水蚀作用下红壤丘陵区土壤特性的空间分异特征

2023-11-29丁鸣鸣李卓远崔琳琳

南京林业大学学报（自然科学版） 2023年6期

张相,丁鸣鸣,林杰*,李卓远,崔琳琳,郭赓,杨皓

(1.南京林业大学林草学院、水土保护学院,南方现代林业协同创新中心,江苏省水土保持与生态修复重点实验室, 江苏南京 210037;2.南京市水务局,江苏南京 210036)

土壤侵蚀是全球重大环境问题之一[1-2]。水力侵蚀(简称水蚀)作为土壤侵蚀的主要方式,是土壤侵蚀研究领域的焦点和热点[3-4],其本质是破坏土壤结构、质量及周围的生态环境,严重制约着农业、经济、生态可持续发展[5]。目前相关研究多聚焦于坡面、流域和区域[6],而忽视了对水蚀作用下侵蚀沟道内小流域的研究。水蚀过程调控坡面土壤理化性质的分布,对土壤质量有着重要的影响,可以造成土壤养分贫瘠,破坏土壤结构及稳定性[7]。目前,众多学者已在侵蚀机理及其演变规律过程中取得了大量成果,但主要集中于短时间和小尺度上的研究[8-9]。

坡地沟道侵蚀是研究水蚀过程机理的基本尺度[5]。水蚀作用不仅为坡地土壤运移提供动力,而且会直接造成土壤及养分的流失,使土壤质量指标在不同坡位发生空间变异,进而加速坡面水土流失[10]。李奕等[11]通过研究坡面水蚀土壤质量特征发现,0～20 cm的耕作层上坡碱解氮含量最高,坡下土壤全磷和速效磷的含量最高,不同坡位间土壤的速效养分含量差异显著;贺小容等[12]通过研究坡地土壤中各养分含量间的影响,发现土壤养分含量在不同坡位迁移中表现出向下汇集的趋势,下坡的养分含量高于其他坡位的养分含量。张合兵等[13]则发现各坡位土壤养分含量均低于背景值,坡顶土壤有效磷和碱解氮含量最高、坡下最低,而土壤全磷和全氮含量表现则为坡顶最高、坡下次之、坡上最低。已有研究表明,水蚀对土壤养分在各坡位的分布有很大的影响,导致这种差异的主要原因是降雨侵蚀后坡地的土壤理化性质的重新分配[14-16]。开展水蚀对坡面土壤特性的影响研究,可以揭示水蚀对红壤坡地理化性质发生变异的机理。

南方红壤丘陵区面积宽广,生态系统较为脆弱,土壤抗蚀性较差。在植被茂密、暴雨多频的情况下,水蚀极易引起流域内的土壤特性变化广泛分布[4]。本研究拟探究水蚀对坡面土壤理化性质和土壤结构的影响,以期更好地认识沟道内土壤侵蚀规律,为南方红壤区水土保持、土壤质量改良和低效林改造等提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省吉安市青原区青原山小流域(115°6′38″E,27°4′17″N)。该区属于亚热带季风湿润性气候,多频暴雨多集中在5—7月,年均降雨量1 500 mm,多年平均气温18 ℃左右,平均日照时间1 814 h,无霜期277 d。地形属于山地丘陵盆地地貌,多呈低山与高丘相接或镶嵌格局。土壤类型包括红壤、山地黄壤、水稻土、潮土、紫色土等,红壤分布于全区丘陵和坡地,占全区土壤总面积60%以上,主要由第四纪浅变质岩发育而成,属于酸性土壤。植被多为亚热带常绿阔叶林与针叶林,以人工林为主,林龄大多在15 a,坡上属于地势平坦呈凹洼状,主要乔木树种为杉木(Cunninghamialanceolata),还有零星分布的香樟(Cinnamomumcamphora)、麻栎(Quercusacutissima)等,林下草本以蕨类、钩藤(Uncariarhynchophylla)、绞股蓝(Gynostemma)和铁芒萁(Dicranopterislinearis)等,沟道出水口面积宽广,土质组成多为淤泥,草本以水生植物和苔藓(Bryophyta)组成。

1.2 试验设计

研究在2019年3月至2020年3月进行,该区域研究期间降雨量为1 652.8 mm,其中6月降雨侵蚀力达到3 630.23 MJ·mm/(hm2·h),侵蚀沟的出口处汇集了大量泥沙。以2019年3月前测定的数据作为侵蚀前的背景值(CK),2020年3月为侵蚀后(T)情况,探究水蚀作用对研究区土壤性质的影响。按照典型性和代表性原则,在侵蚀前后研究区的沟道内及2侧汇水面处分别进行野外采样,为避免侵蚀后土壤的样品与侵蚀前的土壤重复,两次取样间隔10 cm,然后按海拔依次划分为坡上、坡中、坡下和坡脚4个坡位(图1),设置3个断面为重复,样地基本信息见表1。

图1 研究区采样地点Fig. 1 The study area and sampling plot locations

表1 样地基本信息

1.3 样品采集

在每处样地内布设1个20 m×20 m的样方,在每个样方内按照S形布设5个样点,移除土壤表层枯枝落叶,按0～10、[10,20)和[20,30) cm土壤深度用铝盒采集原状土样用于土壤团聚体组成测定,将每个样方同一土层的5个样点混合为一个样品,即每个样地取回3个土壤样品(每层1个),共计36个土壤样品[17]。

将采集的样品带回实验室内,除去植物残体、小石块及侵入体等,然后将3层土样进行混合后得到各坡位样点0～30 cm处的土壤:一部分土壤团聚体样品进行预处理,按照自然裂隙掰成1 cm3的小土块用作土壤团聚体粒径的进一步分级;另一部分研磨后过2 mm筛,用于土壤理化性质的测定。

1.4 指标测定与计算

海拔通过GPS定位系统(RTK)获取;坡度通过坡度仪(DODEM JZC-B2)测定;在每个20 m×20 m的样地中,按照“S”形布设5个样点,每个采样点20 cm处设置1 m×1 m的小样方,然后采用“S”形测定枯落物厚度,求出平均枯落物厚度;在每个1 m×1 m样方中使用数码照片和Photoshop计算植被覆盖度[18]。

参照文献[19],土壤容重和孔隙度用环刀法测定;饱和持水量(重量百分数)用经典烘干法测定;土壤机械组成采用激光粒度分析仪(Microtrac S3500);酸碱度(pH)通过pH计(METTLER TOLEDO FiveEasy Plus FE20)测定(水土体积质量比1∶2.5);土壤有机碳含量采用重铬酸钾水浴加热法测定;土壤全氮含量采用元素分析仪[Vario Macro Cube(CNS)]测定;土壤碱解氮含量通过培养皿扩散法测定;土壤速效磷含量先通过酸溶-钼锑抗比色法提取溶液,然后使用分光光度计(UV-2700)测定。

采用湿筛法[20]进行土壤团聚体分组测定并计算,得到≥2.000、[0.250,2.000)、[0.053,0.250)和<0.053 mm 4个粒径团聚体组成的百分比。

采用土壤水稳性大团聚体含量(R0.25)、土壤团聚体平均质量直径(MWD)、土壤团聚体几何平均直径(GMD)等指标表征土壤团聚体稳定性,根据文献[21]中方法计算R0.25、MWD、GMD。

1.5 数据处理

利用单因素方差分析(One-way ANOVA)分析了水蚀前后土壤理化性质的差异变化,使用邓肯显著性检验(Duncan test)检验侵蚀前后是否对土壤理化性质存在显著影响,所有统计分析均在SPSS 25.0中进行;使用OriginPro 9.0绘制土壤化学性质变化特征图;使用R 4.1.3做土壤团聚体及稳定性与土壤质地之间的相关性分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 水蚀前后不同坡位土样物理性质的变化

水力侵蚀前后样地不同坡位土壤物理性质的差异较大(表2)。与侵蚀前相比,侵蚀后各坡位的土壤容重和砂粒呈现增加的趋势,而粉粒、黏粒、pH、饱和持水量和毛管孔隙度呈现降低的趋势,表明水力侵蚀改变了容重和土壤孔隙的空间分布格局,致使侵蚀区的土壤抗蚀性变弱,沉积区影响不大,加速了土壤侵蚀的发生。侵蚀与沉积区的土壤容重均增加,其中坡脚处增加了17.6%,差异显著(P<0.05);侵蚀后坡上、坡中、坡下和坡脚处的砂粒含量分别增加了1.74、2.85、2.64和11.90倍,差异显著(P<0.05),而粉粒、黏粒、饱和持水量、和毛管孔隙均表现为显著减小(P<0.05),其中黏粒分别减小了7.45、2.30、2.74和1.40倍。长期水蚀后土壤容重增加,土壤毛管孔隙与饱和持水量减少。

表2 不同坡位样地侵蚀前后土壤物理性质的变化

ns.差异不显著no significant difference within the group;*. P<0.05;**. P<0.01。下同。The same below.图2 侵蚀前后各坡位样地的土壤化学性质分布Fig. 2 The distribution of soil chemical property before and after erosion at different slope positions

2.2 水蚀前后不同坡位土壤化学性质的变化

水蚀对土壤化学养分循环有显著影响,不同坡位侵蚀前后的土壤化学性质存在差异(图2)。坡中和坡脚处侵蚀前后土壤pH差异显著(P<0.05)。土壤养分在坡面径流的运移下会发生土壤养分的溶解,从而造成养分的流失,除碱解氮外,侵蚀后的其他养分含量在坡上、坡中和坡下均减小,其中坡上处的全氮、土壤有机碳、碱解氮、速效磷和碳氮比分别降低了0.24 g/kg、5.37 g/kg、16.63 mg/kg、8.77 mg/kg和1.63,侵蚀前后差异均显著(P<0.05);侵蚀后坡脚处各养分指标含量比侵蚀前高,侵蚀前后速效磷含量在各个坡位的差异均显著(P<0.05);侵蚀后坡中土壤碱解氮含量显著增加(P<0.05)。侵蚀后坡脚处碳氮比增加了0.81,其他坡位的碳氮比降低。总体来看,水蚀过程中坡上养分含量降低,坡脚处的养分含量增加。

2.3 水蚀前后各坡位土壤团聚体组成及稳定性的变化

不同坡位土壤团聚体在侵蚀前后呈现出明显的差异(图3),侵蚀后坡脚处≥2.00 mm团聚体含量(质量分数,下同)显著增加(P<0.05),增加了22.4%,而坡上、坡中和坡下的分别降低了19.0%、31.6%和52.0%(P<0.05);侵蚀后坡上、坡中和坡下处[0.250,2.000) mm土壤团聚体含量分别增加了44.5%、23.5%和45.2%(P<0.05),而坡脚处显著减少了25.2%(P<0.05);[0.053,0.250) mm团聚体含量在不同坡位侵蚀后均呈现增加的趋势,而在坡上、坡中和坡下处显著差异(P<0.05);侵蚀后<0.053 mm团聚体含量在坡上和坡脚处差异不明显,而坡中处显著减少了17.4%(P<0.05),坡下处增加了1倍(P<0.05)。总体上看,侵蚀后坡上大团聚体破碎为[0.25,2.000) mm 团聚体,而坡中和坡下则主要表现为≥2.000 mm团聚体的减少,<2.000 mm团聚体增加,坡脚处大团聚体含量增加,微团聚体不受影响,说明水蚀能够显著改变土壤团聚体粒径组成,使坡上、坡中和坡下处的≥2.000 mm团聚体含量被破碎,而坡脚处的≥2.000 mm大团聚体含量增加,影响土壤稳定性,进一步加速水土流失。

CK.侵蚀前 before erosion;T.侵蚀后 after erosion。同一坡位同一指标不同字母表示侵蚀前后在0.05水平差异显著。Different letters between the same slope position and same index indicated significantly difference before and after erosion at 0.05.图3 不同坡位侵蚀前后土壤团聚体质量分数分布Fig. 3 The distribution of mass fraction of soil aggregates before and after erosion at different slope positions

不同坡位侵蚀前R0.25、MWD和GMD的范围分别为64.23%～86.34%、1.09～1.57 mm和0.32～0.62 mm,侵蚀后的范围分别为61.36%～81.93%、0.97～1.42 mm和0.29～0.56 mm。不同坡位侵蚀后的R0.25,MWD和GMD均减少,其中坡上和坡下显著差异(P<0.05),但侵蚀过程中坡脚的团聚体稳定性指标几乎不受影响,表明了沉积区经水蚀后导致土壤结构不稳定,而侵蚀后坡上部位的R0.25、MWD和GMD最高(表3)。

表3 不同坡位侵蚀前后土壤团聚体稳定性指标

2.4 环境因素对土壤理化性质和土壤团聚体稳定性的影响

侵蚀前后环境因素与土壤理化性质和土壤团聚体稳定性之间的关系如图4所示,通过相关性分析发现,枯落物厚度、海拔、植被覆盖度与土壤碱解氮、全氮、全磷、有机碳含量和碳氮比显著负相关(P<0.05),与土壤饱和持水量、毛管孔隙度及粉粒含量显著正相关(P<0.05);土壤团聚体稳定性参数与环境影响因素影响不明显,其中MWD、GMD与植被覆盖度呈显著的负相关(P<0.05)。总的来说,土壤理化性质的空间异质性除受水蚀外,还受枯落物厚度、植被覆盖度等环境因素的影响。

蓝色和红色分别表示正相关和负相关blue and red indicate positive correlation and negative correlation, respectively;SOC.土壤有机碳含量soil organic carbon content;AN.碱解氮含量available nitrogen content;TN.全氮含量 total nitrogen content ;AP.全磷含量 available phosphorus content ;C/N.碳氮比carbon-nitrogen ratio;TL.枯落物厚度litter thickness;S.坡度slope;H.海拔altitude;HC.林草覆盖度forest and grass coverage。图4 土壤理化性质和环境因素的相关性分析Fig. 4 Correlation analysis of clustering between soil physicochemical properties and environmental factors

3 讨论

3.1 水蚀对侵蚀与沉积区土壤物理性质的影响

土壤的理化性质具有复杂性和多样性,以往水力侵蚀研究中多数只强调对侵蚀结果的研究,而忽视了侵蚀对土壤理化性质影响的研究,较少考虑到外界环境因子的干扰[22],尤其是多变的侵蚀环境和侵蚀模式,传统的侵蚀坡面往往呈现出上坡侵蚀和下坡沉积,而本研究区坡上处于平滑的凹面,属于绝对沉积区,其他坡位为侵蚀区[17]。在长期侵蚀背景条件下,水蚀过程会改变土壤结构,导致土地退化,加速水土流失[23],红壤丘陵区不同坡位的土壤物理性质存在明显的差异,容重与最大持水量、毛管持水量呈显著的负相关关系。发生水蚀后造成土壤容重变大的可能原因是,土壤随径流冲刷迁移过程中,较粗颗粒在原位被保留,细颗粒随径流被带走,最后汇入下游水库中,从而使土壤厚度、孔隙度和容重发生变化。水蚀后土壤饱和持水量和毛管孔隙随之减小,砂粒含量显著增加,黏粒和粉粒含量显著减小,这与钱婧等[24]研究一致。降雨作为水力侵蚀的重要影响因素,直接作用于土壤颗粒之间,使其转化成大颗粒或小颗粒,地表径流不断冲刷坡面,土壤中黏粒优先被迁移到下一个侵蚀点,导致土壤质地发生空间变异,土壤抗蚀性变弱,进一步加速土壤发生侵蚀。

3.2 水蚀对侵蚀与沉积区土壤化学性质的影响

侵蚀是养分的流失,沉积是养分的积累。水蚀过程显著改变了土壤有机碳、碱解氮、速效磷和全氮含量,这与黄尚书等[25]研究结果一致。孙莉英等[26]研究表明,土壤的全氮、全磷、全钾和总有机碳含量与坡度无明显差异,植被覆盖度与土壤的全氮、全磷、全钾和总有机碳含量呈正相关关系[27],而在红壤丘陵区,作为土壤养分变化的主要环境因子,植被覆盖度与土壤有机碳含量呈负相关关系,造成这种关系的主要原因可能是侵蚀期降雨侵蚀力大,地表枯落物随径流发生迁移,同径流搬运的土壤大颗粒与地表枯落物在坡上和坡脚处汇聚,导致侵蚀区坡脚的土壤养分含量高于侵蚀前,林下种植的绞股蓝(Gynostemmapentaphyllum)、钩藤(Uncariarhynchophylla)等属于价值物种,在采收的季节可能存在人为干扰造成的影响,从而造成土壤养分的空间分异。侵蚀后沉积区坡上的土壤养分显著减小,侵蚀区坡脚的全氮、碱解氮、速效磷、土壤有机碳均和碳氮比均增加,导致养分再分配的可能原因有两种:一是由于研究期间5月份的降雨量达到了453.5 mm,单日降雨最大为66.5 mm,较大的降雨侵蚀力改变了坡上和坡脚的原本地形,使侵蚀沟道的“上坡沉积,坡脚侵蚀”的侵蚀模式发生转移,原本低洼的沉积区坡上汇集了来自坡顶的泥沙,导致坡上的地形发生了变化,侵蚀区坡脚的边缘开挖了一条路,存在人为的拦挡措施,汇集了大量的来自其他坡位养分含量较高的土壤,从而使坡上转换为侵蚀区,坡脚处变为沉积区,尤其是处于“两侧汇水面+沟道”更为明显;二是林下种植的价值物种在播种阶段可能存在施肥情况,从而使侵蚀区坡脚的土壤养分含量要高于其他坡位。

3.3 水蚀对侵蚀与沉积区土壤团聚体的影响

经过1年的水蚀干扰研究发现,红壤丘陵区≥2.000 mm的团聚体显著减少,[0.053,2.000) mm显著增加,说明了水蚀过程主要是以崩解大团聚体含量和增加微团聚体含量为主,沉积区坡上≥2.000 mm团聚体含量减少了19%,侵蚀区各坡位减小了22.4%以上;发生侵蚀后,沉积区≥2.000 mm团聚体含量仍高于侵蚀区,而<2.000 mm团聚体含量低于沉积区,证实了侵蚀区的土壤结构更加破碎,沉积区的深埋作用,加上侵蚀后土壤稳定性指标均最高,因而减小了水蚀对沉积区土壤稳定性的影响。侵蚀区各坡位间的团聚体变化对水蚀的响应不一,水蚀过程中侵蚀区土壤团聚体稳定性指标R0.25,MWD和GMD变化差异明显,其中坡下的大团聚体和稳定性变化最显著,坡下本身坡度较缓属于侵蚀区,可能是由于研究区本身高强度的降雨以及坡中表层土中细颗粒比较多,随径流迁移至下一侵蚀区滞留和埋藏,致使水蚀后侵蚀区坡下处土壤团聚体组成及稳定性与坡中处变化相似,水蚀后坡脚的≥0.250 mm团聚体含量和<0.250 mm团聚体含量与侵蚀前一样,可能是由于坡脚邻近水库,植被较为稀疏,表土土层被冲刷汇入水库,下层土壤流露至表层,土壤容重相对较大,粉、黏粒含量与团聚体稳定性参数间呈正相关关系,意味着土壤结构更为稳定,水蚀后对其的影响不明显。石璞等[28]通过人工模拟间歇降雨试验发现,团聚体粒径发生剧烈周转,团聚体稳定性也随之退化,导致≥0.250 mm团聚体含量显著减小,<0.250 mm团聚体含量显著增加;李肖等[29]在淮北土石山区研究侵蚀强度发现,≥2.000 mm团聚体含量有明显减小,表明了侵蚀过程趋向于将大团聚体转换为微团聚体含量,而≥0.250 mm团聚体对侵蚀的响应敏感;而本研究中,水蚀后≥2.000 mm团聚体含量与土壤稳定性指标R0.25,MWD和GMD均呈现正相关关系,而<2.000 mm团聚体含量表现为负相关关系,进一步证实张相等[17]在南方红壤区侵蚀沟道内研究中发现的>2.000 mm团聚体含量对侵蚀的响应敏感。坡脚处≥2.000 mm团聚体含量增加可能是由于长期的侵蚀背景下的降雨将≥2.000 mm粒径团聚体冲刷、搬运汇聚于坡脚处,这与胡亚鲜等[30]通过人工模拟泥沙迁移的研究结果一致。