基于人工模擬降雨和原狀土沖刷試驗的喀斯特區土壤抗沖性研究

韋小茶，龍小梅，唐欣，劉洋，肖楊，李洪廣

(貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州貴陽550001)

土壤侵蝕是全球范圍內發生廣泛、危害嚴重的生態環境問題之一，也是中國生態安全的最大隱患，嚴重制約了區域資源、經濟和社會的可持續發展[1-2]。土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對其機械破壞和推動下移的能力，與土壤的緊實度、滲透性、容重、有機質、水分狀況、團聚體穩定性、土地利用、植被覆蓋類型和植被根系等有關[3-5]。掌握土壤抗沖性特征及其變化規律，對土壤侵蝕的治理具有重要意義[6]。許多學者從不同角度對土壤抗沖性開展了深入研究：Gyssels等[7-9]指出植被根系對提升土壤抗沖性具有重要作用；郭明明等[10]研究發現，土壤抗沖性的提高與土壤性質的改善和根系密度的增加密切相關，土壤容重、團聚體穩定性及根系密度是影響土壤抗沖性的關鍵因子；謝欣利等[11]基于原狀土沖刷法，測定并分析了黃土緩坡耕地粟株不同生育期土壤抗沖性變化特征及其與根系生長的關系，指出粟株種植有利于增強土壤抗沖能力和保持水土功能；張建軍等[12]研究認為坡度、地被物、植物根系對土壤抗沖性具有重要影響，黃土區水土保持的關鍵是分散地表徑流；劉秉正等[13]在黃土地區做了刺槐林地土壤抗沖性的試驗研究，結果表明林地的抗沖性>草地>農地，且不同林齡、不同土層的土壤抗沖性隨著沖刷流量、沖刷歷時的變化特征不同；王丹丹等[14]采用野外實地放水沖刷法，分析坡度、枯落物、生物多樣性對晉西黃土區刺槐×側柏混交退耕林地、油松林地、荒草地和農地土壤抗沖性的影響以及相關關系；任艷等[15]通過室內放水沖刷實驗，分析了黃土高坡5種土壤在不同坡度下的下切沖刷過程及影響沖刷的坡度、水流特征以及水流含沙量等影響因素；羅利芳等[16]深入探討了撂荒后黃土高原坡耕地土壤透水性和抗沖性的變化特征。總體來說，已有的研究主要集中在土壤抗沖性時空變化特征、抗蝕性檢測方法、評價指標、影響因素等方面，且地區多局限于黃土高原區[17-19]。

以貴州為中心的中國西南喀斯特是全球三大喀斯特集中分布區之一[20-21]，該區生態環境脆弱，土層與基巖直接接觸使得土壤的附著力差，在沒有植被覆蓋的情況下，一旦有雨水沖刷，就容易造成嚴重的水土流失，最后導致基巖裸露而發展成為石漠化，滇黔桂三省區石漠化面積超過7.79萬km2，占該地區喀斯特面積的21.1%[22-24]。任樂等[25]對不同坡度的翻耕地以及有苔蘚覆蓋的荒坡地進行不同流量下的放水沖刷試驗，探討貴州耕地坡面水動力性質、土壤抗沖性及地表生物對坡面侵蝕產沙的影響；何騰兵等[26]的研究表明喀斯特生態系統的土壤利用方式和土壤侵蝕狀況等是影響土壤物理性質的主要因素；王清等[27]進行石漠化地區不同植被類型土壤抗沖性分析的研究發現，隨著黔中石漠化地區植被的結構恢復，土壤抗沖性將得到增強；袁勇等[28]以貴州省貴陽市花溪區碳酸鹽巖區為研究對象，通過對林地、灌叢地及坡耕地的土壤抗沖性、崩解速率、可蝕性等方面展開研究；此外，吳際通、趙洋毅等[29-32]進行了黔中喀斯特地區不同巖性土壤的抗蝕抗沖性研究。

實踐表明，植被可以提高土壤的抗侵蝕能力，植被發育良好的地區，土壤侵蝕發生率相對較低[33]。喀斯特地區的石漠化治理和退耕還林等生態環境建設工程對土壤侵蝕防治具有重要的影響作用。但目前對喀斯特區不同植被條件下的土壤抗沖性研究較少[34-36]，因此，本文以闊葉林、針葉林和灌草地3種不同植被類型下的土壤為研究對象，并結合人工模擬降雨、原狀土沖刷槽和室內分析的方法，分析土壤抗沖性隨沖刷時間的動態變化特征及其與坡度、植物根系的關系，旨在為研究喀斯特地區土壤侵蝕的防治和生態環境建設提供一定的理論依據。

1 研究區概況

研究區位于貴州省貴陽市花溪區(106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N)，地處黔中腹地，位于長江流域和珠江流域分水嶺，平均海拔約為1 200 m。境內地表崎嶇破碎，發育典型的喀斯特山地和丘陵，三迭系灰巖廣布。屬中亞熱帶季風濕潤區，具有高原季風濕潤氣候的特點，無霜期長，雨量充沛[37]。研究樣區位于貴州省貴陽市花溪區的貴州師范大學地理與環境生態實驗站(106°37′E，26°23′N)(圖1)，根據花溪氣象站1961—2015年的觀測資料，年平均氣溫為15.3℃，年平均相對濕度為77%，年均雨量1 129.5 mm，蒸發量約738 mm，年平均陰天數為235.1 d。在白云巖、石灰巖等典型成土母質以及山地地形和高原季風濕潤氣候等成土因素的綜合作用下，主要發育有石灰土和黃壤。站內的植被類型豐富，以馬尾松(Pinusmassoniana)、冬青(Ilexchinensis)、女貞(Ligustrumlucidum)、麻櫟(Quercusacutissima)為主要樹種[38]。

圖1 研究區區位

2 研究方法

2.1 樣地選擇與土壤采樣

在試驗站內選擇典型的植被群落(灌草地；以馬尾松為主要樹種的針葉林地；以冬青、女貞和麻櫟為主要樹種的闊葉林地)，樣地基本情況見圖2、表1。在每個樣地內設置60 cm×45 cm的樣方，把樣方中覆蓋地表的枯枝落葉清除，以免地表覆蓋物差異給土壤抗沖性試驗帶來的影響，便于研究不同森林植被群落下的土壤本身抵抗徑流沖刷能力。采用規格為30 cm×15 cm×10 cm的自制取土器，在每個樣方內采集2個原狀土壤土樣品，將3個樣方的6個原裝土樣帶回實驗室進行人工模擬降雨試驗。從原狀取土到降雨沖刷試驗的整個過程中，未換裝土槽，并且在采集和運輸過程中注意盡量不要擾動原狀土樣。土壤采樣過程和所采土樣的基本情況見圖3。

a) 闊葉林地

b) 針葉林地

c) 灌草地圖2 樣地實地

表1 樣地基本情況

序號植被群落坡度/(°)主要植被1闊葉林12云南樟、麻櫟、女貞、鹽膚木、冬青、香葉、圓果化香2針葉林6馬尾松3灌草地3蕨類、火棘、野茼蒿、蝴蝶花、地衣

a) 原狀土取土圖3 采樣過程

b) 原狀土土樣剖面

c) 土樣入沖刷槽續圖3 采樣過程

2.2 土壤抗沖性測定方法

基于人工模擬降雨試驗，采用原狀土沖刷槽法測定土壤抗沖性。將采集到的土樣放置沖刷槽進行降雨沖刷試驗，見圖4a。針對每個土樣分別設置坡度為15°、30°和45°進行對比，設計60 mm/h的相同雨強。從開始降雨時計時，每次降雨的沖刷時間為12 min，每2 min采集1次產流產沙水樣，降雨沖刷過程的泥沙含量變化可反映出土壤抗沖性能隨時間的動態變化過程。降雨沖刷試驗結束后將采集的水樣帶回實驗室，采用室內烘干法測定其泥沙干重。土壤抗沖指數為單位時間內雨水沖刷掉的泥沙重量，計算公式如下：

(1)

式中 ANS——土壤抗沖指數，g/min；T——降雨沖刷歷時，min；WLDS——沖刷掉的泥沙重量，g。

2.3 植被根系的處理

將做過原狀土沖刷試驗的土樣取出，置于0.25 mm的土壤篩上，并在水中不斷淘洗，后揀出根系，將表面水分晾干后全部放入體積為V1且裝有自來水的量筒中。確保根系全部浸入水中(圖4b)，讀取根和水的總體積V2，V2-V1即是根系的體積，用根系體積除以沖刷槽中土樣的體積V3，即可得出根系體積所占土樣總體積的比例R[33]。計算公式如下：

(2)

式中R——根系體積所占土樣總體積的比例，%；V1——水的體積，ml；V2——根和水的總體積，ml；V3——所采土樣的體積，ml。

a) 沖刷實驗過程 b) 根系體積的測定1 c) 根系體積的測定2圖4 植被根系的處理

3 結果與分析

3.1 土壤產沙量的變化特征

由圖5可知，在降雨沖刷試驗中，各植被類型土壤的產沙量在沖刷2 min后的減少幅度較大，隨后的產沙量逐漸減少，在9 min后趨于穩定狀態，總體上隨沖刷時間的增加而呈遞減趨勢。在不同坡度條件下，灌草地的土壤產沙量變化幅度最大，針葉林次之，闊葉林的土壤產沙量變化最為穩定。在15°和30°的坡度條件下，各植被類型土壤產沙量隨時間的變化總體表現為：灌草地>針葉林>闊葉林。而在坡度為45°時，在降雨沖刷的前2 min內，土壤產沙量表現為：灌草地>針葉林>闊葉林，在4～12 min的時間范圍內，土壤產沙量則表現為：針葉林>灌草地>闊葉林。各植被類型土壤在45°時的產沙量最多，30°次之，15°最小，灌草地在坡度15°時的產沙量與針葉林和闊葉林的差異較大，在45°且沖刷2 min內的產沙量最多。

a) 15° b) 30° c) 45°圖5 不同植被群落土壤產沙量動態變化過程

3.2 土壤抗沖指數的變化特征

在15°的坡度條件下，各植被類型土壤的抗沖指數在降雨沖刷8 min內表現為：闊葉林>針葉林>灌草地，之后表現為：針葉林>闊葉林>灌草地。在30°和45°的坡度條件下，各植被類型土壤的抗沖指數隨時間的變化總體表現為：闊葉林>針葉林>灌草地。在45°的坡度條件下和4～12 min的沖刷時間段，闊葉林土壤抗沖指數大于灌草地和針葉林，尤其在12 min時的差異較明顯。各植被類型土壤在15°時的抗沖指數最大，30°次之，45°時的抗沖指數最小，且在15°時灌草地的土壤抗沖指數與針葉林和闊葉林的差異較大。但從整體上看，隨著沖刷時間的增加，各植被類型的土壤抗沖指數都呈上升趨勢(圖6)。

a) 15° b) 30° c) 45°圖6 不同植被群落的土壤抗沖指數變化特征

3.3 植被根系對土壤抗沖性的影響分析

從表2可以看出，不同植被類型下的土壤根系體積占土樣總體積的比例表現為：灌草地(1.44%)>闊葉林(1.22%)>針葉林(0.56%)。但是就不同植被類型下的土壤根系徑級>1 mm根系個數而言，則表現為：闊葉林(39個)>針葉林(37個)>灌草地(29個)。徑級>1 mm根系所占土樣比例表現為：闊葉林(0.80%)>針葉林(0.44%)>灌草地(0.34%)。從圖4的土壤產沙量和圖5的土壤抗沖指數動態變化情況來看，不同植被類型的土壤抗沖性能總體表現為闊葉林>針葉林>灌草地，這和徑級>1 mm植被根系的變化規律較為一致，說明植被根系對提高土壤抗沖性能具有重要的作用。朱顯謨等[39-41]許多相關學者在植物根系與土壤抗沖性關系的有關討論中也都曾指出，土壤抗沖性的增強，主要取決于根系的分布、纏繞、固結和串連土體作用，這種作用使土體有較高的水穩結構和抗蝕強度，從而不易被徑流帶走。

表2 不同植被群落下土壤的根系情況測定結果

4 結論

以闊葉林、針葉林和灌草地的土壤為研究對象，采用原狀土沖刷和人工模擬降雨方法，研究喀斯特地區不同植被群落的土壤抗沖性動態變化特征及其影響因素，結果如下。

a) 在降雨沖刷的2 min時間內，各植被類型土壤的產沙量較大，隨后逐漸減少，在9 min后趨于穩定狀態；產沙量總體表現為灌草地>針葉林>闊葉林，并且隨坡度的升高而逐漸增多，灌草地在坡度為45°和2 min內的產沙量最多。

b) 在坡度為15°時，灌草地的土壤抗沖性最低，且與闊葉林和針葉林相差較大，但在坡度為45°和4～12 min的降雨沖刷情況時，灌草地則表現出較強的抗沖性；各植被類型的土壤抗沖指數隨沖刷時間的增加呈上升趨勢，土壤抗沖性總體表現為闊葉林>針葉林>灌草地;土壤中徑級>1 mm的植被根系個數及其所占土樣比例均表現為闊葉林>針葉林>灌草地，根系大小對土壤抗沖性具有重要影響作用。

c) 土壤抗沖性受植被覆蓋類型、植被根系特征、降雨沖刷時間和坡度條件的重要影響，研究結果對喀斯特地區的生態建設具有一定的參考意義。本文未對影響土壤抗沖性的其他環境因素進行分析，在今后的研究中應加強土壤容重、土壤有機質、土壤團聚體和土壤機械組成等方面開展深入研究。