贛南地區(qū)不同植被覆蓋下紅壤抗沖性動(dòng)態(tài)研究

高珍萍, 徐祥明, 邱秀亮, 管志榮, 楊 醒, 曾瑜婷

(贛南師范學(xué)院, 江西 贛州 341000)

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贛南地區(qū)不同植被覆蓋下紅壤抗沖性動(dòng)態(tài)研究

高珍萍, 徐祥明, 邱秀亮, 管志榮, 楊 醒, 曾瑜婷

(贛南師范學(xué)院, 江西 贛州 341000)

選取贛南地區(qū)不同植被覆蓋下的花崗巖、紅砂巖、第四紀(jì)紅黏土發(fā)育形成的紅壤為研究對(duì)象，利用原狀土沖刷水槽法研究紅壤的抗沖性。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1) 贛南地區(qū)不同植被覆蓋下土壤在抗沖過(guò)程初期抗沖系數(shù)緩慢增大，然后隨沖刷時(shí)間延長(zhǎng)呈波浪式變化。從總體趨勢(shì)分析，在整個(gè)沖刷過(guò)程中抗沖系數(shù)隨時(shí)間呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)；(2) 以裸地來(lái)比較不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤的抗沖系數(shù)，從小到大的順序是花崗巖土壤<紅砂巖土壤<第四紀(jì)紅色黏土；(3) 植被通過(guò)根系增強(qiáng)了土壤的抗沖性能，不同植被覆蓋的土壤抗沖性一般表現(xiàn)為以下規(guī)律：裸地<灌草地<林草地。探討贛南紅壤抗沖性的動(dòng)態(tài)規(guī)律以及母質(zhì)和植被對(duì)土壤抗沖性的影響，為完善土壤抗侵蝕的理論研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于更有效地控制水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有理論和實(shí)踐意義。

贛南紅壤; 抗沖性; 植被; 母質(zhì)

水土流失是當(dāng)代土壤環(huán)境保護(hù)的一個(gè)突出問(wèn)題[1]。贛南地區(qū)水土流失比較嚴(yán)重，而且有逐年加劇的趨勢(shì)。該地區(qū)的地形以丘陵為主，地形起伏比較大，降雨量多而集中，導(dǎo)致自然植被破壞嚴(yán)重；此外，贛南地區(qū)盛產(chǎn)臍橙，大量的丘陵山地被開(kāi)發(fā)出來(lái)種植臍橙，加重了當(dāng)?shù)氐乃亮魇А?/p>

土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對(duì)其機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能，對(duì)土壤抗沖性的研究是土壤侵蝕機(jī)制研究的一個(gè)重要方面，能較好地體現(xiàn)區(qū)域水土流失過(guò)程和規(guī)律。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤抗沖性進(jìn)行了大量研究，研究成果分析了土地利用類(lèi)型、植被類(lèi)型、根系、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、坡度等因素對(duì)土壤抗沖性結(jié)果的影響[2-10]。目前對(duì)土壤抗沖性的研究著重于分析不同植被類(lèi)型、植物根系、土地利用方式等情況下比較土壤的抗沖性能的大小，土壤團(tuán)聚體等理化性質(zhì)對(duì)抗沖性能的影響以及土壤抗沖指標(biāo)的篩選和評(píng)價(jià)等。對(duì)于土壤抗沖指數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律的研究甚少。土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)了解土壤沖刷過(guò)程中抗蝕性能的變化過(guò)程及機(jī)理具有重要的意義；此外，土壤抗沖性研究區(qū)域大多集中在黃土高原區(qū)、長(zhǎng)江流域，而對(duì)贛南地區(qū)紅壤抗沖性研究鮮有報(bào)道。紅壤是贛南地區(qū)主要的土壤類(lèi)型，其成土母質(zhì)類(lèi)型多樣，多種母質(zhì)可發(fā)育形成紅壤。因此本試驗(yàn)選取贛南不同植被覆蓋下(林下裸地、灌草地、林草地)的花崗巖、紅砂巖、第四紀(jì)紅黏土發(fā)育形成的紅壤為研究對(duì)象，利用原狀土沖刷水槽法研究紅壤抗沖性的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為完善土壤抗侵蝕的理論研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為有效地控制贛南地區(qū)水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣品采集于江西省贛州，地理位置為北緯24°29′—27°09′，東經(jīng)113°54′—116°38′，位于中亞熱帶南緣，屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫為18.9 ℃，氣溫適宜，年平均降水量為1 586.9 mm，降水豐富但分配不均，贛南地貌多為低山、丘陵。土壤類(lèi)型主要是紅壤土，贛南紅壤主要有花崗巖土壤、紅砂巖土壤和第四紀(jì)紅黏土，花崗巖和紅砂巖地區(qū)崩崗侵蝕嚴(yán)重。

1.2 樣品采集與處理

在野外樣品采集中，選取深度為0—20 cm的表層土壤，除去地上部分植物以及土壤2 cm表層的根系，盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，然后用原狀盒采集規(guī)格為高6 cm、寬14 cm、長(zhǎng)20 cm的原狀土，裝回實(shí)驗(yàn)室用于做土壤抗沖性試驗(yàn)。本研究采集不同母質(zhì)和不同植被覆蓋的土壤9種，并根據(jù)研究目的設(shè)置2個(gè)重復(fù)樣點(diǎn)(表1)。

表1 抗沖性試驗(yàn)采樣點(diǎn)基本情況及相關(guān)土壤性質(zhì)

1.3 研究方法

土壤抗沖性試驗(yàn)采用改進(jìn)的原狀土沖刷水槽法。試驗(yàn)前先測(cè)量原狀土的長(zhǎng)、寬、高，然后將樣品潤(rùn)濕2 h，置于自制的水槽中，沖刷坡度為15°，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，確定以5 L/min流量沖刷，沖刷時(shí)間為50 min，在此過(guò)程中分為3個(gè)時(shí)間階段，第1個(gè)時(shí)間階段為0～6 min，每1分鐘采集1次泥沙量；第2個(gè)時(shí)間階段為6～30 min，每4分鐘采集1次泥沙量；第3個(gè)時(shí)間階段為30～50 min，20 min采集1次泥沙量，泥沙量采用烘干法測(cè)定計(jì)算。

鑒于目前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)土壤抗沖性指標(biāo)較多，本試驗(yàn)采用沖刷1 g干土所需要的水量表征土壤抗沖性(Anti-scourability，AS)[11]，AS越大，土壤的抗沖性越強(qiáng)。

AS=W/S

(1)

式中：AS——土壤抗沖系數(shù)(L/g)；W——總水量(L)；S——總的土壤沖刷量(g)。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用Yoder法測(cè)定[12]；有機(jī)質(zhì)是用重鉻酸鉀—濃硫酸氧化法[13]；植物的根量是取一定體積的土樣把其根清洗出來(lái)低溫烘干稱重，計(jì)算體積為100 cm3土塊的根的含量[7]；pH值用電位法測(cè)出。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤抗沖過(guò)程動(dòng)態(tài)變化分析

抗沖過(guò)程中的土壤抗沖系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化可反映出不同植被覆蓋的土壤在徑流作用下抗沖刷能力隨時(shí)間的變化。對(duì)不同植被覆蓋下的花崗巖、紅砂巖、第四紀(jì)紅黏土發(fā)育形成的紅壤進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖1所示，在前3 min內(nèi)，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)其抗沖性逐漸增強(qiáng)，但增長(zhǎng)較緩慢。這主要是因?yàn)楸容^松散的表層土更容易被沖刷，當(dāng)松散的表層土沖刷完后其抗沖性表現(xiàn)為逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。約3 min之后，各樣品抗沖性隨沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)呈波浪式變化，土壤的抗沖系數(shù)在短時(shí)間能增大或減小，但與前3分鐘比較，抗沖系數(shù)隨沖刷時(shí)間呈增大的趨勢(shì)。BL-3的抗沖性一直趨于一個(gè)較低的水平，抗沖刷峰值在第3次、第7次和第13次采集泥沙處，分別為0.32，0.14，1.45 L/g，說(shuō)明整個(gè)抗沖過(guò)程變化幅度較小，但隨時(shí)間呈現(xiàn)波浪式變化。LH-3的抗沖性也較弱，抗沖刷峰值出現(xiàn)在第6次、第10次和第12次采集泥沙處，分別為4.63，22.47，9.09 L/g，試驗(yàn)中最大值為22.47 L/g，主要由于樣品中的碎石塊和小礫石阻擋了水流的沖刷，導(dǎo)致沖刷能力減弱。SY-2的抗沖刷峰值在第4次和第9次采集泥沙處，分別為125.00，30.30 L/g，其抗沖性表現(xiàn)為前4分鐘內(nèi)增強(qiáng)，隨后呈現(xiàn)波浪式的減弱趨勢(shì)?？傮w而言，不同植被覆蓋下土壤抗沖性隨沖刷時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)波浪式變化，在整個(gè)抗沖過(guò)程中抗沖性隨時(shí)間呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

2.2 不同母質(zhì)對(duì)土壤抗沖性的影響

比較不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤之間的抗沖系數(shù)大小。如圖2所示，林地條件下土壤抗沖性表現(xiàn)為：第四紀(jì)紅黏土<花崗巖土壤<紅砂巖土壤，數(shù)值分別為11.04，13.14，25.38；草地條件下土壤抗沖性表現(xiàn)為：紅砂巖土壤<第四紀(jì)紅黏土<花崗巖土壤；裸地條件下土壤抗沖性表現(xiàn)為：花崗巖土壤<紅砂巖土壤<第四紀(jì)紅色黏土。不同母質(zhì)發(fā)育形成的土壤，其理化性質(zhì)不同。以上分析可知在林地條件下紅砂巖土壤抗沖性最強(qiáng)，在草地條件下花崗巖土壤抗沖性最強(qiáng)，在裸地條件下第四紀(jì)紅色黏土抗沖性最強(qiáng)。

2.3 不同植被覆蓋對(duì)土壤抗沖性的影響

如圖2所示，花崗巖土壤的抗沖性表現(xiàn)為：裸地<林地<草地，比例為0.14∶13.14∶17.41；紅砂巖土壤的抗沖性AS表現(xiàn)為：裸地<草地<林地，比例為1.23∶5.12∶25.38；第四紀(jì)紅黏土的抗沖性AS表現(xiàn)為：裸地<草地<林地，比例為4.04∶8.88∶11.04。裸地的抗沖性都表現(xiàn)為最弱，說(shuō)明植被是影響土壤抗沖性的一個(gè)非常重要的因素，植被的根系對(duì)抗沖性能的增強(qiáng)具有重要作用，一方面根系可以改善土壤結(jié)構(gòu)，形成了水穩(wěn)性較強(qiáng)的團(tuán)聚體；另一方面由于根系對(duì)土壤的盤(pán)繞固結(jié)作用，減弱了水流對(duì)地表的沖刷能力，從而增強(qiáng)了土壤的抗沖性能。在花崗巖土壤草地的抗沖性比林地的強(qiáng)，在紅砂巖土壤和第四紀(jì)紅黏土林地的抗沖性比草地的強(qiáng)。

注：橫坐標(biāo)1—6是指在0～6 min內(nèi)每1分鐘采集1次泥沙量，共采集6次；7—12是指在6～30 min內(nèi)每4分鐘采集1次泥沙量，共采集6次；13是指在30～50 min內(nèi)總共采集1次泥沙量。

圖1 不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤抗沖性隨時(shí)間變化曲線

圖2 贛南紅壤的抗沖系數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

土壤抗沖性的研究是土壤侵蝕機(jī)制研究的一個(gè)重要方面，能較好地體現(xiàn)區(qū)域水土流失過(guò)程和規(guī)律。楊玉梅等[2]研究不同土地利用方式下土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素，發(fā)現(xiàn)在抗沖過(guò)程中土壤初始徑流含沙量均較大，但隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)徑流含沙量逐漸降低，并在3～6 min后逐漸趨于穩(wěn)定；土壤抗沖性能隨沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)呈波狀變化，但總體上仍符合隨沖刷時(shí)間延長(zhǎng)，抗沖性增強(qiáng)的規(guī)律，雖然研究的土壤類(lèi)型與本文不同，但土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)是一致的。鄭江坤等[14]研究陜北不同地貌部位土壤抗沖性特征，發(fā)現(xiàn)不同地貌部位土壤在抗沖過(guò)程初期抗沖值均較小，且隨時(shí)間逐漸增大，隨后抗沖值隨時(shí)間呈波浪式變化。鄭江坤等[14]研究的大部分土樣在整個(gè)抗沖過(guò)程均有突變值的存在，本研究的土壤抗沖過(guò)程中也有突變值，由于在試驗(yàn)過(guò)程中土壤抗沖系數(shù)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，在水沖刷的情況下，植物根系固土作用在減弱，土壤顆粒也在被沖散，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，抗沖性能在減弱，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)有大量土被沖刷出水槽，這時(shí)的抗沖系數(shù)會(huì)急速下降，剩余土壤的結(jié)構(gòu)還未被破壞，這時(shí)沖刷的土量將會(huì)很少，抗沖性又會(huì)突然增強(qiáng)，從而出現(xiàn)了突變值。

不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤之間的抗沖性強(qiáng)弱是有差異的。陳曉安等[15]研究南方紅壤區(qū)崩崗侵蝕的土壤特性與影響因素，發(fā)現(xiàn)崩崗絕大部分發(fā)生在花崗巖地區(qū)，紅砂巖地區(qū)其次，第四紀(jì)紅黏土地區(qū)很少分布。本研究的研究結(jié)果與崩崗的分布狀況相符。王艷忠等[16]研究粵西典型崩崗侵蝕剖面可蝕性因子，發(fā)現(xiàn)花崗巖發(fā)育的紅壤自剖面上部至下部，土壤顆粒組成逐漸變粗?；◢弾r土壤上密下松的結(jié)構(gòu)有利于水分的入滲，導(dǎo)致土層的穩(wěn)定性下降，抗沖性能弱，崩崗也易于發(fā)生。紅砂巖土壤的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，但在徑流的作用下容易達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)，因此在抗沖過(guò)程中其抗沖性次于第四紀(jì)紅黏土。

張建軍等[10]研究黃土區(qū)不同植被條件下的土壤抗沖性，認(rèn)為植被對(duì)土壤抗沖性有顯著影響，沒(méi)有植被覆蓋的土壤抗沖性明顯小于有植被覆蓋的土壤。王巧利等[17]研究黃土丘陵溝壑區(qū)自然恢復(fù)坡面植物根系的分布特征，認(rèn)為不同植被類(lèi)型及其覆蓋對(duì)根系生物量有很大的影響。這些都與本文的研究結(jié)果一致，植物根系對(duì)土壤抗沖性起關(guān)鍵作用，尤其是根系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能顯著增強(qiáng)土壤抗沖性，說(shuō)明植被恢復(fù)可以增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性從而提高土壤的抗沖性能。贛南地區(qū)的水土流失現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，建議在該區(qū)水土流失嚴(yán)重區(qū)(特別是崩崗)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的營(yíng)林草計(jì)劃，針對(duì)花崗巖土壤，可以人工種植根系固土作用強(qiáng)的野古草、芒萁、鳳尾蕨、飛機(jī)草、金銀草等，對(duì)于紅砂巖土壤和第四紀(jì)紅黏土，則加強(qiáng)對(duì)人工林的種植和管理，這可以增強(qiáng)其水源涵養(yǎng)和水土保持功能，對(duì)水土流失的防治具有重要的作用。

3.2 結(jié) 論

(1) 贛南地區(qū)不同植被覆蓋下土壤在抗沖過(guò)程初期抗沖系數(shù)緩慢增大，然后隨沖刷時(shí)間延長(zhǎng)呈波浪式變化。從總體趨勢(shì)分析，在整個(gè)沖刷過(guò)程中抗沖系數(shù)隨時(shí)間呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

(2) 以裸地來(lái)比較不同母質(zhì)發(fā)育的土壤抗沖性，抗沖系數(shù)表現(xiàn)為以下規(guī)律：花崗巖土壤<紅砂巖土壤<第四紀(jì)紅黏土。

(3) 花崗巖土壤的抗沖性表現(xiàn)為：裸地<林地<草地；紅砂巖土壤的抗沖性表現(xiàn)為：裸地<草地<林地；第四紀(jì)紅黏土的抗沖性表現(xiàn)為：裸地<草地<林地。林地、草地的抗沖性比裸地更強(qiáng)。因此，在贛南地區(qū)可以采取退耕還林還草來(lái)減少水土流失，改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

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Research on the Dynamic Change of Anti-Scourability of Red Soils Under Different Vegetation Covers in Gannan Area

GAO Zhenping, XU Xiangming, QIU Xiuliang, GUAN Zhirong, YANG Xing, ZENG Yuting

(GannanNormalUniversity,Ganzhou,Jiangxi341000,China)

The red soils in Gannan formed from the granite, red sandstone and quaternary red clay under different vegetation had been selected as study site. The tests of anti-scourability were conducted on the undisturbed soil. The results were shown as follows. (1) the dynamic change of the red soil anti-scourability under different vegetation in Gannan area had two stages: soil anti-scourability increased slowly at the first stage, followed by change of wave form along with the scouring time at the second stage. And it all accorded with the law that anti-scourability increased gradually with scouring time; (2) the order of anti-scouribility on the bare land was granite soil

red soil in Gannan; soil anti-scourability; vegetation; parent material

2014-10-07

2014-10-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(41301226);江西省自然科學(xué)基金(20132BAB213020);江西省教育廳青年科學(xué)基金(GJJ13645);巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助課題(KDL2012-06,201306);贛南師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(CX141331)

高珍萍(1991—),女,江西上饒人,在讀碩士,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境與3S技術(shù)。E-mail:qingtian8426@126.com

徐祥明(1982—),男,廣西賀州人,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事土壤生態(tài)與土壤微形態(tài)研究。E-mail:xmingx2007@163.com

S157

1005-3409(2015)05-0001-04