元陽梯田不同土地利用類型表層土壤的抗沖性

李陽芳，宋維峰?，彭永剛，李健

(1.西南林業大學環境科學與工程學院，650224，昆明;2.云南紅河州水利局，661000，云南蒙自;3.云南元陽縣水保辦，662400，云南元陽)

土壤抗沖性是指土壤本身抵抗徑流沖刷的能 力，早在20 世紀60 年代初，朱顯漠院士針對黃土高原土壤侵蝕的特征及研究結果，提出“土壤抗沖性”這一概念，并指出，土壤抗沖性的研究將是揭示土壤侵蝕規律的關鍵［1］，之后又研究了不同土地利用方式下的土壤抗沖性，發現植物根系對增強土壤抗沖性具有重大作用［2］。劉震［3］認為土壤抗沖性是土壤抵抗降雨徑流對其機械破壞和推動下移的性能，它主要取決于土粒間和微結構間的膠結力、結構體間抵抗離散的能力以及地面覆被情況。土壤抗沖性的主要影響因素有土壤機械組成、水穩性團粒含量、土壤密度、緊實度和總孔隙度等。蔣定生［4］的研究表明，隨著沖刷流量和坡度的增加，不論何種利用類型，土壤的抗沖性均削弱。在一定的徑流作用下，土壤的抗沖性大小反映了土壤抵抗徑流沖刷侵蝕的能力，土壤抗沖性越大，土壤抵抗徑流侵蝕的能力就越大。影響土壤沖刷的因素來自2 方面:一是外營力，包括雨滴對地表的濺擊和地表徑流對地面的沖刷;二是土壤本身的抗沖性即抵抗徑流對地表的機械破壞和推移的能力［5］。徑流對地表土壤的作用表明，隨著徑流流量的增大，徑流的切應力也增大，徑流對土壤的沖刷、搬運能力相應地增大，造成土壤大量流失［6］。研究土壤抗沖性的方法有許多，且標準也不夠統一，主要有抗沖儀法、原狀土沖刷法、實地放水沖刷法等［1，7－8］，其中原狀土沖刷槽法目前應用最多，較實地放水沖刷法簡單，實驗儀器便于野外攜帶［9］。元陽哈尼梯田距今已有1 200 多年的歷史，是中國古代梯田的典型代表之一［10］。上千年形成的森林涵養水源、水灌溉梯田和供人畜飲用的良好生態系統，已成為中國古梯田中的典范;但是，關于元陽不同土地利用類型表層土壤抗沖性的研究還鮮見報道，對土壤抗沖性能的研究可以從土壤層面揭示元陽梯田森林保持水土、涵養水源的功能，對今后元陽梯田核心區森林資源的開發與利用具有指導意義，可為元陽梯田的可持續發展和今后的退耕還林(草)工作提供理論依據。

1 研究區概況

元陽縣地處云南省南部，紅河南岸，位于E 102°27'～103°13'，N 22°49'～23°19'。東接金平，南連綠春、金平，西與紅河、綠春接壤，北與建水、蒙自、個舊隔紅河相望。元陽梯田位于元陽縣中部，其核心區約有梯田1.32 萬hm2，分布于海拔700 ～1 800 m，坡度15°～75°之間的溝壑山嶺間。受紅河水系和藤條江水系的切斷，無一平川，山巒疊嶂，溝壑縱橫、梯田密布，為山高谷深的切割中山地貌。氣候屬亞熱帶季風類型，但因地形復雜，立體氣候突出。河壩區年均氣溫25 ℃，最高氣溫42 ℃，高山區年均氣溫11.6 ℃，2 區溫差達13.4 ℃，年均降雨量1397.6 mm，森林覆蓋率50%以上。研究樣地基本情況見表1。

表1 試驗樣地基本情況Tab.1 Basic conditions of the test plots

2 研究方法

2.1 原狀土沖刷槽法

在2010 年5 月，采用原狀土沖刷槽法［11］，用自制取土器分別在有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地的表層取20 cm×10 cm ×10 cm 的原狀土，每種土地利用類型設3 個重復，試驗前將原狀土樣用紗布包裹浸水24 h，試驗時靜置除去多余水分，置于長20 cm、寬10 cm、高10 cm 的沖刷槽內。根據當地降雨情況，控制沖刷流量為1.5 L/min。針對研究區地形及土壤質地的特征，本實驗選取較具代表性的坡度(15°、30°、45°)，確定其沖刷時間為8 min，每2 min 取1 次水樣在實驗室烘干，計算4 種土地利用類型在不同坡度時沖刷水流中的含沙量。

2.2 實地放水沖刷法

分別在有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地上，采用實地放水沖刷法，分析4 種土地利用類型在坡度一定時，不同沖刷流量對土壤抗沖性的影響，設定3 個重復。實地放水沖刷實驗裝置在前人研究的基礎上，根據自身情況來設計，實驗系統由供水系統、沖刷系統、測定系統組成。供水系統為150 L 的水箱，其上帶有閥門，可自行調節流量大小;沖刷系統由寬50 cm、長2 m 的鐵板圍成沖刷面積1 m2的沖刷小區;測定系統主要用于水流收集。利用溢流裝置保證供水桶水位恒定，由供水桶水位高低和閥門控制流量大小。根據對研究區降雨情況的分析，擬定1.5、2.5 和3.0 L/min 3 種沖刷流量，沖刷開始前，用1.5 L/min 的水流使土壤達到飽和，沖刷水流流經坡面后通過沖刷小區下方的集水槽收集水樣500 mL，在室內用過濾烘干法測定水樣中的泥沙含量。

2.3 土壤根系情況測定

將做過實地放水沖刷實驗的土壤取出30 cm×20 cm×10 cm 的土塊不斷淘洗，揀出全部根系，帶回室內晾干根系表面的水后，在1 000 mL 的量筒中加入自來水(體積為V1)，再將根系全部放入裝有水的量筒中(使根系全部浸入水中)，測得體積V2，用V2－V1即得根系體積，用根系體積比上所取土塊的體積，即得根系體積占土塊體積的比例(%);同時用游標卡尺測量根系直徑。

2.4 土壤團聚體的測定

水穩性是評價團聚體抗水浸分散性的指標。選取粒徑＞3 mm 和3 ～2 mm 的土粒各30 顆，分別整齊排列在鋪有濾紙的培養皿中，從四周慢慢加水，直到結構被水淹沒2 ～3 mm 為止，記下時間，靜置10 min 后，分別記下各皿中完全破壞和未完全破壞的結構數，重復3 次，計算其結構水穩度［12］。同時測定的項目有土壤密度和土壤機械組成，土壤密度采用環刀法，土壤機械組成采用機械篩分法。

3 結果與分析

3.1 坡度對土壤抗沖性影響分析

坡度可以反映坡面地表徑流的水力坡降，是決定地表徑流流速和水流沖刷能力的關鍵因素［13］;因此，坡度是影響土壤抗沖性的重要因素之一，而含沙量的高低則反映了土壤的抗沖情況，沖刷水流中的含沙量越高，說明土壤的抗沖性越弱。本文通過原狀土沖刷實驗，研究了坡度對有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地表層土壤抗沖性的影響，結果見圖1。

圖1 4 種土地利用類型不同坡度沖刷水流中的含沙量Fig.1 Sediment amount in water flow of different slops of four kinds of land use type

從圖1 中可以看出:當坡度發生變化時，沖刷水流中的含沙量也在相應變化，基本上呈現出坡度越大，含沙量越大的特點。

在坡度較緩時，4 種土地利用類型表層土壤沖刷水流中的含沙量隨時間的推移而逐漸減小，可能是由于土壤中的松散顆粒逐漸減少引起的;隨著坡度的增加，4 種土地利用類型中的含沙量都在逐漸增加，且坡度對荒草地和灌木林地的影響較大;有林地和坡耕地隨坡度的增加，其含沙量變化不明顯，但坡耕地的含沙量明顯大于有林地，說明有林地能更好地抵抗水流沖擊;坡度較緩時，有林地、灌木林地和荒草地的含沙量在沖刷開始的前2 min 較為接近，坡耕地的含沙量均大于其余3 種。

3.2 沖刷流量對土壤抗沖性影響分析

實地放水沖刷法是降雨形成地表徑流后對土壤造成沖刷的模擬。結果見表2，可看出，有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地的沖刷水流中，各自的含沙量隨著沖刷流量的增加而增加。當沖刷流量為1.5 L/min 左右時，有林地的含沙量為0.69 g/L，灌木林地為0.67 g/L，荒草地為0.37 g/L，坡耕地為1.27 g/L，隨著沖刷流量的增加，含沙量所表現出來的特征與張振明等［14］研究結果相同，即含沙量隨著沖刷流量的增加而增加。隨著沖刷流量的不斷增加，坡耕地的含沙量始終最大，當沖刷流量從2.5 L/min增加到3.0 L/min 時，含沙量增加了52.6%，增幅最大。就整個沖刷過程來看，在坡度一定時，3 種沖刷流量下，荒草地沖刷水流中的含沙量變化幅度最小，可能是由于荒草地的植被覆蓋和土壤特性引起的，下文將作進一步研究。

表2 4 種土地利用類型不同沖刷流量下沖刷水流中的含沙量Tab.2 Sediment amount in water of different water flow of four kinds of land use type

3.3 根體積分數對土壤抗沖性的影響

將沖刷流量為1.5 L/min 實地放水沖刷實驗后4 種土地利用類型的表層土壤中的根系全部洗出，測量其根系情況見表3。

植物根系的含量及分布情況，對土壤的抗沖性有著重要影響，鮮活的根系能夠固結土壤，增加土粒之間的黏接性，干枯腐爛的根系能夠增加土壤的孔隙度。大量研究表明:植物的根系尤其是小于1.0 ～2.0 mm 徑級的植物根系，具有穩定土層結構、增加大于2 mm 粒級水穩性團粒和有機質含量、創造抗沖性土體的生物動力學性質功能［15］;根量主要由根徑決定，根徑大者密度小，與土壤總接觸面積小，吸附固持土壤的能力也小，所以根徑大者并非對提高土壤抗沖性有決定作用，須根徑雖小，但密度大，對改良土壤、建造抗沖性土體構型具有粗根不可比擬的作用［16－17］。大量的須根能夠很好地固結土壤，具有強大的抗拉能力和彈性，加之網絡串聯、根土黏結、根系生物化學等作用，強化了抗沖性作用。在實地放水沖刷試驗中，同一沖刷強度下，沖刷水流中的含沙量表現為坡耕地＞有林地＞灌木林地＞荒草地。從表3 可知，4 種土地利用類型中，荒草地中的總根系體積占土塊體積比例最大，其次為灌木林地，再次為有林地，最少的為坡耕地。當土塊中的總根系體積占土塊體積比例相差不大時，灌木林地和荒草地實地放水沖刷水流中的含沙量存在較大差異，前者接近于后者的2 倍，這可能與荒草地中＜1 mm的根系體積占總根系體積比例較大有關，此比例越大，說明＜1 mm 的根系越多，根系直徑小，分布密集，能夠很好地包裹土壤，增加土壤抗沖性;有林地中的總根系體積占土塊體積比例雖然也較多，但因為有林地的根系大部分為樹根，直徑較大，起固結作用的能力較小，沖刷水流中的含沙量僅次于坡耕地;由于坡耕地經過人為耕作后，破壞了大量的植物根系，使得土質疏松，沒有較好的固結能力，大大降低了土壤的抗沖性，故而沖刷水流中的含沙量最大。

表3 4 種土地利用類型的根系體積占土塊體積比例與沖刷水流的含沙量Tab.3 Root volume account for the proportion of clods volume in four kinds of land use types

3.4 土壤物理性質對土壤抗沖性的影響

土壤的物理性質包括了土壤的機械組成、密度、總孔隙度和水穩性團聚體含量等，對土壤的抗沖性有重要影響。本文測定了土壤的機械組成、土壤密度、水穩性團聚體質量含量，結果見表4。可以看出，4種土地利用類型中土壤密度的大小次序為荒草地＞灌木林地＞坡耕地＞有林地，坡耕地土壤密度小于灌木林地和荒草地，可能是由于坡耕地經人為翻耕過，增加了其土壤的孔隙度，導致土壤密度降低。對土壤水穩定性分析中，坡耕地＞3 mm 和3 ～2 mm 中的結構水穩度均為最低，有林地、灌木林地、荒草地三者之間相差不大，但就土壤的水穩性來說，以荒草地為最好，水穩性越好，土粒在遇水浸泡時越難以分解，故而在沖刷流量一定的情況下，沖刷水流中的含沙量也就越少。綜上所述，4 種土地利用類型結構水穩性強弱為荒草地＞灌木林地＞有林地＞坡耕地，在經受雨水沖刷和浸泡的同時，坡耕地更容易形成土壤流失，所以在元陽梯田核心區實行退耕還林(草)是非常必要的。

表4 4 種土地利用類型的土壤特性Tab.4 Soil physical properties of four kinds of land use type

4 結論

1) 綜合4 種土地利用類型的特征，可以看出荒草地的表層土壤抗沖性能最好，其次為灌木林地，再次是有林地，坡耕地的抗沖性最差。

2) 坡度和沖刷流量均對土壤的抗沖性產生影響，表現為坡度越陡，土壤抗沖性越弱;沖刷流量越大，沖刷水流中的含沙量越大，外部條件也對土壤抗沖性有著重要影響。

3) 土壤中根系含量直接影響著土壤抗沖性的強弱，特別是＜1.0 mm 的須根，荒草地中＜1.0 mm的須根含量最大，其抗沖性最好。

4) 土壤的結構水穩度可以作為元陽梯田核心區有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地土壤抗沖性的評價指標，就土粒的水穩性來說，4 種土地利用類均較好，但以荒草地的為最優，坡耕地最差。

［1］ 周佩華，鄭世清，吳普特，等.黃土高原土壤抗沖性的試驗研究［J］.水土保持研究，1997，4(5):47－48

［2］ 鄒翔，崔鵬，陳杰，等.小江流域土壤抗沖性實驗研究［J］.水土保持學報，2004，18(2):71－73

［3］ 劉震.水土保持監測技術［M］.北京:中國大地出版社，2004

［4］ 蔣定生.黃土區不同利用類型土壤抗沖刷能力的研究［J］.土壤通報，1979，4(2):20－24

［5］ 田育新，吳建平.林地土壤抗沖性研究［J］.湖南林業科技，2002，29(3):21－23

［6］ 查小春，唐克麗.黃土丘陵林區開墾地土壤抗沖性的時間變化研究［J］.水土保持通報，2001，21(2):8－11

［7］ 劉國彬.黃土高原土壤抗沖性研究及有關問題［J］.水土保持研究，1997，4(5):91－101

［8］ 吳普特.黃土區土壤抗沖性研究進展及亟待解決的若干問題［J］.水土保持研究，1997，4(5):59－66

［9］ 潘義國.不同植被條件下土壤的抗侵蝕研究［D］.貴陽:貴州大學，2008

［10］段興鳳，宋維峰，李英俊，等.湖南紫鵲界、云南元陽及廣西龍脊古梯田研究進展［J］.亞熱帶水土保持，2011，23(1):31－35

［11］劉國彬，張光輝.原狀土沖刷法與人工模擬降雨法研究土壤抗沖性對比分析［J］.水土保持通報，1996，16(2):32－37

［12］依艷麗.土壤物理研究法［M］.北京:北京大學出版社，2009

［13］張建軍，張寶穎，畢華興，等.黃土區不同植被條件下的土壤抗沖性［J］.北京林業大學學報，2004，26(6):26－29

［14］張振明，余新曉，吳海龍，等.北京八達嶺林場油松林地土壤抗沖性研究［J］.林業資源管理，2009(6):80－83

［15］莊家堯，張金池，林杰，等.安徽省大別山區上舍小流域植被根系與土壤抗沖性研究［J］.中國水土保持科學，2007，5(6):15－20

［16］李勇，徐曉琴，朱顯謨，等.植物根系與土壤抗沖性［J］.水土保持學報，1993，7(3):11－18

［17］張金池，康立新，盧義山，等.蘇北海堤林帶樹木根系固土功能研究［J］.水土保持學報，1994，8(2):43－47