元阳梯田不同土地利用类型表层土壤的抗冲性

2012-01-02李阳芳宋维峰彭永刚李健

中国水土保持科学 2012年5期

李阳芳，宋维峰†，彭永刚，李健

(1.西南林业大学环境科学与工程学院，650224，昆明;2.云南红河州水利局，661000，云南蒙自;3.云南元阳县水保办，662400，云南元阳)

土壤抗冲性是指土壤本身抵抗径流冲刷的能力，早在20 世纪60 年代初，朱显漠院士针对黄土高原土壤侵蚀的特征及研究结果，提出“土壤抗冲性”这一概念，并指出，土壤抗冲性的研究将是揭示土壤侵蚀规律的关键［1］，之后又研究了不同土地利用方式下的土壤抗冲性，发现植物根系对增强土壤抗冲性具有重大作用［2］。刘震［3］认为土壤抗冲性是土壤抵抗降雨径流对其机械破坏和推动下移的性能，它主要取决于土粒间和微结构间的胶结力、结构体间抵抗离散的能力以及地面覆被情况。土壤抗冲性的主要影响因素有土壤机械组成、水稳性团粒含量、土壤密度、紧实度和总孔隙度等。蒋定生［4］的研究表明，随着冲刷流量和坡度的增加，不论何种利用类型，土壤的抗冲性均削弱。在一定的径流作用下，土壤的抗冲性大小反映了土壤抵抗径流冲刷侵蚀的能力，土壤抗冲性越大，土壤抵抗径流侵蚀的能力就越大。影响土壤冲刷的因素来自2 方面:一是外营力，包括雨滴对地表的溅击和地表径流对地面的冲刷;二是土壤本身的抗冲性即抵抗径流对地表的机械破坏和推移的能力［5］。径流对地表土壤的作用表明，随着径流流量的增大，径流的切应力也增大，径流对土壤的冲刷、搬运能力相应地增大，造成土壤大量流失［6］。研究土壤抗冲性的方法有许多，且标准也不够统一，主要有抗冲仪法、原状土冲刷法、实地放水冲刷法等［1，7－8］，其中原状土冲刷槽法目前应用最多，较实地放水冲刷法简单，实验仪器便于野外携带［9］。元阳哈尼梯田距今已有1 200 多年的历史，是中国古代梯田的典型代表之一［10］。上千年形成的森林涵养水源、水灌溉梯田和供人畜饮用的良好生态系统，已成为中国古梯田中的典范;但是，关于元阳不同土地利用类型表层土壤抗冲性的研究还鲜见报道，对土壤抗冲性能的研究可以从土壤层面揭示元阳梯田森林保持水土、涵养水源的功能，对今后元阳梯田核心区森林资源的开发与利用具有指导意义，可为元阳梯田的可持续发展和今后的退耕还林(草)工作提供理论依据。

1 研究区概况

元阳县地处云南省南部，红河南岸，位于E 102°27'～103°13'，N 22°49'～23°19'。东接金平，南连绿春、金平，西与红河、绿春接壤，北与建水、蒙自、个旧隔红河相望。元阳梯田位于元阳县中部，其核心区约有梯田1.32 万hm2，分布于海拔700 ～1 800 m，坡度15°～75°之间的沟壑山岭间。受红河水系和藤条江水系的切断，无一平川，山峦叠嶂，沟壑纵横、梯田密布，为山高谷深的切割中山地貌。气候属亚热带季风类型，但因地形复杂，立体气候突出。河坝区年均气温25 ℃，最高气温42 ℃，高山区年均气温11.6 ℃，2 区温差达13.4 ℃，年均降雨量1397.6 mm，森林覆盖率50%以上。研究样地基本情况见表1。

表1 试验样地基本情况Tab.1 Basic conditions of the test plots

2 研究方法

2.1 原状土冲刷槽法

在2010 年5 月，采用原状土冲刷槽法［11］，用自制取土器分别在有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地的表层取20 cm×10 cm ×10 cm 的原状土，每种土地利用类型设3 个重复，试验前将原状土样用纱布包裹浸水24 h，试验时静置除去多余水分，置于长20 cm、宽10 cm、高10 cm 的冲刷槽内。根据当地降雨情况，控制冲刷流量为1.5 L/min。针对研究区地形及土壤质地的特征，本实验选取较具代表性的坡度(15°、30°、45°)，确定其冲刷时间为8 min，每2 min 取1 次水样在实验室烘干，计算4 种土地利用类型在不同坡度时冲刷水流中的含沙量。

2.2 实地放水冲刷法

分别在有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地上，采用实地放水冲刷法，分析4 种土地利用类型在坡度一定时，不同冲刷流量对土壤抗冲性的影响，设定3 个重复。实地放水冲刷实验装置在前人研究的基础上，根据自身情况来设计，实验系统由供水系统、冲刷系统、测定系统组成。供水系统为150 L 的水箱，其上带有阀门，可自行调节流量大小;冲刷系统由宽50 cm、长2 m 的铁板围成冲刷面积1 m2的冲刷小区;测定系统主要用于水流收集。利用溢流装置保证供水桶水位恒定，由供水桶水位高低和阀门控制流量大小。根据对研究区降雨情况的分析，拟定1.5、2.5 和3.0 L/min 3 种冲刷流量，冲刷开始前，用1.5 L/min 的水流使土壤达到饱和，冲刷水流流经坡面后通过冲刷小区下方的集水槽收集水样500 mL，在室内用过滤烘干法测定水样中的泥沙含量。

2.3 土壤根系情况测定

将做过实地放水冲刷实验的土壤取出30 cm×20 cm×10 cm 的土块不断淘洗，拣出全部根系，带回室内晾干根系表面的水后，在1 000 mL 的量筒中加入自来水(体积为V1)，再将根系全部放入装有水的量筒中(使根系全部浸入水中)，测得体积V2，用V2－V1即得根系体积，用根系体积比上所取土块的体积，即得根系体积占土块体积的比例(%);同时用游标卡尺测量根系直径。

2.4 土壤团聚体的测定

水稳性是评价团聚体抗水浸分散性的指标。选取粒径＞3 mm 和3 ～2 mm 的土粒各30 颗，分别整齐排列在铺有滤纸的培养皿中，从四周慢慢加水，直到结构被水淹没2 ～3 mm 为止，记下时间，静置10 min 后，分别记下各皿中完全破坏和未完全破坏的结构数，重复3 次，计算其结构水稳度［12］。同时测定的项目有土壤密度和土壤机械组成，土壤密度采用环刀法，土壤机械组成采用机械筛分法。

3 结果与分析

3.1 坡度对土壤抗冲性影响分析

坡度可以反映坡面地表径流的水力坡降，是决定地表径流流速和水流冲刷能力的关键因素［13］;因此，坡度是影响土壤抗冲性的重要因素之一，而含沙量的高低则反映了土壤的抗冲情况，冲刷水流中的含沙量越高，说明土壤的抗冲性越弱。本文通过原状土冲刷实验，研究了坡度对有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地表层土壤抗冲性的影响，结果见图1。

图1 4 种土地利用类型不同坡度冲刷水流中的含沙量Fig.1 Sediment amount in water flow of different slops of four kinds of land use type

从图1 中可以看出:当坡度发生变化时，冲刷水流中的含沙量也在相应变化，基本上呈现出坡度越大，含沙量越大的特点。

在坡度较缓时，4 种土地利用类型表层土壤冲刷水流中的含沙量随时间的推移而逐渐减小，可能是由于土壤中的松散颗粒逐渐减少引起的;随着坡度的增加，4 种土地利用类型中的含沙量都在逐渐增加，且坡度对荒草地和灌木林地的影响较大;有林地和坡耕地随坡度的增加，其含沙量变化不明显，但坡耕地的含沙量明显大于有林地，说明有林地能更好地抵抗水流冲击;坡度较缓时，有林地、灌木林地和荒草地的含沙量在冲刷开始的前2 min 较为接近，坡耕地的含沙量均大于其余3 种。

3.2 冲刷流量对土壤抗冲性影响分析

实地放水冲刷法是降雨形成地表径流后对土壤造成冲刷的模拟。结果见表2，可看出，有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地的冲刷水流中，各自的含沙量随着冲刷流量的增加而增加。当冲刷流量为1.5 L/min 左右时，有林地的含沙量为0.69 g/L，灌木林地为0.67 g/L，荒草地为0.37 g/L，坡耕地为1.27 g/L，随着冲刷流量的增加，含沙量所表现出来的特征与张振明等［14］研究结果相同，即含沙量随着冲刷流量的增加而增加。随着冲刷流量的不断增加，坡耕地的含沙量始终最大，当冲刷流量从2.5 L/min增加到3.0 L/min 时，含沙量增加了52.6%，增幅最大。就整个冲刷过程来看，在坡度一定时，3 种冲刷流量下，荒草地冲刷水流中的含沙量变化幅度最小，可能是由于荒草地的植被覆盖和土壤特性引起的，下文将作进一步研究。

表2 4 种土地利用类型不同冲刷流量下冲刷水流中的含沙量Tab.2 Sediment amount in water of different water flow of four kinds of land use type

3.3 根体积分数对土壤抗冲性的影响

将冲刷流量为1.5 L/min 实地放水冲刷实验后4 种土地利用类型的表层土壤中的根系全部洗出，测量其根系情况见表3。

植物根系的含量及分布情况，对土壤的抗冲性有着重要影响，鲜活的根系能够固结土壤，增加土粒之间的黏接性，干枯腐烂的根系能够增加土壤的孔隙度。大量研究表明:植物的根系尤其是小于1.0 ～2.0 mm 径级的植物根系，具有稳定土层结构、增加大于2 mm 粒级水稳性团粒和有机质含量、创造抗冲性土体的生物动力学性质功能［15］;根量主要由根径决定，根径大者密度小，与土壤总接触面积小，吸附固持土壤的能力也小，所以根径大者并非对提高土壤抗冲性有决定作用，须根径虽小，但密度大，对改良土壤、建造抗冲性土体构型具有粗根不可比拟的作用［16－17］。大量的须根能够很好地固结土壤，具有强大的抗拉能力和弹性，加之网络串联、根土黏结、根系生物化学等作用，强化了抗冲性作用。在实地放水冲刷试验中，同一冲刷强度下，冲刷水流中的含沙量表现为坡耕地＞有林地＞灌木林地＞荒草地。从表3 可知，4 种土地利用类型中，荒草地中的总根系体积占土块体积比例最大，其次为灌木林地，再次为有林地，最少的为坡耕地。当土块中的总根系体积占土块体积比例相差不大时，灌木林地和荒草地实地放水冲刷水流中的含沙量存在较大差异，前者接近于后者的2 倍，这可能与荒草地中＜1 mm的根系体积占总根系体积比例较大有关，此比例越大，说明＜1 mm 的根系越多，根系直径小，分布密集，能够很好地包裹土壤，增加土壤抗冲性;有林地中的总根系体积占土块体积比例虽然也较多，但因为有林地的根系大部分为树根，直径较大，起固结作用的能力较小，冲刷水流中的含沙量仅次于坡耕地;由于坡耕地经过人为耕作后，破坏了大量的植物根系，使得土质疏松，没有较好的固结能力，大大降低了土壤的抗冲性，故而冲刷水流中的含沙量最大。

表3 4 种土地利用类型的根系体积占土块体积比例与冲刷水流的含沙量Tab.3 Root volume account for the proportion of clods volume in four kinds of land use types

3.4 土壤物理性质对土壤抗冲性的影响

土壤的物理性质包括了土壤的机械组成、密度、总孔隙度和水稳性团聚体含量等，对土壤的抗冲性有重要影响。本文测定了土壤的机械组成、土壤密度、水稳性团聚体质量含量，结果见表4。可以看出，4种土地利用类型中土壤密度的大小次序为荒草地＞灌木林地＞坡耕地＞有林地，坡耕地土壤密度小于灌木林地和荒草地，可能是由于坡耕地经人为翻耕过，增加了其土壤的孔隙度，导致土壤密度降低。对土壤水稳定性分析中，坡耕地＞3 mm 和3 ～2 mm 中的结构水稳度均为最低，有林地、灌木林地、荒草地三者之间相差不大，但就土壤的水稳性来说，以荒草地为最好，水稳性越好，土粒在遇水浸泡时越难以分解，故而在冲刷流量一定的情况下，冲刷水流中的含沙量也就越少。综上所述，4 种土地利用类型结构水稳性强弱为荒草地＞灌木林地＞有林地＞坡耕地，在经受雨水冲刷和浸泡的同时，坡耕地更容易形成土壤流失，所以在元阳梯田核心区实行退耕还林(草)是非常必要的。