黑土侵蚀坡积过程分析

孟 凯

(黑龙江大学 农业资源与环境学院,哈尔滨 150080)

0 引 言

土壤侵蚀是广泛存在于地球表面。在地质历史时期所发生的侵蚀为自然侵蚀,它完全决定于当时的地质、地貌、气候、土壤、植被等自然因子的综合影响。自人类社会出现后,人类活动对生态平衡的破坏而加速了土壤侵蚀过程,土壤侵蚀则在自然侵蚀的基础上,叠加了人为活动的影响,出现了加速侵蚀,并产生了严重后果。在自然状况下,土壤层是绝对不可能永远保留它的初始状态的。它要经受风蚀、水蚀,还要不断地被人类的耕作措施所疏松,同时又在风和水的携带下离开原来的位置,参与整个地质循环过程。土壤这种被输运的速率,取决于诸多因子,而最主要的莫过于土壤自身的物理化学性质、地形特点、气候条件(尤其是水和风的条件)、地表覆盖状况以及人类的生产活动。一般来说,在坡面土壤侵蚀过程中,侵蚀作用和堆积作用是同一过程产生的两种结果,尤其是坡面流水的面状侵蚀,会在坡底的缓坡地带沉积形成坡积物。因此,在某些黑土-古土壤序列中,常会有面状水流沉积成分,记录着坡面侵蚀的变化过程。本文通过对海伦前进小流域坡积发育历史、地层序列的有机碳、腐殖质组分变化的研究,分析海伦前进小流域的土壤侵蚀发生规律。

图1 黑土坡积过程示意图Fig.1 Schematic diagram of blacksoil sedimentaryprocess

1 黑土侵蚀形成因素

从自然因素看,降水因子对水土流失影响最大。降雨集中,雨量大,降雨强度大,超过土壤的渗蓄水能力,就容易产生地表径流。根据降雨和径流小区产流的观测资料:

1)当1 h的降雨量达到10 mm,或24 h降雨量达到30 mm时,就能产生径流和冲刷。这样的雨强在黑土区每年都要出现十几次,势必造成对土壤的冲刷和破坏。

2)地形因子,地面坡度越大,径流的冲刷能力越强。当坡度相同时,坡面越长,汇集的流量越大,径流的速度也越大。

3)土壤、地质因子。土壤的透水性、抗蚀性、抗冲性越强,水土流失越轻,反之,就重。黑土表层疏松,抗蚀抗冲能力很低,底土黏重,透水能力较差,因此黑土容易遭受水力侵蚀。

4)植被因子。良好的植被,截流降雨,分散径流,固持土壤,减轻水土流失。而植被一旦被破坏,就容易发生水土流失。黑土为垦殖率较高的土壤,就连坡度较大的地方也开垦为农田,再加上林地的过度砍伐,自然植被遭到了显著的破坏。

5)冻融作用也是影响水土流失的一个因子。该地区土壤冻结时间150～180 d,冻融交替,使土体变得疏松,抗蚀抗冲能力很低,春季融雪沿坡地很容易形成地表径流。另外,冬季形成很多地裂缝,冻融后地裂缝处土体更为疏松,在降雨径流冲刷作用下,很容易发展成侵蚀沟。侵蚀黑土由于坡长和汇水面积大,再加上有自然水线,开垦为耕地或毁林后,极易引起土壤侵蚀。侵蚀的形式主要是面蚀和沟蚀两种,根据多处坡度较大的片蚀区调查,平均侵蚀表土的厚度约为0.8 cm/a,以至在黑土区的耕地出现大片的破皮黄和云彩地,因此面蚀是黑土肥力减退的主要原因。黑土区的沟蚀也很普遍,主要是由于集中降雨,雨水顺地形集中于谷间冲刷所至,冲刷沟切割地形,造成地形支离破碎,破坏农田和道路。

2 研究区域概况与方法

2.1 研究区域概况及试验设计

前进乡位于海伦市西部,乡政府所在地距海伦城12 km。东起海伦城郊,与乐业乡为邻,西与共合镇、永和乡相靠,南临海伦河,与祥富镇隔河相望,北与向荣乡接壤。全乡共有15个行政村,82个自然屯,110个村民组,总人口 36 000人、7 200户,土地面积177 km2。前进小流域地处我国水力侵蚀六大类型区之一的东北黑土侵蚀区,行政区划包括前进乡的光荣、新政、新生3个村,水土流失面积3 733 hm2,共有17个大沟,120多条侵蚀沟,水土流失十分严重。前进小流域系第四纪冰川湖积作用和现代河流剥蚀堆积作用所形成,为岗丘状地貌,由16个丘岭岗地端头构成。植被区系属长白植物区系好蒙古植物区系的过渡地带,原始植物群落岗地为落叶阔叶杂木林和榛柴艾塘草甸,沟谷滩地为草甸-沼泽。该流域位于中温带大陆性季风气候带,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,全年平均降水量为500 mm,80%的降水量集中在7～9月,且多暴雨。总土地面积3 733 hm2,其中耕地2 826.7 hm2,占75.72%,草地190 hm2,占6.09%,薪炭林 213.3 hm2,占 5.71%,水面33.3 hm2,占 0.89%,荒山荒坡 400 hm2,占10.72%,其它林木20.2 hm2,占0.54%,120多条侵蚀沟,水土流失十分严重,土壤侵蚀模数为5 000 t/km2◦a。很多岗地黑土层已经由 100 cm左右厚剥蚀剩20～30 cm,个别地方变成了破皮黄,土地生产水平很低,粮豆单产不足1 500 kg/hm2,人均收入少,是全市比较贫困地方。

剖面1位于海伦市前进乡同心村海望公路东侧坡下;剖面2位于海伦市前进乡光荣村海望公路西侧坡中,剖面3位于海伦市前进乡光荣村西毛屯东侧坡中偏上。

2.2 实验方法

2.2.1 土壤样品的采集与处理

采集土壤剖面样品的目的在于分析土壤不同层次有机质含量及腐殖质组成含量的层际变化特征,最终希望能够为评价当地土壤侵蚀状况提供参考。根据前进小流域坡积黑土的空间分布规律,选取具有代表性的地块进行采样,统一采样时间,选取有代表性的若干处自然剖面,然后根据土壤剖面的颜色、结构、质地、松紧度、湿度、根系分布等,自上而下划分土层仔细观察,描述记载,将剖面形态特征逐一记入剖面记载簿。观察记载后,就自下而上逐层采集分析样品。在采样时,用GPS定位记录样点的海拔、经纬度,同时记录样点的本底资料。将土样装入布袋,各采样点采集土样1 kg左右,并在土袋的内外附上标签,写明采集地点,剖面号数,土层深度,采集日期和采集人等。

将土壤样品压碎成块平铺在干净的纸上,摊成薄层放置于室内阴凉通风处风干,风干后的土样再进行磨细过筛处理。

2.2.2 测定项目及方法

土壤有机质的测定方法为:重铬酸钾容量法——外加热法。

土壤腐殖质组分的测定方法为:0.1 mol/L焦磷酸钠与0.1 mol/L氢氧化钠混合溶液浸提——重铬酸钾容量法——外加热法。

全磷的测定采用HClO4—H2SO4消煮钼锑抗比色法。

3 结果分析

3.1 土壤有机质变化特征

黑土有机质主要分布在土壤表层,自然土壤有机质含量由表层向下骤然减少,根据土壤有机质含量的变化判断黑土坡积过程。

由图2可见,剖面1土壤有机质含量最高值出现在85～120 cm处,相对低值在27～85 cm处,剖面1处在漫岗的下部,自然土壤有机质含量大致在50 g/kg,在85 cm以上有明显的坡积后的沉积过程。剖面2土壤有机质含量最高值出现在27～85 cm处,其他3个层次有机质含量均在36～38 g/kg,剖面2处在漫岗中部,坡积层次与剖面1比较稍高些。剖面3土壤有机质含量最高值出现在0～27 cm处,其次是85～120 cm处,2个层次有机质含量相差2.2 g/kg,剖面3处在漫岗中部偏上的地形部位,在土壤侵蚀过程中第1次的坡积沉积过程发生在85～120 cm处,现代侵蚀发生在土壤表层。

图2 不同土层有机质变化Fig.2 Changes of SOM in different soil horizon

3.2 土壤腐殖质组成变化

土壤腐殖质组成主要由胡敏酸、富里酸和胡敏素构成,腐殖质的品质在很大程度上取决于它的最活跃部分——胡敏酸的含量。腐殖质具有较强的络合作用,能与铁、铝、铜、锌等高价金属离子形成络合物,增强腐殖质的稳定性,增强抵抗微生物分解的能力,使腐殖质分解周转时间增长,胡敏酸的平均停留期为 780～3 000 a,富里酸为 200～630 a。活性腐殖质和新形成的腐殖质,分解释放养分能力较强。胡敏酸和富里酸的主要区别是后者的移动性强、酸度高,有大量的含氧功能团。此外,富里酸有较大的阳离子交换容量。在相同条件下,富里酸和胡敏酸的阳离子交换容量分别为200～670和180～500 mequiv/100 g。因此,富里酸对重金属等阳离子有很高的螯合和吸附能力,其螯合物一般是水溶性的。富里酸吸附重金属离子以后呈溶胶状态,易随土壤溶液运动,可被植物吸收,也可流出土体,进入其他环境介质中。胡敏酸除与一价金属离子 (如K+、Na+)形成易溶物外,与其他金属离子均形成难溶的絮凝态物质,使土壤保持有机碳和营养元素,同时也吸持了有毒的重金属离子,缓解其对植物的毒害。由此可见,胡敏酸含量高的腐殖质可大大提高土壤对重金属的容纳量。在研究土壤环境容量时,应考虑腐殖质中胡敏酸和富里酸 (H/F)的相对比例。胡敏酸对土壤结构的形成起着重要作用。

由图3可见,剖面1土壤胡敏酸含量最高值出现在85～120 cm处,相对低值在27～85 cm处和下层,剖面1处在漫岗的下部,自然土壤胡敏酸含量在10 g/kg左右,在85 cm以上有明显的坡积后的沉积过程。剖面2土壤胡敏酸含量最高值出现在27～85 cm处,其他3个层次胡敏酸含量均在9.6～11.7 g/kg,剖面2处在漫岗中部,坡积层次与剖面1比较稍高些。剖面3土壤胡敏酸含量最高值出现在120 cm以下处,其次是0～27 cm处,2个层次胡敏酸含量相差2.35 g/kg,剖面3处在漫岗中部偏上的地形部位,在土壤侵蚀过程中第1次的坡积沉积过程发生在85～120 cm处,现代侵蚀发生在土壤表层。

图3 不同土层胡敏酸变化Fig.3 Changes of humilic acid in different soil horizon

由图4可见,剖面1土壤富里酸含量最高值出现在85～120 cm处,相对低值在27～85 cm处和下层。剖面2土壤富里酸含量最高值出现在120～ 150 cm处,最低值在27～85 cm。剖面3土壤富里酸含量最高值出现在27～85 cm处,其次是85～120 cm处。富里酸总碳量在剖面含量其变化规律与该剖面总有机碳、腐殖质含量变化规律一致。

图4 不同土层富里酸变化Fig.4 Changes of Fulvic acid in different soil horizon

3.3 土壤全磷变化

磷素含量既受地形、黑土层厚度等内因的影响,也受种植作物、施肥、气候等外因的影响。全磷含量空间异质性相对较大,自然界中的土壤全磷含量决定于母质类型、风化程度和土壤中磷的淋失情况,在耕地土壤中,全磷含量还受耕作和施肥的影响。土壤中磷的迁移能力较低,在土壤剖面中土壤全磷含量自上向下逐渐降低。土壤固定磷的机理主要有两个作用:①磷化合物的沉淀作用(其中的磷和其他阳离子结合形成沉淀);②磷的吸附作用(液相中的磷离子转入固相的过程)。这两种作用都使土壤溶液中的磷浓度降低,从而降低磷的有效性。一般来说,在磷浓度较高、土壤中有大量可溶态阳离子存在和土壤pH值较高时,沉淀作用是主要的。相反条件下,吸附是主要的。区别是在吸附作用中,吸附量决定于液相磷的浓度,而在沉淀作用中则是最小溶解度的磷素沉淀决定液相磷的浓度。土壤磷素与土壤介质的相互作用可以概括为:土壤溶液中磷与活性磷之间的相互转化,土壤活性磷同时与非活性磷之间发生转化。这是一个动态的过程,不停地发生在磷素的迁移转化过程中,而在这个过程中磷素就有可能通过不同的途径发生流失。地表径流主要通过雨蚀动能剥离土壤表层,首先作用于粒径较小的土壤颗粒,如土壤黏粒、土壤胶体等,由于这些小颗粒的比表面比较大吸附能力很强,使得地表径流中固体物质的磷素水平明显高于径流发生的土壤具有养分富集的特征。通过对土壤剖面不同层次全磷变化特征分析,判断土壤坡积过程。

由图5可见,土壤剖面1全磷含量最高在120～150 cm处,土壤全磷含量最低出现27～85 cm处,土壤中,从表层土到此土层是外来土堆积产生的,而在堆积土中,随着土壤深度的增加,全磷含量基本呈现逐渐增加状态。剖面2、3各层次土壤全磷含量呈小幅波动,土壤全磷含量最高处都在下层。

图5 不同土层全磷变化Fig.5 Changes of TP in different soil horizon

4 结 语

根据黑土剖面层次变化,分析了土壤有机质、胡敏酸、富里酸和土壤全磷含量变化特征,无侵蚀黑土剖面土壤有机质和全磷含量分布特征是由上层向下骤然减少。结果表明:

1)剖面1土壤有机质含量最高值出现在85～120 cm处,相对低值在27～85 cm处,剖面1处在漫岗的下部,在85 cm以上有明显的坡积后的沉积过程。剖面2土壤有机质含量最高值出现在27～85 cm处,剖面2处在漫岗中部,坡积层次出现在27cm以上。剖面3土壤有机质含量最高值出现在0～27 cm处,其次是85～120 cm处,剖面3处在漫岗中部偏上的地形部位,在土壤侵蚀过程中第1次的坡积沉积过程发生在85～120 cm处,现代侵蚀发生在土壤表层。

2)剖面1土壤胡敏酸含量最高值出现在85～120 cm处,相对低值在27～85 cm处和下层。剖面2土壤胡敏酸含量最高值出现在27～85 cm处,其他3个层次胡敏酸含量为9.6～11.7 g/kg。剖面3土壤胡敏酸含量最高值出现在120 cm以下处,其次是0～27 cm处,2个层次胡敏酸含量相差2.35 g/kg。

3)土壤全磷含量最高值都在在下层,土壤剖面1全磷含量最高在120～150 cm处,土壤全磷含量最低出现27～85 cm处,土壤中,从表层土到此土层是外来土堆积产生的,而在堆积土中,随着土壤深度的增加,全磷含量基本呈现逐渐增加状态,剖面2、3各层次土壤全磷含量呈小幅波动。

4)根据黑土剖面不同层次土壤有机质、胡敏酸和全磷分析,3个土壤剖面呈现不同的侵蚀沉积,由于所处地形部位的差异,坡积后沉积层次表现出差异。利用土壤有机质、胡敏酸和全磷含量在土壤剖面变化特征判断土壤侵蚀过程的方法可行。

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