喀斯特高原山地土壤抗冲性与土壤物理性质的关系

2022-05-26资如毅赵龙山钱晓鹤

水土保持学报 2022年3期

资如毅，赵龙山,2，钱晓鹤，陈娟

(1.贵州大学林学院，贵阳 550025；2.贵州大学土壤侵蚀与生态修复研究中心，贵阳 550025)

土壤抗冲性是指土壤抵抗降雨径流对其机械破坏和推动下移的性能，是衡量土壤抗侵蚀能力的重要指标。在我国，关于土壤抗冲性的研究较多，特别对土壤抗冲性的测量方法、评价指标及影响因素等方面。

已有研究表明，影响土壤抗冲性的因素主要包括坡度、植物根系、土地利用方式及土壤性质等。蒋定生等研究表明，黄土高原地区不同土地利用类型的土壤抗冲系数为0.01～102.40 (L·min)/g；周正朝等对林地土壤抗冲性研究表明，随着次生林植被的正向演替，在根系作用下表层土壤的抗冲系数从0.8 (L·min)/g上升至3.4 (L·min)/g；王丹丹等对晋西黄土区退耕还林地土壤抗冲性的研究表明，刺槐与侧柏混交退耕林地的土壤抗冲性大于农地和荒草地。另外，坡度和径流量对土壤抗冲性也具有重要的影响。张建军等和任艳等研究了不同植被覆盖和不同土壤类型条件下土壤抗冲性表明，土壤抗冲性均随坡度的增加呈减弱的趋势。张建军等分析了不同植被条件下径流量对土壤抗冲性的影响表明，土壤抗冲性与径流量呈负相关关系。可见，在自然条件下，因土地利用的差异土壤抗冲性存在一定的时空变化，植物根系对提高土壤抗冲性具有重要作用。

以贵州为中心的西南喀斯特区生态环境脆弱，过去由于人们对该区域土壤侵蚀问题认识不足，在生产活动中造成地表植被破坏，进而导致大量的土地石漠化。近年来，随着退耕还林、荒山造林等措施的实施，地表覆盖度得到明显提高，土地石漠化得到有效遏制。因此，研究喀斯特地区土壤抗冲性，对揭示该地区土壤侵蚀过程与石漠化逆转机制具有重要的科学意义。已有研究讨论了喀斯区土壤抗冲性与基岩性质、植被覆盖和坡耕地水动力性质的关系，但针对喀斯特区不同土地利用条件下土壤抗冲性及其影响因素的研究还不够深入。

鉴于此，本文采用原状土水槽冲刷试验方法，以马尾松人工林地(PMP)、桂花人工林地(OFP)、天然乔灌混交林地(ASL)、天然草地(NGL)、撂荒地(AL)、农地(CL)6种地类土壤为研究对象，定量研究不同土地利用下土壤抗冲性特征及其与土壤物理性质的关系，以期为喀斯特区土壤侵蚀定量评价及生态环境建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及土壤样品采集

试验土样采自贵州省贵阳市花溪区坡地(26°22′N，106°37′E)。采样时间为2021年5—8月。花溪区地处黔中腹地，位于长江流域和珠江流域分水岭，属于亚热带季风温润气候区，地貌以山地和丘陵为主，为典型的喀斯特高原山地区，海拔1 100～1 300 m，年均气温15.3 ℃，年均降水量1 129.5 mm，年均蒸发量920 mm。在石灰岩和白云岩等典型成土母质及山地地形和高原季风湿润气候综合作用下，发育形成的土壤以黄壤和石灰土为主。

研究区主要有林地、天然草地、农地和撂荒地几种土地利用类型，其中，林地包括天然林地和人工林地，天然林以乔灌混交最为常见。由于研究区土壤偏酸性，人工林地树种以马尾松为主，也有以桂花为主的景观绿化树种的种植。因此，本研究将土地利用分为马尾松()人工林地、桂花()人工林地、天然乔灌混交林地(主要植物：盐肤木()、刺槐())、天然草地(主要植物：白茅()、胡枝子()、蕨())、撂荒地(撂荒1年以上，主要植物：藜()、马唐()、苋()、鬼针草())、农地(主要作物：玉米())等6种类型。

每种地类设置1 m×1 m的样方10个，在每个样方内按5点法取土样，以测定土壤物理性质和土壤抗冲性。其中，土壤抗冲性样品采用200 cm的标准环刀采集，取样时先清理样方内土壤表面的枯落物及碎石等植物残茬，然后直接将环刀垂直打入土壤表层，待环刀上沿与土壤表面齐平后挖出环刀，并用铝盖将环刀口盖上，特别在底盖内垫1张滤纸，以保证在后期样品预处理时均匀润湿土壤和防止土壤从底部漏出。同时，采用100 cm的标准环刀采集土壤样品带回实验室中测量土壤容重及孔隙度；用铝盒收集取样点表层土壤用于测定土壤机械组成和水稳性团聚体。为了保证试验精度，土样采集中同一样方内土壤抗冲性、物理性质测定样品的空间位置尽可能相邻。每个样方内的样品采集5个重复。

1.2 土壤抗冲性测定

本研究使用的原状土冲刷水槽见图1，由中科院水土保持研究所设备加工厂生产。水槽材质为有机玻璃，主要包括支架、水槽、装样室、水流稳定槽、径流收集口等配件。水槽长、宽分别为100，8 cm；装样室内径(76 mm)略大于环刀外径(75 mm)，以保证试验中环刀能放入和取出装样室且间隙较小。水槽坡度可通过坡度调节支柱按照试验设计调整。

试验于2021年5—8月在贵州大学西校区水土保持工程实验室进行。为保证土样初始含水率一致，冲刷试验前先对土样进行预湿润处理：即将环刀连同带小孔的底盖一起放入平底容器内，然后向容器内加水至水面与环刀上沿齐平，土样浸泡6 h后，取出环刀放在带有网孔的支架静置24 h，以排出水分。待样品预处理结束后，将环刀放入水槽装样室进行冲刷试验。根据研究区地貌特征，本试验设置5°，15°，25°的3个坡度；另外，根据研究区降雨特征，分别设置2 400，3 600，4 800 L/(h·m)的3个供水单宽流量，换算为本试验水槽实际流量分别为3.2，4.8，6.4 L/min。

图1 原状土冲刷水槽示意

冲刷试验开始后，水槽径流收集口以1 min间隔收集全部径流泥沙样品。试验结束后，先对每个径流样品称重，并记录样品重量。因样品中含有泥沙，故将称重后的样品在室内静置30 min左右，再用定性滤纸(=30 μm)过滤样品，析出泥沙。泥沙析出后，将其放入烘箱中烘干称重(85 ℃，3 h)。以上数据用于计算径流含沙量和土壤抗冲系数。

1.3 土壤物理性质测量

本研究中土壤物理性质包括土壤容重、总孔隙度、机械组成和水稳性团聚体。其中，土壤容重和总孔隙度采用100 cm的标准环刀样品测量，测量方法为常规的浸泡—烘干称重法；土壤机械组成采用激光粒度分布仪测定(Bettersize 2600)，按粒径分为砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)；水稳性团聚体采用湿筛法测定，粒径范围分为>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，<0.25 mm。

1.4 数据分析

本研究以径流含沙量和土壤抗冲系数作为土壤抗冲性指标，土壤抗冲系数用蒋定生等提出的方法计算，即冲刷掉单位质量土壤所需的水量和时间的乘积，计算公式为：

式中：为抗冲系数((L·min)/g)；为冲刷水量(L)；为冲刷时间(min)；为冲刷掉的土壤干重(g)。

通过Excel 2019软件对径流含沙量、土壤抗冲系数和土壤物理指标进行计算处理并绘制图表，采用Origin 2017软件进行径流含沙量动态特征图绘制，采用SPSS 26.0软件对数据进行单因素方差分析及土壤抗冲性与土壤物理性质相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同坡度及流量条件下各地类径流含沙量动态特征

原状土冲刷试验过程中，不同地类土壤径流含沙量随冲刷时间的动态变化过程见图2。各地类含沙量在冲刷开始后5 min内呈下降趋势，5～15 min含沙量较小，且各地类相互之间相差不大。此外，不同坡度和冲刷流量条件下其径流含沙量随时间的动态变化特征有所差异。坡度为5°，冲刷流量为3.2 L/min条件下，各地类径流含沙量均处于较低水平。随着冲刷流量的增大，各地类径流含沙量随之增大，且各地类径流含沙量除农地在6 min后才趋于稳定外，其他几种地类均在2～4 min后趋于稳定。在坡度为15°，25°时，随着冲刷流量的增大，各地类径流含沙量趋于平缓的时间逐渐提前。

2.2 不同地类土壤抗冲系数对比分析

由表1可知，不同坡度和流量条件下，土壤抗冲系数均表现为NGL(13.44～87.84 (L·min)/g)>PMP(8.14～93.15 (L·min)/g)>ASL(2.93～45.36 (L·min)/g)>AL(1.21～10.01 (L·min)/g)>OFP(1.25～5.48 (L·min)/g)>CL(0.17～1.27 (L·min)/g)，且NGL、PMP和ASL土壤抗冲系数显著高于AL、OFP、CL 3个地类。

在不同坡度条件下，6种地类的土壤抗冲系数在3.2 L/min的冲刷流量下表现为5°与15°，25°差异极显著(<0.01)，15°与25°之间差异不显著(>0.05)；在冲刷流量为4.8 L/min时，OFP的土壤抗系数在3个坡度之间无显著差异(>0.05)，NGL地在25°与5°，15°之间差异显著(<0.05)，4种地类则均表现为5°与15°，25°差异显著(<0.05)；冲刷流量为6.4 L/min时，CL的土壤抗冲系数在3个坡度间均存在显著差异(<0.05)，OFP、PMP在3个坡度间差异均不显著(>0.05)，AL土壤抗冲系数仅在5°与25°间存在显著差异；ASL地在5°与15°，25°之间差异显著(<0.05)。说明坡度对不同地类土壤抗冲性的影响还受冲刷径流量大小的限制。

同坡度不同冲刷流量条件下，AL和NGL土壤抗冲系数在3种冲刷流量间均无显著性差异(>0.05)，说明AL和NGL的土壤抗冲性受冲刷流量影响不大；ASL抗冲系数在坡度为15°，25°时，表现为3.2 L/min与4.8，6.4 L/min间差异显著(<0.05)，4.8 L/min与6.4 L/min间无显著差异(>0.05)；CL、OFP、PMP土壤抗冲系数在5°时，冲刷流量条件下3.2 L/min与4.8，6.4 L/min间差异极显著(<0.01)；坡度为25°时，OFP土壤抗冲系数在3种流量条件下差异均不显著(>0.05)，CL、PMP土壤抗冲系数表现为3.2 L/min与4.8，6.4 L/min间差异显著(<0.05)。

可见，坡度对不同地类土壤抗冲性的影响受冲刷流量大小限制，同样，流量对土壤抗冲性的影响亦受坡度限制；但总体而言，坡度对土壤抗冲性的影响更大。

图2 径流含沙量随冲刷时间的变化特征

表1 不同坡度和冲刷流量条件下土壤抗冲系数

2.3 不同地类土壤物理性质分析

由表2可知，土壤容重大小表现为NGL>PMP>ASL>AL>OFP>CL。由于农地缺少根系的固结，且受人为扰动较大，因此，农地的土壤容重最小。土壤孔隙度大小代表土壤的疏松程度，各地类的土壤总孔隙度则表现为CL>OFP>AL>ASL>PMP>NGL。土壤颗粒大小不同，其抵抗径流搬运的能力也不同，本研究中各地类土壤机械组成以粉粒为主，均占30%以上，且不同地类粉粒占比表现为PMP>AL>NGL>ASL>OFP>CL；其次是土壤黏粒，占比15%～26%，各地类黏粒含量表现为CL>OFP>AL>ASL>PMP>NGL，砂粒含量则与黏粒相反，仅占1%～10%。水稳性团聚体也是评价土壤抵抗水流侵蚀的重要指标。由表3可知，不同土地利用类型>0.25 mm水稳性团聚体平均含量表现为NGL(64.67%)>PMP(56.63%)>ASL(49.86%)>AL(47.09%)>OFP(43.66%)>CL(38.30%)。总体而言，相较于农地，受人为干扰较小的其他地类土壤结构具有一定程度的改善，从而增强了土壤抗冲刷的能力。

2.4 土壤物理性质对土壤抗冲性的影响

对土壤抗冲系数与土壤容重和总孔隙度做一元回归分析(图3)发现，土壤抗冲系数与土壤容重、总孔隙度呈指数函数关系，与土壤容重呈正相关关系(=0.893)，与总孔隙度呈负相关关系(=0.901)。表明土壤容重越大、总孔隙度越小，土壤越紧实，土壤颗粒不易被径流搬运、冲蚀，其抗冲性能也就越强。

土壤机械组成反映了土壤颗粒组成及质地，土壤颗粒组成不同，其抵抗径流搬运的能力也不同。分析土壤机械组成与土壤抗冲性的关系(图4)显示，土壤抗冲系数与土壤粗砂粒含量及黏粒含量呈幂函数关系，土壤抗冲系数与粗砂粒含量呈正相关关系(=0.887)，与黏粒含量呈负相关关系(=0.776)。说明土壤颗粒越大，越难被径流冲蚀，抗冲性能也就越强。

分析了各粒级水稳性团聚体含量对抗冲系数的影响(图5)，利用指数函数模型对土壤抗冲系数与各粒径水稳性团聚体含量进行拟合，结果表明，>0.25 mm水稳性团聚体与土壤抗冲系数之间呈指数型正相关关系，相关指数为0.907。

表2 土壤容重、总孔隙度和机械组成

表3 土壤水稳性团聚体含量

图3 土壤抗冲系数与土壤容重、总孔隙度的关系

对土壤抗冲系数与土壤各物理性质之间的关系进行了相关分析，由Pearson相关分析得出，土壤抗冲系数与土壤容重、砂粒含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量呈极显著正相关，相关系数分别为0.772，0.778，0.876；与总孔隙度呈极显著负相关，相关系数为-0.757，与黏粒含量呈显著负相关，相关系数为-0.534；与粉粒含量相关性未达显著水平，相关系数为0.410。可见，土壤物理性质对土壤抗冲性的影响表现为>0.25 mm水稳性团聚体最为显著，其次是土壤容重和砂粒含量，再次是黏粒含量，而粉粒含量对土壤抗冲性无显著影响。

图4 土壤抗冲系数与砂粒含量、黏粒含量的关系

3 讨论

本研究表明，随着冲刷时间的延长，径流含沙量呈先减小后趋于稳定的趋势，但总体上表现为各地类径流含沙量在冲刷初始阶段最高，随后缓慢降低，最后趋于一个稳定值。随着坡度和冲刷流量的增大，径流含沙量趋于稳定的时间有所提前。这与伏耀龙等的研究结论相一致，何淑勤等也得出类似结论。因为在冲刷初期，表层松散的土壤颗粒易被水流推动下移，以至冲刷初期径流含沙量较高。随着冲刷时间的推移，可被径流推动下移的土粒减少，含沙量逐渐降低。

图5 土壤抗冲系数与水稳性团聚体含量的关系

本研究表明，相同冲刷条件下不同地类土壤抗冲系数依次为NGL(13.44～87.84 (L·min)/g)>PMP(8.14～93.15 (L·min)/g)>ASL(2.93～45.36 (L·min)/g)>AL(1.21～10.01 (L·min)/g)>OFP(1.25～5.48 (L·min)/g)>CL(0.17～1.27 (L·min)/g)。已有研究表明，林地和草地的土壤抗冲性远强于耕地，由于农地受人为干扰频繁，可被冲刷移动的土壤颗粒较多，导致其抗冲性弱；林地和草地因有植物根系的固持作用，土壤结构不易被径流破坏，表现出较强的抗冲性能。蒋定生等的研究结果显示，黄土高原区天然林地和天然草地土壤抗冲系数分别为97.50～101.40，35.35～99.45 (L·min)/g，是本研究中相同地类的1.15～12.06倍，农地土壤抗冲性与本研究中的CL相差不大。郭明明等的研究结果指出，黄土高塬沟壑区农地土壤抗冲性为0.28 (L·min)/g，不同年限的撂荒地土壤抗冲性较农地增加了1.98～9.82倍。本研究中，AL的土壤抗冲性是农地的7.88倍。黄土高原区天然林地和草地的土壤抗冲性明显高于喀斯特区，而农地和撂荒地土壤抗冲性则与喀斯特区相差不大。本研究中OFP土壤抗冲系数仅高于CL，是因为人们定期对桂花人工林进行管理，拔掉除木犀外的其他植物，一方面对土壤造成了一定程度的扰动，从而减弱其抗冲能力；另一方面，经过人为管理后的桂花人工林地几乎仅剩下木犀1种植物，生物多样性差，以至于其土壤抗冲性较其他地类弱。

冲刷坡度和径流量也是影响土壤抗冲性能的重要因素。本研究结果得出，土壤抗冲系数随坡度和冲刷流量的增大而降低，但总体而言，坡度对不同地类土壤抗冲性的影响更为显著。已有研究表明，土壤抗冲性与坡度、冲刷流量呈负相关关系，随着坡度的增加，土体稳定性变差，更容易被径流冲刷搬运。此外，冲刷径流由坡顶向坡下流动的过程中，重力势能转化为动能对土壤做功，造成土壤分散和搬运；然而，这种动能会随着坡度和冲刷流量的增加而增大，从而增强了径流剥蚀土壤的能力，本研究结果也证实了这一点。

土壤物理性质是土壤本身固有的特性，土壤物理性质不同，其抗冲特性亦有差异。本结果显示，土壤抗冲性与土壤容重、砂粒含量、水稳性团聚体含量呈极显著正相关关系，与土壤总孔隙度呈极显著负相关，与黏粒含量呈显著负相关关系。印证了王健等和陈晏等的研究结论，土壤抗冲性与土壤容重、砂粒含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量呈极显著正相关关系，与土壤总孔隙度、黏粒含量呈负相关。也有研究指出，土壤容重、砂粒含量与土壤抗冲性呈负相关，总孔隙度、黏粒含量与土壤抗冲性呈正相关关系，与本研究结论恰好相反，因为土壤容重减小和总孔隙度的增加提高了土壤的蓄水能力，缓解了径流对土壤的冲刷作用，从而增强了土壤抗冲性能。由此可见，土壤容重、机械组成及孔隙度不是影响土壤抗冲性的唯一因素，还可能与土壤水稳性团聚体等其他因素有关。