安寧河干旱河谷區不同類型農用地土壤抗沖性及與土壤性質關系

朱兆棋, 劉守江, 劉魯光, 陳 曦, 王自豪, 李金桓

(1.西華師范大學 生命科學學院, 四川 南充 637009; 2.西華師范大學 地理科學學院,四川 南充 637009; 3.西華師范大學 四川省干旱河谷土壤侵蝕監測與控制工程實驗室, 四川 南充 637009)

干旱河谷是我國西南地區極其復雜的地形和氣候綜合作用下形成的自然—社會—經濟復合山地系統[1]。干旱河谷區氣候炎熱少雨,生態環境脆弱,水土流失嚴重[2]。惡劣的自然環境加之人類對土地的不合理開發利用,極易加速加重地區干旱程度,使植被類型有向干旱灌叢和荒漠化轉變的趨勢。安寧河干旱河谷區作為西南干旱河谷中的一部分,同時也是四川省水土流失綜合治理的重點監測區域,在近十年來越來越受到學者們的廣泛關注[1-4]。

土壤抗沖性是指土壤抵抗流水對其造成機械破壞和推移的能力,該概念由朱顯謨院士于20世紀60年代初提出并定義[5]。土壤抗沖性是評定土壤抗侵蝕能力的重要指標之一,同時也是水力侵蝕機理研究中的難點和熱點[6]。作為土壤自身的一種特性,其大小深受土壤自身理化性質的影響,同時也會受到土壤表層根系與地表植被覆蓋的影響。以往的研究主要集中于我國黃土地區,由于黃土土質疏松極易遭受流水的侵蝕,且黃土分布地區多為干旱、半干旱氣候,植被稀少,護土固土能力差,故受到學者的廣泛關注[7]。隨著土壤抗沖性研究的逐漸深入,學者們將研究區擴大到各個生態脆弱區,通過抗沖性研究為生態脆弱區水土流失防治提供理論基礎。相關研究者主要針對不同條件土壤沖刷過程中抗沖系數的動態變化特征及相關影響因素進行研究。例如,呂剛等[8]通過原狀土沖刷試驗對科爾沁沙地水蝕風蝕交錯區的不同土地利用類型進行土壤抗沖性研究,得到土壤抗沖性為樟子松林地>楊樹林地>荒草地>灌木林地>花生地>裸沙地,且土壤抗沖性隨著坡位和坡度的下降呈現線性增加趨勢;柏蘭峰等[9]通過原狀土沖刷試驗對黃土丘陵區自然凍融條件下的坡耕地、草地和灌木地進行土壤抗沖性研究,其研究結果表明凍融作用會加劇土壤流失,其中草地受凍融作用影響最大、抗沖性能更差,存在加劇地區水土流失的風險;王雅瓊等[10]通過野外實地放水沖刷對祁連山區典型草地的土壤抗沖性及影響因素進行了研究,認為影響祁連山區草地土壤抗沖性的主導因子為植被覆蓋度和根系密度。

干旱河谷地區由于生態環境脆弱,對土地的選擇和開發利用就顯得尤為重要。本文以安寧河干旱河谷區5種類型農用地作為研究對象,即桉樹經濟林(EEF)、青花椒園地(GPG)、牧草地(GL)、馬鈴薯耕地(PCL)和撂荒地(AL),通過原狀土沖刷試驗進行土壤抗沖性研究,并分析土壤性質。揭示不同類型農用地間土壤抗沖性差異,甄別出土壤性質中對土壤抗沖性起主導作用的因子。同時研究結果可為安寧河干旱河谷區農用地的合理規劃利用提供理論參考,為區域水土流失防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處四川省涼山州安寧河流域(101°51′—102°48′E,26°38′—28°53′N),屬于干旱河谷中的干暖河谷,干旱河谷長度達160 km,面積1 120 km2[2]。地貌以山地為主,地形環境復雜,海拔924～5 261 m[3]。該區域屬于低緯度高海拔的亞熱帶季風氣候,夏季炎熱干燥,降水集中,多為暴雨,干濕季明顯,年平均氣溫12.71℃。年平均降雨量為1 006.1 mm,年平均陸面蒸發量為960.4 mm[11]。土壤以紫色土為主,水土流失嚴重[12]。

1.2 樣地選擇與設置

于2022年4—7月,對安寧河干旱河谷區農用地進行調查取樣。該區域將農用地劃分為5種類型,分別為耕地、園地、林地、牧草地和他農用地,占比面積表現為林地>耕地>牧草地>其他農用地>園地。結合當地農用地實際情況,5種類型農用地選取為桉樹(Eucalyptus)經濟林、馬鈴薯(Solanumtuberosum)耕地、牧草地、撂荒地和青花椒(Zanthoxylumschinifolium)園地。在每種類型農用地上設置1 m×1 m的樣方3個,在每個樣方內用特制矩形環刀(10 cm×10 cm×20 cm)采集土樣,帶回室內進行土壤抗沖性試驗,合計15份土樣;采用100 cm3的標準環刀取土壤樣品帶回實驗室用于測定土壤容重和孔隙度,合計90份土樣(45份用于容重,45份用于孔隙度);采用塑封袋和鋁盒收集取樣點表層土壤用于測定土壤有機質、土壤機械組成和土壤團聚體,合計90份土樣(45份用于土壤機械組成和有機質,45份用于土壤團聚體)。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤抗沖性測定 土壤抗沖性試驗采用改進后的原狀土沖刷試驗法,所使用原狀土沖刷水槽如圖1所示。為保證各農用地土樣沖刷條件相同,沖刷坡度設置為15°,沖刷流量設置為2 L/min(用標準徑流小區(20 m×5 m)在暴雨條件下產生的最大徑流量計算),具體試驗步驟參考金曉和陳麗華的試驗操作[7]。土壤抗沖性用土壤抗沖系數(ANS)表示,表示每沖走1 g土所需水量,ANS越大,土壤抗沖性能越強[13],計算公式如下:

1.輸水管;2.穩流室;3.可調節高度支架;4.底座;5.沖刷槽;6.土樣室;7.采樣桶。

ANS=(f×t)/W

(1)

式中:ANS為抗沖系數(L/g);f為沖刷流量(L/min);t為沖刷時間(min);W為烘干泥沙質量(g)。

1.3.2 土壤性質的測定 土壤性質測定方法如下[14-15],土壤容重采用環刀法測定;土壤大團聚體水穩性采用H.N.薩維諾夫(CaBBNHOB)法測定,由干篩法和濕篩法兩部分組成,用重量百分比(%)表示;土壤機械組成采用吸管法測定;土壤有機質采用水合熱重鉻酸鉀氧化—比色法測定;土壤比重采用比重瓶法測定;土壤總孔隙度通過公式計算得到,計算公式如下:

(2)

1.3.3 土壤團聚體穩定性的測定 通過土壤團聚體濕篩結果計算得到平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、分形維數(D)和團聚體破壞率(PAD),來表示土壤團聚體的穩定性,計算公式如下[16]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Wi為i粒級團聚體的重量百分比(%);Xi為i粒級團聚體的平均直徑(mm);n為粒徑分組的組數;D為土壤顆粒分形維數;r為土壤粒徑;Ri為粒徑等級i的土壤粒徑(μm);VT為土壤顆粒總體積百分含量(%);Rmax為土壤粒徑的極大值(μm);V為土壤粒徑小于Ri的土壤體積百分含量(%);DS>0.25為干篩處理下>0.25 mm團聚體含量;WS>0.25為>0.25 mm水穩性團聚體含量。

1.3.4 數據統計分析 采用SPSS 26.0對數據進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)、Pearson相關性和逐步回歸分析,使用LSD進行多重比較,采用Duncan進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同類型農用地土壤抗沖性特征

2.1.1 徑流含沙量動態變化特征 由圖2可知,在同樣沖刷坡度和流量下,各農用地產沙量隨沖刷時間的延長所表現出來的趨勢基本相似。在第1分鐘時產沙量最大,隨后產沙量急劇下降,在5 min后趨于穩定狀態。由于原狀土取樣時不可避免會對土壤表面造成一定擾動,從而產生一些松散土壤顆粒,加上土壤表層自帶的松散顆粒,使得徑流含沙量在第1分鐘時數值異常大。但這并不影響不同類型農用地之間徑流含沙量的差異,在本研究的5種農用地中,土壤產沙量總體變化表現為PCL(17.58 g)>AL(4.28 g)>GPG(0.69 g)>EEF(0.40 g)>GL(0.26 g)。在15 min沖刷過程中,PCL的產沙量遠大于其他農用地,沖刷最為嚴重;AL的產沙量在第1分鐘時最大,隨后產沙量急劇下降趨于穩定,6 min后與GPG,EEF和GL的產沙量接近;GPG,EEF和GL的產沙量總體較小,且在較短的時間內趨于穩定。

圖2 不同類型農用地含沙量隨沖刷時間的變化特征

2.1.2 土壤抗沖系數動態變化特征 不同類型農用地由于地表植被差異,以及人們對農用地的后續管理不同,導致不同類型農用地在土壤抗沖性能上也存在較大差異。由圖3可知,GL,EEF和GPG抗沖系數遠大于AL和PCL。在沖刷初期抗沖系數均較小,隨著沖刷時間的延長,GL在7 min時抗沖系數達到峰值(158.95 L/g),隨后有所下降,但總體仍保持上升趨勢,說明牧草地抗沖性最強;EEF在9 min達到峰值(86.27 L/g),隨后抗沖系數出現一定下降趨勢;GPG在整個時間段抗沖系數均保持穩定的增長,在第15分鐘時抗沖系數達到119.47 L/g;AL抗沖系數呈現緩慢的增長趨勢,在第15分鐘時抗沖系數達到25.36 L/g;PCL抗沖系數變化趨勢小且穩定在一個較低水平,在7 min后呈現出極小的增長趨勢,在15 min內抗沖系數平均值僅為1.18 L/g。以往眾多相關研究表明,土抗沖系數隨著沖刷時間延長均表現出明顯增大趨勢,本研究發現PCL在15 min沖刷時間內變化趨勢極小,說明馬鈴薯耕地在暴雨的沖刷下會源源不斷地被侵蝕破壞,形成嚴重的水土流失。根據土壤沖刷過程中抗沖系數變化特征,得到5種類型農用地土壤抗沖性表現為GL>EEF>GPG>AL>PCL。

圖3 不同類型農用地土壤抗沖系數隨沖刷時間的變化特征

2.1.3 土壤抗沖系數與沖刷時間的關系 不同學者對土壤抗沖系數與沖刷時間關系的研究結果存在較大差異,得到最優擬合曲線主要有線性函數、冪函數和指數函數[7-8]。利用SPSS 26.0中曲線估算功能,對抗沖系數和沖刷時間做回歸分析,得到不同類型農用地的最優相關關系曲線擬合模型。在15 min沖刷下,GL用對數函數擬合效果較好,土壤抗沖系數隨沖刷時間的延長呈對數函數增大;EEF用逆函數擬合效果較好,土壤抗沖系數隨沖刷時間的延長呈逆函數增大;GPG,AL和PCL用線性函數擬合效果較好,土壤抗沖系數隨沖刷時間的延長呈線性函數增大。由表1可知,5種農用地的抗沖系數(ANS)與沖刷時間(t)呈顯著或極顯著正相關。EEF抗沖系數與沖刷時間相關系數相對較低(p<0.05),是由于EEF抗沖系數在9 min后有所下降導致的。

表1 不同類型農用地土壤抗沖系數與沖刷時間關系式Table 1 Relationship between soil anti-scour coefficient and scour time in different types of agricultural land

2.2 不同類型農用地土壤性質特征

2.2.1 土壤性質差異 從表2可以看出,不同類型農用地間土壤性質差異較大,且存在顯著差異(p<0.05)。GL,EEF和AL土壤有機質含量遠高于我國耕層土壤的平均含量;GPG的有機質含量次之;PCL有機質含量最低,說明長期的馬鈴薯耕種對土壤有機質消耗過多,后續補肥不足。調查中也發現,GL,EEF和AL均存在長期放牧,牲畜的排泄物會間接提高土壤有機質含量。土壤容重和土壤總孔隙度均可以反映土壤的疏松情況,二者基本吻合,土壤疏松程度表現為EEF>GL>GPG>AL>PCL。土壤機械組成主要由砂粒和粉粒為主,GL,EEF和GPG為粉砂質壤土,AL和PCL為砂質壤土。

表2 不同類型農用地的土壤有機質、容重、總孔隙度和機械組成差異Table 2 Soil organic matter, bulk density, total porosity and mechanical composition were different in different types of agricultural land

通過干篩和濕篩得到不同類型農用地土壤水穩性團聚體分布特征(圖4),不同類型農用地對土壤水穩性團聚體粒徑的分布影響較大。GL,EEF和GPG水穩性團聚體分布大致相同,>5 mm水穩性團聚體(47.30%～66.64%)為3種農用地的優勢粒徑;PCL和AL的優勢粒徑為<0.25 mm水穩性團聚體(57.81%～66.55%),占據了水穩性團聚體的一半以上。但AL>5 mm和2～5 mm水穩性團聚體高于PCL,這與人為擾動減少和有機質含量提高密切相關。

圖4 不同類型農用地土壤水穩性團聚體

2.2.2 土壤團聚體穩定性 土壤團聚體是土壤結構構成的基礎,其穩定性直接影響土壤表層的水、土界面行為,特別是與降雨入滲和土壤侵蝕關系密切[17]。MWD和GMD值越大,表示土壤團聚體平均粒徑團聚度越高,團聚體穩定性越好。D和PAD值越小,表示土壤團聚體穩定性越好,抗侵蝕能力越強。綜合4個指標結果(表3),得到5種農用地團聚體穩定性表現為GPG>GL>EEF>AL>PCL。這與前面5種農用地土壤抗沖性能結果略有不同,表明土壤團聚體只是影響土壤抗沖性的主要因子之一。同時各農用地之間差異顯著性可分為兩組,GL,EEF,GPG與AL,PCL存在顯著差異(p<0.05),即GL,EEF和GPG的團聚體穩定性顯著高于AL和PCL。

表3 不同類型農用地土壤團聚體穩定性特征Table 3 Stability characteristics of soil aggregates in different types of agricultural land

2.3 土壤抗沖系數與土壤性質關系

對土壤抗沖系數與土壤性質進行Pearson相關性分析(圖5)。結果表明:土壤抗沖系數與粉粒和>5 mm水穩性團聚體呈顯著或極顯著正相關,相關系數分別為0.608,0.682。土壤抗沖系數與砂粒、0.25～0.5 mm和<0.25 mm水穩性團聚體呈顯著或極顯著負相關,相關系數分別為0.593,0.563,0.758。僅從相關程度看,由大到小依次為<0.25 mm水穩性團聚體、>5 mm水穩性團聚體、粉粒、砂粒和0.25～0.5 mm水穩性團聚體。粉粒和>5 mm水穩性團聚體越多則土壤抗沖系數越大,砂粒、0.25～0.5 mm和<0.25 mm水穩性團聚體越多則土壤抗沖系數越小。根據相關性結果可得到,在本文分析的土壤性質中水穩性團聚體和土壤機械組成對抗沖系數影響最大。

圖5 土壤抗沖系數與土壤性質相關性分析

表4 土壤抗沖系數與土壤性質逐步回歸分析的多元回歸系數參數估計值

3 討 論

3.1 不同類型農用地土壤抗沖性分析

本研究針對安寧河干旱河谷區不同類型農用地土壤抗沖性進行研究。徑流含沙量變化特征與大部分已有研究結果相同,徑流含沙量隨沖刷時間的延長逐漸減少并趨于相對穩定的狀態[5,7,9]。隨著土壤表層松散顆粒被沖刷帶走,土壤顆粒間緊實摩擦力增大,土壤抗沖系數隨之增大[18]。PCL徑流含沙量顯著高于其他農用地,這與地表植被和人為干擾程度關系密切,GL和EEF人為擾動較少且地表植被豐富表層土壤根系發達,根系的盤繞固結作用增強了土壤的抗沖性能[7]。土壤沖刷過程中抗沖系數隨著沖刷時間的延長總體呈現出上升趨勢,其中GPG上升趨勢最為穩定。GPG抗沖性介于GL,EEF和AL,PCL之間,受到人類農業活動的影響,但又遠小于耕地農業活動,使其土壤抗沖性維持較好,本研究結果與資如毅等[19]研究結果相同。但伏耀龍等[5]對岷江干旱河谷區不同土地利用抗沖性研究中,得到小麥耕地的抗沖性優于灌木林地,這與本文林地和園地的抗沖性能遠大于耕地不同。PCL由于長期的人為耕作活動,對土體擾動嚴重,土壤表層根系稀少,加之耕種者對耕地的管理不當,最終導致耕地土壤抗沖性極差。結合眾多相關研究,可以得到不同土地利用下土壤抗沖性能大致表現為:草地>天然林地>人工林地>園地>荒草地>撂荒地>耕地>裸地[7-8,18,20]。

3.2 不同類型農用地土壤性質分析

除去地形坡位等條件,土壤性質也是決定土地利用類型的重要條件之一,不同類型的農用地也能在一定程度上反映土壤的狀況。研究區內人類活動對土壤的理化性質影響較大,根據砂粒、粉粒和黏粒百分比可以發現,AL和PCL受人為擾動嚴重,在降雨徑流的沖刷下,土壤中粉粒流失嚴重。AL已經停止人類擾動多年,但土壤質地仍未恢復到自然狀態。人為擾動使得土壤結構受到破壞,間接改變土壤顆粒組成,土壤抵抗徑流搬運能力降低[19]。土壤有機質是土壤固相部分的重要組成部分,在土壤可持續發展中發揮著重要的作用。朱凱等[21]研究得到有機質對土壤團聚體具有顯著的正向影響,高含量的土壤有機質有利于團聚體的形成。這一點在AL中表現明顯,>5 mm水穩性團聚體含量增加,2～5 mm水穩性團聚體與GL,EEF,GPG接近。大顆粒水穩性團聚體含量越多,其抵抗水力侵蝕能力越強,即土壤抗沖性越強。PCL和AL<0.25 mm水穩性團聚體顯著高于GL,EEF和GPG,主要受到人為耕種影響,使土壤在流水沖刷下更易被侵蝕帶走。當土壤容重小孔隙度大時,土壤疏松多孔,水分和徑流利于下滲,從而增強土壤抗沖性[13]。本研究中,PCL和AL的土壤容重值較大,與資如毅等[19]研究結果不同。通常耕地土壤受到人為的犁耕,會使土壤變得疏松,容重減小,但該區域耕地土壤團聚體結構破壞嚴重,耕地多為砂質土壤,土壤表層在人為灌溉和雨水淋洗下逐漸硬實板結。GPG的土壤容重值也較大,接近PCL和AL,這也一定程度上說明園地的土壤板結嚴重。綜合各土壤性質得到,GL和EEF土壤性質優良,具有良好的土壤結構,抵抗流水侵蝕能力更強,目前看桉樹的種植并沒有對當地土壤造成嚴重危害。

3.3 土壤抗沖性與土壤性質的關系分析

相關性和逐步回歸分析得到,在所選因子中<0.25 mm水穩性團聚體和黏粒為影響土壤抗沖性的主導因子。本文相關性結果可得到,水穩性團聚體和土壤機械組成對抗沖系數影響最大,這與伏耀龍等[5]研究結果相同。楊玉梅等[22]研究得到土壤容重與抗沖指數呈顯著負相關,而周維等[23]研究認為土壤抗沖強弱與容重不相關。本文得到容重與土壤抗沖性呈負影響但不具備顯著性,造成這種差異的原因可能是地區以及選擇土地利用類型不同導致的。眾多研究均得到有機質與土壤抗沖性呈顯著正相關關系[5,7],但本研究中,土壤有機質與土壤抗沖性不具有顯著關系,這可能是受到AL影響。AL由于長時間棄耕,地表草本植物豐富,使得有機質含量顯著提高,但AL的土壤抗沖性則仍然較差。楊玉梅等[22]認為土壤顆粒越細,在相同沖刷流量和歷時下,土壤細粒會堵塞土壤孔隙,使土壤板結,從而增強土壤抗沖性。也有研究指出,大粒徑水穩性團聚體含量越多,土壤結構越佳,土壤抗沖性越強[23]。本文研究結果與后者相符合,大團聚體抵抗水力侵蝕能力更強,團聚體穩定性更強。所選土壤因子對土壤抗沖系數的解釋度僅達到74.7%,說明土壤性質不能很好地解釋土壤抗沖性,土壤礫石含量和表層根系特征等同樣會對土壤抗沖性產生影響,在以后的研究中應加入這些指標綜合分析。

3.4 關于安寧河干旱河谷區農用地可持續發展的思考

5種類型農用地中耕地會對土壤造成嚴重危害,園地次之。研究區內耕地水土流失問題極其嚴重,在如今全球氣候異常的局勢下,這個問題更應該引起高度重視。在農用地調查和試驗過程中,發現研究區內土壤礫石含量極高,農民在耕種中會將礫石一遍又一遍清除掉,礫石的清除加劇了水土流失。研究區內地勢起伏較大,隨著耕作活動的開展,夏季降水徑流沖刷帶走土壤中細小顆粒,使土壤肥力和抗侵蝕能力嚴重下降。導致地區土壤質量逐漸惡化,糧食產量逐年下降,引發糧食安全問題。應完善地區耕地保護措施,同時加強園地管理,提高農民生態意識,實現土地資源的可持續利用。

4 結 論

(1) 通過原狀土沖刷試驗,得到5種農用地徑流含沙量在第1分鐘時產沙量最大,隨后產沙量急劇下降,在5 min后趨于穩定狀態,土壤抗沖系數隨沖刷時間的延長而增大,其關系用對數、逆函數或線性函數擬合效果較好。5種農用地抗沖性由表現為GL>EEF>GPG>AL>PCL。

(2) GL,EEF和AL有機質含量較高,GPG和PCL有機質則較差;5種農用地疏松程度表現為EEF>GL>GPG>AL>PCL;GL,EEF和GPG以>5 mm水穩性團聚體為主,PCL和AL以<0.25 mm水穩性團聚體為主,團聚體穩定性表現為GPG>GL>EEF>AL>PCL;GL,EEF和GPG為粉砂質壤土,AL和PCL為砂質壤土,土壤中粉粒流失極其嚴重,耕地撂荒后需很長時間進行自我恢復。

(3) 土壤抗沖系數與粉粒和>5 mm水穩性團聚體呈顯著正相關,與砂粒、0.25～0.5 mm和<0.25 mm水穩性團聚體呈顯著負相關。逐步回歸分析得到最優回歸方程為土壤抗沖系數=84.016-1.135×<0.25 mm水穩性團聚體-7.413×黏粒,土壤水穩性團聚體和土壤機械組成對抗沖系數影響最大。