川中丘陵區(qū)紫色土坡面土壤侵蝕過程中基本理化性質(zhì)與磁化率的演變特征

王小剛，韓光中，母 娟，梁秋霜

（1.內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川內(nèi)江 641112；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127）

川中丘陵區(qū)紫色土坡面土壤侵蝕過程中基本理化性質(zhì)與磁化率的演變特征

王小剛1，2，韓光中1*，母 娟1，梁秋霜1

（1.內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川內(nèi)江 641112；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127）

【目的】探索土壤侵蝕強度與磁化率（MS）之間的關(guān)系，為利用磁測法研究紫色土坡面侵蝕提供理論依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^土壤侵蝕序列方法，研究川中丘陵區(qū)紫色土在坡面侵蝕過程中基本理化性質(zhì)與磁化率（MS）的演變特征。【結(jié)果】結(jié)果表明，隨土壤侵蝕強度的增加，坡頂和坡中土壤基本理化性質(zhì)的演變特征存在差異，坡中土壤要比坡頂土壤復(fù)雜。在坡頂以0～20cm土壤層為主要營養(yǎng)物流失層，在坡中則以0～40cm為主。不同侵蝕強度土壤與未侵蝕土壤相比較，只有坡頂土壤中有機質(zhì)（SOM）的含量和坡中土壤全鉀（TK）的含量達到顯著差異，而土壤中其他的養(yǎng)分含量均未達到顯著差異。土壤侵蝕對紫色土SOM、N和P的保存不利。表層土壤的MS隨土壤侵蝕強度的增加有所下降，但并沒有呈現(xiàn)出固定的模式，在本研究區(qū)很難借助MS來反演紫色土的侵蝕過程?！窘Y(jié)論】川中丘陵地區(qū)土壤侵蝕主要體現(xiàn)在坡中，其次是坡頂，且土壤肥力受到顯著影響。因此，應(yīng)在該地區(qū)水土保持與生態(tài)修復(fù)時因地制宜選擇適合的側(cè)重點。

紫色土；土壤侵蝕；基本理化性質(zhì)；磁化率

土壤侵蝕可導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力降低，造成生態(tài)環(huán)境惡化，已成為我國乃至全球的重大環(huán)境問題之一[1-3]。川中丘陵區(qū)地處四川盆地的中部，土壤類型以紫色土為主，抗侵蝕性弱，極易遭受侵蝕，是四川省土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年研究，在土壤侵蝕機理[4]、土壤流失方程、土壤侵蝕與土地生產(chǎn)力關(guān)系[5]的評價方法、小流域水土保持規(guī)劃等方面已取得豐碩的研究成果[6-9]。20世紀(jì)70年代以前，土壤侵蝕的研究主要以定性研究和宏觀描述居多，定量研究較少。隨著同位素示蹤方法和現(xiàn)代空間分析技術(shù)在土壤侵蝕方面的應(yīng)用，土壤侵蝕研究取得很大的進展[10-11]。林文超等[12]從侵蝕因子影響中發(fā)現(xiàn)雨強越大對土壤養(yǎng)分流失影響越大，而橫坡壟作在中小雨強條件下控制地表徑流和侵蝕的效果顯著。徑流攜帶是紫色土養(yǎng)分流失的重要途徑之一。李林育等[13]利用多次實測降水?dāng)?shù)據(jù)應(yīng)用頻率分析法推求該地區(qū)侵蝕性降雨的一般標(biāo)準(zhǔn)，揭示侵蝕性降水和侵蝕特征。川中丘陵區(qū)紫色土坡地和小流域水蝕過程定量研究的不足和流域水沙匯集傳遞關(guān)系分析技術(shù)和方法的缺乏，導(dǎo)致至今尚未建立適合模擬紫色土小流域水土流失時空分布的預(yù)報模型。

磁測法是根據(jù)土壤侵蝕前后磁性礦物的含量變化引起的土壤磁化率（MS）改變來研究土壤侵蝕[14-18]。該方法可以克服傳統(tǒng)的徑流小區(qū)法和普查法等方法的不足，能夠更好地研究土壤侵蝕、沉積、分布和泥沙來源。且具有操作簡便、快捷、經(jīng)濟、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，受到廣泛的關(guān)注與重視，為研究土壤侵蝕過程提供了新思路。盡管如此，已有研究很少涉及川中丘陵區(qū)的紫色土。本文選擇川中丘陵區(qū)的小流域坡面進行磁測和土壤侵蝕強度調(diào)查，探索土壤侵蝕強度與MS之間的關(guān)系，為利用磁測法研究紫色土坡面侵蝕提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省內(nèi)江市威遠縣（104°16′～104°53′E，29°22′～29°47′N），距離圣靈山地質(zhì)公園 3 km處金李井鎮(zhèn)歸沙路附近未被農(nóng)耕開發(fā)的低山丘陵。威遠地勢自西北向東南傾斜，低山和丘陵比例相當(dāng)，主要以耕地、林地和草地為主，年均氣溫17.8℃，降水變幅較大，年均降雨量985.2mm。成土母質(zhì)主要為中生代紫紅色砂巖和泥巖，質(zhì)地松脆，結(jié)構(gòu)性差，有機質(zhì)含量低，鈣質(zhì)、石膏、可溶性鹽分含量高，易被水解，pH呈堿性到中性，其上發(fā)育的紫色土抗侵蝕能力弱。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

選擇研究區(qū)中典型小流域坡面為研究對象，分別在坡頂和坡中選擇具有代表性的未侵蝕、輕度、中度和重度侵蝕土壤來表征侵蝕過程中的4個階段。采樣和實驗分析時間為2013年9月中旬。土壤侵蝕劃分參考史明德等[19]研究。在每一個坡面的各段挖取剖面，按照土壤學(xué)方法進行層次劃分，確定土壤侵蝕強度的大小作為對應(yīng)坡段土壤侵蝕強度。土壤侵蝕強度與剖面厚度相對應(yīng)：未侵蝕對應(yīng)A層保存完整；輕度侵蝕對應(yīng)A層保存1/2；中度侵蝕對應(yīng)A層全部流失或保存低于1/2；重度侵蝕對應(yīng)B層保存厚度低于1/2[20]。在研究區(qū)內(nèi)，選擇不用坡向且受人為干擾較小的坡面自坡頂?shù)狡轮?0 m為1個坡段，每個坡段內(nèi)根據(jù)實地情況選擇等間距的樣點。在樣點挖取剖面，按土壤發(fā)生層進行采樣（剖面描述見表1，樣點剖面見圖1），每個樣點采取3個重復(fù)樣品，共采集土壤樣品33個。土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，分別挑出枯枝落葉、根系和大于2mm的非土壤物質(zhì)，四等分法取土。先后過10目、60目、100目的尼龍篩，分成兩部分：一部分用于土壤基本理化性質(zhì)測量；另一部分用于土壤磁化率測量。因坡底土壤經(jīng)常發(fā)生明顯堆積，為避免爭議，本研究未涉及坡底土壤。土壤分類系統(tǒng)參考中國土壤分類系統(tǒng)，根據(jù)《修訂方案》中有關(guān)診斷層與診斷特性的定義，地表下50cm深度處年均土溫≥15℃，即具有溫?zé)嵝酝寥罍囟葼顩r，鹽基飽和，濕潤土壤水分狀況，準(zhǔn)石質(zhì)接觸面為雛形土[21]。

表1 土壤剖面的基本信息Table 1 Information of soil profiles

圖1 不同坡位紫色土侵蝕序列剖面Figure 1 The erosion sequence profiles of different segments in purple soil

1.3 測定項目和方法

土壤顆粒組成與土壤有機質(zhì)（SOM）分別采用濕篩-吸管法和重鉻酸鉀-硫酸消化法測定[22]266-217；全磷（TP）和速效磷（AP）分別采用堿熔-鉬銻抗比色法和碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[22]166-183；全鉀（TK）和速效鉀（AK）：堿熔-火焰光度法與乙酸銨浸提-火焰光度法測定[22]188-195；速效氮（AN）：堿解擴散法測定[22]156-159；以上基本理化性質(zhì)指標(biāo)均采用常規(guī)實驗方法。MS的測定[23]：稱取適量（以裝滿為準(zhǔn)）過10目篩的風(fēng)干土樣（精確度0.01 g），裝入10cm3無磁性塑料盒中，用Barrington公司的MS-2B型磁化率儀分別在低頻（0.47 kHz，MSlf）和高頻（4.7 kHz，MShf）磁場中進行測定，每個樣品連續(xù)測定2次，取其平均值，作為樣點土壤的磁化率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計分析和差異性分析方法。差異性分析是一種用數(shù)理統(tǒng)計方法測定和檢驗變數(shù)之間差異性的資料分析方法。依據(jù)變數(shù)的性質(zhì)可以分為百分率差異性分析和平均數(shù)差異性分析兩種。變數(shù)之間的差異性分析與資料的正態(tài)分布有密切關(guān)系。本文基于該方法探討不同坡段紫色土壤基本理化性質(zhì)間差異性關(guān)系。所有分析利用origin.8和spss13完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面土壤侵蝕程度與基本理化性質(zhì)的演變特征

由圖2可見，砂粒在坡頂和坡中隨侵蝕深度增加含量減少，黏粒正好相反，粉粒變化較復(fù)雜，說明坡頂和坡中在土壤侵蝕過程中機械分選作用并不明顯。同時，坡中砂粒、粉粒和黏粒分布曲線較離散，在侵蝕過程中坡頂不同侵蝕程度土壤顆粒組成差異小；反之，坡中差異較明顯。未侵蝕土壤中SOM、TP、TK、AN、AP和AK在坡頂與坡中隨侵蝕深度增加含量急劇下降，在40cm處達到最小后保持不變。坡頂輕度、中度和重度侵蝕土壤中SOM、TP、TK、AN、AP和AK含量在10～20cm土層間達到最小并保持不變，坡中在40cm處達到最小。同時坡頂SOM、TP、TK、AN、AP和AK含量分布曲線較坡中緊密，說明在侵蝕過程中 SOM、TP、TK、AN、AP 和 AK 流失的土壤層在坡頂主要為0～20cm，在坡中為0～40cm。隨著侵蝕深度增加，坡中 SOM、TP、TK、AN、AP和AK流失更嚴(yán)重，可能由于坡中受侵蝕影響更加嚴(yán)重[24]。不同深度土壤理化性質(zhì)分布如圖3所示。

圖2 不同深度土壤顆粒組成分布圖Figure 2 The particle composition of soil in different depths

2.2 土壤基本理化性質(zhì)差異性分析

坡頂不同侵蝕強度土壤中 TK、TP、SOM、AN、AP、AK平均含量與未侵蝕土壤相比顯著偏低（分別降低了 9.06 g/kg，0.05 g/kg，2.01 g/kg，46.77 mg/kg，0.59 mg/kg和1.82 mg/kg），且SOM達到了顯著差異（p=0.031），而TK、TP、AN、AP、AK 均未達到顯著性差異（表2），說明坡頂侵蝕過程中SOM流失較明顯。坡中土壤中TP和AP平均含量有所增加，增加了0.1 g/kg和 5.25 mg/kg，而 TK、SOM、AN 和 AK 平均含量有所降低，分別降低了0.49 g/kg，2.92 g/kg，44.75 mg/kg和3.54 mg/kg;同時，TK平均含量達到了顯著性差異（p=0.032），而 TP、SOM、AN、AP 和AK均未達到顯著性差異，說明受土壤侵蝕影響坡中TK流失較顯著。坡頂與坡中AN雖沒有達到統(tǒng)計學(xué)上的差異性，主要是因為其土壤含量基數(shù)較大，但其含量變化較突出，表明隨著侵蝕強度的增加，坡頂和坡中土壤中AN的流失較嚴(yán)重，說明速效氮含量缺乏，可能和土壤有機質(zhì)逐年減少有關(guān)[25-26]。

由表2可知，砂粒在坡頂侵蝕過程中減少而在坡中增加，粉粒在坡頂和坡中侵蝕過程中均有所減少而黏粒均有所增加，且砂粒、粉粒和黏粒均未達到顯著差異。說明砂粒與粉粒是侵蝕過程中紫色土流失的主要顆粒，而影響其流失的因子較多，例如降雨量、降雨強度、降雨歷時和植被覆蓋等[27-28]。

圖3 不同深度土壤理化性質(zhì)分布Figure 3 The chemical properties of soil in different depths

2.3 坡面土壤侵蝕強度與MS的演變特征

由圖4可見，坡頂未侵蝕土壤表層的MS最高（25.5×10-8m3/kg），這說明土壤的磁性礦物在表層有所富集。隨土壤侵蝕強度的增加，表層土壤的MS有總體含量有所下降，但并沒有呈現(xiàn)固定的模式。坡中未侵蝕土壤表層和亞表層MS分別為18.5×10-8m3/kg和20×10-8m3/kg，表層MS含量低于亞表層，說明表層有MS堆積的可能。隨著土壤侵蝕強度的增加，表層土壤的MS有所下降，未呈現(xiàn)固定的模式。表3結(jié)果顯示，土壤的MS僅僅與土壤厚度和有機質(zhì)存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.388（p＜0.05）和0.494（p＜0.01），表明土壤受侵蝕厚度與沉積有機質(zhì)對于土壤的MS有一定影響。其次土壤的MS與黏粒存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.349（p＜0.05），其原因有待進一步研究。

表2 土壤理化性質(zhì)差異性分析Table 2 Difference analysis in physical and chemical properties of purple soil

3 討論與結(jié)論

川中丘陵紫色土地區(qū)主要以降水形成的徑流侵蝕為主，對土壤表層的侵蝕更加明顯。傅濤等[12]人報道了紫色土養(yǎng)分流失主要形式為徑流和泥沙的攜帶，侵蝕過程中土壤的理化性質(zhì)具有明顯變化。何長高等[28]人闡述了侵蝕性紫色土在不同的侵蝕程度下土壤養(yǎng)分的顯著變化特征，速效氮含量僅為17 mg/kg，依據(jù)全國土壤普查土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)，僅為6級，氮含量偏低；速效磷含量為5.70 mg/kg,達到4級，但是隨著侵蝕程度的增加，速效磷流失最為顯著；由于土壤中鉀的含量受母質(zhì)影響較大，母質(zhì)含鉀豐富，所以土壤中速效鉀含量相對較高,且速效鉀隨侵蝕程度加劇反而有增大的趨勢。為了更好地理解這些變化之間可能存在的關(guān)系，本研究將土壤厚度、基本理化性質(zhì)和MS進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示，土壤養(yǎng)分含量基本隨土壤侵蝕深度的增加而降低，且在表層富集，流失風(fēng)險較大。SOM、AN、AP和土壤厚度都呈極顯著正相關(guān)，說明隨著土壤侵蝕強度的增強，SOM、AN和AP的流失較明顯。TK、AK和土壤厚度并沒有呈極顯著相關(guān)，可能與全區(qū)土壤的TK含量基數(shù)較高（介于10.92～30.30 g/kg）有關(guān)。因此，侵蝕過程對土壤的TK和AK的影響沒有SOM、AN和AP那么明顯。另一方面，分析土壤機械組成，發(fā)現(xiàn)侵蝕性紫色土機械組成以砂礫為主，粉粒其次，黏粒含量最少，且隨著土壤侵蝕程度的加劇，土壤中砂礫明顯減少，黏粒增加，土壤向細化方向發(fā)展，這與何長高等[28]研究結(jié)果相反。盡管如此，紫色土坡面侵蝕過程是一個異常復(fù)雜的過程。因此，土壤屬性之間的相互作用可能要比數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果復(fù)雜得多，這需要進一步研究來闡述[29-31]。

圖4 不同深度紫色土MS侵蝕序列剖面分布Figure 4 The erosion sequence profile of MS in different depths

表3 侵蝕過程中土壤厚度、基本理化性質(zhì)和MS間的相關(guān)性Table 3 The correlation between soil thickness，basic physical and chemical properties and MS in erosion process

在MS方面，隨著侵蝕程度變化，不同坡位土壤MS均發(fā)生變化的機理，可能是土壤遭到侵蝕粒級組成變化,導(dǎo)致磁性礦物含量發(fā)生變化，進而引發(fā)土壤MS的變化。董元杰等[14]人分析了魯東丘陵土壤侵蝕程度與MS空間分異特征，發(fā)現(xiàn)MS與侵蝕強度呈反相關(guān)關(guān)系，且不同空間部位的MS高低可直觀地反映侵蝕強度的空間分異特征。本區(qū)MS和土壤厚度呈顯著正相關(guān)，但結(jié)合MS的演變特征來看，很難借助MS來反演紫色土的侵蝕強度。另外紫色土MS數(shù)值普遍偏低，最高值不足30×10-8m3/kg，在反演過程中可能會產(chǎn)生較大誤差，不利于MS的應(yīng)用?？梢岳闷旅嫱寥繫S的變化來反映坡面土壤是否發(fā)生侵蝕，以及利用MS變化的幅度來反映侵蝕強度的大小，坡面不同空間部位土壤的侵蝕存在著明顯的差異?？紤]到MS的測量方法簡單快捷，能實現(xiàn)野外直接測量，因此很多情況下可作為判別紫色土表層土壤是否被侵蝕的一個指標(biāo)。為了更好地利用磁測法研究本區(qū)紫色土的坡面侵蝕，今后需注重加強人工磁性示蹤劑方面的研究工作。

綜上所述，隨土壤侵蝕程度的加劇，土壤基本理化性質(zhì)的演變特征在坡頂和坡中均存在顯著差異，營養(yǎng)物流失層分別為0～20cm和0～40cm，且坡中較坡頂復(fù)雜。相關(guān)性分析顯示，只有坡頂有機質(zhì)與全鉀達到顯著性差異，其他土壤養(yǎng)分均未達到顯著差異，說明該地區(qū)土壤養(yǎng)分流失較為顯著。土壤MS雖然存在隨侵蝕強度加劇有所下降的趨勢，且比較復(fù)雜，在本研究區(qū)很難借助MS來反演紫色土的侵蝕強度。川中丘陵地區(qū)土壤侵蝕主要體現(xiàn)在坡中，其次是坡頂，對土壤MS與基本理化性質(zhì)有明顯的影響作用，因此在制定該地區(qū)水土保持措施時應(yīng)該充分考慮侵蝕作用的影響。

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Evolutional Characteristics of Basic Soil Properties and Magnetic Susceptibility during the Purple Soil Slope Erosion Processes in the Central Sichuan Hilly Region

WANG Xiao-gang1，2，HAN Guang-zhong1*，MU Juan1，LIANG Qiu-shuang
（1.College of Resources and Environmental Science，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，Sichuan，China；2.College of Urban and Environmental Sciences，Northwest University,Xi'an 710069，China）

【Objective】To explore the relationship between soil erosion intensity and MS，provide a theoretical basis for using magnetic method in the study of purple soil erosion.【Method】The evolutional characteristics of basic soil properties and magnetic susceptibility（MS）duringthepurplesoilslopeerosion processes in the central Sichuan hilly region were analyzed in this study by sequence method of soil erosion.【Results】Results show that the evolutional characteristics of the basic soil properties have some difference between the top and middle of slope and it appears much complicated in the middle of slope.The soil layers of nutrient loss at the mountaintop were 0～20cm，and were 0～40cm at middle of slope.Different degree of soil erosion are compared with no erosion of soil，only the content of soil organic matter（SOM）and total potassium（TK）in the top and have been reached statistically significant differences in top of slope，but the content of other soil nutrient did not reach a significant difference.Soil erosion is a elements of the adverse for the protection of SOM，N and P of on purple soil.With the increasing of soil erosion intensity，the MS of the top soils decreased but there was no fixed pattern and it couldn't be used to retrieve the soil erosion processes in the study region.【Conclusion】The soil erosion from a hilly area in central Sichuan is mainly appeared in middle of slope and the soil fertility was significantly affected.Thus conservation of soil and water and ecological restoration should select suitable emphasis in this area.

purple soil；soil erosion；basic soil property；magnetic susceptibility

S157.1

A

1000-2650（2017）03-0345-08

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.010

2017-03-15

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（No.41401235）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目（No.X201306）。

王小剛，碩士研究生。*責(zé)任作者：韓光中，副教授，主要從事土壤發(fā)生與土壤退化研究，E-mail：hanguangzhong@163.com。

（本文審稿：楊萬勤；責(zé)任編輯：鞏艷紅；英文編輯：徐振鋒）