全 文 ：中国生态农业学报 2014年 11月 第 22卷 第 11期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2014, 22(11): 1310−1317


* 国家自然科学基金项目(31160269)、“十二五”《循环农业科技工程》(2012BAD14B03)和甘肃省干旱生境作物学重点实验室–省部共建
国家重点实验室培育基地开放基金课题(09)资助
** 通讯作者: 张仁陟, 主要研究方向为保护性农业、节水农业和恢复生态学等。E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn
吴丽丽, 主要从事生态学和生态网络方面的研究。E-mail: wull@gsau.edu.cn
收稿日期: 2014−03−23 接受日期: 2014−06−18
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.140343
紫色丘陵区坡耕地生物埂的土壤抗蚀性综合评价*
吴丽丽 1,2,3,4 张仁陟 1,2,3** 康立军 4
(1. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070; 2. 甘肃省节水农业工程技术研究中心 兰州 730070;
3. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070; 4. 甘肃农业大学信息科学技术学院 兰州 730070)
摘 要 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。
关键词 紫色丘陵区 生物埂 土壤抗蚀性 保护性耕作模式 水土保持措施
中图分类号: S181 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)11-1310-08
Comprehensive evaluation of soil erosion durability of bio-banks
on slope lands in purple hilly areas
WU Lili1,2,3,4, ZHANG Renzhi1,2,3, KANG Lijun4
(1. College of Resources and Environment Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Water-saving
Agricultural Engineering Technology Research Center, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Provincial Key Lab of Arid Land Crop
Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 4. School of Information Science and Technology, Gansu
Agricultural University, Lanzhou 730070, China)
Abstract Using bio-banks on sloppy farmlands in purple hilly areas as the study objects, this paper conducted a comprehensive
evaluation of the durability of soil erosion of different kinds of bio-banks. The paper used data from field surveys and indoor analyses
to explore the anti erodibility of four types of bio-banks of mulberry, Chinese prickly ash, alfalfa and natural grass on sloppy
farmlands in purple hilly areas. The result showed that: 1) bio-banks effectively increased soil moisture and organic matter content,
and better improved soil structure. The bio-banks with woody plants showed more obvious effects than those with herbaceous plants.
2) Among the four indicator categories of evaluation of soil erosion durability, water stable aggregate indicators had the highest
variability — with range of 46.84%–22.81% and average of 31.10%, followed by micro-aggregate indicators — with range of
41.08%–20.55% and average 30.97%, and then organic matter content — with average of 17.11%; 3) Principal component analysis
suggested that the 13 indicators characterizing the durability of soil erosion in the study area were optimized into four indicators —
>0.5 mm water stable aggregate content, aggregate dispersion rate, water stable index and <0.001 clay particle content; 4) The
comprehensive index of the durability of soil erosion of four bio-banks on sloppy farmland was ranked as follows — Chinese prickly
ash bio-bank > mulberry bio-bank > alfalfa bio-band > natural grass bio-bank. And their erosion durability was ranked as: Chinese
prickly ash bio-bank > mulberry bio-bank > alfalfa bio-bank > natural grass bio-bank. The results laid the basis for improving the evalua-
第 11期 吴丽丽等: 紫色丘陵区坡耕地生物埂的土壤抗蚀性综合评价 1311


tion indicator system of the durability of soil erosion at local, regional and global scales, and choice of water and soil conservation measures.
Keywords Purple hilly area; Bio-bank; Soil erosion durability; Conservation tillage mode; Water and soil conservation
measure
(Received Mar. 23, 2014; accepted Jun. 18, 2014)
水土流失是世界上的首要环境问题, 是中国生
态安全的最大隐患之一 [1], 也是长江流域最主要的
生态环境问题[2]。水土流失降低了当地土地生产力,
造成土壤质量退化, 严重制约了区域资源、经济和
社会的可持续发展[3]。在西南地区水土流失问题尤
其突出 , 紫色土是我国西南地区主要的土壤类型 ,
占我国土壤面积的 2.2%, 西南紫色丘陵地区 1/3 以
上耕地土壤属于幼年岩性紫色土, 抗蚀性弱, 夏季
大暴雨频繁, 水土流失量大[4]。生物埂作为当地一种
保护性耕作模式和典型的坡耕地水土保持措施, 具
有降低地表径流峰速、控制泥沙流失、改善土壤理
化性质的作用 [5], 因此 , 在该地区开展生物埂措施
下的土壤抗蚀性研究具有重要的现实意义。
土壤抗蚀性是评估土壤抵抗侵蚀能力的重要参
数之一, 其大小与土壤理化性质密切相关。生物埂
能有效改善土壤理化性质, 维持土壤稳定性, 关于
生物埂在治理紫色丘陵区水土流失的应用报道较
多。汪三树等[6]研究了紫色丘陵区坡耕地生物埂的
土壤结构稳定性与抗蚀性, 认为桑树地埂与花椒地
埂能有效维持土壤稳定性。也有学者对花椒地埂林
土壤抗蚀性进行了研究, 认为花椒地埂具有显著的
固埂保土效益。但以上研究主要是根据经验选择其
中的某些土壤抗蚀性指标进行分析, 不能全面评估
其抗蚀性特点, 也未对不同类型生物埂措施的抗蚀
效果进行比较。本文以紫色丘陵区几种典型生物埂
模式为研究对象, 深入分析比较不同生物埂措施下
土壤抗蚀性大小, 以期为选择合理的坡耕地生物埂
配置模式, 更好地保护坡耕地水土资源和土地生产
力提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验所用桑树(Morus alba L.)品种为‘剑持’, 所用
苗木取自西南大学桑蚕研究所 ; 花椒 (Zanthoxylum
bungeanum Maxim.)品种为‘贡椒’, 所用苗木取自重
庆北碚静观镇; 紫花苜蓿(Medicago sativa L.)品种
为‘公农 1号’, 种子取自西南大学农学部。
1.2 研究区概况
研究区位于重庆市西南大学紫色丘陵区坡耕地
水土流失监测基地, 地处东经 106°26′, 北纬 30°26′,
海拔230 m, 年平均气温18.3 ℃, 年降雨量1 105 mm,
5—9月的降雨量占全年雨量的 70%, 处于北碚中部,
土壤为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母
质上发育的中性紫色土。
1.3 试验设计
根据紫色丘陵区农业生产结构特点, 将桑树、
花椒和紫花苜蓿分别等高布置在坡耕地台面外侧形
成坡耕地生物埂, 以自然生草{狗尾草[Setaria viridis
(L.) Beauv.]为主}埂为试验对照, 于 2005 年种植单
行桑树和花椒 2 种木本护埂, 条播紫花苜蓿作为草
本护埂, 生物埂面宽 0.3~0.5 m, 坡耕地台面按照当
地常规农业配置以玉米套红苕耕种。具体情况见图
1和表 1。
1.4 研究方法
1.4.1 样品采集
2012 年 5 月, 在研究区分别选取桑树埂、花
椒埂标准株 3棵, 自坡耕地的地埂向田面内侧方向
30 cm处设置采样点; 选取紫花苜蓿埂、自然生草埂
各 3 个条件基本一致的典型采样点。在每个采样点
用 100 cm3环刀采取 0~20 cm土层土壤样品, 并在相
应位置采集土壤散样 1~2 kg带回实验室进行理化性
质分析。
1.4.2 土壤抗蚀性指标选取
在对已有成果分析的基础上, 结合紫色丘陵区
特点, 本文参考相关文献共选取 4大类 13个指标对
坡耕地 4种生物土壤埂进行抗蚀性综合评价[6−7]。各
指标计算均采用常规计算[8−9], 见表 2。
机械组成、微团聚采用吸管法测定; 土壤团粒
组成采用干筛与湿筛法测定; 土壤有机质采用重铬
酸钾氧化法测定。水稳定性指数测定 : 选取粒径
7~10 mm土壤颗粒 50粒, 均匀放置在孔径 5 mm土
壤筛中, 然后静置于水中, 每隔 1 min记录崩解土粒
数, 连续记录 30 min, 然后根据文献所用方法计算
水稳性指数。
1.5 数据分析
试验数据采用 SPSS 17.0 和 Microsoft Excel
2010软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 生物埂土壤的基本理化性质特征
生物埂措施种植之前, 4个地埂主要以自然生草
1312 中国生态农业学报 2014 第 22卷



图 1 生物埂剖面图
Fig. 1 Bio-bank profile
2005年之前4个地埂主要以自然生草为主, 没有人为干扰活动, 4个地埂自然生草的生长情况和土壤情况基本一致; 自然生草埂一直保持
自然状态, 其他3种生物埂于2005年建植。Four ridges were dominated by wildly growing grass before 2005 without human disturbances. The growth
of wildly growing grass on four ridges was basically consistent with the soil conditions. The natural grass ridge was kept being under natural condition
all the time, other three kinds of bio-banks were constructed in 2005.
表 1 不同模式下坡耕地生物埂基本情况
Table 1 Basic situation of sloping land bio-bank under different models
生物埂
Bio-bank
株间距
Plant distance (m)
坡长
Slope length (m)
埂高
Bank height (m)
埂坎坡度
Slope of bank (°)
植被覆盖度
Vegetation coverage (%)
桑树 Mulberry 0.9 4.6 1.7 60.8 65.3
花椒 Prickly ash 0.9 5.2 1.5 61.5 74.8
紫花苜蓿 Alfalfa 0.2~0.4 5.3 0.8 80.5 80.2
自然生草 Natural grass — 5.6 1.2 77.3 48.6
表 2 土壤抗蚀性评价指标
Table 2 Evaluation indexes of soil anti erodibility
无机黏粒类
Inorganic clay class
微团聚体类
Micro-aggregate class
水稳性团粒类
Water stable aggregate class
有机胶粒类
Organic colloid
<0.05 mm粉黏粒含量(X1)
<0.05 mm silt clay content (X1)
团聚度(X9)
Degree of aggregation (X9)
>0.25 mm水稳性团粒含量(X4)
>0.25 mm water stable aggregate content (X4)
有机质(X13)
Organic matter (X13)
<0.001 mm胶粒(细黏粒)含量(X2)
<0.001 mm colloidal particles
(fine clay) content (X2)
分散率(X8)
Dispersion rate (X8)
>0.5 mm水稳性团粒含量(X5)
>0.5 mm water stable aggregate content (X5)

>0.25 mm团聚体破坏率(X6)
>0.25 mm aggregate destruction rate (X6)
平均重量直径(X11)
Mean weight diameter (X11)
结构性颗粒指数(X3)
Structural particle index (X3)
几何平均直径(X12)
Geometric mean diameter (X12)


>0.5 mm 团聚体破坏率(X7)
>0.5 mm aggregate destruction rate (X7)
水稳性指数(X10) Water stable index (X10)
结构性颗粒指数=细黏粒含量(<0.001 mm)/粉粒含量(0.001~0.05 mm), 团聚度=(>0.05 mm 微团聚体分析值−>0.05 mm 机械组成分析
值)/>0.05 mm微团聚体分析值。Structural particle index = fine clay particle content (<0.001 mm)/silt clay content (0.001−0.05 mm); degree of
aggregation = (>0.05 mm micro aggregate analysis value − >0.05 mm machinery rental analysis value)/>0.05 mm micro-aggregate analysis value.

为主, 没有人为的干扰活动, 4个地埂自然生草的生
长情况与土壤情况基本一致。随着试验的推进, 生
物埂措施作为该地区坡耕地常见水土保持农业措
施, 能有效防止土壤侵蚀 [10], 改善坡耕地土壤水分
状况[11], 改良土壤结构, 提高土壤抗蚀能力[6,12]。由
表 3 可知, 4 种生物埂的砂粒含量与粉粒含量较高,
分别为 41.96%~53.01%和 37.39%~47.19%, 黏粒含
量较低, 为 8.00%~12.54%, 这说明该地区生物埂土
壤质地类型属于粉壤土, 可很好地维持土壤结构稳
定性。生物埂土壤黏粒含量都低于 20%, 说明坡耕
地生物埂土壤矿质胶体含量较少, 减少了土壤团粒
间的黏聚力。与自然生草埂相比, 桑树埂、紫花苜蓿
第 11期 吴丽丽等: 紫色丘陵区坡耕地生物埂的土壤抗蚀性综合评价 1313


埂和花椒埂土壤含水量分别提高了 10.26%、7.39%和
35.76%, 呈显著增加(P<0.05)。4 种生物埂土壤容重
依次为紫花苜蓿埂>自然生草埂>桑树埂>花椒埂 ,
孔隙度规律与之相反, 说明木本梗(桑树梗和花椒梗)
比草本埂(紫花苜蓿埂)更能有效地改善土壤孔隙状
况。土壤有机质含量依次为花椒埂(4.74 g·kg−1)>桑树
埂(4.65 g·kg−1)>紫花苜蓿埂(4.08 g·kg−1)>自然生草
埂(3.19 g·kg−1), 说明生物埂有效提高了土壤有机质
含量, 改善了土壤结构。这可能由两方面的原因所
致, 一是坡面养分在发生水土流失条件下被搬移到
生物埂位置; 二是生物埂的枯枝落叶掉落地表, 在
土壤微生物的降解作用下形成大量有机质。
表 3 不同生物埂的土壤基本理化性质
Table 3 Physiochemical properties of soil of different bio-banks
机械组成 Mechanical composition (%) 生物埂
Bio-bank
含水率
Moisture
content (%)
有机质含量
Organic matter
content (g·kg−1)
容重
Bulk density
(g·cm−3)
孔隙度
Porosity
(%)
砂粒
Sand
粉粒
Silt
黏粒
Clay
桑树 Mulberry 9.99±1.86b 4.65±0.11a 1.48±0.14a 45.12±3.08b 44.82±3.86b 47.19±2.41a 8.00±1.12b
花椒 Prickly ash 12.30±2.32a 4.74±0.15a 1.22±0.23b 53.67±8.15a 53.01±4.01a 37.39±1.96b 9.60±1.36b
紫花苜蓿 Alfalfa 9.73±2.02b 4.08±0.10a 1.69±0.02a 38.25±2.04b 47.01±3.22a 41.59±2.56b 11.40±2.01a
自然生草 Natural grass 9.06±1.96b 3.19±0.13b 1.58±0.20a 41.81±4.11b 41.96±2.86b 45.50±3.22a 12.54±0.99a
不同小写字母表示处理间在 0.05水平上差异显著, 下同。Different small letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level.
The same below.

2.2 生物埂土壤的抗蚀性差异分析
土壤抗蚀性主要取决于表层土壤性质 , 故研
究表层土壤抗蚀性显得尤为重要。为弄清不同生
物埂土壤抗蚀性的差异 , 就其土壤抗蚀性进行了
方差分析。
经计算可知, 在 4 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 22.81%~
46.84%, 平均变异达 31.10%。其次为微团聚体类指
标, 变异范围为 20.55%~41.08%, 平均变异达 30.97%。
变异程度最小的为有机质, 平均变异 17.11%。
由表 4 分析可知 , 各指标对土壤侵蚀营力反
应的敏感程度不同。从无机黏粒类指标来看, <0.05 mm
粉黏粒含量在花椒埂与其他生物埂之间差异显著 ;
<0.001 mm 胶粒(细黏粒)含量在花椒埂与桑树埂之
间差异不显著, 在紫花苜蓿埂与自然生草埂之间差
异也不显著, 而与草本埂之间差异显著; 结构性颗
粒指数在桑树埂与其他生物埂之间差异显著, 其余
生物埂之间无明显差异。从微团聚体类指标来看 ,
>0.25 mm团聚体破坏率在桑树埂与花椒埂之间无明
显差异, 在紫花苜蓿埂与自然生草埂之间无明显差
异, 而木本埂与草本埂之间差异显著; >0.5 mm 团
聚体破坏率, 花椒埂与紫花苜蓿埂、自然生草埂之
间差异显著 , 与桑树埂之间差异不显著 ; 分散率 ,
花椒埂与紫花苜蓿埂和自然生草埂之间差异显著 ,
与桑树埂之间差异不显著; 团聚度, 桑树埂与花椒
埂之间、紫花苜蓿与自然生草埂之间差异不显著 ,
木本埂与草本埂之间差异显著。从水稳性团粒类指
标来看, >0.25 mm水稳性团粒含量在紫花苜蓿埂与
表 4 不同生物埂模式下土壤抗蚀性指标变化
Table 4 Soil erosion durability indexes of different bio-banks
生物埂类型 Bio-bank 抗蚀性指标
Erosion durability index 桑树 Mulberry 花椒 Prickly ash 紫花苜蓿 Alfalfa 自然生草 Natural grass
X1 (%) 55.19±5.32a 42.99±4.23b 52.99±7.01a 58.04±3.10a
X2 (%) 8.00±1.02b 9.60±2.31b 11.40±1.23a 12.54±2.11a
X3 0.17±0.04b 0.26±0.08a 0.27±0.04a 0.28±0.05a
X4 (%) 59.97±6.55b 69.29±5.33a 47.92±4.54c 41.32±5.62c
X5 (%) 38.88±4.88b 58.93±8.68a 33.53±4.56b 35.03±3.46b
X6 (%) 30.23±0.02b 18.81±0.05b 46.22±0.10a 50.48±0.06a
X7 (%) 40.27±0.11ab 25.36±0.05b 60.08±0.05a 55.87±0.08a
X8 (%) 53.91±0.14ab 43.45±0.09b 65.65±0.10a 69.48±0.07a
X9 (%) 60.87±0.13a 72.06±0.20a 44.31±0.16b 41.34±0.03b
X10 2.83±0.65a 3.61±1.01a 2.01±0.26b 2.05±0.34b
X11 1.40±0.47a 1.56±0.62a 0.80±0.08b 0.50±0.03b
X12 1.20±0.01a 1.30±0.02a 1.00±0.01a 0.63±0.05b
X13 (g·kg−1) 4.65±0.42a 4.74±0.12a 4.08±0.53a 3.19±0.57b
1314 中国生态农业学报 2014 第 22卷


自然生草埂之间差异显著, 在其他生物埂之间差异
均不显著; >0.5 mm水稳性团粒含量, 花椒与另外 3
种生物埂之间差异显著, 其他生物埂之间差异均不
显著; 水稳性指数在桑树埂与花椒埂、紫花苜蓿与
自然生草埂之间差异不显著, 而木本埂与草本埂之
间差异显著; 平均重量直径, 在桑树埂与花椒埂、紫
花苜蓿与自然生草埂之间差异不显著, 而木本埂与
草本埂之间差异显著; 几何平均直径, 自然生草埂
与另外 3 种生物埂之间差异显著, 其他生物埂之间
差异均不显著; 从有机胶粒类指标来看, 有机质在
自然生草埂与另外 3 种生物埂之间差异显著, 其他
生物埂之间差异均不显著。
2.3 生物埂土壤抗蚀性指标的主成分分析
土壤抗蚀性的影响因素多而复杂, 不同研究区
域所选用的指标有一定差异[7]。单一指标只能反映
土壤对侵蚀营力的相对敏感程度, 而且具有一定偶
然性, 无法准确分析土壤的抗蚀性。因此, 用多组指
标组合更能全面表征土壤的抗蚀能力。表 2 中的指
标都不同程度地反映了土壤的抗蚀能力, 虽然信息
较丰富, 但却显得冗繁复杂, 且有些指标相互间表
现出一定关联性。因此, 研究采用 SPSS软件对土壤
抗蚀性指标进行主成分分析, 可以将冗繁的原始指
标简化为少数的几个综合指标(主成分), 从而对坡
耕地生物埂土壤抗蚀能力做出准确评价。
本文对坡耕地生物埂土壤抗蚀指标进行了总方
差分析(表 5)。表中“原始相关矩阵特征值”包括 13
个主成分, 其值用于确定哪些主成分应该保留, 其
中又包括 3 项: 一是各成分总的特征值; 二是各成
分所解释的方差占总方差的百分比; 三是自上而下
各因子方差占总方差的累积百分比。可以发现, 表
中主成分 1 与 2 之间的特征值差比较大, 后面各主
成分之间相差较小; 前 2 个主成分的特征值均大于
1, 其中前 2 个主成分方差累积百分比占了 96.705%
(旋转后), 达到主成分分析的要求。
表 5 坡耕地生物埂土壤抗蚀性评价的总方差分析结果
Table 5 Total variance results of evaluation on soil erosion durability of bio-banks in slope land
初始特征值
Initial eigenvalue
提取平方和载入
Extraction of sum of square and load
旋转平方和载入
Rotation of sum of square and load 成分
Ingredient 特征根
Characteristic
roots
贡献率
Contribution rate
(%)
累积
Accumulate
(%)
合计
Summation
方差
Variance
(%)
累积
Accumulate
(%)
合计
Summation
方差
Variance
(%)
累积
Accumulate
(%)
1 10.755 82.729 82.729 10.755 82.729 82.729 8.326 64.044 64.044
2 1.817 13.975 96.705 1.817 13.975 96.705 4.246 32.661 96.705
3 0.428 3.295 100
4 4.12E-16 3.17E-15 100
5 3.02E-16 2.33E-15 100
6 2.09E-16 1.60E-15 100
7 1.37E-16 1.05E-15 100
8 1.90E-17 1.46E-16 100
9 −8.63E-18 −6.64E-17 100
10 −7.66E-17 −5.90E-16 100
11 −1.22E-16 −9.41E-16 100
12 −2.46E-16 −1.89E-15 100
13 −7.48E-16 −5.75E-15 100

未经旋转的主成分矩阵见表 6。经过主成分分
析后, 13个指标可以用 2个主成分来代表, 并在 2个
主成分中分别有了各自新的数值(或分量), 其中数
值较大的几个指标为组成主成分的重要部分, 往往
也以其进行主成分命名。 由于表 5中各主成分之间
的系数还没能拉开, 因此可以通过 SPSS 软件中最
大方差法(Varimax方法)进行旋转, 并经过 25次迭代,
使各系数向 0 和 1 两级分化。旋转后的主成分矩阵
见表 6。
可以看出, 经过旋转后各主成分的分量已经明
显分散, 因此可以更加方便地对主成分内涵进行分
析。第 1主成分中<0.05 mm粉黏粒含量、>0.5 mm
水稳性团聚体含量、团聚体分散率、水稳性指数的
值较大, 其中<0.05 mm粉黏粒含量和团聚体分散率
的值为负 , 说明其值越大 , 抗蚀性越差 , 这一类可
称为水稳团粒类因子。第 2 主成分中<0.001 黏粒含
量和结构性颗粒指数值较大且为负, 说明其值越大,
抗蚀性越差, 这 2 个指标具有相同变化趋势, 这一
类可称为无机黏粒因子。
通过以上分析, 可以根据原指标对主成分的贡
第 11期 吴丽丽等: 紫色丘陵区坡耕地生物埂的土壤抗蚀性综合评价 1315


表 6 坡耕地生物埂土壤抗蚀性评价中旋转前、后的主成
分矩阵
Table 6 Principal components in soil erosion durability
evaluation of bio-banks in slope land before and after rotation
主成分(旋转前)
Principal component
(before rotation)
主成分(旋转后)
Principal component
(after rotation)
抗蚀性指标
Erosion durability
index
Y1 Y2 Y1 Y2
X1 −0.805 −0.531 −0.964 0.034
X2 −0.815 0.579 −0.393 −0.919
X3 −0.457 0.876 0.067 −0.985
X4 0.999 0.024 0.865 0.501
X5 0.860 0.493 0.991 0.027
X6 −0.996 −0.064 −0.883 −0.465
X7 −0.953 −0.153 −0.892 −0.366
X8 −0.991 −0.113 −0.905 −0.421
X9 0.994 0.043 0.871 0.482
X10 0.968 0.179 0.919 0.352
X11 0.987 −0.156 0.761 0.648
X12 0.934 −0.166 0.710 0.628
X13 0.919 −0.251 0.653 0.693

献率大小, 确定表征研究区域不同生物埂模式下土
壤抗蚀性的优化指标, 分别为>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 黏粒
含量。
2.4 生物埂土壤的抗蚀性综合分析
根据所提取出来的两大主成分的特征值和成分
得分系数矩阵(表 7)进行相关计算, 得到不同生物埂
土壤抗蚀性的综合表达式:
Y1=−0.022X1+0.102X2+0.215X3+0.086X4+0.210X5−
0.097X6−0.019X7−0.111X8+0.091X9+0.128X10+0.034X11+
0.026X12+0.001X13 (1)
Y2=0.211X1−0.312X2−0.433X3+0.037X4−0.190X5−
0.018X6+0.026X7+0.005X8+0.028X9−0.037X10+0.121X11+
0.123X12+0.162X13 (2)
以各主成分所对应的方差贡献率 λi(i=1, 2)为权重,
计算土壤抗蚀性的综合主成分指数(表 8), 然后计算出
其综合值, 最后进行排名, 具体计算公式如下:
Y=λ1/(λ1+λ2)×Y1+λ2/(λ1+λ2)×Y2 (3)
可以推导出 : λ1=82.729%, λ2=13.975%时 , Y=
0.855Y1+0.145Y2
由表 8可知, 4种生物埂土壤抗蚀性依次为花椒
埂>桑树埂>紫花苜蓿埂>自然生草埂, 木本埂抗蚀
性大于草本埂, 这是因为木本埂根系横向伸长范围
更广, 根系发达, 且有更多的枯枝落叶及腐烂根系
被分解产生大量的有机质, 提高了土壤的团聚状况,
改善了土壤结构, 增强了土壤抗蚀能力。
表 7 坡耕地生物埂土壤抗蚀性评价中主成分得分系数矩阵
Table 7 Component score coefficient matrix in soil erosion durability evaluation of bio-banks in slope land
土壤抗蚀性指标 Soil erosion durability index 主成分
Principal component X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13
Y1 −0.022 0.102 0.215 0.086 0.21 −0.097 −0.119 −0.111 0.091 0.128 0.034 0.026 0.001
Y2 0.211 −0.312 −0.433 0.037 −0.19 −0.018 0.026 0.005 0.028 −0.037 0.121 0.123 0.162

表 8 坡耕地生物埂土壤抗蚀性评价主成分分析综合指数
Table 8 Principal components analysis of the comprehensive
index in soil erosion durability evaluation of bio-banks in slope
land
主成分 Principal component 生物埂
Bio-bank Y1 Y2
综合得分(Y)
Comprehensive
score (Y)
桑树 Mulberry −0.317 1.428 −0.064
花椒 Prickly ash 1.484 −0.209 1.239
紫花苜蓿 Alfalfa −0.495 −0.313 −0.469
自然生草 Natural grass −0.672 −0.905 −0.705
3 讨论
生物埂是复合农林业的一种形式, 作为一种典
型的坡耕地水土保持措施, 具有降低地表径流峰速,
控制泥沙流失, 改善土壤理化性质的作用。从本研
究结果看, 相比自然生草埂, 花椒埂、桑树埂和紫花
苜蓿埂的有机质含量分别增加 48.9%、45.8%和
27.9%, 这与王喜龙等[13]、史东梅等[14]研究中提出的
地埂植物固埂作用一致。这是因为: ①坡面养分在
发生水土流失条件下随地表径流搬移到生物埂位
置。②生物埂枯枝落叶、腐烂根系在土壤微生物作
用下发生分解, 增加有机质的来源。生物埂具有较
好的蓄水保土效果[15−16]。本研究得出, 与自然生草埂
相比, 花椒埂、桑树埂和紫花苜蓿埂土壤含水率分别
增加了 35.76%、10.26%和 7.39%, 这是因为生物埂具
有更发达的根系结构, 提高了土壤孔隙结构, 对水分
的滞留与涵养有促进作用; 另外, 生物埂措施增加了
地埂植被覆盖度, 有效减少了水分蒸发, 也减小了
地表径流流速, 使土壤水库充满程度高[15]。
从本研究看, 木本埂对土壤的改良作用优于草
本埂(紫花苜蓿埂), 木本埂土壤有机质含量、含水率
和孔隙度优于草本埂。花椒埂是紫色丘陵区坡耕地
常见的生物埂, 研究表明其土壤腐殖质含量高, 每
年的枯枝落叶进入土壤腐烂分解, 使土壤有机质含
量增加, 土壤贮水能力增强。王忠林等[17−18]研究表
明花椒地埂林具有显著的固埂保土效益, 土壤层腐
殖质含量、水稳性团聚体含量高于无林地埂。桑基
1316 中国生态农业学报 2014 第 22卷


植物篱能有效改善土壤团聚特性, 提高土壤有机质
含量, 增强土壤抗分散能力。花椒属于浅根性、须
根性树种, 根系主要分布在 0~20 cm土层, 以小于
2 mm的毛根为主。桑基植物篱<1 mm细毛根主要集
中在 0~20 cm土层, 其有效根密度占 0~40 cm土层
总量的 58.6%。细毛根对土壤颗粒的缠绕、固结作
用, 以及其根系代谢产物对土壤理化性质的作用将
在不同程度上提高土壤抗蚀能力。相比草本埂, 木
本埂根系横向伸长范围更广, 根系发达, 对土壤穿
插作用更好, 能有效固持土壤。另外, 木本埂的林冠
结构能更好地起到遮阴效果, 有效减少林下土壤水
分的无效蒸发。本研究对于紫色丘陵区坡耕地生物
埂土壤抗蚀性特征分析与综合评价是合理的, 但受
到其根系、土壤结构、人为干扰、生物含量等因素
的影响, 影响因素复杂, 单从基本理化性质方面来
评价其对土壤侵蚀响应特征具有一定不足, 今后应
加强生物埂根系与土壤相互作用机制研究, 以期为
紫色丘陵区坡耕地生物埂配置模式的选择、坡改梯
的修建提供理论依据。
4 结论
1)不同生物埂对土壤理化性质的改善效果明显,
木本埂改良效果更好, 能有效增加土壤含水率和有
机质, 改善土壤孔隙结构。土壤含水率表现为花椒
埂(12.30%)>桑树埂(9.99%)>紫花苜蓿埂(9.73%)>自
然生草埂(9.06%), 有机质变化趋势与土壤含水率一
致; 土壤孔隙结构表现为花椒埂>桑树埂>自然生草
埂>紫花苜蓿埂。
2)通过主成分分析, >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 黏粒含量
指标可作为评价该区域土壤抗蚀性能的优化指标。
不同生物埂配置模式下的土壤抗蚀性强弱为花椒埂
>桑树埂>紫花苜蓿埂>自然生草埂。因此, 在研究区
域, 只要测定上述 4 个指标就能衡量出研究区不同
生物埂模式下的土壤抗蚀性强弱, 以期指导该区域
林业工程的实施。
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