红壤地区土壤退化及恢复重建研究(I)

红壤地区土壤退化及恢复重建研究 退化红壤的防治对策 刘杰 ， 张杨珠 1 （湖南农业大学资源与环境学院， 湖南 长沙 410128） 摘要： 由于红壤的生态脆弱性及亚热带的暖湿气候特征，亚热带红壤区已成为自然生态系统破坏与退化的严重区域，亚热带红壤的退化机理及恢复与重建成为土壤学、水土保持、生态学研究的热点问题之一。本文 论 述了退化红壤的防治对策及重建措施 ，旨在为开展该领域的研究与技术推广提供参考 。 中图分类号： S155.25 文献标识码： 文章编号： 关键词： 红壤；退化；防治 对策 ； 恢复 重建 On The Degradation and Restoration of Red Soil The controlling and reconstruction techniques of degraded Red Soil Liu Jie, Zhang Yangzhu （ Collage of Resources and Environment, Hunan Agriculture University, Changsha, Hunan 410128） Abstract: The red soil region of subtropic area is one of the most densely populated areas in China in which natural ecosystem has been heavily destructed and degraded to ecological weakness and climatic characteristics. The research of degradation, restoration and reconstruction in these regions has become one of the hot points in soil science, water and soil conservation science and ecology. The research has concentrated on the control methods and ecological restoration about degraded red soil was discussed. Keyword: red soil； degradation； control methods； restoration and reconstruction 红壤是亚热带地区具有富铝化特征的主要土壤类型，该区水热的季节分布很不平衡，富铝化和生物富集化两种过程长期作用导致红壤土层深厚，酸、黏、板、瘦，脱硅富铝作用强烈、铁游离度高、风化淋溶作用强、黏粒及次生矿物含量高等显著特点。由于 高温多湿的气候条件，加上 土地利用过度、耕作管理不当等的影响，该地区土壤退化严重，主要表现为水土流失严重，养分贫瘠化，土壤化学污染，土壤酸化等形式， 面对红壤地区十分严峻的土壤 1 收稿日期： 基金项目：国家“ 863”计划项目（ 2006AA10Z419） 作者简介：刘杰（ 1980-），男，湖南湘潭人，在读博士，主要从事退化土壤与土壤质量保育方面研究。 E-mail: 通讯作者：张杨珠 退化现实，如何防 止土壤退化和污染，并对已退化土壤采取相应的技术措施进行恢复重建，已是当前农业发展的紧迫任务。 1 红壤侵蚀的防治 土壤侵蚀是指在各种因素，特别是人为因素影响下所发生的和正在进行着的土壤侵蚀过程，即土壤质量及其可持续性下降甚至丧失其物理的、化学的和生物学特性的过程。我国南方红壤地区侵蚀 土壤 面积较大，特别是花岗岩 风化物 发育 的 红壤侵蚀 更 为严重，其历经土层薄化、土壤砂质化过程 ， 最终使土壤 表土层，甚至整个 风化壳消失， 从而使 土壤砾质化、石漠化。在自然和人为因素的影响下，花岗岩风化壳出现不同形式的侵蚀类型，主要有面蚀、细 沟侵蚀、切沟侵蚀和崩岗侵蚀等，其中崩岗侵蚀强度大，侵蚀模数高，危害严重，有些崩岗由于溯源侵蚀，可从山麓发展 至 山腰以上，甚至越过分水岭仍在继续发生崩岗侵蚀。在坡度较陡的花岗岩区，风化壳厚度较小，在 各种外力 的长期作用下，风化壳 表 层受到不同程度剥蚀破坏， 致使 风化壳不同风化阶段地层的出露，视 侵蚀程度 的差异，有些地区形成新的 侵蚀 表土层， 甚至 风化壳被剥蚀殆尽，呈现基岩裸露的石漠化景观。总的说来，缓坡地段风化壳侵蚀程度较轻，只要具有铁铝氧化物胶结的红土层没有受到破坏，崩岗侵蚀不易发生。红土层一旦消失，风化带砂质或碎屑层则 暴露地表。该地 段 新的土壤发育慢，而且易被侵蚀，以致快速发展为崩岗。可见，由于不同出露地层性质的差异，对其表土层的抗侵蚀性能有直接的影响 1。因此，根据花岗岩风化壳侵蚀区不同地 段的侵蚀程度不同以及 形成的表层土壤抗侵蚀性能的不同，可将花岗岩区侵蚀土壤分为三种类型 ： 红土层侵蚀土壤，砂质碎屑层侵蚀土壤和砾质碎屑层侵蚀土壤。各类型侵蚀土壤 的 特性及其防治对策分析如下。 1.1 红土层侵蚀土壤 该侵蚀土壤主要发生在花岗岩全风化带的红土层或网纹红土层。该红土层含有大量粘土矿物，土壤质地粘重，而且被铁铝氧化物胶结，结构紧密 ，透水性差，具有很强的抗水蚀能力。花岗岩区红土层厚度大， 其 上部经 化学及 生物化学风化作用形成的表土层土壤具有红壤的特性。在无人类干扰影响下的缓坡或平地自然土壤的侵蚀强度很小，自然土壤下部的红土层还得以保留 ；而 在受到人类强烈干扰下的较陡坡 ， 自然土壤侵蚀强烈， 表 土层 则受到不同程度的 侵蚀， 地表则呈现裸露的侵蚀 红土层。因此，红土层侵蚀土壤的治理，首先应停止对植被的破坏，对已受到破坏的地区应实施封禁封育措施，或辅以人工的植树种草，局部辅以工程措施。通过这些措施，使表层土壤侵蚀速率降低，保护红土层不受到破坏。建议对尚保留 红土层的侵蚀土壤区开展深入的调查，查明红土层保留情况及其区域分布，为红土层侵蚀土壤的有效防治提供依据。同时要采取科学而又经济的保护措施，严格控制红土层的破坏 2。 1.2 砂质碎屑层侵蚀土壤 该侵蚀土壤主要发生于花岗岩全风化带下部碎屑较多的杂色粘土层和强化带上部的砂质碎屑层。该风化层花岗岩风化强烈，除石英外，大部分造岩矿物已发生显著变化，铁铝氧化物含量少，碎屑状 砂 砾含量高，结构疏松，抗水蚀性能差。在无植被保护下的较陡坡或陡坡地段很快转变成剧烈的崩岗侵蚀。因此，在失去红土层保护的花岗岩风化地层的土壤侵蚀治理 是花岗岩侵蚀区治理难度最大的地区。其治理措施需采取工程与生物相结合的综合治理措施，对已出现崩岗侵蚀的地区，应以工程措施为主，辅以生物及其他措施。由于近年来对花岗岩区砂质碎屑层侵蚀土壤进行了积极治理，植被覆盖度明显提高，但是治理后的表层土壤尚处于发育的初级阶段，剖面形态简单，有机质含量不高，肥力较低，侵蚀敏感性 强 。为此，需要加大保护力度，加速植被的恢复与重建，快速形成良好的多层次植物群落结构。 1.3 砾质层侵蚀土壤 该侵蚀土壤主要发生于花岗岩风化壳强风化带下部与弱风化带上部之间的过渡风化层。该地层花岗岩风化 强度较弱，粘土矿物及砂质碎屑物较少，多碎裂状岩块，碎裂状岩体中混有一定量的残积砂砾土，有少量长石、云母类矿物形成的粘土矿物，表现为粗碎屑结构，胶结物很少，结构较疏松，抗蚀性能较弱，由于粗碎屑石砾质多，因此，土壤侵蚀模数不高，但治理难度很大。一般应采取封禁下的自然修复，辅以适当的人工措施。 2 红壤渍化与潜育化的防治 南方红壤地区 多属于亚热带地区，水资源丰富、 水网复杂、湖泊较多，湖间洼地和碟形堤坝由于地势低洼，地下水位高，且由于长期湖相沉积的缘故，形成了质地粘重、排水不良、耕性较差的渍害型土壤。洞庭湖湖积平原 ，时有渍化与潜育化发生。其类型主要包括 (1)湖积型渍害田。这类渍害田呈环状分布在湖泊周围，原为湖泊、沼泽低地， 60 至 70 年代因围湖造田而成为耕地。因地势低洼，大气降水及高处地表径流汇集于此，使土壤水分大部分时间处于饱和状态，土烂泥深，土壤严重潜育化。 (2)浅层微承压水型渍害田。由于受历代洪水泛滥的影响，在一级阶地中部和后部地区往往存在地势相对低洼的部分，由于粘土隔层较薄，含水板顶埋深较浅，浅层承压水水头可达到地表附近而形成渍害田。 (3)潜水型渍害田。在相邻洪缺口的扇形区之间往往形成渍水洼地，洼地中心 常 低于周 围 1-1.5 m，因其潜水水位过高而形成渍害田 3。 涝渍低产田的改造利用，在指导思想上要明确三个结合的原则，即宏观治理与微观调控相结合，工程建设与生态建设相结合，蓄水与排渍相结合。切实搞好治水改土，增肥改土和轮作改土，注意选择耐渍作物品种，抓好畅流、增蓄、除渍、培肥和轮作五个基本环节。 (1)完善区域农水系统，优化配置系统结构，提高湖积平原农田水利建设中提排泵站装机容量，因渠道淤积严重加大疏挖任务。区域农田水利系统的完善必须以农田水利规划为基础，将湖积平原农田水利系统作为一个系统工程来整体考虑，实行分级建 设，分级管理，集中控制与分散控制相结合，以优化系统结构作为提高系统功能的主要手段。分级分垸综合治理工作要求达到既能分而治之又能统筹安排水量的时空分布，做到排、灌、蓄、降、统筹安排，区、片、垸、块上下级及同级统一协调。 (2)工程措施与生物措施相结合，近期效益与长远效益相结合，走综合改良的道路。工程措施与生物措施相结合，能够取得更为显著的治渍效果，这些生物措施包括水旱轮作、垄作及采用耐渍作物品种。水旱轮作通过干湿交替，可使土壤理化性状发生一系列变化，随着水改旱年限的增加，表土颜色变浅，活土层加厚，土壤结构团粒化 ，青泥层逐渐消失，土壤容重逐渐下降，有效养分含量升高，水旱轮作一般比水稻连作田增产稻谷 750 kg/hm2，水田垄作改变了田间水分的运动形式，保证了土壤能长期稳定的通气、透水、导温、供肥。平作改垄作后泥温一般可提高 0.5-3.0， 大田生育期耕层积温增加 177-236， 土体构型及土壤结构得到改善，据调查 3垄作比平作分蘖期提早 2-3 d，产量增加 600-1200 kg/hm2。 3 红壤酸化的防治 由于红壤的脱硅富铝化过程本身就是一个较为缓慢的酸化过程，加之近年来受酸雨的影响，可以说酸化是红壤退化中客观 存在的、极为普遍的现象，也是红壤退化的一种特殊的表现形式。其防治对策首先要加强对土壤酸化严重性的宣传，增强环保意识，减少工业污染物的排放，保护农业生态环境。工业污染物的排放中，有相当部分含有一定量的酸性物质，它们不仅会导致土壤污染，同时亦将引起土壤的酸化，特别是含硫化物或硫酸盐的污染物向土壤的排放更是如此。所以，对这些污染物的无害化处理和减少其向农田的排放是十分必要的。其次是减少化肥、特别是化学氮肥的过量施用，增施石灰和有机肥。化学氮肥的过量施用可使土壤理化性质变坏，而增施有机肥可以减慢土壤酸化的速度，有机 质中的羟基、氨基等一方面可通过吸附等作用与 H+结合 ；另一方面，一部分基团还可通过与 H+作用，从而有效地降低了土壤中的 H+浓度。 施用石灰的最大的作用不仅在于中和土壤的酸性，还在于它能改善土壤的物理性状。由于红壤中盐基离子被大量淋失，土壤的物理性状很差，施用石灰后，可在一定程度上促进土壤团粒结构的形成，使土壤的物理性状得到改善，有利于提高微生物的活性，并使矿质养分对作物的有效性增加，当然，施用石灰也为植物提供了丰富的钙、镁等营养 4。 4 红 壤污染的防治 我国目前遭受不同程度污染的土壤可达 1000 万 hm2，对农业生态系统造成极大威胁。土壤污染会引起并加速环境污染，导致农作物的产量和品质下降，降低生物多样性，影响人类的健康，威胁人类生存安全。土壤污染将造成土壤退化，产生严重危害。防治土壤污染必须以防为主，清除污染源，对己污染的土壤，采取一切有效措施加以改良，控制土壤中污染物的迁移和转化，消除土壤中污染物的残留。 4.1 减少污染源 根据污染的途径不同，有针对性地制定一系列措施，控制各种污染源对土壤的影响。控制排污种类及排污总量，对可能造成土壤污染物加以治理，充分回收利用。注意和严格限制污染物质进人土壤。采取切实 有效的措施控制和消除工业“三废”的排放，控制化学农药的使用，合理施用化学肥料，加强污灌区的监测与管理等。 4.2 综合治理 治理已被污染的土壤应采取综合治理、长期努力、逐步修复的生态治理措施，控制和消除进入农业生态系统的污染物。土壤污染的综合治理措施主要有以下几方面 : 工程措施。包括客土、换土、去表土、翻土、隔离法、清洗法、热处理等。 生物措施。包括生物吸收，生物降解、生物修复等。由于重金属污染的特点是不能被降解而从环境中彻底消除，只能从一种形态转化为另一种形态，从高浓度变为低浓度，且能在生物体内积累富集，所以重金属的生物修复有两种途径：一、通过在污染土壤上种植木本植物、经济作物以及生长的野生植物，利用其对重金属的吸收、积累和耐性除去重金属。二、利用生物化学、生物有效性和生物活性原则，把重金属转化为较低毒性产物（络合态、脱烷基、改变价态）；或利用重金属与微生物的亲合性进行吸附，降低重金属的毒性和迁移能力。生物修复具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点。已有报道紫花苜蓿对 Pb具有较高的富集能力 5。纸皮桦、加拿大杨、红树对土壤中 Hg 的吸收和储存能力强 6。苎麻是较强的吸 Cd 耐 Cd 植 物。有研究发现蜈蚣草、大叶井口边草是 As 超富集植物。香根草对 Cd、 Cr、 As 等的忍耐积累程度远高于一般植物（几十倍到上百倍），且生物量大，在短时间内通过根系吸收可去除土壤中相当一部分有毒物质。 加入改良剂。包括沉淀剂、抑制剂、消除剂，拮抗剂、修复剂等。徐明岗等 7配施石灰、有机肥和海泡石改良剂后显著提高了供试作物小油菜的生物产量，并明显降低小油菜对土壤重金属的吸收量。 农业措施。包括增施有机肥料、控制土壤水分、选择合适形态的化肥、选择抗污染品种、改变耕作制度、改种木本植物及工业用植物等。 完善法制。 严格执行国家有关污染物排放的标准及法律法规，加强对污水灌溉、固体废物的土地处理的管理。发展清洁生产，减少“三废”的排放量，以减轻对环境的影响。 5 红 壤养分退化的防治 5.1 防治土壤侵蚀，保护土壤资源 土壤侵蚀在造成水土流失的同时会带走土壤中的养分，使土壤养分含量下降。对于自然土壤，要增加植被覆盖度；对于耕作土壤，要搞好农田基本建设，进行科学的耕作施肥管理。在水土流失区，自然土壤条件很差，植被难于恢复，需要采取各种有效的水土保持措施，恢复退化土壤生长植物的功能。首先在侵蚀坡面改变不合理的经营管理方式，运用封 山育林、种子库恢复、乡土物种恢复等技术，管理林下植被、改造林分、择伐及透光抚育；其次，全面采用筑台地、水平沟、挖穴、鱼鳞坑，修建生物篱笆，等高耕作，充分利用生态位优化配置和群落组建技术，进行封禁、先锋林草引入、经济林培育等措施，在此基础上修建水平梯田、撩壕等，增施有机肥，进行乔、灌、草、经济林搭配建立生态林果园。另外，黄鸿翔 4等依据红壤丘陵区气候、土地资源的立体特征以及利用现状，应用生态学原理和方法，在稳步增加粮食产量和生猪头数的基础上，提出和建立“喂猪养鱼农田草，调节水热园林草，固土截水蓠巴草，牛羊鹅 兔人工草”的牧草种植模式，成为退化红壤肥力恢复的农业发展模式。 5.2 发展旱作农业，巩固灌溉农业，合理平衡施肥，培育土壤肥力 我国南方红壤地区旱作农业占总耕地面积的比例不高，发展旱作、巩固灌溉，实现农业水利化是提高单产的重要措施。合理施肥是调节和改善土壤养分供应状况、改良培肥土壤、保证农作物丰收的基本措施，农业生产实践中，应改变传统施肥方式，调整施肥结构，推行平衡施肥，提高肥料利用率，达到营养植物、改善土壤物理性质、提高土壤肥力的目的。 化肥与有机肥配合施用是退化红壤恢复重建的重要措施。单纯施化肥、特别是大量 施用氮肥，将引起不同程度的土壤酸化，导致收获物品质下降，并引起土壤养分不平衡，土壤有机质含量下降，土壤物理性质变劣等；而在施用有机肥条件下，土壤 pH 值的下降幅度较施用化肥小，土壤交换性酸含量的增加较小，有机质和钾素含量有较大幅度的提高，土壤速效钾及交换性阳离子的含量均较化肥处理高，这说明有机肥对改善土壤肥力具有较大的作用。另外配合施用土壤结构改良剂能有效防止水土流失，减少土壤酸害，控制并减小土壤重金属污染，促进红壤培肥。陈福兴针对南方红壤黏、酸、瘦、瘠薄以及保水性能差的特点，研制了具疏松土壤、供应养分、降低 酸性和提高保水能力的红壤改良剂；曾希柏生产出适合红壤旱地的2 种多功能镁复合肥产品，都对改善红壤理化性质，提高红壤肥力，促进作物增产具有较显著效果 4。 5.3 合理耕作改土、轮作倒茬，用地、养地相结合 合理的耕作可以调节土壤固、液、气三相物质比例，增强土壤通透性，加速土壤熟化。深耕可以增强微生物的活性，加速土壤矿物质养分的释放吸收和有机质的分解转化，提高土壤有效养分含量。但是如果耕作过于频繁，容易使有机质分解过快而损耗有效养分，应在满足有效养分供应的前提下，减少频繁的耕作。合理轮换种植不同作物，实行深耕和耕 作物的换茬，豆科和粮食、经济等作物的轮作，则能平衡地、允分地利用土壤中的营养物质并提高土壤肥力。轮作倒茬应考虑茬口特性和作物特性，合理搭配耗地作物 (如水稻、小麦、玉米）、自养作物 (如大豆、花生 )、养地竹 (如草木樨、紫云英 ):采取绿肥作物与大田作物轮作，豆科作物与粮棉作物轮作以及水旱轮作的方式进行合理轮作。黄国勤 4等连续 18 年的定位试验研究结果表明，在红壤旱地不同间作系统下，间作的土壤肥力指标普遍高于单作，不同作物间作对防止红壤退化或进行退化红壤的恢复重建具有十分显著的效果。曾希柏 4研究了 4 种稻田耕作 制度，发现水稻产量以稻 稻 肥（紫云英）较高，土壤有机质含量亦以稻 稻 肥（紫云英）最高，其次为稻 稻 油，而稻 稻 麦的增加幅度则较小，而稻 稻 冬闲耕作制下则有机质含量下降，氮、磷、钾含量亦较低。 5.4 消除有毒物质，改善养分供应。 土壤中存在的有毒物质会降低微生物的活性而影响养分的转化，影响根系对养分的吸收利用。消除土壤有毒物质可以改善植物营养环境，对土壤养分的调节具有重要作用。有毒物质造成的危害主要有 :土壤酸性或碱性过强所致的酸害和碱害、土壤中 0.