三峡库区紫色土坡耕地表土的可蚀性研究

徐文秀， 韦 杰， 李进林， 鲍玉海， 李沙沙

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院， 重庆 401331； 2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室， 重庆 401331；3.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所， 山地表生过程与生态调控重点实验室， 四川 成都 610041)

土壤可蚀性是指土壤对侵蚀的敏感程度，即土壤受雨滴击溅、径流冲刷以及壤中流等作用而被分散和搬运的难易程度[1-2]，也是评价土壤质量的重要指标。下伏基岩、土壤质地、团聚体特征、土地利用方式等因素均可影响土壤的可蚀性[3-4]。其中，下伏基岩是土壤的最初物质来源，可通过决定土壤的成土母质、矿物特征、土壤质地等影响土壤可蚀性[5]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，在调节土壤养分、增强土壤抗蚀性等方面具有重要作用[6]。不同土地利用方式下的表土颗粒组成和紧实度特征不同，从而可使特定区域内的土壤可蚀性因土地利用方式而存在明显的空间分异[7]。通常情况下，相比林地、草地而言，耕地表层土壤疏松破碎，稳定性团聚体含量较低，且耕作行为的扰动较频繁，其抗侵蚀能力相对较弱[7-8]。一般认为，土壤有机质具有良好的胶结粘合效果，可通过促进稳定性团聚体的形成而提高土壤的抗蚀性[9]。然而，也有研究表明，土壤有机质与可蚀性之间没有显著的相关性[10]。

紫色土坡耕地是三峡库区农业活动的主要场所，但紫色土土层薄、水稳性差、抗蚀能力弱，水土流失强烈，侵蚀模数可高达3 464～9 452 t/(km2·a)[11]。埂坎和水平沟是重要的水土保持措施，通过分割坡长调控坡耕地土壤侵蚀，均具有较好的水土保持效果[12]。研究表明，较无措施坡耕地而言，埂坎和水平沟2种坡耕地的减蚀效应分别为77%和63%[12]。当前，有关紫色土坡耕地的研究主要集中在耕层质量评价、水土保持措施效益评价、土壤养分平衡等方面[13-15]。然而，有关紫色土坡耕地表土可蚀性的报道相对较少。本文选取三峡库区腹地的埂坎和水平沟2种坡耕地作为研究对象，并以无措施坡耕地为对照，以期揭示坡耕地表土可蚀性特征，为三峡库区紫色土坡耕地水土保持措施空间配置优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 样品采集和测试

通过野外调查，分别在忠县白庙村选取无措施紫色土坡耕地，在屏山村和新政村选取设有埂坎和水平沟的紫色土坡耕地作为采样地。无措施坡耕地由于耕作自然形成上下不同坡度两个地块，埂坎和水平沟坡耕地均为上下两个地块，各地块概况见表1。采用平行双剖面线法，即从坡上向坡下拉皮尺，在距皮尺左右两侧50 cm处分别采样并混合，根据不同地块的坡长和坡度分别确定采样间隔，采样间隔控制在1～3 m内。利用内径3.5 cm取土钻，采集表层土壤(0—20 cm)，每个采样点采集2 kg土样，用密封袋保存好带回实验室进行理化分析。用MS 2000激光粒度分析仪测定土壤颗粒组成，采用美国土壤粒级分类标准将土壤颗粒分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(>0.05～2 mm)，土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定。

表1 采样坡耕地各地块概况

1.3 土壤可蚀性K值计算

采用Williams等[16]提出的EPIC(erosion-productivity impact calculator)模型，该模型因物理意义明确和计算简便而得到广泛应用。计算公式为：

K={0.2+0.3exp〔-0.025 6SAN(1-SIL/100)〕}×

式中：SAN——砂粒(>0.05～2 mm)含量(%)；SIL——粉粒(0.002～0.05 mm)含量(%)；CLA——黏粒(<0.002 mm)含量(%)；C——有机碳含量(%)；SN1=1-SAN/100。计算的土壤可蚀性K值为美国制单位，将其乘以0.1317则转变为国际制单位( t·hm2·h) /( MJ·mm·hm2)。

2 结果与分析

2.1 紫色土坡耕地表土颗粒组成

紫色土坡耕地表土的黏粒、粉粒和砂粒含量分别为6.05%～10.58%，16.53%～48.02%和45.78%～76.29%，但不同水土保持措施坡耕地表土颗粒组成存在差异(图1)。无措施坡耕地表土砂粒含量高于埂坎和水平沟2种措施坡耕地，分别为29.58%，26.3%和25.69%。表土粉粒含量最高的是水平沟坡耕地(66.62%)，其次是埂坎坡耕地(65.65%)，无措施坡耕地最低(62.39%)。3种坡耕地表土黏粒含量差异不大，埂坎为8.05%，无措施为8.03%，水平沟为7.68%。土壤颗粒组成分形维数与黏粒含量呈显著正相关[17]，因此3种坡耕地表土颗粒组成分形维数差异不大，介于2.56～2.71之间。埂坎坡耕地上下地块表土黏粒含量和颗粒组成分形维数均存在显著性差异(p<0.05)，而粉粒和砂粒含量没有显著差异。对于无措施和水平沟2种坡耕地而言，上下地块表土各颗粒含量和颗粒组成分形维数均没有显著性差异(表2)。总体来看，埂坎坡耕地和水平沟坡耕地中，上地块下坡位表土粉粒含量均高于紧邻的下地块上坡位，砂粒含量则相反，相比而言，埂坎坡耕地更为明显(图1b,1c)。同一地块内，粉粒含量和黏粒含量在中下坡位较高，在上坡位较低，砂粒含量则正好相反(图1)。

2.2 紫色土坡耕地表土有机质含量

水平沟和埂坎2种坡耕地的表土有机质含量均低于无措施坡耕地，分别为0.97%，0.86%和1.11%。原因可能是无措施坡耕地存在间歇性撂荒，而有措施坡耕地为常用耕地，土壤有机质消耗较多。总体来看，埂坎和水平沟2种水土保持措施坡耕地的上地块表土有机质含量高于下地块，相比而言，水平沟坡耕地更明显(表2)。这可能是因为埂坎和水平沟均具有较好的水土保持效果，上地块的土壤养分流失得到了一定控制[12]。地块尺度内，表土有机质含量在中下坡位较高，这与粉粒含量和黏粒含量在坡面上的分布相同(图1)，原因可能是有机质被细颗粒吸附后，随泥沙的输移而迁移[18-20]。埂坎坡耕地上地块下坡位表土有机质含量高于紧邻的下地块上坡位，而水平沟的这种差异不明显(图1b,1c)，说明埂坎的水土保持效果更好。这主要是因为埂坎能够完全分割坡面，而深度较浅的水平沟容易被泥沙淤满，从而失去截流拦沙作用。

表2 坡耕地表土性质描述性统计

注：同列数据后不同小写字母表示不同地块间差异显著(p<0.05)。

图1 坡耕地表土颗粒组成、有机质含量和可蚀性K值分布

2.3 坡耕地表土可蚀性K值及其影响因素

紫色土坡耕地表土可蚀性K值介于0.043 8～0.059 2之间。坡面尺度内，埂坎和水平沟2种坡耕地的上地块表土可蚀性K值均高于下地块，相反，无措施坡耕下地块比上地块高，但是均没有通过显著性检验(表2)。地块尺度内，表土可蚀性K值在中下坡位较高，且最高值出现在地块坡面的3/4处(图1)。埂坎坡耕地和水平沟坡耕地中，下地块上坡位表土可蚀性K值均比紧邻的上地块下坡位低，分别低16.55%和6.30%(图1)。紫色土坡耕地表土可蚀性K值与土壤理化性质的相关分析结果表明，表土可蚀性K值与粉粒含量、黏粒含量和分形维数呈正相关，相关系数分别为0.993，0.425和0.740，其中与粉粒含量呈极显著正相关(p<0.01)。表土可蚀性K值与砂粒含量和有机质含量呈负相关，相关系数分别为-0.978和-0.434，其中与砂粒含量呈极显著负相关(p<0.01)(表3)。坡耕地表土抵抗坡面径流侵蚀能力低，土壤容易被侵蚀而产生大量泥沙，土壤可蚀性K值较大。

表3 表土可蚀性K值与土壤理化性质的相关分析结果

注：**代表显著性水平为0.01。

3 讨 论

紫色土坡耕地表土可蚀性K值介于0.043 8～0.059 2之间，与史东梅等[21]的研究结果基本一致。不同措施坡耕地间可蚀性K值没有显著性差异，可能是因为不同坡耕地下伏基岩性状相似，土壤的颗粒特征、可蚀性等属性差异不大。紫色土是由侏罗纪、白垩纪时期形成的紫红色砂岩和页岩风化而成，成土速率快，但粗颗粒含量较多、有机质和稳定性团聚体含量低，其抗蚀能力低于黄壤、红壤和棕壤[21-25](表4)。三峡库区人地矛盾较为突出、耕作强度高，再加上库区雨量充沛、暴雨集中，导致了紫色土坡耕地的土壤侵蚀较为强烈[11]。

地块尺度内，坡耕地的中下坡位表土粉粒含量和黏粒含量较高，原因是中下坡位汇流面积较大，产流量较大，易侵蚀产沙和发生沉积，是坡面侵蚀泥沙的主要来源，细颗粒含量较高[18-20]。同时，侵蚀泥沙在地块下坡位被埂坎和水平沟拦截并沉积，故与无措施相比，埂坎和水平沟坡耕地上地块下坡位细颗粒含量均明显高于紧邻的下地块上坡位，且埂坎拦沙截流作用强于水平沟，其上地块下坡位与下地块上坡位间细颗粒含量的差异明显大于水平沟。埂坎和水平沟2种水土保持措施均能通过拦截坡面径流和泥沙发挥水土保持效益[12]，其中埂坎发挥的水土保持效果较好。坡面尺度内，表土可蚀性K值在中下坡位较大，总体来看，最高值多出现在坡面的3/4处附近，这与坡面侵蚀—堆积过程导致的坡面表土颗粒组成、有机质含量空间分异有直接关联[18-20]。总体来看，紫色土坡耕地表土抗侵蚀能力弱，且中下坡位抗侵蚀能力明显较低，而埂坎和水平沟对坡面侵蚀具有一定的调控作用，2种水土保持措施的实施对提高坡耕地表土抗蚀性具有重要意义。

表4 不同土壤类型下坡耕地土壤可蚀性K值描述性统计

4 结 论

(1) 紫色土坡耕地表土粉粒含量较高，黏粒含量较低，分别为45.78%～76.29%和6.05%～10.58%。坡面尺度内，埂坎坡耕地上地块下坡位粉粒含量明显大于紧邻的下地块上坡位。地块尺度内，表土砂粒含量在上坡位较高，粉粒含量和黏粒含量在中下坡位较高。

(2) 紫色土坡耕地表土有机质含量介于0.61%～1.48%之间。坡面尺度内，埂坎坡耕地上地块下坡位有机质含量明显大于紧邻的下地块上坡位。地块尺度内，表土有机质含量在中下坡位较高。

(3) 紫色土坡耕地表土可蚀性K值介于0.043 8～0.059 2之间。坡面尺度内，埂坎和水平沟坡耕地下地块上坡位表土可蚀性K值均低于紧邻的上地块下坡位，埂坎表现较为明显。地块尺度内，表土可蚀性K值在中下坡位较高，且最高值出现在坡面的3/4处。表土可蚀性K值与粉粒含量呈极显著正相关(p<0.01)，与砂粒含量极显著呈负相关(p<0.01)。