喀斯特高原山地土壤抗沖性與土壤物理性質的關系

資如毅， 趙龍山,2， 錢曉鶴， 陳 娟

(1.貴州大學林學院，貴陽 550025；2.貴州大學土壤侵蝕與生態(tài)修復研究中心，貴陽 550025)

土壤抗沖性是指土壤抵抗降雨徑流對其機械破壞和推動下移的性能，是衡量土壤抗侵蝕能力的重要指標。在我國，關于土壤抗沖性的研究較多，特別對土壤抗沖性的測量方法、評價指標及影響因素等方面。

已有研究表明，影響土壤抗沖性的因素主要包括坡度、植物根系、土地利用方式及土壤性質等。蔣定生等研究表明，黃土高原地區(qū)不同土地利用類型的土壤抗沖系數(shù)為0.01～102.40 (L·min)/g；周正朝等對林地土壤抗沖性研究表明，隨著次生林植被的正向演替，在根系作用下表層土壤的抗沖系數(shù)從0.8 (L·min)/g上升至3.4 (L·min)/g；王丹丹等對晉西黃土區(qū)退耕還林地土壤抗沖性的研究表明，刺槐與側柏混交退耕林地的土壤抗沖性大于農地和荒草地。另外，坡度和徑流量對土壤抗沖性也具有重要的影響。張建軍等和任艷等研究了不同植被覆蓋和不同土壤類型條件下土壤抗沖性表明，土壤抗沖性均隨坡度的增加呈減弱的趨勢。張建軍等分析了不同植被條件下徑流量對土壤抗沖性的影響表明，土壤抗沖性與徑流量呈負相關關系?？梢姡谧匀粭l件下，因土地利用的差異土壤抗沖性存在一定的時空變化，植物根系對提高土壤抗沖性具有重要作用。

以貴州為中心的西南喀斯特區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，過去由于人們對該區(qū)域土壤侵蝕問題認識不足，在生產活動中造成地表植被破壞，進而導致大量的土地石漠化。近年來，隨著退耕還林、荒山造林等措施的實施，地表覆蓋度得到明顯提高，土地石漠化得到有效遏制。因此，研究喀斯特地區(qū)土壤抗沖性，對揭示該地區(qū)土壤侵蝕過程與石漠化逆轉機制具有重要的科學意義。已有研究討論了喀斯區(qū)土壤抗沖性與基巖性質、植被覆蓋和坡耕地水動力性質的關系，但針對喀斯特區(qū)不同土地利用條件下土壤抗沖性及其影響因素的研究還不夠深入。

鑒于此，本文采用原狀土水槽沖刷試驗方法，以馬尾松人工林地(PMP)、桂花人工林地(OFP)、天然喬灌混交林地(ASL)、天然草地(NGL)、撂荒地(AL)、農地(CL)6種地類土壤為研究對象，定量研究不同土地利用下土壤抗沖性特征及其與土壤物理性質的關系，以期為喀斯特區(qū)土壤侵蝕定量評價及生態(tài)環(huán)境建設提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及土壤樣品采集

試驗土樣采自貴州省貴陽市花溪區(qū)坡地(26°22′N，106°37′E)。采樣時間為2021年5—8月?；ㄏ獏^(qū)地處黔中腹地，位于長江流域和珠江流域分水嶺，屬于亞熱帶季風溫潤氣候區(qū)，地貌以山地和丘陵為主，為典型的喀斯特高原山地區(qū)，海拔1 100～1 300 m，年均氣溫15.3 ℃，年均降水量1 129.5 mm，年均蒸發(fā)量920 mm。在石灰?guī)r和白云巖等典型成土母質及山地地形和高原季風濕潤氣候綜合作用下，發(fā)育形成的土壤以黃壤和石灰土為主。

研究區(qū)主要有林地、天然草地、農地和撂荒地幾種土地利用類型，其中，林地包括天然林地和人工林地，天然林以喬灌混交最為常見。由于研究區(qū)土壤偏酸性，人工林地樹種以馬尾松為主，也有以桂花為主的景觀綠化樹種的種植。因此，本研究將土地利用分為馬尾松()人工林地、桂花()人工林地、天然喬灌混交林地(主要植物：鹽膚木()、刺槐())、天然草地(主要植物：白茅()、胡枝子()、蕨())、撂荒地(撂荒1年以上，主要植物：藜()、馬唐()、莧()、鬼針草())、農地(主要作物：玉米())等6種類型。

每種地類設置1 m×1 m的樣方10個，在每個樣方內按5點法取土樣，以測定土壤物理性質和土壤抗沖性。其中，土壤抗沖性樣品采用200 cm的標準環(huán)刀采集，取樣時先清理樣方內土壤表面的枯落物及碎石等植物殘茬，然后直接將環(huán)刀垂直打入土壤表層，待環(huán)刀上沿與土壤表面齊平后挖出環(huán)刀，并用鋁蓋將環(huán)刀口蓋上，特別在底蓋內墊1張濾紙，以保證在后期樣品預處理時均勻潤濕土壤和防止土壤從底部漏出。同時，采用100 cm的標準環(huán)刀采集土壤樣品帶回實驗室中測量土壤容重及孔隙度；用鋁盒收集取樣點表層土壤用于測定土壤機械組成和水穩(wěn)性團聚體。為了保證試驗精度，土樣采集中同一樣方內土壤抗沖性、物理性質測定樣品的空間位置盡可能相鄰。每個樣方內的樣品采集5個重復。

1.2 土壤抗沖性測定

本研究使用的原狀土沖刷水槽見圖1，由中科院水土保持研究所設備加工廠生產。水槽材質為有機玻璃，主要包括支架、水槽、裝樣室、水流穩(wěn)定槽、徑流收集口等配件。水槽長、寬分別為100，8 cm；裝樣室內徑(76 mm)略大于環(huán)刀外徑(75 mm)，以保證試驗中環(huán)刀能放入和取出裝樣室且間隙較小。水槽坡度可通過坡度調節(jié)支柱按照試驗設計調整。

試驗于2021年5—8月在貴州大學西校區(qū)水土保持工程實驗室進行。為保證土樣初始含水率一致，沖刷試驗前先對土樣進行預濕潤處理：即將環(huán)刀連同帶小孔的底蓋一起放入平底容器內，然后向容器內加水至水面與環(huán)刀上沿齊平，土樣浸泡6 h后，取出環(huán)刀放在帶有網孔的支架靜置24 h，以排出水分。待樣品預處理結束后，將環(huán)刀放入水槽裝樣室進行沖刷試驗。根據(jù)研究區(qū)地貌特征，本試驗設置5°，15°，25°的3個坡度；另外，根據(jù)研究區(qū)降雨特征，分別設置2 400，3 600，4 800 L/(h·m)的3個供水單寬流量，換算為本試驗水槽實際流量分別為3.2，4.8，6.4 L/min。

圖1 原狀土沖刷水槽示意

沖刷試驗開始后，水槽徑流收集口以1 min間隔收集全部徑流泥沙樣品。試驗結束后，先對每個徑流樣品稱重，并記錄樣品重量。因樣品中含有泥沙，故將稱重后的樣品在室內靜置30 min左右，再用定性濾紙(=30 μm)過濾樣品，析出泥沙。泥沙析出后，將其放入烘箱中烘干稱重(85 ℃，3 h)。以上數(shù)據(jù)用于計算徑流含沙量和土壤抗沖系數(shù)。

1.3 土壤物理性質測量

本研究中土壤物理性質包括土壤容重、總孔隙度、機械組成和水穩(wěn)性團聚體。其中，土壤容重和總孔隙度采用100 cm的標準環(huán)刀樣品測量，測量方法為常規(guī)的浸泡—烘干稱重法；土壤機械組成采用激光粒度分布儀測定(Bettersize 2600)，按粒徑分為砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)；水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法測定，粒徑范圍分為>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，<0.25 mm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究以徑流含沙量和土壤抗沖系數(shù)作為土壤抗沖性指標，土壤抗沖系數(shù)用蔣定生等提出的方法計算，即沖刷掉單位質量土壤所需的水量和時間的乘積，計算公式為：

=

式中：為抗沖系數(shù)((L·min)/g)；為沖刷水量(L)；為沖刷時間(min)；為沖刷掉的土壤干重(g)。

通過Excel 2019軟件對徑流含沙量、土壤抗沖系數(shù)和土壤物理指標進行計算處理并繪制圖表，采用Origin 2017軟件進行徑流含沙量動態(tài)特征圖繪制，采用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析及土壤抗沖性與土壤物理性質相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同坡度及流量條件下各地類徑流含沙量動態(tài)特征

原狀土沖刷試驗過程中，不同地類土壤徑流含沙量隨沖刷時間的動態(tài)變化過程見圖2。各地類含沙量在沖刷開始后5 min內呈下降趨勢，5～15 min含沙量較小，且各地類相互之間相差不大。此外，不同坡度和沖刷流量條件下其徑流含沙量隨時間的動態(tài)變化特征有所差異。坡度為5°，沖刷流量為3.2 L/min條件下，各地類徑流含沙量均處于較低水平。隨著沖刷流量的增大，各地類徑流含沙量隨之增大，且各地類徑流含沙量除農地在6 min后才趨于穩(wěn)定外，其他幾種地類均在2～4 min后趨于穩(wěn)定。在坡度為15°，25°時，隨著沖刷流量的增大，各地類徑流含沙量趨于平緩的時間逐漸提前。

2.2 不同地類土壤抗沖系數(shù)對比分析

由表1可知，不同坡度和流量條件下，土壤抗沖系數(shù)均表現(xiàn)為NGL(13.44～87.84 (L·min)/g)>PMP(8.14～93.15 (L·min)/g)>ASL(2.93～45.36 (L·min)/g)>AL(1.21～10.01 (L·min)/g)>OFP(1.25～5.48 (L·min)/g)>CL(0.17～1.27 (L·min)/g)，且NGL、PMP和ASL土壤抗沖系數(shù)顯著高于AL、OFP、CL 3個地類。

在不同坡度條件下，6種地類的土壤抗沖系數(shù)在3.2 L/min的沖刷流量下表現(xiàn)為5°與15°，25°差異極顯著(<0.01)，15°與25°之間差異不顯著(>0.05)；在沖刷流量為4.8 L/min時，OFP的土壤抗系數(shù)在3個坡度之間無顯著差異(>0.05)，NGL地在25°與5°，15°之間差異顯著(<0.05)，4種地類則均表現(xiàn)為5°與15°，25°差異顯著(<0.05)；沖刷流量為6.4 L/min時，CL的土壤抗沖系數(shù)在3個坡度間均存在顯著差異(<0.05)，OFP、PMP在3個坡度間差異均不顯著(>0.05)，AL土壤抗沖系數(shù)僅在5°與25°間存在顯著差異；ASL地在5°與15°，25°之間差異顯著(<0.05)。說明坡度對不同地類土壤抗沖性的影響還受沖刷徑流量大小的限制。

同坡度不同沖刷流量條件下，AL和NGL土壤抗沖系數(shù)在3種沖刷流量間均無顯著性差異(>0.05)，說明AL和NGL的土壤抗沖性受沖刷流量影響不大；ASL抗沖系數(shù)在坡度為15°，25°時，表現(xiàn)為3.2 L/min與4.8，6.4 L/min間差異顯著(<0.05)，4.8 L/min與6.4 L/min間無顯著差異(>0.05)；CL、OFP、PMP土壤抗沖系數(shù)在5°時，沖刷流量條件下3.2 L/min與4.8，6.4 L/min間差異極顯著(<0.01)；坡度為25°時，OFP土壤抗沖系數(shù)在3種流量條件下差異均不顯著(>0.05)，CL、PMP土壤抗沖系數(shù)表現(xiàn)為3.2 L/min與4.8，6.4 L/min間差異顯著(<0.05)。

可見，坡度對不同地類土壤抗沖性的影響受沖刷流量大小限制，同樣，流量對土壤抗沖性的影響亦受坡度限制；但總體而言，坡度對土壤抗沖性的影響更大。

圖2 徑流含沙量隨沖刷時間的變化特征

表1 不同坡度和沖刷流量條件下土壤抗沖系數(shù)

2.3 不同地類土壤物理性質分析

由表2可知，土壤容重大小表現(xiàn)為NGL>PMP>ASL>AL>OFP>CL。由于農地缺少根系的固結，且受人為擾動較大，因此，農地的土壤容重最小。土壤孔隙度大小代表土壤的疏松程度，各地類的土壤總孔隙度則表現(xiàn)為CL>OFP>AL>ASL>PMP>NGL。土壤顆粒大小不同，其抵抗徑流搬運的能力也不同，本研究中各地類土壤機械組成以粉粒為主，均占30%以上，且不同地類粉粒占比表現(xiàn)為PMP>AL>NGL>ASL>OFP>CL；其次是土壤黏粒，占比15%～26%，各地類黏粒含量表現(xiàn)為CL>OFP>AL>ASL>PMP>NGL，砂粒含量則與黏粒相反，僅占1%～10%。水穩(wěn)性團聚體也是評價土壤抵抗水流侵蝕的重要指標。由表3可知，不同土地利用類型>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體平均含量表現(xiàn)為NGL(64.67%)>PMP(56.63%)>ASL(49.86%)>AL(47.09%)>OFP(43.66%)>CL(38.30%)?？傮w而言，相較于農地，受人為干擾較小的其他地類土壤結構具有一定程度的改善，從而增強了土壤抗沖刷的能力。

2.4 土壤物理性質對土壤抗沖性的影響

對土壤抗沖系數(shù)與土壤容重和總孔隙度做一元回歸分析(圖3)發(fā)現(xiàn)，土壤抗沖系數(shù)與土壤容重、總孔隙度呈指數(shù)函數(shù)關系，與土壤容重呈正相關關系(=0.893)，與總孔隙度呈負相關關系(=0.901)。表明土壤容重越大、總孔隙度越小，土壤越緊實，土壤顆粒不易被徑流搬運、沖蝕，其抗沖性能也就越強。

土壤機械組成反映了土壤顆粒組成及質地，土壤顆粒組成不同，其抵抗徑流搬運的能力也不同。分析土壤機械組成與土壤抗沖性的關系(圖4)顯示，土壤抗沖系數(shù)與土壤粗砂粒含量及黏粒含量呈冪函數(shù)關系，土壤抗沖系數(shù)與粗砂粒含量呈正相關關系(=0.887)，與黏粒含量呈負相關關系(=0.776)。說明土壤顆粒越大，越難被徑流沖蝕，抗沖性能也就越強。

分析了各粒級水穩(wěn)性團聚體含量對抗沖系數(shù)的影響(圖5)，利用指數(shù)函數(shù)模型對土壤抗沖系數(shù)與各粒徑水穩(wěn)性團聚體含量進行擬合，結果表明，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體與土壤抗沖系數(shù)之間呈指數(shù)型正相關關系，相關指數(shù)為0.907。

表2 土壤容重、總孔隙度和機械組成

表3 土壤水穩(wěn)性團聚體含量

圖3 土壤抗沖系數(shù)與土壤容重、總孔隙度的關系

對土壤抗沖系數(shù)與土壤各物理性質之間的關系進行了相關分析，由Pearson相關分析得出，土壤抗沖系數(shù)與土壤容重、砂粒含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.772，0.778，0.876；與總孔隙度呈極顯著負相關，相關系數(shù)為-0.757，與黏粒含量呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.534；與粉粒含量相關性未達顯著水平，相關系數(shù)為0.410?？梢?，土壤物理性質對土壤抗沖性的影響表現(xiàn)為>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體最為顯著，其次是土壤容重和砂粒含量，再次是黏粒含量，而粉粒含量對土壤抗沖性無顯著影響。

圖4 土壤抗沖系數(shù)與砂粒含量、黏粒含量的關系

3 討 論

本研究表明，隨著沖刷時間的延長，徑流含沙量呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，但總體上表現(xiàn)為各地類徑流含沙量在沖刷初始階段最高，隨后緩慢降低，最后趨于一個穩(wěn)定值。隨著坡度和沖刷流量的增大，徑流含沙量趨于穩(wěn)定的時間有所提前。這與伏耀龍等的研究結論相一致，何淑勤等也得出類似結論。因為在沖刷初期，表層松散的土壤顆粒易被水流推動下移，以至沖刷初期徑流含沙量較高。隨著沖刷時間的推移，可被徑流推動下移的土粒減少，含沙量逐漸降低。

圖5 土壤抗沖系數(shù)與水穩(wěn)性團聚體含量的關系

本研究表明，相同沖刷條件下不同地類土壤抗沖系數(shù)依次為NGL(13.44～87.84 (L·min)/g)>PMP(8.14～93.15 (L·min)/g)>ASL(2.93～45.36 (L·min)/g)>AL(1.21～10.01 (L·min)/g)>OFP(1.25～5.48 (L·min)/g)>CL(0.17～1.27 (L·min)/g)。已有研究表明，林地和草地的土壤抗沖性遠強于耕地，由于農地受人為干擾頻繁，可被沖刷移動的土壤顆粒較多，導致其抗沖性弱；林地和草地因有植物根系的固持作用，土壤結構不易被徑流破壞，表現(xiàn)出較強的抗沖性能。蔣定生等的研究結果顯示，黃土高原區(qū)天然林地和天然草地土壤抗沖系數(shù)分別為97.50～101.40，35.35～99.45 (L·min)/g，是本研究中相同地類的1.15～12.06倍，農地土壤抗沖性與本研究中的CL相差不大。郭明明等的研究結果指出，黃土高塬溝壑區(qū)農地土壤抗沖性為0.28 (L·min)/g，不同年限的撂荒地土壤抗沖性較農地增加了1.98～9.82倍。本研究中，AL的土壤抗沖性是農地的7.88倍。黃土高原區(qū)天然林地和草地的土壤抗沖性明顯高于喀斯特區(qū)，而農地和撂荒地土壤抗沖性則與喀斯特區(qū)相差不大。本研究中OFP土壤抗沖系數(shù)僅高于CL，是因為人們定期對桂花人工林進行管理，拔掉除木犀外的其他植物，一方面對土壤造成了一定程度的擾動，從而減弱其抗沖能力；另一方面，經過人為管理后的桂花人工林地幾乎僅剩下木犀1種植物，生物多樣性差，以至于其土壤抗沖性較其他地類弱。

沖刷坡度和徑流量也是影響土壤抗沖性能的重要因素。本研究結果得出，土壤抗沖系數(shù)隨坡度和沖刷流量的增大而降低，但總體而言，坡度對不同地類土壤抗沖性的影響更為顯著。已有研究表明，土壤抗沖性與坡度、沖刷流量呈負相關關系，隨著坡度的增加，土體穩(wěn)定性變差，更容易被徑流沖刷搬運。此外，沖刷徑流由坡頂向坡下流動的過程中，重力勢能轉化為動能對土壤做功，造成土壤分散和搬運；然而，這種動能會隨著坡度和沖刷流量的增加而增大，從而增強了徑流剝蝕土壤的能力，本研究結果也證實了這一點。

土壤物理性質是土壤本身固有的特性，土壤物理性質不同，其抗沖特性亦有差異。本結果顯示，土壤抗沖性與土壤容重、砂粒含量、水穩(wěn)性團聚體含量呈極顯著正相關關系，與土壤總孔隙度呈極顯著負相關，與黏粒含量呈顯著負相關關系。印證了王健等和陳晏等的研究結論，土壤抗沖性與土壤容重、砂粒含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量呈極顯著正相關關系，與土壤總孔隙度、黏粒含量呈負相關。也有研究指出，土壤容重、砂粒含量與土壤抗沖性呈負相關，總孔隙度、黏粒含量與土壤抗沖性呈正相關關系，與本研究結論恰好相反，因為土壤容重減小和總孔隙度的增加提高了土壤的蓄水能力，緩解了徑流對土壤的沖刷作用，從而增強了土壤抗沖性能。由此可見，土壤容重、機械組成及孔隙度不是影響土壤抗沖性的唯一因素，還可能與土壤水穩(wěn)性團聚體等其他因素有關。

4 結 論

(1)在原狀土沖刷試驗過程中，不同沖刷條件下各地類土壤徑流含沙量在沖刷初期最大，隨后呈先減小后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；坡度和沖刷流量的增加會增大沖刷初始階段的徑流含沙量。

(2)各地類土壤抗沖性依次為天然草地>馬尾松人工林地>天然喬灌混交林地>撂荒地>桂花人工林地>農地；且各地類土壤抗沖性與坡度和沖刷流量呈負相關關系。

(3)土壤物理性質是影響喀斯特區(qū)土壤抗沖性的重要因素，以土壤容重、砂粒含量、水穩(wěn)性團聚體含量和土壤總孔隙度的影響最為顯著。

綜上，喀斯特高原山地土壤抗沖性除受土壤本身性質影響外，還與坡度、沖刷流量、植被覆蓋等因素有關。因此，在今后的研究中應著重考慮各因素對土壤抗沖性的綜合作用，為喀斯特高原山地土壤侵蝕防治提供更加可靠的理論依據(jù)。