崩岗洪积扇农田土壤物理性质空间分异规律

崩岗洪积扇农田土壤物理性质空间分异规律

0崩岗洪积扇农田理化性质研究【研究】崩塌侵蚀是一种其次为滑坡和泥石流而破坏的水土流失。中国的崩塌侵蚀主要集中在长江以南的亚热带、亚热带红平壤和红平壤山区，尤其是中国南方的花岗岩风化带。崩岗发生时大量泥沙排出丘陵山地外,掩埋山间梯田和绿地,变良田为砂砾裸露的沙渍地,同时,流出崩岗的黄泥水沉积一层或砂或黏土的新覆盖层,致使原来熟化的耕作层被淤埋,严重影响了农田土壤理化性质。据统计,近年来崩岗冲毁压埋耕地面积约38.04万hm2,约有20%的受危害耕地无法恢复,农田恢复和清理直接费用达5.5亿元。探讨洪积扇土壤的物理性质能够充分反映崩岗对洪积扇农田土壤结构性的影响规律,研究结果可为洪积扇农田质量恢复与改良提供理论依据,对农业生产和提高农业经济效益有重要意义。【前人研究进展】崩岗是一个复杂的系统,主要由崩壁、崩积堆和洪积扇组成,其中洪积扇是崩岗侵蚀的沉积区,相关研究表明崩岗对洪积扇农田具有毁灭性的影响。崩岗根据洪积扇沉积特征,可分为3个亚相,扇体最上部以片状漫流垂向加积为主的沉积区,称为扇顶;中部为辫状分支水流活动的沉积区,称为扇中;下部为交叉点以下地区,称为扇缘。自从曾昭璇先生提出崩岗的概念以来,中国对崩岗的研究逐年增多,纵观前人的研究,大多侧重于侵蚀机理以及危害治理等方面,对于崩岗影响农业耕作也仅仅只是提出了相应的问题而没有针对洪积扇农田危害规律和治理改良方面提出解决方法。中国过去对洪积扇的研究工作也只涉及了洪积扇分布以及流域特点等方面,对于崩岗洪积扇土壤性质也基本停留在宏观的分析方面。【本研究切入点】洪积扇是崩岗的重要组成部分,然而国内专门针对崩岗洪积扇土壤理化性质进行研究的尚未见报道,而关于崩岗洪积扇土壤物理性质空间分布的研究目前尚未发现。本研究选取通城县崩岗洪积扇农田为研究对象,通过对洪积扇水田和旱地的综合研究,探讨崩岗洪积扇区域的土壤颗粒组成、容重、土壤孔隙度、土壤持水情况、有机质并分析它们之间的相互关系,归纳洪积扇不同区域的土壤性质分异规律。【拟解决的关键问题】阐述并讨论崩岗洪积扇农田土壤的物理性质并分析其分异特征,同时针对相关问题提出初步的解决方案,研究结果有利于规划洪积扇农业用地,同时为改良崩岗洪积扇土壤物理性质提供理论和实践依据。1材料和方法1.1实验设备及基本情况崩岗是鄂东南花岗岩地区普遍存在的土壤侵蚀现象,其中通城县崩岗分布最为集中。据调查显示,通城县崩岗数量为1102处,占湖北省崩岗总数的47%,是湖北省崩岗集中分布的典型地区。选在通城县开展研究,在鄂东南具有很强的代表性。通城县位于鄂东南,湘、赣、鄂交界之幕阜山北麓,地跨东径113°36′—114°4′,北纬29°2′—29°24′,全县土地总面积约为1172km2。通城县属北亚热带季风气候区,年平均气温17℃。≥10℃积温为5058℃,无霜期为260d左右。该县雨量充沛,年降雨量为1521mm。经过野外调查和选点工作后,课题组于2014年3月在通城县杨垄小流域选取典型崩岗洪积扇农田开展试验研究工作。该地崩岗发生于20世纪80年代,崩岗洪积物沉积影响洪积扇农田达5000m2,洪积物堆积耕层表面厚度约10—20cm,近年来崩岗发育缓慢,基本上趋于稳定型,土地利用方式包括水田和旱地,调查发现近十年采用常规的耕作方式,耕作条件相似。土壤类型为棕红壤,结构较为松散。1.2土样采集与散土采集2014年3月15日选择杨垄小流域两处典型的崩岗洪积扇为研究对象,两处洪积扇区的土地利用方式分别为水田和旱地。根据洪积扇水田和旱地的特点研究,可将其划分为扇顶、扇中和扇缘进行土样采集,同时选择洪积扇外采集对照土样。采样时,除去地表凋落物,每个区域按“S”型采集耕作层土样(0—20cm),分别用体积200cm3环刀取样,每个区域采集10个重复;散土采集也按“S”型方法采集,将采集的土样混合为1个土样,然后采用四分法分取样品1—2kg带回室内,剔除粗根和小石块,磨细过筛,根据样品分析的需要制备相应粒径土样备用。2014年4月进行室内实验与数据分析。1.3土壤有机质测定砾石含量采用筛分法测定,土壤颗粒组成采用吸管法测定;土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定;土壤饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度、通气孔隙度、毛管孔隙度、容重用环刀法进行测定。1.4显著性差异检验采用Excel软件进行数据统计和简单的分析,并绘制相应的图表,利用SPSS16.0进行方差分析和相关性分析等,应用最小显著性差异(LSD)检验不同处理之间的显著性差异。2结果2.1农田土壤颗粒组成崩岗发生时,洪积物流出崩岗体之后,随着水流作用分散,能量逐渐降低,洪积物逐渐沉积于农田耕作层表面,导致表层土壤颗粒组成变大,而不同的土地利用方式也使得地表土壤渐渐熟化,但土壤表层土壤颗粒组成仍然存在一定分异规律。研究洪积扇农田土壤颗粒分布特征见表1。由表1可知,洪积扇水田扇顶、扇中、扇缘土样中砾石含量分别比对照区土样分别多252.60%、134.82%、18.30%;砂粒含量比对照区土样分别增加161.51%、68.77%、30.34%;粉粒含量比对照区土样分别减少76.06%、36.75%、12.46%;黏粒含量比对照区土样分别减少83.57%、27.40%、19.12%。经过分析,洪积扇旱地土壤颗粒分布也有相似的规律。进一步分析可知,洪积扇农田土壤粗颗粒(砾石和砂粒)平均比对照区多75.89%,土壤细颗粒(粉粒和黏粒)平均比对照区减少39.13%。综合以上结果分析可知,扇顶的砾石和砂粒含量最多,而粉粒和黏粒含量最少;扇缘的砾石和砂粒含量最少,而粉粒和黏粒含量最多,扇顶、扇中和扇缘之间的颗粒组成差异达到显著水平。同时,随着和扇顶距离的增加,区域土样中砾石和砂粒的含量显著减少,粉粒和黏粒的含量则显著增加。经分析可知,洪积扇水田扇顶土壤质地属于壤砂土,扇中土壤质地属于砂壤土,扇缘和对照区土壤质地属于壤土;洪积扇旱地部分均属于砂壤土,其对照区土壤质地为壤土。2.2崩岗对农田土壤有机质含量的影响从表2可以看出,崩岗洪积扇水田和旱地扇顶部分土壤容重较大,分别为1.68和1.55g·cm-3,均显著大于对照,相对对照区平均增加了0.25g·cm-3;而扇缘区域土壤容重较小,分别为0.97和1.06g·cm-3,和对照没有明显的差异性。同时,由扇顶到扇缘,崩岗洪积扇水田与旱地土壤容重均呈现逐渐减小的规律,洪积扇水田扇中土壤容重比扇顶低20.83%,扇缘土壤容重比扇中低27.07%;洪积扇旱地扇中土壤容重比扇顶低7.74%,扇缘土壤容重比扇中低11.19%,且差异性均达到极显著水平。从表里还可以得到,洪积扇土壤有机质含量平均比对照区减少了58.70%,洪积扇水田和洪积扇旱地扇顶的有机质含量较少,仅有1.93和0.89g·kg-1,可见受崩岗的影响程度之大,这可能是因为残留的砾石太多,不利于有机质的形成。从表2可知,与对照相比,崩岗洪积扇水田扇顶、扇中、扇缘土壤总孔隙度分别减少35.54%,20.98%,0.53%,洪积扇旱地扇顶、扇中、扇缘土壤总孔隙度分别减少34.82%,25.47%,16.12%,洪积扇土壤总孔隙度显著小于对照区,同时洪积扇总孔隙度呈现扇顶<扇中<扇缘的规律,且差异达到显著水平,可见崩岗洪积扇导致了农田土壤总孔隙度降低。毛管孔隙度也呈现与总孔隙度相似的规律,洪积扇部分土壤毛管孔隙度均小于对照,且扇顶部分土壤毛管孔隙度最小,洪积扇水田扇顶毛管孔隙度仅为35.07%,旱地扇顶毛管孔隙度为33.72%,均显著小于对照区的55.97%和55.64%。洪积扇土壤通气孔隙度与对照相比没有明显的规律性,但由扇缘、扇中到扇顶部分土壤通气孔隙度呈减少趋势,尤其是洪积扇水田的这一现象比较明显。总的来说,崩岗导致洪积扇农田的孔隙度变小,通气度变差,从而能说明洪积扇土壤结构性变差,离扇顶越近,结构性越差。2.3洪积扇农田土壤持水能力下降,对农田毛管持水量的影响分崩岗洪积扇农田不同区域土壤持水情况见表3,从表3可以得出,洪积扇农田土壤饱和持水量普遍低于对照区,旱地部分表现最为明显,扇顶、扇中、扇缘分别比对照区下降29.78%、24.06%、16.22%,扇顶区域土壤饱和持水量最小,仅有23.88%,洪积扇水田扇顶饱和持水量仅有22.64%,而水田和旱地的扇缘部分饱和持水量显著高于扇顶和扇中。同时沿着扇缘到扇顶,土壤饱和持水量均表现出逐渐减小的趋势。进一步对洪积扇农田土壤毛管持水量分析可知,毛管持水量也有相同的变化趋势,洪积扇水田扇顶、扇中分别比对照区低55.45%、33.04%,洪积扇旱地扇顶、扇中、扇缘分别比对照区低58.61%、47.62%、43.90%,且差异均达到了显著水平。说明崩岗导致了洪积扇农田土壤持水能力下降,保水性能差,抗旱能力差,需水量多,对农作物的生长周期造成了不利影响。从两种土地利用方式来看,水田和旱地的持水能力也有不同,水田的饱和持水量和毛管持水量均略高于旱地,说明洪积扇旱地受到崩岗侵蚀的影响程度更大。2.4土壤物理性质与其他土壤条件的关系为了更深入理解崩岗洪积扇农田土壤物理性状之间的相互影响,对各个土壤物理指标进行了相关分析(表4)。从表4可见,土壤容重与有机质含量呈极显著的负相关(R=-0.907**),说明土壤容重的差异一部分由于有机质差异所致。进一步分析可知,有机质除了与通气孔隙度没有明显的相关性之外,均与其他的土壤物理指标存在显著或极显著的相关关系,说明土壤物理性质跟有机质有较大联系。土壤容重与土壤孔隙性和土壤持水特性呈极显著的负相关,说明土壤总孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙和土壤持水性能直接决定于土壤容重,而间接受土壤有机质的影响。总孔隙度、毛管孔隙度与土壤持水特性均呈极显著的正相关,说明土壤总孔隙度和毛管孔隙度越高,土壤持水性能越好。非毛管孔隙度与各物理性质之间没有明显的相关性。土壤砾石、砂粒、粉粒和黏粒之间均存在极显著相关性,砾石与砂粒存在显著的正相关,粉粒和黏粒也存在极显著的正相关,砾石、砂粒与粉粒、黏粒之间则是显著的负相关。同时,土壤各粒级大小与土壤容重、土壤持水性指标、总孔隙度和毛管孔隙度之间呈显著或极显著相关性,说明土壤颗粒组成对崩岗洪积扇土壤物理性状影响较大。3崩岗洪积扇农田土壤理化性质的变化以及应用趋势研究表明崩岗侵蚀导致洪积扇农田物理性质不断恶化,土壤沙化严重,除了砾石含量外,砂粒含量最高,粉粒次之,黏粒最低,且呈现地带性空间分布规律。同时,土壤各粒级大小与土壤容重、土壤持水性指标、总孔隙度和毛管孔隙度之间呈显著或极显著相关性。土壤容重是土壤重要的物理性质之一,它直接影响到土壤孔隙度与孔隙大小的分配、土壤水肥气热变化。容重的差异性变化主要与土壤的有机质含量、黏粒含量、结构状况等有关。洪积扇农田受到崩岗侵蚀的影响,大量的洪积物沉积在农田里,洪积物中包含大量粗颗粒的石英和长石,导致洪积扇容重变大,尤其是越靠近扇顶规律越明显,因为扇顶沉积的粗颗粒最多,因此容重最大,而良好的耕地条件需要有适宜的土壤容重,改良土壤容重成了改善崩岗洪积扇农田土壤结构性的一个关键问题。洪积扇土壤有机质偏低,尤其是扇顶和扇中,经过相关性分析表明,土壤有机质与其他主要指标存在显著的相关关系,土壤有机质在土壤养分循环中起着关键作用,并最终成为土壤质量恢复过程中的关键性标志。有机质在生态系统生产力及更新中是必需的,维持足够水平有机质理应成为土壤管理策略的有机组成之一。土壤孔隙的大小直接影响土壤中的水分状况和通气透水性,对土壤中水、肥、气、热和养分转化。崩岗洪积扇农田土壤从总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度来看,均与对照形成了对比,孔隙度偏低对农作物的生长构成了不利的因素,因此如果要在洪积扇土壤进行土地利用方面的调整,应该根据实际情况进行生命力强的植物或者作物种植。土壤持水性能直接影响土壤抗水蚀能力,是反映土壤生态功能的重要指标。土壤的持水性能决定了土壤水源涵养、保持水土能力的大小和高低。良好的孔隙状况使土壤有较为良好的持水性能。这些指标性能下降直接影响了农田耕性。相关性分析显示,土壤容重与有机质含量呈极显著的负相关,总孔隙度、毛管孔隙度与土壤持水特性均呈极显著的正相关,土壤各粒级大小与土壤容重、土壤持水性指标、总孔隙度和毛管孔隙度之间呈显著或极显著相关性。土壤结构性是影响其物理性质的重要因素。耕层构造不是一成不变的。因此,针对崩岗洪积扇农田土壤物理性质的特点以及分布规律,建议在农作物生长过程中,需通过合理耕作和培肥,调节耕层构造,保持良好的土壤物理性状和结构性,以充分发挥和调节土壤肥力。例如,可以采用因土种植的方式,针对洪