紫色土坡耕地土壤侵蚀及其防治措施研究进展

紫色土是我国西南地区一种主要的土壤类型,具有土层浅薄、结构性差和有机质含量低的缺点,同时又具有成土速率快、生产性能高的优点。在紫色土坡耕地上,不仅降雨和地表径流对坡面土壤迁移起着重要作用,而且壤中流的侵蚀也不可忽视。与此同时,耕作侵蚀作为坡耕地上主要的人为加速侵蚀形式,在坡面土壤侵蚀、搬运和堆积过程中也起着举足轻重的作用。对紫色土坡耕地的土壤侵蚀现状、定量研究方法和防治措施等作了简要论述,并指出:在紫色土坡面水蚀过程中,壤中流侵蚀过程扮演着重要的角色,但该方面研究成果较少,今后应当加强;相对于水蚀而言,耕作侵蚀的研究还很少,且在该区域主要关注单纯的耕作侵蚀效应,耕作侵蚀与水力侵蚀的交互作用研究更少,因此需要加强对耕作侵蚀和水力侵蚀的耦合作用机制的研究;在研究方法方面,应将各种定量研究方法有机结合,互相验证,开展多尺度的定位观测和控制试验。     

耕作侵蚀对紫色土坡耕地土壤容重和有机质二维分布的影响

为了研究耕作侵蚀对坡耕地土壤容重、有机质以及两者相互关系的影响,选择四川盆地中部的简阳县的坡耕地作为研究对象,采用模拟耕作的方法,通过对比模拟耕作前与5次、20次模拟耕作之后的土壤容重、有机质的水平以及垂直变化与分布规律,并探讨耕作侵蚀对两者关系变化的影响规律。研究结果表明:由于耕作侵蚀的搬运作用,5次和20次耕作之后坡顶位置的表层土壤被不断搬运至下坡位置,从而导致坡顶表层土壤容重增加;并且耕作过程中锄头的翻转作用改变了土壤容重在垂直方向的分布。耕作前土壤有机质在各坡面位置的垂直分布可用对数方程描述,然而5次和20次耕作之后其两者之间没有显示任何关系。耕作前土壤有机质含量与土壤容重呈现显著的负相关关系,5次和20次耕作之后,土壤有机质和土壤容重之间无相关关系。因此,耕作侵蚀改变土壤有机质和容重在水平和垂直方向的分布并且改变有机质和容重之间的关系。     

灌区土壤盐分空间变异及多因素响应关系

[目的]研究土壤含盐量空间特征和分布格局,分析土壤盐分空间格局与地下水、土壤物理特性参数间的空间响应关系,为灌区盐渍化防控提供理论依据。[方法]以黄河南岸灌区吉格斯太灌域为例,网格化布点,分层采样测定土壤含盐量、表层土壤含水量、颗粒组成、干容重并换算热容量及导热率,同步监测地下水埋深及含盐量,采用经典统计方法和地统计方法分析土壤含盐量空间分布特征及其与物理特性和地下水等因素间的空间相关性。[结果]灌域处于非盐化—轻度盐化状态,土壤含盐量呈中等空间变异程度,总体呈现相对独立的随机分布,空间结构特征可以用高斯模型和指数模型描述。土壤含盐量与地下水埋深呈显著负相关,与地下水含盐量呈显著正相关,地下水埋深1.6 m区域发生轻度盐渍化风险较高。0—20 cm土壤含盐量与黏粒含量、容重、含水量、导热率及热容量显著空间正相关,相关范围约2～6 km;与砂粒含量呈显著空间负相关,相关范围约2～4 km。20—60 cm土壤盐分与0—20 cm土壤黏粒、砂粒含量、导热率、热容量及含水量呈显著相关,相关范围与土壤表层略有差异。[结论]黏粒含量较高,含水率较大,地下水埋深1.6 m的区域是灌域盐渍化防控的重点区域。     

耕作侵蚀对紫色土坡耕地土壤水分分布的影响

通过短期连续耕作45次,模拟长期耕作对土壤水分分布的影响,利用TDR法按冬小麦5个生长期测定对照区与试验区(实施45次强烈耕作)土壤耕层(0-16.5cm)水分。结果表明,试验区土壤含水量比对照区低8.74%～25.49%,而土壤含水量变异性却比对照区高11.9%～399.8%,表明强烈耕作增大了土壤耕层含水量在坡面的变异性。对照区与试验区土壤含水量分布的差异主要表现在坡顶和肩坡,这种差异可能主要是由耕作侵蚀引起的。耕作侵蚀使上坡土壤发生流失,使土壤贮水性下降,导致试验区上坡土壤耕层含水量显著减小;耕作沉积使下坡土壤发生累积,但对试验区下坡土壤耕层含水量无显著影响。     

紫色土坡耕地埂坎土壤抗剪性能对含水率的响应

选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎进行试验,通过室内三轴试验研究不同含水率(质量分数6%、11%、16%、21%、26%和31%)对埂坎土壤抗剪强度指标的影响,以深化紫色土坡耕地埂坎力学性质研究。结果表明:1)试验含水率范围内,紫色土坡耕地埂坎土壤黏聚力受含水率影响显著(P0.05),且随着含水率增加呈现出先增大后减小的趋势,明显的峰值出现在含水率质量分数11%左右,黏聚力为85.52 k Pa;2)埂坎土壤内摩擦角随含水率增加而减小,呈非线性衰减,符合一阶指数衰减规律。高含水率时,衰减缓慢;3)紫色土坡耕地埂坎抗剪强度受含水率变化影响显著(P0.05),埂坎土壤极限主应力差随含水率和围压的变化明显且具有规律性。相同围压下,埂坎土壤极限主应力差随含水率增大而迅速减小,即土体的抗剪强度降低。相同含水率下,极限主应力差随围压增大而增大,低含水率时增加明显,高含水率时增加缓慢。当含水率质量分数达到26%左右,埂坎土壤抗剪强度趋于低值;4)紫色土埂坎土壤的应力-应变曲线随含水率递增依次呈现应变软化型、硬化型和弱硬化型。研究结果可为三峡库区高标准基本农田等工程的埂坎建设提供依据和技术支撑。     

等高犁耕朝向对紫色土坡面土壤再分布的影响

选择一块坡长15 m、坡度14.16%的坡地,采用磁性示踪法分析等高向下犁耕（向下坡方向翻垈）和等高向上犁耕（向上坡方向翻垈）的土壤再分布特征,利用模拟耕作（15次）检验两种等高犁耕的长期作用下对土壤剖面和微地貌演化的影响。结果表明:等高向下犁耕导致土壤发生向下坡移动,土壤位移量为15.62～28.70 kg/m,坡度对其影响不显著（p=0.93）;等高向上犁耕导致土壤同时发生向下坡和向上坡移动,土壤净位移量为-10.91～8.23 kg/m,坡度对其有显著影响（p < 0.001）,土壤净位移方向随着坡度的增大由向上坡转为向下坡,本研究条件下临界坡度为14%;等高向下犁耕15次后坡顶侵蚀深度是原土层深度的132%,耕作后土层深度与耕作深度相当,表明等高向下犁耕加速土壤侵蚀和促进母岩成土的双重作用共同维持着坡顶土层深度的稳定;等高向上犁耕15次后坡顶土层深度增加了12.7%,表明等高向上犁耕具有保护坡顶土层深度的作用。等高向上犁耕是一种防治类似紫色土的薄层土壤耕作侵蚀和土壤退化的有效措施。     

地形因子对紫色土坡耕地土壤侵蚀作用的试验研究

地形因子在坡耕地土壤侵蚀过程中起着重要作用,重庆市紫色土坡耕地的地形具有坡度陡、坡长短的特点。该文采用野外人工模拟降雨方法研究了不同地形因子条件下紫色土坡耕地的产流产沙特征,结果表明:(1)径流输沙率过程与雨强变化表现为具有一定相关性和一致性的动态响应过程,随着坡长增加,产流量增加很快,4m坡长的产流量约为2m坡长的2.7倍;在20.6°坡度以下,随着小区坡度增大,产流量以接近直线的关系增长,在20.6°时产流量增加到最大。(2)相同坡长小区不同降雨条件下的产沙量存在一定波动性,相同坡度和降雨下4m坡长小区的产沙量约为2m小区的1.3倍,经推导,4m坡长坡耕地径流输沙率大致为2m坡长的0.48倍。(3)在相同坡长条件下,坡度与土壤流失量可拟合为二次多项式关系,紫色土坡耕地土壤侵蚀的临界坡度约为22°。研究成果可为重庆市三峡库区坡耕地水土流失量预测和坡耕地综合整治提供参数和依据。     

紫色土坡地土壤性质对耕作侵蚀的影响

[目的]揭示土壤性质对耕作侵蚀土壤的敏感性,为紫色土区域采取适宜的耕作措施提供依据。[方法]利用磁性示踪技术定量旋耕机上下耕作和等高耕作的土壤耕作位移和土壤位移量,选取土壤容重、土壤含水量、土壤有机质、土壤全氮、土壤有效磷、土壤抗剪强度和土壤紧实度等土壤理化性质和力学性质指标,研究土壤性质对旋耕机上下耕作和等高耕作的耕作侵蚀的影响特征。[结果]旋耕机上下耕作和等高耕作的土壤净位移和净位移量不仅受坡度影响,也受土壤性质的影响。土壤力学性质和土壤物理性质对旋耕机耕作侵蚀有显著影响,对于上下耕作的土壤抗剪强度、土壤紧实度和土壤容重与土壤净位移量呈显著正相关。对于等高耕作措施的土壤抗剪强度、土壤紧实度、土壤容重和土壤含水量与土壤净位移量呈显著正相关,其他指标关系不显著。[结论]土壤抗剪强度、土壤紧实度和土壤容重可以作为评价耕作侵蚀的土壤可蚀性指标。     

紫色丘陵区土壤侵蚀对土壤生物学肥力的影响

为更好地理解侵蚀土壤质量变化,该文利用137Cs技术探讨了川中丘陵区紫色土陡坡耕地土壤侵蚀对土壤生物学肥力的影响。结果表明,与无侵蚀的坡地相比,陡坡耕地土壤微生物量碳含量及碱性磷酸酶、蔗糖酶活性分别显著降低41%、44%、17%,土壤生物学肥力退化指数MFDI达-35%。陡坡耕地土壤蔗糖酶活性与137Cs浓度显著正相关（r=0.643,p=0.024）,表明蔗糖酶活性随土壤侵蚀强度增大而降低。耕作侵蚀造成的陡坡耕地上坡土壤损失导致土壤微生物量碳含量、碱性磷酸酶、脲酶及蔗糖酶活性最低,而耕作侵蚀造成的陡坡耕地坡底土壤堆积导致这4个微生物特性最高,结果陡坡耕地这些微生物特性的空间变异分别增大2.8、0.8、1.4、4.5倍。紫色土陡坡耕地土壤生物学肥力退化与空间变异性增大在今后的土地管理中应引起关注。     

六盘山分水岭沟土壤水文物理性质空间变异

对六盘山分水岭沟小流域内118个样地的土壤物理性质进行统计分析,结果表明：1）随土层加深,土壤密度和石砾体积含量递增,而饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈递减趋势;2）不同森林植被类型下土壤物理性质差异较大,7种森林植被类型（华山松、华北落叶松、白桦、辽东栎、华山松＋红桦、椴木＋辽东栎和杂灌丛）中,0-20cm和0-60cm土层土壤密度均以华山松＋红桦针阔混交林的最小,杂灌丛最大,针叶纯林和阔叶纯林介于其间;与此对应,0-60cm土层的土壤持水能力以针阔混交林的最大,杂灌丛最小,针叶纯林和阔叶纯林居中;3）土壤物理性质存在坡向差异,0-60cm土层的各项土壤物理性质基本上以北坡最好,南坡最差,西坡和东坡居中且差别不大;4）坡位对土壤物理性质也有影响,0—20cm土层的土壤密度以坡顶和坡脚最大,为0．93g/cm^3,整体来看坡面上各项土壤物理性质优于坡脚和坡顶;5）诸多土壤物理性质与地形因子（相对高程、坡向、坡位和坡度）存在显著相关性,并建立了它们之间的线性回归方程。     

盐渍化农田土壤斥水性与理化性质的空间变异性

通过对新疆玛纳斯县盐渍化土壤三个不同尺度（间距分别为50m、5m及0.5m)的284个样点取样分析测定,采用经典统计学、空间自相关、地质统计学和分形理论对土壤斥水性与理化性质进行空间格局分析。结果表明：1）土壤斥水性和pH符合正态分布,其余土壤属性符合对数正态分布。三尺度下土壤各属性绝大多数表现为中等变异水平。2）三尺度下土壤各属性的Moran’s I系数变化具有相似性,在-0.8～0.6范围内波动。3）三尺度下土壤各属性的半方差函数理论模型大多数能用球状模型来拟合。4）在一定范围内,土壤各属性具有一定的分形特征,分形维数变化幅度为1.75～1.96。分析表明不同尺度下土壤斥水性与理化性质具有一定的差异。     

盐渍化农田土壤斥水性与理化性质的空间变异性

通过对新疆玛纳斯县盐渍化土壤三个不同尺度(间距分别为50 m、5 m及0.5 m)的284个样点取样分析测定,采用经典统计学、空间自相关、地统计学和分形理论对土壤斥水性与理化性质进行空间格局分析。结果表明:1)土壤斥水性和pH符合正态分布,其余土壤属性符合对数正态分布。三尺度下土壤各属性绝大多数表现为中等变异水平。2)三尺度下土壤各属性的Moran s I系数变化具有相似性,在-0.8~0.6范围内波动。3)三尺度下土壤各属性的半方差函数理论模型大多数能用球状模型来拟合。4)在一定范围内,土壤各属性具有一定的分形特征,分形维数变化幅度为1.75~1.96。分析表明不同尺度下土壤斥水性与理化性质具有一定的差异。     

Investigation and prediction spatial variability in chemical properties of agricultural soil using geostatistics

Determination of the chemical characteristics of soil for balanced fertilization on large scales is an important factor in achieving a precision agriculture. Laboratory analyses of soil properties are usually expensive and time consuming. Surmounting these problems is possible using geostatistics. Therefore, this research aims at selecting a proper interpolation method using 213 soil samples for alfalfa farmland in Hamadan Province, Iran. Various factors such as pH, EC, , , K, P, Fe, Zn, B and Co were measured. Ordinary kriging and co-kriging were assessed to derive maps of soil physico-chemical properties, using mean absolute error (MAE), mean bias error (MBE), root mean squared error (RMSE) and average kriging standard error (AKSE) as statistical criteria. Variography analysis indicated that the ranges of influence for pH, EC, , , K, P, Zn, Fe, B and Co were 65, 55, 78, 79, 75, 60, 50, 65, 70 and 30 km, respectively, and the measuring error varied between 0.366 and 0.843. The results revealed that, based on precision criteria, co-kriging was the best method for interpolating the chemical properties of soil. Finally, using to the co-kriging for each determined variable, a related zoning map for fertility management of the study area was prepared.     

土壤侵蚀因素对紫色丘陵区坡耕地耕层质量影响

土壤侵蚀是导致坡耕地耕层土壤质量退化和土壤生产力不稳定的关键因素。该文以紫色丘陵区坡耕地为例,对坡耕地不同地力等级耕层土壤质量、渗透性能及耕层类型进行聚类分析,讨论了土壤侵蚀对坡耕地耕层厚度影响及合理耕层土体构型。结果表明:(1)紫色土坡耕地耕层土壤质量具有中等程度变异性,有效土层厚度(15~80 cm)和耕层厚度(15~25 cm)变异系数分别为12.18%和37.26%,土壤有效磷变异系数可达94.51%,说明土壤物理指标变异性小于化学指标变化;三级以下地力耕层构型为近似全虚或全实剖面结构,五等地力坡耕地产量下降50%左右。(2)紫色土坡耕地不同坡位、不同垂直深度的耕层土壤物理性质、持水性能及耕作性能差异显著(P0.05),土壤容重为上坡下坡中坡,土壤抗剪强度为上坡中坡下坡,土壤稳定入渗为下坡中坡上坡,土壤贯入阻力表现为中坡上坡下坡;除土壤入渗外,土壤容重、抗剪强度、贯入阻力均表现为底土层心土层耕层;坡耕地0~40 cm土层中蓄存降水可被农作物利用70%左右。(3)中度侵蚀程度坡耕地,年均耕层厚度薄化值为1.04~3.04 mm,坡耕地合理耕层建立可选择有效土层厚度、耕层厚度、土壤容重、土壤抗剪强度、土壤有机质、土壤渗透性为坡耕地合理耕层评价最小数据集,耕层构型总体保持上虚下实型、耕层厚度20~25 cm、有效土层厚度50~60 cm。(4)紫色土坡耕地可分为四种耕层类型,其障碍耕层主要表现为有效土层厚度限制型(第II类)、耕层厚度限制型(第III类)和土壤养分限制型(第IV类),分别占耕层总量30%、10%、3%;紫色土坡耕地合理耕层建立应重点关注有效土层厚度和耕层厚度调控。研究结果可为客观认识土壤侵蚀与紫色土坡耕地耕层退化关系、合理耕层构建提供理论依据和技术参数支持。     

发展保护性耕作技术 有效防治耕地土壤侵蚀

 我国是世界上人均耕地最少的国家之一,人均耕地仅为0.093 3 hm2,不到世界平均水平的40%。同时,我国也是世界上耕地土壤侵蚀最严重的国家之一,全国耕地土壤侵蚀面积为4 033万hm2,占耕地总面积的33.15%。仅坡耕地每年产生的土壤流失量约达15亿t,占全国土壤侵蚀总量的33%。耕地土壤侵蚀已对我国的粮食安全、生态安全和经济社会可持续发展构成了严重威胁。论述了水土保持领域发展保护性耕作技术的重要意义、产生与发展、主要技术内容与技术模式及保护性耕作技术的生态、经济和社会效益。发展保护性耕作技术,是水土保持的新理念,对于有效防治耕地土壤侵蚀和非点源污染具有重要意义。     

基于WEPP模型的紫色土坡面水蚀预报

应用水蚀预报项目（Water Erosion Prediction Project,WEPP）模型评价紫色土坡面水蚀强度,提出模型参数的估算方法,并利用四川省遂宁水土保持试验站长期径流小区观测资料,验证和检验模型预测的精度和敏感性;探讨该模型在川中丘陵紫色土地区应用的可能性及模型参数选择存在的问题。运用WEPP模型进行降雨侵蚀预测,并与实测值进行比较。结果表明,WEPP模型在大多数情况下预报值较合理,低坡度坡面上模拟预测值高于实际观测值,高坡度坡面上模拟预测值低于实际观测值,不仅在一定程度上模拟值与实测值接近,而且模型还可估算土壤侵蚀的时空分布及全坡面或坡面任意一点的净土壤流失量及随时间的变化。这对布置水土保持管理措施具有重要意义。     

紫色丘陵区坡耕地生物埂的土壤抗蚀性综合评价

本文以紫色丘陵区坡耕地生物埂为研究对象,采用野外调查与室内分析相结合的方法对紫色丘陵区坡耕地桑树埂、花椒埂、紫花苜蓿埂、自然生草(狗尾草为主)埂模式下的土壤抗蚀性进行综合评价。结果表明:1)生物埂能有效增加土壤含水率和土壤有机质含量,改良土壤结构,且木本埂(桑树埂和花椒埂)改良效果更好。2)在评价生物埂土壤抗蚀性的四大类指标当中,变异程度最大的是水稳性团粒类指标,变异范围为46.84%~22.81%,平均变异达31.10%;其次为微团聚体类指标,变异范围为41.08%~20.55%,平均变异达30.97%;变异程度最小的为有机质,平均变异17.11%。3)通过主成分分析,13个用于表征研究区土壤抗蚀性的指标可优化为0.5 mm水稳性团聚体含量、团聚体分散率、水稳性指数和0.001 mm的黏粒含量4个指标。4)4种坡耕地生物埂模式下土壤抗蚀性综合指数大小依次为花椒埂桑树埂紫花苜蓿埂自然生草埂,抗蚀性强弱表现为花椒埂桑树埂紫花苜蓿埂自然生草埂。研究结果可为完善不同保护性耕作模式下土壤抗蚀性评价指标体系和区域性土壤抗蚀性评价及坡耕地水土保持措施的选择提供依据。     

Neural network ensemble residual kriging application for spatial variability of soil properties

High quality, agricultural nutrient distribution maps are necessary for precision management, but depend on initial soil sample analyses and interpolation techniques. To examine the methodologies for and explore the capability of interpolating soil properties based on neural network ensemble residual kriging, a silage field at Hayes, Northern Ireland, UK, was selected for this study with all samples being split into independent training and validation data sets. The training data set, comprised of five soil properties: soil pH, soil available P, soil available K, soil available Mg and soil available S,was modeled for spatial variability using 1) neural network ensemble residual kriging, 2) neural network ensemble and 3) kriging with their accuracies being estimated by means of the validation data sets. Ordinary kriging of the residuals provided accurate local estimates, while final estimates were produced as a sum of the artificial neural network (ANN) ensemble estimates and the ordinary kriging estimates of the residuals. Compared to kriging and neural network ensemble,the neural network ensemble residual kriging achieved better or similar accuracy for predicting and estimating contour maps. Thus, the results demonstrated that ANN ensemble residual kriging was an efficient alternative to the conventional geo-statistical models that were usually used for interpolation of a data set in the soil science area.     

土壤水盐空间变异尺度效应的研究

水文学和土壤学中的尺度问题是目前水土科学研究的前沿课题之一。该文利用空间信息科学——地质统计学、根据设计的各种田间网格，在一维和二维(平面)空间中初步研究了黄河河套平原长胜试验区中小尺度的土壤水分和盐分随采样尺度所表现出的空间变异(结构性)的某些规律，表明采样尺度的划分和选取与水分和盐分的空间变异性大小有密切关系，尺度效应的研究对于指导农业技术研究中野外采样系统设计、节省外业调查的工作量及科学地进行内业计算、评估和揭示农业工程中具有地学特征的区域性自然规律有重要作用。     

Spatial distribution of soil physical properties of alluvial soils: a geostatistical approach

Knowledge of spatial variation of soil is important in site-specific farming and environmental modeling. Soil particles size and water distribution are most important soil physical properties that governing nearly all of the other attributes of soils. The objectives of this study were to determine the degree of spatial variability of sand, silt and clay contents, and water content at field capacity (FC), permanent wilting point (PWP), and available water content (AWC) of alluvial floodplain soils. Data were analyzed both statistically and geostatistically to describe the spatial distribution of soil physical properties. Soil physical properties showed large variability with greatest variation was observed in sand content (68%). Exponential and spherical models were fit well for the soil physical properties. The nugget/sill ratio indicates except clay all other soil physical properties were moderate spatially dependent (37–70%). Cross-validation of the kriged map shows that prediction of the soil physical properties using semivariogram parameters is better than assuming mean of observed value for any unsampled location. The spatial distribution of water retention properties closely followed the distribution pattern of sand and clay contents. These maps will help to planner to develop the variable rate of irrigation (VRI) for the study area.