比沒(méi)有明顯的規(guī)律性,但由扇緣、扇中到扇頂部分土壤通氣孔隙度呈減少趨勢(shì),尤其是洪積扇水田的這一現(xiàn)象比較明顯。總的來(lái)說(shuō),崩崗導(dǎo)致洪積扇農(nóng)田的孔隙度變小,通氣度變差,從而能說(shuō)明洪積扇土壤結(jié)構(gòu)性變差,離扇頂越近,結(jié)構(gòu)性越差。2.3洪積扇農(nóng)田土壤持水能力下降,對(duì)農(nóng)田毛管持水量的影響分崩崗洪積扇農(nóng)田不同區(qū)域土壤持水情況見(jiàn)表3,從表3可以得出,洪積扇農(nóng)田土壤飽和持水量普遍低于對(duì)照區(qū),旱地部分表現(xiàn)最為明顯,扇頂、扇中、扇緣分別比對(duì)照區(qū)下降29.78%、24.06%、16.22%,扇頂區(qū)域土壤飽和持水量最小,僅有23.88%,洪積扇水田扇頂飽和持水量?jī)H有22.64%,而水田和旱地的扇緣部分飽和持水量顯著高于扇頂和扇中。同時(shí)沿著扇緣到扇頂,土壤飽和持水量均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)洪積扇農(nóng)田土壤毛管持水量分析可知,毛管持水量也有相同的變化趨勢(shì),洪積扇水田扇頂、扇中分別比對(duì)照區(qū)低55.45%、33.04%,洪積扇旱地扇頂、扇中、扇緣分別比對(duì)照區(qū)低58.61%、47.62%、43.90%,且差異均達(dá)到了顯著水平。說(shuō)明崩崗導(dǎo)致了洪積扇農(nóng)田土壤持水能力下降,保水性能差,抗旱能力差,需水量多,對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期造成了不利影響。從兩種土地利用方式來(lái)看,水田和旱地的持水能力也有不同,水田的飽和持水量和毛管持水量均略高于旱地,說(shuō)明洪積扇旱地受到崩崗侵蝕的影響程度更大。2.4土壤物理性質(zhì)與其他土壤條件的關(guān)系為了更深入理解崩崗洪積扇農(nóng)田土壤物理性狀之間的相互影響,對(duì)各個(gè)土壤物理指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析(表4)。從表4可見(jiàn),土壤容重與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)(R=-0.907**),說(shuō)明土壤容重的差異一部分由于有機(jī)質(zhì)差異所致。進(jìn)一步分析可知,有機(jī)質(zhì)除了與通氣孔隙度沒(méi)有明顯的相關(guān)性之外,均與其他的土壤物理指標(biāo)存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明土壤物理性質(zhì)跟有機(jī)質(zhì)有較大聯(lián)系。土壤容重與土壤孔隙性和土壤持水特性呈極顯著的負(fù)相關(guān),說(shuō)明土壤總孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙和土壤持水性能直接決定于土壤容重,而間接受土壤有機(jī)質(zhì)的影響。總孔隙度、毛管孔隙度與土壤持水特性均呈極顯著的正相關(guān),說(shuō)明土壤總孔隙度和毛管孔隙度越高,土壤持水性能越好。非毛管孔隙度與各物理性質(zhì)之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。土壤礫石、砂粒、粉粒和黏粒之間均存在極顯著相關(guān)性,礫石與砂粒存在顯著的正相關(guān),粉粒和黏粒也存在極顯著的正相關(guān),礫石、砂粒與粉粒、黏粒之間則是顯著的負(fù)相關(guān)。同時(shí),土壤各粒級(jí)大小與土壤容重、土壤持水性指標(biāo)、總孔隙度和毛管孔隙度之間呈顯著或極顯著相關(guān)性,說(shuō)明土壤顆粒組成對(duì)崩崗洪積扇土壤物理性狀影響較大。3崩崗洪積扇農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的變化以及應(yīng)用趨勢(shì)研究表明崩崗侵蝕導(dǎo)致洪積扇農(nóng)田物理性質(zhì)不斷惡化,土壤沙化嚴(yán)重,除了礫石含量外,砂粒含量最高,粉粒次之,黏粒最低,且呈現(xiàn)地帶性空間分布規(guī)律。同時(shí),土壤各粒級(jí)大小與土壤容重、土壤持水性指標(biāo)、總孔隙度和毛管孔隙度之間呈顯著或極顯著相關(guān)性。土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一,它直接影響到土壤孔隙度與孔隙大小的分配、土壤水肥氣熱變化。容重的差異性變化主要與土壤的有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量、結(jié)構(gòu)狀況等有關(guān)。洪積扇農(nóng)田受到崩崗侵蝕的影響,大量的洪積物沉積在農(nóng)田里,洪積物中包含大量粗顆粒的石英和長(zhǎng)石,導(dǎo)致洪積扇容重變大,尤其是越靠近扇頂規(guī)律越明顯,因?yàn)樯软敵练e的粗顆粒最多,因此容重最大,而良好的耕地條件需要有適宜的土壤容重,改良土壤容重成了改善崩崗洪積扇農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)性的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。洪積扇土壤有機(jī)質(zhì)偏低,尤其是扇頂和扇中,經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析表明,土壤有機(jī)質(zhì)與其他主要指標(biāo)存在顯著的相關(guān)關(guān)系,土壤有機(jī)質(zhì)在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著關(guān)鍵作用,并最終成為土壤質(zhì)量恢復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵性標(biāo)志。有機(jī)質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及更新中是必需的,維持足夠水平有機(jī)質(zhì)理應(yīng)成為土壤管理策略的有機(jī)組成之一。土壤孔隙的大小直接影響土壤中的水分狀況和通氣透水性,對(duì)土壤中水、肥、氣、熱和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。崩崗洪積扇農(nóng)田土壤從總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度來(lái)看,均與對(duì)照形成了對(duì)比,孔隙度偏低對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)構(gòu)成了不利的因素,因此如果要在洪積扇土壤進(jìn)行土地利用方面的調(diào)整,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行生命力強(qiáng)的植物或者作物種植。土壤持水性能直接影響土壤抗水蝕能力,是反映土壤生態(tài)功能的重要指標(biāo)。土壤的持水性能決定了土壤水源涵養(yǎng)、保持水土能力的大小和高低。良好的孔隙狀況使土壤有較為良好的持水性能。這些指標(biāo)性能下降直接影響了農(nóng)田耕性。相關(guān)性分析顯示,土壤容重與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著的負(fù)相關(guān),總孔隙度、毛管孔隙度與土壤持水特性均呈極顯著的正相關(guān),土壤各粒級(jí)大小與土壤容重、土壤持水性指標(biāo)、總孔隙度和毛管孔隙度之間呈顯著或極顯著相關(guān)性。土壤結(jié)構(gòu)性是影響其物理性質(zhì)的重要因素。耕層構(gòu)造不是一成不變的。因此,針對(duì)崩崗洪積扇農(nóng)田土壤物理性質(zhì)的特點(diǎn)以及分布規(guī)律,建議在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中,需通過(guò)合理耕作和培肥,調(diào)節(jié)耕層構(gòu)造,保持良好的土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)性,以充分發(fā)揮和調(diào)節(jié)土壤肥力。例如,可以采用因土種植的方式,針對(duì)洪