植物籬籬前淤積帶與籬下土坎土壤水庫和抗剪性能對比研究

翟婷婷,諶 蕓,*,李 鐵,向明輝,王潤澤,唐 菡,周 濤,劉梟宏

1 西南大學資源環(huán)境學院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室, 重慶 400715 2 遂寧市水土保持試驗站, 遂寧 629006

長江上游紫色丘陵區(qū)土壤成土過程以強烈的物理風化為主,加之該區(qū)集中頻繁的暴雨天氣以及高強度的農(nóng)業(yè)耕作方式,使得該區(qū)土壤退化情況日趨嚴重,尤以坡耕地最為突出。紫色土作為該區(qū)坡耕地的主要土壤類型,其土層淺薄、結構疏松、抗侵蝕能力差,極易發(fā)生水土流失[1]。坡耕地是該區(qū)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源,對保障人民群眾生活、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟具有重要作用,其合理開發(fā)、利用和改良已經(jīng)成為實現(xiàn)山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

植物籬是一種在長期農(nóng)耕實踐中產(chǎn)生的坡耕地水土保持措施,可通過枝葉攔截降雨、泥沙,降低徑流流速等方式影響徑流過程[2],減少泥沙和控制面源污染[3-4]；優(yōu)化土壤顆粒組成,增加土壤團聚,改善土壤理化性質(zhì)[5]；提高土壤抗剪抗蝕能力[6],增加土壤肥力[7-8],在坡耕地資源可持續(xù)利用中具有顯著的生態(tài)和經(jīng)濟效益[9]。此外,隨著植物籬水土保持作用逐漸凸顯,在攔截徑流泥沙過程中籬帶前形成短距離回水帶,使土粒沉積下來淤積在籬前,逐漸形成淤積帶；而經(jīng)籬帶過濾后的徑流,流速增大,動能增加,使植物籬下方侵蝕較大卻少有泥沙補充,逐漸形成籬下土坎[10-11]。許峰等[12]研究發(fā)現(xiàn)植物籬及麥稈攔蓄的泥沙可形成高0.19—0.46 m的籬坎,且于籬前形成近水平寬0.09—0.28 m的淤積帶。目前對于籬前淤積帶與籬下土坎的研究大多集中在二者的形成機理方面,對其土壤結構和抗剪性能等方面的研究甚少,僅少數(shù)研究人員如王潤澤等[1]對籬前淤積帶的土壤團粒結構作了分析,探究了其團聚體組成和穩(wěn)定性特征。

籬前淤積帶的存在使得徑流流速減小、徑流侵蝕能力降低,籬下土坎由于跌水造成的沖刷而局部產(chǎn)生紋溝,使得徑流侵蝕和搬運能力降低[10]。顯然,與作物帶不同,籬前淤積帶和籬下土坎有著獨特的水土保持功能,且土壤水庫特征對于土壤蓄水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水有重要作用[13],土壤抗剪性能對遏制水土流失和提高土地生產(chǎn)力具有重要意義[14]。為此,本文通過對比分析,探討不同植物籬以及雨季前后籬前淤積帶和籬下土坎的土壤水庫和抗剪性能變化規(guī)律,以期為進一步闡釋籬前淤積帶和籬下土坎的獨特作用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省遂寧市安居區(qū)水土保持試驗站。該區(qū)地處川中盆地的中部(105°28′37″E、30°21′51″N,海拔288.00—330.58 m),年平均氣溫為18.2 ℃,多年平均降雨量為933.3 mm,5—9月集中降雨量可占全年降雨量的72.6%,年均蒸發(fā)量為897.2 mm,屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候。該區(qū)土壤的pH值呈中性到微堿性,土壤松散,大部分為遂寧組紫色砂、頁、泥巖上風化形成的幼年紫色土,結構性差,土壤抗侵蝕能力弱[15]。

1.2 試驗設計

試驗布設3個標準徑流小區(qū)：10°新銀合歡植物籬小區(qū)(L10)、10°香根草植物籬小區(qū)(V10)、15°香根草植物籬小區(qū)(V15),各小區(qū)農(nóng)作物種植方式均為冬油菜-夏玉米,順坡常規(guī)種植。小區(qū)上、中、下坡位各布設一條植物籬帶,每帶2行植株,帶寬0.5 m,10°和15°植物籬小區(qū)帶間距分別為6.27 m和6.40 m,植物籬布設圖見相關文獻[16]。采樣時間為2017年5月(雨季初)和9月(雨季末),分別為收成和剛播種時期,減少了農(nóng)作物根系對土壤性質(zhì)的影響,亦可分析雨季對土壤性質(zhì)的影響。籬前淤積帶采樣點位于上、中、下坡位植物籬冠層投影帶上部20 cm范圍,每一坡于中間部分等距設3個采樣點,每一小區(qū)9個樣點,共計27個；籬下土坎采樣點位于上、中坡位植物籬冠層投影帶下部20 cm范圍,同樣每一坡位于中間部分等距設3個采樣點,每個小區(qū)6個樣點,共計18個。

1.3 試驗方法

1.3.1樣品采集

于2017年5月中旬和9月中旬采樣,采樣前3天以上無降水和除草。各小區(qū)于籬前淤積帶和籬下土坎樣點處采樣,每個樣點采集3個重復土樣,分別用環(huán)刀(底面積20 cm2,高5 cm)、環(huán)刀(底面積30 cm2,高2 cm)和鋁盒采集耕層土壤(0—30 cm),帶回實驗室進行土樣容重、孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)、自然含水率、田間持水量、飽和含水量和抗剪強度的測定。

1.3.2指標測定

土壤容重、孔隙度、田間持水量和飽和含水量采用環(huán)刀法測定,自然含水率采用烘干法(105±2 ℃)測定[17],抗剪強度采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應變控制式直剪儀測定[18]。

1.3.3指標計算

土壤水庫總庫容和滯洪庫容計算公式如下[19]：

(1)

(2)

式中,r為土壤密度(g/cm3)；H為土層厚度(cm)；n為土壤層次；C為田間持水量(%)；S為飽和含水量(%)。

土壤抗剪強度指標采用庫倫公式線性回歸確定[18]：

τ(f)=σ·tanΦ+C

(3)

式中,τ(f)為土的抗剪強度(kPa)；σ為作用在剪切面上的法向應力(kPa)；Φ為土的內(nèi)摩擦角(°)；C為土的粘聚力(kPa)。

1.3.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理,SPSS 22.0進行差異顯著性分析(Duncan法,P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 籬前淤積帶和籬下土坎土壤容重和孔隙度特征分析

表1中各小區(qū)同一籬帶,籬下土坎較籬前淤積帶降低土壤容重效果更優(yōu)。各小區(qū)下坡籬前淤積帶土壤容重最大,中坡籬下土坎土壤容重最小,其中V10小區(qū)下坡籬前淤積帶土壤容重較中坡籬下土坎顯著增大45.37%。同一小區(qū),籬前淤積帶土壤容重表現(xiàn)為下坡>中坡>上坡,籬下土坎土壤容重表現(xiàn)為上坡>中坡；籬前淤積帶和籬下土坎土壤容重雨季后較雨季前增大但不明顯。此外,不同小區(qū)同一坡位籬前淤積帶和籬下土坎土壤容重均為V15>V10>L10,可見,同坡度下新銀合歡降低土壤容重效果優(yōu)于香根草,香根草植物籬10°小區(qū)降低容重的效果優(yōu)于15°小區(qū)。

同一籬帶,籬下土坎較籬前淤積帶土壤孔隙性質(zhì)有所改善。籬下土坎土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均較籬前淤積帶大,L10、V10和V15小區(qū)籬下土坎非毛管孔隙度較籬前淤積帶平均顯著高26.93%、23.88%和38.35%；土壤毛管孔隙度則相反,L10小區(qū)籬前淤積帶較籬下土坎顯著高9.56%。同一小區(qū),籬前淤積帶土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均表現(xiàn)為上坡>中坡>下坡,籬下土坎土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均表現(xiàn)為中坡>上坡；土壤毛管孔隙度則相反。同一小區(qū),籬前淤積帶和籬下土坎土壤總孔隙度與非毛管孔隙度均表現(xiàn)出雨季后較雨季前小,土壤毛管孔隙度雨季后較雨季前大。此外,不同小區(qū)籬前淤積帶和籬下土坎的土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均為L10>V10>V15,毛管孔隙度總趨勢為V15>V10>L10。同一坡度,新銀合歡增大土壤總孔隙度和非毛管孔隙度效果優(yōu)于香根草,而同為香根草植物籬,10°小區(qū)優(yōu)于15°小區(qū)；土壤毛管孔隙度則相反。

綜上,同一籬帶,籬下土坎土壤容重和毛管孔隙度均較籬前淤積帶小,土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均較籬前淤積帶大?？梢娀h下土坎的形成可以降低土壤容重和改善土壤孔隙性質(zhì),籬下土坎的土壤透氣性優(yōu)于籬前淤積帶。雨季前同一籬帶籬前淤積帶和籬下土坎降低土壤容重和改善土壤孔隙性質(zhì)均較雨季后好,可見雨季前的土壤透氣性優(yōu)于雨季后,但差異不顯著。此外,新銀合歡較香根草,更能降低土壤容重、增大土壤孔隙度,且緩坡地植物籬對土壤性質(zhì)改善能力更強。

表1 籬前淤積帶和籬下土坎土壤容重與孔隙度

表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3)；不同小寫字母表示P<0.05水平上差異顯著; L10：10°新銀合歡植物籬小區(qū) 10°Leucaenaleucocephalahedgerows plot；V10：10°香根草植物籬小區(qū) 10°Vetiveriazizanioideshedgerows plot；V15：15°香根草植物籬小區(qū) 15°V.zizanioideshedgerows plot

2.2 籬前淤積帶和籬下土坎土壤水分特征分析

從表2可知,同一籬帶,籬前淤積帶土壤自然含水率明顯大于籬下土坎。籬前淤積帶自然含水率分別平均高9.36%(L10)、9.75%(V10)和9.11%(V15)；籬前淤積帶土壤田間持水量和飽和含水量均略大于籬下土坎。同一小區(qū),籬前淤積帶自然含水率、田間持水量和飽和含水量下坡>中坡>上坡,籬下土坎均為上坡>中坡；籬前淤積帶和籬下土坎自然含水率、田間持水量和飽和含水量表現(xiàn)為雨季后大于雨季前。此外,不同小區(qū),籬前淤積帶和籬下土坎自然含水率、田間持水量和飽和含水量均為V15>V10>L10。

由此可見,同一籬帶,籬前淤積帶的田間持水量和飽和含水率均較籬下土坎大,籬前淤積帶土壤自然含水率顯著大于籬下土坎,這表明籬前淤積帶保水效果優(yōu)于籬下土坎。一個雨季后同一籬帶,籬前淤積帶和籬下土坎土壤水分均增加,但并不顯著。此外,較之新銀合歡,香根草有更優(yōu)的保水效果。

表2 籬前淤積帶和籬下土坎土壤水分特征

2.3 籬前淤積帶和籬下土坎土壤水庫特征分析

土壤總庫容是指土壤剖面中所有孔隙的容量,表征土壤所能容蓄水分的總量。土壤滯洪庫容是指土壤剖面中非毛管孔隙度的容量,表征土壤暫時貯存水分的能力[13]。由表3可知,同一籬帶,籬前淤積帶土壤總庫容和滯洪庫容均大于籬下土坎,其中L10、V10和V15小區(qū)籬前淤積帶土壤總庫容分別較籬下土坎高9.54%、8.38%和9.53%。同一小區(qū),籬前淤積帶土壤總庫容和滯洪庫容均為下坡>中坡>上坡,籬下土坎則為上坡>中坡；籬前淤積帶的土壤總庫容和滯洪庫容均于V15小區(qū)變化最明顯,下坡分別為上坡的1.02—1.05倍和1.02—1.04倍；籬下土坎總庫容和滯洪庫容上坡分別為中坡的1.01—1.07倍和1.05—1.08倍；同一小區(qū),籬前淤積帶和籬下土坎土壤總庫容雨季后略大于雨季前,土壤滯洪庫容V10和V15小區(qū)與之相反。在不同植物籬處理條件下,籬前淤積帶和籬下土坎土壤總庫容整體趨勢均為V15>V10>L10,即香根草植物籬小區(qū)籬前淤積帶和籬下土坎土壤貯水能力優(yōu)于新銀合歡植物籬小區(qū)。

2.4 籬前淤積帶和籬下土坎土壤抗剪性能特征分析

表4中展示了籬前淤積帶和籬下土坎土壤內(nèi)摩擦角、粘聚力及不同荷載下土壤抗剪強度。同一籬帶,籬下土坎土壤內(nèi)摩擦角、粘聚力及土壤抗剪強度均較籬前淤積帶大。各小區(qū)同一籬帶,籬下土坎土壤內(nèi)摩擦角較籬前淤積帶高1.34%—6.52%,籬下土坎土壤粘聚力較籬前淤積帶高0.47%—10.88%,100—400 KPa荷載下籬下土坎土壤抗剪強度較籬前淤積帶高0.48%—17.72%。同一小區(qū),籬前淤積帶土壤內(nèi)摩擦角、粘聚力及100—400 KPa荷載下土壤抗剪強度均表現(xiàn)為上坡>中坡>下坡,籬下土坎均為上坡>中坡；內(nèi)摩擦角、粘聚力及100—400 KPa荷載下土壤抗剪強度均于5月份的V10小區(qū)變化最明顯,上坡籬前淤積帶分別為下坡的1.06倍、1.09倍和1.06倍,籬下土坎上坡均為中坡的1.06倍；整體上籬前淤積帶和籬下土坎的土壤抗剪性能均于雨季前較優(yōu)。在不同植物籬處理條件下,籬前淤積帶和籬下土坎抗剪性能均表現(xiàn)為V15>V10>L10,香根草較新銀合歡抗剪性能更強。

表3 籬前淤積帶和籬下土坎土壤水庫特征

表4 籬前淤積帶和籬下土坎土壤抗剪強度及其指標

3 討論

植物籬具有改善土壤質(zhì)地、結構,提高土壤含水率和增強土壤抗剪強度的作用[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn),同一籬帶,籬前淤積帶土壤保水貯水能力優(yōu)于籬下土坎,而籬下土坎土壤透氣性以及土壤抗剪性能均優(yōu)于籬前淤積帶。這可能與植物籬對徑流泥沙的攔截作用可影響籬前和籬下土壤土粒的重新分布,通過有效攔截徑流中的細顆粒物質(zhì),明顯增加<0.2 mm粒級土壤微團粒含量,尤其是0.2—0.05 mm粒級[22]有關。此外,黎建強[23]等認為帶上(籬前淤積帶)的粘粒含量和分形維數(shù)大于帶下(籬下土坎),且土壤分形維數(shù)與土壤孔隙度為正相關關系,而容重與分形維數(shù)呈顯著負相關關系。本試驗中籬前淤積帶土壤容重、毛管孔隙度大于籬下土坎,這與黎建強的結論略有不同。但籬下土坎土壤總孔隙度大于籬前淤積帶,這與呂文星[24]等的研究結論一致。這可能與徑流因分選性搬運使在籬前淤積帶和籬下土坎的沉積粒徑不同以及籬下土坎形成過程中土粒被徑流大量沖刷有關。這可能導致籬前淤積帶土壤毛管孔隙度增高,保水性變好；籬下土坎利于根系生長和生物活動。根系生長和生物活動能夠改變土壤的孔隙狀況,增加土壤的通氣性能及透水性能[25],故籬下土坎土壤總孔隙度和非毛管孔隙度較高,透氣性較好。與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度規(guī)律相反,籬前淤積帶土壤水分和土壤水庫庫容大于籬下土坎,這與汪三樹等[26]研究略不同。可能是籬前淤積帶與籬下土坎土壤土粒的重新分布使得籬前淤積帶土壤保水貯水能力優(yōu)于籬下土坎。且籬下土坎土壤根系可能因坡面傾斜與土壤土粒的重新分布較籬前淤積帶發(fā)達,植物根系可以有效降低土壤容重以及增強土壤抗剪性能[27],故籬下土坎土壤容重較籬前淤積帶低,籬下土坎土壤抗剪性能較籬前淤積帶優(yōu)。

本研究表明籬前淤積帶保水貯水能力均表現(xiàn)為下坡>中坡>上坡,而籬下土坎保水貯水能力均為上坡>中坡,雨季后>雨季前。這可能是因為匯水面積和來沙量越大,徑流越大,搬運能力和侵蝕能力越強,從而不同坡位籬前淤積帶與籬下土坎土粒的重新分布結果有所差異。上述分析推斷出,本試驗中籬前淤積帶和籬下土坎土壤保水貯水能力很可能與籬前淤積帶和籬下土坎處土壤的機械組成有關。由于匯水面積和來沙量為下坡>中坡>上坡,可能會逐漸使得同一小區(qū)下坡籬前淤積帶土壤貯水能力更優(yōu)。同一小區(qū),籬前淤積帶土壤內(nèi)摩擦角、粘聚力c和抗剪強度均表現(xiàn)為上坡>中坡>下坡,籬下土坎土壤抗剪性能均為上坡>中坡,雨季前>雨季后。可能是徑流越大,對根系沖刷能力越強,而籬前淤積帶和籬下土坎的根系含量與發(fā)育很可能為上坡>中坡>下坡,雨季前>雨季后,逐漸使得同一小區(qū)上坡籬下土坎土壤抗剪性能最優(yōu)。其中雨季后土壤抗剪強度及其指標小于雨季前,且含水率較高時,土體抗剪能力降低,這與李想[28],倪九派[29]等研究結果相似。這可能因為含水率高時會減小土粒間的粘聚力和摩擦力。

此外,本試驗中15°香根草植物籬小區(qū)籬前淤積帶與籬下土坎土壤抗剪強度優(yōu)于10°香根草植物籬,10°新銀合歡植物籬抗剪強度最弱。香根草植物籬抗侵蝕性優(yōu)于新銀合歡植物籬,且坡度增加有利于提高抗剪強度,這與蒲玉林[14],何丙輝[15]等研究結果相似。這可能由于香根草的根系比新銀合歡的根系更為發(fā)達,而根系可以增大土壤抗剪性能。本試驗對比分析了不同植物籬籬前淤積帶和籬下土坎的保水貯水能力與土壤抗剪性能變化規(guī)律,有關籬前淤積帶和籬下土坎的土壤質(zhì)地、級配和根系指標對土壤性質(zhì)的影響,有待進一步探究。

4 結論

1)同一籬帶,土壤容重、毛管孔隙度和土壤水分均籬前淤積帶較優(yōu),其中籬前淤積帶土壤含水率較籬下土坎顯著高6.52%—12.13%；土壤總孔隙度、非毛管孔隙度均籬下土坎較優(yōu),其中籬下土坎非毛管孔隙度較籬前淤積帶顯著高5.61%—57.70%。

2)同一小區(qū),籬前淤積帶土壤保水貯水能力優(yōu)于籬下土坎；籬前淤積帶保水貯水能力均表現(xiàn)為下坡>中坡>上坡,而籬下土坎均為上坡>中坡；各小區(qū)下坡籬前淤積帶土壤保水貯水性能最優(yōu),其中V15小區(qū)上述趨勢最明顯,其下坡籬前淤積帶(上坡籬下土坎)的土壤總庫容和滯洪庫容分別為上坡籬前淤積帶(均為中坡籬下土坎)1.04倍和1.03倍(1.02倍)。

3)同一小區(qū),籬下土坎土壤抗剪性能均優(yōu)于籬前淤積帶；籬前淤積帶土壤內(nèi)摩擦角、粘聚力c和抗剪強度均表現(xiàn)為上坡>中坡>下坡,籬下土坎均為上坡>中坡；各小區(qū)上坡籬下土坎土壤抗剪性能最優(yōu),其中V10小區(qū)上述趨勢最明顯,其上坡籬前淤積帶(上坡籬下土坎)上述指標依次為下坡籬前淤積帶(均為中坡籬下土坎)的1.06、1.09倍和1.05倍(1.04倍)。

4)雨季前后籬前淤積帶和籬下土坎土壤透氣性、保水貯水能力及抗剪性能并均無顯著影響。