紅壤區不同水土保持措施對土壤抗蝕性的影響

萬怡國謝方杰陳曉安

(1.江西省水利科學院 江西省鄱陽湖流域生態水利技術創新中心,江西 南昌330029;2.河海大學 農業科學與工程學院,江蘇 南京211100;3.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室,江西 南昌330029)

南方紅壤丘陵區水土流失總面積達1.31×105km2,占土地總面積的15.06%,是中國南方面積最大,水土流失最為嚴重的區域[1],其中輕度、中度、強烈水土流失面積分別占水土流失面積的7.03%,5.56%,2.47%[2]。南方紅壤丘陵區雖然近年水土流失研究工作取得諸多成果,但是總體形勢依然嚴峻,水土流失依然是阻礙當地發展的因素之一[3]。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力[4-5],土壤抗分散能力是其評價指標之一。土壤抗分散能力是土壤抵御降雨或徑流對土壤物質分散崩解作用的能力[6],土壤本身的理化特性與土壤抗蝕性大小密切相關[7],而這些特性很大程度上又受內在因素——成土母質的特性和外在因素——植被類型等的影響[8]。關于土壤抗蝕性的研究很多,但大多數集中在黃土高原區和川貴地區[9-10],對南方紅壤區的土壤抗蝕性的研究相對較少。江西省作為南方水土流失最為嚴重的八省之一[11],在進行土壤抗蝕性研究中具有一定的代表性。許多學者采取主成分分析法、熵權法、灰色關聯度分析法等方法選取多項指標建立評價體系對土壤抗蝕性進行評價,其中水穩性指數和抗蝕指數可作為評價土壤抗蝕性的重要指標[5,12]。過往的研究中主要是對不同模式或者不同植被之間的土壤抗蝕性的研究[13-14],對在同一林木的基礎采取不同水土保持措施的土壤抗蝕性的研究較少。而柑橘是江西省的分布最廣、面積最大的果樹,且柑橘產業是江西省農業的支柱性產業。因此,在柑橘園進行土壤抗蝕性的研究具有重要的意義。鑒于此,本文主要進行以柑橘為基礎下不同水土保持措施對紅壤區土壤抗蝕性的研究,以江西水土保持生態科技園4個不同處理的柑橘園試驗區為研究對象,以土壤抗蝕指數和水穩性指數為重要指標,通過野外采樣和室內試驗分析結合的方法,研究不同處理下柑橘園土壤抗蝕性,以尋找契合南方紅壤區柑橘園的水土保持措施,為南方紅壤區水土流失治理提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于江西水土保持生態科技園,地處江西省北部鄱陽湖水系德安縣城郊燕溝小流域,東經115°42′38″—115°43′06″,北緯29°16′37″—29°17′40″。該區域屬于亞熱帶季風氣候區,雨量充沛,日照充足,無霜期長,年平均降雨量1 397.3 mm,日照時數1 700～2 100 h,無霜期249 d;地貌類型主要為淺丘崗地,海拔高度為25～30 m,坡度5°～25°,土壤主要為發育于第四紀紅黏土和泥質巖類風化物的紅壤,土層厚度50～150 cm,呈酸性至微酸性。

江西水土保持生態科技園始建于2000年。建園初期這里生態環境相當脆弱,水土流失十分嚴重,水土流失面積達72.0 hm2,占土地總面積的85.7%,其中輕度流失35.2 hm2,占流失面積的48.9%;中度流失7.5 hm2,占流失面積的10.4%;強烈流失29.3 hm2,占流失面積的40.7%;年土壤侵蝕總量為2 122.6 t,土壤侵蝕模數為2 948 t/(km2·a),土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。地帶性植被類型為常綠闊葉林,植物種類繁多,植被類型多樣,但由于長期不合理地采伐利用,造成地表植被遭到破壞,現存植被多為人工營造的針葉林、常綠闊葉林、竹林、針闊混交林、常綠落葉混交林、落葉闊葉林等。柑橘園防治措施主要采用水平梯田、帶狀植草等措施,荒地主要采用水土保持林,坡耕地主要采用橫坡耕作、植物籬等水土保持措施,水系治理主要采用山邊溝、谷坊、山塘等工程措施。

2 研究方法

2.1 樣品采集與預處理

選取現代生態果園試驗區裸地(作為對照)、柑橘凈耕、柑橘+全園植草和柑橘+水平梯田4個徑流小區為采樣區,各徑流小區的基本情況詳見表1。徑流小區為水平投影長20 m,寬5 m,其水平投影面積為100 m2,坡度均為12°,柑橘試驗小區內由上至下栽植2 a生柑橘樹6行,每行2株,行距3.0 m,株距2.5 m,共計12株。2019年10月對試驗小區進行土壤樣品采集,每個小區設置3個采樣點,按S形布設,分別分布在上、中、下坡,每個采樣點采集0—20 cm,20—40 cm兩層原狀土樣,每個采樣點采集1.5 kg土樣,徑流小區及采樣點布設示意圖如圖1所示。原狀土樣在采集后沿自然紋理掰成粒徑10 mm左右的土粒,實行自然風干,以進行土壤抗分散能力分析的試驗。

圖1 徑流小區布設示意圖

表1 徑流小區基本情況

2.2 測定指標與方法

土壤抗分散指標包括抗蝕指數和水穩性指數。土壤抗蝕指數、水穩性指數的測定方法采用靜水崩解法[15]。將所取原狀土樣按自然斷裂面掰成直徑約10 mm的土粒,自然風干后過篩,挑選直徑7～10 mm的土粒50顆,放置于5 mm孔徑的金屬網格上并浸水并觀測,以1 min為間隔,分別記錄分散土粒的數量,連續觀測10 min,最后取3組數據的平均值。土壤抗蝕指數和水穩性指數的計算公式為:

(1)土壤抗蝕指數

(2)水穩性指數

式中:pi為第i分鐘分散土粒數,i取1,2….10;Ki為第i分鐘的校正數,分別為5%,15%,25%,35%,45%,55%,65%,75%,85%,95%;pj為10 min內沒有分散的土粒數;A為試驗土?？倲?。

2.3 數據處理與分析

采用Excel 2010對數據整理匯總、計算以及作圖,通過SPSS 24對數據進行方差分析、回歸分析、相關性分析以及擬合曲線和方程,用鄧肯法多重比較和字母標記法來判斷差異顯著性及標注。

3 結果與分析

3.1 不同處理下土壤抗蝕指數變化特征

抗蝕指數是指土壤團聚體在靜水中的分散程度,反映的是土壤的抗崩解能力,可以很好地表征土壤抗水蝕能力。不同處理下的土壤抗蝕指數隨浸水時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知,隨著浸水時間的增長,不同處理的土壤抗蝕指數均呈下降的趨勢,且不同深度土層土壤抗蝕指數大小最終表現為:柑橘+全園植草＞柑橘+水平梯田＞柑橘凈耕＞裸地對照。

圖2 不同處理下土壤抗蝕指數隨浸水時間變化曲線

0—20 cm土層在第1 min結束時,柑橘+全園植草的土壤抗蝕指數最大(為86.67%),柑橘凈耕和柑橘+水平梯田次之且相差不大(分別為75.33%和74.67%),裸地對照最小(為43.33%),并在前9 min內保持這樣的規律,直到第10 min,柑橘+水平梯田的土壤抗蝕指數趨于穩定,而柑橘凈耕則保持下降的趨勢,使柑橘+水平梯田完成反超。在第1 min結束至第10 min結束,柑橘+全園植草、柑橘+水平梯田、柑橘凈耕、裸地對照的土壤抗蝕指數分別下降38.46%,50%,53.98%和49.23%,最終土壤抗蝕指數大小為:柑橘+全園植草(53.33%)＞柑橘+水平梯田(37.33%)＞柑橘凈耕(34.67%)＞裸地對照(22%)。在整個崩解過程中柑橘+全園植草、柑橘凈耕、裸地對照這3個處理土壤抗蝕指數下降的較為穩定,沒有明顯的突變點,且柑橘+全園植草的土壤始終保持較高的抗蝕指數,說明該小區的土壤在整個降雨過程中能夠保持較好穩定性,不易被侵蝕。而柑橘+水平梯田則在第7 min結束后出現了較為明顯的轉折,在第1 min結束至第7 min結束的過程中柑橘+水平梯田的土壤抗蝕指數下降了44.62%,在第7 min結束到第10 min結束則只下降了9.68%。這說明柑橘+水平梯田小區的土壤在降雨初始階段容易被侵蝕破壞,但隨著降雨的持續進行,降雨對于土壤的侵蝕逐漸減弱,最后趨于穩定。出現這一現象的原因可能是因為梯田措施改變了小區的土壤結構和土壤養分狀況,使其能夠減弱長時間的降雨對于土壤顆粒的沖刷侵蝕。20—40 cm土層在第1 min結束時,土壤抗蝕性大小為:柑橘+全園植草(54%)＞柑橘+水平梯田(48%)＞柑橘凈耕(38%)＞裸地對照(34.67%),隨后柑橘+全園植草和柑橘+水平梯田交替領先,直到第10 min結束,兩者相同,最終土壤抗蝕指數大小為柑橘+全園植草(26%)=柑橘+水平梯田(26%)＞柑橘凈耕(18%)＞裸地對照(10.67%)。在第1 min結束至第10 min結束,柑橘+全園植草、柑橘+水平梯田、柑橘凈耕、裸地對照的土壤抗蝕指數分別下降51.85%,45.83%,52.63%和69.23%,整個土壤顆粒崩解過程中,雖然在第1 min內柑橘+水平梯田的崩解數量要略多于柑橘+全園植草,但最后卻和柑橘+全園植草持平。

由表2可知,0—20 cm土層,柑橘+全園植草的土壤抗蝕指數與其他3種的差異顯著,其土壤抗蝕指數是柑橘+水平梯田、柑橘凈耕、裸地對照的1.43,1.54,2.42倍,而柑橘+水平梯田與柑橘凈耕之間差異不顯著,裸地對照則顯著低于其他處理。因此,0—20 cm土層,柑橘+全園植草的土壤抗分散能力最好,柑橘+水平梯田、柑橘凈耕次之并且兩者相差不大,裸地對照最差。20—40 cm土層,柑橘+全園植草和柑橘+水平梯田的土壤抗蝕指數相同,顯著高于柑橘凈耕、裸地對照,分別是柑橘凈耕、裸地對照的1.44,2.44倍。由此可知,20—40 cm土層,采用了水土保持措施的柑橘+全園植草和柑橘+水平梯田的土壤抗分散能力最好,柑橘凈耕次之,裸地對照最差。相同處理下0—20 cm土層的土壤抗蝕指數均大于20—40 cm,且相同處理下不同土層的土壤抗蝕指數差異顯著,0—20 cm土層柑橘+全園植草、柑橘+水平梯田、柑橘凈耕、裸地對照的土壤抗蝕指數分別為20—40 cm土層的2.05,1.44,1.93,2.06倍,這說明在同種處理的情況下表層土壤的土壤抗蝕性要顯著優于深層土壤。使用SPSS 24對不同水土保持措施下土壤抗蝕指數(S)和浸水時間(t)進行回歸分析,選取擬合程度較高的方程(除柑橘+全園植草0—20 cm土層的為三次方程外其余均為二次方程),具體方程詳見表3。從表3可知,方程的決定系數R2均達到0.98,系數的顯著性均達顯著水平或極顯著水平。

表2 不同處理下土壤抗蝕指數特征

表3 土壤抗蝕指數(S)與浸水時間(t)擬合方程

3.2 不同處理下土壤水穩性指數變化特征

水穩性指數是測定團聚體在靜水中的分散速率來表征抗分散能力,水穩性指數越高,抗分散能力越強。由表4可知,0—20 cm土層,不同處理下的土壤水穩性指數大小為:柑橘+全園植草(72.80%)＞柑橘凈耕(57.53%)＞柑橘+水平梯田(54.47%)＞裸地對照(32.97%),柑橘+全園植草的水穩性指數最大,且柑橘+全園植草顯著高于其他處理,分別為柑橘凈耕、柑橘+水平梯田、裸地對照的1.34,1.27,2.21倍,柑橘凈耕與柑橘+水平梯田兩者間無顯著差異,但兩者均顯著高于裸地對照,說明相較于裸地,種植柑橘后能顯著提升土壤的水穩性,且柑橘+全園植草的處理對于土壤抗蝕性的提升要顯著優于柑橘凈耕和柑橘+水平梯田。20—40 cm土層,不同處理下的土壤水穩性指數大小則為:柑橘+全園植草(40.63%)＞柑橘+水平梯田(40.23%)＞柑橘凈耕(30.90%)＞裸地對照(24.80%),柑橘+全園植草的水穩性指數依舊最大,分別為柑橘凈耕、柑橘+水平梯田、裸地對照的1.01,1.31,1.64倍,柑橘+全園植草與柑橘+水平梯田的水穩性指數無顯著差異,而柑橘+水平梯田的水穩性指數顯著高于柑橘凈耕,這與前文中20—40 cm土層土壤抗蝕指數的情況一樣。0—20 cm土層柑橘+水平梯田和柑橘凈耕的抗蝕指數和水穩性指數都相差不大,無顯著差異,但20—40 cm土層柑橘+水平梯田顯著大于柑橘凈耕。柑橘+水平梯田和柑橘凈耕的土壤以及植被情況都相同,因此,可能是兩種處理的土地利用方式不同造成二者具有顯著差異。相同的處理下,0—20 cm土層的土壤水穩性指數顯著高于20—40 cm土層,柑橘+全園植草、柑橘+水平梯田、柑橘凈耕和裸地對照在0—20 cm土層的土壤水穩性指數分別是20—40 cm土層的1.79,1.35,1.86,1.33倍,說明相同處理下土壤抗蝕性隨著土層深度增加而減小。

表4 不同處理下土壤水穩性指數特征

3.3 植被覆蓋度對土壤抗蝕性的影響

植被的根系可以保持水土,減少表層沙化,植物的根系提供分泌物與有機質,作為土壤團粒的膠結劑,能提高土壤的抗侵蝕能力。用SPSS 24對植被覆蓋度和抗蝕指數、水穩性指數進行相關性分析,結果詳見表5。由表5可知,0—20 cm土層植被覆蓋度與土壤抗蝕指數呈極顯著正相關,與水穩性指數呈顯著正相關;而20—40 cm土層植被覆蓋度與土壤抗蝕指數則沒有顯著的相關性。柑橘+全園植草為林草復合的形式,其植被覆蓋度為100%,植被根系較多,土壤的有機質較多,理化性質較好,土壤水穩性最好,抗分散能力最好;柑橘+水平梯田和柑橘凈耕的植被覆蓋度為40%,只種植了柑橘,無其他植被覆蓋,抗分散能力次之;裸地對照無植被覆蓋,無水土保持措施,水土流失嚴重,抗分散能力最差。結合土壤抗蝕指數、水穩性指數和植被覆蓋度可知,植被覆蓋度與表層土壤的土壤抗蝕性呈正相關,提高植被覆蓋度可以有效地增強表層土壤的土壤抗蝕性。

表5 植被覆蓋度與土壤抗蝕性相關性分析

4 討論與結論

4.1 討論

前人[16]的研究發現實行人工造林對于提高土壤的結構穩定性有一定作用,且植被可以使土壤中的根系更豐富,有利于形成更好的土壤結構[17-18];本研究發現種植柑橘的三組處理的土壤抗蝕性與裸地對照相比有顯著的提升,種植柑橘后可以提高枯落物的累積量和根系的豐富程度,有利于改善土壤的營養成分和土壤結構,使土壤具有較好的抗侵蝕能力。種植柑橘后可以有效地提高植被覆蓋度,本研究發現植被覆蓋度與表層土壤的土壤抗蝕性呈顯著正相關關系,植被覆蓋度的提高有助于土壤團聚體的穩定[19],能顯著提升土壤中的有機質含量、全氮含量、全磷含量、枯落物的累積以及根系的豐富程度,改良土壤結構,使土壤抗蝕性增強。徐晶等[20]、劉曉華等[21]分別對濟南南部山區、江淮丘陵區進行研究,得出植被覆蓋度越高土壤抗蝕性越強的結論。本研究結果與之類似。但在進行植被覆蓋度與土壤抗蝕性相關性分析時發現植被覆蓋度與深層土壤的土壤抗蝕性無顯著的相關性,可能是因為隨著土層深度的增加,植物根系在減少導致植被對于土壤抗蝕性的影響在逐漸減弱。

對比柑橘+水平梯田與柑橘凈耕的土壤抗蝕指數和水穩性指數,可以發現,0—20 cm土層兩者的土壤抗蝕性無顯著差異,說明采用水平梯田的水土保持措施對于提高表層土壤的土壤抗蝕性無明顯的作用。不同的水土保持措施對于土壤抗蝕性的影響具有顯著差異,相較于裸地對照,柑橘+全園植草對于土壤抗蝕性的提升最多,顯著優于柑橘+水平梯田,可能是由于柑橘+全園植草的水土保持措施在種植柑橘的基礎上還種植了闊葉雀稗,使得其植被覆蓋度得到提高,且枯落物的累積以及根系的豐富程度等遠高于柑橘+水平梯田,從而導致柑橘+全園植草的土壤抗蝕性與柑橘+水平梯田存在顯著差異。各處理下,0—20 cm土層的土壤抗蝕性均強于20—40 cm土層,這與楊振奇等[22]的研究結果相符,這說明隨著土層深度的增加,土壤抗蝕性在減弱。因此,為了避免深層土壤被侵蝕,不僅要提高深層土壤的土壤抗蝕性,還應防止表層土壤被破壞,以保護深層土壤。

4.2 結論

(1)水土保持措施能顯著提升土壤抗蝕性。綜合土壤抗蝕指數和土壤水穩性指數,不同處理下的土壤抗蝕性大小為:柑橘+全園植草＞柑橘+水平梯田＞柑橘凈耕＞裸地對照。其中柑橘+全園植草的土壤抗蝕性最強,相對于裸地對照提升最多。

(2)0—20 cm土層的土壤抗蝕性顯著優于20—40 cm。相同處理下20—40 cm土層的土壤抗蝕性均弱于0—20 cm土層,采用水土保持措施既能保護表層土壤也能夠提高深層土壤的土壤抗蝕性。

(3)植被覆蓋度越高土壤抗蝕性越強。植被覆蓋度與表層土壤的土壤抗蝕性呈顯著正相關,合理地提高植被覆蓋度能夠提高土壤中植物根系含量,改善土壤結構,顯著提高土壤抗侵蝕能力。