基于人工模拟降雨和原状土冲刷试验的喀斯特区土壤抗冲性研究

韦小茶，龙小梅，唐欣，刘洋，肖杨，李洪广

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳550001)

土壤侵蚀是全球范围内发生广泛、危害严重的生态环境问题之一，也是中国生态安全的最大隐患，严重制约了区域资源、经济和社会的可持续发展[1-2]。土壤抗冲性是指土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的能力，与土壤的紧实度、渗透性、容重、有机质、水分状况、团聚体稳定性、土地利用、植被覆盖类型和植被根系等有关[3-5]。掌握土壤抗冲性特征及其变化规律，对土壤侵蚀的治理具有重要意义[6]。许多学者从不同角度对土壤抗冲性开展了深入研究：Gyssels等[7-9]指出植被根系对提升土壤抗冲性具有重要作用；郭明明等[10]研究发现，土壤抗冲性的提高与土壤性质的改善和根系密度的增加密切相关，土壤容重、团聚体稳定性及根系密度是影响土壤抗冲性的关键因子；谢欣利等[11]基于原状土冲刷法，测定并分析了黄土缓坡耕地粟株不同生育期土壤抗冲性变化特征及其与根系生长的关系，指出粟株种植有利于增强土壤抗冲能力和保持水土功能；张建军等[12]研究认为坡度、地被物、植物根系对土壤抗冲性具有重要影响，黄土区水土保持的关键是分散地表径流；刘秉正等[13]在黄土地区做了刺槐林地土壤抗冲性的试验研究，结果表明林地的抗冲性>草地>农地，且不同林龄、不同土层的土壤抗冲性随着冲刷流量、冲刷历时的变化特征不同；王丹丹等[14]采用野外实地放水冲刷法，分析坡度、枯落物、生物多样性对晋西黄土区刺槐×侧柏混交退耕林地、油松林地、荒草地和农地土壤抗冲性的影响以及相关关系；任艳等[15]通过室内放水冲刷实验，分析了黄土高坡5种土壤在不同坡度下的下切冲刷过程及影响冲刷的坡度、水流特征以及水流含沙量等影响因素；罗利芳等[16]深入探讨了撂荒后黄土高原坡耕地土壤透水性和抗冲性的变化特征。总体来说，已有的研究主要集中在土壤抗冲性时空变化特征、抗蚀性检测方法、评价指标、影响因素等方面，且地区多局限于黄土高原区[17-19]。

以贵州为中心的中国西南喀斯特是全球三大喀斯特集中分布区之一[20-21]，该区生态环境脆弱，土层与基岩直接接触使得土壤的附着力差，在没有植被覆盖的情况下，一旦有雨水冲刷，就容易造成严重的水土流失，最后导致基岩裸露而发展成为石漠化，滇黔桂三省区石漠化面积超过7.79万km2，占该地区喀斯特面积的21.1%[22-24]。任乐等[25]对不同坡度的翻耕地以及有苔藓覆盖的荒坡地进行不同流量下的放水冲刷试验，探讨贵州耕地坡面水动力性质、土壤抗冲性及地表生物对坡面侵蚀产沙的影响；何腾兵等[26]的研究表明喀斯特生态系统的土壤利用方式和土壤侵蚀状况等是影响土壤物理性质的主要因素；王清等[27]进行石漠化地区不同植被类型土壤抗冲性分析的研究发现，随着黔中石漠化地区植被的结构恢复，土壤抗冲性将得到增强；袁勇等[28]以贵州省贵阳市花溪区碳酸盐岩区为研究对象，通过对林地、灌丛地及坡耕地的土壤抗冲性、崩解速率、可蚀性等方面展开研究；此外，吴际通、赵洋毅等[29-32]进行了黔中喀斯特地区不同岩性土壤的抗蚀抗冲性研究。

实践表明，植被可以提高土壤的抗侵蚀能力，植被发育良好的地区，土壤侵蚀发生率相对较低[33]。喀斯特地区的石漠化治理和退耕还林等生态环境建设工程对土壤侵蚀防治具有重要的影响作用。但目前对喀斯特区不同植被条件下的土壤抗冲性研究较少[34-36]，因此，本文以阔叶林、针叶林和灌草地3种不同植被类型下的土壤为研究对象，并结合人工模拟降雨、原状土冲刷槽和室内分析的方法，分析土壤抗冲性随冲刷时间的动态变化特征及其与坡度、植物根系的关系，旨在为研究喀斯特地区土壤侵蚀的防治和生态环境建设提供一定的理论依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市花溪区(106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N)，地处黔中腹地，位于长江流域和珠江流域分水岭，平均海拔约为1 200 m。境内地表崎岖破碎，发育典型的喀斯特山地和丘陵，三迭系灰岩广布。属中亚热带季风湿润区，具有高原季风湿润气候的特点，无霜期长，雨量充沛[37]。研究样区位于贵州省贵阳市花溪区的贵州师范大学地理与环境生态实验站(106°37′E，26°23′N)(图1)，根据花溪气象站1961—2015年的观测资料，年平均气温为15.3℃，年平均相对湿度为77%，年均雨量1 129.5 mm，蒸发量约738 mm，年平均阴天数为235.1 d。在白云岩、石灰岩等典型成土母质以及山地地形和高原季风湿润气候等成土因素的综合作用下，主要发育有石灰土和黄壤。站内的植被类型丰富，以马尾松(Pinusmassoniana)、冬青(Ilexchinensis)、女贞(Ligustrumlucidum)、麻栎(Quercusacutissima)为主要树种[38]。

图1 研究区区位

2 研究方法

2.1 样地选择与土壤采样

在试验站内选择典型的植被群落(灌草地；以马尾松为主要树种的针叶林地；以冬青、女贞和麻栎为主要树种的阔叶林地)，样地基本情况见图2、表1。在每个样地内设置60 cm×45 cm的样方，把样方中覆盖地表的枯枝落叶清除，以免地表覆盖物差异给土壤抗冲性试验带来的影响，便于研究不同森林植被群落下的土壤本身抵抗径流冲刷能力。采用规格为30 cm×15 cm×10 cm的自制取土器，在每个样方内采集2个原状土壤土样品，将3个样方的6个原装土样带回实验室进行人工模拟降雨试验。从原状取土到降雨冲刷试验的整个过程中，未换装土槽，并且在采集和运输过程中注意尽量不要扰动原状土样。土壤采样过程和所采土样的基本情况见图3。

a) 阔叶林地

b) 针叶林地

c) 灌草地图2 样地实地

表1 样地基本情况

序号植被群落坡度/(°)主要植被1阔叶林12云南樟、麻栎、女贞、盐肤木、冬青、香叶、圆果化香2针叶林6马尾松3灌草地3蕨类、火棘、野茼蒿、蝴蝶花、地衣

a) 原状土取土图3 采样过程

b) 原状土土样剖面

c) 土样入冲刷槽续图3 采样过程

2.2 土壤抗冲性测定方法

基于人工模拟降雨试验，采用原状土冲刷槽法测定土壤抗冲性。将采集到的土样放置冲刷槽进行降雨冲刷试验，见图4a。针对每个土样分别设置坡度为15°、30°和45°进行对比，设计60 mm/h的相同雨强。从开始降雨时计时，每次降雨的冲刷时间为12 min，每2 min采集1次产流产沙水样，降雨冲刷过程的泥沙含量变化可反映出土壤抗冲性能随时间的动态变化过程。降雨冲刷试验结束后将采集的水样带回实验室，采用室内烘干法测定其泥沙干重。土壤抗冲指数为单位时间内雨水冲刷掉的泥沙重量，计算公式如下：

(1)

式中 ANS——土壤抗冲指数，g/min；T——降雨冲刷历时，min；WLDS——冲刷掉的泥沙重量，g。

2.3 植被根系的处理

将做过原状土冲刷试验的土样取出，置于0.25 mm的土壤筛上，并在水中不断淘洗，后拣出根系，将表面水分晾干后全部放入体积为V1且装有自来水的量筒中。确保根系全部浸入水中(图4b)，读取根和水的总体积V2，V2-V1即是根系的体积，用根系体积除以冲刷槽中土样的体积V3，即可得出根系体积所占土样总体积的比例R[33]。计算公式如下：

(2)

式中R——根系体积所占土样总体积的比例，%；V1——水的体积，ml；V2——根和水的总体积，ml；V3——所采土样的体积，ml。

a) 冲刷实验过程 b) 根系体积的测定1 c) 根系体积的测定2图4 植被根系的处理

3 结果与分析

3.1 土壤产沙量的变化特征

由图5可知，在降雨冲刷试验中，各植被类型土壤的产沙量在冲刷2 min后的减少幅度较大，随后的产沙量逐渐减少，在9 min后趋于稳定状态，总体上随冲刷时间的增加而呈递减趋势。在不同坡度条件下，灌草地的土壤产沙量变化幅度最大，针叶林次之，阔叶林的土壤产沙量变化最为稳定。在15°和30°的坡度条件下，各植被类型土壤产沙量随时间的变化总体表现为：灌草地>针叶林>阔叶林。而在坡度为45°时，在降雨冲刷的前2 min内，土壤产沙量表现为：灌草地>针叶林>阔叶林，在4～12 min的时间范围内，土壤产沙量则表现为：针叶林>灌草地>阔叶林。各植被类型土壤在45°时的产沙量最多，30°次之，15°最小，灌草地在坡度15°时的产沙量与针叶林和阔叶林的差异较大，在45°且冲刷2 min内的产沙量最多。

a) 15° b) 30° c) 45°图5 不同植被群落土壤产沙量动态变化过程

3.2 土壤抗冲指数的变化特征

在15°的坡度条件下，各植被类型土壤的抗冲指数在降雨冲刷8 min内表现为：阔叶林>针叶林>灌草地，之后表现为：针叶林>阔叶林>灌草地。在30°和45°的坡度条件下，各植被类型土壤的抗冲指数随时间的变化总体表现为：阔叶林>针叶林>灌草地。在45°的坡度条件下和4～12 min的冲刷时间段，阔叶林土壤抗冲指数大于灌草地和针叶林，尤其在12 min时的差异较明显。各植被类型土壤在15°时的抗冲指数最大，30°次之，45°时的抗冲指数最小，且在15°时灌草地的土壤抗冲指数与针叶林和阔叶林的差异较大。但从整体上看，随着冲刷时间的增加，各植被类型的土壤抗冲指数都呈上升趋势(图6)。

a) 15° b) 30° c) 45°图6 不同植被群落的土壤抗冲指数变化特征

3.3 植被根系对土壤抗冲性的影响分析

从表2可以看出，不同植被类型下的土壤根系体积占土样总体积的比例表现为：灌草地(1.44%)>阔叶林(1.22%)>针叶林(0.56%)。但是就不同植被类型下的土壤根系径级>1 mm根系个数而言，则表现为：阔叶林(39个)>针叶林(37个)>灌草地(29个)。径级>1 mm根系所占土样比例表现为：阔叶林(0.80%)>针叶林(0.44%)>灌草地(0.34%)。从图4的土壤产沙量和图5的土壤抗冲指数动态变化情况来看，不同植被类型的土壤抗冲性能总体表现为阔叶林>针叶林>灌草地，这和径级>1 mm植被根系的变化规律较为一致，说明植被根系对提高土壤抗冲性能具有重要的作用。朱显谟等[39-41]许多相关学者在植物根系与土壤抗冲性关系的有关讨论中也都曾指出，土壤抗冲性的增强，主要取决于根系的分布、缠绕、固结和串连土体作用，这种作用使土体有较高的水稳结构和抗蚀强度，从而不易被径流带走。

表2 不同植被群落下土壤的根系情况测定结果

4 结论

以阔叶林、针叶林和灌草地的土壤为研究对象，采用原状土冲刷和人工模拟降雨方法，研究喀斯特地区不同植被群落的土壤抗冲性动态变化特征及其影响因素，结果如下。

a) 在降雨冲刷的2 min时间内，各植被类型土壤的产沙量较大，随后逐渐减少，在9 min后趋于稳定状态；产沙量总体表现为灌草地>针叶林>阔叶林，并且随坡度的升高而逐渐增多，灌草地在坡度为45°和2 min内的产沙量最多。

b) 在坡度为15°时，灌草地的土壤抗冲性最低，且与阔叶林和针叶林相差较大，但在坡度为45°和4～12 min的降雨冲刷情况时，灌草地则表现出较强的抗冲性；各植被类型的土壤抗冲指数随冲刷时间的增加呈上升趋势，土壤抗冲性总体表现为阔叶林>针叶林>灌草地;土壤中径级>1 mm的植被根系个数及其所占土样比例均表现为阔叶林>针叶林>灌草地，根系大小对土壤抗冲性具有重要影响作用。

c) 土壤抗冲性受植被覆盖类型、植被根系特征、降雨冲刷时间和坡度条件的重要影响，研究结果对喀斯特地区的生态建设具有一定的参考意义。本文未对影响土壤抗冲性的其他环境因素进行分析，在今后的研究中应加强土壤容重、土壤有机质、土壤团聚体和土壤机械组成等方面开展深入研究。