重慶丘陵山地耕作田塊修筑的土壤工程效應(yīng)研究.pdf

1、土壤工程是人口、資源及環(huán)境嚴(yán)峻壓力背景下，為保障糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展而發(fā)展興起的一項(xiàng)重要措施。現(xiàn)代土壤工程是利用現(xiàn)有土壤資源或?qū)ΜF(xiàn)有土壤資源進(jìn)行保護(hù)、治理、改造、調(diào)控的整合工藝技術(shù)，涵蓋范圍較寬泛，其中就包括耕作田塊修筑。耕作田塊是由田間末級(jí)固定溝、渠、路及田坎等圍成的田（地）塊，是田間作業(yè)的基本單元。耕作田塊修筑是指按照一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所開(kāi)展的耕地田（土）面平整和埂坎建設(shè)的工程措施，其目標(biāo)是改善耕地破碎化、增加有效耕地面積以及提高土

2、壤質(zhì)量。耕作田塊修筑打破了原有的自然條件、經(jīng)濟(jì)環(huán)境及社會(huì)屬性，勢(shì)必對(duì)工程區(qū)域內(nèi)的田塊、土壤、生態(tài)環(huán)境等造成不同程度的影響，而這些影響有可能阻礙工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前，關(guān)于耕作田塊修筑效應(yīng)的研究已逐漸由先前的定性研究轉(zhuǎn)向定量方面的分析?；谕寥佬再|(zhì)的復(fù)雜性，學(xué)者們對(duì)耕作田塊修筑下的土壤物理特性、土壤養(yǎng)分性質(zhì)的變化進(jìn)行了一些研究，但是，在這方面的定量研究仍然較少且不夠完善。土壤工程過(guò)程其實(shí)就是人為土壤形成過(guò)程，人類(lèi)主觀改造土壤以適應(yīng)人類(lèi)需要的

3、過(guò)程。重慶丘陵山地特殊的地質(zhì)地貌、相對(duì)貧瘠的土地資源及破碎分散的田塊分布，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)規(guī)?；?、機(jī)械化水平低下的根本原因，同時(shí)該地區(qū)也已成為我國(guó)耕作田塊需要大力改造的區(qū)域之一。本研究以重慶丘陵山地耕作田塊修筑為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析工程改造前后的田塊特征、土體結(jié)構(gòu)特征、土壤物理化學(xué)性質(zhì)、土壤發(fā)生學(xué)特征、新改土侵蝕特性等方面的變化情況，來(lái)探討耕作田塊修筑的土壤工程效應(yīng)，為該區(qū)域農(nóng)地整理健康有序發(fā)展、農(nóng)業(yè)規(guī)?；F(xiàn)代化生產(chǎn)提供依據(jù)。獲得的主要研究結(jié)

4、果如下：
　　1.耕作田塊修筑下的田塊特征變化
　　通過(guò)對(duì)重慶丘陵山地不同局地地貌類(lèi)型區(qū)（緩丘平壩、丘陵寬谷與低山丘陵）6個(gè)耕作田塊修筑工程區(qū)改造前后田塊特征的分析，得到結(jié)論如下。3個(gè)地貌類(lèi)型區(qū)中，耕作田塊修筑對(duì)緩丘平壩工程區(qū)耕地破碎化程度的改善作用最大，丘陵寬谷區(qū)次之，低山丘陵區(qū)最弱。
　　經(jīng)過(guò)工程改造，6個(gè)工程區(qū)的平均田塊規(guī)模發(fā)生了不同程度的提高，緩丘平壩工程區(qū)的提升幅度最大（2~4倍），丘陵寬谷工程區(qū)的提升幅度最

5、小。局地緩丘平壩工程區(qū)通過(guò)耕作田塊修筑提高田塊規(guī)模的潛力較大。耕作田塊修筑能明顯減小重慶丘陵山地土地規(guī)模<0.1hm2田塊的數(shù)量，但是該地區(qū)田塊要達(dá)到平原地區(qū)的機(jī)械耕作要求仍然十分困難。經(jīng)過(guò)工程改造，田塊規(guī)模的變異系數(shù)在緩丘平壩工程區(qū)與丘陵寬谷工程區(qū)都降低，而在低山丘陵工程區(qū)反而增大，說(shuō)明耕作田塊修筑在低山丘陵工程區(qū)受到限制，并不能將所有小而碎的田塊合并為大田塊，從而使得改造后的田塊大小差異反而更大。工程改造前的田塊形狀多具有弧度，改造

6、后田塊形狀變得稍規(guī)整，以長(zhǎng)方形、梯形與多邊形為主。改造后緩丘平壩工程區(qū)的田塊形狀最規(guī)整，低山丘陵工程區(qū)的田塊形狀則相對(duì)最不規(guī)整。緩丘平壩工程區(qū)受到的人為干擾強(qiáng)度最大，而低山丘陵區(qū)由于地形起伏的影響，田塊的規(guī)整難度較大，所受人為干擾的強(qiáng)度相對(duì)較小。6個(gè)工程區(qū)的Simpon指數(shù)都較高（>0.95），指示了重慶丘陵山地耕地破碎化的嚴(yán)重程度。與研究區(qū)改造前相比，Simpon指數(shù)減小，耕地破碎化得到改善。田塊面積的空間自相關(guān)分析結(jié)果表明，各研究區(qū)

7、的田塊空間分布以正相關(guān)性為主；經(jīng)過(guò)工程改造，6個(gè)區(qū)域的Moran’s I數(shù)值都得到提升，緩丘平壩工程區(qū)的空間正相關(guān)性提高程度最大。
　　鑒于丘陵山區(qū)能達(dá)到的田塊土地規(guī)模有限，為更好地反映區(qū)域耕地破碎化程度的變化情況，可以首先在不同大地貌區(qū)設(shè)定滿(mǎn)足區(qū)域農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)要求的田塊土地規(guī)模最大值，然后在此基礎(chǔ)上，確定一個(gè)以地貌屬性特征值為參照的耕地破碎化指標(biāo)。
　　2.耕作田塊修筑下的土壤性質(zhì)變化
　　通過(guò)對(duì)耕作田塊修筑前后的

8、土壤剖面性質(zhì)進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論。耕作田塊修筑使得土壤剖面發(fā)生層結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)等在不同短期工程改造年限下（1月、7月、19月）發(fā)生了不同程度的變化。
　　對(duì)研究區(qū)工程改造前的土壤特性分析可知，紫色坡積物發(fā)育的水田剖面比紫色沖積物發(fā)育的同類(lèi)型水田剖面具有更好的土壤理化性質(zhì)；這是由于紫色沖積物發(fā)育水田風(fēng)化成土作用較淺，且長(zhǎng)期淹水，團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差。同種母質(zhì)下，土壤理化性質(zhì)由差到好的排序?yàn)椋憾嗄陚鹘y(tǒng)旱地剖面<水改旱剖面<多年傳

9、統(tǒng)水田剖面。旱地土壤團(tuán)聚體指標(biāo)、土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的單相關(guān)性弱于水田土壤。土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間具有很好的單相關(guān)關(guān)系，土壤顆粒分形維數(shù)比土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)與土壤顆粒具有更密切的相關(guān)關(guān)系。
　　耕作田塊修筑實(shí)施后，土壤剖面的發(fā)生層次沒(méi)有改造前明晰，且發(fā)生了多方面的改變。土壤剖面層次數(shù)量總體比改造前減少，并且土壤剖面發(fā)生層結(jié)構(gòu)發(fā)生了4種類(lèi)型的改變，即剖面層次不變類(lèi)、剖面層次增減類(lèi)、剖面層次替換類(lèi)及剖面層次換序類(lèi)。耕作

10、田塊修筑使得表土層（A層）土壤性質(zhì)發(fā)生顯著變化。修筑區(qū)（1月）表土層厚度、容重顯著提高69.18％和14.63%，粉粒含量、有機(jī)質(zhì)顯著減少14.16%和24.95%，PAD顯著增加58%，有效水分庫(kù)顯著提高92.36%，土壤有效養(yǎng)分庫(kù)略有增大。修筑區(qū)（7月）表土層厚度均值顯著增加到25cm，礫石含量顯著增加為5.64‰，有效水分庫(kù)比改造前顯著提高102.96%，土壤有效養(yǎng)分庫(kù)增大。修筑區(qū)（19月）表土層砂粒顯著減少22.4%，粉粒和粘粒

11、分別顯著增加26.39%和28.76%，有機(jī)質(zhì)和 CEC（土壤陽(yáng)離子交換量）顯著高于改造前9.59%和13.84%，PAD（土壤團(tuán)聚體破壞率）顯著降低33.22%，MWD（土壤團(tuán)聚體平均重量直徑）比改造前顯著提高97.08%，土壤有效養(yǎng)分庫(kù)增大。改造年限為1月時(shí)，耕作田塊修筑對(duì)土壤性質(zhì)的不利影響較多；當(dāng)改造年限為7個(gè)月時(shí)，表土層土壤性質(zhì)空間變異性變化不大，但大部分土壤性質(zhì)指標(biāo)改造前后差異不顯著；改造年限為19個(gè)月時(shí)，土壤性質(zhì)的變化有向良

12、性發(fā)展的趨勢(shì)。3個(gè)區(qū)域表土層土壤性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系在改造后都發(fā)生了變化，但這種變化在短期改造年限上并不具有規(guī)律性。耕作田塊修筑對(duì)深層土壤性質(zhì)的影響程度低于表土層，最顯著的影響表現(xiàn)在：隨著改造年限推移，團(tuán)聚體性質(zhì)先變差后提高，而土壤有效磷庫(kù)增加。
　　3.耕作田塊修筑與客土工程協(xié)同下的土壤性質(zhì)變化
　　通過(guò)分析耕作田塊修筑與客土工程協(xié)同（簡(jiǎn)稱(chēng)“客土改造工程”）下的土壤基本理化性質(zhì)與土壤發(fā)生學(xué)特性的變化，得到結(jié)論如下?？屯粮脑旃こ?/p>

13、改善了覆土區(qū)表土層的土壤理化性質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)，改變了表土層主要成土元素的組成，雖未改變土壤化學(xué)風(fēng)化等級(jí)，但改變了其化學(xué)風(fēng)化狀態(tài)。
　　客土改造工程使坡耕地土層增厚，且在改造后的5年內(nèi)保持穩(wěn)定（24cm）。通過(guò)客土改造工程，覆土區(qū)表土的粘粒含量增加，砂粒含量減小，土壤pH值受到的影響相對(duì)小，土壤養(yǎng)分含量得到顯著提高。在5a改造年限內(nèi)，客土工程的協(xié)同促進(jìn)了耕作田塊修筑對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善作用。當(dāng)工程改造年限為1a時(shí)，土壤受到的客土工程影

14、響仍然較深刻，土壤理化性質(zhì)的改善十分明顯；當(dāng)工程改造年限為5a時(shí)，土壤受到的客土工程影響被逐漸削弱，主要受人為耕作的影響，土壤理化性質(zhì)提升幅度較小。工程改造1a后，土壤各成土元素含量介于原土元素含量與客土元素含量之間。工程改造5a后，覆土區(qū)土壤的主要成土元素含量發(fā)生了進(jìn)一步變化，SiO2和 MgO含量降低，而其它元素含量略有增加。對(duì)比各化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)可知， CIA對(duì)紫色土的指示程度最好，Parker指數(shù)（WIP）的指示作用最差?？屯粮脑旃?/p>

15、程1a后，覆土區(qū)土壤的化學(xué)風(fēng)化等級(jí)未變，仍然是斜長(zhǎng)石風(fēng)化及 Na、Ca、Mg的淋失階段，中低等風(fēng)化程度，但化學(xué)風(fēng)化狀態(tài)發(fā)生了改變，其狀態(tài)介于原表土與取土區(qū)表土之間。隨著改造年限增加到5a，土壤CIA值反而略有減小、Na/K比略有增大，化學(xué)風(fēng)化狀態(tài)漸向原土化學(xué)風(fēng)化狀態(tài)還原，這說(shuō)明隨著年限增加，客土工程對(duì)原土化學(xué)風(fēng)化狀態(tài)的影響被削弱。
　　客土改造工程改變土壤發(fā)育過(guò)程，為土壤分類(lèi)提供了新思路。盡管WRB中提出了人為土與工程技術(shù)土，但是

16、并沒(méi)有涉及人為工程改土方式的內(nèi)容。因而，人為土的范疇和分類(lèi)有待進(jìn)一步研究，可以考慮加入耕作田塊修筑與客土等人為工程改土情形，并且可以設(shè)想進(jìn)行人為土和工程技術(shù)土相結(jié)合滲透的土壤分類(lèi)研究。
　　4.耕作田塊修筑下的新改土侵蝕特征
　　耕作田塊剛經(jīng)過(guò)工程改造，土體尚處于非穩(wěn)定期的土壤可被稱(chēng)為“新改土”。設(shè)置6個(gè)10°不同田面寬度的試驗(yàn)小區(qū)，通過(guò)對(duì)自然降雨條件下各小區(qū)新改土的水土流失情況分析，得到如下結(jié)論。工程新改土處于土體非穩(wěn)定期

17、，與穩(wěn)定土體相比，不同田面寬度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程更加復(fù)雜，且與某一因素的單相關(guān)關(guān)系較弱。
　　降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量與土壤流失量的影響尤為深刻；大雨強(qiáng)條件下，小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙都急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小雨強(qiáng)時(shí)的徑流量與土壤流失量；因而新改土在非穩(wěn)定期遇到大雨強(qiáng)降雨事件是十分不利的。低降雨量、弱雨強(qiáng)條件都可以使新改土的土壤流失量發(fā)生“徑流退化”現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在30m、40m田面寬度小區(qū)的值小于20m田面寬度小區(qū)。
　　經(jīng)歷工程改造后的一個(gè)汛期

18、，各小區(qū)的土壤性質(zhì)發(fā)生了變化。在上坡部位，表土砂粒含量增加9%~20%，而粘粒含量明顯減??；在下坡部位，粘粒含量增加3%~18%，砂粒含量明顯降低；中坡部位的土壤顆粒組成變幅最小。大團(tuán)聚體受到了破壞，而微團(tuán)聚體相應(yīng)地增加。土壤容重增加量在0.02 g/cm3~0.13 g/cm3之間，下坡增加量>上坡增加量。土壤有效水分庫(kù)的變化范圍為-0.61 mm~-1.92 mm，其變化規(guī)律與容重呈反相關(guān)。降雨侵蝕土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，隨著田面

19、寬度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；有機(jī)質(zhì)的減少量在坡位上的變化規(guī)律為：上坡>中坡>下坡。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量在汛期后都降低，土壤有效養(yǎng)分減少量上坡>中坡>下坡。新改土流失泥沙的顆粒組成特征及養(yǎng)分特征隨田面寬度變化具有較好的規(guī)律性。新改土泥沙顆粒組分中，0.02-0.002 mm粉粒占主導(dǎo)，范圍為40.76%~58.29%；除40m田面寬度小區(qū)外，隨著田面寬度的增加，砂粒含量呈增大趨勢(shì)，粉粒含量呈減小趨勢(shì)。各小區(qū)流失泥沙的微團(tuán)

20、聚體均以0.02-0.002 mm組份為主，5m田面寬度小區(qū)比例最大（66.08%），50m田面寬度小區(qū)比例最小。泥沙堿解氮、有效磷、速效鉀值變化隨田面寬度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在5m田面寬度小區(qū)值最大，30m田面寬度小區(qū)值最小。
　　綜上所述，重慶丘陵山地耕作田塊修筑下，田塊特征、土壤理化性質(zhì)、土壤成土特性、新改土侵蝕特征都受到不同程度的影響。耕作田塊修筑使得耕地破碎化得到改善，且對(duì)局地緩丘平壩工程區(qū)的影響最深刻。傳統(tǒng)