紫色丘陵区桑树林地土壤理化性质及其抗蚀性研究

蒋翔鹤，丁文斌，任孙燕，康 健，刘颖旎，黄先智，史东梅

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400715;2.西南大学蚕学与系统生物学研究所，重庆 400715)

紫色丘陵区桑树林地土壤理化性质及其抗蚀性研究

蒋翔鹤1，丁文斌1，任孙燕1，康 健1，刘颖旎1，黄先智2，史东梅1

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400715;2.西南大学蚕学与系统生物学研究所，重庆 400715)

[目的]为对桑树水土保持效益的客观评价提供科学依据。[方法]通过室内理化性质分析法，研究桑树林地土壤理化性质及其抗蚀性能。[结果]桑树林地可显著改善土壤理化性质，提高土壤抗蚀性能, 增加土壤有机质含量，其中剑持的土壤改良效果最好，有机质含量最高(30.67 g/kg)，是湖桑32号的1.82倍。各样地土壤团聚体分布均不均匀，风干土团聚体主要分布在>5 mm范围；3种桑树林地>0.25 mm风干土团聚体(94.50%～97.00%)和水稳性团聚体(50.16%～61.66%)含量均较高，并以嘉陵20号水稳性团聚体含量最大(61.66%)，表明该桑树对改善土壤结构和增强其土壤稳定性效果最好。嘉陵20号水稳性指数为0.52，其结构体破坏率最小(36.43%)，水稳性团聚体的GMD和MWD分别为1.06和1.33 mm，表明抵抗降雨侵蚀和径流冲刷能力最强。嘉陵20号的内摩擦角为13.712°，为剑持的1.40倍，湖桑32号的黏聚力最大，说明这2种桑树均对土壤有较高的改良作用。[结论]剑持对土壤理化性质的改良最优，嘉陵20号在改善土壤团聚体稳定性方面具有较高优势，湖桑32号可以提高土壤黏聚力以增强土壤的抗侵蚀力，三者在对土壤的水土保持效应方面各有优势。其中，嘉陵20号在各方面的表现较优，对土壤的改良效果最显著。

桑树；水土保持；抗蚀性；土壤理化性质；紫色丘陵区

紫色土是我国主要的土壤类型之一，广泛分布于长江中上游地区，其面积占全国紫色土资源的51.28%[1]，土层浅薄，有机质含量低，抗侵蚀和抗冲刷能力弱，在降雨和径流冲刷下极易造成严重的水土流失。紫色丘陵区作为长江中上游地区生态环境建设的重点区域之一，退耕还林还草是改善生态环境和防治水土流失的根本措施。研究表明，人工林可以有效改善土壤结构，提高土壤抗蚀性[2-3]。土壤抗蚀性反映土壤抵抗水的分散及悬浮能力的大小[4]，与土壤类型、土地利用方式和人为扰动关系密切。桑树作为桑科桑属的落叶乔木，具有生长适应性强、耐旱、耐涝、耐瘠薄以及萌蘖性强的特征[5-6]，可有效地提高土壤抗蚀性和增强水土保持效益[7]。发展桑蚕产业对生态经济的综合效果显著[8]。采用室内理化性质分析法，笔者研究了紫色丘陵区3种不同品种桑树林地土壤理化性质及其抗蚀性差异，以期为该区桑树水土保持效益客观评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况 试验区位于重庆市北碚区西南大学学苑小区，地处E 106°24′，N 29°48′，海拔253 m，年均气温18.5 ℃，年平均降雨量1 105.4 mm，5～ 9月降雨量占全年降雨量的70%，处于北碚向斜中部。试验土壤为中生代侏罗系沙溪庙祖灰棕紫色沙泥页岩母质上发育的中性紫色土。在试验区，选取3种不同品种桑树林地，即剑持、嘉陵20号和湖桑32号)。不同样地类型基本情况见表1。

1.2 土样采集与分析 试验于2013年5～8月的每月15号左右进行，在3种桑树林地内分别选择标准株，在其附近样地内采集0～20 cm土样，采用土壤农化分析法进行室内物理化学性质测定[9]，其中土壤含水量的测定采用烘干法，土壤容重的测定采用环刀法，有机质的测定采用重铬酸钾外加热法，机械组成的测定采用吸管法，风干团聚体和水稳性团聚体的测定分别采用干筛法和湿筛法。选取粒径7～10 mm土壤颗粒50粒，均匀放置在孔径为5 mm土壤筛中，然后静置于水中，前10 min每隔1 min记录1次崩解颗粒数，12 min后每隔3 min记录1次，连续记录30 min，最后计算水稳性指数[10]。抗剪强度的测定采用ZJ型应变控制式直剪仪。各项理化性质指标的测试均为3次重复。

表1 不同样地类型基本情况

1.3 土壤抗蚀性指标的测定 在对已有研究成果进行分析的基础之上，结合该试验的特点，选取水稳定性指数、结构破坏率[11]、平均重量直径、几何平均直径[12]6个指标评价土壤的抗蚀性能。

式中,K为水稳性指数；Pi为第i分钟分散土粒数，i取1，2，3，…,10；Ki为第i分钟的校正数；Pj为10min内没有分散的土粒数；A为试验土粒总数。

式中，wi为第i粒级团聚体的百分数(%)；xi为相邻两级团聚体的平均粒径(mm)。

式中,wi为土壤不同粒级团聚体的质量(g)；xi为相邻两级团聚体的平均粒径(mm)。

1.4 土壤抗剪性能的测定 按照土工试验方法(GB/T50123-1999)标准，采用ZJ型(三速)应变控制式直剪仪进行快剪试验测定土壤抗剪强度。采用库仑公式，计算抗剪强度指标(土壤内摩擦角和土壤黏聚力)。

Tf=C+δtanφ

式中，Tf为土壤抗剪强度；δ为作用在剪切面上的横向应力；φ为土壤内摩擦角；C为土壤黏聚力。

2 结果与分析

2.1 桑树林地土壤理化性质特征 桑树林地能有效地改善土壤物理性质，明显增加土壤有机质含量。土壤容重影响土壤水分、空气、养分以及耕作阻力等土壤理化性质，其大小与土壤质地、土壤结构及有机质含量等有关。由表2可知，不同样地类型的土壤容重在1.25～1.29g/cm3间变化，其大小依次为桑树C>桑树B>桑树A。3种桑树对土壤的物理性质均有改善作用，其中以桑树A效果最好。不同样地土壤颗粒组成均以粗粉粒含量(0.05～0.001mm)最高，其数值在54.35%～64.17%之间，而黏粒(<0.001mm)、砂粒(0.050～1.000mm)含量均较低，表明桑树及其根系的存在促进土壤细颗粒成分的保持。各样地土壤有机质含量在16.88～ 30.67g/kg间范围变化，其大小依次为桑树A>桑树B>桑树C，表明在3种桑树种类中，桑树A对有效提高土壤有机质、维持土壤结构稳定性、增强土壤的抗侵蚀性等具有较高的能力。

2.2 桑树林地土壤团聚体结构特征 土壤团聚体即土壤结构，是指土壤所含的大小不同、形状不一、有不同孔隙度、机械稳定性和水稳性的团聚体总合，是鉴定和评价土壤抗蚀性的重要指标[10]。团聚体稳定性及其粒径分布是团聚体的2个重要特征。由表3可知，3种桑树林地具体性质差异在0.05水平显著，且其各粒径风干土壤团聚体含量分布不均匀。在土壤团聚体粒径分布中，桑树B>0.25mm风干土团聚体含量最大，桑树C最小；>5.00mm风干土团聚体含量以桑树A最大，比桑树C提高了23.03%，表明桑树A对促进土壤团粒结构的形成更有优势，可使得土壤结构得到有效的改善，提高土壤抗侵蚀能力。

表2 不同样地类型土壤理化性质

土壤团聚体稳定性是衡量土壤质量和土壤抗蚀性的重要指标，可用于评价土壤在降雨侵蚀和径流冲刷作用下的破坏程度[12]。土壤样品经湿筛处理后，不稳定的团聚体将会发生崩解，土壤团聚体组成结构也随之发生改变。一般将>0.25 mm的团聚体称为土壤团粒结构体。它是维持土壤结构稳定的基础。其含量越高，土壤结构的稳定性越大。由表3可知，各样地>2.00 mm水稳性团聚体含量明显比风干土团聚体减小，<0.50 mm水稳性团聚体含量显著增加。其中，桑树B>0.25 mm的水稳性团聚体含量略高于其余2个林地，分别为桑树A、桑树C的1.22、1.06倍。这表明桑树B在降雨后具有较优的固结土壤能力，避免土壤分散为过小的颗粒随水流流走，形成土壤侵蚀。

2.3 桑树林地土壤抗蚀性特征 土壤抗蚀性是指土壤抵抗降雨、径流对其分散和悬浮的能力，在侵蚀外营力一定的情况下可反映土壤潜在水土流失特征[12]。选择常用土壤抗蚀性评价指标即土壤水稳定性指数、土壤结构破坏率、平均重量直径和几何平均直径对桑树林地土壤抗蚀性进行评价。由表3可知，各样地土壤结构破坏率在36.43%～47.59%范围内，其中以桑树B土壤团聚体结构破坏率最小，仅为桑树A的0.76倍，说明该桑树土壤结构稳定性更好，抗侵蚀能力更强。

土壤水稳性指数是表征土粒水稳性随时间变化的破坏特征，是衡量土壤抗蚀性的重要指标之一[10]。由图1可知，桑树A的团聚体破损率明显小于其余2种桑树。桑树A的土壤团聚体在前3 min崩解速率稍快，但总体相比其余2种桑树而言较平缓；桑树B的崩解速率在15 min时趋于缓慢，与桑树C接近，表明在最初土壤干燥时，桑树B与桑树C的土壤团聚体遇水崩解较强烈，在降雨或径流条件下更易发生水土流失；而桑树林地土壤团聚体破损率在整个崩解过程中均呈缓慢增加的趋势，在试验第30分钟时其团聚体破损率为62%～70%。各样地类型土壤水稳性指数大小依次为桑树B>桑树A>桑树C，表明桑树B可改善土壤抗侵蚀能力。

表3 不同样地类型土壤团聚体粒径分布及其稳定性

图1 不同样地类型土壤团聚体破损过程

土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤抗蚀性的重要指标[13]。由图2可知，桑树A的风干团聚体和水稳性团聚体的GMD和MWD略高于其余2个桑树。风干团聚体GMD和MWD均表现为桑树A>桑树B>桑树C；水稳性团聚体GMD和MWD均表现为桑树B>桑树A >桑树C，其中桑树B水稳性团聚体的GMD为1.06 mm，是桑树C的1.24倍，其MMD为1.33 mm，是桑树C的2.25倍。这表明桑树B土壤水稳性团聚体稳定性较好，土壤结构稳定性、抗侵蚀能力相对较强。

图2 不同样地类型土壤GMD和MWD变化特征

2.4 桑树林地土壤力学性质特征 土壤抗剪强度是在极限应力的条件下土体的一部分相对另一部分滑动(剪切)时土体抵抗剪切破坏的极限强度，也是表征土壤抗侵蚀能力的重要指标之一。由图3可知，不同桑树林地土壤内摩擦角表现为桑树B>桑树C>桑树A，说明桑B土壤相较其他2个样地土壤而言，更易保持稳定，不易被水流剪切破坏。土壤的黏聚力与容重有较大的关系，容重越大，土体越紧实，土壤黏聚力越高。该试验土壤黏聚力表现为桑树C>桑树A>桑树B，说明桑树C具有较高的土壤固结性，土壤本身不易被破坏。该结果与之前对容重的分析结果相一致。这可能是由于桑树C根系对土壤的加固作用，它在土壤固结方面优于其余2个桑树种类。

图3 不同品种桑树的土壤黏聚力和内摩擦角特征

3 结论

(1)3种不同品种桑树均可明显改善土壤物理性质，增加土壤有机质含量，改善土壤结构。3种桑树林地中以剑持土壤理化性质的改良效果最好，其颗粒组成中以粗粉粒(0.050～0.001 mm)含量最高(64.17%)，土壤有机质含量最大(30.67 g/kg)。

(2)3种桑树林地土壤团聚体分布不均匀且有较明显的差异。嘉陵20号>0.25 mm风干土团聚体含量及>0.25 mm水稳性团聚体含量均最高，分别为97%和61.66%，分别比其余2种桑树提高2%～3%和4%～11%，表明该桑树土壤团聚体稳定性最好。

(3)3种桑树林地中以嘉陵20号土壤水稳性指数和水稳性团聚体GMD和MWD最大，土壤结构破损率最小。这表明该桑树对提高土壤抗侵蚀性能效果最好。

(4)3种桑树林地中以嘉陵20号内摩擦角最高，其数值为13.712°，说明该桑树土壤稳定性最好；黏聚力以湖桑32号最高(43.85 kPa)，说明该桑树土壤固结性最好，土壤本身不易受到破坏侵蚀。

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Soil Physicochemical Properties and its Anti-erosion of Mulberry Forest Land in Purple Hilly Area

JIANG Xiang-he et al

(College of Natural Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715)

[Objective]The research aimed to provide scientific basis for evaluating soil and water conservation benefits of mulberry objectively. [Method] Soil physicochemical properties and soil anti-erodibility of mulberry forest lands were studied using the mean of soil physicochemical properties analysis. [Result] Mulberry improved soil physicochemical properties, soil anti-erodibility and soil organic content significantly, in which Jianchi forest land had the best effect on improving the condition of soil and the soil organic content was the highest (30.67 g/kg), 1.82 times higher than that of Husang-32. The size distribution of soil aggregate was uneven for all experimental plots, and dried aggregate mainly distributed in >5mm. The content of > 0.25 mm dried aggregate(94.50-97.00%)and water stable aggregate (50.16-61.66%) from three different varieties of mulberry forest lands were greater, in which the content of water stable aggregate of Jialing-20 forest land was the highest (61.66%), which indicated that Jialing-20 had the best effect on improving soil structure and soil stability. Water stable index of Jialing-20 forest land was 0.52, and its structural damage rate was the minimum (36.43%).GMDandMWDof water stable aggregate were 1.06 and 1.33 mm respectively, which indicated that its capability of resisting rainfall erosion and runoff scouring were the strongest. The angle of internal friction of Jialing-20 was 13.712 °, 1.40 times higher than Jianchi. The cohesion of Husang 32 was the highest. It showed that all of these two could make effective influence for the soil. [Conclusion]Jianchi had the best effect on soil physicochemical properties and Jialing-20 had more advantage in improving the stability of soil aggregates, in the orther side Husang 32 could improve the soil cohesion in order to enhance the anti-erosion ability of the soil. All these three kinds of mulberry played an important role in soil and water conservation. Compared with the other two factors, Jialing-20, which was the best in all directions, had the best effects on the soil.

Mulberry; Soil and water conservation; Anti-erosion; Soil physicochemical properties; Purple hilly area

农业部现代农业产业技术体系专项(CARS-22-ZJ0503);西南大学光炯创新项目(20120205)。

蒋翔鹤(1992-)，女，山东荷泽人，本科生，专业：水土保持。

2014-04-28

S 157.1

A

0517-6611(2014)15-04636-04