不同水土保持措施对石漠化区水土流失的影响

柏 勇，杜 静，杨婷婷，王正选，邱金亮，李 靖†

(1.云南农业大学资源与环境学院，650201，昆明；2.云南省高校城乡水安全与节水减排重点实验室，650201，昆明；3.云南农业大学水利学院，650201，昆明)

云南省是我国石漠化主要分布区之一，岩溶面积为11.09万km2，占全省国土面积的28.15%[1]。石漠化导致可利用耕地减少，涵养水源能力下降，土壤肥力下降，小生境气候恶化，生物多样性被破坏等危害。近年来，国内外对岩溶石漠化区控制措施的相关研究日益增多，并取得了一系列研究成果。A. Ferrara等[2]从性能和成本评估了石漠化的脆弱性，并研究植被、气候和降雨等因素，综合治理石漠化问题。A.R.Adamcova等[3]在治理石漠化过程中，综合分析岩石特性、河网密度及岩溶地貌对水土流失的影响。国内一些学者研究坡改梯、植物覆盖、完善小型水保工程等生物和工程措施治理石漠化地区[4-5]。

土壤理化性质的改变是石漠化综合治理生态恢复的关键和前提，周毅等[6]对黄土高原水蚀风蚀交错区，不同林地类型的水保持效益分析研究表明，相同植被类型的林地抗冲性随坡度的增大而降低，植被措施能提高土壤抗冲性的能力，能有效地控制水土流失。郭晓朦等[7]和路炳军等[8]的研究表明，林草措施能够有效改善土壤质量，土壤的全氮、全磷流失量与草地植被覆盖度呈指数递减关系。赵世伟等[9]的研究表明，水土保持工程及植被措施能明显改善土壤的水分环境和土壤有机碳质量分数，影响土壤结构和功能，对侵蚀土壤的发育有一定促进作用。本课题组前期也对石漠化地区的治理方式和效果评价做了一定的研究[10]。在前人研究的基础上，以云南省沾益区典型岩溶石漠化区为例，对不同水土保持措施保水保土的效果进行分析，为解决西南地区石漠化问题提供理论依据，同时为进一步探索和完善云南省石漠化小流域水土流失综合治理工作提供技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于云南省曲靖市沾益区白水镇勺达村官麦地小流域(E 104°01′48″～104°07′12″，N 25°42′10″～25°45′26″)，距县城48 km，地势西高东低，海拔在2 010～2 228 m之间，其地貌类型属高原山区岩溶地貌(多属峰丛洼地)，是典型中度石漠化地区[11]。所处小流域总面积31.66 km2。其中，耕地、林地、经果林、荒山荒坡、水域、难以利用地和非生产用地分别占34.60%、51.42%、0.76%、11.25%、0.28%、0.30%、和1.39%。共741户2 929人。其中：农业人口2 901人，农业劳动力1 791人，人口密度93人/km2。年平均气温15 ℃，多年平均降雨量943.60 mm，降雨主要集中在6—10月。流域内土壤类型有红壤土、黄棕壤、紫色土、石灰土和水稻土，其中红壤土分布最广。流域内以传统农业生产为主，主要种植玉米(ZeamaysL.)、土豆(SolanumtuberosmL.)、小麦(TriticumaestivumL.)、烤烟(SolanumverbascifoliumL.)、万寿菊(TageteserectaL.)等作物。

2 研究方法

2.1 小区设计

试验共设坡耕地(巨菌草PennisetumsineseP.)、坡改梯耕地(玉米)、经果林(核桃JuglansregiaL.)、水保林(云南松PinusyunnanensisL.)和荒山草地5种不同土地利用类型小区，植被覆盖度分别为39.7%、41.8%、82.6%、95.8%和46.1%，坡度为15°，岩石裸露率为20%，覆盖层为杂色粉土、砂土及砾石层，厚度1～7 cm，白云岩呈石芽、溶沟和溶槽等溶蚀状出露于河床及两岸，基岩以玄武岩、石灰岩为主。径流小区面积为100 m2，即长×宽为20 m×5 m[12]，同一土地类型设置3个试验小区，并设置气象站。径流小区用40 cm×60 cm的单砖隔开，小区上方设排水渠，下方用水泥抹面修筑集流槽，确保径流和泥沙通过集流槽汇入集流池，集流池

1 m×1 m×1 m(长×宽×高)，小区左右两边留1 m小区保护带。

2.2 试验方法

用自动气象站监测记录降雨量、蒸发和风速等气象要素；用储存式自记水位计观测径流量；泥沙人工取样，用置换法测定含沙量[13]。每次降雨后进行监测，按技术规范管理小区，并监测产流产沙情况。取不同深度的土壤(0～20、20～40和40～60 cm)，用烘干法测定土壤含水量；用环刀法测定土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；半微量开氏法(GB 7173—1987)测土壤全氮；NaOH融化—钼锑抗比色法(GB 9837—1988)测土壤全磷。

2.3 数据处理

试验监测开展于2014年6月—2016年12月，所得数据为3年的平均值，用Microsoft Excel 2010进行计算和图表制作，用SAS进行统计分析。采用单因素方差分析，Duncan多重比较法检验差异显著性。

3 结果与分析

3.1 不同水土保持措施对产流产沙量的影响

3.1.1 不同水土保持措施对产流量的影响 由表1可知，侵蚀性降雨和产流主要集中在6—9月，分别占全年的85.64%和85.93%。其中，侵蚀性降雨量以小区内产流为标准。产流量由大到小的顺序为坡耕地、荒山草地、梯地、经果林和水保林。经果林和水保林的总产流量无显著差异，经果林、水保林与坡耕地、梯地和荒山草地之间差异显著(P<0.05)。坡耕地总径流量最多，经果林和水保林较坡耕地总产流量分别减少70.55%和74.02%。9月产流量最大，经果林、水保林与坡耕地、梯地和荒山草地之间差异显著(P<0.05)。其中，水保林的产流量最少，较经果林、梯地、荒山草地和坡耕地分别减少13.01%、52.44%、59.47%和69.6%。

3.1.2 不同水土保持措施对土壤侵蚀量的影响 从表2可知，各水土保持措施在6月和7月产生的土壤侵蚀量最大，分别占总侵蚀量的65.00%、50.35%、56.13%、52.43%和46.03%；总土壤流失量为荒山草地>坡耕地>梯地>经果林>水保林。经果林、水保林与坡耕地、梯地和荒山草地之间差异显著(P<0.05)，水保林土壤侵蚀量最少，较经果林、梯地、坡耕地和荒山草地分别减少28.96%、74.3%、81.44%和84.53%。

表1 不同土地利用类型小区产流量Tab.1 Runoffs under different land use types m3

注：用 Duncan法分析不同处理间的差异显著性，不同字母表示不同水土保持措施产流量在P<0.05水平上差异显著，下同。Notes: The data in the same month of different measures are verified by Duncan, and the different letters indicate that the runoffs among different soil and water conservation measures differ significantly (P<0.05). The same below.

表2 不同土地利用类型小区土壤侵蚀量Tab.2 Amount of soil erosion under different land use types t/km2

3.2 不同水土保持措施对土壤物理性质的影响

由表3可知，不同水土保持措施土壤表层(0～20 cm)密度低于中层(20～40 cm)和底层(40～60 cm)，随着土层加深，密度逐渐增加，同一土层中土壤密度水保林<梯地<经果林<坡耕地<荒山草地。除梯地表层毛管持水量和最大蓄水量比中层低12.31%和4.44%外，其他土地利用类型的表层土壤毛管持水量和最大蓄水量均高于中层和底层，且随土层加深，毛管持水量和最大需水量依次降低。各水土保持措施的土壤上层自然含水率均高于中层和底层。梯地和水保林中层的非毛管孔隙度均比表层和底层高，而坡耕地、梯地和荒山草地表层>其他两层。除水保林的总孔隙度中层比表层高10.52%外，坡耕地、梯地、经果林和荒山草地随土层加深总孔隙度依次减小。

由表4可知，荒山草地与水保林、梯地土壤密度差异显著，与坡耕地和经果林无显著差异(P<0.05)，且水保林和梯地分别比荒山草地低12.14%和11.43%。经果林和梯地的毛管持水量与荒山草地差异显著(P<0.05)，且分别比荒山草地高31.94%和29.65%。梯地、坡耕地和水保林的自然含水率均与荒山草地差异显著(P<0.05)，且分别比荒山草地高95.38%、88.64%和80.38%。梯地和水保林的最大蓄水量与荒山草地差异显著(P<0.05)，且分别比荒山草地高27.67%和22.44%。经果林、水保林和梯地的非毛管孔隙度与荒山草地差异显著(P<0.05)，除坡耕地的非毛管孔隙度比荒山草地小11.38%外，经果林、水保林和梯地的非毛管孔隙度均比荒山草地高，分别高169.25%、96.61%和54.48%。经果林、水保林和坡耕地的毛管孔隙度与荒山草地无显著差异，但梯地和坡耕地、荒山草地、经果林、水保林的毛管孔隙度差异显著(P<0.05)，且梯地和水保林分别比荒山草地高18.88%和6.14%。坡耕地的总孔隙度与荒山草地无显著差异，但梯地、经果林和水保林的总孔隙度与荒山草地差异显著(P<0.05)，且分别比荒山草地高22.87%、19.21%和16.30%。

3.3 不同水土保持措施对土壤化学性质的影响

3.3.1 不同水土保持措施对土壤全氮的影响 对相同水土保持措施不同土层的土壤全氮量进行比较。结果(图1)显示：除坡耕地外，其他土地利用类型的表层土壤全氮质量分数都比中层高。这5种土地利用类型中层土壤的全氮质量分数均高于底层。对土壤的全氮量分析得出，坡耕地>经果林>水保林>梯地>荒山草地，且分别比荒山草地高90.63%、74.48%、26.56%和22.4%，经果林表层土壤全氮质量分数最高，坡耕地中层和底层土壤全氮质量分数最高，荒山草地各个土层的土壤全氮质量分数都比其他水土保持措施低。

表3 不同土地利用类型不同土层土壤物理性质Tab.3 Physical properties of different soil layer under different land use types

表4 不同土地利用类型土壤物理性质Tab.4 Physical properties of soil under different land use types

图1 不同土地利用类型土壤全氮质量分数Fig.1 Different soil types topsoil TN (Total nitrogen) content

3.3.2 不同水土保持措施对土壤全磷的影响 由图2可知，对相同水土保持措施不同土层的土壤全磷质量分数进行比较，除梯地中层土壤全磷质量分数低于底层外，其他土地利用类型均是表层>中层>底层。表层土壤全磷质量分数坡耕地和经果林较高，中层土壤全磷质量分数坡耕地、经果林和水保林较高。不同水土保持措施土壤全磷质量分数坡耕地>经果林>水保林>梯地>荒山草地，分别较荒山草地高123.64%、96.36%、67.27%和16.64%。

图2 不同土壤类型土壤全磷质量分数Fig.2 Different soil types topsoil TP (Total phosphorus) content

4 结论与讨论

1)通过对官麦地小流域径流小区径流泥沙特征分析，经果林、水保林与坡耕地、梯地、荒山草地之间产流产沙差异显著，蓄水保土效果较好。与闫建梅等[14]研究不同土地利用方式土壤入渗与贮水特征的结果一致。不同土地利用类型的水土保持措施，虽然在一定程度上均能减弱坡面土壤侵蚀力，减少水土流失，但不同土地利用类型的水土保持效果不尽相同。从产流和产沙方面分析，水保林的控制效果最佳，经果林、梯地、坡耕地次之。主要是水保林冠幅大，枯枝落叶层厚，根系发达，蓄水保土效果较好。坡耕地种植巨菌草后，也可减少径流量和泥沙量，巨菌草生长过程中发达根系，其自身力学作用能使土壤紧实，增加水稳性团聚体，增强土壤抗蚀性[15]。

2)通过对官麦地小流域径流小区不同土地利用类型各层土壤密度、含水量和孔隙度分析，得出水保林、经果林、梯地和种植巨菌草的坡耕地对改善土壤结构有较好效果。魏义长等[16]的研究也表明，人工种草、水保林和经果林等水保措施可以降低土壤密度，增大土壤孔隙度，改善土壤结构，提高土壤的通透性和机械稳定性。土壤密度、孔隙度和含水量是重要的土壤物理因子，这些因子的空间变化对区域土壤的水分、养分等特性有重要影响[17]。水保林中林木的根系和枯枝落叶层增加了土壤的疏松性、通气性及透水性，使土壤密度降低，孔隙度增加。坡耕地、荒山草地和经果林孔隙度自上而下依次减小，不利于下渗过程持续进行，而梯地和水保林因不同植被群落类型，其根系穿插作用导致非孔隙度自上而下先增大后减小，能够有效削减径流，蓄水保墒。

3)石漠化地区采取适当的水土保持措施，可有效提高土壤肥力，且种植巨菌草对提高土壤全氮、全磷最为明显。李新虎等[18]和喻荣刚等[19]对土壤养分的研究结果表明，不同水土保持措施能有效提高坡地土壤养分，且土壤表层养分质量分数有明显的表聚性。林兴生等[20]对土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响的研究结果也表明，种植巨菌草可提高土壤肥力。不同土地利用类型中，坡耕地的土壤全氮、全磷质量分数最高，其次是经果林和水保林，荒山草地最低。在坡耕地种植巨菌草，增加中层土壤微生物数量，提高土壤肥力，使土壤中层全氮质量分数高于表层和底层。经果林和水保林种植核桃和云南松，根系分布较深，使土壤底层全氮、全磷质量分数比表层和中层质量分数低。

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