岩溶区不同土地利用方式土壤抗蚀性分析

2011-09-19贾亚男蓝家程

水土保持研究 2011年5期

付允，贾亚男，2，蓝家程

（1．西南大学地理科学学院，重庆400715；2．三峡库区生态环境与生物资源重点实验室，重庆400715）

岩溶生态系统成土速率慢，水土流失严重，属于生态脆弱区。土壤和植被是岩溶环境中最为敏感的自然要素，土壤侵蚀是石漠化最直接的影响因素［1］。在土壤侵蚀的过程中，土壤性质对土壤侵蚀的发生与强度有着重要的影响，土壤抗蚀性是指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力［2］，是评价土壤是否易受侵蚀营力破坏的标准［3］。土壤抗蚀性与土壤性质密切相关，不同土地利用方式对土壤质量性状的影响明显不同，存在空间差异性［4］，从而使土壤对侵蚀的易损性和敏感性不同。

耕作侵蚀是一种重要的土壤侵蚀类型，但在以往的研究中常常被忽略。耕作侵蚀使坡耕地土壤沿坡面发生位移，造成土壤主要性质在耕地内发生再分布，产生坡耕地不同部位土壤性质分异。岩溶区土壤匮乏，宜农土地资源稀缺，坡耕地的开垦会诱发土壤侵蚀，进而导致石漠化［5］。关于岩溶区土壤性质与植被对土壤抗蚀性的影响已经有不少研究［3，6－8］，但结合耕作侵蚀来研究还较少见。因此本文以重庆市中梁山为例，选取常用的土壤抗蚀性指标，对比不同土地利用方式下土壤抗蚀性的强弱，将耕作侵蚀引起的坡耕地不同部位土壤抗蚀性进行比较，探讨研究区较为合理的土壤抗蚀性指标，为岩溶区开展水土保持工作提供基础数据。

1 研究区概况

重庆市中梁山属于中亚热带季风性湿润气候，海拔400～700 m，年均气温18℃，多年平均降水量1 000 mm左右。研究区地貌特征受地质构造和岩性的强烈控制，两翼由黄色砂岩构成半边山地形，轴部由紫色页岩构成波状起伏的丘陵地形，二者之间由灰岩组成，经岩溶作用后形成岩溶槽谷，组成“一山两槽三岭”的构造地貌格局。土壤发育的地质背景是三叠纪嘉陵江组的岩溶角粒状白云质灰岩，以化学结构为主，属于黄色石灰土，土层厚0．15～1．0 m。受地形和海拔的限制，山顶和上部一般是林地、灌丛和草地，耕地大都分布在山腰、山脚和谷底。其中山腰地块坡长只有2～4 m，坡度最大；山脚地块坡长达到5 m，坡度减小；谷底地块平坦，土壤堆积，基本上没有坡度，地块最长，大概为5～10 m。坡耕地农业种植制度为小麦－玉米－甘薯，一年两熟到三熟。

2 材料与方法

2．1 土壤样品的采集与分析

供试土样取自于研究区内两个坡耕地不同部位土样，另取3种主要的自然利用的土地利用方式，即竹林地、灌丛地和草地作对比。土壤取样按自然剖面层次取表层土壤，其中竹林地、灌丛地和草地各取两个剖面土样，坡耕地在两个不同坡度、坡长样地，取不同部位的表层土壤。

采集的土样经风干、研磨，过2 mm筛备用。土壤样品测定方法：土壤机械组成采用比重计法，土壤有机质采用重铬酸钾外加热氧化法，土壤微团聚体采用吸管法，土壤各级干筛团聚体和湿筛团聚体含量采用干筛法、湿筛法［9］。

2．2 土壤抗蚀性评价指标

在已有研究的基础上，本文选择比较常用的土壤抗蚀性指标［7－8，10］进行主成分分析，共取三大类11个指标，分别是：

水稳性团聚体类

（1）＞0．25 mm水稳性团聚体含量（X1）；（2）＞0．5 mm水稳性团聚体含量（X2）；

（3）＞0．25 mm水稳性团聚体破坏率（X3）＝（干筛＞0．25 mm－湿筛＞0．25 mm）／干筛＞0．25 mm；

（4）＞0．5 mm 水稳性团聚体破坏率（X4）＝（干筛＞0．5 mm－湿筛＞0．5 mm）／干筛＞0．5 mm；

（5）平均重量直径（X5）

团聚体类

（6）分散系数（X6）＝微团聚体＜0．001 mm分析值／机械组成＜0．001 mm分析值；

（7）结构系数（X7）＝（土壤机械组成＜0．001 mm分析值－微团聚体＜0．001 mm分析值）／土壤机械组成＜0．001 mm分析值；

（8）团聚体分散率（X8）＝微团聚体＜0．05 mm分析值／机械组成＜0．05 mm分析值；

（9）团聚状况（X9）＝微团聚体＞0．05 mm 分析值－机械组成＞0．05 mm分析值；

（10）团聚度（X10）＝团聚状况／微团聚体＞0．05 mm分析值；

有机胶体类

（11）有机质含量（X11）。

3 结果与分析

3．1 不同土地利用方式土壤抗蚀性主成分分析

衡量土壤抗蚀性的指标很多，不同研究区域所选用的指标也有一定的差异。单一指标无法定量获得一定侵蚀力下的土壤侵蚀量，但能够反映土壤对侵蚀营力的相对敏感程度；由于指标间存在一定的相关性，用多指标来评价能更全面反映土壤实际抗蚀能力，但可能也会掩盖一些指标的作用。研究区不同土地利用方式的土壤抗蚀性指标详见表1。

表1 不同利用方式表层土壤抗蚀性指标

表1的指标较多，信息量大，比较全面，但却显得较为复杂，指标间有一定的相关性，有信息重叠。为此本文采用SPSS软件通过主成分分析，将原来较多且复杂的指标简化为能够反映土壤抗蚀性的主导指标，并对不同利用方式土壤抗蚀能力进行综合评价，分析结果详见表2。

表2 主成分载荷矩阵、特征根及方差贡献率

从表2可以看出，前两个主成分累计方差贡献率达到94．65%，且特征根都大于1，符合主成分分析要求，表明这两个主成分可以综合所有指标的大部分信息，能够反映土壤抗蚀性的强弱。其中，第一主成分方差贡献率最大为59．49%，且该成分中的X1，X3，X4，X2，X5因子载荷大，反映水稳性团聚体类可显著影响土壤抗蚀性，土壤水稳性团聚体越稳定，水稳性团聚体破坏率越小，土壤抗蚀性越强；第二主成分方差贡献率为35．16%，成分中X11，X8，X9因子载荷大，表明微团聚体类及有机质对土壤抗蚀性影响较显著，有机质含量越高，团聚状况越好，土壤结构越好，土壤不容易分散，土壤抗蚀性越强。因此，根据原指标对主成分的贡献大小以及研究精度的要求，可以确定不同的最佳指标评价体系：最佳指标——X1；最佳2指标——X1，X2（由于 X3，X4为负数，分别与 X1，X2相反，且与其定义相一致，在此舍去，使指标体系更为简洁）；最佳3指标——X1，X2，X5；最佳4指标——X1，X2，X5，X11；最佳5指标——X1，X2，X5，X11，X8。

3．2 土地利用方式对土壤抗蚀效应的影响

不同土地利用方式有不同的植被覆盖程度，受人为活动的影响程度也不一样，土壤理化性质产生一定的差异，进而影响到土壤的抗蚀性强弱。

3．2．1 基于主成分分析的抗蚀效应根据经标准化处理的各个变量与特征向量的线性组合得到各主成分分值，再根据每一主成分占总主成分的比例计算得到不同样地的综合主成分分值，计算方法如下：

F1＝0．143 X1＋0．137 X2－0．144 X3－0．135 X4＋0．123 X5＋0．120 X6－0．120 X7＋0．088 X8－0．098 X9－0．096 X10＋0．046 X11

F2＝0．086 X1＋0．113 X2－0．081 X3－0．118 X4＋0．137 X5－0．154 X6＋0．154 X7－0．209 X8＋0．197 X9＋0．128 X10＋0．229 X11

式中：F1——第一主成分分值；F2——第二主成分分值；λ1，λ2——第1，2个特征根；F综——综合主成分分值。不同土地利用方式主成分分值的计算结果见表3。

表3 不同利用方式表层土壤抗蚀性综合指数

从表3可以看出，不同土地利用方式土壤表层抗蚀性综合指数从大到小排序为：灌丛地、草地、竹林地、坡耕地，坡耕地为负值，其余都为正值，差异明显。说明灌丛地土壤抗蚀性最强，草地和竹林地次之，坡耕地最弱。土壤有机质是土壤水稳性团聚体的有机胶结剂，一般而言，用有机质含量和土壤水稳性团聚体含量作指标来评价土壤的抗蚀性时，二者之间的变化基本是一致的［12］。相关分析表明，土壤有机质含量与＞0．25 mm水稳性团聚体含量和＞0．5 mm水稳性团聚体含量相关性均达到极显著水平（N＝16），相关系数分别为0．651，0．730。灌丛地和草地的植物种类丰富，覆盖度大，且利用时间都在20 a以上，凋落物量多，分解速度较快，能很好地促进土壤有机质的增加，能够促进水稳性团聚体的形成，改善土壤结构，使土壤不易受到水力破坏。竹林地土壤有机质含量（15．99 g／kg）比坡耕地平均值（18．33 g／kg）小，但竹林地、坡耕地表层＞0．25 mm水稳性团聚体含量和＞0．5 mm水稳性团聚体含量分别为80．04%，60．62%和59．08%，39．42%，表现为竹林地远大于坡耕地，因此竹林地土壤抗蚀性比坡耕地强。此外，4种利用方式中，坡耕地土壤抗蚀性最弱还与坡耕地受到人类活动强烈干扰有关，由于坡耕地经常耕作，坡度大，土壤耕作侵蚀大，表层土壤容易流失。说明退耕还林、还草能够提高土壤抗蚀性，减少水土流失。

3．2．2 土壤微团聚体类指标分析土壤的分散系数和分散率越大，土壤的抗蚀性越弱［12］。不同利用方式表层土壤的分散系数大小排序为：竹林地（23．10%）、草地（22．30%）、坡耕地（平均值为10．94%）、灌丛地（9．03%），坡耕地的平均值比竹林地、草地和灌丛地三者的平均值（18．15%）还低。同样，土壤分散率在4种土地利用方式中的变化与土壤分散系数相似，表现为：竹林地（78．94%）＞草地（68．74%）＞坡耕地（平均值为50．16%）＞灌丛地（36．58%），竹林地、草地和灌丛地三者的平均值（61．42%）大于坡耕地（50．16%）（表1）。说明从土壤分散系数和分散率来看，除了灌丛地外，竹林地和草地的土壤抗蚀性反而弱于坡耕地，非农耕地开垦为农耕地后土壤抗蚀性明显提高。

土壤结构系数能够反映土壤形成微团聚体的能力和微团聚体的稳定性，该值越大，土壤结构的水稳性越好，抗蚀能力越强［11］。团聚状况表示土壤颗粒的团聚程度，该值与团聚度一样，其值越大，土壤抗蚀性越强［6］。由表1分析表明，不同利用方式土壤结构系数、团聚状况和团聚度均表现为：灌丛地＞坡耕地＞草地＞竹林地，即非农耕地小于坡耕地，非农耕地土壤抗蚀性弱于坡耕地。同上述分散系数和分散率分析结果一致，这与赵洋毅［6］等人的研究结果并不一致，说明在本研究区评价土壤抗蚀性时，运用土壤微团聚体类指标评价还存在一些问题，其原因有待进一步深入研究。

3．2．3 土壤水稳性团聚体及有机胶体类分析水稳性团聚体是由有机质胶结而成的团粒结构，可以改善土壤结构，而且被水浸湿后不易解体。相关分析表明，土壤有机质含量与土壤水稳性团聚体含量呈极显著正相关，有机质含量越高，土壤水稳性团聚体含量越大，土壤抗蚀性越强。本研究表明不同利用方式表层土壤有机质含量灌丛地（68．68 g／kg）＞草地（29．86 g／kg）＞坡耕地（18．33 g／kg）＞竹林地（15．99 g／kg）；＞0．25 mm水稳性团聚体含量灌丛地（95．80%）＞草地（90．60%）＞竹林地（80．04%）＞坡耕地（59．08%）；＞0．5 mm水稳性团聚体含量灌丛地（93．09%）＞草地（85．63%）＞竹林地（60．62%）＞坡耕地（39．42%）。由土壤团聚体破坏率的公式得知其与水稳性团聚体含量呈直线负相关，其值越小，破坏率越高，土壤抗蚀性越弱。因此，土壤团聚体破坏率在不同利用方式中的变化规律恰好与水稳性团聚体含量相反。此外，相关分析表明，平均重量直径与＞0．25 mm和＞0．5 mm水稳性团聚体含量的相关系数分别为0．838，0．934，均达到极显著水平（P＜0．001，N＝16），不同利用方式平均重量直径为草地（4．96）＞灌丛地（4．80）＞竹林地（1．89）＞坡耕地（1．12）。综上分析表明土壤抗蚀性强弱大小顺序为：灌丛地＞草地＞竹林地＞坡耕地，岩溶区非农耕地开垦为坡耕地后土壤抗蚀性大大减弱，这与大部分学者的研究结果［6－7］较为一致。

3．2．4 土壤抗蚀性指标探讨采用主成分分析和水稳性团聚体、有机质类指标进行土壤抗蚀性评价时，非农耕地的土壤抗蚀性都强于坡耕地，但采用微团聚体类指标进行评价时却得到相反的结论。从目前的研究成果来看，耕地的土壤抗蚀性弱早已被证实。安和平［8］发现贵州北盘江中游地区坡耕地土壤抗蚀性比次生林地差。胡宁［7］指出重庆南川岩溶石漠山地传统旱耕地土壤抗蚀性弱于各退耕模式。因此，从现有的研究来看，采用微团聚体类指标评价本研究区是不合适的。贾红杰［11］用137Cs研究方法测算了本研究区坡耕地土壤侵蚀模数发现坡耕地土壤侵蚀速率达到2 984 t／（k m2·a），属于极强度侵蚀，并且研究区耕作侵蚀占主导地位，耕作侵蚀占到了土壤总侵蚀的76．1%，同时坡耕地的开垦加大了水力侵蚀，坡耕地的水力侵蚀速率平均为719．5 t／（k m2·a），达到强度和极强度侵蚀，这也证明了坡耕地土壤抗蚀性弱于非农耕地。

重庆中梁山岩溶区石灰土形成是由石灰岩盐以化学溶蚀为主的风化过程，主要的Ca、Mg氧化物溶蚀后易随水流走，占到很少成分的Si O2、Al2O3、Fe O等酸不溶物参与成土过程，因此石灰土黏粒含量极高，＜0．05 mm的物理性黏粒基本都超过90%，平均达到95%，且岩溶区成土速率特别缓慢，土壤侵蚀强度长期大于成土速率，岩溶区形成1 m厚的土层需要28～788 ka［13］。同时，岩溶区大部分都为坡耕地，土壤开垦度高，加速了表层土壤的侵蚀，心土层被“抬升”初露，出现粘化现象。由于极高的黏粒含量及特殊的成土过程和人为大量开垦，不论是侵蚀区还是堆积区都不会出现明显的土壤砂化。所以，在使用微团聚体类指标评价土壤抗蚀性尤其是坡耕地土壤抗蚀性时效果是不明显的，甚至会得出相反的结论。

相关分析表明，土壤微团聚体类指标与土壤有机质和水稳性团聚体均有一定的相关性，但并不显著。从理论上来讲，土壤微团聚体是构成土壤团聚体的颗粒单位，很大程度上决定了土壤的质量特征。因此，考虑到这方面的因素，本文在进行主成分分析时还是把微团聚体类作为指标进行评价，其结果是可行的。

3．3 坡耕地不同部位土壤抗蚀效应分析

土壤水稳性团聚体及有机质类指标能够较好地评价坡耕地土壤抗蚀性，为此采用其对坡耕地土壤抗蚀性进行评价，并与主成分分析作比较。

3．3．1 耕作侵蚀引起的坡耕地土壤分异耕作侵蚀是土壤在耕作工具的直接作用下发生分散、剥离、搬运、沉积的过程［14］。在坡耕地耕作侵蚀过程中，坡面土壤从上向下运动，造成土壤物质再分布，土壤性质在不同部位产生分异。岩溶区坡耕地耕作侵蚀居主导地位，是导致土壤退化、生产力下降不可忽视的主要原因。坡耕地不同部位表层土壤团聚体及有机质含量出现明显分异。由表4可知，坡耕地土壤团聚体含量不论是哪一粒级均为上部＞下部＞底部＞顶部，而土壤有机质含量则底部最大，上部和下部差不多，顶部最小。

表4 坡耕地不同部位表层土壤团聚体及有机质含量［12］

3．3．2 坡耕地不同部位土壤抗蚀性根据表4的结果分析土壤抗蚀性可知，坡耕地上部土壤团聚体含量最高，有机质含量也较高，土壤抗蚀性最强，其次为坡耕地下部和底部，坡耕地顶部土壤抗蚀性最弱。结合表1和表4分析，坡耕地不同部位主成分分值大小顺序为上部（－0．160）、下部（－0．442）、底部（－0．600）、顶部（－0．826），这与表3中的土壤团聚体分异规律一致。

4 结论

（1）运用主成分分析对不同利用方式土壤抗蚀性进行分析表明，＞0．25 mm水稳性团聚体含量及破坏率、＞0．5 mm水稳性团聚体含量及破坏率、平均重量直径和有机质含量是评价土壤抗蚀性的最佳4指标。

（2）主成分分析结果表明，土壤抗蚀性强弱顺序为：灌丛地＞草地＞竹林地＞坡耕地。研究区水土流失严重，生态脆弱，退耕还林、还草有利于提高土壤抗蚀性，有利于水土保持。

（3）运用微团聚体类指标和水稳性团聚体类及有机质指标分别进行土壤抗蚀性评价时，得到相反的结论，土壤水稳性团聚体类指标评价结果与主成分分析结果一致。根据已有的研究成果及对研究区坡耕地土壤侵蚀强度分析证明了微团聚体类指标在本研究区评价土壤抗蚀性的效果不明显，故选用水稳性团聚体类及有机质含量作为指标进行评价效果最好。

（4）坡耕地不同部位土壤抗蚀性强弱为：上部＞下部＞底部＞顶部，这与土壤水稳性团聚体含量坡面分异一致，证明了水稳性团聚体类指标可以较好地反映土壤抗蚀性特性。

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