沂蒙山區(qū)不同水土保持措施下土壤物理性狀分析

陳新軍，阮 芬，廉士增，許士欣

(1.臨沂市水利局，山東 臨沂 276001； 2.濱州市濱城區(qū)水利局，山東 濱州 256600； 3.平邑縣水土保持局，山東 平邑 273300)

土壤的水文特征決定了土壤的蓄水、持水能力，土壤水文功能的強(qiáng)弱主要取決于土壤層的厚度、土壤容重、孔隙度等物理性狀[1]。土壤層是大氣降水的主要蓄存庫和調(diào)節(jié)器。由于母巖、氣候、地形和植被不同，所以土壤物理性質(zhì)在空間和時間上存在明顯的異質(zhì)性；在較小的尺度上，主要受植被、微地形以及人為干擾的影響[2-3]。以往關(guān)于不同林地土壤物理性質(zhì)的研究報道較多[4-5]，但以小流域為單元研究不同水土保持措施對土壤物理性質(zhì)影響的還不多見。沂蒙山區(qū)九間棚小流域自20世紀(jì)90年代就開展了以小流域為單元的水土流失治理，流域內(nèi)各項水土保持措施在削減地表徑流、保持土壤肥力等方面發(fā)揮了巨大作用，因此九間棚小流域水土流失治理在沂蒙山區(qū)有很強(qiáng)的代表性。本研究分析了小流域內(nèi)坡改梯、水土保持林、經(jīng)濟(jì)林等治理措施對土壤物理性狀和土壤水文特征的影響，以期為沂蒙山區(qū)小流域治理措施布局與效益評價提供理論支持。

1 基本情況

九間棚小流域位于山東省平邑縣東南部，地理坐標(biāo)為117°44′30″—117°45′00″E、35°18′24″—35°19′05″N，總面積22.1 km2，地勢西北高東南低，多低山丘陵，海拔245—390 m。地質(zhì)巖性主要有花崗巖和石灰?guī)r，土壤類型以棕壤為主，土質(zhì)疏松，固結(jié)性差，有機(jī)質(zhì)含量低，持水能力差，極易產(chǎn)生水土流失。年平均降水量為803 mm，其中汛期(7—9月)占70%；年平均氣溫17.4 ℃，年平均日照時數(shù)2 589.4 h，無霜期212 d。流域內(nèi)植被主要有側(cè)柏、黑松、刺槐、核桃、山楂、蘋果等，此外還有多種灌木樹種。1999年，九間棚小流域作為中央預(yù)算內(nèi)投資水土保持項目開展了水土流失綜合治理，目前保存的水土保持措施有石坎水平梯田122 hm2、經(jīng)濟(jì)林(核桃)45 hm2、水保林(黑松)108 hm2、封禁(草被)118 hm2，25°以上陡坡耕地全部進(jìn)行退耕還林。截至調(diào)查取樣之時(2013年5月)，各項措施已發(fā)揮效益13年。本研究從上述措施中選取了同一坡面、坡向和坡位的水平梯田、經(jīng)濟(jì)林(核桃)、水保林(黑松)、封禁(草被)4項水土保持措施進(jìn)行比較分析。

2 研究方法

采用野外采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，從土壤容重、孔隙(包括總孔隙、毛管孔隙和非毛管孔隙)狀況、持水能力(毛管最大持水量)幾個方面，對水平梯田、經(jīng)濟(jì)林、水保林、封禁4種水土保持措施的土壤物理性狀進(jìn)行比較分析。土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管最大持水量等用傳統(tǒng)的環(huán)刀鋁盒法，測定0—30 cm深度土壤。每種措施樣地選擇3個取樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)分0—10、10—20、20—30 cm共3個層次，每個層次重復(fù)3次。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水土保持措施下的土壤容重

土壤容重大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，土壤容重越小，土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好，土壤越疏松，越有利于攔滲地表徑流，減緩地表徑流沖刷，保持土壤肥力。從表1中看出，不同水土保持措施下的土壤容重有較大差異，平均土壤容重封禁狀態(tài)下草坡>水平梯田>經(jīng)濟(jì)林>水土保持林。以黑松為建群種的水土保持林，成林郁閉后受到人為干擾少，多年的枯落物腐爛后增加了土壤中的腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量高，土壤團(tuán)聚性較好，為土壤動物提供了生存條件，發(fā)達(dá)的植物根系進(jìn)一步促進(jìn)了林下土壤結(jié)構(gòu)改良，因而土壤易形成松軟多孔體，比人為干擾較多的經(jīng)濟(jì)林地土壤容重小。綜合比較，水土保持林對土壤的改良作用最為明顯。封禁狀態(tài)下的草坡由于土壤發(fā)育時間短，植物對土壤的改良有限，因此土壤容重最大。

表1 不同水土保持措施土壤物理性質(zhì)指標(biāo)

從容重的垂直變化上來看(圖1)，兩種林地(包括水土保持林和經(jīng)濟(jì)林)土壤容重有著相同的變化規(guī)律，即土壤容重隨著土壤層深度的增加而逐漸增大，且變化趨勢明顯。經(jīng)濟(jì)林地內(nèi)，土壤容重由0—10 cm深度的1.07 g/cm3增加到20—30 cm深度的1.26 g/cm3；水土保持林地內(nèi)，土壤容重由0—10 cm深度的1.03 g/cm3增加到20—30 cm深度的1.26 g/cm3。這與林地表層枯落物分解腐爛后增加了腐殖質(zhì)的含量, 有利于表層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。水平梯田土壤容重的垂直變化沒有出現(xiàn)以上規(guī)律，土壤容重最大值出現(xiàn)在10—20 cm深度(1.32 g/cm3)。這表明，坡改梯作為一種重要的水土保持措施雖然保持了土壤，但由于多年耕種擾動和使用化肥，導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤容重垂直變化不規(guī)律，且容重較大。

圖1 不同水土保持措施土壤容重垂直變化

3.2 不同水土保持措施下的土壤持水能力

毛管水是借助毛管力保持在土壤上層的水分，易被植物吸收和利用，而養(yǎng)分在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化與毛管水密切相關(guān)，因此毛管水也被視為植物生長的有效水分。當(dāng)土壤中的水分含量高于毛管最大持水量時，土壤中開始出現(xiàn)重力水，則水分就要在重力的作用下流失，因而這部分水分對植物基本上是無效的。土壤毛管中的水分不因重力作用而流失，毛管中水分的多少取決于毛管孔隙度，因此土壤的持水能力與毛管孔隙度大小呈正相關(guān)。4種水土保持措施比較，土壤毛管孔隙度水土保持林(39.3%)>經(jīng)濟(jì)林(35.5%)>封禁狀態(tài)下草坡(32.2%)>水平梯田(30.8%)，表明水土保持林土壤持水能力最強(qiáng)，土壤抵御自然干旱的能力增強(qiáng)，水平梯田土壤持水能力最弱。

在垂直變化上，隨著土層深度增加，毛管孔隙度呈減小趨勢(圖2)。不同土層深度，水土保持林下土壤0—20 cm毛管孔隙度最大(43%)，土壤持水能力最強(qiáng)，這與水土保持林枯枝落葉有效改良了表層土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)；封禁狀態(tài)下的草坡雖然土層薄，但在0—10 cm土壤孔隙度達(dá)到35.9%，表明草本植物根系活動層土壤改良狀況較好，提高了土壤的持水能力。

圖2 不同水土保持措施土壤持水能力垂直變化

3.3 不同水土保持措施下的土壤蓄水能力

土壤的蓄水能力與土壤孔隙的大小、數(shù)量及分配有很大關(guān)系。有關(guān)研究證明，土壤的滲透性能取決于非毛管孔隙度，因此有不少研究人員認(rèn)為土壤蓄水能力取決于土壤非毛管孔隙度，以它作為計量土壤蓄水量的基準(zhǔn)較為合適[2]。在土壤飽和含水量中，只有非毛管孔隙中滯留貯存的重力水在調(diào)蓄水分方面具有更重要的作用，這說明土壤非毛管孔隙度的大小決定著土壤的蓄水能力。不同水土保持措施下，土壤非毛管孔隙度水土保持林(17.0%)>經(jīng)濟(jì)林(16.3%)>水平梯田(16.0%)>封禁狀態(tài)下草坡(15.3%)，說明發(fā)育良好的水土保持林對林下土壤改良效果最好，土壤蓄水能力最強(qiáng)。在垂直變化上(圖3)，隨著土層深度的增加，經(jīng)濟(jì)林、水平梯田兩種措施下土壤非毛管孔隙度整體上有逐漸減小的趨勢。這可能是由于靠近地表的土層人為生產(chǎn)干擾頻繁，疏松了土壤，增加了土層的非毛管孔隙，也提高了相應(yīng)土層的蓄水能力。水土保持林非毛管孔隙度最大值出現(xiàn)在20—30 cm土層深度，這與水保林木根系活動有關(guān)；封禁狀態(tài)的草坡由于土層薄，在20—30 cm深度存在大量未風(fēng)化完全的礫石，因而大孔隙增多，蓄水能力增加。

圖3 不同土層深度非毛管孔隙度變化

3.4 不同水土保持措施下的土壤攔蓄地表徑流能力

土壤中的毛管孔隙與非毛管孔隙決定了土壤持水與蓄水的能力。土壤的蓄水能力與土壤的持水能力構(gòu)成土壤攔蓄地表徑流的能力，這是反映水土保持措施功能的一項重要指標(biāo)，土壤總孔隙度狀況決定了土壤攔蓄地表徑流的能力。由圖4可知，除封禁狀態(tài)下草坡由于底層石礫較多出現(xiàn)反常外，其他各項水土保持措施下的土壤，隨著土層深度的增加土壤總孔隙度逐漸減小。不同水土保持措施下，土壤總孔隙度水土保持林(56.3%)>經(jīng)濟(jì)林(51.8%)>封禁狀態(tài)下草坡(47.5%)>水平梯田(46.8%)，說明水土保持林對林下土壤改良效果最好，土壤攔蓄地表徑流的能力最強(qiáng)。綜合比較，林地攔蓄地表徑流能力要強(qiáng)于梯田和草地，水土保持效果最好。

圖4 不同土層深度總孔隙度變化

4 結(jié) 語

綜合以上分析，4種水土保持措施下均為0—10 cm深度土壤容重最小。在垂直變化上，不同水土保持措施下毛管孔隙度隨著土層深度的增加而減小，而非毛管孔隙度沒有隨著土層深度呈現(xiàn)規(guī)律性變化。4種水土保持措施下，土壤容重封禁狀態(tài)下草坡>水平梯田>經(jīng)濟(jì)林>水土保持林，土壤的持水能力和攔蓄地表徑流的能力均為水土保持林>經(jīng)濟(jì)林>封禁狀態(tài)下草坡>水平梯田，土壤的蓄水能力水土保持林>經(jīng)濟(jì)林>水平梯田>封禁狀態(tài)下草坡，表明水土保持林改良土壤效果最好，林下土壤持水、蓄水能力最強(qiáng)。

總的來說，水土保持林下的枯落物增加了土壤團(tuán)聚體含量，改良了土壤，使毛管孔隙增加，土壤持水能力增強(qiáng)，喬木根系又增加了土壤非毛管孔隙，使土壤蓄水能力增加，因此水土保持林的水土保持功能最好。

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