山地学报杂志投稿格式参考范文：川中丘陵区紫色土坡耕地植物篱措施对土壤抗蚀性的影响

　　引言

　　川中丘陵区紫色土广为分布，具有磷和钾水平较高、有机物含量较低、抵抗水力侵蚀能力差等特性。丘陵区年降雨量较高，加之不合理开垦利用，导致紫色土坡耕地水力侵蚀严重，需要采取经济适用的生态措施治理川中丘陵区坡耕地水土流失，提高农作物产量。

　　水土保持植物篱措施是提高土壤的抗侵蚀能力的显著手段。植物篱主要通过改变土壤物理特性影响土壤抗蚀性，其物理屏障可截留水流、增加入渗、延长侵蚀时间，还能使坡度变缓，推动坡度耕地向梯田化发展。研究发现，植物树篱作为一种生态措施，能显著提升篱带区域中的土壤粘粒和水稳性团聚体比例，同时减少大于 0.25mm 的土壤团聚体的破坏率，这一过程有助于提高土壤的抗蚀能力。此外，定植植物篱可以增加耕作层的细微颗粒物质，降低土壤的密度，进而优化土壤的分形维数，提高其透气性和含水量。

　　土壤抗蚀性是土壤抵抗地表径流冲刷和破坏的能力，影响土壤可蚀性变化的主要因素包括土壤质地、结构、有机质含量、团聚体含量、渗透性和稳定性、凋落物密度、植被根系质量密度等。以往土壤抗蚀性的研究多集中于黄土高原，较少涉及植物篱作用下紫色土坡耕地抗蚀机理方面的研究。本文以西南地区常见的水土保持植物香根草和新银合欢为研究对象，采用主成分分析法从多项理化指标筛选出贡献度最大的指标，并对不同坡度和不同类型植物篱条件下紫色土的抗蚀性进行综合评价，深入分析不同植物篱和不同坡度的抗蚀性大小，以期选择合理的植物篱配置措施，为当地的水土流失治理及农业生产提供理论依据。

　　1 研究区概况

　　坡耕地小区位于 105°28′49″E~105°28′50″E，30°21′42″N~30°21′43″N，属亚热带湿润季风气候，海拔为 288~331m。多年平均气温为 17.4℃，极端高温达到 40.3℃，极端低温则为 - 3.8℃。雨季通常出现在 5—9 月，该地区的多年平均降水量为 993.3mm，最大降雨量为 1371.4mm，最小降雨量为 736.7mm，多年平均蒸发量为 860.5mm，多年平均相对湿度为 79%，多年平均霜日为 12.1d。土壤是由侏罗系遂宁组的砂层岩和泥岩经风化形成的紫色土，土壤质地受母质岩组合的支配和制约，土壤母质性强，碳酸盐反应剧烈，土性偏沙，有机质含量低，土壤肥力中等偏下，具有较弱的抵御水土流失能力。主要乔木树种为柏木 (Cupressus funebris)、马尾松 (Pinus massoniana) 以及桤木 (Alnus cremastogyne)，种植农作物以小麦 (Triticum aestivum L.)、大豆 (Glycine max (L.) Merr.) 以及花生 (Arachis hypogaea L.) 为主。

　　2 材料与方法

　　2.1 试验地设计和样品采集

　　径流小区 (长 20m× 宽 5m) 四周修建了混凝土挡板，挡板地上和地下分别为 20cm 和 30cm。所有小区均单季顺坡常规种植玉米，2010 年 4 月移植了高度为 30cm 的新银合欢、香根草植物篱，栽种行距为 20cm。成熟后，新银合欢高度约为 120cm，香根草高度约为 60cm，每年冬季剪掉地上部分以促使其重新生长。为了消除施肥对试验结果的影响，所有小区的施肥时间和施肥量均保持一致。小区上坡、中坡和下坡各布置一道植物篱带。2015 年 7 月在径流小区进行了植物篱和对照小区土样采集，采样使用了自制原状土取样器和环刀，为了保证取样均匀性，每个采样点采集土样约 0.5kg。其中，Ⅰ 区为 15° 香根草植物篱样区;Ⅱ 区为 15° 对照样区;Ⅲ 区为 10° 新银合欢植物篱样区;Ⅳ 区为 10° 对照样区;Ⅴ 区为 10° 香根草植物篱样区。下文分析中坡耕地小区均使用上述罗马数字代替。

　　2.2 测试方法

　　按照美国农业部的颗粒组成标准分为黏粒 (小于 0.002mm)、粉粒 (0.002~0.05mm)、砂粒 (0.05~2.0mm)，采用比重计法测定;有机质 (SOM) 采用重铬酸钾容量法测定，参考土壤农化分析手册，风干性团聚体采用干筛法测定，水稳性团聚体采用湿筛法测定。

　　2.3 土壤抗蚀性分析方法

　　2.3.1 指标体系构建

　　通过实验分析结果计算出各坡耕地小区的各项指标，MWD (Mean Weight Diameter of Water-stable Aggregates) 为水稳性团聚体平均重量直径、GMD (Geometric Mean Diameter) 为几何平均直径、PAD (Percentage of Aggregate Destruction) 为团聚体破坏率、(Erodibiliy hde) 为可蚀性指数等，并给出了具体计算公式。

　　2.3.2 数据标准化处理

　　在对土壤各抗蚀性指标进行主成分分析前，需要对数据进行标准化处理，使不同特征变量具有相同尺度，并给出了计算公式。

　　2.3.3 主成分分析

　　目前学术界对评估土壤抗蚀性的指标众多，其中许多指标存在信息重叠，主成分分析是一种重要的降维方法，能够保留数据最重要的特征。本文选用了 4 大类 11 个指标对土壤抗蚀性进行分析，指标分别为：T₁为粉粒含量，T₂为小于黏粒含量，T₃为结构性指数 (T₂/T₁)，T₄为 Kcpiic 指数，T₅为大于团聚体破坏率，T₆为大于团聚体破坏率，T₇为大于水稳性团聚体含量，T₈为大于 0.5mm 水稳性团聚体含量，T₉为平均重量直径 MWD，T₁₀为几何平均直径 GMD，T₁₁为有机质。

　　本研究通过对不同植物篱和坡度条件下土壤抗蚀性能指标进行主成分分析 (PCA)，旨在精简和优化土壤抗蚀性的评估指标。通过 PCA，提取能够解释超过 80% 总变异信息的关键指标，最终将土壤抗蚀性能指标简化为两个主要成分。若初步提取的成分因子载荷差异不显著，本研究采用最大方差旋转方法进一步优化指标表征。综合指标的构建基于特征值和向量，计算土壤抗蚀性的综合表达式。在综合指数的计算中，采用方差贡献率作为权重，得出各研究的土壤抗蚀性指数 SERI (Soil Erodibility Resistance Index) 综合得分。

　　3 结果与分析

　　3.1 植物篱对紫色土坡耕地土壤颗粒组成的影响

　　植物篱根系能够改良土壤结构，提升土壤抗蚀能力，土壤理化性质对抗蚀性的影响至关重要。有机质和粘土含量是反映土壤抗蚀性的有效指标。在 10° 坡耕地小区粉粒含量及黏粒含量显著高于小区 (P<0.05)：15° 坡耕地中 I 小区粉粒含量显著高于小区 (P<0.05)。植物篱能显著提升土壤粉、黏粒含量。

　　3.2 植物篱对紫色土坡耕地土壤水稳性团聚体的影响

　　水稳性团聚体的平均质量直径 MWD 和平均几何直径 GMD 被作为衡量土壤抗蚀能力的定量指标。与 IV 小区相比，Ⅲ 小区和 Ⅴ 小区的大于 0.5mm 水稳性团聚体含量分别增加了 32.16% 和 122.04%，而大于 0.25mm 的水稳性团聚体含量分别增加了 40.72% 和 100.14%。在 15° 坡耕地上，香根草植物篱小区大于 0.25mm 和大于 0.5mm 水稳性团聚体含量分别较对照小区增加了 51.19% 和 82.69%。土壤团聚体的破坏率与土壤结构的完整性成反比。在 10° 和 15° 小区上，有植物篱的小区的团聚体破坏率 (PAD) 显著低于对照小区，与已有研究基本一致。

　　3.3 植物篱对紫色土坡耕地土壤有机质及可蚀性 K 值的影响

　　根据 Williams 等提出的 EPIC 模型，土壤可蚀性 K 值被作为评价土壤抗蚀性的一个重要依据。在 10° 坡耕地，香根草植物篱小区的 K 值显著高于对照小区;而新银合欢植物篱小区则略高于对照小区。在 15° 坡耕地上，香根草植物篱小区与对照小区间没有显著差异 (P>0.05) 说明随着坡度的增加植物篱对土壤的抗蚀性影响减小。

　　与对照小区相比，Ⅲ 小区和 Ⅴ 小区的土壤有机质含量分别增加了 46.45% 和 61.28%，Ⅰ 号区域较 Ⅱ 号对照小区增加了 38.66%，且达到显著性水平。

　　3.4 植物篱措施对紫色土坡耕地土壤抗蚀性影响

　　土壤抗蚀性能的指标体现了土壤抵抗径流侵蚀，保持颗粒稳定的能力，此能力主要由土壤颗粒与水分的相互作用决定。本项研究利用主成分分析 PCA 方法，通过各处理方法将不同小区的土壤抗蚀性 SERI 进行分析评估。进一步对比坡耕地不同管理措施下的土壤抗蚀性表现，并分析这些措施对提高土壤抗蚀性的影响。

　　主成分 1 和 2 的特征值分别为 7.08 和 2.02，分别解释了 64.4% 和 18.3% 的变异，累积贡献率为 82.7%，超过了 80% 的阈值，表明这 2 个主成分能够代表土壤侵蚀抗性评估体系。主成分中变量 T₇、T₈和 T₁₀显示出较大的贡献;T₅对侵蚀性产生负面效应其值的增加加剧了土壤的脆弱性。主成分中变量 T₃和 T₄对土壤抗蚀性有显著影响，其中 T₄值增强了抗蚀性，而 T₃则产生负面效应。利用特征向量矩阵和特征值作为系数，得出了相应公式。使用方差贡献率 λᵢ(i=1,2) 为权重，计算土壤抗蚀性的综合指数，并给出了计算公式。由 λ₁=64.4、λ₂=18.3 可以推算出 X=0.78X₁+0.22X₂，数据比较后土壤抗蚀性的综合排名为 V 小区 > I 小区 > III 小区 > II 小区 > IV 小区。在 10° 耕作地，Ⅰ 小区的抗蚀性综合指数较 Ⅱ 小区提高了 1.33;而 Ⅲ 小区和 Ⅴ 小区分别比 Ⅳ 小区高 0.86 和 2.06。Ⅴ 小区的抗蚀性综合指数较 Ⅲ 小区提升了 1.20，表明香根草植物篱较新银合欢植物篱的土壤抗蚀性效益更高。

　　另外，在香根草植物篱的条件下，10° 坡耕地土壤抗蚀性指数显著高于 15° 坡耕地。在无植物篱的条件下，10° 和 15° 坡耕地土壤抗蚀性并无明显差异，表明植物篱的作用超过了坡度变化对土壤侵蚀的影响。

　　植物篱的根系和枝叶通过机械阻挡减缓径流冲刷，在不同小区部位产生土壤抗蚀性的差异。10° 和 15° 香根草植物篱小区，植物篱下侧土壤抗蚀性综合指数分别较上侧提高了 33.97% 和 49.38%。同时，10° 新银合欢植物篱小区下侧土壤抗蚀性综合指数较上侧提高了 7.32%。然而对照组的对应位置无明显差异，这主要由于植物篱的机械阻拦作用降低了下侧径流流速，使得更多粉黏粒和水稳性团聚体未被携带走。

　　4 讨论

　　4.1 紫色土区坡耕地土壤抗蚀性指标

　　有机质含量和粘土含量是评价土壤抗蚀性的关键指标，此外，水稳性团聚体含量、分形维数、平均质量直径和水稳性团聚体含量也可用于评估土壤抗蚀性。通过这些指标的分析，可以科学评估坡耕地在不同条件下的抗蚀性。紫色土易受风化和侵蚀破坏，保水保土能力较差，但具有较高的生产力。评估紫色土剥蚀、搬运和沉积时，关注土壤可蚀性是关键指标之一;坡耕地通常是流域中最容易受到侵蚀的地区。在紫色土区域，EPIC 模型更适用于估算土壤可蚀性 K 值。决定土壤抗蚀性的因素包括有机质、孔隙度、容重、团聚体等。评价土壤抗蚀性的方法有很多，例如利用模糊隶属度函数模型和土壤几何平均粒径计算土壤可蚀性指数。土壤可蚀性和土壤抗侵蚀性描述了土壤在侵蚀过程中的特点，二者区别在于评估方式、量化特点和依托模型。土壤可蚀性可以通过量化方法评估，而土壤抗蚀性则只能进行定性比较，无法用具体数值表示。

　　4.2 植物篱对土壤性质的影响

　　植被篱防止土壤侵蚀和固土作用归因于其密集地表覆盖和表层土壤中纤维状根系的协同效应。尽管对于地表部分的作用已有较多研究并形成共识，但根系在水土保持、坡面稳定及坡度固定方面的功能则是一个涉及众多因素的复杂过程。改变发生在离植物根部的范围内，一般称为植物根际，具体的范围取决于植物的根系结构、深度和密度等因素。植物的生长状况、生长年限以及管理措施都会令植物对土壤性质产生影响。例如，健康生长的植物通常能够更好地利用土壤中的养分和水分，从而对土壤产生积极影响。同时，不同类型的植物对土壤的改变方式也会有所不同。一些植物可以增加土壤有机质含量、改善土壤结构，而其他植物可能会释放化学物质导致土壤酸化或碱化等。关于植物对土壤性质影响的不确定性，则取决于多个因素的相互作用，包括土壤类型、气候条件、植物特性等。因此，在不同的情况下植物对土壤性质的影响可能会具有一定的不确定性。针对特定情况的具体研究和实践经验可以提供更精确和可信的信息，同时综合考虑多个因素也是理解植物对土壤性质影响的重要方面。

　　4.3 植物篱对土壤抗蚀性的影响

　　植物篱可截留雨水、减少水流对土壤的冲刷，保护土壤表面覆盖层;其枝叶和茎秆也能够遮阳和保持表层土壤湿润，有助于维持土壤湿度，降低水分蒸发速率。茂密的植被还能抵挡风力、保护土壤完整性，进而提高土壤抗蚀性。植被根系系统通过提高土壤结构稳定性和孔隙度增强土壤抗冲刷和抗侵蚀能力。此外，植物根系作用也可通过促进土壤微生物的生长和活动，改善土壤透水性、通气性及水稳性团聚体含量。植物篱作为水土保持措施，可明显提高土壤抗蚀性。

　　5 结论

　　植物篱增加了土壤中水稳性团聚体和黏粒含量，而降低了团聚体破坏率;水稳性团聚体、粉黏粒和有机质对土壤抗蚀性具有显著促进作用。香根草和新银合欢植物篱的上部抗蚀性均显著低于下部;香根草小区的土壤抗蚀性优于新银合欢小区;且随坡度增加土壤抗蚀性增加。综上所述，香根草植物篱可作为川中丘陵区水土保持的有效措施。

黄 鑫;郑江坤;任雨之;陈 鑫;王文武,四川农业大学林学院;水土保持与荒漠化防治四川省高校重点实验室;遂宁水土保持试验站,202401