紫色丘陵區(qū)桑樹(shù)林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性研究

蔣翔鶴，丁文斌，任孫燕，康 健，劉穎旎，黃先智，史東梅

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715;2.西南大學(xué)蠶學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)研究所，重慶 400715)

紫色丘陵區(qū)桑樹(shù)林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性研究

蔣翔鶴1，丁文斌1，任孫燕1，康 健1，劉穎旎1，黃先智2，史東梅1

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715;2.西南大學(xué)蠶學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)研究所，重慶 400715)

[目的]為對(duì)桑樹(shù)水土保持效益的客觀評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。[方法]通過(guò)室內(nèi)理化性質(zhì)分析法，研究桑樹(shù)林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性能。[結(jié)果]桑樹(shù)林地可顯著改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤抗蝕性能, 增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中劍持的土壤改良效果最好，有機(jī)質(zhì)含量最高(30.67 g/kg)，是湖桑32號(hào)的1.82倍。各樣地土壤團(tuán)聚體分布均不均勻，風(fēng)干土團(tuán)聚體主要分布在>5 mm范圍；3種桑樹(shù)林地>0.25 mm風(fēng)干土團(tuán)聚體(94.50%～97.00%)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體(50.16%～61.66%)含量均較高，并以嘉陵20號(hào)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最大(61.66%)，表明該桑樹(shù)對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)其土壤穩(wěn)定性效果最好。嘉陵20號(hào)水穩(wěn)性指數(shù)為0.52，其結(jié)構(gòu)體破壞率最小(36.43%)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD和MWD分別為1.06和1.33 mm，表明抵抗降雨侵蝕和徑流沖刷能力最強(qiáng)。嘉陵20號(hào)的內(nèi)摩擦角為13.712°，為劍持的1.40倍，湖桑32號(hào)的黏聚力最大，說(shuō)明這2種桑樹(shù)均對(duì)土壤有較高的改良作用。[結(jié)論]劍持對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良最優(yōu)，嘉陵20號(hào)在改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面具有較高優(yōu)勢(shì)，湖桑32號(hào)可以提高土壤黏聚力以增強(qiáng)土壤的抗侵蝕力，三者在對(duì)土壤的水土保持效應(yīng)方面各有優(yōu)勢(shì)。其中，嘉陵20號(hào)在各方面的表現(xiàn)較優(yōu)，對(duì)土壤的改良效果最顯著。

桑樹(shù)；水土保持；抗蝕性；土壤理化性質(zhì)；紫色丘陵區(qū)

紫色土是我國(guó)主要的土壤類型之一，廣泛分布于長(zhǎng)江中上游地區(qū)，其面積占全國(guó)紫色土資源的51.28%[1]，土層淺薄，有機(jī)質(zhì)含量低，抗侵蝕和抗沖刷能力弱，在降雨和徑流沖刷下極易造成嚴(yán)重的水土流失。紫色丘陵區(qū)作為長(zhǎng)江中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域之一，退耕還林還草是改善生態(tài)環(huán)境和防治水土流失的根本措施。研究表明，人工林可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗蝕性[2-3]。土壤抗蝕性反映土壤抵抗水的分散及懸浮能力的大小[4]，與土壤類型、土地利用方式和人為擾動(dòng)關(guān)系密切。桑樹(shù)作為桑科桑屬的落葉喬木，具有生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、耐旱、耐澇、耐瘠薄以及萌蘗性強(qiáng)的特征[5-6]，可有效地提高土壤抗蝕性和增強(qiáng)水土保持效益[7]。發(fā)展桑蠶產(chǎn)業(yè)對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的綜合效果顯著[8]。采用室內(nèi)理化性質(zhì)分析法，筆者研究了紫色丘陵區(qū)3種不同品種桑樹(shù)林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性差異，以期為該區(qū)桑樹(shù)水土保持效益客觀評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)學(xué)苑小區(qū)，地處E 106°24′，N 29°48′，海拔253 m，年均氣溫18.5 ℃，年平均降雨量1 105.4 mm，5～ 9月降雨量占全年降雨量的70%，處于北碚向斜中部。試驗(yàn)土壤為中生代侏羅系沙溪廟祖灰棕紫色沙泥頁(yè)巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色土。在試驗(yàn)區(qū)，選取3種不同品種桑樹(shù)林地，即劍持、嘉陵20號(hào)和湖桑32號(hào))。不同樣地類型基本情況見(jiàn)表1。

1.2 土樣采集與分析 試驗(yàn)于2013年5～8月的每月15號(hào)左右進(jìn)行，在3種桑樹(shù)林地內(nèi)分別選擇標(biāo)準(zhǔn)株，在其附近樣地內(nèi)采集0～20 cm土樣，采用土壤農(nóng)化分析法進(jìn)行室內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)定[9]，其中土壤含水量的測(cè)定采用烘干法，土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法，有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，機(jī)械組成的測(cè)定采用吸管法，風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定分別采用干篩法和濕篩法。選取粒徑7～10 mm土壤顆粒50粒，均勻放置在孔徑為5 mm土壤篩中，然后靜置于水中，前10 min每隔1 min記錄1次崩解顆粒數(shù)，12 min后每隔3 min記錄1次，連續(xù)記錄30 min，最后計(jì)算水穩(wěn)性指數(shù)[10]?？辜魪?qiáng)度的測(cè)定采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試均為3次重復(fù)。

表1 不同樣地類型基本情況

1.3 土壤抗蝕性指標(biāo)的測(cè)定 在對(duì)已有研究成果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合該試驗(yàn)的特點(diǎn)，選取水穩(wěn)定性指數(shù)、結(jié)構(gòu)破壞率[11]、平均重量直徑、幾何平均直徑[12]6個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤的抗蝕性能。

式中,K為水穩(wěn)性指數(shù)；Pi為第i分鐘分散土粒數(shù)，i取1，2，3，…,10；Ki為第i分鐘的校正數(shù)；Pj為10min內(nèi)沒(méi)有分散的土粒數(shù)；A為試驗(yàn)土粒總數(shù)。

式中，wi為第i粒級(jí)團(tuán)聚體的百分?jǐn)?shù)(%)；xi為相鄰兩級(jí)團(tuán)聚體的平均粒徑(mm)。

式中,wi為土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量(g)；xi為相鄰兩級(jí)團(tuán)聚體的平均粒徑(mm)。

1.4 土壤抗剪性能的測(cè)定 按照土工試驗(yàn)方法(GB/T50123-1999)標(biāo)準(zhǔn)，采用ZJ型(三速)應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)測(cè)定土壤抗剪強(qiáng)度。采用庫(kù)侖公式，計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(土壤內(nèi)摩擦角和土壤黏聚力)。

Tf=C+δtanφ

式中，Tf為土壤抗剪強(qiáng)度；δ為作用在剪切面上的橫向應(yīng)力；φ為土壤內(nèi)摩擦角；C為土壤黏聚力。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑樹(shù)林地土壤理化性質(zhì)特征 桑樹(shù)林地能有效地改善土壤物理性質(zhì)，明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤容重影響土壤水分、空氣、養(yǎng)分以及耕作阻力等土壤理化性質(zhì)，其大小與土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)及有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)。由表2可知，不同樣地類型的土壤容重在1.25～1.29g/cm3間變化，其大小依次為桑樹(shù)C>桑樹(shù)B>桑樹(shù)A。3種桑樹(shù)對(duì)土壤的物理性質(zhì)均有改善作用，其中以桑樹(shù)A效果最好。不同樣地土壤顆粒組成均以粗粉粒含量(0.05～0.001mm)最高，其數(shù)值在54.35%～64.17%之間，而黏粒(<0.001mm)、砂粒(0.050～1.000mm)含量均較低，表明桑樹(shù)及其根系的存在促進(jìn)土壤細(xì)顆粒成分的保持。各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量在16.88～ 30.67g/kg間范圍變化，其大小依次為桑樹(shù)A>桑樹(shù)B>桑樹(shù)C，表明在3種桑樹(shù)種類中，桑樹(shù)A對(duì)有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、增強(qiáng)土壤的抗侵蝕性等具有較高的能力。

2.2 桑樹(shù)林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征 土壤團(tuán)聚體即土壤結(jié)構(gòu)，是指土壤所含的大小不同、形狀不一、有不同孔隙度、機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性的團(tuán)聚體總合，是鑒定和評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[10]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其粒徑分布是團(tuán)聚體的2個(gè)重要特征。由表3可知，3種桑樹(shù)林地具體性質(zhì)差異在0.05水平顯著，且其各粒徑風(fēng)干土壤團(tuán)聚體含量分布不均勻。在土壤團(tuán)聚體粒徑分布中，桑樹(shù)B>0.25mm風(fēng)干土團(tuán)聚體含量最大，桑樹(shù)C最?。?5.00mm風(fēng)干土團(tuán)聚體含量以桑樹(shù)A最大，比桑樹(shù)C提高了23.03%，表明桑樹(shù)A對(duì)促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成更有優(yōu)勢(shì)，可使得土壤結(jié)構(gòu)得到有效的改善，提高土壤抗侵蝕能力。

表2 不同樣地類型土壤理化性質(zhì)

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是衡量土壤質(zhì)量和土壤抗蝕性的重要指標(biāo)，可用于評(píng)價(jià)土壤在降雨侵蝕和徑流沖刷作用下的破壞程度[12]。土壤樣品經(jīng)濕篩處理后，不穩(wěn)定的團(tuán)聚體將會(huì)發(fā)生崩解，土壤團(tuán)聚體組成結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變。一般將>0.25 mm的團(tuán)聚體稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體。它是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大。由表3可知，各樣地>2.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量明顯比風(fēng)干土團(tuán)聚體減小，<0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加。其中，桑樹(shù)B>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量略高于其余2個(gè)林地，分別為桑樹(shù)A、桑樹(shù)C的1.22、1.06倍。這表明桑樹(shù)B在降雨后具有較優(yōu)的固結(jié)土壤能力，避免土壤分散為過(guò)小的顆粒隨水流流走，形成土壤侵蝕。

2.3 桑樹(shù)林地土壤抗蝕性特征 土壤抗蝕性是指土壤抵抗降雨、徑流對(duì)其分散和懸浮的能力，在侵蝕外營(yíng)力一定的情況下可反映土壤潛在水土流失特征[12]。選擇常用土壤抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)即土壤水穩(wěn)定性指數(shù)、土壤結(jié)構(gòu)破壞率、平均重量直徑和幾何平均直徑對(duì)桑樹(shù)林地土壤抗蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表3可知，各樣地土壤結(jié)構(gòu)破壞率在36.43%～47.59%范圍內(nèi)，其中以桑樹(shù)B土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率最小，僅為桑樹(shù)A的0.76倍，說(shuō)明該桑樹(shù)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，抗侵蝕能力更強(qiáng)。

土壤水穩(wěn)性指數(shù)是表征土粒水穩(wěn)性隨時(shí)間變化的破壞特征，是衡量土壤抗蝕性的重要指標(biāo)之一[10]。由圖1可知，桑樹(shù)A的團(tuán)聚體破損率明顯小于其余2種桑樹(shù)。桑樹(shù)A的土壤團(tuán)聚體在前3 min崩解速率稍快，但總體相比其余2種桑樹(shù)而言較平緩；桑樹(shù)B的崩解速率在15 min時(shí)趨于緩慢，與桑樹(shù)C接近，表明在最初土壤干燥時(shí)，桑樹(shù)B與桑樹(shù)C的土壤團(tuán)聚體遇水崩解較強(qiáng)烈，在降雨或徑流條件下更易發(fā)生水土流失；而桑樹(shù)林地土壤團(tuán)聚體破損率在整個(gè)崩解過(guò)程中均呈緩慢增加的趨勢(shì)，在試驗(yàn)第30分鐘時(shí)其團(tuán)聚體破損率為62%～70%。各樣地類型土壤水穩(wěn)性指數(shù)大小依次為桑樹(shù)B>桑樹(shù)A>桑樹(shù)C，表明桑樹(shù)B可改善土壤抗侵蝕能力。

表3 不同樣地類型土壤團(tuán)聚體粒徑分布及其穩(wěn)定性

圖1 不同樣地類型土壤團(tuán)聚體破損過(guò)程

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[13]。由圖2可知，桑樹(shù)A的風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD和MWD略高于其余2個(gè)桑樹(shù)。風(fēng)干團(tuán)聚體GMD和MWD均表現(xiàn)為桑樹(shù)A>桑樹(shù)B>桑樹(shù)C；水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和MWD均表現(xiàn)為桑樹(shù)B>桑樹(shù)A >桑樹(shù)C，其中桑樹(shù)B水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD為1.06 mm，是桑樹(shù)C的1.24倍，其MMD為1.33 mm，是桑樹(shù)C的2.25倍。這表明桑樹(shù)B土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗侵蝕能力相對(duì)較強(qiáng)。

圖2 不同樣地類型土壤GMD和MWD變化特征

2.4 桑樹(shù)林地土壤力學(xué)性質(zhì)特征 土壤抗剪強(qiáng)度是在極限應(yīng)力的條件下土體的一部分相對(duì)另一部分滑動(dòng)(剪切)時(shí)土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，也是表征土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一。由圖3可知，不同桑樹(shù)林地土壤內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為桑樹(shù)B>桑樹(shù)C>桑樹(shù)A，說(shuō)明桑B土壤相較其他2個(gè)樣地土壤而言，更易保持穩(wěn)定，不易被水流剪切破壞。土壤的黏聚力與容重有較大的關(guān)系，容重越大，土體越緊實(shí)，土壤黏聚力越高。該試驗(yàn)土壤黏聚力表現(xiàn)為桑樹(shù)C>桑樹(shù)A>桑樹(shù)B，說(shuō)明桑樹(shù)C具有較高的土壤固結(jié)性，土壤本身不易被破壞。該結(jié)果與之前對(duì)容重的分析結(jié)果相一致。這可能是由于桑樹(shù)C根系對(duì)土壤的加固作用，它在土壤固結(jié)方面優(yōu)于其余2個(gè)桑樹(shù)種類。

圖3 不同品種桑樹(shù)的土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角特征

3 結(jié)論

(1)3種不同品種桑樹(shù)均可明顯改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。3種桑樹(shù)林地中以劍持土壤理化性質(zhì)的改良效果最好，其顆粒組成中以粗粉粒(0.050～0.001 mm)含量最高(64.17%)，土壤有機(jī)質(zhì)含量最大(30.67 g/kg)。

(2)3種桑樹(shù)林地土壤團(tuán)聚體分布不均勻且有較明顯的差異。嘉陵20號(hào)>0.25 mm風(fēng)干土團(tuán)聚體含量及>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均最高，分別為97%和61.66%，分別比其余2種桑樹(shù)提高2%～3%和4%～11%，表明該桑樹(shù)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好。

(3)3種桑樹(shù)林地中以嘉陵20號(hào)土壤水穩(wěn)性指數(shù)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和MWD最大，土壤結(jié)構(gòu)破損率最小。這表明該桑樹(shù)對(duì)提高土壤抗侵蝕性能效果最好。

(4)3種桑樹(shù)林地中以嘉陵20號(hào)內(nèi)摩擦角最高，其數(shù)值為13.712°，說(shuō)明該桑樹(shù)土壤穩(wěn)定性最好；黏聚力以湖桑32號(hào)最高(43.85 kPa)，說(shuō)明該桑樹(shù)土壤固結(jié)性最好，土壤本身不易受到破壞侵蝕。

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Soil Physicochemical Properties and its Anti-erosion of Mulberry Forest Land in Purple Hilly Area

JIANG Xiang-he et al

(College of Natural Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715)

[Objective]The research aimed to provide scientific basis for evaluating soil and water conservation benefits of mulberry objectively. [Method] Soil physicochemical properties and soil anti-erodibility of mulberry forest lands were studied using the mean of soil physicochemical properties analysis. [Result] Mulberry improved soil physicochemical properties, soil anti-erodibility and soil organic content significantly, in which Jianchi forest land had the best effect on improving the condition of soil and the soil organic content was the highest (30.67 g/kg), 1.82 times higher than that of Husang-32. The size distribution of soil aggregate was uneven for all experimental plots, and dried aggregate mainly distributed in >5mm. The content of > 0.25 mm dried aggregate(94.50-97.00%)and water stable aggregate (50.16-61.66%) from three different varieties of mulberry forest lands were greater, in which the content of water stable aggregate of Jialing-20 forest land was the highest (61.66%), which indicated that Jialing-20 had the best effect on improving soil structure and soil stability. Water stable index of Jialing-20 forest land was 0.52, and its structural damage rate was the minimum (36.43%).GMDandMWDof water stable aggregate were 1.06 and 1.33 mm respectively, which indicated that its capability of resisting rainfall erosion and runoff scouring were the strongest. The angle of internal friction of Jialing-20 was 13.712 °, 1.40 times higher than Jianchi. The cohesion of Husang 32 was the highest. It showed that all of these two could make effective influence for the soil. [Conclusion]Jianchi had the best effect on soil physicochemical properties and Jialing-20 had more advantage in improving the stability of soil aggregates, in the orther side Husang 32 could improve the soil cohesion in order to enhance the anti-erosion ability of the soil. All these three kinds of mulberry played an important role in soil and water conservation. Compared with the other two factors, Jialing-20, which was the best in all directions, had the best effects on the soil.

Mulberry; Soil and water conservation; Anti-erosion; Soil physicochemical properties; Purple hilly area

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-22-ZJ0503);西南大學(xué)光炯創(chuàng)新項(xiàng)目(20120205)。

蔣翔鶴(1992-)，女，山東荷澤人，本科生，專業(yè)：水土保持。

2014-04-28

S 157.1

A

0517-6611(2014)15-04636-04