土層深度與樹齡對粵北紅壤丘陵區(qū)果園土壤崩解特性的影響

劉湘玥, 陳世發(fā), 呂 靜, 葉梓濤, 何錦繁

(韶關(guān)學(xué)院 旅游與地理學(xué)院, 廣東 韶關(guān) 512005)

土壤崩解又叫土壤濕化，是指一定體積的土體在靜水中發(fā)生吸水分散、崩裂成碎塊和碎粒的現(xiàn)象[1]，土壤崩解是研究土壤侵蝕的重要部分，土壤崩解產(chǎn)生的碎屑和小顆粒容易堵塞土壤非毛管孔隙，使水分難以入滲，發(fā)生超滲產(chǎn)流，導(dǎo)致徑流量增加，促進土壤侵蝕發(fā)生[2]。土壤崩解性與土壤侵蝕過程相關(guān)聯(lián)，是土壤侵蝕產(chǎn)生的必備條件，為此，土壤崩解性被用來作為衡量土壤抗蝕程度的指標，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛使用。

在影響土壤崩解特性方面，Kasmerchak等[3]學(xué)者通過對比森林與草原土壤的崩解特性，認為土壤崩解速率與土壤性質(zhì)有關(guān);Xia等[4]學(xué)者認為土壤崩解速率隨土壤含水量增加而增加，Jensena等[5]學(xué)者研究表明經(jīng)過6 a的土壤侵蝕治理，土壤有機碳(SOC)含量增加，土壤崩解速率變慢，也有學(xué)者通過研究三峽庫區(qū)紫色土崩解過程，發(fā)現(xiàn)土壤崩解與含水量相關(guān)，且崩解過程與剝洋蔥過程類似[6],Zhang等[7]研究我國西南地區(qū)不同水熱條件的紫色土崩解特性，并認為崩解隨濕度增加而增加。蔣定生等[8]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)耕作、植(生)物生長和土壤成土過程影響土壤崩解速率。另外，相關(guān)學(xué)者也研究我國三峽庫區(qū)、紫色土區(qū)、黃土高原地區(qū)與干熱河谷區(qū)的土壤崩解特性，這些研究認為土壤干密度[9]、含水率[10]、容重[1]、土壤類型[11]、地形坡度[9]、氣候干濕交替[12]與植物根系[13-14]均影響土壤崩解特性與土壤崩解速率。土壤崩解既能反映當(dāng)?shù)赝寥赖臓顟B(tài)，又體現(xiàn)了土壤抗侵蝕能力，對研究土壤侵蝕具有重要意義。雖然國內(nèi)外對土壤崩解特性及其影響因素進行了大量研究，但針對粵北紅壤丘陵區(qū)的相關(guān)研究相對較少，特別是針對果園土壤崩解特性及影響因素的研究更加偏少。

果園是粵北紅壤丘陵區(qū)的主要土地利用方式，近30 a來粵北紅壤丘陵區(qū)果園面積迅速增長，是變化最快的土地利用類型。然而果園開發(fā)過程中，存在重種植，輕養(yǎng)護，且存在全坡面開墾現(xiàn)象，造成僅存的果樹，果樹下灌草層缺失，“遠看青山在，近看水土流”的果園“林下流”的問題，而果園水土流失造成土壤肥力降低，果園產(chǎn)量低下等問題。為此，研究粵北紅壤丘陵區(qū)果園土壤崩解特性對果園水土流失防治具有重要的理論意義與實踐意義。本文以粵北紅壤丘陵區(qū)典型桃園為研究對象，對同一坡面1 a生果園與9 a生果園不同坡位、不同深度的土壤崩解特性進行研究，并分析土壤含水量與土壤容重對果園土壤崩解特性的影響，以期為南方紅壤丘陵區(qū)水土流失治理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 取土樣地概述

以粵北紅壤丘陵區(qū)的韶關(guān)市湞江區(qū)新韶鎮(zhèn)某桃園為研究對象，樣地均為桃樹(Prunuspersica)，其地理坐標為113°42′05″E,24°48′38″N，是韶關(guān)境內(nèi)代表性果園。土壤采樣于2019年11月23—24日進行，采樣期間天氣晴朗，且近2個月無有效降水，土壤含水量極低，各土壤采樣點的平均含水量為5.88%。樣地朝向為東(81°)，海拔為215.1 m，坡度17°，年降水量1 601 mm，年平均氣溫22℃。該樣地北側(cè)為9 a生桃園，樣地南側(cè)為1 a生桃園。1 a生桃園地表裸露，蓋度約10%，而9 a生桃園地表存在少數(shù)的狗牙根(Cynodondactylon)，蓋度約70%。

1.2 試驗土樣

在選擇具體采樣地時，樣地統(tǒng)一于果樹東南側(cè)，距離樹干1.1 m，地表均裸露。測定前從開挖好的土壤剖面的不同層面上用崩解取樣器取原狀土，在1 a生和9 a生的桃園的上坡位、中坡位和下坡位分別取樣三次，其取樣深度分別為0—20 cm,20—40 cm和40—60 cm，在每一層取100 g土樣放入鋁盒中，帶回實驗室用烘干法測定各層土壤含水量;用環(huán)刀法取土，測定各層土壤容重及孔隙度等土壤物理性質(zhì)指標;用鋁盒在各層取原狀土，每層取樣三次，測定土壤崩解性能，對每層試驗的結(jié)果求平均。研究樣地的土壤pH介于4.5～5.1，表層土壤pH值最低，酸性最強，9 a生土壤pH值較高，1 a生的較低;土壤顆粒以砂粒和粉粒為主，兩者比重達到85%以上。

1.3 崩解裝置與試驗方法

土壤崩解在實驗室內(nèi)進行測定，利用已知的標記土樣，分批進行測定，自制試驗裝置主要由天平(精確度0.01 g)、崩解玻璃槽、崩解金屬網(wǎng)、秒表、金屬細線、支架等部分組成(圖1)。金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小為10 mm×10 mm，崩解金屬網(wǎng)為圓形直徑10 cm，崩解金屬網(wǎng)與天平之間由細線連接，金屬網(wǎng)不接觸玻璃槽，水位線是指完全淹沒土樣的水量高度。

圖1 土壤崩解裝置示意圖

試驗前將盛適量水的崩解玻璃槽放好，懸掛、調(diào)整好崩解金屬網(wǎng)的位置，空崩解金屬網(wǎng)完全浸入水中后將天平歸零;試驗時將已稱重的土樣均勻放置于崩解金屬網(wǎng)上，懸掛好崩解金屬網(wǎng)后，將其緩慢浸入水中，細線自然繃直(崩解金屬網(wǎng)完全浸沒于水中)，每10 s計1次天平讀數(shù)，2 min后每30 s計一次，7 min后每分鐘記錄一次，共記錄31次，崩解時長全部為960 s，崩解后水變渾濁后及時換水。試驗原理為:當(dāng)懸掛的空崩解金屬網(wǎng)完全浸沒在水中時，以崩解金屬網(wǎng)為受力分析對象，細線向上的拉力、崩解金屬網(wǎng)自身的重力、崩解金屬網(wǎng)受到的浮力三力平衡，細線的拉力等于崩解金屬網(wǎng)自身的重力與其所受浮力之差，而浮力則傳遞到崩解玻璃槽的底部。為了更客觀反映土壤崩解狀況，采用累積土壤崩解指數(shù)指標作為土壤崩解性能指標，其計算公式為:

式中:S為崩解時段內(nèi)的土壤累積崩解指數(shù)(%);S0為崩解開始時的讀數(shù)(g);Sa為a時間時天平的讀數(shù)(g);Mb為崩解結(jié)束時天平的讀數(shù)(g)。

土壤崩解速率表示單位時間內(nèi)的崩解量，其計算公式為:

式中:V為土壤崩解速率(g/min);M1為第t1時刻的土壤崩解讀數(shù)(g);M2為t2時刻的土壤崩解讀數(shù)(g);t2和t1為崩解的時間(s)。崩解速率即單位時間內(nèi)土壤在靜水中的崩解量,以土壤崩解率定量表示土壤崩解性能,崩解速率愈低,土壤愈不容易崩解。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤崩解的變化特征

采用土壤累積崩解指數(shù)與土壤崩解速率代表土壤崩解特征。從圖2和圖3可以看出:隨著崩解時間增加，土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率總體呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，前120 s土壤崩解速率較大，特別是前30 s的崩解速率最大，土壤累積崩解量也迅速增加。在60 s后土壤崩解速率迅速降低，在600 s之后，土壤崩解速率幾乎為0，土壤崩解量極小，累積崩解量基本不變。

圖2 9年生桃園不同坡位土壤累積崩解量和崩解速率隨時間變化過程

圖3 1年生桃園不同坡位土壤累積崩解量和崩解速率隨時間變化過程

從累積崩解指數(shù)來看，在土壤崩解時段內(nèi)，所有樣點中最大的土壤累積崩解指數(shù)為1 a生桃園下坡位表層(0—20 cm)，其累積崩解指數(shù)達51.45%;所有樣地的土壤累積崩解指數(shù)最小為上坡位20—40 cm深度的土壤，其崩解指數(shù)為18.05%，僅僅為最大值的35.08%。從崩解速率來看，所有樣點崩解速率最大值為1 a生桃園下坡位的表層(0—20 cm)，與最大累積崩解指數(shù)相同，其崩解速率為14.40 g/min，而在9 a生桃園上坡位0—20 cm深度的土壤最大崩解速率僅為2.78 g/min，僅僅為前者的19.31%。所有樣點的最小崩解速率均為0。

2.2 不同土層深度的土壤崩解特性

從圖2和圖3可以看出:1 a生桃園的累積崩解指數(shù)隨著土層深度的增加而降低，而9 a生的桃園則呈現(xiàn)不一致的規(guī)律:土層深度在0—20 cm的累積崩解指數(shù)均在前120 s內(nèi)為所有土層深度的最低值，在120 s后則在上坡位和下坡位的累積崩解指數(shù)居中，中坡位的累積崩解指數(shù)最低;土層深度在20—40 cm的累積崩解指數(shù)則隨著坡位降低而增加;土層深度40—60 cm的累積崩解指數(shù)在上坡位和中坡位最大，而下坡位則在120 s后土層深度在40—60 cm的崩解指數(shù)最低。各土層深度的土壤崩解速率總體表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低。

由圖2，圖3可知，各土層的土壤崩解速率可分為3個階段:(1) 極速崩解期:崩解曲線升高與降低均迅猛。9 a生桃園各土層深度的崩解速率在前60 s達到最大值，1 a生的桃園在前30 s達到最大崩解值，土壤崩解速率在此階段均達到最大值;(2) 緩慢崩解期:曲線緩慢下降，即從60～360 s期間，各土層深度的土壤崩解速率緩慢降低;(3) 崩解穩(wěn)固期:曲線趨近水平，即從360～960 s期間，各土層深度的土壤崩解速率極低，特別是在600 s后基本停止崩解。各土層深度的累積崩解指數(shù)變化曲線與崩解速率曲線變化方向相反。土層深度在0—20 cm土壤崩解過程較長，崩解曲線相對平緩，崩解量緩慢增加;20—40 cm的崩解過程與0—20 cm的規(guī)律相似，但土壤崩解速率加快;40—60 cm的土壤崩解速率相對迅速。

2.3 不同樹齡的土壤崩解特性

從圖2和圖3可以看出:9 a生桃園的上坡和中坡均為下層(40—60 cm)土壤崩解指數(shù)較大。上坡表層(0—20 cm)次之，中層(20—40 cm)相對較小。而中坡土壤的崩解指數(shù)為下層>中層>表層，下坡為中層>表層>下層。1 a生桃園不同坡位則規(guī)律相對一致，上中下三坡位不同土層深度的土壤崩解指數(shù)均為表層>中層>下層。對1 a生和9 a生桃園土壤的崩解特性進行比較，當(dāng)土層深度一定時，不同坡位土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率均為1 a生桃園土壤大于9 a生桃園土壤。

9 a生桃園土壤崩解速率在前120 s上坡各層土壤崩解很快，土壤崩解速率在120 s后才逐漸平緩，表層土壤崩解速率快于中層和下層，但隨著時間的推移崩解速率逐漸相近，960 s時三層趨零。而1 a生桃園前60 s的土壤崩解速率快，中層土壤崩解速率快于表層和下層，在480 s時趨零。1 a生桃園土壤的各層土壤崩解速率高于9 a生桃園，且在60 s后崩解速率曲線逐漸平緩。

2.4 土壤容重與含水量對土壤崩解速率的影響

表1為各個采樣點土壤容重與土壤含水量的大小。土壤容重與最大崩解速率線性呈現(xiàn)負相關(guān)(p=0,R2=0.599)，與最大崩解指數(shù)也呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系(p=0,R2=0.559);土壤最大崩解速率與最大崩解指數(shù)均隨著容重的增加而減少。土壤容重越大，土壤細顆粒間的孔隙占比越小，對進入孔隙水的作用力越小，單位時間內(nèi)崩解量越小，即崩解速率越小。

表1 土壤容重與土壤含水量對桃園的土壤崩解性能的影響

土壤含水量與最大崩解速率(p=0.018,R2=0.301)及最大崩解指數(shù)(p=0.014,R2=0.321)均呈現(xiàn)線性負相關(guān)關(guān)系。土壤含水量決定土壤顆粒間膠結(jié)的狀態(tài)，是決定土壤崩解的重要因素之一，土壤含水率越低，土壤崩解速率也隨之增強，被破壞現(xiàn)狀越顯著。

3 討 論

不同土層深度的土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率呈現(xiàn)不同的特點。在植被覆蓋的土壤表層(0—20 cm)，土壤根系較多，土壤有機質(zhì)含量高，大孔隙占比較大，土體結(jié)構(gòu)松散。當(dāng)浸水時，水通過大孔隙迅速進入土體內(nèi)部，膠結(jié)物質(zhì)、游離氧化物溶解于水中，粒間結(jié)構(gòu)的物化連結(jié)迅速減弱，主要產(chǎn)生溶解型崩解形態(tài)，粉末狀、散粒狀剝落崩解[15-16]，使前120 s的土壤累積崩解指數(shù)最低。下層(40—60 cm)土壤主要為小孔隙，孔隙吸力大，與水接觸后，表面強烈地吸附水分子，構(gòu)成楔裂壓力，促使土塊產(chǎn)生裂隙，土體沿裂隙崩解，快速崩解。同時，下層因富鋁化，氧化鐵的膠結(jié)作用形成超固結(jié)構(gòu)性[15-16]，在崩解后期，崩解趨于穩(wěn)定。中層(20—40 cm)土壤介于兩者之間。而在無植被覆蓋的區(qū)域，土壤累積崩解指數(shù)隨著土層深度的增加而減少，這與隨土層深度的增加，土壤含水量遞增，土壤累積崩解指數(shù)逐漸降低相關(guān)，這與Liu等[17]學(xué)者研究結(jié)論類似。

不同樹齡的土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率存在差異，這與植物地上部分莖葉對減少土壤沖刷起一定作用，地下部分根系在降低土壤崩解與沖刷方面起決定性作用[18-19]。9 a生桃園根莖越發(fā)達，土壤有機質(zhì)的含量較高，土壤表層枯枝落葉多，有機質(zhì)高于下層，能減緩?fù)寥辣澜庾饔谩Ｖ参锔档姆植肌⒈P繞固結(jié)作用也能夠提高表層土壤的固持能力，降低土壤崩解性能。另外植物根系能將土壤單粒固結(jié)起來，也可將板結(jié)密實的土體分散成小塊，并在根系腐化合成腐殖質(zhì)，累積了土壤養(yǎng)分，并能使這些土壤的團聚體形成具有大量孔隙的和不易破碎的結(jié)構(gòu)[20]，使9 a生的桃園土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率均較低。而1 a生的桃園地表植被少、根系少，固持土壤能力弱，造成土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率均較9 a生的桃園高。

4 結(jié) 論

(1) 果園累積土壤崩解指數(shù)與崩解速率均呈現(xiàn)先快后慢的特征，前120 s內(nèi)土壤崩解最快，600 s后土壤崩解趨近于0。

(2) 土壤累積崩解指數(shù)隨著土層深度的增加而降低，土壤崩解速率也總體表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低(9 a生桃園部分樣點不具此規(guī)律)。

(3) 當(dāng)土層深度一定時，1 a生桃園土壤累積崩解指數(shù)與崩解速率均大于9 a生桃園土壤。9 a生桃園土壤累積崩解指數(shù)和崩解速率曲線變化較1 a生桃園平緩。

(4) 土壤容重、土壤含水量與最大崩解速率及最大崩解指數(shù)呈現(xiàn)線性負相關(guān)關(guān)系。