大围山花岗岩风化物发育土壤抗蚀性垂直分异

罗兰花, 王翠红, 谢红霞, 周 清, 周 敏

(1.湖南农业大学 资源环境学院, 长沙 410128; 2.永清环保股份有限公司, 长沙 410014)

土壤抗蚀性是指土壤对侵蚀营力分散和搬运作用的抵抗能力，即土壤对侵蚀的易损性或敏感性的倒数[1]，它是土壤承受降雨和径流分离及输移等过程的综合效应[2]。其大小不仅与土壤内在的理化性质密切相关，还受降雨特性和土地利用状况等外部因素的影响[3-5]。土壤可蚀性表征的是土壤对侵蚀的敏感程度，是对土壤抗蚀性从另一个角度的描述，是研究土壤侵蚀的重要指标[6]。国际上通常用土壤可蚀性K值这一指标来表征土壤的抗蚀抗冲能力[7]，K值越大，抗蚀抗冲能力越差。

国内外关于土壤抗蚀性的研究方法很多，主要通过测定土壤流失量或以土壤的某些性质来作为土壤抗蚀性指标[8]，对土壤抗蚀性进行评价，但至今未取得普遍适用的指标。1990年Williams等[9]提出侵蚀—生产力评价模型(EPIC)，为土壤可蚀性K值研究提供了计算模型。我国有不少专家学者对我国土壤可蚀性垂直分异特征，开展了很多研究。刘斌涛等[10]揭示了青藏高原土壤可蚀性随海拔高度升高而降低；张永勤[11]发现武夷山山地土壤可蚀性K值随海拔升高也呈现递减的规律。目前对花岗岩发育土壤抗蚀性仅有个别研究，王秋霞等[12]研究了花岗岩崩岗区土壤可蚀因子的空间变化特征；周刚等[13]发现花岗岩红壤区林地土壤抗蚀性最强，最差的为坡耕地。但对花岗岩风化物发育山地土壤抗蚀性垂直分异特征的研究还是较少。本文选择湖南省大围山不同海拔高度的花岗岩风化物发育山地土壤进行抗蚀性研究，利用土壤的5项抗蚀性指标和1项可蚀性指标K值对土壤抗蚀性进行定量表征，揭示花岗岩风化物发育土壤抗蚀性垂直分异特征，为花岗岩风化物发育土壤抗蚀性和大围山山地土壤侵蚀定量研究提供数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大围山位于湖南省浏阳市的东北部，地处湘东幕阜山—罗霄山接壤地带的大围山支脉，是重要的旅游胜地和国家森林公园，属于中亚热带季风湿润气候，夏无酷暑、冬无严寒，年平均气温在11～16℃，平均降雨量1 200～2 000 mm，年相对湿度高于83%。地处亚热带典型常绿阔叶林地带，原生植被多被破坏，现存的主要为原始次林和人工林。海拔高低相差大，地形复杂，雨量充沛，植物资源丰富，植被垂直变化明显。海拔500 m以下为常绿阔叶林，500～1 000 m为常绿落叶阔叶混交林，1 000～1 400 m为落叶阔叶林，1 400 m以上为草灌群落。大围山植被状况较好，覆盖度大，有利于土壤有机质的积累，使得大围山土壤有机质含量高，腐殖质层较厚。大围山成土母质主体是燕山期花岗岩侵入体，土壤垂直地带变化明显，一般海拔800 m以下是山地红壤、800～1 200 m为山地黄壤、1 200～1 600 m为山地黄棕壤、1 600 m以上为山地灌丛草甸土[14]。

1.2 样地选择与样品采集

本研究根据不同海拔高度进行采样，包括9个土壤剖面A层，采样过程中完整记录了土样采集点经度纬度、土样所处海拔、土地利用类型，土壤类型、土层采集深度等信息(表1)。本试验对土壤剖面花岗岩母质发育而成的山地土壤进行分析。

表1 土样信息表

1.3 研究方法

本文采用的抗蚀性指标中：团聚状况、团聚度、有机质含量和>0.25 mm水稳性团粒含量数值越大，土壤抗侵蚀能力越好；分散率越高，反映土壤结构水稳性越差，即抗侵蚀能力越差。土壤可蚀性K值定量表现土壤可侵蚀能力，数值越大抗侵蚀能力越小。利用烘干法测定自然风干土壤的水分含量；用吸管法[15]作土壤机械组成分析、微团聚体分析；利用重铬酸钾—浓硫酸外加热法[16]测定土壤有机碳含量，再通过计算得到土壤有机质含量。用吸管法[17]测定土壤砂粒、粉粒、黏粒的重量百分数。

团聚状况、团聚度、分散率、>0.25 mm水稳性团粒含量、土壤有机质含量5项指标及可蚀性K值，计算方法如下：

团聚状况=(>0.05 mm微团聚体分析值)-(>0.05 mm机械组成分析值)[17]

(1)

团聚度=团聚状况/(>0.05 mm微团聚体分析值)[17]

(2)

分散率=(<0.05 mm微团聚体分析值)/(<0.05 mm机械组成分析值)[17]

(3)

>0.25 mm水稳性团粒含量=>0.25 mm团粒质量/风

干土样质量/水分系数[17]

(4)

土壤有机质=土壤有机碳(g/kg)×1.724

(5)

(6)

式中：1.724为土壤有机碳换成土壤有机质的平均换算系数；c为0.800 0 mol/L(1/6 K2Cr2O7)标准溶液的溶度；5为重铬酸钾标准溶液加入的体积(ml)；V0为空白滴定用去FeSO4体积(ml)；V为样品滴定用去FeSO4体积(ml)；3.0为1/4碳原子的摩尔质量(g/mol)；1.1为氧化校正系数；m为风干土样质量(g)；k为将风干土换算成烘干土的系数。

(7)

(8)

式中：Sa为砂粒(0.05～2 mm)的重量百分数；Si为粉粒(0.002～0.05 mm)的重量百分数；Cl为黏粒(<0.002 mm)的重量百分数；C为百分数表示的土壤有机碳含量，由有机质含量除以1.724得到；K值计算结果为美国制单位[9,18]，乘以0.131 7换算为国际制单位[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质含量和土壤颗粒组成

189 m处因海拔低受人类活动的影响大，将其除去进行分析。土壤有机质是土壤水稳性结构的胶结剂，含有机质丰富的土壤可形成较多良好结构，增加土壤疏松度和通透性，从而增加了土壤的抗蚀性的能力[19]。除去海拔为189 m处的土样，1 488 m处有机质含量最少，为26.93 g/kg；其余七个剖面土样的有机质含量均高于38 g/kg，1 249 m处的土壤有机质含量高达95.42 g/kg。总体上，大围山花岗岩风化物发育山地土壤有机质含量较高，养分丰富，土壤肥沃。由于有机质含量受到植被覆盖情况，母质形成条件、气候等多种因素的影响，利用SPSS相关性分析得出，土壤有机质含量与海拔相关性很小，相关系数仅为-0.58(表2)。

机械组成中<0.05 mm土粒含量明显大于>0.25 mm土粒含量。土样中189 m和1 578 m处的>0.25 mm土粒含量稍小，分别为9.82%，10.05%，1 582 m的>0.25 mm土粒含量达到26.5%，其余6个土样>0.25 mm土粒含量差异不明显。土样中<0.05 mm土粒含量最小为51.50%，最大为68.44%，>0.05 mm土粒含量与海拔相关性很小，相关系数仅为0.023。微团聚体组成中<0.05 mm土粒含量小于>0.25 mm土粒含量，各土样的>0.25 mm土粒含量差异不大，与海拔的相关系数仅为-0.292；>0.05 mm土粒含量中除189 m，1 535 m处的稍高，其余土样>0.05 mm土粒含量都偏低，总体上随海拔升高有增加的趋势，但趋势不明显，相关系数为0.617(表3)。

表2 不同海拔土壤有机质含量

表3 不同海拔土壤机械组成及微团聚体组成

2.2 土壤抗蚀性特征及垂直分异

通过计算得出不同海拔土壤的5项抗蚀性指标(图1)。189 m处因海拔低受人类活动的影响大，在做土壤抗蚀性垂直分异特征分析时，将该点剔除。土样团聚状况数据中，土样团聚状况最小为0.334，最大为0.470，差异不大，土样团聚状况随海拔升高而减小，相关系数为-0.876，显著性为0.004，通过显著水平0.05的检验。1 582 m处的土壤团聚度最小为0.436，937 m处的为0.512，土壤的团聚度与海拔呈较为显著的负相关，相关系数为-0.836，显著性为0.010。由<0.05 mm微团聚体分析值与机械组成分析值计算获得土壤的分散率，1 535 m处采集的土样分散率最大，总体上土壤的分散率随海拔升高而增大，但不太显著，相关系数仅为0.682。>0.25 mm水稳性团粒含量仅1 535 m为672.77 g/kg，水稳性团粒含量适中，另外七个不同海拔高度土样水稳性团粒含量都高于700 g/kg，且含量随海拔变化规律不明显。综合5项抗蚀性指标的数值可知，除去受人类活动干扰较大土样数据(海拔189 m)，土壤团聚状况、团聚度两项指标和海拔高度的相关性可以得出土壤抗蚀性随海拔高度的升高呈现递减的趋势，且较为显著；>0.25 mm水稳性团粒含量、有机质含量和分散率三项指标与海拔高度的相关性很小。总体而言随海拔高度升高，土壤抗蚀性呈现不显著的递减趋势。

图1不同海拔土壤抗蚀性指标曲线

利用EPIC模型计算不同海拔土壤可蚀性K值(图2)。同样将受人类干扰较大的海拔189 m处的土样数据剔除进行分析，从计算结果可知：从不同海拔采集土样的可蚀性K值均处于0.028～0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范围间，这与王秋霞等[12]对花岗岩崩岗区土壤淋溶层可蚀性K值研究的结果是一致的。根据梁音、史学正[7]研究得到我国东部丘陵区土壤可蚀性K值的分级指标，土样可蚀性级别为中可蚀性土壤和中高可蚀性土壤，即属于易被侵蚀的土壤。1 582 m处的可蚀性K值为0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，土壤的抗侵蚀能力相对较差。土壤可蚀性K值随海拔高度的升高而增大，趋势较显著，相关系数为0.783，显著性为0.022，通过显著水平0.05的检验。由土壤可蚀性K值得到土壤抗蚀性随海拔高度升高呈现递减，且递减趋势较为显著。

图2可蚀性K值点状图

3 结 论

通过在大围山不同海拔高度采集土样，测定土样有机质含量、土壤机械组成和微团聚体含量，计算出土壤的5项抗蚀性指标，并通过EPIC模型法估算土壤可蚀性K值。结果表明：大围山花岗岩风化物发育的山地土壤的可蚀性K值在0.028～0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范围间，属于中可蚀性土壤和中高可蚀性土壤，即为较易被侵蚀的土壤。土壤可蚀性K值随海拔高度的升高而增大，趋势较显著，显著性通过0.05水平的检验。5项抗蚀性指标中有机质和>0.25 mm水稳性团粒含量与海拔高度相关性不大，土壤团聚状况和团聚度与海拔高度呈负相关，相关系数分别为-0.876和-0.836，土壤分散率随海拔高度的升高而增大，但趋势不显著，相关系数仅为0.682。总的来说，大围山花岗岩风化物发育的山地土壤抗侵蚀能力弱，易被侵蚀，随着海拔高度升高土壤抗蚀性呈现递减的趋势，但是趋势不显著。

大围山花岗岩风化物发育的山地土壤抗蚀性不仅受海拔高度的影响，也受到气候、植被、人类活动等因素的影响，抗侵蚀能力弱，为避免水土流失，应注意加强防治措施。大围山的原生植被几乎被破坏，现存植被几乎都是原始次林和人工林，这可能对土壤的抗侵蚀能力造成一定的影响。但原因还需进一步研究。

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