安宁河干旱河谷区不同类型农用地土壤抗冲性及与土壤性质关系

朱兆棋, 刘守江, 刘鲁光, 陈 曦, 王自豪, 李金桓

(1.西华师范大学 生命科学学院, 四川 南充 637009; 2.西华师范大学 地理科学学院,四川 南充 637009; 3.西华师范大学 四川省干旱河谷土壤侵蚀监测与控制工程实验室, 四川 南充 637009)

干旱河谷是我国西南地区极其复杂的地形和气候综合作用下形成的自然—社会—经济复合山地系统[1]。干旱河谷区气候炎热少雨,生态环境脆弱,水土流失严重[2]。恶劣的自然环境加之人类对土地的不合理开发利用,极易加速加重地区干旱程度,使植被类型有向干旱灌丛和荒漠化转变的趋势。安宁河干旱河谷区作为西南干旱河谷中的一部分,同时也是四川省水土流失综合治理的重点监测区域,在近十年来越来越受到学者们的广泛关注[1-4]。

土壤抗冲性是指土壤抵抗流水对其造成机械破坏和推移的能力,该概念由朱显谟院士于20世纪60年代初提出并定义[5]。土壤抗冲性是评定土壤抗侵蚀能力的重要指标之一,同时也是水力侵蚀机理研究中的难点和热点[6]。作为土壤自身的一种特性,其大小深受土壤自身理化性质的影响,同时也会受到土壤表层根系与地表植被覆盖的影响。以往的研究主要集中于我国黄土地区,由于黄土土质疏松极易遭受流水的侵蚀,且黄土分布地区多为干旱、半干旱气候,植被稀少,护土固土能力差,故受到学者的广泛关注[7]。随着土壤抗冲性研究的逐渐深入,学者们将研究区扩大到各个生态脆弱区,通过抗冲性研究为生态脆弱区水土流失防治提供理论基础。相关研究者主要针对不同条件土壤冲刷过程中抗冲系数的动态变化特征及相关影响因素进行研究。例如,吕刚等[8]通过原状土冲刷试验对科尔沁沙地水蚀风蚀交错区的不同土地利用类型进行土壤抗冲性研究,得到土壤抗冲性为樟子松林地>杨树林地>荒草地>灌木林地>花生地>裸沙地,且土壤抗冲性随着坡位和坡度的下降呈现线性增加趋势;柏兰峰等[9]通过原状土冲刷试验对黄土丘陵区自然冻融条件下的坡耕地、草地和灌木地进行土壤抗冲性研究,其研究结果表明冻融作用会加剧土壤流失,其中草地受冻融作用影响最大、抗冲性能更差,存在加剧地区水土流失的风险;王雅琼等[10]通过野外实地放水冲刷对祁连山区典型草地的土壤抗冲性及影响因素进行了研究,认为影响祁连山区草地土壤抗冲性的主导因子为植被覆盖度和根系密度。

干旱河谷地区由于生态环境脆弱,对土地的选择和开发利用就显得尤为重要。本文以安宁河干旱河谷区5种类型农用地作为研究对象,即桉树经济林(EEF)、青花椒园地(GPG)、牧草地(GL)、马铃薯耕地(PCL)和撂荒地(AL),通过原状土冲刷试验进行土壤抗冲性研究,并分析土壤性质。揭示不同类型农用地间土壤抗冲性差异,甄别出土壤性质中对土壤抗冲性起主导作用的因子。同时研究结果可为安宁河干旱河谷区农用地的合理规划利用提供理论参考,为区域水土流失防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处四川省凉山州安宁河流域(101°51′—102°48′E,26°38′—28°53′N),属于干旱河谷中的干暖河谷,干旱河谷长度达160 km,面积1 120 km2[2]。地貌以山地为主,地形环境复杂,海拔924～5 261 m[3]。该区域属于低纬度高海拔的亚热带季风气候,夏季炎热干燥,降水集中,多为暴雨,干湿季明显,年平均气温12.71℃。年平均降雨量为1 006.1 mm,年平均陆面蒸发量为960.4 mm[11]。土壤以紫色土为主,水土流失严重[12]。

1.2 样地选择与设置

于2022年4—7月,对安宁河干旱河谷区农用地进行调查取样。该区域将农用地划分为5种类型,分别为耕地、园地、林地、牧草地和他农用地,占比面积表现为林地>耕地>牧草地>其他农用地>园地。结合当地农用地实际情况,5种类型农用地选取为桉树(Eucalyptus)经济林、马铃薯(Solanumtuberosum)耕地、牧草地、撂荒地和青花椒(Zanthoxylumschinifolium)园地。在每种类型农用地上设置1 m×1 m的样方3个,在每个样方内用特制矩形环刀(10 cm×10 cm×20 cm)采集土样,带回室内进行土壤抗冲性试验,合计15份土样;采用100 cm3的标准环刀取土壤样品带回实验室用于测定土壤容重和孔隙度,合计90份土样(45份用于容重,45份用于孔隙度);采用塑封袋和铝盒收集取样点表层土壤用于测定土壤有机质、土壤机械组成和土壤团聚体,合计90份土样(45份用于土壤机械组成和有机质,45份用于土壤团聚体)。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤抗冲性测定 土壤抗冲性试验采用改进后的原状土冲刷试验法,所使用原状土冲刷水槽如图1所示。为保证各农用地土样冲刷条件相同,冲刷坡度设置为15°,冲刷流量设置为2 L/min(用标准径流小区(20 m×5 m)在暴雨条件下产生的最大径流量计算),具体试验步骤参考金晓和陈丽华的试验操作[7]。土壤抗冲性用土壤抗冲系数(ANS)表示,表示每冲走1 g土所需水量,ANS越大,土壤抗冲性能越强[13],计算公式如下:

1.输水管;2.稳流室;3.可调节高度支架;4.底座;5.冲刷槽;6.土样室;7.采样桶。

ANS=(f×t)/W

(1)

式中:ANS为抗冲系数(L/g);f为冲刷流量(L/min);t为冲刷时间(min);W为烘干泥沙质量(g)。

1.3.2 土壤性质的测定 土壤性质测定方法如下[14-15],土壤容重采用环刀法测定;土壤大团聚体水稳性采用H.N.萨维诺夫(CaBBNHOB)法测定,由干筛法和湿筛法两部分组成,用重量百分比(%)表示;土壤机械组成采用吸管法测定;土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化—比色法测定;土壤比重采用比重瓶法测定;土壤总孔隙度通过公式计算得到,计算公式如下:

(2)

1.3.3 土壤团聚体稳定性的测定 通过土壤团聚体湿筛结果计算得到平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)和团聚体破坏率(PAD),来表示土壤团聚体的稳定性,计算公式如下[16]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Wi为i粒级团聚体的重量百分比(%);Xi为i粒级团聚体的平均直径(mm);n为粒径分组的组数;D为土壤颗粒分形维数;r为土壤粒径;Ri为粒径等级i的土壤粒径(μm);VT为土壤颗粒总体积百分含量(%);Rmax为土壤粒径的极大值(μm);V为土壤粒径小于Ri的土壤体积百分含量(%);DS>0.25为干筛处理下>0.25 mm团聚体含量;WS>0.25为>0.25 mm水稳性团聚体含量。

1.3.4 数据统计分析 采用SPSS 26.0对数据进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)、Pearson相关性和逐步回归分析,使用LSD进行多重比较,采用Duncan进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同类型农用地土壤抗冲性特征

2.1.1 径流含沙量动态变化特征 由图2可知,在同样冲刷坡度和流量下,各农用地产沙量随冲刷时间的延长所表现出来的趋势基本相似。在第1分钟时产沙量最大,随后产沙量急剧下降,在5 min后趋于稳定状态。由于原状土取样时不可避免会对土壤表面造成一定扰动,从而产生一些松散土壤颗粒,加上土壤表层自带的松散颗粒,使得径流含沙量在第1分钟时数值异常大。但这并不影响不同类型农用地之间径流含沙量的差异,在本研究的5种农用地中,土壤产沙量总体变化表现为PCL(17.58 g)>AL(4.28 g)>GPG(0.69 g)>EEF(0.40 g)>GL(0.26 g)。在15 min冲刷过程中,PCL的产沙量远大于其他农用地,冲刷最为严重;AL的产沙量在第1分钟时最大,随后产沙量急剧下降趋于稳定,6 min后与GPG,EEF和GL的产沙量接近;GPG,EEF和GL的产沙量总体较小,且在较短的时间内趋于稳定。

图2 不同类型农用地含沙量随冲刷时间的变化特征

2.1.2 土壤抗冲系数动态变化特征 不同类型农用地由于地表植被差异,以及人们对农用地的后续管理不同,导致不同类型农用地在土壤抗冲性能上也存在较大差异。由图3可知,GL,EEF和GPG抗冲系数远大于AL和PCL。在冲刷初期抗冲系数均较小,随着冲刷时间的延长,GL在7 min时抗冲系数达到峰值(158.95 L/g),随后有所下降,但总体仍保持上升趋势,说明牧草地抗冲性最强;EEF在9 min达到峰值(86.27 L/g),随后抗冲系数出现一定下降趋势;GPG在整个时间段抗冲系数均保持稳定的增长,在第15分钟时抗冲系数达到119.47 L/g;AL抗冲系数呈现缓慢的增长趋势,在第15分钟时抗冲系数达到25.36 L/g;PCL抗冲系数变化趋势小且稳定在一个较低水平,在7 min后呈现出极小的增长趋势,在15 min内抗冲系数平均值仅为1.18 L/g。以往众多相关研究表明,土抗冲系数随着冲刷时间延长均表现出明显增大趋势,本研究发现PCL在15 min冲刷时间内变化趋势极小,说明马铃薯耕地在暴雨的冲刷下会源源不断地被侵蚀破坏,形成严重的水土流失。根据土壤冲刷过程中抗冲系数变化特征,得到5种类型农用地土壤抗冲性表现为GL>EEF>GPG>AL>PCL。

图3 不同类型农用地土壤抗冲系数随冲刷时间的变化特征

2.1.3 土壤抗冲系数与冲刷时间的关系 不同学者对土壤抗冲系数与冲刷时间关系的研究结果存在较大差异,得到最优拟合曲线主要有线性函数、幂函数和指数函数[7-8]。利用SPSS 26.0中曲线估算功能,对抗冲系数和冲刷时间做回归分析,得到不同类型农用地的最优相关关系曲线拟合模型。在15 min冲刷下,GL用对数函数拟合效果较好,土壤抗冲系数随冲刷时间的延长呈对数函数增大;EEF用逆函数拟合效果较好,土壤抗冲系数随冲刷时间的延长呈逆函数增大;GPG,AL和PCL用线性函数拟合效果较好,土壤抗冲系数随冲刷时间的延长呈线性函数增大。由表1可知,5种农用地的抗冲系数(ANS)与冲刷时间(t)呈显著或极显著正相关。EEF抗冲系数与冲刷时间相关系数相对较低(p<0.05),是由于EEF抗冲系数在9 min后有所下降导致的。

表1 不同类型农用地土壤抗冲系数与冲刷时间关系式Table 1 Relationship between soil anti-scour coefficient and scour time in different types of agricultural land

2.2 不同类型农用地土壤性质特征

2.2.1 土壤性质差异 从表2可以看出,不同类型农用地间土壤性质差异较大,且存在显著差异(p<0.05)。GL,EEF和AL土壤有机质含量远高于我国耕层土壤的平均含量;GPG的有机质含量次之;PCL有机质含量最低,说明长期的马铃薯耕种对土壤有机质消耗过多,后续补肥不足。调查中也发现,GL,EEF和AL均存在长期放牧,牲畜的排泄物会间接提高土壤有机质含量。土壤容重和土壤总孔隙度均可以反映土壤的疏松情况,二者基本吻合,土壤疏松程度表现为EEF>GL>GPG>AL>PCL。土壤机械组成主要由砂粒和粉粒为主,GL,EEF和GPG为粉砂质壤土,AL和PCL为砂质壤土。

表2 不同类型农用地的土壤有机质、容重、总孔隙度和机械组成差异Table 2 Soil organic matter, bulk density, total porosity and mechanical composition were different in different types of agricultural land

通过干筛和湿筛得到不同类型农用地土壤水稳性团聚体分布特征(图4),不同类型农用地对土壤水稳性团聚体粒径的分布影响较大。GL,EEF和GPG水稳性团聚体分布大致相同,>5 mm水稳性团聚体(47.30%～66.64%)为3种农用地的优势粒径;PCL和AL的优势粒径为<0.25 mm水稳性团聚体(57.81%～66.55%),占据了水稳性团聚体的一半以上。但AL>5 mm和2～5 mm水稳性团聚体高于PCL,这与人为扰动减少和有机质含量提高密切相关。

图4 不同类型农用地土壤水稳性团聚体

2.2.2 土壤团聚体稳定性 土壤团聚体是土壤结构构成的基础,其稳定性直接影响土壤表层的水、土界面行为,特别是与降雨入渗和土壤侵蚀关系密切[17]。MWD和GMD值越大,表示土壤团聚体平均粒径团聚度越高,团聚体稳定性越好。D和PAD值越小,表示土壤团聚体稳定性越好,抗侵蚀能力越强。综合4个指标结果(表3),得到5种农用地团聚体稳定性表现为GPG>GL>EEF>AL>PCL。这与前面5种农用地土壤抗冲性能结果略有不同,表明土壤团聚体只是影响土壤抗冲性的主要因子之一。同时各农用地之间差异显著性可分为两组,GL,EEF,GPG与AL,PCL存在显著差异(p<0.05),即GL,EEF和GPG的团聚体稳定性显著高于AL和PCL。

表3 不同类型农用地土壤团聚体稳定性特征Table 3 Stability characteristics of soil aggregates in different types of agricultural land

2.3 土壤抗冲系数与土壤性质关系

对土壤抗冲系数与土壤性质进行Pearson相关性分析(图5)。结果表明:土壤抗冲系数与粉粒和>5 mm水稳性团聚体呈显著或极显著正相关,相关系数分别为0.608,0.682。土壤抗冲系数与砂粒、0.25～0.5 mm和<0.25 mm水稳性团聚体呈显著或极显著负相关,相关系数分别为0.593,0.563,0.758。仅从相关程度看,由大到小依次为<0.25 mm水稳性团聚体、>5 mm水稳性团聚体、粉粒、砂粒和0.25～0.5 mm水稳性团聚体。粉粒和>5 mm水稳性团聚体越多则土壤抗冲系数越大,砂粒、0.25～0.5 mm和<0.25 mm水稳性团聚体越多则土壤抗冲系数越小。根据相关性结果可得到,在本文分析的土壤性质中水稳性团聚体和土壤机械组成对抗冲系数影响最大。

图5 土壤抗冲系数与土壤性质相关性分析

表4 土壤抗冲系数与土壤性质逐步回归分析的多元回归系数参数估计值

3 讨 论

3.1 不同类型农用地土壤抗冲性分析

本研究针对安宁河干旱河谷区不同类型农用地土壤抗冲性进行研究。径流含沙量变化特征与大部分已有研究结果相同,径流含沙量随冲刷时间的延长逐渐减少并趋于相对稳定的状态[5,7,9]。随着土壤表层松散颗粒被冲刷带走,土壤颗粒间紧实摩擦力增大,土壤抗冲系数随之增大[18]。PCL径流含沙量显著高于其他农用地,这与地表植被和人为干扰程度关系密切,GL和EEF人为扰动较少且地表植被丰富表层土壤根系发达,根系的盘绕固结作用增强了土壤的抗冲性能[7]。土壤冲刷过程中抗冲系数随着冲刷时间的延长总体呈现出上升趋势,其中GPG上升趋势最为稳定。GPG抗冲性介于GL,EEF和AL,PCL之间,受到人类农业活动的影响,但又远小于耕地农业活动,使其土壤抗冲性维持较好,本研究结果与资如毅等[19]研究结果相同。但伏耀龙等[5]对岷江干旱河谷区不同土地利用抗冲性研究中,得到小麦耕地的抗冲性优于灌木林地,这与本文林地和园地的抗冲性能远大于耕地不同。PCL由于长期的人为耕作活动,对土体扰动严重,土壤表层根系稀少,加之耕种者对耕地的管理不当,最终导致耕地土壤抗冲性极差。结合众多相关研究,可以得到不同土地利用下土壤抗冲性能大致表现为:草地>天然林地>人工林地>园地>荒草地>撂荒地>耕地>裸地[7-8,18,20]。

3.2 不同类型农用地土壤性质分析

除去地形坡位等条件,土壤性质也是决定土地利用类型的重要条件之一,不同类型的农用地也能在一定程度上反映土壤的状况。研究区内人类活动对土壤的理化性质影响较大,根据砂粒、粉粒和黏粒百分比可以发现,AL和PCL受人为扰动严重,在降雨径流的冲刷下,土壤中粉粒流失严重。AL已经停止人类扰动多年,但土壤质地仍未恢复到自然状态。人为扰动使得土壤结构受到破坏,间接改变土壤颗粒组成,土壤抵抗径流搬运能力降低[19]。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成部分,在土壤可持续发展中发挥着重要的作用。朱凯等[21]研究得到有机质对土壤团聚体具有显著的正向影响,高含量的土壤有机质有利于团聚体的形成。这一点在AL中表现明显,>5 mm水稳性团聚体含量增加,2～5 mm水稳性团聚体与GL,EEF,GPG接近。大颗粒水稳性团聚体含量越多,其抵抗水力侵蚀能力越强,即土壤抗冲性越强。PCL和AL<0.25 mm水稳性团聚体显著高于GL,EEF和GPG,主要受到人为耕种影响,使土壤在流水冲刷下更易被侵蚀带走。当土壤容重小孔隙度大时,土壤疏松多孔,水分和径流利于下渗,从而增强土壤抗冲性[13]。本研究中,PCL和AL的土壤容重值较大,与资如毅等[19]研究结果不同。通常耕地土壤受到人为的犁耕,会使土壤变得疏松,容重减小,但该区域耕地土壤团聚体结构破坏严重,耕地多为砂质土壤,土壤表层在人为灌溉和雨水淋洗下逐渐硬实板结。GPG的土壤容重值也较大,接近PCL和AL,这也一定程度上说明园地的土壤板结严重。综合各土壤性质得到,GL和EEF土壤性质优良,具有良好的土壤结构,抵抗流水侵蚀能力更强,目前看桉树的种植并没有对当地土壤造成严重危害。

3.3 土壤抗冲性与土壤性质的关系分析

相关性和逐步回归分析得到,在所选因子中<0.25 mm水稳性团聚体和黏粒为影响土壤抗冲性的主导因子。本文相关性结果可得到,水稳性团聚体和土壤机械组成对抗冲系数影响最大,这与伏耀龙等[5]研究结果相同。杨玉梅等[22]研究得到土壤容重与抗冲指数呈显著负相关,而周维等[23]研究认为土壤抗冲强弱与容重不相关。本文得到容重与土壤抗冲性呈负影响但不具备显著性,造成这种差异的原因可能是地区以及选择土地利用类型不同导致的。众多研究均得到有机质与土壤抗冲性呈显著正相关关系[5,7],但本研究中,土壤有机质与土壤抗冲性不具有显著关系,这可能是受到AL影响。AL由于长时间弃耕,地表草本植物丰富,使得有机质含量显著提高,但AL的土壤抗冲性则仍然较差。杨玉梅等[22]认为土壤颗粒越细,在相同冲刷流量和历时下,土壤细粒会堵塞土壤孔隙,使土壤板结,从而增强土壤抗冲性。也有研究指出,大粒径水稳性团聚体含量越多,土壤结构越佳,土壤抗冲性越强[23]。本文研究结果与后者相符合,大团聚体抵抗水力侵蚀能力更强,团聚体稳定性更强。所选土壤因子对土壤抗冲系数的解释度仅达到74.7%,说明土壤性质不能很好地解释土壤抗冲性,土壤砾石含量和表层根系特征等同样会对土壤抗冲性产生影响,在以后的研究中应加入这些指标综合分析。

3.4 关于安宁河干旱河谷区农用地可持续发展的思考

5种类型农用地中耕地会对土壤造成严重危害,园地次之。研究区内耕地水土流失问题极其严重,在如今全球气候异常的局势下,这个问题更应该引起高度重视。在农用地调查和试验过程中,发现研究区内土壤砾石含量极高,农民在耕种中会将砾石一遍又一遍清除掉,砾石的清除加剧了水土流失。研究区内地势起伏较大,随着耕作活动的开展,夏季降水径流冲刷带走土壤中细小颗粒,使土壤肥力和抗侵蚀能力严重下降。导致地区土壤质量逐渐恶化,粮食产量逐年下降,引发粮食安全问题。应完善地区耕地保护措施,同时加强园地管理,提高农民生态意识,实现土地资源的可持续利用。

4 结 论

(1) 通过原状土冲刷试验,得到5种农用地径流含沙量在第1分钟时产沙量最大,随后产沙量急剧下降,在5 min后趋于稳定状态,土壤抗冲系数随冲刷时间的延长而增大,其关系用对数、逆函数或线性函数拟合效果较好。5种农用地抗冲性由表现为GL>EEF>GPG>AL>PCL。

(2) GL,EEF和AL有机质含量较高,GPG和PCL有机质则较差;5种农用地疏松程度表现为EEF>GL>GPG>AL>PCL;GL,EEF和GPG以>5 mm水稳性团聚体为主,PCL和AL以<0.25 mm水稳性团聚体为主,团聚体稳定性表现为GPG>GL>EEF>AL>PCL;GL,EEF和GPG为粉砂质壤土,AL和PCL为砂质壤土,土壤中粉粒流失极其严重,耕地撂荒后需很长时间进行自我恢复。

(3) 土壤抗冲系数与粉粒和>5 mm水稳性团聚体呈显著正相关,与砂粒、0.25～0.5 mm和<0.25 mm水稳性团聚体呈显著负相关。逐步回归分析得到最优回归方程为土壤抗冲系数=84.016-1.135×<0.25 mm水稳性团聚体-7.413×黏粒,土壤水稳性团聚体和土壤机械组成对抗冲系数影响最大。