本研究试验点设在江西省德安县燕沟小流域内的水土保持生态科技园。燕沟小流域是我国南方红壤的中心区域(115°42'38″—115°43'06″E,29°16'37″—29°17'40″N),在南方红壤丘陵区具有典型的代表性,总面积达80 hm²。该区属亚热带季风气候,年降雨量865.6～1 807.7 mm,6—10月占全年降雨量将近50%; 多年平均气温16.7 ℃,年日照时数650～2 100 h,无霜期245～260 d; 区内地貌为浅丘岗地,海拔一般30～100 m,坡度小于25°; 地形、土壤条件在南方红壤丘陵区均具有典型性和代表性,成土母质多为第四纪红色黏土,土质类型主要为中壤土、重壤土和轻黏土; 地带性植被为亚热带常绿阔叶林; 坡耕地主要耕作花生、大豆和油菜。

坡耕地试验区共布设15个观测小区,小区随机布设,大小为20×5 m,设置坡度均为10°。设计裸露(CK)、顺坡耕作(DT)、顺坡+植物篱(DT+HR)、横坡耕作(CT)、稻草覆盖(SM)5种处理,每个处理3个重复。小区周边设置围埂,围埂埋深0.3 m,高出地表0.2 m,用混凝土砖块砌成,以拦挡外部径流,小区下方设有矩形集水槽及圆形集流桶,以承接小区径流泥沙。试验小区于4月下旬耕作花生,8月下旬收获,收获后进行翻地,于10月中旬耕作油菜,各小区作物产量按作物种类分别收集称重。

试验于2015年10月至2016年8月进行,对研究区域内不同耕作措施的径流小区进行天然降雨观测。次降雨量采用翻斗式自记雨量计测定。2016年5—8月在整个花生生育期内共有16场产流自然降雨。在出现产流的每场降雨后收集各径流小区径流和泥沙样,测定每场降雨的径流量和泥沙量,分析不同措施下径流、泥沙的养分(全氮、全磷)含量。花生收割后,采集各小区不同层次土壤样品,散土样品经风干后测定土壤机械组成、全氮、全磷等指标,环刀样品测定土壤容重。

根据小流域的特征和评价目的,评价过程须遵循以下原则^[11-13]:(1)评价方法符合国家相关法律法规以及水土保持学、经济学、生态学等相关学科原理,保证其科学性、合理性、适用性、实用性。(2)评价指标具有系统性、可比性、科学性、层次性、可量化性:能较全面地反映综合效益变化程度,在保持评价指标体系完整性的情况下,可进行取舍。

系统评价南方红壤区坡耕地不同耕作措施是为了最大化生态效益,主要体现在保持水土、提高土地生产力、控制农业面源污染^[4]3个方面。为此,在符合现有的国家相关标准及原则的基础上,本文采用层次分析法(AHP),通过目标层、准则层、指标层3个层次构建评价指标体系。层次结构模型为:

(1)目标层(A)。综合生态效益。

(2)准则层(B)。评价指标包括保持水土效益(B₁)、控制农业面源污染效益(B₂)、提高土地生产力(B₃)。

(3)指标层(C)。其评价指标包括地表径流量(C₁)、土壤侵蚀量(C₂)、总氮流失量(C₃)、总磷流失量(C₄)、作物产量(C₅)、土壤容重(C₆)、土壤全氮(C₇)、土壤全磷(C₈)等8个方面。目标层、准则层及指标层中各元素所构成的具体层次结构关系见表1。

表1 不同耕作措施综合生态效益评价指标体系

测定径流、泥沙中氮、磷养分含量、作物产量和土壤容重参照《土壤农业化学分析方法》^[14]; 径流量根据集流桶标尺刻度记录计算; 土壤侵蚀量采用烘干法测定含沙水样计算,详情见表2。

表2 评价指标测定方法

因评价指标量纲、功能及作用方向不同而造成指标不可比的问题,为此,本文采用公式p_i=(X_i-X_min)/(X_max-X_min)或P_i=(X_min-X_i)/(X_max-X_min)进行标准化处理。

式中:P_i表示规范化的指标值; X_i表示评价指标计算或测定值; X_max表示最大值; X_min表示最小值。

由AHP确定的指标权重侧重决策者的主观偏好,而由熵权法确定的权重则强调数据的关联程度^[13]。为了使指标权重具有准确性和科学性,本文采用基于AHP-熵权法的多因素综合评价法进行综合生态效益评价,其计算式如下:

A=∑^k_l=1B_l×β_l=∑^m_j=1x'_ij×β_l(1)

式中:A为综合生态效益得分; β_l为第l类生态效益的综合权重; B_l为准则层第l(l=1,2,3)类效益得分; x'_ij为第i样本第j(j=1,2,…,m; m≤8)类指标的标准化值; β_j为第j类指标的综合权重。

2.5.1 层次分析法确定评价指标主观权重(ω)

层次分析法(AHP)确定指标层C_j对准则层B_l的权重ω的具体步骤如下^[15]:

(1)构建判断矩阵。本研究根据研究区域实际情况并结合历史数据对每一层因素进行重要性比较打分,打分标准采用1～9和倒数的相对重要性标度(表3),从而得到判断矩阵。

表3 标度的含义

(2)计算权重和一致性检验。采用数值分析中的特征值解法计算判断矩阵最大特征值,计算式为:

Rω_j=λ_maxω_j(2)

式中:ω_j为特征向量,也是对应矩阵R的权向量; λ_max为最大特征值。

构造判断矩阵时可能存在不合理性,需要将矩阵的一致性检验指标CI除以平均随机一致性指标CR,计算公式如下:

CR=CI/RI(3)

式中:CI=(λ_max-n)/n; n为判断矩阵的阶数。1～8阶判断矩阵的RI值见表4。当CR<0.1时,可以接受判断矩阵的一致性,否则应当调整矩阵直至其有令人满意的一致性。层次总排序也需作一致性检验,检验类似于层次单排序。

表4 平均随机一致性指标RI值

2.5.3 AHP-熵权法确定指标的综合权重(β_j)

计算指标层C_j对准则层B_l或准则层B_l对目标层A的综合权重,计算式如下:

β_j=(_jω_j)/(∑^m_j=1_jω_j)(6)

以同样方法可得准则层对目标层的综合权重,计算结果见表5。

表5 生态效益评价评价指标权重

观测期内不同耕作措施径流流失量和土壤侵蚀量变化情况如图1所示。

图1 不同耕作措施径流泥沙流失特征

从图1A可知,坡耕地不同耕作措施下径流流失量不同,从裸露措施、顺坡耕作、顺坡+植物篱、横坡耕作、稻草覆盖依次减小。与裸露措施相比较,除顺坡耕作外,其他措施均能明显地减少径流量,其中顺坡+植物篱、横坡耕作、稻草覆盖分别减少了44.57%,54.85%,82.32%。顺坡耕作和裸露措施径流量差异未达到显著水平,说明传统的顺坡耕作不能显著地减少径流流失量; 而顺坡+植物篱、横坡耕作和稻草覆盖措施均显著低于顺坡耕作与裸露措施,相对于传统的顺坡耕作,稻草覆盖减少径流量达79.47%居最高,说明横稻草覆盖措施减流作用最佳。

如图1B所示,与径流流失量变化特征相似,在观测期内坡耕地不同耕作措施土壤侵蚀量从小到大依次为稻草覆盖(145.97 t/km²)、横坡耕作(197.47 t/km²)、顺坡+植物篱(821.87 t/km²)、顺坡耕作(3 562.8 t/km²)、裸露措施(6 136.93 t/km²)。与裸露措施对比,顺坡耕作、顺坡+植物篱、横坡耕作、稻草覆盖泥沙减少量分别达41.94%,86.61%,96.79%,97.62%。顺坡+植物篱、横坡耕作和稻草覆盖的土壤侵蚀量没有显著性差异,但都明显低于顺坡耕作和裸露措施。各措施处理中,稻草覆盖的减沙效益最为显著,相对传统的顺坡耕作减少泥沙量达95.90%。

不同耕作措施氮磷总量流失特征如图2所示。由图2看出,不同耕作措施条件下总氮、总磷流失变化特征均存在明显差异,不同处理氮磷总量在变化趋势上具有一定的相似性。

如图2A所示,总氮流失量变化特征在不同耕作措施中差异明显,其大小依次为:裸露对照>顺坡耕作>顺坡+植物篱>横坡耕作>稻草覆盖。以裸露措施为对照组,稻草覆盖、横坡耕作、顺坡+植物篱、顺坡耕作的总氮量分别减少99.00%,95.31%,87.68%,54.30%; 以农民常规耕地方式(顺坡耕作)为对照组,稻草覆盖、横坡耕作、顺坡+植物篱分别减少了98%,90%,73%,说明裸露措施下总氮流失量最高,顺坡耕作虽然能减少流失量,但仍然不能控制流失量在允许范围内,由此表明,稻草覆盖措施是南方红壤区控制面源污染物氮流失的重要措施。

图2 不同耕作措施氮磷总量流失特征

从图2B可看出,不同耕作措施总磷流失量与总氮流失量有很大的相似性,以裸露为对照组,稻草覆盖、横坡耕作、顺坡+植物篱、顺坡耕作的总磷量分别减少了99.86%,97.30%,88.28%,56.87%; 以顺坡耕作为对照组,顺坡+植物篱、顺坡耕作的总磷量分别减少了99.67%,93.73%,72.82%。说明坡耕地不同耕作措施对总磷的拦截作用显著,各措施总磷流失量均明显小于裸地; 稻草覆盖和横坡耕作对径流总磷的拦截效果显著优于其他措施,而稻草覆盖和横坡耕作的拦截作用没有明显差异。因此,在南方红壤坡耕地应选择以横坡耕作或稻草覆盖为主的耕作措施,从而减少磷素养分的流失,提高土地生产力。

由表6可以看出,在作物产量方面,顺坡+植物篱、横坡耕作分别较顺坡耕作增加了39.5%,55.3%,稻草覆盖措施较顺坡耕作减少了24.4%,稻草覆盖措施和顺坡+植物篱都与顺坡耕作无明显差异,但稻草覆盖措施明显低于最高的顺坡+植物篱措施。土壤容重是土壤物理性质的一个重要参数,容重减小则代表土壤结构趋于良好,与顺坡耕作相比,其他处理土壤容重增加了0.08%～5.74%。土壤全氮和土壤全磷均与顺坡耕作无明显差异。由此说明改变单纯的顺坡耕作可改善土壤结构、增加作物产量,其中横坡耕作方式最佳。

表6 不同耕作措施提高土地生产力指标平均量化值

通过各个指标的标准化值(表7)和权重值(表5),以公式(1)计算综合生态效益以及不同类型的生态效益指数得到表8。从表8可以看出,不同耕作措施综合生态效益指数(A)以顺坡耕作(DT)最小,为0.607; 稻草覆盖措施(SM)最大,其综合评价指数为0.944,是顺坡耕作的1.555倍; 其中横坡耕作(CT)、顺坡+植物篱(DT+HR)生态效益指数分别为0.913,0.868,表明在相同的环境条件下,稻草覆盖措施具有较高的综合生态效益,而顺坡耕作综合生态效益较低。

表7 不同耕作措施综合生态效益评价指标标准化值

表8 不同耕作措施生态效益指数

与顺坡耕作相比,稻草覆盖措施的保持水土效益、控制农业面源污染效益、提高土地生产力和综合生态效益分别增加了87.7%,41.9%,20.5%和55.5%; 顺坡+植物篱耕作措施的保持水土效益(B₁)、控制农业面源污染效益(B₂)和综合生态效益分别增加了66.3%,36.2%和43.0%,提高土地生产力效益(B₃)降低了33.2%; 横坡耕作措施的保持水土效益、控制农业面源污染效益和综合生态效益分别增加73.1%,45.4%,50.4%,提高土地生产力效益降低了46.3%。说明与顺坡耕作相比,稻草覆盖措施能够较好地提高南方红壤坡耕地保持水土效益、控制农业面源污染效益、提高土地生产力以及综合生态效益。

不同耕作措施生态效益指数B₁,B₂分别较顺坡耕作平均增加75.6%,41.2%,而B₃降低了19.7%,可见不同土地利用方式生态效益的效应大小为:B₁>B₂>B₃。综合表明,稻草覆盖措施不仅能明显提高坡耕地水土保持效益、还能优化土壤理化性质、控制农业面源污染^[17]。就综合生态效益而言,稻草覆盖>横坡耕作>顺坡+植物篱>顺坡耕作。