藏东南泥石流区土壤理化性质与可蚀性K值影响研究

姚甜甜，张 鹏，万 丹，喻 武，张 博

（西藏农牧学院 资源与环境学院/高寒水土保持研究中心，西藏 林芝860000）

扎木弄沟于1920年和2000年发生了特大型泥石流[1]，不仅导致山体坍塌、植被破坏，而且改变了土壤性能，降低土壤肥力，林地变为荒地，进而加剧了当地的水土流失。土壤可蚀性是反映土壤水土保持性能的重要指标，通常被认为土壤对侵蚀的敏感程度，指土壤因外营力作用而被分散和搬运的难易程度[2]，国际上通常用土壤可蚀性K值来衡量土壤可蚀性，K值大小表示土壤是否易受侵蚀破坏的性能，是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要参数[3-4]，而土壤抵抗侵蚀的能力很大程度上取决于自身的理化性质，主要包括土壤容重、颗粒组成、结构破坏率、有机质含量等[5]。目前，土壤理化性状及其影响因素对土壤侵蚀影响的研究，已经受到国内外学者的广泛关注并开展了一系列研究工作[6-11]，包括对泥石流区域土壤理化性质与可蚀性亦展开了研究[12-13]，但对泥石流发生前后土壤性质与可蚀性的变化还缺乏关注。因此，本研究以西藏林芝地区波密县易贡乡的扎木弄沟特大型泥石流为例，采用时空代替法，模拟泥石流发生前与发生后，对泥石流发生前后的土壤可蚀性变化进行探讨，以期为土壤侵蚀和泥石流防治工作打下基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于西藏林芝地区波密县易贡乡的扎木弄沟内，地属高寒山区，山高坡陡，基岩裸露，抗风化能力差，山顶终年积雪，昼夜温差较大。因受印度洋暖湿气流沿雅鲁藏布江河谷北进的影响，故气候温湿，雨量充沛，年降水量达960.5mm，多集中在5～9月（占年降水量的78%），年平均气温为11.4℃，植被较好，主要植被类型为榆树（Ulmuspumila L.）、藏川杨、尼泊尔桤木、通麦栎、青刺尖、长瓣瑞香、多蕊金丝桃等[14]。土质为砂质壤土。

1.2 样品的采集与处理

采样地于2000年发生泥石流，为探究泥石流发生前后土壤理化性质和可蚀性变化情况，采取空间代替时间的方法，选取研究区具有代表性的未发生泥石流样地，即选择海拔、植被类型与泥石流发生前类似的样地，同时，选取典型的泥石流发生后的样地。在样地内布设20m×20m的样方，在样方内随机设置5个样点，采集0～20cm土层土样，用于测定土壤容重、孔隙度、团聚体、有机质等理化指标。将采集的原状土按照其纹理掰成直径为1cm，并将统一样方内5个样点的土样均匀混合且自然风干，并剔除根系、砾石等杂质。

表1 样地基本状况Table 1 The basic information of the plot

1.3 测定方法

采用环刀法测量土壤容重、孔隙度、含水率；Bettersize2000激光粒度仪测定土壤机械组成；人工干筛法测定风干土的团聚体含量，并用湿筛法测定土壤中粒径＞0.25mm水稳性团聚体含量；重铬酸钾容量—外加热法测定有机质含量。

1.4 数据处理

采用WILLIAMS等[15]提出的EPIC模型计算土壤可蚀性K值，此公式参数易于测量，在国内土壤可蚀性研究中应用广泛。

式中：SAN 为砂粒(0.05～2.0mm)含量(%)；SIL 为粉粒(0.002～0.05mm)含量(%)；CLA 为黏粒(＜0.002mm)含量(%)；C为有机碳含量(%)；SN1=1-SAN/100。 K 值单位为美国制，为 t·acre·h/(100·acre·ft·tonf·in)

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体及有机质变化特征

土壤团聚体作为土壤的重要组成部分，是评价土壤可蚀性的重要指标[16]。通过干筛和湿筛实验得出泥石流发生前和发生后土壤水稳性团聚体含量。由表2可知，泥石流前＞0.25mm土壤非水稳性团聚体平均含量为77.21%，而泥石流发生后＞0.25mm土壤非水稳性团聚体平均含量为74.01%。湿筛时，土壤中有机胶体流失破坏了团聚体的稳定性，泥石流前＞0.25mm水稳性团聚体平均含量为63.63%，泥石流后为43.54%。泥石流发生前的非水稳性和水稳性团聚体含量均大于发生后，主要是由于发生泥石流后，土壤中大量有机质被冲刷带走，颗粒间的胶结力减小，结构稳定性变差。从结构破坏率看，泥石流发生后的破坏率高于发生前，平均高出38.16%，破坏率越大，说明土壤的可蚀性越高。有机质能促进土壤团粒结构的形成，对于降低土壤可蚀性具有重要作用，目前已作为评价土壤可蚀性的重要因子之一[17]，且泥石流对土壤有机质的流失有很大的影响，泥石流发生前有机质含量高于发生后，由原来的253.27g·kg-1降至34.29g·kg-1，下降86.46%。

表2 两样地的土壤团聚体和有机质特征Table 2 Characteristics of soil aggregates and organic matter in two plots

2.2 土壤基本物理指标变化特征

由表3可知，研究区土壤容重变化范围为0.86～1.30g·cm-3，且发生后土壤容重大于发生前，这因为泥石流发生前植被覆盖度高，土质较为松散，故而容重小；发生后总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均大于发生前，分别减少14.08%、10.56%、17.96%；泥石流发生后土壤饱和含水率为96.40%，比发生前降低7.42%，而毛管含水率为59.43%，比发生前降低11.31%。说明泥石流的发生降低了土壤的透水性和持水性，主要是泥石流发生后使得土壤砾石含量增加，容重增加，孔隙度减小，影响土壤的含水量。

表3 两样地的土壤基本物理指标特征Table 3 Characteristics of soil basic physical indicators in two plots

2.3 土壤可蚀性K值变化特征

土壤粒径分布影响着土壤的土壤侵蚀，是重要的土壤物理特性之一[18]。研究区土壤砂粒含量为66.32%～69.58%，粉粒含量为29.45%～33.02%，黏粒含量为0.54%～0.66%，土壤质地为砂质壤土，采用EPIC经验公式，对泥石流不同阶段的土壤可蚀性K值进行比较，由表4可知，泥石流发生前、后可蚀性K值分别为0.2143和0.2073。K值的大小表示土壤抗侵蚀能力的强弱，K值越大，抗侵蚀能力越弱。通过对泥石流发生前后土壤K值的分析可知，泥石流使得土壤K值减小，进而使土壤抗侵蚀能力增强，主要由于泥石流发生后，土壤含有大量砾石且粗颗粒含量高，降低了土壤的可蚀性，导致土壤抗侵蚀力增强。

表4 两样地的土壤可蚀性K值特征Table 4 Characteristics of soil erodibility K values in two plots

2.4 土壤可蚀性影响因子分析

土壤可蚀性作为土壤对侵蚀作用的敏感程度的体现，它因土壤结构、胶结物质等影响而发生变化。为体现可蚀性因子对土壤可蚀性的影响程度，对土壤可蚀性和土壤主要理化性质进行相关性分析。由表5可知，土壤可蚀性K值与黏粒、粉粒呈显著正相关，与砂粒呈显著负相关关系；与有机质含量、＞0.25mm非水稳性团聚体和水稳性团聚体均呈正相关，其中与有机质含量达到显著水平；与容重呈负相关，而与孔隙度呈正相关，其中与非毛管孔隙度呈显著正相关关系，说明土壤中大孔隙含量越高，其渗透性越好，使土壤难积水，进而降低外营力对土壤的侵蚀作用。

表5 土壤可蚀性与理化性质之间的相关性分析Table 5 Correlation analysis between soil erodibility and physical and chemical properties

3 讨论与结论

泥石流改变了土壤理化性质，进而影响土壤的潜在可蚀性。本研究发现泥石流使得土壤的团粒结构稳定性变差，具体表现为土壤非水稳性和水稳性团聚体含量降低，结构破坏率增加，有机质大幅度降低，使土壤颗粒的胶结力减小；同时，与泥石流发生前对比，土壤容重相比增加，而孔隙度和含水率降低，这主要因为泥石流使土壤细颗粒和有机质被冲刷带走，土壤中的粗颗粒含量增加。通过对土壤可蚀性与理化性质相关性分析发现，研究区土壤可蚀性K值与砂粒呈显著负相关，与黏粒、粉粒呈显著正相关，这与前人研究结果一致[19-20]，这主要因为黏粒和粉粒含量增加，使得土壤的渗透性变差，水分无法下渗，进而使土壤侵蚀加剧。已有研究表明[21-23]，有机质含量与团聚体存在密关系，认为有机质可作为团聚体的胶结剂，与可蚀性K值呈负相关关系，但本研究发现有机质和团聚体含量与可蚀性呈正相关关系，这是由于研究区地质年轻，砾石含量高，土质以砂粒为主，降低了有机质对土壤团聚体的胶结力。土壤容重与K值呈负相关，即土壤越紧实，K值越小，这与李旭等[24]的研究一致。虽然通过相关性分析发现，土壤K值与有机质、团聚体呈正相关关系，与容重呈负相关，但并不能证明，泥石流增加了土壤的抗蚀性，这与西藏土层薄、风化程度低有很大的关系，因此，下一步我们应扩大对西藏土壤理化性质与可蚀性K值的研究范围，同时通过标准径流小区法计算土壤实测K值，以求证明EPIC模型计算的可蚀性K值是否适用于西藏土壤。

本研究结果表明，泥石流发生前后土壤非水稳性和水稳性团聚体含量均发生变化，其中泥石流发生前团聚体含量大于发生后，二者分别降低4.14%和31.57%，泥石流发生前的土壤结构破坏率小于发生后，说明泥石流使得土壤结构稳定性降低；泥石流使土壤有机质含量大幅度降低，由原来的253.27g·kg-1降至34.29g·kg-1；泥石流发生前的土壤基本物理性质优于发生后，泥石流使土壤容重增大，孔隙度和含水率降低，这由于泥石流发生前植被覆盖度高，土质较为松散，故容重小，孔隙度高，而发生后，土壤中含有大量砾石和粗大颗粒，导致其容重变大。黏粒、粉粒、砂粒、有机质含量和水稳性团聚体含量与土壤可蚀性K值关系最为密切，均达到显著水平。从土壤可蚀性K值的计算公式可知，K值与黏粒、粉粒呈显著正相关关系，与砂粒含量呈显著负相关关系，即土壤K值随黏粒、粉粒含量的增加而变大，随砂粒含量的增加而减小；已有研究表明，K值与有机质含量呈负相关关系，但本研究发现土壤可蚀性与有机质含量呈正相关关系，这与研究区地质年轻、土壤风化程度低、砾石含量高有重要关系。