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    巖溶區(qū)不同土地利用方式土壤抗蝕性分析

    2011-09-19 10:53:54賈亞男藍(lán)家程
    水土保持研究 2011年5期
    關(guān)鍵詞:抗蝕水穩(wěn)性坡耕地

    付 允,賈亞男,2,藍(lán)家程

    (1.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,重慶400715;2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境與生物資源重點實驗室,重慶400715)

    巖溶生態(tài)系統(tǒng)成土速率慢,水土流失嚴(yán)重,屬于生態(tài)脆弱區(qū)。土壤和植被是巖溶環(huán)境中最為敏感的自然要素,土壤侵蝕是石漠化最直接的影響因素[1]。在土壤侵蝕的過程中,土壤性質(zhì)對土壤侵蝕的發(fā)生與強(qiáng)度有著重要的影響,土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力[2],是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的標(biāo)準(zhǔn)[3]。土壤抗蝕性與土壤性質(zhì)密切相關(guān),不同土地利用方式對土壤質(zhì)量性狀的影響明顯不同,存在空間差異性[4],從而使土壤對侵蝕的易損性和敏感性不同。

    耕作侵蝕是一種重要的土壤侵蝕類型,但在以往的研究中常常被忽略。耕作侵蝕使坡耕地土壤沿坡面發(fā)生位移,造成土壤主要性質(zhì)在耕地內(nèi)發(fā)生再分布,產(chǎn)生坡耕地不同部位土壤性質(zhì)分異。巖溶區(qū)土壤匱乏,宜農(nóng)土地資源稀缺,坡耕地的開墾會誘發(fā)土壤侵蝕,進(jìn)而導(dǎo)致石漠化[5]。關(guān)于巖溶區(qū)土壤性質(zhì)與植被對土壤抗蝕性的影響已經(jīng)有不少研究[3,6-8],但結(jié)合耕作侵蝕來研究還較少見。因此本文以重慶市中梁山為例,選取常用的土壤抗蝕性指標(biāo),對比不同土地利用方式下土壤抗蝕性的強(qiáng)弱,將耕作侵蝕引起的坡耕地不同部位土壤抗蝕性進(jìn)行比較,探討研究區(qū)較為合理的土壤抗蝕性指標(biāo),為巖溶區(qū)開展水土保持工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    重慶市中梁山屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,海拔400~700 m,年均氣溫18℃,多年平均降水量1 000 mm左右。研究區(qū)地貌特征受地質(zhì)構(gòu)造和巖性的強(qiáng)烈控制,兩翼由黃色砂巖構(gòu)成半邊山地形,軸部由紫色頁巖構(gòu)成波狀起伏的丘陵地形,二者之間由灰?guī)r組成,經(jīng)巖溶作用后形成巖溶槽谷,組成“一山兩槽三嶺”的構(gòu)造地貌格局。土壤發(fā)育的地質(zhì)背景是三疊紀(jì)嘉陵江組的巖溶角粒狀白云質(zhì)灰?guī)r,以化學(xué)結(jié)構(gòu)為主,屬于黃色石灰土,土層厚0.15~1.0 m。受地形和海拔的限制,山頂和上部一般是林地、灌叢和草地,耕地大都分布在山腰、山腳和谷底。其中山腰地塊坡長只有2~4 m,坡度最大;山腳地塊坡長達(dá)到5 m,坡度減?。还鹊椎貕K平坦,土壤堆積,基本上沒有坡度,地塊最長,大概為5~10 m。坡耕地農(nóng)業(yè)種植制度為小麥-玉米-甘薯,一年兩熟到三熟。

    2 材料與方法

    2.1 土壤樣品的采集與分析

    供試土樣取自于研究區(qū)內(nèi)兩個坡耕地不同部位土樣,另取3種主要的自然利用的土地利用方式,即竹林地、灌叢地和草地作對比。土壤取樣按自然剖面層次取表層土壤,其中竹林地、灌叢地和草地各取兩個剖面土樣,坡耕地在兩個不同坡度、坡長樣地,取不同部位的表層土壤。

    采集的土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨,過2 mm篩備用。土壤樣品測定方法:土壤機(jī)械組成采用比重計法,土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法,土壤微團(tuán)聚體采用吸管法,土壤各級干篩團(tuán)聚體和濕篩團(tuán)聚體含量采用干篩法、濕篩法[9]。

    2.2 土壤抗蝕性評價指標(biāo)

    在已有研究的基礎(chǔ)上,本文選擇比較常用的土壤抗蝕性指標(biāo)[7-8,10]進(jìn)行主成分分析,共取三大類11個指標(biāo),分別是:

    水穩(wěn)性團(tuán)聚體類

    (1)>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X1);(2)>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X2);

    (3)>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞率(X3)=(干篩>0.25 mm-濕篩>0.25 mm)/干篩>0.25 mm;

    (4)>0.5 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞率(X4)=(干篩>0.5 mm-濕篩>0.5 mm)/干篩>0.5 mm;

    (5)平均重量直徑(X5)

    團(tuán)聚體類

    (6)分散系數(shù)(X6)=微團(tuán)聚體<0.001 mm分析值/機(jī)械組成<0.001 mm分析值;

    (7)結(jié)構(gòu)系數(shù)(X7)=(土壤機(jī)械組成<0.001 mm分析值-微團(tuán)聚體<0.001 mm分析值)/土壤機(jī)械組成<0.001 mm分析值;

    (8)團(tuán)聚體分散率(X8)=微團(tuán)聚體<0.05 mm分析值/機(jī)械組成<0.05 mm分析值;

    (9)團(tuán)聚狀況(X9)=微團(tuán)聚體>0.05 mm 分析值-機(jī)械組成>0.05 mm分析值;

    (10)團(tuán)聚度(X10)=團(tuán)聚狀況/微團(tuán)聚體>0.05 mm分析值;

    有機(jī)膠體類

    (11)有機(jī)質(zhì)含量(X11)。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 不同土地利用方式土壤抗蝕性主成分分析

    衡量土壤抗蝕性的指標(biāo)很多,不同研究區(qū)域所選用的指標(biāo)也有一定的差異。單一指標(biāo)無法定量獲得一定侵蝕力下的土壤侵蝕量,但能夠反映土壤對侵蝕營力的相對敏感程度;由于指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性,用多指標(biāo)來評價能更全面反映土壤實際抗蝕能力,但可能也會掩蓋一些指標(biāo)的作用。研究區(qū)不同土地利用方式的土壤抗蝕性指標(biāo)詳見表1。

    表1 不同利用方式表層土壤抗蝕性指標(biāo)

    表1的指標(biāo)較多,信息量大,比較全面,但卻顯得較為復(fù)雜,指標(biāo)間有一定的相關(guān)性,有信息重疊。為此本文采用SPSS軟件通過主成分分析,將原來較多且復(fù)雜的指標(biāo)簡化為能夠反映土壤抗蝕性的主導(dǎo)指標(biāo),并對不同利用方式土壤抗蝕能力進(jìn)行綜合評價,分析結(jié)果詳見表2。

    表2 主成分載荷矩陣、特征根及方差貢獻(xiàn)率

    從表2可以看出,前兩個主成分累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到94.65%,且特征根都大于1,符合主成分分析要求,表明這兩個主成分可以綜合所有指標(biāo)的大部分信息,能夠反映土壤抗蝕性的強(qiáng)弱。其中,第一主成分方差貢獻(xiàn)率最大為59.49%,且該成分中的X1,X3,X4,X2,X5因子載荷大,反映水穩(wěn)性團(tuán)聚體類可顯著影響土壤抗蝕性,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體越穩(wěn)定,水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞率越小,土壤抗蝕性越強(qiáng);第二主成分方差貢獻(xiàn)率為35.16%,成分中X11,X8,X9因子載荷大,表明微團(tuán)聚體類及有機(jī)質(zhì)對土壤抗蝕性影響較顯著,有機(jī)質(zhì)含量越高,團(tuán)聚狀況越好,土壤結(jié)構(gòu)越好,土壤不容易分散,土壤抗蝕性越強(qiáng)。因此,根據(jù)原指標(biāo)對主成分的貢獻(xiàn)大小以及研究精度的要求,可以確定不同的最佳指標(biāo)評價體系:最佳指標(biāo)——X1;最佳2指標(biāo)——X1,X2(由于 X3,X4為負(fù)數(shù),分別與 X1,X2相反,且與其定義相一致,在此舍去,使指標(biāo)體系更為簡潔);最佳3指標(biāo)——X1,X2,X5;最佳4指標(biāo)——X1,X2,X5,X11;最佳5指標(biāo)——X1,X2,X5,X11,X8。

    3.2 土地利用方式對土壤抗蝕效應(yīng)的影響

    不同土地利用方式有不同的植被覆蓋程度,受人為活動的影響程度也不一樣,土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定的差異,進(jìn)而影響到土壤的抗蝕性強(qiáng)弱。

    3.2.1 基于主成分分析的抗蝕效應(yīng) 根據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的各個變量與特征向量的線性組合得到各主成分分值,再根據(jù)每一主成分占總主成分的比例計算得到不同樣地的綜合主成分分值,計算方法如下:

    F1=0.143 X1+0.137 X2-0.144 X3-0.135 X4+0.123 X5+0.120 X6-0.120 X7+0.088 X8-0.098 X9-0.096 X10+0.046 X11

    F2=0.086 X1+0.113 X2-0.081 X3-0.118 X4+0.137 X5-0.154 X6+0.154 X7-0.209 X8+0.197 X9+0.128 X10+0.229 X11

    式中:F1——第一主成分分值;F2——第二主成分分值;λ1,λ2——第1,2個特征根;F綜——綜合主成分分值。不同土地利用方式主成分分值的計算結(jié)果見表3。

    表3 不同利用方式表層土壤抗蝕性綜合指數(shù)

    從表3可以看出,不同土地利用方式土壤表層抗蝕性綜合指數(shù)從大到小排序為:灌叢地、草地、竹林地、坡耕地,坡耕地為負(fù)值,其余都為正值,差異明顯。說明灌叢地土壤抗蝕性最強(qiáng),草地和竹林地次之,坡耕地最弱。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的有機(jī)膠結(jié)劑,一般而言,用有機(jī)質(zhì)含量和土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量作指標(biāo)來評價土壤的抗蝕性時,二者之間的變化基本是一致的[12]。相關(guān)分析表明,土壤有機(jī)質(zhì)含量與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(N=16),相關(guān)系數(shù)分別為0.651,0.730。灌叢地和草地的植物種類豐富,覆蓋度大,且利用時間都在20 a以上,凋落物量多,分解速度較快,能很好地促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的增加,能夠促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,改善土壤結(jié)構(gòu),使土壤不易受到水力破壞。竹林地土壤有機(jī)質(zhì)含量(15.99 g/kg)比坡耕地平均值(18.33 g/kg)小,但竹林地、坡耕地表層>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別為80.04%,60.62%和59.08%,39.42%,表現(xiàn)為竹林地遠(yuǎn)大于坡耕地,因此竹林地土壤抗蝕性比坡耕地強(qiáng)。此外,4種利用方式中,坡耕地土壤抗蝕性最弱還與坡耕地受到人類活動強(qiáng)烈干擾有關(guān),由于坡耕地經(jīng)常耕作,坡度大,土壤耕作侵蝕大,表層土壤容易流失。說明退耕還林、還草能夠提高土壤抗蝕性,減少水土流失。

    3.2.2 土壤微團(tuán)聚體類指標(biāo)分析 土壤的分散系數(shù)和分散率越大,土壤的抗蝕性越弱[12]。不同利用方式表層土壤的分散系數(shù)大小排序為:竹林地(23.10%)、草 地 (22.30%)、坡 耕 地 (平 均 值 為10.94%)、灌叢地(9.03%),坡耕地的平均值比竹林地、草地和灌叢地三者的平均值(18.15%)還低。同樣,土壤分散率在4種土地利用方式中的變化與土壤分散系數(shù)相似,表現(xiàn)為:竹林地(78.94%)>草地(68.74%)>坡耕地(平均值為50.16%)>灌叢地(36.58%),竹林地、草地和灌叢地三者的平均值(61.42%)大于坡耕地(50.16%)(表1)。說明從土壤分散系數(shù)和分散率來看,除了灌叢地外,竹林地和草地的土壤抗蝕性反而弱于坡耕地,非農(nóng)耕地開墾為農(nóng)耕地后土壤抗蝕性明顯提高。

    土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)能夠反映土壤形成微團(tuán)聚體的能力和微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,該值越大,土壤結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)性越好,抗蝕能力越強(qiáng)[11]。團(tuán)聚狀況表示土壤顆粒的團(tuán)聚程度,該值與團(tuán)聚度一樣,其值越大,土壤抗蝕性越強(qiáng)[6]。由表1分析表明,不同利用方式土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)、團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度均表現(xiàn)為:灌叢地>坡耕地>草地>竹林地,即非農(nóng)耕地小于坡耕地,非農(nóng)耕地土壤抗蝕性弱于坡耕地。同上述分散系數(shù)和分散率分析結(jié)果一致,這與趙洋毅[6]等人的研究結(jié)果并不一致,說明在本研究區(qū)評價土壤抗蝕性時,運用土壤微團(tuán)聚體類指標(biāo)評價還存在一些問題,其原因有待進(jìn)一步深入研究。

    3.2.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)膠體類分析 水穩(wěn)性團(tuán)聚體是由有機(jī)質(zhì)膠結(jié)而成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),可以改善土壤結(jié)構(gòu),而且被水浸濕后不易解體。相關(guān)分析表明,土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān),有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越大,土壤抗蝕性越強(qiáng)。本研究表明不同利用方式表層土壤有機(jī)質(zhì)含量灌叢地(68.68 g/kg)>草地(29.86 g/kg)>坡耕地(18.33 g/kg)>竹林地(15.99 g/kg);>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量灌叢地(95.80%)>草地(90.60%)>竹林地(80.04%)>坡耕地(59.08%);>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量灌叢地(93.09%)>草地(85.63%)>竹林地(60.62%)>坡耕地(39.42%)。由土壤團(tuán)聚體破壞率的公式得知其與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈直線負(fù)相關(guān),其值越小,破壞率越高,土壤抗蝕性越弱。因此,土壤團(tuán)聚體破壞率在不同利用方式中的變化規(guī)律恰好與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相反。此外,相關(guān)分析表明,平均重量直徑與>0.25 mm和>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.838,0.934,均達(dá)到極顯著水平(P<0.001,N=16),不同利用方式平均重量直徑為草地(4.96)>灌叢地(4.80)>竹林地(1.89)>坡耕地(1.12)。綜上分析表明土壤抗蝕性強(qiáng)弱大小順序為:灌叢地>草地>竹林地>坡耕地,巖溶區(qū)非農(nóng)耕地開墾為坡耕地后土壤抗蝕性大大減弱,這與大部分學(xué)者的研究結(jié)果[6-7]較為一致。

    3.2.4 土壤抗蝕性指標(biāo)探討 采用主成分分析和水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)類指標(biāo)進(jìn)行土壤抗蝕性評價時,非農(nóng)耕地的土壤抗蝕性都強(qiáng)于坡耕地,但采用微團(tuán)聚體類指標(biāo)進(jìn)行評價時卻得到相反的結(jié)論。從目前的研究成果來看,耕地的土壤抗蝕性弱早已被證實。安和平[8]發(fā)現(xiàn)貴州北盤江中游地區(qū)坡耕地土壤抗蝕性比次生林地差。胡寧[7]指出重慶南川巖溶石漠山地傳統(tǒng)旱耕地土壤抗蝕性弱于各退耕模式。因此,從現(xiàn)有的研究來看,采用微團(tuán)聚體類指標(biāo)評價本研究區(qū)是不合適的。賈紅杰[11]用137Cs研究方法測算了本研究區(qū)坡耕地土壤侵蝕模數(shù)發(fā)現(xiàn)坡耕地土壤侵蝕速率達(dá)到2 984 t/(k m2·a),屬于極強(qiáng)度侵蝕,并且研究區(qū)耕作侵蝕占主導(dǎo)地位,耕作侵蝕占到了土壤總侵蝕的76.1%,同時坡耕地的開墾加大了水力侵蝕,坡耕地的水力侵蝕速率平均為719.5 t/(k m2·a),達(dá)到強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕,這也證明了坡耕地土壤抗蝕性弱于非農(nóng)耕地。

    重慶中梁山巖溶區(qū)石灰土形成是由石灰?guī)r鹽以化學(xué)溶蝕為主的風(fēng)化過程,主要的Ca、Mg氧化物溶蝕后易隨水流走,占到很少成分的Si O2、Al2O3、Fe O等酸不溶物參與成土過程,因此石灰土黏粒含量極高,<0.05 mm的物理性黏?;径汲^90%,平均達(dá)到95%,且?guī)r溶區(qū)成土速率特別緩慢,土壤侵蝕強(qiáng)度長期大于成土速率,巖溶區(qū)形成1 m厚的土層需要28~788 ka[13]。同時,巖溶區(qū)大部分都為坡耕地,土壤開墾度高,加速了表層土壤的侵蝕,心土層被“抬升”初露,出現(xiàn)粘化現(xiàn)象。由于極高的黏粒含量及特殊的成土過程和人為大量開墾,不論是侵蝕區(qū)還是堆積區(qū)都不會出現(xiàn)明顯的土壤砂化。所以,在使用微團(tuán)聚體類指標(biāo)評價土壤抗蝕性尤其是坡耕地土壤抗蝕性時效果是不明顯的,甚至?xí)贸鱿喾吹慕Y(jié)論。

    相關(guān)分析表明,土壤微團(tuán)聚體類指標(biāo)與土壤有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體均有一定的相關(guān)性,但并不顯著。從理論上來講,土壤微團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤團(tuán)聚體的顆粒單位,很大程度上決定了土壤的質(zhì)量特征。因此,考慮到這方面的因素,本文在進(jìn)行主成分分析時還是把微團(tuán)聚體類作為指標(biāo)進(jìn)行評價,其結(jié)果是可行的。

    3.3 坡耕地不同部位土壤抗蝕效應(yīng)分析

    土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)類指標(biāo)能夠較好地評價坡耕地土壤抗蝕性,為此采用其對坡耕地土壤抗蝕性進(jìn)行評價,并與主成分分析作比較。

    3.3.1 耕作侵蝕引起的坡耕地土壤分異 耕作侵蝕是土壤在耕作工具的直接作用下發(fā)生分散、剝離、搬運、沉積的過程[14]。在坡耕地耕作侵蝕過程中,坡面土壤從上向下運動,造成土壤物質(zhì)再分布,土壤性質(zhì)在不同部位產(chǎn)生分異。巖溶區(qū)坡耕地耕作侵蝕居主導(dǎo)地位,是導(dǎo)致土壤退化、生產(chǎn)力下降不可忽視的主要原因。坡耕地不同部位表層土壤團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)明顯分異。由表4可知,坡耕地土壤團(tuán)聚體含量不論是哪一粒級均為上部>下部>底部>頂部,而土壤有機(jī)質(zhì)含量則底部最大,上部和下部差不多,頂部最小。

    表4 坡耕地不同部位表層土壤團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)含量[12]

    3.3.2 坡耕地不同部位土壤抗蝕性 根據(jù)表4的結(jié)果分析土壤抗蝕性可知,坡耕地上部土壤團(tuán)聚體含量最高,有機(jī)質(zhì)含量也較高,土壤抗蝕性最強(qiáng),其次為坡耕地下部和底部,坡耕地頂部土壤抗蝕性最弱。結(jié)合表1和表4分析,坡耕地不同部位主成分分值大小順序為 上 部 (-0.160)、下 部 (-0.442)、底 部(-0.600)、頂部(-0.826),這與表3中的土壤團(tuán)聚體分異規(guī)律一致。

    4 結(jié) 論

    (1)運用主成分分析對不同利用方式土壤抗蝕性進(jìn)行分析表明,>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及破壞率、>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及破壞率、平均重量直徑和有機(jī)質(zhì)含量是評價土壤抗蝕性的最佳4指標(biāo)。

    (2)主成分分析結(jié)果表明,土壤抗蝕性強(qiáng)弱順序為:灌叢地>草地>竹林地>坡耕地。研究區(qū)水土流失嚴(yán)重,生態(tài)脆弱,退耕還林、還草有利于提高土壤抗蝕性,有利于水土保持。

    (3)運用微團(tuán)聚體類指標(biāo)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體類及有機(jī)質(zhì)指標(biāo)分別進(jìn)行土壤抗蝕性評價時,得到相反的結(jié)論,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體類指標(biāo)評價結(jié)果與主成分分析結(jié)果一致。根據(jù)已有的研究成果及對研究區(qū)坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度分析證明了微團(tuán)聚體類指標(biāo)在本研究區(qū)評價土壤抗蝕性的效果不明顯,故選用水穩(wěn)性團(tuán)聚體類及有機(jī)質(zhì)含量作為指標(biāo)進(jìn)行評價效果最好。

    (4)坡耕地不同部位土壤抗蝕性強(qiáng)弱為:上部>下部>底部>頂部,這與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量坡面分異一致,證明了水穩(wěn)性團(tuán)聚體類指標(biāo)可以較好地反映土壤抗蝕性特性。

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