喀斯特高原峽谷區(qū)頂壇花椒與金銀花林地土壤抗侵蝕特征*

劉 志 楊 瑞 裴儀岱

（貴州大學林學院，貴陽 550025）

喀斯特地區(qū)石漠化是土地退化的一個類型，通常表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用地數(shù)量減少（表土喪失或土體毀失）和質(zhì)量降低（土壤物理、化學、生物學方面質(zhì)量下降），其主要特征是由于水力及重力作用而造成的土壤流失［1］?？λ固馗咴ń瓖{谷區(qū)是貴州省喀斯特石漠化問題最為突出的地區(qū)之一，由于降雨較為豐富、山地坡度較大、溝谷地區(qū)常常有季節(jié)性河流及植被覆蓋率不高等因素。因此在夏季降雨時，地表徑流增大時常常伴隨著土壤被侵蝕而沖刷搬運至下游，導致形成“耕作→土壤流失→生態(tài)失衡→土地貧瘠→貧窮”的惡性循環(huán)。在喀斯特石漠化生態(tài)綜合治理中植被恢復與重建，選擇鄉(xiāng)土經(jīng)濟植物頂壇花椒、金銀花的種植在喀斯特特色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中有著相當不錯的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益［2-4］。1980年黃義瑞［5］對我國幾種主要地面物質(zhì)抗侵蝕性能進行了初步研究，討論了土壤抗蝕、抗沖性能及其分級等問題，并將我國主要地面物質(zhì)歸并為五個類型。近些年來國內(nèi)眾多學者對土壤的抗侵蝕及入滲過程也進行了研究，如李紅云等［6］對濟南石灰?guī)r山區(qū)4種主要灌木林地土壤的物理性狀和抗侵蝕性能進行研究，得出4種灌木林地土壤抗蝕性能增強作用從大到小為：黃櫨林、連翹林、黃荊林、繡線菊林。楊賢均等［7］對湖南省邵東縣紅壤三種不同林分的水土保護功能分析得出：欒樹、榿木、楓香闊葉混交水土保持林涵養(yǎng)水源、保持水土功能均優(yōu)于楓香-馬尾松、楓香-濕地松針闊混交水土保持林，李超等［8］對黃土丘陵區(qū)不同撂荒年限土壤入滲及抗沖性研究得出：土壤抗沖系數(shù)與容重、有機質(zhì)、根系生物量、土壤孔隙度均呈極顯著相關(guān)；相關(guān)土壤抗沖系數(shù)與初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率均呈極顯著正相關(guān)。王丹丹等［9］對晉西黃土區(qū)退耕林地土壤抗沖性研究得出：坡度、枯落物、生物多樣性是影響土壤抗沖性的主要因子。盧喜平等［10］對兩種果草模式根系提高土壤抗蝕性的研究得出：土壤的抗蝕性與土體中根系含量密切相關(guān)。何丹等［11］土壤入滲特性的空間變異規(guī)律及其變異源得出：土地利用方式不僅影響土壤入滲特性的大小，而且影響其變異的空間依賴性規(guī)律。由于區(qū)域環(huán)境條件及植物生長特性的差異性，本文選擇喀斯特峽谷區(qū)種植的頂壇花椒、金銀花林地土壤作為研究對象，分析其林下土壤抗侵蝕性特征，以期為喀斯特區(qū)水土保持林的恢復、生態(tài)環(huán)境建設提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點選擇

研究區(qū)位于黔西南花江喀斯特石漠化綜合治理示范區(qū)內(nèi)，為我國典型的喀斯特高原峽谷區(qū)，地處貞豐縣與關(guān)嶺縣交接處的北盤江河段峽谷兩岸，105°36′30″E～105°46′30″E、25°39′13″N～25°41′00″N。地表巖石裸露且破碎，地勢起伏落差大，海拔600～1 200 m，年均溫18.4℃，年均降雨量1 100 mm，且時空分布不均，其中5—10月降水量占全年總降水量的83%。冬春溫暖干旱，夏秋潮濕，為亞熱帶季風濕潤氣候。該地區(qū)土壤為石灰?guī)r發(fā)育形成的石灰土為主，基巖裸露率在70%以上，是貴州省石漠化極其嚴重地區(qū)。2015年8月，在研究區(qū)內(nèi)選擇廣泛種植的頂壇花椒純林（以下簡稱花椒林）、金銀花純林（以下簡稱金銀花林）、金銀花-花椒混交林（以下簡稱混交林）和撂荒地（以下簡稱對照）4種類型作為研究對象，選擇土壤類型、坡向、坡位及土地利用情況等（表1）基本一致，分別在不同類型中選擇5個取樣點，呈“S”型取樣。其中土壤入滲采用環(huán)刀（200 m3）取土，根據(jù)土壤剖面層次0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm進行原狀土取樣，分別設3個重復。土壤抗沖性取樣在0～20 cm的土層內(nèi)用長、寬、高（15 cm×8 cm×7 cm）的取樣器。土壤抗蝕性取樣在0～20 cm的土層以花椒林、金銀花林、混交林、對照為樣本設3個重復，用密封袋裝袋編號后帶回實驗室風干完成相關(guān)實驗。

表1 不同取樣點基本情況Table 1 Basic information of the sampling points

1.2 測定方法

土壤滲透性采用測定：單環(huán)刀法（環(huán)刀采用200 m3）測定［12］。本研究經(jīng)過預實驗得出土樣穩(wěn)定滲透基本集中于30 min左右，所以試驗總時間設計為60 min，單位時間為2 min。本研究取每個樣地前2 min下滲速率為初始滲透速率，穩(wěn)定滲透速率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率，60 min平均滲透速率=60min滲透總量/60min。

土壤抗沖性測定：采用蔣定生［13］設計的原狀土沖刷水槽法測定。樣品侵水12 h后靜置2 h。并統(tǒng)一設置其沖刷坡度為30°，采用年平均降水量換算的2 L·min-1的水流速度進行沖刷，沖刷時間為10 min，每隔1 min用紗布網(wǎng)過濾取土。用沖失每克土所需時間來表示抗沖性系數(shù)，采用公式：

式中，ANS表示土壤抗沖性系數(shù)（min·g-1），Q表示單位時間的流量，T表示沖刷歷時（min），WLDS表示沖刷流失土壤的干重（g）。

土壤抗蝕性測定：采用抗蝕性指數(shù)［14-15］測定。用7 mm、10 mm土壤篩層疊過濾出所需7～10 mm土粒，每次測定取備50顆，每一分鐘記錄一次崩裂的顆數(shù)，試驗歷時為10 min。采用每分鐘未崩解土粒數(shù)量（m-n）與總土粒的比值來表示抗蝕性指數(shù)（k），采用公式：

式中，k表示土壤的抗蝕性指數(shù)，m表示總土粒，n表示崩解總土粒。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS、Excel等軟件進行統(tǒng)計和分析，文章中所有的圖采用Origin Pro 9.0繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤滲透性能

土壤孔隙是土壤團聚體之間的孔隙，是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，孔隙度的大小與孔隙數(shù)量多少及其連通性反映了土壤的持水保水性能，并通過影響土壤的通氣透水性及根系穿插的難易程度，對土壤中水、肥、氣、熱以及生物活性等發(fā)揮著不同的作用［15-16］。

表2中花椒林土壤的總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，隨著土層深度增加均呈均勻下降趨勢，而容重隨著孔隙的減少而不斷增加。金銀花林土壤總孔隙度、毛管孔隙度，雖然隨著土層深度的增加均呈下降趨勢，但是從土層深度0～10 cm變至10～20 cm與10～20 cm變至20～30 cm的變化差距明顯變大。因金銀花為淺根系植物，由此可表明植物根系對土壤孔隙度的促進作用。經(jīng)對不同經(jīng)濟型植物的林下土壤分析，對容重而言：對照大于金銀花林大于花椒林大于混交林；對總孔隙度而言：混交林大于花椒林大于金銀花林大于對照；對毛管孔隙度而言：混交林大于花椒林大于對照大于金銀花林；對非毛管孔隙而言：金銀花林大于混交林大于對照大于花椒林；對土壤穩(wěn)滲速率而言：花椒林、混交林均隨土層深度增加，穩(wěn)滲速率呈下降趨勢，而金銀花、對照均出現(xiàn)20～30 cm土層的土壤穩(wěn)滲速率較10～20 cm速率土層大，下層土壤滲透速率較上層土壤快，加快了自由水的流失，由此得出混交林地更容易保持水分。

毛管孔隙儲存的水分可以供植物根系吸收或土壤蒸發(fā)，而非毛管孔隙除為飽和土壤水分提供通道外，僅只為水分的暫時儲存提供空間，土壤非毛管水也是土壤水下滲的重要通道［15-16］。從表2可以看出，不同植被類型下的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率、總滲透量的變化趨勢保持一致，而與土壤的總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的變化并不一致。從表2可以看出，對于平均總滲透量、平均滲透速率、平均穩(wěn)滲速率、平均初滲速率而言均存在花椒林大于對照大于混交林大于金銀花林。

2.2 土壤抗沖性

土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對土壤的機械破壞和推動下移的性能，它主要取決于土粒間和微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力和土壤結(jié)構(gòu)體間的抵抗離散的能力。影響林地土壤沖刷的主要原因：一方面是外營力，雨滴對地表的濺擊和地表徑流對地面的沖刷；另一方面是土壤本身的抗沖性即抵抗徑流對地表的機械破壞和推移的能力［17］。

由圖1和表3可以直觀看出不同植被下的原狀土在開始沖刷時均較大，呈現(xiàn)對照大于花椒林大于混交林大于金銀花林。沖刷10 min流失量最小的為金銀花林。金銀花林在10 min沖刷過程中土壤流失總量為9.9 g?；旖涣值暮沉吭?0 min幾乎趨近于平穩(wěn)。因此說明混交林下土壤抗沖性較穩(wěn)定。而花椒林和對照土壤雖然每分鐘流失量一直在減少，但是依舊大于混交林和金銀花林的土壤流失量?；ń妨帧⒒旖涣?、金銀花林、對照在10 min、2 L·min-1水流沖刷下，土壤流失總量分別為45.98、24.39、9.9和63.63 g。

能性透滲壤土的下型類地林同不2表m量/m透tal滲To總eability perm率速e 1）透n rate/滲均Av erag m·min-平penetratio（m率Steady rate/1）速滲穩(wěn)filtration m·minin （m es rate/1）d typ 速滲e to lan率Initial初filtration m·minin （m ility relativ隙illary 度/%孔sity ermeab 管毛非No n cap ro po il p /%So 隙孔度sity ble 2管毛Capillary ro po Ta隙tal /%孔sity總To度ro po 3)重容density/lk ·cm-Bu (g度ness/厚層土il thick cm So pe Ty型類96 7 804 1 97 9792 3 5 1.2 6 348.25 4.23.5 15 5.3 6 236.76 3.38.1 11 3.3 28 67.1 149.10.1 30 a 7.18 ab 6.66 b 6.05 6.63 7a.27ab 1b 8 51.1.9 50.5 4849 5a.43a 6a 1 58.8 56.5 54.6 56 a 1.08 a 1.12 a 1.13 1.11 1000 0～～2Mean 10～3 20值均林xylu m m v ar椒花ntho sis forest en Za ispinu plan dintan 4 28 25 1 0 1.23 4.44 1.21 4.20 1.56 6.63 a 8.18 a 8.14 1a.68b 52.0 50 9a.73a 60.6 58 a 1.01 a 1.13 100 0～～2 10林交混Mixed forest 3 94 4.08 3.68 7.19 a 6.56 7a.9 50 4a.5 57 a 1.17 0～3 20 0 75 3.25 3.03 5.13 7.63 2.2 51 9.9 58 1.10 Mean值均6 30 6 20 1 22 1.33 0.89 0.96 1.21 0.87 0.82 1.86 2.51 2.04 7a.89a 4a 10.1 11.6 10 3a.92a 1a 45.9 44.0 42 0a.81a 5a 56.1 56.6 52 a 1.13 a 1.15 a 1.22 1000 0～～2 10～3 20 nica林花ja po銀rest金nicera fo Lo 4 24 1.06 0.97 2.14 1.9 10 9.2 44 9.1 55 1.17 Mean值均67 2 29 16 9.82 0.73 8.32 0.65 6.4 16 1.30 a 8.63 5a.1 14 0a.97b 49.7 41 3a.52a 58.9 55 a 1.07 a 1.15 100 0～～2 10照對ntrast Co 6 31 1.37 1.30 2.51 a 5.09 4ab.5 44 3b.6 49 b 1.34 0～3 20 7 91)t (P＜0.05 3.97lo d p e lan 3.42ers in the sam il lay so etween 6.76 ifferences b nificant d 7.29 icate sig 0.4 47 ifferent letters ind 9te：D.6 54No 5）（P＜0.0 1.19著顯異差間Mean 之層土值 同均不地樣一同示表母字同不：注

圖1 不同林地類型下土壤沖刷泥沙含量變化過程Fig. 1 Variation of soil erosion and sediment content under relative to land types

表3 不同林地類型下土壤沖刷實驗結(jié)果Table 3 Soil scour test relative to land types

由圖2可以較明顯看出花椒林和對照的土壤抗沖性系數(shù)較低，且比較穩(wěn)定。說明花椒林雖然對土壤侵蝕量有一定的減少作用，但是侵蝕量依舊很大。而混交林和金銀花林的抗沖性系數(shù)比較大，其中金銀花的增長趨勢最明顯。說明金銀花林土壤侵蝕量較少，由表3的抗沖性系數(shù)可表明恢復類型中土壤抗沖性為金銀花林大于混交林大于花椒林大于對照。

圖2 不同林地類型的土壤抗沖性系數(shù)Fig. 2 Soil anti-scour coefficients relative to land types

2.3 土壤抗蝕性

土壤抗蝕性是指土壤對抗侵蝕作用的分離和搬運的抵抗能力。土壤抗蝕性與土壤內(nèi)在的物理和化學性質(zhì)密切相關(guān)。土壤的這些理化性質(zhì)包括土壤的顆粒組成、團聚體的穩(wěn)定性、有機質(zhì)含量、滲透率、緊實度、黏土礦物的性質(zhì)及化學成分等［18-20］。因此評價土壤抗蝕性指標較多，目前常見的主要有土壤有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性團聚體、平均質(zhì)量直徑、團聚度分散率、抗蝕指數(shù)等［19-22］，本文是從抗蝕指數(shù)方法進行研究。

通過對花椒林、金銀花林、混交林和對照土壤的抗蝕性能力進行對比，崩解實驗結(jié)果如圖3所示，10 min混交林崩解的比例高于其他各個恢復類型，混交林大于對照大于金銀花林大于花椒林，混交林每分鐘的崩解數(shù)量前期小于其余林地，后期基本相等。混交林在該實驗過程中一直保持每分鐘崩解量最小，其次為對照、金銀花林和花椒林。

圖3 不同林地土壤的崩解過程Fig. 3 Soil collapsing process relative to land types

3 結(jié) 論

在貴州喀斯特高原峽谷區(qū)，由于各種人為因素的干擾及喀斯特區(qū)特殊的生境條件，石漠化情況特別嚴重，在喀斯特石漠化綜合治理過程中，植物的選擇與組合搭配方式對遏制喀斯特區(qū)石漠化發(fā)展勢頭，改善地區(qū)人居環(huán)境，保持水土具有重要的作用。土壤抗侵蝕能力的研究是植物保持水土能力至關(guān)重要的條件，對于土壤抗侵蝕能力的研究許多學者主要是從土壤抗沖性和抗蝕性兩個方面進行分析［15,23］，本研究引入土壤滲透能力這一指標，并將三個指標綜合進行分析，更好地說明喀斯特高原峽谷地區(qū)土壤抗侵蝕能力的特征。本研究通過對喀斯特高原峽谷區(qū)不同植被類型下土壤入滲性能、土壤抗沖性、土壤抗蝕性研究發(fā)現(xiàn)。土壤入滲性能表現(xiàn)為花椒林大于對照大于混交林大于金銀花林；土壤抗沖性表現(xiàn)為金銀花林大于混交林大于花椒林大于對照；土壤抗蝕性混交林大于對照大于金銀花林大于花椒林。最后針對土壤入滲性能、土壤抗沖性、土壤抗蝕性三方面數(shù)據(jù)綜合分析，得出混交林的土壤抗侵蝕能力明顯優(yōu)于花椒林、金銀花林和對照。因此，在喀斯特高原峽谷地區(qū)大力開展頂壇花椒—金銀花混交種植模式，它不僅是該地的水土保持經(jīng)濟林的最優(yōu)模式，而且對地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導意義。