不同水土保持措施對(duì)石漠化區(qū)水土流失的影響

柏 勇，杜 靜，楊婷婷，王正選，邱金亮，李 靖?

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，650201，昆明；2.云南省高校城鄉(xiāng)水安全與節(jié)水減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，650201，昆明；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，650201，昆明)

云南省是我國(guó)石漠化主要分布區(qū)之一，巖溶面積為11.09萬km2，占全省國(guó)土面積的28.15%[1]。石漠化導(dǎo)致可利用耕地減少，涵養(yǎng)水源能力下降，土壤肥力下降，小生境氣候惡化，生物多樣性被破壞等危害。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)巖溶石漠化區(qū)控制措施的相關(guān)研究日益增多，并取得了一系列研究成果。A. Ferrara等[2]從性能和成本評(píng)估了石漠化的脆弱性，并研究植被、氣候和降雨等因素，綜合治理石漠化問題。A.R.Adamcova等[3]在治理石漠化過程中，綜合分析巖石特性、河網(wǎng)密度及巖溶地貌對(duì)水土流失的影響。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者研究坡改梯、植物覆蓋、完善小型水保工程等生物和工程措施治理石漠化地區(qū)[4-5]。

土壤理化性質(zhì)的改變是石漠化綜合治理生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵和前提，周毅等[6]對(duì)黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)，不同林地類型的水保持效益分析研究表明，相同植被類型的林地抗沖性隨坡度的增大而降低，植被措施能提高土壤抗沖性的能力，能有效地控制水土流失。郭曉朦等[7]和路炳軍等[8]的研究表明，林草措施能夠有效改善土壤質(zhì)量，土壤的全氮、全磷流失量與草地植被覆蓋度呈指數(shù)遞減關(guān)系。趙世偉等[9]的研究表明，水土保持工程及植被措施能明顯改善土壤的水分環(huán)境和土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，影響土壤結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)侵蝕土壤的發(fā)育有一定促進(jìn)作用。本課題組前期也對(duì)石漠化地區(qū)的治理方式和效果評(píng)價(jià)做了一定的研究[10]。在前人研究的基礎(chǔ)上，以云南省沾益區(qū)典型巖溶石漠化區(qū)為例，對(duì)不同水土保持措施保水保土的效果進(jìn)行分析，為解決西南地區(qū)石漠化問題提供理論依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步探索和完善云南省石漠化小流域水土流失綜合治理工作提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省曲靖市沾益區(qū)白水鎮(zhèn)勺達(dá)村官麥地小流域(E 104°01′48″～104°07′12″，N 25°42′10″～25°45′26″)，距縣城48 km，地勢(shì)西高東低，海拔在2 010～2 228 m之間，其地貌類型屬高原山區(qū)巖溶地貌(多屬峰叢洼地)，是典型中度石漠化地區(qū)[11]。所處小流域總面積31.66 km2。其中，耕地、林地、經(jīng)果林、荒山荒坡、水域、難以利用地和非生產(chǎn)用地分別占34.60%、51.42%、0.76%、11.25%、0.28%、0.30%、和1.39%。共741戶2 929人。其中：農(nóng)業(yè)人口2 901人，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力1 791人，人口密度93人/km2。年平均氣溫15 ℃，多年平均降雨量943.60 mm，降雨主要集中在6—10月。流域內(nèi)土壤類型有紅壤土、黃棕壤、紫色土、石灰土和水稻土，其中紅壤土分布最廣。流域內(nèi)以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，主要種植玉米(ZeamaysL.)、土豆(SolanumtuberosmL.)、小麥(TriticumaestivumL.)、烤煙(SolanumverbascifoliumL.)、萬壽菊(TageteserectaL.)等作物。

2 研究方法

2.1 小區(qū)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)坡耕地(巨菌草PennisetumsineseP.)、坡改梯耕地(玉米)、經(jīng)果林(核桃JuglansregiaL.)、水保林(云南松PinusyunnanensisL.)和荒山草地5種不同土地利用類型小區(qū)，植被覆蓋度分別為39.7%、41.8%、82.6%、95.8%和46.1%，坡度為15°，巖石裸露率為20%，覆蓋層為雜色粉土、砂土及礫石層，厚度1～7 cm，白云巖呈石芽、溶溝和溶槽等溶蝕狀出露于河床及兩岸，基巖以玄武巖、石灰?guī)r為主。徑流小區(qū)面積為100 m2，即長(zhǎng)×寬為20 m×5 m[12]，同一土地類型設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，并設(shè)置氣象站。徑流小區(qū)用40 cm×60 cm的單磚隔開，小區(qū)上方設(shè)排水渠，下方用水泥抹面修筑集流槽，確保徑流和泥沙通過集流槽匯入集流池，集流池

1 m×1 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)，小區(qū)左右兩邊留1 m小區(qū)保護(hù)帶。

2.2 試驗(yàn)方法

用自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)記錄降雨量、蒸發(fā)和風(fēng)速等氣象要素；用儲(chǔ)存式自記水位計(jì)觀測(cè)徑流量；泥沙人工取樣，用置換法測(cè)定含沙量[13]。每次降雨后進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按技術(shù)規(guī)范管理小區(qū)，并監(jiān)測(cè)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況。取不同深度的土壤(0～20、20～40和40～60 cm)，用烘干法測(cè)定土壤含水量；用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；半微量開氏法(GB 7173—1987)測(cè)土壤全氮；NaOH融化—鉬銻抗比色法(GB 9837—1988)測(cè)土壤全磷。

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)開展于2014年6月—2016年12月，所得數(shù)據(jù)為3年的平均值，用Microsoft Excel 2010進(jìn)行計(jì)算和圖表制作，用SAS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析，Duncan多重比較法檢驗(yàn)差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水土保持措施對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響

3.1.1 不同水土保持措施對(duì)產(chǎn)流量的影響 由表1可知，侵蝕性降雨和產(chǎn)流主要集中在6—9月，分別占全年的85.64%和85.93%。其中，侵蝕性降雨量以小區(qū)內(nèi)產(chǎn)流為標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)流量由大到小的順序?yàn)槠赂?、荒山草地、梯地、?jīng)果林和水保林。經(jīng)果林和水保林的總產(chǎn)流量無顯著差異，經(jīng)果林、水保林與坡耕地、梯地和荒山草地之間差異顯著(P<0.05)。坡耕地總徑流量最多，經(jīng)果林和水保林較坡耕地總產(chǎn)流量分別減少70.55%和74.02%。9月產(chǎn)流量最大，經(jīng)果林、水保林與坡耕地、梯地和荒山草地之間差異顯著(P<0.05)。其中，水保林的產(chǎn)流量最少，較經(jīng)果林、梯地、荒山草地和坡耕地分別減少13.01%、52.44%、59.47%和69.6%。

3.1.2 不同水土保持措施對(duì)土壤侵蝕量的影響 從表2可知，各水土保持措施在6月和7月產(chǎn)生的土壤侵蝕量最大，分別占總侵蝕量的65.00%、50.35%、56.13%、52.43%和46.03%；總土壤流失量為荒山草地>坡耕地>梯地>經(jīng)果林>水保林。經(jīng)果林、水保林與坡耕地、梯地和荒山草地之間差異顯著(P<0.05)，水保林土壤侵蝕量最少，較經(jīng)果林、梯地、坡耕地和荒山草地分別減少28.96%、74.3%、81.44%和84.53%。

表1 不同土地利用類型小區(qū)產(chǎn)流量Tab.1 Runoffs under different land use types m3

注：用 Duncan法分析不同處理間的差異顯著性，不同字母表示不同水土保持措施產(chǎn)流量在P<0.05水平上差異顯著，下同。Notes: The data in the same month of different measures are verified by Duncan, and the different letters indicate that the runoffs among different soil and water conservation measures differ significantly (P<0.05). The same below.

表2 不同土地利用類型小區(qū)土壤侵蝕量Tab.2 Amount of soil erosion under different land use types t/km2

3.2 不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

由表3可知，不同水土保持措施土壤表層(0～20 cm)密度低于中層(20～40 cm)和底層(40～60 cm)，隨著土層加深，密度逐漸增加，同一土層中土壤密度水保林<梯地<經(jīng)果林<坡耕地<荒山草地。除梯地表層毛管持水量和最大蓄水量比中層低12.31%和4.44%外，其他土地利用類型的表層土壤毛管持水量和最大蓄水量均高于中層和底層，且隨土層加深，毛管持水量和最大需水量依次降低。各水土保持措施的土壤上層自然含水率均高于中層和底層。梯地和水保林中層的非毛管孔隙度均比表層和底層高，而坡耕地、梯地和荒山草地表層>其他兩層。除水保林的總孔隙度中層比表層高10.52%外，坡耕地、梯地、經(jīng)果林和荒山草地隨土層加深總孔隙度依次減小。

由表4可知，荒山草地與水保林、梯地土壤密度差異顯著，與坡耕地和經(jīng)果林無顯著差異(P<0.05)，且水保林和梯地分別比荒山草地低12.14%和11.43%。經(jīng)果林和梯地的毛管持水量與荒山草地差異顯著(P<0.05)，且分別比荒山草地高31.94%和29.65%。梯地、坡耕地和水保林的自然含水率均與荒山草地差異顯著(P<0.05)，且分別比荒山草地高95.38%、88.64%和80.38%。梯地和水保林的最大蓄水量與荒山草地差異顯著(P<0.05)，且分別比荒山草地高27.67%和22.44%。經(jīng)果林、水保林和梯地的非毛管孔隙度與荒山草地差異顯著(P<0.05)，除坡耕地的非毛管孔隙度比荒山草地小11.38%外，經(jīng)果林、水保林和梯地的非毛管孔隙度均比荒山草地高，分別高169.25%、96.61%和54.48%。經(jīng)果林、水保林和坡耕地的毛管孔隙度與荒山草地?zé)o顯著差異，但梯地和坡耕地、荒山草地、經(jīng)果林、水保林的毛管孔隙度差異顯著(P<0.05)，且梯地和水保林分別比荒山草地高18.88%和6.14%。坡耕地的總孔隙度與荒山草地?zé)o顯著差異，但梯地、經(jīng)果林和水保林的總孔隙度與荒山草地差異顯著(P<0.05)，且分別比荒山草地高22.87%、19.21%和16.30%。

3.3 不同水土保持措施對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

3.3.1 不同水土保持措施對(duì)土壤全氮的影響 對(duì)相同水土保持措施不同土層的土壤全氮量進(jìn)行比較。結(jié)果(圖1)顯示：除坡耕地外，其他土地利用類型的表層土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)都比中層高。這5種土地利用類型中層土壤的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于底層。對(duì)土壤的全氮量分析得出，坡耕地>經(jīng)果林>水保林>梯地>荒山草地，且分別比荒山草地高90.63%、74.48%、26.56%和22.4%，經(jīng)果林表層土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，坡耕地中層和底層土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，荒山草地各個(gè)土層的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)都比其他水土保持措施低。

表3 不同土地利用類型不同土層土壤物理性質(zhì)Tab.3 Physical properties of different soil layer under different land use types

表4 不同土地利用類型土壤物理性質(zhì)Tab.4 Physical properties of soil under different land use types

圖1 不同土地利用類型土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 Different soil types topsoil TN (Total nitrogen) content

3.3.2 不同水土保持措施對(duì)土壤全磷的影響 由圖2可知，對(duì)相同水土保持措施不同土層的土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，除梯地中層土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于底層外，其他土地利用類型均是表層>中層>底層。表層土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)坡耕地和經(jīng)果林較高，中層土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)坡耕地、經(jīng)果林和水保林較高。不同水土保持措施土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)坡耕地>經(jīng)果林>水保林>梯地>荒山草地，分別較荒山草地高123.64%、96.36%、67.27%和16.64%。

圖2 不同土壤類型土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Different soil types topsoil TP (Total phosphorus) content

4 結(jié)論與討論

1)通過對(duì)官麥地小流域徑流小區(qū)徑流泥沙特征分析，經(jīng)果林、水保林與坡耕地、梯地、荒山草地之間產(chǎn)流產(chǎn)沙差異顯著，蓄水保土效果較好。與閆建梅等[14]研究不同土地利用方式土壤入滲與貯水特征的結(jié)果一致。不同土地利用類型的水土保持措施，雖然在一定程度上均能減弱坡面土壤侵蝕力，減少水土流失，但不同土地利用類型的水土保持效果不盡相同。從產(chǎn)流和產(chǎn)沙方面分析，水保林的控制效果最佳，經(jīng)果林、梯地、坡耕地次之。主要是水保林冠幅大，枯枝落葉層厚，根系發(fā)達(dá)，蓄水保土效果較好。坡耕地種植巨菌草后，也可減少?gòu)搅髁亢湍嗌沉?，巨菌草生長(zhǎng)過程中發(fā)達(dá)根系，其自身力學(xué)作用能使土壤緊實(shí)，增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體，增強(qiáng)土壤抗蝕性[15]。

2)通過對(duì)官麥地小流域徑流小區(qū)不同土地利用類型各層土壤密度、含水量和孔隙度分析，得出水保林、經(jīng)果林、梯地和種植巨菌草的坡耕地對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)有較好效果。魏義長(zhǎng)等[16]的研究也表明，人工種草、水保林和經(jīng)果林等水保措施可以降低土壤密度，增大土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的通透性和機(jī)械穩(wěn)定性。土壤密度、孔隙度和含水量是重要的土壤物理因子，這些因子的空間變化對(duì)區(qū)域土壤的水分、養(yǎng)分等特性有重要影響[17]。水保林中林木的根系和枯枝落葉層增加了土壤的疏松性、通氣性及透水性，使土壤密度降低，孔隙度增加。坡耕地、荒山草地和經(jīng)果林孔隙度自上而下依次減小，不利于下滲過程持續(xù)進(jìn)行，而梯地和水保林因不同植被群落類型，其根系穿插作用導(dǎo)致非孔隙度自上而下先增大后減小，能夠有效削減徑流，蓄水保墑。

3)石漠化地區(qū)采取適當(dāng)?shù)乃帘３执胧捎行岣咄寥婪柿?，且種植巨菌草對(duì)提高土壤全氮、全磷最為明顯。李新虎等[18]和喻榮剛等[19]對(duì)土壤養(yǎng)分的研究結(jié)果表明，不同水土保持措施能有效提高坡地土壤養(yǎng)分，且土壤表層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯的表聚性。林興生等[20]對(duì)土壤微生物群落功能多樣性及土壤肥力的影響的研究結(jié)果也表明，種植巨菌草可提高土壤肥力。不同土地利用類型中，坡耕地的土壤全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是經(jīng)果林和水保林，荒山草地最低。在坡耕地種植巨菌草，增加中層土壤微生物數(shù)量，提高土壤肥力，使土壤中層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于表層和底層。經(jīng)果林和水保林種植核桃和云南松，根系分布較深，使土壤底層全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比表層和中層質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

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