植物篱篱前淤积带与篱下土坎土壤水库和抗剪性能对比研究

翟婷婷,谌 芸,*,李 铁,向明辉,王润泽,唐 菡,周 涛,刘枭宏

1 西南大学资源环境学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715 2 遂宁市水土保持试验站, 遂宁 629006

长江上游紫色丘陵区土壤成土过程以强烈的物理风化为主,加之该区集中频繁的暴雨天气以及高强度的农业耕作方式,使得该区土壤退化情况日趋严重,尤以坡耕地最为突出。紫色土作为该区坡耕地的主要土壤类型,其土层浅薄、结构疏松、抗侵蚀能力差,极易发生水土流失[1]。坡耕地是该区主要的农业生产资源,对保障人民群众生活、发展农村经济具有重要作用,其合理开发、利用和改良已经成为实现山区农业可持续发展的关键。

植物篱是一种在长期农耕实践中产生的坡耕地水土保持措施,可通过枝叶拦截降雨、泥沙,降低径流流速等方式影响径流过程[2],减少泥沙和控制面源污染[3-4]；优化土壤颗粒组成,增加土壤团聚,改善土壤理化性质[5]；提高土壤抗剪抗蚀能力[6],增加土壤肥力[7-8],在坡耕地资源可持续利用中具有显著的生态和经济效益[9]。此外,随着植物篱水土保持作用逐渐凸显,在拦截径流泥沙过程中篱带前形成短距离回水带,使土粒沉积下来淤积在篱前,逐渐形成淤积带；而经篱带过滤后的径流,流速增大,动能增加,使植物篱下方侵蚀较大却少有泥沙补充,逐渐形成篱下土坎[10-11]。许峰等[12]研究发现植物篱及麦秆拦蓄的泥沙可形成高0.19—0.46 m的篱坎,且于篱前形成近水平宽0.09—0.28 m的淤积带。目前对于篱前淤积带与篱下土坎的研究大多集中在二者的形成机理方面,对其土壤结构和抗剪性能等方面的研究甚少,仅少数研究人员如王润泽等[1]对篱前淤积带的土壤团粒结构作了分析,探究了其团聚体组成和稳定性特征。

篱前淤积带的存在使得径流流速减小、径流侵蚀能力降低,篱下土坎由于跌水造成的冲刷而局部产生纹沟,使得径流侵蚀和搬运能力降低[10]。显然,与作物带不同,篱前淤积带和篱下土坎有着独特的水土保持功能,且土壤水库特征对于土壤蓄水及农业生产供水有重要作用[13],土壤抗剪性能对遏制水土流失和提高土地生产力具有重要意义[14]。为此,本文通过对比分析,探讨不同植物篱以及雨季前后篱前淤积带和篱下土坎的土壤水库和抗剪性能变化规律,以期为进一步阐释篱前淤积带和篱下土坎的独特作用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省遂宁市安居区水土保持试验站。该区地处川中盆地的中部(105°28′37″E、30°21′51″N,海拔288.00—330.58 m),年平均气温为18.2 ℃,多年平均降雨量为933.3 mm,5—9月集中降雨量可占全年降雨量的72.6%,年均蒸发量为897.2 mm,属于典型的亚热带湿润季风气候。该区土壤的pH值呈中性到微碱性,土壤松散,大部分为遂宁组紫色砂、页、泥岩上风化形成的幼年紫色土,结构性差,土壤抗侵蚀能力弱[15]。

1.2 试验设计

试验布设3个标准径流小区：10°新银合欢植物篱小区(L10)、10°香根草植物篱小区(V10)、15°香根草植物篱小区(V15),各小区农作物种植方式均为冬油菜-夏玉米,顺坡常规种植。小区上、中、下坡位各布设一条植物篱带,每带2行植株,带宽0.5 m,10°和15°植物篱小区带间距分别为6.27 m和6.40 m,植物篱布设图见相关文献[16]。采样时间为2017年5月(雨季初)和9月(雨季末),分别为收成和刚播种时期,减少了农作物根系对土壤性质的影响,亦可分析雨季对土壤性质的影响。篱前淤积带采样点位于上、中、下坡位植物篱冠层投影带上部20 cm范围,每一坡于中间部分等距设3个采样点,每一小区9个样点,共计27个；篱下土坎采样点位于上、中坡位植物篱冠层投影带下部20 cm范围,同样每一坡位于中间部分等距设3个采样点,每个小区6个样点,共计18个。

1.3 试验方法

1.3.1样品采集

于2017年5月中旬和9月中旬采样,采样前3天以上无降水和除草。各小区于篱前淤积带和篱下土坎样点处采样,每个样点采集3个重复土样,分别用环刀(底面积20 cm2,高5 cm)、环刀(底面积30 cm2,高2 cm)和铝盒采集耕层土壤(0—30 cm),带回实验室进行土样容重、孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)、自然含水率、田间持水量、饱和含水量和抗剪强度的测定。

1.3.2指标测定

土壤容重、孔隙度、田间持水量和饱和含水量采用环刀法测定,自然含水率采用烘干法(105±2 ℃)测定[17],抗剪强度采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪测定[18]。

1.3.3指标计算

土壤水库总库容和滞洪库容计算公式如下[19]：

(1)

(2)

式中,r为土壤密度(g/cm3)；H为土层厚度(cm)；n为土壤层次；C为田间持水量(%)；S为饱和含水量(%)。

土壤抗剪强度指标采用库伦公式线性回归确定[18]：

τ(f)=σ·tanΦ+C

(3)

式中,τ(f)为土的抗剪强度(kPa)；σ为作用在剪切面上的法向应力(kPa)；Φ为土的内摩擦角(°)；C为土的粘聚力(kPa)。

1.3.4数据处理

采用Microsoft Excel 2013进行数据处理,SPSS 22.0进行差异显著性分析(Duncan法,P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 篱前淤积带和篱下土坎土壤容重和孔隙度特征分析

表1中各小区同一篱带,篱下土坎较篱前淤积带降低土壤容重效果更优。各小区下坡篱前淤积带土壤容重最大,中坡篱下土坎土壤容重最小,其中V10小区下坡篱前淤积带土壤容重较中坡篱下土坎显著增大45.37%。同一小区,篱前淤积带土壤容重表现为下坡>中坡>上坡,篱下土坎土壤容重表现为上坡>中坡；篱前淤积带和篱下土坎土壤容重雨季后较雨季前增大但不明显。此外,不同小区同一坡位篱前淤积带和篱下土坎土壤容重均为V15>V10>L10,可见,同坡度下新银合欢降低土壤容重效果优于香根草,香根草植物篱10°小区降低容重的效果优于15°小区。

同一篱带,篱下土坎较篱前淤积带土壤孔隙性质有所改善。篱下土坎土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均较篱前淤积带大,L10、V10和V15小区篱下土坎非毛管孔隙度较篱前淤积带平均显著高26.93%、23.88%和38.35%；土壤毛管孔隙度则相反,L10小区篱前淤积带较篱下土坎显著高9.56%。同一小区,篱前淤积带土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均表现为上坡>中坡>下坡,篱下土坎土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均表现为中坡>上坡；土壤毛管孔隙度则相反。同一小区,篱前淤积带和篱下土坎土壤总孔隙度与非毛管孔隙度均表现出雨季后较雨季前小,土壤毛管孔隙度雨季后较雨季前大。此外,不同小区篱前淤积带和篱下土坎的土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均为L10>V10>V15,毛管孔隙度总趋势为V15>V10>L10。同一坡度,新银合欢增大土壤总孔隙度和非毛管孔隙度效果优于香根草,而同为香根草植物篱,10°小区优于15°小区；土壤毛管孔隙度则相反。

综上,同一篱带,篱下土坎土壤容重和毛管孔隙度均较篱前淤积带小,土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均较篱前淤积带大。可见篱下土坎的形成可以降低土壤容重和改善土壤孔隙性质,篱下土坎的土壤透气性优于篱前淤积带。雨季前同一篱带篱前淤积带和篱下土坎降低土壤容重和改善土壤孔隙性质均较雨季后好,可见雨季前的土壤透气性优于雨季后,但差异不显著。此外,新银合欢较香根草,更能降低土壤容重、增大土壤孔隙度,且缓坡地植物篱对土壤性质改善能力更强。

表1 篱前淤积带和篱下土坎土壤容重与孔隙度

表中数据为平均值±标准差(n=3)；不同小写字母表示P<0.05水平上差异显著; L10：10°新银合欢植物篱小区 10°Leucaenaleucocephalahedgerows plot；V10：10°香根草植物篱小区 10°Vetiveriazizanioideshedgerows plot；V15：15°香根草植物篱小区 15°V.zizanioideshedgerows plot

2.2 篱前淤积带和篱下土坎土壤水分特征分析

从表2可知,同一篱带,篱前淤积带土壤自然含水率明显大于篱下土坎。篱前淤积带自然含水率分别平均高9.36%(L10)、9.75%(V10)和9.11%(V15)；篱前淤积带土壤田间持水量和饱和含水量均略大于篱下土坎。同一小区,篱前淤积带自然含水率、田间持水量和饱和含水量下坡>中坡>上坡,篱下土坎均为上坡>中坡；篱前淤积带和篱下土坎自然含水率、田间持水量和饱和含水量表现为雨季后大于雨季前。此外,不同小区,篱前淤积带和篱下土坎自然含水率、田间持水量和饱和含水量均为V15>V10>L10。

由此可见,同一篱带,篱前淤积带的田间持水量和饱和含水率均较篱下土坎大,篱前淤积带土壤自然含水率显著大于篱下土坎,这表明篱前淤积带保水效果优于篱下土坎。一个雨季后同一篱带,篱前淤积带和篱下土坎土壤水分均增加,但并不显著。此外,较之新银合欢,香根草有更优的保水效果。

表2 篱前淤积带和篱下土坎土壤水分特征

2.3 篱前淤积带和篱下土坎土壤水库特征分析

土壤总库容是指土壤剖面中所有孔隙的容量,表征土壤所能容蓄水分的总量。土壤滞洪库容是指土壤剖面中非毛管孔隙度的容量,表征土壤暂时贮存水分的能力[13]。由表3可知,同一篱带,篱前淤积带土壤总库容和滞洪库容均大于篱下土坎,其中L10、V10和V15小区篱前淤积带土壤总库容分别较篱下土坎高9.54%、8.38%和9.53%。同一小区,篱前淤积带土壤总库容和滞洪库容均为下坡>中坡>上坡,篱下土坎则为上坡>中坡；篱前淤积带的土壤总库容和滞洪库容均于V15小区变化最明显,下坡分别为上坡的1.02—1.05倍和1.02—1.04倍；篱下土坎总库容和滞洪库容上坡分别为中坡的1.01—1.07倍和1.05—1.08倍；同一小区,篱前淤积带和篱下土坎土壤总库容雨季后略大于雨季前,土壤滞洪库容V10和V15小区与之相反。在不同植物篱处理条件下,篱前淤积带和篱下土坎土壤总库容整体趋势均为V15>V10>L10,即香根草植物篱小区篱前淤积带和篱下土坎土壤贮水能力优于新银合欢植物篱小区。

2.4 篱前淤积带和篱下土坎土壤抗剪性能特征分析

表4中展示了篱前淤积带和篱下土坎土壤内摩擦角、粘聚力及不同荷载下土壤抗剪强度。同一篱带,篱下土坎土壤内摩擦角、粘聚力及土壤抗剪强度均较篱前淤积带大。各小区同一篱带,篱下土坎土壤内摩擦角较篱前淤积带高1.34%—6.52%,篱下土坎土壤粘聚力较篱前淤积带高0.47%—10.88%,100—400 KPa荷载下篱下土坎土壤抗剪强度较篱前淤积带高0.48%—17.72%。同一小区,篱前淤积带土壤内摩擦角、粘聚力及100—400 KPa荷载下土壤抗剪强度均表现为上坡>中坡>下坡,篱下土坎均为上坡>中坡；内摩擦角、粘聚力及100—400 KPa荷载下土壤抗剪强度均于5月份的V10小区变化最明显,上坡篱前淤积带分别为下坡的1.06倍、1.09倍和1.06倍,篱下土坎上坡均为中坡的1.06倍；整体上篱前淤积带和篱下土坎的土壤抗剪性能均于雨季前较优。在不同植物篱处理条件下,篱前淤积带和篱下土坎抗剪性能均表现为V15>V10>L10,香根草较新银合欢抗剪性能更强。

表3 篱前淤积带和篱下土坎土壤水库特征

表4 篱前淤积带和篱下土坎土壤抗剪强度及其指标

3 讨论

植物篱具有改善土壤质地、结构,提高土壤含水率和增强土壤抗剪强度的作用[20-21]。本研究发现,同一篱带,篱前淤积带土壤保水贮水能力优于篱下土坎,而篱下土坎土壤透气性以及土壤抗剪性能均优于篱前淤积带。这可能与植物篱对径流泥沙的拦截作用可影响篱前和篱下土壤土粒的重新分布,通过有效拦截径流中的细颗粒物质,明显增加<0.2 mm粒级土壤微团粒含量,尤其是0.2—0.05 mm粒级[22]有关。此外,黎建强[23]等认为带上(篱前淤积带)的粘粒含量和分形维数大于带下(篱下土坎),且土壤分形维数与土壤孔隙度为正相关关系,而容重与分形维数呈显著负相关关系。本试验中篱前淤积带土壤容重、毛管孔隙度大于篱下土坎,这与黎建强的结论略有不同。但篱下土坎土壤总孔隙度大于篱前淤积带,这与吕文星[24]等的研究结论一致。这可能与径流因分选性搬运使在篱前淤积带和篱下土坎的沉积粒径不同以及篱下土坎形成过程中土粒被径流大量冲刷有关。这可能导致篱前淤积带土壤毛管孔隙度增高,保水性变好；篱下土坎利于根系生长和生物活动。根系生长和生物活动能够改变土壤的孔隙状况,增加土壤的通气性能及透水性能[25],故篱下土坎土壤总孔隙度和非毛管孔隙度较高,透气性较好。与土壤总孔隙度和非毛管孔隙度规律相反,篱前淤积带土壤水分和土壤水库库容大于篱下土坎,这与汪三树等[26]研究略不同。可能是篱前淤积带与篱下土坎土壤土粒的重新分布使得篱前淤积带土壤保水贮水能力优于篱下土坎。且篱下土坎土壤根系可能因坡面倾斜与土壤土粒的重新分布较篱前淤积带发达,植物根系可以有效降低土壤容重以及增强土壤抗剪性能[27],故篱下土坎土壤容重较篱前淤积带低,篱下土坎土壤抗剪性能较篱前淤积带优。

本研究表明篱前淤积带保水贮水能力均表现为下坡>中坡>上坡,而篱下土坎保水贮水能力均为上坡>中坡,雨季后>雨季前。这可能是因为汇水面积和来沙量越大,径流越大,搬运能力和侵蚀能力越强,从而不同坡位篱前淤积带与篱下土坎土粒的重新分布结果有所差异。上述分析推断出,本试验中篱前淤积带和篱下土坎土壤保水贮水能力很可能与篱前淤积带和篱下土坎处土壤的机械组成有关。由于汇水面积和来沙量为下坡>中坡>上坡,可能会逐渐使得同一小区下坡篱前淤积带土壤贮水能力更优。同一小区,篱前淤积带土壤内摩擦角、粘聚力c和抗剪强度均表现为上坡>中坡>下坡,篱下土坎土壤抗剪性能均为上坡>中坡,雨季前>雨季后。可能是径流越大,对根系冲刷能力越强,而篱前淤积带和篱下土坎的根系含量与发育很可能为上坡>中坡>下坡,雨季前>雨季后,逐渐使得同一小区上坡篱下土坎土壤抗剪性能最优。其中雨季后土壤抗剪强度及其指标小于雨季前,且含水率较高时,土体抗剪能力降低,这与李想[28],倪九派[29]等研究结果相似。这可能因为含水率高时会减小土粒间的粘聚力和摩擦力。

此外,本试验中15°香根草植物篱小区篱前淤积带与篱下土坎土壤抗剪强度优于10°香根草植物篱,10°新银合欢植物篱抗剪强度最弱。香根草植物篱抗侵蚀性优于新银合欢植物篱,且坡度增加有利于提高抗剪强度,这与蒲玉林[14],何丙辉[15]等研究结果相似。这可能由于香根草的根系比新银合欢的根系更为发达,而根系可以增大土壤抗剪性能。本试验对比分析了不同植物篱篱前淤积带和篱下土坎的保水贮水能力与土壤抗剪性能变化规律,有关篱前淤积带和篱下土坎的土壤质地、级配和根系指标对土壤性质的影响,有待进一步探究。

4 结论

1)同一篱带,土壤容重、毛管孔隙度和土壤水分均篱前淤积带较优,其中篱前淤积带土壤含水率较篱下土坎显著高6.52%—12.13%；土壤总孔隙度、非毛管孔隙度均篱下土坎较优,其中篱下土坎非毛管孔隙度较篱前淤积带显著高5.61%—57.70%。

2)同一小区,篱前淤积带土壤保水贮水能力优于篱下土坎；篱前淤积带保水贮水能力均表现为下坡>中坡>上坡,而篱下土坎均为上坡>中坡；各小区下坡篱前淤积带土壤保水贮水性能最优,其中V15小区上述趋势最明显,其下坡篱前淤积带(上坡篱下土坎)的土壤总库容和滞洪库容分别为上坡篱前淤积带(均为中坡篱下土坎)1.04倍和1.03倍(1.02倍)。

3)同一小区,篱下土坎土壤抗剪性能均优于篱前淤积带；篱前淤积带土壤内摩擦角、粘聚力c和抗剪强度均表现为上坡>中坡>下坡,篱下土坎均为上坡>中坡；各小区上坡篱下土坎土壤抗剪性能最优,其中V10小区上述趋势最明显,其上坡篱前淤积带(上坡篱下土坎)上述指标依次为下坡篱前淤积带(均为中坡篱下土坎)的1.06、1.09倍和1.05倍(1.04倍)。

4)雨季前后篱前淤积带和篱下土坎土壤透气性、保水贮水能力及抗剪性能并均无显著影响。