吉林省低山丘陵區(qū)土壤抗沖抗剪性研究

張 瑜，王佩將，許曉鴻，蘆貴君

(吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

吉林省低山丘陵區(qū)土壤抗沖抗剪性研究

張 瑜，王佩將，許曉鴻，蘆貴君

(吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

低山丘陵區(qū)；抗沖性；抗剪強(qiáng)度；影響因素

土壤抗沖性和抗剪性是土壤抗侵蝕性能的重要方面，研究土壤抗沖性和抗剪強(qiáng)度有助于揭示土壤侵蝕規(guī)律。以吉林省東遼縣杏木小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在蒙古櫟林地、楊樹(shù)林地、落葉松林地、大豆地、玉米地、竹節(jié)梯田果園地設(shè)置樣地，采集林地與坡耕地土壤樣品，進(jìn)行土壤的抗沖性、抗剪性及其影響因素研究，結(jié)果表明：林地的土壤抗沖性與抗剪性均好于坡耕地，土壤抗沖刷系數(shù)與土壤非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)；土壤抗剪強(qiáng)度與土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。

土壤侵蝕是指降雨徑流力、風(fēng)力、重力等侵蝕營(yíng)力對(duì)地表土壤的破壞、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程。土壤水蝕過(guò)程是水破壞土體的力學(xué)過(guò)程[1]，是雨滴對(duì)土粒的擊濺剪切作用和徑流對(duì)土粒的沖刷剪切作用的過(guò)程綜合，因此土壤的抗沖性和抗剪性是表征土壤抗蝕性能的重要指標(biāo)。土地利用是人類利用土地進(jìn)行各種活動(dòng)的綜合反映，對(duì)土壤侵蝕有重要影響。

吉林省低山丘陵區(qū)土壤貧瘠，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)劇烈，降雨主要集中在夏季，且多為暴雨。受地形、耕作方式和降雨等因素影響，土壤侵蝕強(qiáng)烈，侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)大于土壤的生成速率，超過(guò)東北黑土區(qū)允許土壤流失量200 t/(km2·a)[2]。目前關(guān)于吉林省中東部低山丘陵區(qū)土壤侵蝕方面的研究多集中在水土流失狀況、土壤理化性質(zhì)[3]、水土流失綜合治理措施及水土保持措施對(duì)土壤性質(zhì)的影響等方面[4-6]，而關(guān)于土壤抗剪性、抗沖性的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。基于此，以遼源市東遼縣杏木小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，研究不同土地利用類型土壤的抗沖性和抗剪強(qiáng)度，希望能為吉林省土壤侵蝕機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省遼源市東遼縣安石鎮(zhèn)杏木小流域，地理位置介于東經(jīng) 125°22′40″—125°26′10″、北緯

42°58′05″—43°01′40″之間，屬中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫5.2 ℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-40 ℃，≥10 ℃年積溫2 900 ℃，年無(wú)霜期137 d，年平均日照時(shí)數(shù)2 498 h，年均降水量658.1 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的70%左右。該區(qū)為典型的東北低山丘陵地貌，是典型的水力侵蝕區(qū)，土壤多為棕壤、草甸土，土壤有機(jī)質(zhì)含量2.16%，N、P、K含量分別為73.34、86.78、117.19 mg/kg。植被類型屬長(zhǎng)白山植物區(qū)系，植被覆蓋率19%，主要有天然次生林、人工林，其中天然次生林有蒙古櫟、胡桃楸、水曲柳、紫椴、白楊、家榆、刺五加、胡枝子、山刺玫等，人工林主要樹(shù)種有紅松、長(zhǎng)白落葉松、樟子松等，草本植物有木賊、鈴蘭、小葉章、透骨草、鴨耳芹、蒿類及禾本科雜草等，農(nóng)作物基本以玉米為主。

1.2 樣地選擇和樣品采集

研究區(qū)內(nèi)主要土地利用類型有：坡耕地，主要種植玉米和大豆，耕作制度為一年一熟；園地，主要采用竹節(jié)梯田整地栽植蘋(píng)果梨樹(shù)，樹(shù)齡為4～6年；林地，面積較大的落葉松、蒙古櫟、白楊林地，樹(shù)齡20年左右。根據(jù)研究區(qū)土地利用類型和植被的代表性，設(shè)置玉米地、大豆地、竹節(jié)梯田果園地(蘋(píng)果梨樹(shù))、落葉松林地、蒙古櫟林地樣地各1個(gè)，各樣地面積均為10 m×10 m。在樣地內(nèi)采用矩形環(huán)刀取樣器、環(huán)刀、鋁盒沿對(duì)角線的四等分點(diǎn)取表層原狀土樣，并用便攜式抗剪儀對(duì)土樣進(jìn)行抗剪切力測(cè)定。

1.3 土壤抗沖抗剪性測(cè)定

(1)土壤抗沖試驗(yàn)采用原狀土抗沖槽沖刷法。在樣地取樣點(diǎn)用矩形環(huán)刀取樣器(20 cm×3 cm×4 cm)采集原狀土樣，環(huán)刀上下通透，下部開(kāi)有刃口，取樣后用塑料袋密封后帶回實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)中將沖刷槽的坡度定為5°，具體操作參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，采用沖走1 g土所需的水量和時(shí)間的乘積來(lái)表示土壤的抗沖性。

(2)土壤抗剪強(qiáng)度采用荷蘭產(chǎn)便攜式14.10 Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。該儀器備有3個(gè)旋頭，分別為CL102型(小號(hào))、CL100型(中號(hào))、CL101型(大號(hào))，一般黏質(zhì)土類用CL102型旋頭、壤質(zhì)土類用CL100型旋頭、砂質(zhì)土類用CL101型旋頭。3個(gè)測(cè)定旋頭有相應(yīng)的換算系數(shù)，可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，提高數(shù)據(jù)的可比性，換算關(guān)系式為大號(hào)y=0.02x，中號(hào)y=0.11x，小號(hào)y=0.27x，其中：x為實(shí)測(cè)數(shù)值，kg/cm2；y為轉(zhuǎn)換后得到的抗剪強(qiáng)度，kg/cm2。根據(jù)各樣地實(shí)際情況，本研究采用CL100型旋頭。

(3)用環(huán)刀采集土樣以測(cè)定容重、總孔隙度、毛管孔隙度及土壤入滲率等，用鋁盒取表層原狀土以測(cè)定土壤團(tuán)聚體含量。

測(cè)得的各樣地土壤基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各樣地土壤基本參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤抗沖性

土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流的機(jī)械破壞和搬運(yùn)的能力，常用在一定流量下沖走1 g土所需要的時(shí)間和水量表示。數(shù)值越大，表明沖走1 g土壤需要的時(shí)間和水量越多，即土壤的抗沖性越強(qiáng)，反之土壤抗沖性越弱。各樣地的土壤抗沖刷系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。 由表2知，各樣地土壤的抗沖刷系數(shù)不同：竹節(jié)梯田果園地的土壤抗沖刷系數(shù)最小，為0.67 L·min/g，蒙古櫟林地的土壤抗沖刷系數(shù)最大，為1.41 L·min/g；不同樣地的土壤抗沖刷系數(shù)從大到小依次排序?yàn)槊晒艡盗值?楊樹(shù)林地>落葉松林地>大豆地>玉米地>竹節(jié)梯田果園地；林地的土壤抗沖性較坡耕地的土壤抗沖性好，可能是因?yàn)榱值赜休^厚的枯枝落葉層，增加了土壤有機(jī)質(zhì)和土壤團(tuán)聚體含量，改善了土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)林木根系對(duì)土壤有較好的固結(jié)作用，尤其是表土層根徑<1.0 mm的細(xì)根數(shù)量較多，形成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，能夠有效改善土壤抗沖性[8]。玉米地所處位置為坡下部，受坡上部水土流失影響，大量的流失表土在坡下部積累，土層較厚，有機(jī)質(zhì)含量較高，但人為擾動(dòng)強(qiáng)烈，土質(zhì)疏松，容易再次流失；大豆地位于坡中部，大豆屬于豆科植物，可以通過(guò)固氮作用增強(qiáng)土壤肥力，增加土壤團(tuán)聚體，提高土壤的抗沖刷作用[9]；竹節(jié)梯田果園位于坡上部，是由水土流失較嚴(yán)重的荒山荒坡地改造而成的，果樹(shù)栽植時(shí)間不長(zhǎng)，水土保持效果尚不明顯，土壤較易被沖刷。

表2 各樣地土壤抗沖刷系數(shù)和抗剪強(qiáng)度

2.2 土壤抗剪強(qiáng)度

土壤抗剪強(qiáng)度是指受到剪應(yīng)力作用時(shí)，土體抵抗土?；蛲翀F(tuán)因持續(xù)剪切而引起的剪切變形破壞的阻力。土壤抗剪強(qiáng)度是土壤抗性的量度指標(biāo)，土壤抗剪強(qiáng)度大，則在降雨沖刷力的作用下土壤抵抗徑流的剪切破壞能力就強(qiáng)，從而可以減緩?fù)寥狼治g的發(fā)生[10]。測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度常用的方法有原狀土室內(nèi)剪切試驗(yàn)(直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))、現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)。有研究認(rèn)為坡面土壤在徑流作用下首先在地表薄層土壤處破壞[11]，因此在野外用手持式抗剪儀測(cè)得的土壤表面抗剪強(qiáng)度與室內(nèi)快剪所測(cè)得的土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力相同。本研究采用荷蘭產(chǎn)便攜式14.10 Pocket Vane Tester 抗剪儀對(duì)各樣地土樣抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2知，研究區(qū)各樣地土壤抗剪強(qiáng)度介于0.20～0.37 kg/cm2之間，玉米地的土壤表層抗剪強(qiáng)度最小，落葉松林地的土壤表層抗剪強(qiáng)度最大，土壤抗剪強(qiáng)度從大到小依次為落葉松林地>楊樹(shù)林地>蒙古櫟林地>竹節(jié)梯田果園地>大豆地>玉米地。林地土壤的抗剪強(qiáng)度比坡耕地土壤的抗剪強(qiáng)度大，說(shuō)明林地土壤抵抗徑流剪切破壞的能力較強(qiáng)，不易發(fā)生土壤侵蝕。此外，由表2還可以看出土壤的抗剪強(qiáng)度與土壤的抗沖刷系數(shù)無(wú)明顯關(guān)系。

2.3 土壤抗沖抗剪性影響因素分析

土壤抗沖性主要取決于土粒間、微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力和土壤結(jié)構(gòu)體間抵抗離散的能力，與土壤的物理性質(zhì)和外在的生物因素有關(guān)[12]。莊家堯等[8]研究認(rèn)為土壤的抗沖性與土壤非毛管孔隙度、根徑<1 mm細(xì)根含量具有很高的相關(guān)性；賈俊姝等[13]研究認(rèn)為，在淺山區(qū)土壤抗沖性指數(shù)與枯落物現(xiàn)存量呈顯著正相關(guān)，在腦山區(qū)土壤抗沖性指數(shù)與團(tuán)聚度、總孔隙度呈顯著正相關(guān)；楊玉梅等[14]研究認(rèn)為，土壤抗沖性指數(shù)與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與機(jī)械組成各級(jí)顆粒無(wú)相關(guān)性，并且土壤抗沖性指數(shù)隨坡度的增加先減小再增加；冉茂勇等[15]研究認(rèn)為，土壤抗沖性與結(jié)皮有機(jī)質(zhì)含量、黏結(jié)力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈負(fù)相關(guān)，與容重呈正相關(guān)；史東梅等[16]研究認(rèn)為，土壤抗沖性指數(shù)與土壤容重、細(xì)砂粒(0.05—0.25 mm)含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、土壤穩(wěn)滲率及<1 mm根系生物量呈正相關(guān)，與總孔隙度呈負(fù)相關(guān)；鄒翔等[17]研究認(rèn)為抗沖性大小與土壤中>2 mm或<0.002 mm的顆粒含量有較大關(guān)系?？梢?jiàn)，影響土壤抗沖性的因素很多，不同地區(qū)不同類型土壤的抗沖性影響因素存在差異。

土的抗剪強(qiáng)度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)主要指標(biāo)，其大小直接反映了土體在外力作用下發(fā)生剪切變形破壞的難易程度。影響土壤抗剪強(qiáng)度的因素多且復(fù)雜，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究：逯海葉等[18]研究認(rèn)為地表土壤抗剪強(qiáng)度隨溫度的升高呈線性減小，土壤顆粒級(jí)配越好，黏粒含量越多，土壤的抗剪強(qiáng)度越大；范興科等[19]研究得出淺層原狀土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小，隨著土層深度的增大，土壤容重增大，抗剪強(qiáng)度也有所提高；戴全厚等[20]研究得出土壤抗剪強(qiáng)度隨植物根量的增多而增大。

對(duì)研究區(qū)各樣地土樣土壤抗沖抗剪性與土壤結(jié)構(gòu)的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3知，土壤抗沖刷系數(shù)與非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤容重、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率呈正相關(guān)，與總孔隙度呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)顯著水平；土壤抗剪強(qiáng)度與容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈正相關(guān)，與總孔隙度、非毛管孔隙度、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均入滲率呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)顯著水平。

表3 研究區(qū)土壤抗沖抗剪性與土壤結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析

注：表中**表示極顯著相關(guān)，*表示顯著相關(guān)。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)吉林省低山丘陵區(qū)杏木小流域的土壤抗沖抗剪性的研究結(jié)果表明：林地的土壤抗沖刷系數(shù)和抗剪強(qiáng)度均大于坡耕地；土壤抗沖刷系數(shù)大小排序?yàn)槊晒艡盗值?楊樹(shù)林地>落葉松林地>大豆林地>玉米林地>竹節(jié)梯田果園地；土壤抗剪強(qiáng)度大小排序?yàn)槁淙~松林地>楊樹(shù)林地>蒙古櫟林地>竹節(jié)梯田果園地>大豆地>玉米地；土壤抗沖刷系數(shù)與非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.854，土壤抗沖刷系數(shù)與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.964，土壤抗沖刷系數(shù)與容重、總孔隙度、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率的相關(guān)性未達(dá)顯著水平；土壤抗剪強(qiáng)度與土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

S152.9

A

1000-0941(2015)01-0041-04

本研究受水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)(201401025)、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120409)資助

張瑜(1980—)，女，山東煙臺(tái)市人，工程師，碩士研究生，主要從事水土保持研究工作。

2014-08-28