贛南崩崗的發(fā)育階段及部位對(duì)土壤水力性質(zhì)的影響

文 慧，倪世民，馮舒悅，王軍光，蔡崇法

贛南崩崗的發(fā)育階段及部位對(duì)土壤水力性質(zhì)的影響

文 慧，倪世民，馮舒悅，王軍光※，蔡崇法

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

為探究贛南典型崩崗侵蝕區(qū)不同發(fā)育階段崩崗對(duì)土壤水力性質(zhì)的影響，采用圓盤入滲儀對(duì)3種不同發(fā)育階段崩崗（初期、活躍期和穩(wěn)定期）以及3個(gè)部位（集水區(qū)、邊坡和溝道）的土壤進(jìn)行了4個(gè)壓力水頭（0、-3、-6和-9 cm）下的圓盤入滲試驗(yàn)。結(jié)果表明，崩崗發(fā)育階段和部位顯著影響著土壤的理化性質(zhì)。隨著壓力水頭的減小，3種不同發(fā)育階段崩崗的土壤穩(wěn)定入滲率逐漸減小，土壤砂粒含量顯著影響土壤的入滲參數(shù)。3種不同發(fā)育階段崩崗與土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)之間差異不顯著。除了-9 cm壓力水頭下的導(dǎo)水率以外，崩崗的部位顯著影響土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)值。不同發(fā)育階段崩崗的大孔隙對(duì)水流貢獻(xiàn)率隨著崩崗受侵蝕程度的增加而增加，不同發(fā)育階段崩崗各部位土壤大孔隙、中等孔隙2以及小孔隙對(duì)水流貢獻(xiàn)率影響顯著，其中活躍期崩崗溝通處大孔隙對(duì)水流的貢獻(xiàn)率最高。研究結(jié)果可為南方不同發(fā)育階段崩崗的土壤侵蝕過程提供一定的參考。

土壤；崩崗；土壤水力性質(zhì)；圓盤入滲儀

0 引 言

崩崗是指山坡土石體在水力和重力的作用下受破壞而崩塌及受沖刷的侵蝕現(xiàn)象，在中國主要發(fā)生于花崗巖分布廣泛的南方地區(qū)[1-2]。由于其發(fā)展速度快、侵蝕程度大，是造成當(dāng)?shù)赝恋刭Y源和生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因，能引起自然災(zāi)害并直接危及當(dāng)?shù)鼐用竦娜松碡?cái)產(chǎn)安全，現(xiàn)已經(jīng)成為水土保持研究的重要研究方向[3]。崩崗作為一種地貌過程具有階段性，按其發(fā)育階段可以分為初期、活躍期和穩(wěn)定期[4]。影響其發(fā)育的主要因素包括花崗巖的結(jié)構(gòu)、降雨、地質(zhì)地形因素以及人類活動(dòng)的作用等，地表徑流沖刷溝床形成細(xì)溝切溝，其入滲過程決定了降雨過程水分在崩崗剖面的再分配，影響崩崗的土壤侵蝕特征[5-6]。

土壤入滲是探討地表徑流產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[7-8]，通常被應(yīng)用在水文過程、土壤侵蝕以及污染物運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)測(cè)上。影響土壤水分入滲的因素主要有土壤質(zhì)地、土壤含水率和土壤有機(jī)質(zhì)等[9-10]。目前，對(duì)土壤入滲的測(cè)定方法有很多，如環(huán)刀法、雙環(huán)法、定水頭滲透儀法、人工模擬降雨法等[11-13]。Bagarello等[14]利用張力入滲儀測(cè)量了紅土不同壓力水頭下的土壤水力性質(zhì)；江凌等[11]采用雙環(huán)法、環(huán)刀法和土壤入滲自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，研究崩崗崩壁的3個(gè)土層入滲情況的差異；朱良君等[15]利用雙環(huán)、單環(huán)、圓盤入滲儀和Hood入滲儀4種方法測(cè)定了黃土土壤入滲性能，結(jié)果表明圓盤入滲儀更適合用于野外試驗(yàn)。由于圓盤入滲儀便于操作并且提供可靠的土壤導(dǎo)水率值，近年來已成為一種常用的田間測(cè)定土壤水力參數(shù)的儀器[16-18]。

土壤導(dǎo)水率以及土壤孔隙大小分布Gardner常數(shù)等是反映土壤入滲能力的重要參數(shù)[19]。佘冬立等[20]利用圓盤入滲儀測(cè)定了4種土地利用方式下的土壤水力特征參數(shù)，結(jié)果表明土地利用方式對(duì)土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)均有顯著影響。相關(guān)學(xué)者對(duì)崩崗的成因、地質(zhì)地貌、分布特征、治理措施以及不同土地利用類型下的土壤入滲特性進(jìn)行了相關(guān)研究[21-22]，但對(duì)不同發(fā)育階段崩崗的土壤入滲特性方面的研究較少。因此，本文采用圓盤入滲儀測(cè)定3種不同發(fā)育階段崩崗?fù)寥缹?dǎo)水率等相關(guān)參數(shù)，以研究不同發(fā)育階段崩崗?fù)寥浪π再|(zhì)的變化，對(duì)深入探討崩崗的侵蝕過程具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省贛縣金鉤形小流域，介于114°42′～115°22′E，25°26′～26°17′N之間，地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、光照充足、雨量充沛、四季分明、無霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)。該區(qū)地貌類型以低山、丘陵為主，局部為河谷平地。成土母質(zhì)以花崗巖類風(fēng)化物為主，巖體風(fēng)化迅速，風(fēng)化殼具有豐富的裂隙面和節(jié)理面，為水土流失的發(fā)生提供有力的內(nèi)在條件。土壤類型以紅壤和水稻土、潮土為主，植被物種以馬尾松和鐵芒萁為主，多年平均氣溫為19.3 ℃，年平均降雨量為1 476 mm。項(xiàng)目區(qū)土地總面積214.21 km2，存在崩崗815處，崩崗面積95.8 hm2，屬贛南山地丘陵強(qiáng)度侵蝕區(qū)[23]。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 采樣點(diǎn)及土壤樣品采集

本試驗(yàn)在對(duì)研究區(qū)內(nèi)崩崗進(jìn)行調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，按崩崗侵蝕特征和發(fā)育階段，將其分為發(fā)育初期、發(fā)育活躍期和發(fā)育穩(wěn)定期（表1）。集水坡面是崩崗主要的匯水區(qū)域，降雨降落至此形成徑流，沖刷地表土體，為崩崗侵蝕提供最原始的動(dòng)力。邊坡位于崩崗的兩邊，未發(fā)生崩塌，植被覆蓋度較高。徑流下切形成溝道，大量泥沙輸送，是連接崩崗與外部環(huán)境的通道。因此，選取不同發(fā)育階段崩崗的集水區(qū)、邊坡和溝道3個(gè)部位為研究對(duì)象進(jìn)行圓盤入滲試驗(yàn)。每個(gè)部位選取3～4個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，與此同時(shí)，于崩崗各個(gè)部位采集原狀土壤的環(huán)刀樣（100 cm3）和1～2 kg散土樣裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行風(fēng)干后用于土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)分析，樣品采集和土壤性質(zhì)的測(cè)定進(jìn)行3次重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

張力圓盤入滲儀由氣泡塔、儲(chǔ)水管、圓盤和ID管組成。試驗(yàn)采用入滲圓盤直徑為20 cm，儲(chǔ)水管直徑為4.45 cm，高度為100 cm。試驗(yàn)前將樣點(diǎn)周圍半徑20 cm內(nèi)的土壤表面整平，并用小刀移除土壤表面植物，整理過程中不破壞土壤中的根系，于整理后的土壤表面平鋪過1 mm篩的細(xì)沙，厚度約為2～3 mm，以確保圓盤底部與土壤的良好接觸。每個(gè)測(cè)點(diǎn)按供水壓力水頭0、-3、-6和-9 cm的順序依次進(jìn)行圓盤入滲試驗(yàn)，在前5 min內(nèi)每隔10 s記錄儲(chǔ)水管的讀數(shù)，隨后5 min內(nèi)每隔30 s記錄一次讀數(shù)，從第10 min開始按每隔1 min讀取一次讀數(shù)，直到相同時(shí)間間隔內(nèi)儲(chǔ)水管下降的高度相等，停止實(shí)驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)做3個(gè)重復(fù)。

表1 各發(fā)育階段崩崗及部位

利用非線性回歸和wooding方法[24]，計(jì)算自由入滲中的導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)的值[25]。擬合的方程為

根據(jù)毛管水的理論，在-3、-6、-9 cm壓力水頭下的入滲將分別排除當(dāng)量半徑大于0.5、0.25、0.1 mm中的水流。因此，將孔隙分為4個(gè)等級(jí)：大孔隙（孔隙半徑>0.5 mm），中等孔隙1（孔隙半徑>0.25～0.5 mm），中等孔隙2（孔隙半徑0.1～0.25 mm），小孔隙（孔隙半徑<0.1 mm）。不同級(jí)別孔隙對(duì)水流的貢獻(xiàn)率表明了各級(jí)孔隙的導(dǎo)水能力，記為[26]

3.4 提高患者健康知識(shí)掌握情況及護(hù)理滿意度 通過臨床護(hù)理路徑進(jìn)行健康教育可使健康教育具有計(jì)劃性、預(yù)見性，提高健康教育的針對(duì)性，從而提高患者對(duì)健康知識(shí)的掌握程度。同時(shí)，護(hù)士根據(jù)臨床護(hù)理路徑與患者及家屬交流時(shí)，能促進(jìn)護(hù)士主動(dòng)宣教意識(shí)，督促護(hù)士每天下病房與患者交流，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)指導(dǎo)，通過更專業(yè)的健康教育知識(shí)給予患者熱情周到的服務(wù)，增加了患者對(duì)護(hù)士的信任，密切了護(hù)患關(guān)系，減少了護(hù)患糾紛，提高了護(hù)理滿意率。本研究表明，經(jīng)臨床護(hù)理路徑進(jìn)行健康教育后，患者對(duì)健康知識(shí)掌握情況及護(hù)理滿意度明顯提高(P＜0.05)，說明經(jīng)臨床護(hù)理路徑進(jìn)行健康教育，可顯著提高患者健康知識(shí)掌握情況及護(hù)理滿意度。

采取的樣品經(jīng)風(fēng)干后于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析基本理化性質(zhì)，土壤容重，毛管孔隙度、總孔隙采用環(huán)刀法測(cè)定；吸管法測(cè)定土壤的機(jī)械組成；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法[27-28]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Excel 2016、SPSS 22.0和Origin2020軟件進(jìn)行分析與處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)育階段崩崗基本理化性質(zhì)分析

由表2可知，3種不同發(fā)育階段崩崗容重之間無明顯差異，變化范圍在1.32~1.45 kg/m3，其中，活躍期崩崗的容重最大為1.45 kg/m3。初期崩崗的初始含水率最高為27.64 %，是活躍期崩崗初始含水率的1.67倍。活躍期崩崗?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)含量最低，沙粒含量最高為63.33 %。土壤中的有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為初期>穩(wěn)定期>活躍期，穩(wěn)定期崩崗的發(fā)育逐漸穩(wěn)定后，自身存在一定的自我修復(fù)能力，植被和微生物開始逐漸恢復(fù)，植物根系具有一定的固土作用使得土壤中的有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加。崩崗的不同部位中，發(fā)育初期崩崗溝道處容重最低為1.15 kg/m3，是其他部位（集水區(qū)、邊坡）的0.82倍?；钴S期崩崗溝道處沙粒含量最高為80.24 %，顯著高于其他部位（<0.05），隨著崩崗地勢(shì)的降低，從集水區(qū)到溝道，土壤含水率逐漸減小，溝道處最小（7.95 %）。

表2 不同發(fā)育階段崩崗的基本理化性質(zhì)

注：不同字母表示不同部位間差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters indicate significant differences between parts (<0.05)

根據(jù)一般線性模型（general linear model）分析，崩崗的不同發(fā)育階段（初期、活躍期和穩(wěn)定期）對(duì)土壤含水率、粉粒和砂粒含量有顯著影響（<0.05），崩崗3個(gè)部位（集水區(qū)、邊坡和溝道）對(duì)土壤基本理化性質(zhì)無顯著影響（表 3）。除了土壤黏粒含量外，崩崗的不同發(fā)育階段與不同部位之間的相互作用對(duì)其他土壤基本性質(zhì)的影響顯著（<0.05）。

表3 崩崗不同發(fā)育階段和部位對(duì)基本理化性質(zhì)影響的顯著性

2.2 不同發(fā)育階段崩崗入滲過程分析

分析不同發(fā)育階段崩崗的土壤入滲特性，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，土壤入滲速率逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。如圖2所示，隨著壓力水頭的增加，土壤的穩(wěn)定入滲率逐漸增加，壓力水頭為0 時(shí)的土壤穩(wěn)定入滲率明顯大于其他壓力水頭的穩(wěn)定入滲率，且表現(xiàn)為活躍期>穩(wěn)定期>初期。發(fā)育穩(wěn)定期崩崗溝道處的土壤穩(wěn)定入滲率最高，是發(fā)育初期、活躍期崩崗溝道處的1.01、1.40倍。表明崩崗發(fā)育穩(wěn)定期溝道處土壤結(jié)構(gòu)較差，保水儲(chǔ)水能力弱。

發(fā)育初期和發(fā)育穩(wěn)定期崩崗不同部位的土壤穩(wěn)定入滲率在不同負(fù)水頭條件下變化基本相同，都表現(xiàn)為溝道>邊坡>集水區(qū)，并且穩(wěn)定入滲速率隨著負(fù)壓的增加逐漸增加（圖2）。發(fā)育活躍期崩崗不同部位在壓力水頭為0 時(shí)的土壤穩(wěn)定入滲率，表現(xiàn)為溝道>集水區(qū)>邊坡。不同發(fā)育階段崩崗的土壤穩(wěn)定入滲率隨著負(fù)水頭的變化具有顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系（2>0.87）。主要是由于負(fù)壓的增加導(dǎo)致土壤內(nèi)的小孔隙逐漸被排干，因此土壤的入滲能力越來越差。

a. 初期 a. Initial stage b. 活躍期 b. Active stage c. 穩(wěn)定期 c. Stable stage

2.3 不同發(fā)育階段崩崗的土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)

表4總結(jié)了3個(gè)不同發(fā)育階段崩崗以及其部位，在不同壓力水頭下的土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)值。3個(gè)不同發(fā)育階段崩崗的土壤導(dǎo)水率均隨著壓力水頭的增加而增加，在壓力水頭為0 時(shí)最大，且都表現(xiàn)為活躍期>穩(wěn)定期>初期，其中活躍期崩崗的土壤飽和導(dǎo)水率是初期和穩(wěn)定期崩崗的4.12、3.68倍。除了發(fā)育初期，崩崗?fù)寥里柡蛯?dǎo)水率值都表現(xiàn)為溝道>邊坡>集水區(qū)。這可能是因?yàn)?，發(fā)育初期的崩崗，水蝕作用強(qiáng)烈，在降雨和地表徑流的作用下，集水區(qū)坡面受到嚴(yán)重的侵蝕。土壤導(dǎo)水率的變異系數(shù)CV的值在1.25%～58.73%之間，表明土壤導(dǎo)水率有中等的空間變異性。土壤孔隙大小分布Gardner常數(shù)值在0.09～0.40 cm-1之間，表現(xiàn)為活躍期>穩(wěn)定期>初期，表明活躍期崩崗的土壤孔隙分布差異最明顯，變異系數(shù)在0.25%～40.96%，表現(xiàn)為中等變異性。3種不同發(fā)育階段崩崗溝道處的Gardner常數(shù)值都最大，為集水區(qū)和邊坡的0.98～2.86倍。

表4 不同發(fā)育階段崩崗?fù)寥赖娜霛B特性

注：為飽和土壤導(dǎo)水率；9、6、3分別為壓力水頭為-9、-6、-3 cm時(shí)的土壤導(dǎo)水率；為Gardner常數(shù)。

Note:is saturated soil hydraulic conductivity;9,6,3are soil hydraulic conductivity with pressure headof -9、-6、-3 cm respectively;is Gardner constant.

為研究不同發(fā)育階段崩崗以及其部位對(duì)土壤導(dǎo)水率大小和孔隙大小分布的影響，分別對(duì)3種不同發(fā)育階段崩崗以及3個(gè)部位的土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)值進(jìn)行方差分析。結(jié)果如表5所示，崩崗不同發(fā)育階段的土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)值無顯著差異（>0.05），這表明崩崗的發(fā)育階段，不是影響土壤導(dǎo)水率和Gardner常數(shù)的主要原因。除了-9 cm水頭下的導(dǎo)水率以外，崩崗不同部位的土壤導(dǎo)水率、3、6和Gardner常數(shù)值之間均存在顯著差異（<0.05），測(cè)得的土壤飽和導(dǎo)水率（）在活躍期和穩(wěn)定期崩崗不同部位從大到小依次為溝道>邊坡>集水區(qū)，初期崩崗的土壤飽和導(dǎo)水率（）從大到小為溝道>集水區(qū)>邊坡，表明不同部位下的土壤孔隙分布有明顯的差異，溝道處的土壤結(jié)構(gòu)差，植被覆蓋低、易受擾動(dòng)，土壤中大孔隙較多。

表5 不同發(fā)育階段崩崗?fù)寥缹?dǎo)水率和Gardner常數(shù)α的方差分析

2.4 不同發(fā)育階段崩崗?fù)寥揽紫都?jí)別對(duì)入滲的貢獻(xiàn)

對(duì)崩崗的土壤孔隙級(jí)別對(duì)水流的貢獻(xiàn)率進(jìn)行方差分析，進(jìn)而研究不同發(fā)育階段的崩崗以及其3個(gè)部位對(duì)不同級(jí)別孔隙對(duì)水流貢獻(xiàn)率的影響。結(jié)果如表6所示，3種不同發(fā)育階段的崩崗孔隙對(duì)水流的貢獻(xiàn)率均無顯著差異。崩崗不同部位的土壤孔隙級(jí)別對(duì)水流的貢獻(xiàn)率除中等孔隙1外，大孔隙、中等孔隙2和小孔隙對(duì)水流的貢獻(xiàn)率均有顯著差異（<0.05）。3種不同發(fā)育階段崩崗溝道處的大孔隙對(duì)水流的貢獻(xiàn)率均在45%以上。表明崩崗的部位是影響土壤孔隙大小分布的主要因素之一。

a. 初期 a. Initial stageb. 活躍期 b. Active stagec. 穩(wěn)定期 c. Stable stage