谷子种植通过调控近地表土壤性状缓解坡耕地土壤侵蚀

《Frontiers in Plant Science》：Millet cultivation mitigates soil erosion in sloping farmland by regulating near-soil surface traits

　　

摘要翻译：
引言：作物生长引起近地表土壤性状的季节性变化，包括植被特征、根系系统和土壤性质。然而，在坡耕地中，近地表土壤性状变化对土壤侵蚀的影响机制仍不明确。方法：在裸地对照（CK）和谷子种植小区上，分别于不同生育期开展了坡度为5.24%、8.75%、17.63%和26.79%的模拟降雨试验。测定了土壤容重（BD）、团聚体平均重量直径（MWD）、土壤粘结力（Coh）、土壤有机质（SOM）含量、土壤结皮厚度（CT）、临界剪切应力（τ_c）、细沟可蚀性（K_r）、根质量密度（RMD）、根表面积密度（RSAD）、根长密度（RLD）、株高（PH）和叶面积指数（LAI）等近地表土壤性状。结果：结果表明，近地表土壤性状的时间动态表现出季节性变化，变异程度由弱到强。初始产流时间（T_R）随坡度增大而逐渐提前，随谷子生长而延迟。在整个生育期内，谷子种植小区的平均产流速率（RR）、产沙速率（SR）和入渗速率（IR）分别为0.32–0.92 L m^?2 min^?1、0.64–6.16 g m^?2 min^?1和0.43–1.09 mm m^?2 min^?1。减流效益（RRB）和减沙效益（SRB）分别为4.16%–64.79%和17.35%–93.18%。土壤性质、根系系统和植被特征的交互作用分别解释了总产流量变异的76.76%、产沙量变异的82.61%和总入渗量变异的85.71%。产沙量随土壤性质的改善和根系系统的发育呈指数或线性关系下降。结论：结果表明，作物生长引起的近地表土壤性状的季节性变化为农田土壤侵蚀防治和可持续发展提供了可靠支撑。

论文解读文章：

**研究背景与科学问题**
土壤侵蚀是全球性的重大环境问题之一，导致经济损失和河流泥沙淤积。黄土高原由于复杂的地质地形条件和长期高强度农业耕作，是我国土壤侵蚀最严重的地区之一。坡耕地是黄土高原产沙的重要来源，约占总产沙量的60%。以往研究通常认为黄土高原坡耕地的土壤侵蚀全年处于高强度水平，但近年研究发现坡耕地的土壤分离能力存在显著季节性变化。作物生长会通过改变植被冠层、根系系统和土壤性质等近地表土壤性状，进而影响土壤侵蚀过程。然而，目前关于作物诱导的近地表土壤性状变化对坡耕地土壤侵蚀的调控机制尚不清楚。谷子作为黄土高原传统旱地作物，具有优良的耐旱性和耐贫瘠特性，是当地坡耕地主要作物类型之一。因此，量化谷子生长对近地表土壤性状的影响，并明确其与土壤侵蚀的关系，对于深入理解坡耕地土壤侵蚀的季节性规律和制定有效防治措施具有重要意义。

**研究目标与方法概述**
研究人员在黄土高原南部的陕西杨凌地区，设置谷子种植和裸地对照（CK）径流小区，在谷子出苗期（S1）、拔节期（S2）、开花期（S3）、灌浆期（S4）和成熟期（S5）五个生育期，以及对照处理，采用侧喷式模拟降雨系统，设计降雨强度为80 mm h^?1，坡度分别为5.24%、8.75%、17.63%和26.79%的模拟降雨试验。测定了土壤容重（BD）、团聚体平均重量直径（MWD）、土壤粘结力（Coh）、土壤有机质（SOM）含量、土壤结皮厚度（CT）、临界剪切应力（τ_c）、细沟可蚀性（K_r）、根质量密度（RMD）、根表面积密度（RSAD）、根长密度（RLD）、株高（PH）和叶面积指数（LAI）等近地表土壤性状，并观测了初始产流时间（T_R）、产流速率（RR）、产沙速率（SR）和入渗速率（IR）。采用方差分析、Pearson相关分析、回归分析和方差分解分析等方法，量化了近地表土壤性状与土壤侵蚀指标之间的关系。

**研究结果**
**近地表土壤性状的季节变化**
谷子种植小区的LAI和PH随生育期推进持续增加，分别从S1的0.35和18.65 cm增至S5的3.56和114.83 cm。BD低于CK，但随生育期延长逐渐增大。Coh和MWD高于CK，并随谷子生长逐渐增加。SOM从15.61 g kg^?1增至16.72 g kg^?1。RMD从S1的0.03 kg m^?3增至S5的0.98 kg m^?3；RLD和RSAD先增后减，均在S4达到最大值（4.51 cm cm^?3和0.47 cm² cm^?3）。与S1相比，S2至S5期间BD增加8.75%–12.48%，Coh增加80.72%–202.41%，SOM增加2.45%–7.17%，MWD增加6.80%–32.43%，CT增加0.47%–51.87%，τ_c增加0.78%–22.48%，K_r降低79.37%–91.53%。变异系数显示，BD、SOM和τ_c呈弱变异（0.03–0.08），MWD、Coh、RLD、RSAD、RMD、PH和LAI呈中等变异（0.11–0.69），K_r呈强变异（1.26）。

**土壤侵蚀过程的季节变化**
初始产流时间随坡度增大而提前，随谷子生长而延迟。在5.24%坡度下，谷子小区T_R从S1的6.80 min延长至S5的14.30 min，而CK为5.25 min；在26.79%坡度下，从S1的3.40 min延长至S5的9.28 min。RR随谷子生长而降低，在5.24%坡度下，S5平均RR较S1降低51.98%；在26.79%坡度下降低31.36%。SR同样随生育期推进显著下降，在5.24%坡度下，S5平均SR较S1降低77.21%；其他坡度下降低约75%–80%。IR随谷子生长逐渐增大，随坡度增大而减小。在5.24%坡度下，S5平均IR较S1增加47.97%；在26.79%坡度下增加81.40%。

**减流减沙效益**
谷子种植小区的RRB随生育期延长而增加，随坡度增大而降低。在5.24%坡度下，S1的RRB为12.27%，S5增至64.79%；其他坡度下RRB分别变化于12.14%–58.47%（8.75%）、7.50%–55.10%（17.63%）和4.16%–41.43%（26.79%）。SRB随生育期延长而增加，各坡度下SRB变化范围分别为19.90%–92.45%（5.24%）、19.55%–91.84%（8.75%）、19.00%–93.18%（17.63%）和17.35%–92.40%（26.79%）。总体上SRB高于RRB。

**近地表性状与土壤侵蚀指标的关系**
相关分析表明，BD与总产流量、产沙量和总入渗量无显著相关；Coh、MWD、CT、τ_c、RLD、RSAD、RMD、PH和LAI与总产流量和产沙量显著负相关，与总入渗量显著正相关。除17.63%和26.79%坡度外，K_r与总产流量和产沙量显著正相关，与总入渗量显著负相关。方差分解显示，土壤性质、根系系统和植被特征的交互作用分别解释了总产流量变异的76.76%、产沙量变异的82.61%和总入渗量变异的85.71%。单个因子中，LAI对总产流量和总入渗量的贡献最大（分别为12.35%和11.34%），K_r对产沙量变异的贡献为12.02%。回归分析表明，产沙量随Coh、CT、SOM、MWD、τ_c、RLD、RSAD、RMD、PH和LAI的增加呈指数或线性下降。

**讨论与结论**
研究人员在讨论部分指出，耕作扰动在播种初期破坏了土壤结构，导致BD、Coh和CT较低，土壤侵蚀速率较高。随谷子生长，根系挤压土壤、雨滴击实和结皮形成使土壤容重、粘结力和结皮厚度增加；根系分泌物促进水稳性团聚体和有机质积累，提高了土壤稳定性和抗蚀性。根系通过缠绕、粘结作用形成根土复合体，增加土壤抗剪强度，降低细沟可蚀性。冠层和株高的增加提高了地表覆盖度，减弱雨滴击溅和径流冲刷。因此，近地表土壤性状的改善共同导致了土壤侵蚀速率的季节性降低。研究结论表明，作物栽培引起的近地表土壤性状变化显著影响坡耕地土壤侵蚀的季节性变化，谷子种植可有效减少径流和泥沙。该研究为黄土高原坡耕地水土保持措施创新和农业可持续发展提供了科学依据。未来研究应关注坡耕地径流和泥沙携带的氮、磷、钾养分的季节变化。