大圍山花崗巖風(fēng)化物發(fā)育土壤抗蝕性垂直分異

羅蘭花, 王翠紅, 謝紅霞, 周 清, 周 敏

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 長沙 410128; 2.永清環(huán)保股份有限公司, 長沙 410014)

土壤抗蝕性是指土壤對侵蝕營力分散和搬運作用的抵抗能力，即土壤對侵蝕的易損性或敏感性的倒數(shù)[1]，它是土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應(yīng)[2]。其大小不僅與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)密切相關(guān)，還受降雨特性和土地利用狀況等外部因素的影響[3-5]。土壤可蝕性表征的是土壤對侵蝕的敏感程度，是對土壤抗蝕性從另一個角度的描述，是研究土壤侵蝕的重要指標[6]。國際上通常用土壤可蝕性K值這一指標來表征土壤的抗蝕抗沖能力[7]，K值越大，抗蝕抗沖能力越差。

國內(nèi)外關(guān)于土壤抗蝕性的研究方法很多，主要通過測定土壤流失量或以土壤的某些性質(zhì)來作為土壤抗蝕性指標[8]，對土壤抗蝕性進行評價，但至今未取得普遍適用的指標。1990年Williams等[9]提出侵蝕—生產(chǎn)力評價模型(EPIC)，為土壤可蝕性K值研究提供了計算模型。我國有不少專家學(xué)者對我國土壤可蝕性垂直分異特征，開展了很多研究。劉斌濤等[10]揭示了青藏高原土壤可蝕性隨海拔高度升高而降低；張永勤[11]發(fā)現(xiàn)武夷山山地土壤可蝕性K值隨海拔升高也呈現(xiàn)遞減的規(guī)律。目前對花崗巖發(fā)育土壤抗蝕性僅有個別研究，王秋霞等[12]研究了花崗巖崩崗區(qū)土壤可蝕因子的空間變化特征；周剛等[13]發(fā)現(xiàn)花崗巖紅壤區(qū)林地土壤抗蝕性最強，最差的為坡耕地。但對花崗巖風(fēng)化物發(fā)育山地土壤抗蝕性垂直分異特征的研究還是較少。本文選擇湖南省大圍山不同海拔高度的花崗巖風(fēng)化物發(fā)育山地土壤進行抗蝕性研究，利用土壤的5項抗蝕性指標和1項可蝕性指標K值對土壤抗蝕性進行定量表征，揭示花崗巖風(fēng)化物發(fā)育土壤抗蝕性垂直分異特征，為花崗巖風(fēng)化物發(fā)育土壤抗蝕性和大圍山山地土壤侵蝕定量研究提供數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大圍山位于湖南省瀏陽市的東北部，地處湘東幕阜山—羅霄山接壤地帶的大圍山支脈，是重要的旅游勝地和國家森林公園，屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，夏無酷暑、冬無嚴寒，年平均氣溫在11～16℃，平均降雨量1 200～2 000 mm，年相對濕度高于83%。地處亞熱帶典型常綠闊葉林地帶，原生植被多被破壞，現(xiàn)存的主要為原始次林和人工林。海拔高低相差大，地形復(fù)雜，雨量充沛，植物資源豐富，植被垂直變化明顯。海拔500 m以下為常綠闊葉林，500～1 000 m為常綠落葉闊葉混交林，1 000～1 400 m為落葉闊葉林，1 400 m以上為草灌群落。大圍山植被狀況較好，覆蓋度大，有利于土壤有機質(zhì)的積累，使得大圍山土壤有機質(zhì)含量高，腐殖質(zhì)層較厚。大圍山成土母質(zhì)主體是燕山期花崗巖侵入體，土壤垂直地帶變化明顯，一般海拔800 m以下是山地紅壤、800～1 200 m為山地黃壤、1 200～1 600 m為山地黃棕壤、1 600 m以上為山地灌叢草甸土[14]。

1.2 樣地選擇與樣品采集

本研究根據(jù)不同海拔高度進行采樣，包括9個土壤剖面A層，采樣過程中完整記錄了土樣采集點經(jīng)度緯度、土樣所處海拔、土地利用類型，土壤類型、土層采集深度等信息(表1)。本試驗對土壤剖面花崗巖母質(zhì)發(fā)育而成的山地土壤進行分析。

表1 土樣信息表

1.3 研究方法

本文采用的抗蝕性指標中：團聚狀況、團聚度、有機質(zhì)含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量數(shù)值越大，土壤抗侵蝕能力越好；分散率越高，反映土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性越差，即抗侵蝕能力越差。土壤可蝕性K值定量表現(xiàn)土壤可侵蝕能力，數(shù)值越大抗侵蝕能力越小。利用烘干法測定自然風(fēng)干土壤的水分含量；用吸管法[15]作土壤機械組成分析、微團聚體分析；利用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法[16]測定土壤有機碳含量，再通過計算得到土壤有機質(zhì)含量。用吸管法[17]測定土壤砂粒、粉粒、黏粒的重量百分數(shù)。

團聚狀況、團聚度、分散率、>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量、土壤有機質(zhì)含量5項指標及可蝕性K值，計算方法如下：

團聚狀況=(>0.05 mm微團聚體分析值)-(>0.05 mm機械組成分析值)[17]

(1)

團聚度=團聚狀況/(>0.05 mm微團聚體分析值)[17]

(2)

分散率=(<0.05 mm微團聚體分析值)/(<0.05 mm機械組成分析值)[17]

(3)

>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量=>0.25 mm團粒質(zhì)量/風(fēng)

干土樣質(zhì)量/水分系數(shù)[17]

(4)

土壤有機質(zhì)=土壤有機碳(g/kg)×1.724

(5)

(6)

式中：1.724為土壤有機碳換成土壤有機質(zhì)的平均換算系數(shù)；c為0.800 0 mol/L(1/6 K2Cr2O7)標準溶液的溶度；5為重鉻酸鉀標準溶液加入的體積(ml)；V0為空白滴定用去FeSO4體積(ml)；V為樣品滴定用去FeSO4體積(ml)；3.0為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量(g/mol)；1.1為氧化校正系數(shù)；m為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)；k為將風(fēng)干土換算成烘干土的系數(shù)。

(7)

(8)

式中：Sa為砂粒(0.05～2 mm)的重量百分數(shù)；Si為粉粒(0.002～0.05 mm)的重量百分數(shù)；Cl為黏粒(<0.002 mm)的重量百分數(shù)；C為百分數(shù)表示的土壤有機碳含量，由有機質(zhì)含量除以1.724得到；K值計算結(jié)果為美國制單位[9,18]，乘以0.131 7換算為國際制單位[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)含量和土壤顆粒組成

189 m處因海拔低受人類活動的影響大，將其除去進行分析。土壤有機質(zhì)是土壤水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)的膠結(jié)劑，含有機質(zhì)豐富的土壤可形成較多良好結(jié)構(gòu)，增加土壤疏松度和通透性，從而增加了土壤的抗蝕性的能力[19]。除去海拔為189 m處的土樣，1 488 m處有機質(zhì)含量最少，為26.93 g/kg；其余七個剖面土樣的有機質(zhì)含量均高于38 g/kg，1 249 m處的土壤有機質(zhì)含量高達95.42 g/kg?？傮w上，大圍山花崗巖風(fēng)化物發(fā)育山地土壤有機質(zhì)含量較高，養(yǎng)分豐富，土壤肥沃。由于有機質(zhì)含量受到植被覆蓋情況，母質(zhì)形成條件、氣候等多種因素的影響，利用SPSS相關(guān)性分析得出，土壤有機質(zhì)含量與海拔相關(guān)性很小，相關(guān)系數(shù)僅為-0.58(表2)。

機械組成中<0.05 mm土粒含量明顯大于>0.25 mm土粒含量。土樣中189 m和1 578 m處的>0.25 mm土粒含量稍小，分別為9.82%，10.05%，1 582 m的>0.25 mm土粒含量達到26.5%，其余6個土樣>0.25 mm土粒含量差異不明顯。土樣中<0.05 mm土粒含量最小為51.50%，最大為68.44%，>0.05 mm土粒含量與海拔相關(guān)性很小，相關(guān)系數(shù)僅為0.023。微團聚體組成中<0.05 mm土粒含量小于>0.25 mm土粒含量，各土樣的>0.25 mm土粒含量差異不大，與海拔的相關(guān)系數(shù)僅為-0.292；>0.05 mm土粒含量中除189 m，1 535 m處的稍高，其余土樣>0.05 mm土粒含量都偏低，總體上隨海拔升高有增加的趨勢，但趨勢不明顯，相關(guān)系數(shù)為0.617(表3)。

表2 不同海拔土壤有機質(zhì)含量

表3 不同海拔土壤機械組成及微團聚體組成

2.2 土壤抗蝕性特征及垂直分異

通過計算得出不同海拔土壤的5項抗蝕性指標(圖1)。189 m處因海拔低受人類活動的影響大，在做土壤抗蝕性垂直分異特征分析時，將該點剔除。土樣團聚狀況數(shù)據(jù)中，土樣團聚狀況最小為0.334，最大為0.470，差異不大，土樣團聚狀況隨海拔升高而減小，相關(guān)系數(shù)為-0.876，顯著性為0.004，通過顯著水平0.05的檢驗。1 582 m處的土壤團聚度最小為0.436，937 m處的為0.512，土壤的團聚度與海拔呈較為顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.836，顯著性為0.010。由<0.05 mm微團聚體分析值與機械組成分析值計算獲得土壤的分散率，1 535 m處采集的土樣分散率最大，總體上土壤的分散率隨海拔升高而增大，但不太顯著，相關(guān)系數(shù)僅為0.682。>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量僅1 535 m為672.77 g/kg，水穩(wěn)性團粒含量適中，另外七個不同海拔高度土樣水穩(wěn)性團粒含量都高于700 g/kg，且含量隨海拔變化規(guī)律不明顯。綜合5項抗蝕性指標的數(shù)值可知，除去受人類活動干擾較大土樣數(shù)據(jù)(海拔189 m)，土壤團聚狀況、團聚度兩項指標和海拔高度的相關(guān)性可以得出土壤抗蝕性隨海拔高度的升高呈現(xiàn)遞減的趨勢，且較為顯著；>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量、有機質(zhì)含量和分散率三項指標與海拔高度的相關(guān)性很小。總體而言隨海拔高度升高，土壤抗蝕性呈現(xiàn)不顯著的遞減趨勢。

圖1不同海拔土壤抗蝕性指標曲線

利用EPIC模型計算不同海拔土壤可蝕性K值(圖2)。同樣將受人類干擾較大的海拔189 m處的土樣數(shù)據(jù)剔除進行分析，從計算結(jié)果可知：從不同海拔采集土樣的可蝕性K值均處于0.028～0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范圍間，這與王秋霞等[12]對花崗巖崩崗區(qū)土壤淋溶層可蝕性K值研究的結(jié)果是一致的。根據(jù)梁音、史學(xué)正[7]研究得到我國東部丘陵區(qū)土壤可蝕性K值的分級指標，土樣可蝕性級別為中可蝕性土壤和中高可蝕性土壤，即屬于易被侵蝕的土壤。1 582 m處的可蝕性K值為0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，土壤的抗侵蝕能力相對較差。土壤可蝕性K值隨海拔高度的升高而增大，趨勢較顯著，相關(guān)系數(shù)為0.783，顯著性為0.022，通過顯著水平0.05的檢驗。由土壤可蝕性K值得到土壤抗蝕性隨海拔高度升高呈現(xiàn)遞減，且遞減趨勢較為顯著。

圖2可蝕性K值點狀圖

3 結(jié) 論

通過在大圍山不同海拔高度采集土樣，測定土樣有機質(zhì)含量、土壤機械組成和微團聚體含量，計算出土壤的5項抗蝕性指標，并通過EPIC模型法估算土壤可蝕性K值。結(jié)果表明：大圍山花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的山地土壤的可蝕性K值在0.028～0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范圍間，屬于中可蝕性土壤和中高可蝕性土壤，即為較易被侵蝕的土壤。土壤可蝕性K值隨海拔高度的升高而增大，趨勢較顯著，顯著性通過0.05水平的檢驗。5項抗蝕性指標中有機質(zhì)和>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量與海拔高度相關(guān)性不大，土壤團聚狀況和團聚度與海拔高度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.876和-0.836，土壤分散率隨海拔高度的升高而增大，但趨勢不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為0.682?？偟膩碚f，大圍山花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的山地土壤抗侵蝕能力弱，易被侵蝕，隨著海拔高度升高土壤抗蝕性呈現(xiàn)遞減的趨勢，但是趨勢不顯著。

大圍山花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的山地土壤抗蝕性不僅受海拔高度的影響，也受到氣候、植被、人類活動等因素的影響，抗侵蝕能力弱，為避免水土流失，應(yīng)注意加強防治措施。大圍山的原生植被幾乎被破壞，現(xiàn)存植被幾乎都是原始次林和人工林，這可能對土壤的抗侵蝕能力造成一定的影響。但原因還需進一步研究。

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