巖溶斷陷盆地高原面洼地不同坡位土壤抗蝕性研究

劉 鵬 , 蔣忠誠(chéng) , 李衍青 *, 藍(lán)芙寧 , 于 洋, 黃映霞

1)廣西大學(xué)林學(xué)院, 廣西南寧 530001;

2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西桂林 541004;

3)自然資源部巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;

4)北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083;

5)南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣西南寧 530001

土壤退化作為21世紀(jì)國(guó)際土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)學(xué)等學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題, 對(duì)全球環(huán)境質(zhì)量、水土保持、甚至食物安全、人畜健康等有重要的影響(Montanarella et al., 2016)。其中, 土壤結(jié)構(gòu)退化是土壤退化的重要過(guò)程, 表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)元素流失、有機(jī)質(zhì)含量下降、土體物理性質(zhì)變化以及土壤抗侵蝕能力的降低(Duchicela et al., 2013)。土壤退化問(wèn)題在我國(guó)西南喀斯特地區(qū)同樣突出。西南喀斯特地區(qū), 其形成土壤的母巖大都為古老堅(jiān)硬、質(zhì)純、層厚的碳酸鹽巖, 由于碳酸鹽巖成土物質(zhì)的先天不足(酸不溶物含量低), 使其成土速度十分緩慢(袁道先, 1994)。因成土速率慢, 流失的土壤很難得到及時(shí)補(bǔ)充, 使得喀斯特石山區(qū)土壤退化的危害甚至比黃土高原地區(qū)更加嚴(yán)重(王世杰, 2003; 張信寶等,2007; 蔣忠誠(chéng)等, 2014)。

作為西南喀斯特四種主要地貌類型之一的斷陷盆地主要分布于云南省大部及四川部分地區(qū), 其不僅是長(zhǎng)江和珠江發(fā)源地和主要補(bǔ)給區(qū), 也是長(zhǎng)江和珠江上游重要的天然生態(tài)屏障, 水土保持地位非常重要(劉鵬等, 2019)。斷陷盆地特殊之處在于, 受地質(zhì)作用形成對(duì)比強(qiáng)烈的盆地和山地地形, 相對(duì)高差大, 地下巖溶裂隙和地下河管道發(fā)育, 坡面土壤侵蝕嚴(yán)重, 水土流失過(guò)程中攜帶的泥沙沉積于洼地及地下河管道, 造成洼地、渠道泥沙淤積, 發(fā)生內(nèi)澇, 嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展(王宇等, 2017; 柯靜等, 2021)。因此, 對(duì)斷陷盆地坡面抗蝕性機(jī)制與機(jī)理研究方面, 亟需深入開展。

以往學(xué)者在喀斯特地區(qū)土壤抗蝕性研究大多集中于不同土地利用對(duì)土壤抗蝕性的影響, 從不同的植被類型, 上覆條件及地下根系與土壤物化、微生物狀況等方面對(duì)土壤抗蝕性產(chǎn)生影響(王佩將等,2014; 胡陽(yáng)等, 2015; 劉寬梅和周秋文, 2020), 且研究區(qū)集中于喀斯特峰叢洼地、巖溶高原區(qū)(陳佳等,2012; 鮑乾等, 2017; 肖盛楊等, 2019), 對(duì)斷陷盆地的相關(guān)研究鮮有報(bào)道, 而坡位對(duì)土壤抗蝕性的影響尚不明確, 阻礙了該區(qū)水土流失治理與生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)程, 也難以為工程建設(shè)提供有效的科技支撐(陳洪松等, 2018)。為系統(tǒng)揭示喀斯特?cái)嘞菖璧馗咴嫱莸夭煌挛煌寥揽刮g性, 本文選擇南洞地下河流域高原面西北勒鄉(xiāng)一典型洼地坡面為研究對(duì)象, 選用土壤物理化學(xué)性質(zhì)等 16個(gè)指標(biāo), 計(jì)算各坡位抗蝕性綜合指數(shù), 并對(duì)指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià), 找出影響土壤抗蝕性關(guān)鍵指標(biāo), 分析洼地不同坡位土壤抗蝕性的影響因素, 以期為水土流失的防治及后期開展的水土流失邊坡植物籬建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于斷陷盆地高原面西北勒鄉(xiāng)一洼地的 自 然 荒 草 坡 , 地 理 坐 標(biāo) 為 (23°28′43″N,103°27′49″E), 海拔 2073～2156 m(如圖 1)。山區(qū)年平均氣溫 14.8℃, 極端最高氣溫 30.3℃, 極端最低氣溫–6.4℃, 年均降雨量 1 214.1 mm, 年均蒸發(fā)量1 509.6 mm。該區(qū)域受到西南季風(fēng)影響, 降雨集中于 5—10月, 占全年降雨的 80.1%, 每年侵蝕性降雨10～14場(chǎng)。地層為三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組第二段(T2g2),地帶土壤為灰?guī)r風(fēng)化形成的石灰土, 植被主要有車桑子(Dodonaea viscosa)、斑地錦(Euphorbia maculata)、紫莖澤蘭(Crofton Weed)、云南羊蹄甲(Bauhinia yunnanensis)、腎蕨(Nephrolepis auriculata)、白頭翁(Anemone chinensis)、鹽芙木(Rhus chinensis)、沿階草(Ophiopogon bodinieri)、莢菜(Ophiopogon bodinieri)等。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig. 1 Overview of the study area

1.2 土壤樣品采集與處理

本實(shí)驗(yàn)選取徑流小區(qū)旁一自然荒草為主的北坡, 坡長(zhǎng)約400 m, 坡頂?shù)酵莸氐撞扛卟?80 m, 平均坡度11.6°。按照自然形態(tài), 將坡頂?shù)狡碌? 自上而下, 每隔10 m取一個(gè)點(diǎn)為主樣點(diǎn), 共10個(gè)記為H1–H10; 另外, 在每個(gè)主樣點(diǎn)等高左右大于 10 m無(wú)基巖出露處, 各取一個(gè)副樣點(diǎn); 運(yùn)用五點(diǎn)取土法,取樣深度為0–20 cm、20–40 cm, (H1點(diǎn)因土層厚度較小, 僅取到 0–20 cm), 共 27個(gè)點(diǎn)。根據(jù)坡形及坡度, 將該坡劃為上坡(H1–H3, 坡度為30°～35°)、中坡(H4–H6, 坡度為 33°～41°)、下坡(H7–H9, 坡度＜10°)、坡底H10四個(gè)部分。各點(diǎn)取3個(gè)環(huán)刀樣用于測(cè)試土壤容重, 并用方形塑料盒采集原狀土并小心放置于泡沫箱中, 帶回實(shí)驗(yàn)室處理,分別用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體及土壤理化性質(zhì)。

土壤團(tuán)聚體采用 Yoder法, 機(jī)械性團(tuán)聚體篩選采用 LN-200振蕩器, 水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用日本產(chǎn)的DIK2011濕曬儀, 測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成。有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀-加熱氧化法; 土壤全氮采用半微量開氏法; 堿解氮采用凱氏定氮蒸餾法; 全磷采用高氯酸-硫酸溶液鉬銻抗比色法; 速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法; 土壤機(jī)械組成運(yùn)用濕篩法測(cè)試獲得, 以上指標(biāo)的測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院水土資源研究室完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析與整理,Origin 9.0繪圖, SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及主成分分析, Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間的相關(guān)性,LSD法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行方差分析, 顯著性水平為0.05,運(yùn)用 z-score法對(duì)數(shù)據(jù)歸一化并對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行多元線性回歸。

1.4 抗蝕性指標(biāo)的選取

評(píng)價(jià)土壤抗蝕性指標(biāo)通常分為無(wú)機(jī)顆粒、團(tuán)聚體水穩(wěn)性、有機(jī)膠體、土壤物理化學(xué)性質(zhì)等方面(趙洋毅等, 2007; 胡寧等, 2008), 本研究初選影響土壤抗蝕性的 16個(gè)指標(biāo), 進(jìn)行主成分分析及抗蝕性綜合值得計(jì)算, 并通過(guò)相關(guān)性及敏感性分析, 篩選其中的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行多元線性回歸。

1)無(wú)機(jī)顆粒類:

X1=沙粒(50–2000 μm, %);X2=粉粒(2–50 μm ,%);X3=粘粒(≤2 μm, %)。

2)團(tuán)聚體類:

X4=WSA0.25(＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量, %);X5=WSA0.5(＞0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量, %);X6=PAD0.25(團(tuán)聚體破壞率);

PAD0.25=(≥0.25團(tuán)聚體干篩值 –≥0.25團(tuán)聚體濕篩值)÷≥0.25團(tuán)聚體干篩值*100%;

X7=MWD(團(tuán)聚體平均重量直徑);

3)有機(jī)膠體類:

X8=有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)。

4)物理性質(zhì)類:

X9=土壤容重(g/cm3);X10=pH 值;X11=電導(dǎo)率(μs/cm)。

5)營(yíng)養(yǎng)元素類:

X12=全氮含量(g/kg);X13=全磷含量(g/kg);X14=堿解氮(mg/kg);X15=速效磷(mg/kg);X16=總碳(g/kg)。

2 結(jié)果

2.1 不同坡位土壤機(jī)械組成

土壤機(jī)械組成也稱為土壤質(zhì)地, 是指土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例, 是影響土壤抗蝕性的重要指標(biāo)之一(唐夫凱, 2016)。一般而言, 土壤砂粒增加利于水分下滲, 不易形成地表徑流, 土質(zhì)松散,無(wú)脹縮性; 粘粒增加會(huì)導(dǎo)致土壤的通氣和透水性下降, 使土壤易于板結(jié), 但粘粒能較好的膠結(jié)有機(jī)質(zhì);而粉砂則介于兩者之間。圖2為坡面各部位不同土壤深度下的機(jī)械組成, 從圖中可知, 坡面不同部位的機(jī)械組成具有顯著性差異(P＜0.05)。0–20 cm土層中, 粘粒在坡面上總體表現(xiàn)為坡底(63.3%)＞中坡(53.9%)＞下坡(49.2%)＞上坡(33.2%), 不同坡位上粘粒含量隨土壤深度的增大而增加; 砂?？傮w表現(xiàn)與粘粒相反的趨勢(shì), 表現(xiàn)為上坡(47.6%)＞中坡(29.9%)＞下坡(23.8%)＞坡底(10.7%), 含量隨土壤深度增大而減少; 粉?？傮w表現(xiàn)為坡底(26.0%)＞下坡(22.1%)＞上坡(19.2%)＞中坡(16.2%), 除下坡外,粉粒含量在各坡位呈現(xiàn)出隨深度先增加后減小的趨勢(shì)。20–40 cm土層機(jī)械組成除中坡粘粒突然增大以外其他坡位表現(xiàn)與表層基本一致; 土壤表層粘粒含量低而隨著深度的增加粘粒含量增大, 也從側(cè)面反映了可能存在土壤顆粒向下的移動(dòng)。

圖2 各坡位不同深度土壤機(jī)械組成Fig. 2 Soil mechanical composition of different slope positions and depths

2.2 不同坡位土壤團(tuán)聚體特征

干篩測(cè)定的是自然狀態(tài)下土壤機(jī)械穩(wěn)定團(tuán)聚體含量, 較少破壞土壤中的臨時(shí)性有機(jī)膠結(jié)物。土壤機(jī)械性團(tuán)聚體各粒級(jí)的組成比例在不同坡位存在顯著差異(P＜0.05)(表 1)。在土壤 0–20 cm 層中,各坡位都是以＞7 mm 的粒級(jí)含量為主, 比例分別達(dá)到 75.28%、51.91%、67.07%和 68.18%。在 20–40 cm土壤層中, 上坡、中坡和下坡＞7 mm粒級(jí)含量比例略有降低, 分別為66.87%、46.67%、58.74%,而坡底則增加到了75.73%, 可能與坡底長(zhǎng)期沉積有關(guān)。

表1 不同坡位土壤機(jī)械性團(tuán)聚體特征(干篩)Table 1 Characteristics of soil mechanical aggregates in different slope positions

土壤粒徑＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體通常稱為大團(tuán)聚體, 是土壤結(jié)構(gòu)組成的重要單元, 其是土壤肥力調(diào)節(jié)器, 對(duì)維持土壤水肥有重要作用, 同時(shí), 其在一定程度上對(duì)土壤的抗蝕性有指示意義。用濕篩法獲得的水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒徑分布如(表 2)所示, 在不同深度土層中, 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量為上坡＞下坡＞坡底＞中坡(P＜0.05), 隨著土壤深度的增加含量減少。

表2 不同坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征(濕篩)Table 2 Characteristics of soil water stable aggregates in different slope positions

團(tuán)聚體平均直徑(MWD)反映的是土壤團(tuán)聚體粒級(jí)大小分布狀況, 其值越大則表示土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高, 穩(wěn)定性越強(qiáng)(周虎等, 2007)。在0–20 cm土層中, 不同坡位MWD總體的表現(xiàn)為上坡＞下坡＞坡底＞中坡。在20–40 cm土壤層中, 表現(xiàn)為下坡＞中坡＞坡底＞上坡。

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)越大, 土壤結(jié)構(gòu)越容易崩解破碎, 土壤越容易被侵蝕,PAD越小, 團(tuán)聚體的穩(wěn)定性相對(duì)越高(李陽(yáng)兵等, 2002)。在0–20 cm土壤以及20–40 cm土壤中, 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)都表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì), 總體為中坡＞坡底＞下坡＞上坡。中坡的PAD最大, 也最易崩解破碎。

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(FD)可用于表征團(tuán)聚體的穩(wěn)定性以及物理性質(zhì)的優(yōu)劣, 數(shù)值越小, 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和物理性質(zhì)越好, 相反則越差。在表層的0–20 cm 土壤中, 上坡(2.62)＞坡底(2.46)＞下坡(2.45)＞中坡(2.42)。在20–40cm土壤中,FD表現(xiàn)為中坡(2.48)＞坡底(2.44)＞下坡(2.34)＞上坡(2.20)。表層0–20 cm的分形維數(shù)較深層20–40 cm的分形維數(shù)較大, 說(shuō)明表層土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比下層土壤差。

2.3 不同坡位土壤抗蝕性綜合指數(shù)

為了綜合土壤抗蝕性的評(píng)價(jià)結(jié)果, 考慮各因子的關(guān)聯(lián)性, 對(duì)16個(gè)因子進(jìn)行了主成分分析。前4個(gè)公因子特征值都大于 1, 主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了85.73%, 滿足了主成分分析要求(表3), 可以比較全面的描述土壤的抗蝕性能(王向棟等, 2017; 張華渝等, 2019)。第一主成分方差貢獻(xiàn)達(dá)到50.1%, 為物理化學(xué)類指標(biāo), 其中堿解氮、總碳、有機(jī)碳超過(guò)了0.9,沙粒、粘粒超過(guò)了 0.8; 第二主成分方差貢獻(xiàn)達(dá) 15.4%, 為水穩(wěn)性團(tuán)聚體類指標(biāo),WSA0.25、WSA0.5、PAD共3個(gè)指標(biāo)超過(guò)了0.8; 第三主成分方差貢獻(xiàn)為12.4%, 為化學(xué)類指標(biāo), 其中速效磷、全磷指標(biāo)超過(guò)了 0.8, 粉粒超過(guò)了 0.6; 第四主成分貢獻(xiàn)7.9%, 為物理類基礎(chǔ)指標(biāo), 只有土壤容重、pH、電導(dǎo)值三個(gè)指標(biāo)超過(guò)了0.5。

表3 主成分分析特征值Table 3 Eigenvalues of principal component analysis

將各個(gè)指標(biāo)向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化, 得到各指標(biāo)主成分分值, 再根據(jù)各主成分所占的比例, 計(jì)算出不同坡位的主成分綜合值, 按照每個(gè)主成分比例, 計(jì)算出各坡位不同深度的土壤抗蝕性綜合指數(shù)。土壤抗蝕性綜合指數(shù)越高, 說(shuō)明土壤抗侵蝕能力越強(qiáng); 綜合指數(shù)值正負(fù)并不具有實(shí)際意義, 是指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果, 正值說(shuō)明土壤抗蝕性高于平均水平(韓魯艷等, 2009)。通過(guò)計(jì)算可知(圖 3), 0–20 cm土層, 不同坡位抗蝕性上坡(10.80)＞下坡(3.18)＞坡底(0.23)＞中坡(–1.42), 各坡位差異顯著(P＜0.05); 20–40 cm土層土壤抗蝕性為下坡(–0.39)＞坡底(–0.90)＞上坡(–4.47)＞中坡(–7.03), 除下坡和坡底外, 各坡位差異顯著(P＜0.05)。隨著土層深度的增加, 土壤抗蝕性逐漸降低。

圖3 各坡位不同深度的土壤抗蝕性綜合指數(shù)Fig. 3 Comprehensive index of soil anti-erodibility of different slope positions and depths

2.4 抗蝕性綜合指數(shù)評(píng)價(jià)

本研究中初選指標(biāo)達(dá) 16個(gè), 盡管多指標(biāo)能綜合全面反應(yīng)土壤抗蝕性的真實(shí)情況, 但很多指標(biāo)是重疊的, 甚至?xí)谏w另一些指標(biāo)的作用。為了簡(jiǎn)化抗蝕性評(píng)價(jià)的工作量, 同時(shí)確?？刮g性評(píng)價(jià)指標(biāo)和信息的綜合性和科學(xué)性, 將計(jì)算得出的土壤抗蝕性指數(shù), 同各因子進(jìn)行皮爾森相關(guān)分析與基于變異系數(shù)的敏感性分析。

強(qiáng)敏感會(huì)帶來(lái)計(jì)算上的誤差, 弱敏感會(huì)使計(jì)算帶來(lái)遲鈍效應(yīng), 因此本文選擇變異系數(shù) 0.3～1的高敏感指標(biāo)?？刮g性指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)指數(shù)相關(guān)性大于0.6的依次為堿解氮(0.945)、總碳(0.940)、有機(jī)碳(0.938)、總氮(0.911)、MWD濕(0.895)、粘粒(–0.865)、PAD(0.706)。敏感性在0.3～1.0之間的指標(biāo)分別為有機(jī)碳(0.74)、總碳(0.68)、MWD濕(0.51)、沙粒(0.61)、全磷(0.41)、電導(dǎo)(0.35)、PAD(0.35)、粘粒(0.31)。

通過(guò)綜合分析, 篩選出粘粒、有機(jī)碳、MWD濕、PAD、電導(dǎo)等 5個(gè)指標(biāo)為自變量, 抗蝕性綜合指數(shù)為因變量, 建立多元回歸模型, 所得結(jié)果如表4所示:

表4 回歸系數(shù)估計(jì)Table 4 Regression coefficient estimation

通過(guò)表 4, 得出斷陷盆地高原面坡地土壤抗蝕性綜合指數(shù)計(jì)算公式為:

Y= –0.05X1+0.13X2+0.383X3–0.012X4+0.026X5–4.214

構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)模型的因子判定系數(shù)R2=0.992,F=440.2, 達(dá)到極顯著相關(guān)水平, 模型的擬合度較高,說(shuō)明粘粒、有機(jī)碳、MWD濕、PAD、電導(dǎo)等5個(gè)指標(biāo)能夠很好的反映斷陷盆地高原面洼地不同坡位的土壤抗蝕性綜合能力。

3 討論

3.1 坡位與土壤抗蝕性

由于喀斯特洼地坡面受到長(zhǎng)期的物理化學(xué)因素作用, 對(duì)不同坡位機(jī)械組成、大團(tuán)聚體、營(yíng)養(yǎng)元素等方面產(chǎn)生了影響, 導(dǎo)致其土壤抗蝕性具有顯著性差異(P＜0.05)。通過(guò)對(duì)土壤抗蝕性綜合評(píng)價(jià), 發(fā)現(xiàn)表層土壤抗蝕性上坡＞下坡＞坡底＞中坡; 深層土壤抗蝕性為下坡＞坡底＞上坡＞中坡, 且隨著土層深度的增加, 土壤抗蝕性逐漸降低。付允等(2011)對(duì)坡耕地不同地貌部位表層土壤抗蝕性研究表明上坡＞下坡＞坡底＞坡頂, 坡耕地對(duì)土壤抗蝕性影響主要在于耕作行為對(duì)土壤性質(zhì)的改變而引起不同坡位土壤抗蝕性的差異。羅為群等(2008, 2014)運(yùn)用侵蝕泥沙法在平果果化試驗(yàn)基地, 發(fā)現(xiàn)了喀斯特坡面水土流失的“地貌效應(yīng)”, 從上坡到坡底, 侵蝕強(qiáng)度逐漸增加。有研究表明, 在降雨和植被條件不變的前提下, 坡度是影響水土流失的關(guān)鍵因素(陸樹華等, 2016)。另有學(xué)者認(rèn)為, 坡面坡度較大及植被較少處土壤易遭受強(qiáng)降雨, 使土壤形態(tài)發(fā)生改變,并形成一些可滲透的和不易水土流失的地貌(Ribolzi et al., 2011)。而本研究中的灌草坡人為干擾較小, 其不同坡位土壤抗蝕性的差異一方面是受坡度的影響, 另一方面與巖溶區(qū)特殊的土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同坡位坡度的變化會(huì)引起坡面土壤理化性質(zhì)的分異, 同時(shí), 巖溶區(qū)裂隙發(fā)育易導(dǎo)致土壤向下漏失, 造成營(yíng)養(yǎng)元素流失, 機(jī)械組成改變, 土壤大團(tuán)聚體含量下降, 土壤成分與結(jié)構(gòu)退化加劇, 從而使土壤抗蝕性下降。

3.2 理化性質(zhì)與土壤抗蝕性關(guān)系

從粘粒、有機(jī)碳、MWD濕、PAD、電導(dǎo)五個(gè)評(píng)價(jià)土壤抗蝕性最優(yōu)指標(biāo)表明, 研究區(qū)土壤抗蝕性與土壤理化性質(zhì)及顆粒組成緊密相關(guān)。為了探究喀斯特地區(qū)坡面土壤營(yíng)養(yǎng)元素與土壤抗蝕性的關(guān)系, 沿坡面從上到下取樣(H1到H10), 其營(yíng)養(yǎng)元素的含量變化如(圖 4b), 不同坡位上營(yíng)養(yǎng)元素差異性顯著(P＜0.05)。上坡到坡底有機(jī)碳含量依次為上坡(54.97 g/kg)＞下坡(25.31 g/kg)＞坡底(19.52 g/kg)＞中坡(19.21 g/kg)。全氮從坡上到山坡底部含量依次為上坡(4.7 g/kg)＞下坡(2.34 g/kg)＞坡底(2.17 g/kg)＞中坡(1.79 g/kg)。全磷從坡上到山坡底部含量依次為下坡(1.8 g/kg)=坡底(1.8 g/kg)＞上坡(1.12 g/kg)＞中坡(0.95 g/kg)。對(duì)比可知, 有機(jī)碳、全氮和土壤抗蝕性綜合指數(shù)具有相同趨勢(shì), 而磷因聚集效應(yīng), 會(huì)隨水土流失沉積于下坡和坡底(鮑士旦, 2007)。從變異系數(shù)分布(圖 4a)上可以看出中坡位取樣點(diǎn)的變異系數(shù)最大, 而營(yíng)養(yǎng)元素的變異系數(shù)與含量呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

圖4 沿坡位各點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)元素變異系數(shù)圖(a)和沿坡位各點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)元素含量圖(b)Fig. 4 Coefficient of variation of nutrient elements along the slope (a)and nutrient content along the slope (b)

土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成, 是由土壤顆粒在有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用下形成(Barthes and Roose,2002), 是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元, 其與有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)是維持土壤結(jié)構(gòu)和保護(hù)土壤抵御外力侵蝕的基礎(chǔ),其穩(wěn)定性對(duì)水分入滲和徑流產(chǎn)生與發(fā)展具有重要影響(Fokom et al., 2012)。粘粒含量會(huì)引起土壤團(tuán)聚體的消散與膨脹作用, 既能膠結(jié)物質(zhì), 增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性, 也能因自身膨脹破碎而導(dǎo)致團(tuán)粒間的粘黏作用被削弱(唐芙凱, 2016)。當(dāng)團(tuán)聚體破碎時(shí), 粘粒沿著土體裂隙隨徑流向下漏失, 由于自身很強(qiáng)的養(yǎng)分吸附能力, 使得營(yíng)養(yǎng)元素大量的流失(張立新和李生秀, 2007)。而營(yíng)養(yǎng)元素具有表聚性質(zhì), 水土漏失越嚴(yán)重, 營(yíng)養(yǎng)元素表層被剝離越深, 含量越低,其變異越大(魏興萍, 2011)。各項(xiàng)團(tuán)聚體指標(biāo)分析,中坡的MWD濕、WSA0.25、WSA0.5最小,PAD最大, 表明在此過(guò)程中, 團(tuán)聚體破碎嚴(yán)重, 土壤抗蝕性綜合指數(shù)降低。

相較于峰叢洼地, 斷陷盆地高原面與盆地區(qū)巨大的海拔高差, 使得巖溶垂向發(fā)育更明顯, 水土漏失過(guò)程更為復(fù)雜, 生態(tài)恢復(fù)困難。該區(qū)也是盆地徑流系統(tǒng)的上游補(bǔ)給區(qū), 是沉積平壩區(qū)水土調(diào)節(jié)的輸送通道和生態(tài)屏障(王宇等, 2017)。對(duì)高原面洼地不同坡位土壤抗蝕性與水土漏失的研究, 針對(duì)性采取水土保持措施, 以改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境, 具有積極的科學(xué)意義。

4 結(jié)論

(1)在不同深度土層中, 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量都呈現(xiàn)出上坡＞下坡＞坡底＞中坡(P＜0.05), 且隨著土層深度的增加含量減少。

(2)不同坡位土壤抗蝕性綜合指數(shù), 0–20 cm土層, 上坡(10.80)＞下坡(3.18)＞坡底(0.23)＞中坡(–1.42)(P＜0.05); 20–40 cm 土層, 下坡(–0.39)＞坡底(–0.90)＞上坡(–4.47)＞中坡(–7.03)(P＜0.05), 隨著土層深度的增加, 土壤抗蝕性逐漸降低。

(3)通過(guò)對(duì)抗蝕性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià), 粘粒、有機(jī)碳、電導(dǎo)、PAD、MWD濕等5個(gè)指標(biāo)就能較好的對(duì)土壤抗蝕性綜合指數(shù)進(jìn)行擬合, 極大的簡(jiǎn)化了抗蝕性評(píng)價(jià)的工作量。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research and Development Program of China (No.2016YFC0502503), Guangxi Key Laboratory Construction Project (No. 19-185-7), and National Natural Science Foundation of China (Nos. 41502342 and 41471447).