川中丘陵区紫色土坡面土壤侵蚀过程中基本理化性质与磁化率的演变特征
2017-11-10王小刚韩光中梁秋霜
王小刚,韩光中,母 娟,梁秋霜
(1.内江师范学院地理与资源科学学院,四川内江 641112;2.西北大学城市与环境学院,西安 710127)
川中丘陵区紫色土坡面土壤侵蚀过程中基本理化性质与磁化率的演变特征
王小刚1,2,韩光中1*,母 娟1,梁秋霜1
(1.内江师范学院地理与资源科学学院,四川内江 641112;2.西北大学城市与环境学院,西安 710127)
【目的】探索土壤侵蚀强度与磁化率(MS)之间的关系,为利用磁测法研究紫色土坡面侵蚀提供理论依据。【方法】通过土壤侵蚀序列方法,研究川中丘陵区紫色土在坡面侵蚀过程中基本理化性质与磁化率(MS)的演变特征。【结果】结果表明,随土壤侵蚀强度的增加,坡顶和坡中土壤基本理化性质的演变特征存在差异,坡中土壤要比坡顶土壤复杂。在坡顶以0~20cm土壤层为主要营养物流失层,在坡中则以0~40cm为主。不同侵蚀强度土壤与未侵蚀土壤相比较,只有坡顶土壤中有机质(SOM)的含量和坡中土壤全钾(TK)的含量达到显著差异,而土壤中其他的养分含量均未达到显著差异。土壤侵蚀对紫色土SOM、N和P的保存不利。表层土壤的MS随土壤侵蚀强度的增加有所下降,但并没有呈现出固定的模式,在本研究区很难借助MS来反演紫色土的侵蚀过程。【结论】川中丘陵地区土壤侵蚀主要体现在坡中,其次是坡顶,且土壤肥力受到显著影响。因此,应在该地区水土保持与生态修复时因地制宜选择适合的侧重点。
紫色土;土壤侵蚀;基本理化性质;磁化率
土壤侵蚀可导致土壤退化、土地生产力降低,造成生态环境恶化,已成为我国乃至全球的重大环境问题之一[1-3]。川中丘陵区地处四川盆地的中部,土壤类型以紫色土为主,抗侵蚀性弱,极易遭受侵蚀,是四川省土壤侵蚀最严重的地区之一。国内外学者经过多年研究,在土壤侵蚀机理[4]、土壤流失方程、土壤侵蚀与土地生产力关系[5]的评价方法、小流域水土保持规划等方面已取得丰硕的研究成果[6-9]。20世纪70年代以前,土壤侵蚀的研究主要以定性研究和宏观描述居多,定量研究较少。随着同位素示踪方法和现代空间分析技术在土壤侵蚀方面的应用,土壤侵蚀研究取得很大的进展[10-11]。林文超等[12]从侵蚀因子影响中发现雨强越大对土壤养分流失影响越大,而横坡垄作在中小雨强条件下控制地表径流和侵蚀的效果显著。径流携带是紫色土养分流失的重要途径之一。李林育等[13]利用多次实测降水数据应用频率分析法推求该地区侵蚀性降雨的一般标准,揭示侵蚀性降水和侵蚀特征。川中丘陵区紫色土坡地和小流域水蚀过程定量研究的不足和流域水沙汇集传递关系分析技术和方法的缺乏,导致至今尚未建立适合模拟紫色土小流域水土流失时空分布的预报模型。
磁测法是根据土壤侵蚀前后磁性矿物的含量变化引起的土壤磁化率(MS)改变来研究土壤侵蚀[14-18]。该方法可以克服传统的径流小区法和普查法等方法的不足,能够更好地研究土壤侵蚀、沉积、分布和泥沙来源。且具有操作简便、快捷、经济、准确等优势,受到广泛的关注与重视,为研究土壤侵蚀过程提供了新思路。尽管如此,已有研究很少涉及川中丘陵区的紫色土。本文选择川中丘陵区的小流域坡面进行磁测和土壤侵蚀强度调查,探索土壤侵蚀强度与MS之间的关系,为利用磁测法研究紫色土坡面侵蚀提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
研究区位于四川省内江市威远县(104°16′~104°53′E,29°22′~29°47′N),距离圣灵山地质公园 3 km处金李井镇归沙路附近未被农耕开发的低山丘陵。威远地势自西北向东南倾斜,低山和丘陵比例相当,主要以耕地、林地和草地为主,年均气温17.8℃,降水变幅较大,年均降雨量985.2mm。成土母质主要为中生代紫红色砂岩和泥岩,质地松脆,结构性差,有机质含量低,钙质、石膏、可溶性盐分含量高,易被水解,pH呈碱性到中性,其上发育的紫色土抗侵蚀能力弱。
1.2 样品采集与预处理
选择研究区中典型小流域坡面为研究对象,分别在坡顶和坡中选择具有代表性的未侵蚀、轻度、中度和重度侵蚀土壤来表征侵蚀过程中的4个阶段。采样和实验分析时间为2013年9月中旬。土壤侵蚀划分参考史明德等[19]研究。在每一个坡面的各段挖取剖面,按照土壤学方法进行层次划分,确定土壤侵蚀强度的大小作为对应坡段土壤侵蚀强度。土壤侵蚀强度与剖面厚度相对应:未侵蚀对应A层保存完整;轻度侵蚀对应A层保存1/2;中度侵蚀对应A层全部流失或保存低于1/2;重度侵蚀对应B层保存厚度低于1/2[20]。在研究区内,选择不用坡向且受人为干扰较小的坡面自坡顶到坡中50 m为1个坡段,每个坡段内根据实地情况选择等间距的样点。在样点挖取剖面,按土壤发生层进行采样(剖面描述见表1,样点剖面见图1),每个样点采取3个重复样品,共采集土壤样品33个。土壤样品在室内自然风干后,分别挑出枯枝落叶、根系和大于2mm的非土壤物质,四等分法取土。先后过10目、60目、100目的尼龙筛,分成两部分:一部分用于土壤基本理化性质测量;另一部分用于土壤磁化率测量。因坡底土壤经常发生明显堆积,为避免争议,本研究未涉及坡底土壤。土壤分类系统参考中国土壤分类系统,根据《修订方案》中有关诊断层与诊断特性的定义,地表下50cm深度处年均土温≥15℃,即具有温热性土壤温度状况,盐基饱和,湿润土壤水分状况,准石质接触面为雏形土[21]。
表1 土壤剖面的基本信息Table 1 Information of soil profiles
图1 不同坡位紫色土侵蚀序列剖面Figure 1 The erosion sequence profiles of different segments in purple soil
1.3 测定项目和方法
土壤颗粒组成与土壤有机质(SOM)分别采用湿筛-吸管法和重铬酸钾-硫酸消化法测定[22]266-217;全磷(TP)和速效磷(AP)分别采用碱熔-钼锑抗比色法和碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[22]166-183;全钾(TK)和速效钾(AK):碱熔-火焰光度法与乙酸铵浸提-火焰光度法测定[22]188-195;速效氮(AN):碱解扩散法测定[22]156-159;以上基本理化性质指标均采用常规实验方法。MS的测定[23]:称取适量(以装满为准)过10目筛的风干土样(精确度0.01 g),装入10cm3无磁性塑料盒中,用Barrington公司的MS-2B型磁化率仪分别在低频(0.47 kHz,MSlf)和高频(4.7 kHz,MShf)磁场中进行测定,每个样品连续测定2次,取其平均值,作为样点土壤的磁化率。
1.4 数据处理
数据处理采用统计分析和差异性分析方法。差异性分析是一种用数理统计方法测定和检验变数之间差异性的资料分析方法。依据变数的性质可以分为百分率差异性分析和平均数差异性分析两种。变数之间的差异性分析与资料的正态分布有密切关系。本文基于该方法探讨不同坡段紫色土壤基本理化性质间差异性关系。所有分析利用origin.8和spss13完成。
2 结果与分析
2.1 坡面土壤侵蚀程度与基本理化性质的演变特征
由图2可见,砂粒在坡顶和坡中随侵蚀深度增加含量减少,黏粒正好相反,粉粒变化较复杂,说明坡顶和坡中在土壤侵蚀过程中机械分选作用并不明显。同时,坡中砂粒、粉粒和黏粒分布曲线较离散,在侵蚀过程中坡顶不同侵蚀程度土壤颗粒组成差异小;反之,坡中差异较明显。未侵蚀土壤中SOM、TP、TK、AN、AP和AK在坡顶与坡中随侵蚀深度增加含量急剧下降,在40cm处达到最小后保持不变。坡顶轻度、中度和重度侵蚀土壤中SOM、TP、TK、AN、AP和AK含量在10~20cm土层间达到最小并保持不变,坡中在40cm处达到最小。同时坡顶SOM、TP、TK、AN、AP和AK含量分布曲线较坡中紧密,说明在侵蚀过程中 SOM、TP、TK、AN、AP 和 AK 流失的土壤层在坡顶主要为0~20cm,在坡中为0~40cm。随着侵蚀深度增加,坡中 SOM、TP、TK、AN、AP和AK流失更严重,可能由于坡中受侵蚀影响更加严重[24]。不同深度土壤理化性质分布如图3所示。
图2 不同深度土壤颗粒组成分布图Figure 2 The particle composition of soil in different depths
2.2 土壤基本理化性质差异性分析
坡顶不同侵蚀强度土壤中 TK、TP、SOM、AN、AP、AK平均含量与未侵蚀土壤相比显著偏低(分别降低了 9.06 g/kg,0.05 g/kg,2.01 g/kg,46.77 mg/kg,0.59 mg/kg和1.82 mg/kg),且SOM达到了显著差异(p=0.031),而TK、TP、AN、AP、AK 均未达到显著性差异(表2),说明坡顶侵蚀过程中SOM流失较明显。坡中土壤中TP和AP平均含量有所增加,增加了0.1 g/kg和 5.25 mg/kg,而 TK、SOM、AN 和 AK 平均含量有所降低,分别降低了0.49 g/kg,2.92 g/kg,44.75 mg/kg和3.54 mg/kg;同时,TK平均含量达到了显著性差异(p=0.032),而 TP、SOM、AN、AP 和AK均未达到显著性差异,说明受土壤侵蚀影响坡中TK流失较显著。坡顶与坡中AN虽没有达到统计学上的差异性,主要是因为其土壤含量基数较大,但其含量变化较突出,表明随着侵蚀强度的增加,坡顶和坡中土壤中AN的流失较严重,说明速效氮含量缺乏,可能和土壤有机质逐年减少有关[25-26]。
由表2可知,砂粒在坡顶侵蚀过程中减少而在坡中增加,粉粒在坡顶和坡中侵蚀过程中均有所减少而黏粒均有所增加,且砂粒、粉粒和黏粒均未达到显著差异。说明砂粒与粉粒是侵蚀过程中紫色土流失的主要颗粒,而影响其流失的因子较多,例如降雨量、降雨强度、降雨历时和植被覆盖等[27-28]。
图3 不同深度土壤理化性质分布Figure 3 The chemical properties of soil in different depths
2.3 坡面土壤侵蚀强度与MS的演变特征
由图4可见,坡顶未侵蚀土壤表层的MS最高(25.5×10-8m3/kg),这说明土壤的磁性矿物在表层有所富集。随土壤侵蚀强度的增加,表层土壤的MS有总体含量有所下降,但并没有呈现固定的模式。坡中未侵蚀土壤表层和亚表层MS分别为18.5×10-8m3/kg和20×10-8m3/kg,表层MS含量低于亚表层,说明表层有MS堆积的可能。随着土壤侵蚀强度的增加,表层土壤的MS有所下降,未呈现固定的模式。表3结果显示,土壤的MS仅仅与土壤厚度和有机质存在正相关关系,相关系数分别为0.388(p<0.05)和0.494(p<0.01),表明土壤受侵蚀厚度与沉积有机质对于土壤的MS有一定影响。其次土壤的MS与黏粒存在负相关关系,相关系数为-0.349(p<0.05),其原因有待进一步研究。
表2 土壤理化性质差异性分析Table 2 Difference analysis in physical and chemical properties of purple soil
3 讨论与结论
川中丘陵紫色土地区主要以降水形成的径流侵蚀为主,对土壤表层的侵蚀更加明显。傅涛等[12]人报道了紫色土养分流失主要形式为径流和泥沙的携带,侵蚀过程中土壤的理化性质具有明显变化。何长高等[28]人阐述了侵蚀性紫色土在不同的侵蚀程度下土壤养分的显著变化特征,速效氮含量仅为17 mg/kg,依据全国土壤普查土壤养分含量分级标准,仅为6级,氮含量偏低;速效磷含量为5.70 mg/kg,达到4级,但是随着侵蚀程度的增加,速效磷流失最为显著;由于土壤中钾的含量受母质影响较大,母质含钾丰富,所以土壤中速效钾含量相对较高,且速效钾随侵蚀程度加剧反而有增大的趋势。为了更好地理解这些变化之间可能存在的关系,本研究将土壤厚度、基本理化性质和MS进行相关分析。结果显示,土壤养分含量基本随土壤侵蚀深度的增加而降低,且在表层富集,流失风险较大。SOM、AN、AP和土壤厚度都呈极显著正相关,说明随着土壤侵蚀强度的增强,SOM、AN和AP的流失较明显。TK、AK和土壤厚度并没有呈极显著相关,可能与全区土壤的TK含量基数较高(介于10.92~30.30 g/kg)有关。因此,侵蚀过程对土壤的TK和AK的影响没有SOM、AN和AP那么明显。另一方面,分析土壤机械组成,发现侵蚀性紫色土机械组成以砂砾为主,粉粒其次,黏粒含量最少,且随着土壤侵蚀程度的加剧,土壤中砂砾明显减少,黏粒增加,土壤向细化方向发展,这与何长高等[28]研究结果相反。尽管如此,紫色土坡面侵蚀过程是一个异常复杂的过程。因此,土壤属性之间的相互作用可能要比数理统计结果复杂得多,这需要进一步研究来阐述[29-31]。
图4 不同深度紫色土MS侵蚀序列剖面分布Figure 4 The erosion sequence profile of MS in different depths
表3 侵蚀过程中土壤厚度、基本理化性质和MS间的相关性Table 3 The correlation between soil thickness,basic physical and chemical properties and MS in erosion process
在MS方面,随着侵蚀程度变化,不同坡位土壤MS均发生变化的机理,可能是土壤遭到侵蚀粒级组成变化,导致磁性矿物含量发生变化,进而引发土壤MS的变化。董元杰等[14]人分析了鲁东丘陵土壤侵蚀程度与MS空间分异特征,发现MS与侵蚀强度呈反相关关系,且不同空间部位的MS高低可直观地反映侵蚀强度的空间分异特征。本区MS和土壤厚度呈显著正相关,但结合MS的演变特征来看,很难借助MS来反演紫色土的侵蚀强度。另外紫色土MS数值普遍偏低,最高值不足30×10-8m3/kg,在反演过程中可能会产生较大误差,不利于MS的应用。可以利用坡面土壤MS的变化来反映坡面土壤是否发生侵蚀,以及利用MS变化的幅度来反映侵蚀强度的大小,坡面不同空间部位土壤的侵蚀存在着明显的差异。考虑到MS的测量方法简单快捷,能实现野外直接测量,因此很多情况下可作为判别紫色土表层土壤是否被侵蚀的一个指标。为了更好地利用磁测法研究本区紫色土的坡面侵蚀,今后需注重加强人工磁性示踪剂方面的研究工作。
综上所述,随土壤侵蚀程度的加剧,土壤基本理化性质的演变特征在坡顶和坡中均存在显著差异,营养物流失层分别为0~20cm和0~40cm,且坡中较坡顶复杂。相关性分析显示,只有坡顶有机质与全钾达到显著性差异,其他土壤养分均未达到显著差异,说明该地区土壤养分流失较为显著。土壤MS虽然存在随侵蚀强度加剧有所下降的趋势,且比较复杂,在本研究区很难借助MS来反演紫色土的侵蚀强度。川中丘陵地区土壤侵蚀主要体现在坡中,其次是坡顶,对土壤MS与基本理化性质有明显的影响作用,因此在制定该地区水土保持措施时应该充分考虑侵蚀作用的影响。
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Evolutional Characteristics of Basic Soil Properties and Magnetic Susceptibility during the Purple Soil Slope Erosion Processes in the Central Sichuan Hilly Region
WANG Xiao-gang1,2,HAN Guang-zhong1*,MU Juan1,LIANG Qiu-shuang
(1.College of Resources and Environmental Science,Neijiang Normal University,Neijiang 641112,Sichuan,China;2.College of Urban and Environmental Sciences,Northwest University,Xi'an 710069,China)
【Objective】To explore the relationship between soil erosion intensity and MS,provide a theoretical basis for using magnetic method in the study of purple soil erosion.【Method】The evolutional characteristics of basic soil properties and magnetic susceptibility(MS)duringthepurplesoilslopeerosion processes in the central Sichuan hilly region were analyzed in this study by sequence method of soil erosion.【Results】Results show that the evolutional characteristics of the basic soil properties have some difference between the top and middle of slope and it appears much complicated in the middle of slope.The soil layers of nutrient loss at the mountaintop were 0~20cm,and were 0~40cm at middle of slope.Different degree of soil erosion are compared with no erosion of soil,only the content of soil organic matter(SOM)and total potassium(TK)in the top and have been reached statistically significant differences in top of slope,but the content of other soil nutrient did not reach a significant difference.Soil erosion is a elements of the adverse for the protection of SOM,N and P of on purple soil.With the increasing of soil erosion intensity,the MS of the top soils decreased but there was no fixed pattern and it couldn't be used to retrieve the soil erosion processes in the study region.【Conclusion】The soil erosion from a hilly area in central Sichuan is mainly appeared in middle of slope and the soil fertility was significantly affected.Thus conservation of soil and water and ecological restoration should select suitable emphasis in this area.
purple soil;soil erosion;basic soil property;magnetic susceptibility
S157.1
A
1000-2650(2017)03-0345-08
10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.010
2017-03-15
国家自然科学基金青年科学基金项目(No.41401235);国家级大学生创新实验项目(No.X201306)。
王小刚,硕士研究生。*责任作者:韩光中,副教授,主要从事土壤发生与土壤退化研究,E-mail:hanguangzhong@163.com。
(本文审稿:杨万勤;责任编辑:巩艳红;英文编辑:徐振锋)