黄耀思 张晓声 杨钙仁 陆卫 尹建

摘要：【目的】筛选出适合喀斯特石灰土的最佳水土保持剂，为喀斯特地区的石漠化治理重建提供参考依据。【方法】基于不同植物性材料水分吸收功能的差异，制备6种配方的水土保持剂，并在人工模拟降雨条件下进行喀斯特石灰土水土保持剂筛选试验。【结果】稻草比木糠（桉树）更有利于土壤物理结构改善，添加有稻草配方水土保持剂的土壤容重比空白对照处理（CK，未施用任何水土保持剂）约降低14.0%、总孔隙度约增大13.0%、最大持水量约增加31.0%。硅酸盐黏合剂能增加地表产流量，其中以单独施用硅酸盐黏合剂的累积产流量最高（3307 mL），极显著高于其他配方（P<0.01，下同），其地表产流量在降雨过程的各阶段也最高。6种配方的水土保持剂均能极显著减少土壤侵蚀，比CK分别降低了37.4%、26.1%、32.6%、47.5%、50.0%和55.9%。【结论】硅酸盐黏合剂、稻草和木糠配合使用能充分发挥出各自的土壤保持功能，且硅酸盐黏合剂、木糠（加适量甘油）、稻草（加适量甘油）按2∶1∶1比例进行配制的配方水土保持功能最强。

关键词： 水土保持剂；硅酸盐黏合剂；稻草；木糠；喀斯特石灰土；筛选

中图分类号： S157.2 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）02-0201-05

0 引言

【研究意义】我国西南喀斯特山区因母岩成土物质先天不足，致使其岩溶区成土速度十分缓慢（袁道先和蔡桂鸿，1988），加上自然与人为因素的双重影响，造成地表植被遭受破坏，水土流失及石漠化程度非常严重（Busscher et al.，2007）。土壤稀缺、雨水难以保存是石漠化区生态修复的难点，因此，筛选出适用于喀斯特山区的水土保持剂，对提高石漠化治理重建的生态系统生物多样性及实现可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】至今，已有许多学者从国家目标和学术思想等不同角度对石漠化治理进行了广泛探讨（彭晚霞等，2008；王明云等，2010），并一致认为水土保持是石漠化区生态重建的核心任务。广西岩溶区土壤类型主要为石灰土（陈平和梁其彪，1991），其质地较黏重，易发生水土流失（李月臣等，2008）。在喀斯特石漠化区尤其是城郊区喀斯特石山的生态系统快速重建过程中，一般土壤系统重建多采用客土方法，若未采取合理的水土保持措施，客土则会在短期内被侵蚀殆尽。使用土壤改良剂可改善土壤物理结构及化学性质，因此是维持重建生态系统健康的一种重要手段（杨文艳和周忠学，2014）。科学使用土壤改良产品可有效缓解肥力下降、结构恶化、水土流失加快等问题，因此土壤改良产品的研发与应用逐渐受到青睐。目前，市场上存在各种类型的改良剂，主要有保湿剂、松土剂、固沙剂、增肥剂、消毒剂和降酸碱剂等，按其物质来源及形态可分为天然改良剂（天然矿物如膨润石、无机固体废弃物如粉煤灰、天然提取高分子化合物）、人工合成土壤改良剂、天然—合成共聚物改良剂等（陈义群和董元华，2008；刘肖肖等，2013）。其中，利用天然有机物制备土壤改良剂因其功能强大且容易获得，已成为当前该领域研究的热点和重点。农业生产实践也证明，作物秸秆还田可有效降低地表径流量和土壤侵蚀量（盛良学等，2006）、减少养分元素流失（刘红江等，2010）、提高土壤肥力（黄景等，2012），但利用作物秸秆制备土壤改良剂需通过接枝共聚反应（苗永刚等，2009；左广玲等，2010）或其他化学手段提取植物中的天然高分子物质，由于工艺复杂、成本高等原因，目前尚未实现规模化生产。【本研究切入点】喀斯特石灰土与其他类型土壤在物理化学性质方面存在较大差异，在其他类型土壤上获得成功的水土保持剂不一定适用于石灰土，因此有必要对喀斯特石灰土的水土保持剂进行深入研究和筛选。【拟解决的关键问题】基于不同植物性材料水分吸收功能的差异，在人工模拟降雨条件下进行喀斯特石灰土水土保持劑的筛选试验，以期为喀斯特地区的石漠化治理重建提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 水土保持剂制备

试验共制备6种配方。配方A：硅酸盐亲水黏合剂，成分主要有硅酸盐粉剂、聚乙烯醇等（现配现用）。配方B：木糠（桉树）+甘油等，新鲜木糠（粒径 3 mm）加水调节水分含量约60%后保湿避光，在25 ℃以上的条件下发酵20 d，然后均匀加入适量（5%）甘油备用。配方C：稻草+甘油等，新鲜稻草经脱谷机打细并剪短（长度 20 mm），加水调节水分含量约65%保湿避光，在25 ℃以上的条件下发酵20 d，然后均匀加入适量（5%）甘油备用。配方D：配方A+配方B（1∶1，现配现用）。配方E：配方A+配方C（1∶1，现配现用）。配方F：配方A+配方B+配方C（2∶1∶1，现配现用）。

1. 2 土壤抗侵蚀性试验

1. 2. 1 供试土壤 在广西都安县地苏镇拉棠村喀斯特灌木林下采集0～20 cm土壤作为供试土壤，土壤类型为石灰土，基本物理性质见表1。供试土壤经风干碾碎并过5 mm筛备用。

1. 2. 2 试验处理 水土保持剂各配方均为现配现用。分别将制备的水土保持剂按3∶100拌入供试土壤，并充分混合均匀，然后将供试土壤平铺于2.00 m×1.00 m×0.25 m的长方形PVC箱内，土层厚度20 cm，铺好土后均匀洒水（3 L/m2），并用薄膜覆盖2 d；PVC箱一端底部设有凹型集水槽，用于收集径流。将PVC箱无凹型槽的一端垫高，使箱内土面形成18°坡度，开始进行人工降雨试验。同时以未施用任何水土保持剂为对照处理（CK）。每处理3次重复。

1. 2. 3 人工降雨试验 采用自制的人工模拟降雨系统进行模拟降雨（苏晓琳，2014），降雨高度5.0 m，降雨总量30 mm，降雨历时60 min，雨滴直径0.5～2.5 mm，降雨均匀度75%～91%。供试土壤初始水含量20.3%。人工模拟降雨结束后自然风干5 d，用环刀采集PVC箱内土样，用于土壤物理性质测试分析。

1. 2. 4 徑流量与侵蚀量测定 人工模拟降雨开始后，以1000 mL的塑料烧杯置于凹型槽出水口收集径流，每10 min更换一次烧杯，然后用量筒测量径流体积，并保存所有径流用于泥沙含量分析。含有泥沙的径流先6000 r/min离心5 min，弃上清液，剩余泥沙与浑浊液于102 ℃烘箱烘干后称重。

1. 3 统计分析

采用Excel 2010对试验数据进行整理，再以SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2. 1 不同配方水土保持剂对供试土壤物理性质的影响

由表1可知，除配方A外，其余配方的水土保持剂对土壤物理性质均有明显影响。其中，配方B、C、D、E和F均极显著降低土壤容重及增加土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度（P<0.01，下同），且以添加有稻草的配方（C、E、F）变化最明显，其土壤容重比CK约降低14.0%，总孔隙度约增大13.0%，最大持水量约增加31.0%。

2. 2 不同配方水土保持剂对人工降雨产流的影响

由图1可以看出，不同处理土壤在不同时间段的产流量存在明显差异，且各处理的地表产流量均随人工降雨时间延长而逐渐增加，在人工降雨21 min后，其产流量增幅最大，比11～20 min阶段增加了3～5倍，而后每10 min的产流量会比前10 min增加5%～15%，在降雨的最后阶段（51～60 min）地表产流量达最大值（642～801 mL）；降雨停止后，地表产流仍持续5～8 min，产流量为257～448 mL。

不同处理间的累积产流量也存在明显差异（图2），其中以配方A的累积产流量最高（3307 mL），极显著高于其他处理，其产流量在降雨过程的各阶段也是最高，但在人工降雨停止后产流量最少（图1），说明配方A水土保持剂对土壤的持水效果最差。配方C的累积产流量（2631 mL）极显著低于其他处理组，仅为配方A的79.6%；配方E和F的累积产流量也较低，分别为2697和2716 mL，均极显著低于CK和配方A。

2. 3 不同配方水土保持剂对土壤侵蚀的影响

由图3可以看出，除41～50 min阶段的配方B外，在各人工降雨阶段，添加水土保持剂的土壤侵蚀量均显著低于CK（P<0.05），表明水土保持剂具有良好的土壤保持作用。在人工降雨过程中，各处理的土壤侵蚀量与其产流量密切相关，侵蚀量均随产流量的增加而增加，土壤侵蚀主要发生在21～60 min阶段，说明在相同条件下（同一处理），降低产流量能有效降低土壤侵蚀量。

由图4可以看出，6种配方的水土保持剂均能极显著减少土壤侵蚀，比CK分别降低了37.4%、26.1%、32.6%、47.5%、50.0%和55.9%。不同配方水土保持剂的土壤保持功能也存在明显差异，其中以配方B的侵蚀量最高，其次为配方C，而配方F最低，前两者分别为后者的1.68和1.53倍，其差异达极显著水平。可见，添加硅酸盐黏合剂及植物性材料均能提高土壤的抗侵蚀能力，且硅酸盐粘合剂的作用效果优于植物性材料；同时添加木糠、稻草和硅酸盐黏合剂（配方F）对提高土壤抗侵蚀功能效果最佳。

3 讨论

本研究结果表明，植物性材料（木糠、稻草等）的添加能使土壤容重降低、孔隙度增大，有利于水分入渗，且植物材料孔隙度大、持水量大，尤其是稻草，进而有效减少地表产流量。沈颖等（2013）也曾研究发现，添加少量（<0.3%）的植物纤维虽不能显著降低土壤容重，但可有效提高土壤的保水性能。稻草具有较强的吸水性（陈曦等，2009），因此施用大量稻草可降低地表径流量和土壤侵蚀量（盛良学等，2006）。本研究中，配方B、C、D、E和F的水土保持剂均能显著改善土壤物理结构，促进土壤水分入渗，可能与其添加有机物量较多（>1.0%）有关（左广玲等，2010），但与农作物秸秆还田相比（盛良学等，2006；刘红江等，2010），本研究配制的水土保持剂对土壤物理结构的改善作用相对有限。由于稻草纤维比较细长，在土壤中能起到土壤编织和连接作用，因此其土壤保持功能较木糠强；而木糠的添加能增加土壤的抗溅蚀能力和雨滴缓冲能力，并降低雨滴动能。植物性材料的添加促进了土壤水分入渗，减少地表径流，进而降低表面流对土壤的切割和冲刷，起到保水保土作用。

硅酸盐黏合剂能有效增加土壤颗粒间的黏合度，土壤颗粒间的连接变紧密、大孔隙减少，土壤水分下渗阻力增加，而导致其地表产流量有所增加（陈义群和董元华，2008）。本研究结果表明，在6个配方中以配方A的累积产流量最高（3307 mL），极显著高于其他配方，其产流量在降雨过程的各阶段也最高，但在人工降雨停止后产流量最少，说明该水土保持剂对土壤的持水效果最差。添加硅酸盐黏合剂和植物性材料均能提高土壤抗侵蚀能力，其中硅酸盐黏合剂是通过增强土壤颗粒间的黏结作用，有利于土壤团聚体的形成；植物性材料则是通过其植物纤维起到土壤编织和连接作用。可见，硅酸盐黏合剂、稻草和木糠配合使用，能充分发挥出各自的土壤保持功能，且以配方F的水土保持功能最强，即硅酸盐黏合剂、木糠（加适量甘油）、稻草（加适量甘油）按2∶1∶1比例进行配制。

4 结论

硅酸盐黏合剂、稻草和木糠配合使用能充分发挥出各自的土壤保持功能，且硅酸盐黏合剂、木糠（加适量甘油）、稻草（加适量甘油）按2∶1∶1比例进行配制的配方水土保持功能最强。

参考文献：

陈平，梁其彪. 1991. 广西石山地区的山地土壤类型和利用[J]. 广西农业科学，（3）：123-126.

Chen P，Liang Q B. 1991. Soil type and utilization of stony region in Guangxi[J]. Guangxi Agricultural Sciences，（3）：123-126.

陈曦，李永梅，鄭毅. 2009. 稻草、黄麻纤维、棕榈叶的吸水性和腐解速率研究[J]. 云南农业大学学报（自然科学版），24（2）：206-264.

Chen X，Li Y M，Zheng Y. 2009. Research on water absorption characteristic and decomposition velocity of rice straw， jute fiber and Palm leaf[J]. Journal of Yunnan Agricultural University，24（2）：206-264.

陈义群，董元华. 2008. 土壤改良剂的研究与应用进展[J]. 生态环境，17（3）：1282-1289.

Chen Y Q，Dong Y H. 2008. Progress of research and utilization of soil amendments[J]. Ecology and Environment，17（3）：1282-1289.

黄景，顾明华，徐世宏，杨为芳，江立庚. 2012. 稻草还田免耕抛秧对土壤剖面氮、磷、钾含量的影响[J]. 中国农业科学，45（13）：2648-2657.

Huang J，Gu M H，Xu S H，Yang W F，Jiang L G. 2012. Effects of no-tillage and rice-seedling casting with rice straw returning on content of nitrogen，phosphorus and potassium of soil profiles[J]. Scientia Agricultura Sinica，45（13）：2648-2657.

李月臣，刘春霞，赵纯勇，黄建辉. 2008. 三峡库区重庆段水土流失的时空格局特征[J]. 地理学报，63（5）：502-513.

Li Y C，Liu C X，Zhao C Y，Huang J H. 2008. Spatiotemporal features of soil and water loss in the Three Gorges reservoir area of Chongqing[J]. Acta Geographica Sinica，63（5）：502-513.

刘红江，陈留根，朱普平，盛婧，张岳芳，郑建初. 2010. 稻草还田对小麦产量、地表径流NPK流失量及土壤肥力的影响[J]. 水土保持学报，24（6）：6-10.

Liu H J，Chen L G，Zhu P P，Sheng J，Zhang Y F，Zheng J C. 2010. Effects of rice straw return on wheat yield，overland runoff NPK loss and soil fertility[J]. Journal of Soil and Water Conservation，24（6）：6-10.

刘肖肖，董元华，李建刚. 2013. 不同土壤改良剂对番茄青枯病的防治效果[J]. 农业环境科学学报，32（7）：1368-1374.

Liu X X，Dong Y H，Li J G. 2013. Effects of soil amendments on suppression of bacterial wilt of tomato[J]. Journal of Agro-Environment Science，32（7）：1368-1374.

苗永刚，刘作新，尹光华，王振营. 2009. 改性玉米秸秆制备农用保水剂及其性能研究[J]. 干旱地区农业研究，27（2）：213-214.

Miao Y G，Liu Z X，Yin G H，Wang Z Y. 2009. Synthesis and characterization of a novel super-absorbent hydro-gel based on chemically modified pulverized corn stalks and acrylic acid[J]. Agricultural Research in the Arid Areas，27（2）：213-214.

彭晚霞，王克林，宋同清，曾馥平，王久荣. 2008. 喀斯特脆弱生态系统复合退化控制与重建模式[J]. 生态学报，28（2）：811-820.

Peng W X，Wang K L，Song T Q，Zeng F P，Wang J R. 2008. Controlling and restoration models of complex degradation of vulnerable Karst ecosystem[J]. Acta Ecologica Sinica，28（2）：811-820.

沈颖，徐秋芳，沈振明，蒋晨，彭燕，李松昊，郭帅，李清良. 2013. 自制林木废弃物再生型保水剂在林业生产中的应用潜力评价[J]. 水土保持学报，27（4）：136-141.

Shen Y，Xu Q F，Shen Z M，Jiang C，Peng Y，Li S H，Guo S，Li Q L. 2013. Evaluation of application potential of two non-commercial super absorbent polymers made from Chinese fir and bamboo sawdust in forestry[J]. Journal of Soil and Water Conservation，27（4）：136-141.

盛良學，黄道友，汪立刚，贺喜全，夏海鳌. 2006. 稻草还田对春玉米生长发育与产量的影响[J]. 广西农业生物科学，25（1）：56-59.

Sheng L X，Huang D Y，Wang L G，He X Q，Xia H A. 2006. Effects of returning rice straw into field on spring maize growth and productivity[J]. Journal o f Guangxi Agricultu-

ral and Biological Science，25（1）：56-59.

苏晓琳. 2014. 桉树造林对林地土壤水文功能和养分淋失的影响[D]. 南宁： 广西大学.

Su X L. 2014. Effects of Eucalyptus afforestation on soil hydrological function and nutrient loss[D]. Nanning：Guangxi University.

王明云，陈波，容丽. 2010. 普定喀斯特石漠化地区森林植被恢复示范研究[J]. 地球与环境，38（2）：202-206.

Wang M Y，Chen B，Rong L. 2010. Indicative research on restoration of the forest vegetation in rocky desertification-affected Karst areas，Puding county，Guizhou province[J]. Earth and Environment，38（2）：202-206.

杨文艳，周忠学. 2014. 西安都市圈农业生态系统水土保持价值估算[J]. 应用生态学报， 25（12）：3637-3644.

Yang W Y，Zhou Z X. 2014. Stimation on value of water and soil conservation of agricultural ecosystems in Xian metropolitan， northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Eco-

logy， 25（12）：3637-3644.

袁道先，蔡桂鸿. 1988. 岩溶环境学[M]. 重庆：重庆出版社.

Yuan D X，Cai G H. 1988. Karst Environtology[M]. Chongqing：Chongqing Press.

左广玲，叶红勇，李入林，史恒欣. 2010. 利用大豆秸秆制备农用保水剂及其保水性能研究[J]. 河南农业科学，（4）：10-13.

Zuo G L，Ye H Y，Li R L，Shi H X. 2010. Synthesis and water-holding performance of agricultural water retaining agent made form Soybean straw[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences，（4）：10-13.

Busscher W J，Novak J M，Caesar-TonThat T C. 2007. Organic matter and polyacrylamide amendment of Norfolk loamy sand[J]. Soil and Tillage Research，93（1）：171-178.

（责任编辑 邓慧灵）