不同巖性區(qū)耕犁擾動(dòng)對(duì)坡耕地土壤可蝕性的影響
——以黔中地區(qū)為例

楊 懿，高華端，李曉松，王 群，羅 爽

(貴州大學(xué)林學(xué)院, 550025, 貴陽)

土壤侵蝕是近年來人類社會(huì)面臨的最嚴(yán)峻的全球性生態(tài)環(huán)境問題，已嚴(yán)重威脅到人類生存和土地可持續(xù)發(fā)展[1-2]，體現(xiàn)為土地資源破壞、江河湖庫淤積、洪澇干旱加劇等，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境都產(chǎn)生巨大的威脅[3-4]。坡耕地作為主要侵蝕地類[5]，其水土流失嚴(yán)重、土層變薄、土壤肥力下降[6-7]，同時(shí)由于其侵蝕產(chǎn)沙量相對(duì)較高，已經(jīng)成為河流泥沙的主要策源地[8]。貴州省作為西南山地丘陵區(qū)最具代表性的省份之一，山地和丘陵面積高達(dá)92.5%[9]，而不合理的開墾導(dǎo)致大量坡耕地出現(xiàn)[10]，據(jù)資料顯示，2014年貴州省坡耕地面積占全省耕地面積的82.9%[11]，該區(qū)域坡耕地土壤侵蝕情況需密切關(guān)注；因此明晰坡耕地土壤侵蝕特征，對(duì)于區(qū)域水土流失治理具有重要意義[12]。

土壤可蝕性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一，也是衡量土壤對(duì)侵蝕的敏感程度及土壤被外營(yíng)力作用搬運(yùn)和分散的難易程度的參數(shù)[13]，國(guó)際上通常使用土壤可蝕性因子K值來衡量這一指標(biāo)[14]。近年來，眾多學(xué)者都對(duì)不同地區(qū)的土壤可蝕性進(jìn)行不同層面的研究。研究結(jié)果表明植被類型[15]、氣候[16]、種植模式[17]和凍融作用[18]等都對(duì)土壤可蝕性存在一定的影響?，F(xiàn)有研究大多數(shù)從單一影響因素出發(fā)，缺乏人為因素和自然因素相結(jié)合的研究。而巖性作為影響土壤發(fā)育的重要自然因素，制約著土壤的理化性質(zhì)[19]，不同巖性發(fā)育形成的土壤在土層厚度[20]和土壤礦物學(xué)特征[21]上均有所差異，因而母巖的性質(zhì)控制著土壤侵蝕的空間布局和發(fā)展程度[22]；耕犁擾動(dòng)則是影響土壤性質(zhì)的主要人為因素，長(zhǎng)期耕犁會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤養(yǎng)分流失等[23-24]。

目前關(guān)于貴州省水土流失研究多集中于喀斯特地區(qū)，由碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤上，但貴州地質(zhì)情況復(fù)雜，還分布著很多非碳酸鹽巖形成的土壤。同時(shí)關(guān)于巖性和耕犁對(duì)可蝕性影響的研究較少，特別是不同巖性區(qū)土壤由于耕犁擾動(dòng)導(dǎo)致可蝕性差異變化尚未見報(bào)道；因此，本研究以貴州省貴陽市花溪區(qū)不同巖性發(fā)育形成的坡耕地為研究對(duì)象，通過研究不同巖性巖石發(fā)育形成的土壤在耕犁擾動(dòng)下的土壤理化性質(zhì)變化，進(jìn)而分析巖性和耕犁擾動(dòng)對(duì)坡耕地土壤可蝕性的影響，旨在為區(qū)域坡耕地水土流失治理、提高土壤抗侵蝕能力提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為貴州省貴陽市花溪區(qū)(E 106°27′～106°52′，N 26°11′～26°34′)，平均海拔1 226 m，年均降雨量1 178.3 mm。全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，以廣泛出露的二疊系、三疊系石灰?guī)r、白云巖、砂頁巖及侏羅系紫色砂頁巖為其主要特征，全區(qū)地帶性土壤為黃壤，土壤類型主要為酸性黃壤土和石灰土，小部分紫色土和水稻土等[25]。

2 材料與方法

2.1 樣地選取和樣品采集

根據(jù)研究區(qū)地層分布特征，選擇由石灰?guī)r、紫色砂巖和砂頁巖發(fā)育形成的坡耕地為取樣區(qū)域，其中石灰?guī)r坡耕地位于花溪區(qū)小圍寨，砂頁巖坡耕地位于花溪區(qū)孟關(guān)鄉(xiāng)上板村，紫色砂巖坡耕地位于花溪區(qū)孟關(guān)鄉(xiāng)翁巖村。研究區(qū)坡耕地因常年耕作，土壤受到耕犁這一物理過程擾動(dòng)影響，導(dǎo)致耕犁層和犁底層表現(xiàn)出土壤性質(zhì)、顏色和土層硬度的差異；其中耕犁層表現(xiàn)出受耕犁擾動(dòng)后的土壤性質(zhì)，厚度通常介于20～40 cm之間，犁底層因未受耕犁擾動(dòng)，表現(xiàn)出土壤原有性質(zhì)，厚度不定；因此分別采集耕犁層和犁底層的土壤樣品進(jìn)行測(cè)定。

從2018年10月—2019年7月，共調(diào)查土壤剖面60個(gè)(石灰?guī)r區(qū)、砂頁巖區(qū)和紫色砂巖區(qū)坡耕地各20個(gè))，采集土壤樣品120個(gè)(石灰?guī)r區(qū)、砂頁巖區(qū)和紫色砂巖區(qū)坡耕地的耕犁層和犁底層各采集20個(gè))。樣地海拔為1 047～1 198 m，樣點(diǎn)均位于坡中下部位，樣點(diǎn)坡度為8°～25°，坡向多為南坡、東坡和西南坡，所種植的作物均為當(dāng)?shù)氐牡湫娃r(nóng)作物，種植方式多為連作和輪作。

2.2 樣品分析與指標(biāo)計(jì)算

土壤顆粒組成采用吸管法測(cè)定，采用美國(guó)制粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，每個(gè)土壤樣品的各項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次，最終取平均值記錄結(jié)果。

土壤可蝕性因子K值計(jì)算采用Williams等在1990年建立的EPIC模型，該模型在土壤侵蝕預(yù)測(cè)模塊中采用土壤有機(jī)碳和顆粒組成數(shù)據(jù)來估算土壤可蝕性因子K值[26]。K值單位為美國(guó)制單位(short tont·acre·h/(100 ft·acre·short ton·in))，為便于與同類研究對(duì)比，將其乘以0.131 7后轉(zhuǎn)為國(guó)際制單位(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和 SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、顯著性分析和相關(guān)性分析，用 Sigmaplot軟件繪制圖形。

3 結(jié)果與分析

3.1 巖性對(duì)土壤顆粒組成和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由3種巖石發(fā)育形成的土壤顆粒組成情況如圖1所示?？梢姡?個(gè)巖性區(qū)土壤砂粒比例依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r；粉粒比例依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r；黏粒比例依次表現(xiàn)為：石灰?guī)r>砂頁巖>紫色砂巖。紫色砂巖區(qū)土壤和砂頁巖區(qū)土壤在3種粒徑比例上均無明顯差異，而石灰?guī)r區(qū)土壤粉粒和黏粒比例顯著高于紫色砂巖區(qū)和砂頁巖區(qū)。

不同小寫字母表示相同指標(biāo)不同巖性之間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate the same index difference significant among different lithology(P<0.05). The same below.圖1 土壤顆粒組成分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil particle composition

由表1可知，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于3.81～68.16 g/kg之間，其中紫色砂巖區(qū)、砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別為21.23、32.89和37.72 g/kg；3個(gè)巖性區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均屬于中等變異。經(jīng)數(shù)據(jù)分析后得出，紫色砂巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)，砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)無顯著差異。

表1 不同巖性區(qū)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of organic matter contents in different lithologic regions

3.2 耕犁對(duì)土壤顆粒組成和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表2描述了不同巖性發(fā)育形成的土壤，耕犁層和犁底層的土壤顆粒組成特征，可知，紫色砂巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)的耕犁層和犁底層土壤各粒級(jí)比例均無顯著差異，但砂頁巖區(qū)耕犁層土壤黏粒比例顯著小于犁底層。石灰?guī)r區(qū)耕犁層黏粒比例顯著高于砂頁巖和紫色砂巖，紫色砂巖和砂頁巖耕犁層黏粒比例無顯著差異，但3個(gè)巖性區(qū)犁底層土壤黏粒比例兩兩差異顯著；3個(gè)巖性區(qū)耕犁層粉粒比例無顯著差異，但砂頁巖區(qū)犁底層粉粒比例顯著低于石灰?guī)r區(qū)。

表2 不同巖性區(qū)不同耕層的土壤顆粒組成特征Tab.2 Characteristics of soil particle composition in different plough layers in different lithologic regions

由圖2可知，3個(gè)巖性區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出耕犁層顯著大于犁底層。其中耕犁層表現(xiàn)出：砂頁巖>石灰?guī)r>紫色砂巖，而犁底層表現(xiàn)出：石灰?guī)r>砂頁巖>紫色砂巖；同時(shí)石灰?guī)r區(qū)犁底層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他2個(gè)巖性區(qū)，但耕犁層卻表現(xiàn)出石灰?guī)r和砂頁巖區(qū)無顯著差異，且顯著高于紫色砂巖區(qū)。

圖2 不同巖性區(qū)不同耕層的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征Fig.2 Characteristics of organic matter contents in different soil layers in different lithologic regions

3.3 土壤質(zhì)地分布

圖3是根據(jù)研究區(qū)土壤顆粒組成繪制的土壤質(zhì)地三角圖，可知，研究區(qū)土壤質(zhì)地主要為壤土、黏壤、粉黏壤和粉黏土，其中紫色砂巖和砂頁巖發(fā)育形成的土壤以砂粒和粉粒為主，因此多為黏壤和壤土，石灰?guī)r則以粉粒和黏粒為主，所以多為粉黏土、黏土和粉黏壤。

圖3 不同巖性區(qū)土壤質(zhì)地三角圖Fig.3 Triangle of soil texture in different lithologic regions

研究區(qū)各土壤質(zhì)地K值特征見表3，可知研究區(qū)土壤一共分為8個(gè)類別，其K值大小依次表現(xiàn)為：粉壤>壤土>砂壤>粉黏壤>黏壤>粉黏土>砂黏壤>黏土，其中黏土K值顯著低于其他土壤質(zhì)地類型，粉壤K值顯著高于其他土壤質(zhì)地類型。

表3 不同土壤質(zhì)地可蝕性因子特征Tab.3 Erodibility characteristics of different soil textures

3.4 坡耕地土壤可蝕性K值

研究區(qū)K值描述性統(tǒng)計(jì)分析見表4。由表可知，研究區(qū)K值變化范圍介于0.041 9～0.059 3之間，3個(gè)巖性區(qū)K值大小依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r，其中最大值和最小值均出現(xiàn)在砂頁巖區(qū)，同時(shí)砂頁巖區(qū)的變異系數(shù)也是3個(gè)區(qū)中最大的，但3個(gè)巖性區(qū)土壤可蝕性因子K值變異系數(shù)均在10%以下，說明均只存在低等程度的變異性。

表4 不同巖性區(qū)的土壤可蝕性因子K值描述性統(tǒng)計(jì)分析Tab.4 Descriptive statistical analysis of soil erodibility K in different lithologic regions

圖4可知，3個(gè)巖性區(qū)中，耕犁層土壤K值按大小變化依次表現(xiàn)為：砂頁巖>紫色砂巖>石灰?guī)r，犁底層依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r；其中紫色砂巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)的耕犁層和犁底層土壤可蝕性因子K值未表現(xiàn)出明顯差異，但砂頁巖區(qū)的耕犁層K值顯著高于犁底層。從犁底層來看，紫色砂巖區(qū)土壤可蝕性因子K值顯著高于砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)，而砂頁巖和石灰?guī)r區(qū)則無顯著差異，但從耕犁層來看，紫色砂巖區(qū)土壤可蝕性因子K值與砂頁巖區(qū)無顯著性差異，且和石灰?guī)r區(qū)也無顯著性差異，但砂頁巖區(qū)K值顯著高于石灰?guī)r區(qū)。

圖4 不同巖性不同耕層的土壤可蝕性因子K值分布特征Fig.4 Distribution characteristics of soil erodibility K value of different lithology and different soil layer

4 討論

本研究區(qū)中，土壤共分為8種質(zhì)地類型，而土壤質(zhì)地是土壤的一種十分穩(wěn)定的自然屬性，可以反映母質(zhì)來源及成土過程某些特征，因此3種巖性區(qū)的土壤質(zhì)地類型存在差異。研究結(jié)果表明，基于EPIC模型下，研究區(qū)8種土壤質(zhì)地中，黏土可蝕性最小，粉壤可蝕性最大，且黏粒比例越高的土壤可蝕性越小，因?yàn)轲ち＞哂袕?qiáng)吸附力，土壤膠結(jié)作用較強(qiáng)，因此抗侵蝕能力較強(qiáng)。

研究區(qū)中由紫色砂巖發(fā)育形成的坡耕地土壤K值最大，最易被侵蝕，砂頁巖發(fā)育形成的坡耕地土壤次之，石灰?guī)r發(fā)育形成的坡耕地土壤可蝕性最弱。是由于紫色砂巖是巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)在盆地中堆積形成的陸相碎屑沉積巖，其中含大量難以風(fēng)化的石英顆粒，發(fā)育形成的土壤砂粒比例高，黏粒比例較少，因此多為壤土和黏壤，所以抗蝕能力弱；石灰?guī)r主要是在淺海的環(huán)境條件下，由化學(xué)沉積作用和生物化學(xué)沉積形成的，以方解石為主的碳酸鹽類巖石，石灰?guī)r發(fā)育的土壤黏粒比例高，土壤黏重，多為粉黏土、粉黏壤和黏土，因此抗蝕性相對(duì)較強(qiáng)；砂頁巖是在靜水的環(huán)境中，泥沙經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間沉積的黏土巖類砂質(zhì)頁巖，發(fā)育形成的土壤各粒級(jí)顆粒分布情況與紫色砂巖相似，多為黏壤和壤土[27-28]。因此不同巖性發(fā)育形成的坡耕地土壤由于成土過程差異可能導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)差異，土壤可蝕性作為土壤固有屬性之一也受到巖性影響。

此外，研究結(jié)果表明，砂頁巖發(fā)育形成的坡耕地土壤耕犁層和犁底層K值存在顯著差異；紫色砂巖區(qū)犁底層和砂頁巖區(qū)及石灰?guī)r區(qū)犁底層土壤K值均存在顯著差異，但耕犁層卻表現(xiàn)出無顯著差異；砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)犁底層土壤K值未表現(xiàn)出顯著差異，但耕犁層卻出現(xiàn)顯著差異。這些結(jié)果均可以說明耕犁擾動(dòng)對(duì)于土壤的影響是明顯存在的，一方面耕犁層長(zhǎng)期受到耕犁擾動(dòng)，導(dǎo)致同一巖性發(fā)育形成的耕犁層和犁底層土壤可蝕性因子K值出現(xiàn)顯著差異，另一方面由于耕犁擾動(dòng)，耕犁層土壤養(yǎng)分、細(xì)粒流失，導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生改變，使得由不同巖性發(fā)育形成的土壤原本無顯著差異，經(jīng)過耕犁擾動(dòng)以后出現(xiàn)顯著差異，或者原本存在顯著差異的土壤經(jīng)過耕犁擾動(dòng)后反而無顯著差異2種情況出現(xiàn)。已有研究表明耕地的土壤侵蝕是所有地類中最劇烈的[29]，所以可以認(rèn)為耕犁擾動(dòng)對(duì)坡耕地土壤侵蝕存在影響；已有研究表明耕犁擾動(dòng)會(huì)通過影響土壤含水量[30]、土壤內(nèi)聚力[31]、土壤緊實(shí)度、土壤密度及抗剪強(qiáng)度[32]等來影響土壤侵蝕的強(qiáng)度和程度。總的來說，耕犁擾動(dòng)對(duì)土壤性質(zhì)的改變是確定的，但耕犁擾動(dòng)和土壤侵蝕之間怎樣相互作用還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

研究區(qū)土壤可蝕性因子介于0.041 9～0.059 3之間。其中粉壤最易被侵蝕，黏土抗蝕性最強(qiáng)；而3種巖性區(qū)中，石灰?guī)r發(fā)育形成的坡耕地土壤抗蝕能力較強(qiáng)；紫色砂巖發(fā)育形成的坡耕地土壤抗蝕能力較弱；從犁底層來看，可蝕性因子K值大小依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r，但從耕犁層來看，依次表現(xiàn)為：砂頁巖>紫色砂巖>石灰?guī)r，說明耕犁擾動(dòng)對(duì)坡耕地土壤可蝕性因子存在一定的影響，而砂頁巖區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。