沖溝不同部位土壤機(jī)械組成及抗沖性差異①

張 素，熊東紅，校 亮，吳 漢，楊 丹，張寶軍，鄭 旭

(1 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2 中國科學(xué)院/水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4 四川省寧南縣水務(wù)局，四川寧南 615400)

沖溝不同部位土壤機(jī)械組成及抗沖性差異①

張 素1,2,3，熊東紅1,2*，校 亮1,2,3，吳 漢1,2,3，楊 丹1,2,3，張寶軍1,2,3，鄭 旭4

(1 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2 中國科學(xué)院/水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4 四川省寧南縣水務(wù)局，四川寧南 615400)

選取3類典型沖溝(活躍、較活躍和穩(wěn)定)的集水區(qū)、溝頭和溝床土壤，探明沖溝不同空間部位土壤機(jī)械組成特性及其抗沖性差異，結(jié)果表明：①活躍、較活躍沖溝土壤質(zhì)地均為砂質(zhì)壤土，穩(wěn)定沖溝各部位土壤質(zhì)地各不相同；黏粒含量、粉粒含量總體為活躍沖溝<較活躍沖溝<穩(wěn)定沖溝；細(xì)砂粒含量為較活躍沖溝>活躍沖溝>穩(wěn)定沖溝；粗砂粒含量則是活躍沖溝>較活躍沖溝>穩(wěn)定沖溝。②3類沖溝各部位土壤抗沖性均是溝床最高，而3類沖溝同一部位抗沖性大小比較中，溝頭和溝床土壤抗沖性為穩(wěn)定沖溝>較活躍沖溝>活躍沖溝，集水區(qū)以活躍沖溝土壤抗沖性最小，較活躍與穩(wěn)定沖溝的土壤抗沖性相當(dāng)。③線性回歸分析表明：砂粒含量是影響3類沖溝各部位土壤抗沖性的主要指標(biāo)，黏粒含量影響穩(wěn)定沖溝各部位土壤抗沖性，粉粒含量與較活躍沖溝溝頭、穩(wěn)定沖溝集水區(qū)和溝床的土壤抗沖性有關(guān)。研究結(jié)果從土壤機(jī)械組成和土壤抗侵蝕性的關(guān)系角度為沖溝研究提供一定的理論參考。

沖溝；土壤抗沖性；土壤機(jī)械組成；干熱河谷；不同部位

元謀干熱河谷的土壤為第四季河湖相沉積物，具有結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)度差、黏砂互層和層際組成物質(zhì)差異顯著的特征[1]。該區(qū)沖溝極度發(fā)育且有集水區(qū)面積小、溝壁陡立、溯源侵蝕速度快等發(fā)育特點(diǎn)，是金沙江下游突出的生態(tài)環(huán)境問題之一[2]。已有的沖溝侵蝕研究主要側(cè)重沖溝形態(tài)變化、溝蝕速率和監(jiān)測(cè)方法[3]等方面，針對(duì)沖溝溝頭[4–6]、溝壁[7]和溝床[8]等單一部位的研究亦有大量報(bào)道，而沖溝各部位之間的對(duì)比研究仍少有涉及。李佳佳等[5]基于RTK-GPS技術(shù)構(gòu)建了干熱河谷沖溝活躍度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；張素等[9]依據(jù)該評(píng)價(jià)指標(biāo)選取了不同活躍度沖溝并初步比較了沖溝土體抗剪強(qiáng)度差異；張寶軍等[10]應(yīng)用地貌信息熵理論評(píng)價(jià)了沖溝溝頭活躍度。此外，針對(duì)沖溝活躍度的研究較少。

土壤機(jī)械組成亦稱土壤質(zhì)地，是指土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例。一定意義而言，土壤的形成就是黏粒的形成與機(jī)械組成的變化[11]。土壤機(jī)械組成是度量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的指標(biāo)之一[12]。在水力沖刷作用下，土壤表層細(xì)土極易被帶走，粗粒相對(duì)積累，使土壤出現(xiàn)質(zhì)地變粗且厚度不一的覆沙層[13]。土壤質(zhì)地單一，不利于植被生長(zhǎng)，而各粒徑顆粒組成比例適當(dāng)，能使土壤保持較好的結(jié)構(gòu)，擁有較高的保水保肥性能。目前相關(guān)研究集中于不同植被類型土壤的機(jī)械組成和肥力比較方面[11,14]，鮮有干熱河谷沖溝土壤機(jī)械組成的研究報(bào)道。

土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流機(jī)械沖刷破壞土壤結(jié)構(gòu)的能力，是表征土壤抗侵蝕性的重要指標(biāo)之一[15]。朱顯謨?cè)菏刻岢鐾寥揽箾_性概念以來，相關(guān)研究在全國大量開展。土壤抗沖性受不同地表坡度、徑流流量和土地利用類型等外在因素和土壤體積質(zhì)量(容重)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和機(jī)械組成等內(nèi)在因素的共同影響[15]。針對(duì)干熱河谷的抗沖性研究中，周維等[16]查明不同土地利用類型條件下的土壤抗沖性，陳安強(qiáng)等[17]初步探討了干熱河谷坡面表層土壤的力學(xué)特性及其對(duì)抗沖性的影響。當(dāng)前在土壤機(jī)械組成與抗沖性關(guān)系方面研究結(jié)果較少，而此類研究對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)沖溝侵蝕特性具有重要意義。

因此，本研究以元謀干熱河谷沖溝發(fā)育區(qū)為研究對(duì)象，測(cè)定土壤機(jī)械組成并運(yùn)用原狀土水槽沖刷試驗(yàn)，探討不同活躍程度沖溝(活躍、較活躍、穩(wěn)定)不同部位(沖溝溝頭、溝床和集水區(qū))土壤機(jī)械組成特性及其與抗沖性關(guān)系，以期從土壤抗侵蝕性的角度，探明沖溝發(fā)育內(nèi)在機(jī)理，為干熱河谷區(qū)的溝蝕治理工作提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云貴高原北緣金沙江下游的干熱河谷沖溝發(fā)育區(qū)(101°48′48″ ~ 101°49′54″ E，25°50′30″ ~ 25°51′18″ N；海拔1 350 ~ 1 600 m)。該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度21.9℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫 -0.8℃，最熱月(5月)均溫27.2℃，最冷月(12月)均溫15.4℃，≥10℃積溫達(dá)8 001.5℃；年降水量520 ~ 590 mm，年蒸發(fā)量4 000 ~ 4 300 mm，無霜期360 ~ 365天，具有炎熱干燥、降雨集中、干濕季分明而四季不分明的特征。地質(zhì)構(gòu)造屬于康滇背斜，元謀斷陷堆積盆地[2]。土壤以燥紅土和變性土為主，燥紅土是該區(qū)的基帶土壤，弱腐殖質(zhì)層較薄，土壤體積質(zhì)量稍高；變性土土面裂隙多且密集[18]，植被生長(zhǎng)差，甚至呈荒裸狀態(tài)。自然植被為稀樹灌木草叢，以禾草為主，雜以灌木、喬木零星分布，草本植物主要為扭黃茅(Heteropogon contortus)、毛臂形草(Brachiaria villisa)和孔穎草(Bothriochloa Kuntze)等[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集 依據(jù)沖溝溝頭的跌坎高差比降、溝頭深寬比、集水區(qū)和溝床植被蓋度等判別標(biāo)準(zhǔn)[5]，在中國科學(xué)院干熱河谷溝蝕崩塌觀測(cè)研究站內(nèi)選擇3類典型(活躍、較活躍和穩(wěn)定)沖溝。沿溝道方向按照10 m等間距采樣方式，分別在3條沖溝(活躍沖溝、較活躍沖溝和穩(wěn)定沖溝)的3個(gè)部位(溝頭、溝床及集水區(qū))布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)樣點(diǎn)(圖1)。用GPS記錄采樣點(diǎn)的地理位置、坡面坡度，在每個(gè)采樣點(diǎn)采用林分標(biāo)準(zhǔn)樣地調(diào)查法均設(shè)置1 m × 1 m草本樣方，調(diào)查沖溝植物蓋度(表1)。

圖1 不同活躍程度沖溝實(shí)地照片F(xiàn)ig. 1 Photos of different activity gullies

1.2.2 沖刷試驗(yàn)及指標(biāo)測(cè)定 土壤抗沖性指標(biāo)的獲取采用原狀土水槽沖刷試驗(yàn)，在沖溝各部位分別布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，剪除采樣點(diǎn)植被及枯枝落葉，用規(guī)格為20 cm × 10 cm × 10 cm(長(zhǎng)×寬×高)的方形取土器采集原狀土，土樣采集后用保鮮膜密封，盡量減少取樣后的土樣破壞、流失，并立即開展沖刷試驗(yàn)。設(shè)置原狀土水槽沖刷試驗(yàn)裝置坡度為10°，沖刷流量為1 L/min，沖刷歷時(shí)30 min，從開始產(chǎn)流時(shí)作為計(jì)時(shí)起始點(diǎn)，在產(chǎn)流開始后前5 min，每1 min收集1次泥沙樣，隨后每5 min收集1次，共取10次樣。用水桶收集試驗(yàn)產(chǎn)生的全部水流，沖刷結(jié)束后置泥沙樣于烘箱中105℃烘干稱重，測(cè)定沖刷泥沙質(zhì)量(g)，共計(jì)18次沖刷試驗(yàn)。

選用抗沖系數(shù)：ANS(L/g)，即每沖走1 g烘干土所需水量表示，ANS越大，土壤的抗沖性越強(qiáng)。

式中：f為沖刷流量，L/min；t為沖刷時(shí)間，min；W烘干泥沙質(zhì)量，g。

土壤機(jī)械組成采用吸管法獲取[9]。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)分析采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法(P<0.05，雙尾)，應(yīng)用線性回歸分析進(jìn)行函數(shù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同活躍度沖溝形態(tài)特征

2.1.1 溝頭跌坎高差和寬深比 沖溝坡面集水區(qū)的徑流量越大，溝頭匯聚而成的跌水的沖刷力越強(qiáng)，因沖刷而形成的跌坎的高差就越大，溝頭的下切及崩塌活動(dòng)發(fā)生就越頻繁，且大都發(fā)育內(nèi)凹洞，沖溝溯源侵蝕劇烈，反之亦然，活躍沖溝、較活躍沖溝的溝頭跌坎高差分別為2.00 m和0.70 m，穩(wěn)定沖溝溝頭則無明顯跌坎(表 2)。沖溝發(fā)育是溝頭的溯源侵蝕導(dǎo)致沖溝長(zhǎng)度加長(zhǎng)，溝壁受重力和水力侵蝕崩塌導(dǎo)致寬度擴(kuò)展和溝床在徑流侵蝕下切變深的過程。“溝頭寬深比”指溝頭寬度與平均溝深之間的比值，活躍沖溝、較活躍沖溝和穩(wěn)定沖溝的“溝頭寬深比”分別為2.50、3.80、7.80。

表1 沖溝各采樣點(diǎn)基本情況Table 1 The basic situation of sampling sites

表2 3類不同活躍程度沖溝形態(tài)特征Table 2 The morphological characteristics of different activity gullies

2.1.2 沖溝溝壁坡度和溝床比降 溝壁坡度指沖溝溝壁的鉛直高度和水平寬度之比，溝壁坡度越大其因重力而崩塌的概率也越大，沖溝發(fā)育越為活躍?；钴S沖溝、較活躍沖溝和穩(wěn)定沖溝的溝壁坡度分別為88.00°，82.00°，57.00°(表 2)。穩(wěn)定沖溝溝壁幾乎無崩塌發(fā)生，原有溝壁面受水力侵蝕坡度不斷減緩；活躍沖溝和較活躍沖溝由于溯源侵蝕劇烈，其溝壁較易發(fā)生崩塌，溝壁坡度較陡。溝床比降高低反映溝床部位的侵蝕與淤積平衡情況，溝床比降越大，溝床以徑流侵蝕為主，沖溝發(fā)育越活躍；溝床比降越小，受流水侵蝕越弱，溝床以泥沙淤積為主，沖溝發(fā)育越穩(wěn)定?；钴S、較活躍和穩(wěn)定沖溝的溝床比降分別為44.90%、28.93% 和20.18%。

2.1.3 沖溝植被蓋度 植被蓋度是表征沖溝活躍程度的有效指標(biāo)之一。較高的植被蓋度能一定程度減輕降水的濺蝕作用，保持土體顆粒的完整性，不易被破壞侵蝕，能有效攔沙有利于沖溝由活躍向穩(wěn)定發(fā)育。不同活躍程度沖溝，其植被蓋度存在明顯差異，沖溝越發(fā)育，侵蝕崩塌越劇烈，不易于先鋒物種的著床和存活，因而植被蓋度越低?；钴S、較活躍沖溝的植被蓋度相對(duì)較低，穩(wěn)定沖溝的植被蓋度較高?；钴S沖溝的植被蓋度小于5%，較活躍沖溝植被蓋度約為40% ~ 60%，穩(wěn)定沖溝植被蓋度則超過90%(表2)。

2.2 不同活躍度沖溝土壤機(jī)械組成特征

根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[13–14]，可將3類典型沖溝各部位的土壤質(zhì)地分為砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土和壤土3類(表3)，土壤機(jī)械組成分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002 ~ 0.02mm)、細(xì)砂粒(0.02 ~ 0.5 mm)和粗砂粒(0.5 ~ 2 mm)4類。

活躍沖溝集水區(qū)、溝頭和溝床的土壤質(zhì)地均為砂質(zhì)壤土?；钴S沖溝各部位土壤機(jī)械組成的分布大致為：黏粒含量為5.44% ~ 10.94%，溝頭黏粒含量最高而溝床黏粒含量最低；粉粒含量為10.69% ~ 19.14%，溝頭的粉粒含量最高而溝床的粉粒含量最低；細(xì)砂粒含量為62.82% ~ 70.07%，溝床的細(xì)砂粒含量最高而溝頭的細(xì)砂粒含量最低；粗砂粒含量為 5.56% ~ 13.81%，溝床的粗砂粒含量最高而溝頭的粗砂粒含量最低。

較活躍沖溝集水區(qū)、溝頭和溝床的土壤質(zhì)地同活躍沖溝土壤質(zhì)地相同，也為砂質(zhì)壤土。較活躍沖溝各部位土壤機(jī)械組成的分布大致為：黏粒含量為7.77% ~ 12.09%，集水區(qū)黏粒含量最高而溝頭黏粒含量最低；粉粒含量為11.22% ~ 21.69%，溝床的粉粒含量最高而溝頭的粉粒含量最低；細(xì)砂粒含量為 64.44% ~ 75.59%，溝頭的細(xì)砂粒含量最高而溝床的細(xì)砂粒含量最低；粗砂粒含量為3.84% ~ 5.42%，溝頭的粗砂粒含量最高而集水區(qū)的粗砂粒含量最低。

穩(wěn)定沖溝各部位土壤質(zhì)地有所差別，其集水區(qū)為粉砂質(zhì)壤土，溝頭為壤土，溝床為砂質(zhì)壤土。穩(wěn)定沖溝各部位土壤機(jī)械組成的分布大致為：黏粒含量為6.99% ~ 18.13%，集水區(qū)黏粒含量最高而溝床黏粒含量最低；粉粒含量為14.16% ~ 47.43%，集水區(qū)的粉粒含量最高而溝床的粉粒含量最低；細(xì)砂粒含量為33.87% ~ 74.37%，溝床的細(xì)砂粒含量最高而集水區(qū)的細(xì)砂粒含量最低；粗砂粒含量為0.58% ~ 4.49%，溝床的粗砂粒含量最高而集水區(qū)的粗砂粒含量最低。

分析表明，不同活躍度沖溝土壤機(jī)械組成有所差別?；钴S沖溝土壤主要來源于溝岸溝壁的新鮮崩積物和坡面物質(zhì)的運(yùn)移，受徑流沖刷影響大，粗砂粒含量最高而黏粒含量和粉粒含量最低，透水性強(qiáng)；較活躍沖溝細(xì)砂粒含量最高，其余顆粒含量變化大；穩(wěn)定沖溝黏粒含量、粉粒含量最高而細(xì)砂粒含量和粗砂粒含量最低，這可能是因?yàn)闆_溝集水區(qū)無匯水，溝頭停止發(fā)育，土壤受徑流沖刷作用小，且經(jīng)過多年的物理風(fēng)化和地表及地下的生物作用，其顆粒分布較均勻，土壤質(zhì)地較好。

表3 不同活躍度沖溝土壤機(jī)械組成Table 3 Soil mechanical composition on each part of different activity gullies

2.3 不同活躍度沖溝土壤抗沖性特征

土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對(duì)其機(jī)械沖刷破壞作用的能力，是表征土壤抗侵蝕性能的重要指標(biāo)之一。比較同一沖溝不同部位土壤抗沖性可知，3類沖溝溝床的抗沖性均最高，而活躍、較活躍沖溝的溝頭和穩(wěn)定沖溝的集水區(qū)抗沖性最低。活躍沖溝土壤抗沖性為3.34 ~ 4.92 L/g，各部位抗沖性差異小，其中溝頭抗沖性最小為3.34 L/g，溝床抗沖性最大，較溝頭抗沖性增大47.31%，集水區(qū)抗沖性較溝頭抗沖性增加44.91%。較活躍沖溝土壤抗沖性為5.67 ~ 10.05 L/g，各部位抗沖性差異較大，溝頭抗沖性最小為5.67 L/g，溝床抗沖性最大，較溝頭抗沖性增大 77.25%，集水區(qū)抗沖性較溝頭抗沖性增加 68.61%。穩(wěn)定沖溝土壤抗沖性為9.34 ~ 17.78 L/g，溝頭和溝床抗沖性相差不大，集水區(qū)抗沖性最小，溝床抗沖性最大，較集水區(qū)抗沖性增大 90.36%，溝頭抗沖性較集水區(qū)抗沖性增加68.61%。

比較不同活躍度沖溝溝床的土壤抗沖性，活躍沖溝溝床土壤抗沖性最小，較活躍沖溝、穩(wěn)定溝床土壤抗沖性分別比活躍沖溝溝床土壤抗沖性增大104.27% 和261.38%；比較不同活躍度沖溝溝頭的土壤抗沖性，活躍沖溝溝頭的土壤抗沖性最小，較活躍沖溝、穩(wěn)定溝頭土壤抗沖性分別比活躍沖溝溝床土壤抗沖性增大69.76% 和392.51%；比較不同活躍度沖溝集水區(qū)的土壤抗沖性，活躍沖溝集水區(qū)的土壤抗沖性最小，較活躍沖溝、穩(wěn)定溝頭土壤抗沖性分別比活躍沖溝集水區(qū)土壤抗沖性增大97.52% 和92.98%。

圖2 3類典型沖溝不同部位土壤抗沖性Fig. 2 The ANS on each part of different activity gullies

比較不同活躍度沖溝同一部位抗沖性可知，溝頭和溝床的土壤抗沖性大小依次為穩(wěn)定沖溝>較活躍沖溝>活躍沖溝，集水區(qū)以活躍沖溝土壤抗沖性最小，較活躍與穩(wěn)定沖溝的土壤抗沖性相當(dāng)。這可能是因?yàn)榉€(wěn)定沖溝的上游集水區(qū)無坡面匯流，溝頭溯源侵蝕停止，無跌坎發(fā)育，溝壁幾乎無崩塌發(fā)生，鮮有結(jié)構(gòu)松散的新鮮崩積物，原有溝壁面受水力侵蝕坡度不斷減緩，土壤原位停留時(shí)間長(zhǎng)，植被大量生長(zhǎng)。

2.4 土壤抗沖性與機(jī)械組成的關(guān)系

影響 3類典型沖溝土壤抗沖性的機(jī)械組成指標(biāo)有所差別。通過對(duì)土壤黏粒含量X1、粉粒含量X2、細(xì)砂粒含量X3和粗砂粒含量X4與土壤抗沖性Y進(jìn)行線性回歸分析得到土壤抗沖性方程(表 4)。土壤的砂粒含量是影響3類活躍度沖溝(各部位)抗沖性的主要指標(biāo)，黏粒含量(X1)是影響穩(wěn)定沖溝(各部位)、活躍沖溝溝頭、較活躍沖溝集水區(qū)和溝床的土壤抗沖性指標(biāo)；粉粒含量(X2)與較活躍沖溝溝頭、穩(wěn)定沖溝集水區(qū)和溝床的抗沖性有關(guān)。

研究表明，砂粒含量越高，土壤透水性越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越松散，土壤顆粒間的膠結(jié)力越小，越易被徑流沖刷破壞，從而導(dǎo)致土壤抗沖性越低，這與陳安強(qiáng)等[17]研究結(jié)論相似；相反，黏粒含量越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，吸附水的能力越強(qiáng)，崩解性低，抵抗徑流沖刷的能力越強(qiáng)?？赏茢?，今后可通過增大土壤黏粒含量的土壤改良措施，開展沖溝的治理工作。

表4 不同活躍度沖溝各部位土壤抗沖性與機(jī)械組成的關(guān)系Table 4 The relationship between ANS and soil mechanical composition on each part of different activity gullies

3 討論

通過長(zhǎng)期野外調(diào)查和RTK-GPS定位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，干熱河谷沖溝呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征，并初步建立了判定標(biāo)準(zhǔn)[5]，并依托該定量化指標(biāo)選取了活躍、較活躍、穩(wěn)定3類沖溝，比較了沖溝的溝頭跌坎高度、溝頭寬深比、溝壁坡度以及溝床比降等形態(tài)特征；土壤機(jī)械組成是土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，因而本文依托土壤機(jī)械組成指標(biāo)，從不同空間尺度上研究了沖溝的土壤抗沖性。研究發(fā)現(xiàn)，沖溝各部位土壤機(jī)械組成、機(jī)械組成與抗沖性的關(guān)系差異明顯；細(xì)砂粒含量(X3)和粗砂粒含量(X4)是影響3類活躍度沖溝抗沖性的主要指標(biāo)，影響穩(wěn)定沖溝抗沖性的指標(biāo)還有黏粒含量(X1)。

影響沖溝發(fā)育的因子如溝頭溯源侵蝕[3]、溝壁的崩塌[7]和土壤結(jié)構(gòu)[19]等已有大量研究成果，沖溝不同形態(tài)特征指標(biāo)與土壤機(jī)械組成、抗沖性等土壤性質(zhì)間是否存在內(nèi)在邏輯聯(lián)系這一問題有待探討；沖溝呈現(xiàn)出不同活躍程度的發(fā)育形態(tài)，其地形條件、地表水文過程也是重要影響因素，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)沖溝溝頭集水區(qū)、沖溝溝道規(guī)模等指標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，開展溝蝕發(fā)育過程與可視化模擬[20]研究，以期更全面地了解溝蝕發(fā)育過程。

植被根系具有固結(jié)、纏繞土壤的能力，可有效提高土壤抗剪強(qiáng)度，減緩徑流對(duì)土壤顆粒的分散作用，根系分泌物可改變土壤微環(huán)境[21–22]；不同植被根系類型、根系生物量、根長(zhǎng)密度和根重密度等指標(biāo)對(duì)土壤抗沖性的強(qiáng)化作用亦不容忽視。但受試驗(yàn)條件和測(cè)量方法的限制，獲取的植被根系指標(biāo)人為誤差較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量差，今后可借助Win RHIZO根系分析系統(tǒng)，深入探討植被根系指標(biāo)對(duì)土體抗沖性的影響，增強(qiáng)土壤抗沖性研究的精確化和科學(xué)化。

除了土壤機(jī)械組成，影響沖溝抗沖性的土壤指標(biāo)因子是多元的，如土壤入滲、崩解性以及脹縮特性等；本文針對(duì)沖溝的溝頭、溝床和集水區(qū)等部位做了對(duì)比研究，沖溝溝壁部位土壤抗沖性的研究也應(yīng)加以重視，以期更綜合地探討沖溝的土壤抗沖性問題；此外在土壤科學(xué)發(fā)展歷程中，對(duì)單一土壤的內(nèi)在機(jī)理探討非常深入，卻一定程度忽略了土壤的多樣性(差異性)研究[23]，而不同土壤類型的比較研究對(duì)于全面了解土壤的生態(tài)環(huán)境過程具有較大意義，今后可針對(duì)元謀干熱河谷不同土壤類型，開展燥紅土、變性土和新積土等之間的對(duì)比研究。

4 結(jié)論

1) 3類活躍度沖溝呈現(xiàn)不同形態(tài)特征。綜合比較“溝頭跌坎高差、溝頭寬深比、溝壁坡度、溝床比降”等指標(biāo)表現(xiàn)為活躍沖溝>較活躍沖溝>穩(wěn)定沖溝，植被蓋度指標(biāo)則相反。活躍沖溝溝頭有明顯跌坎(2.0 m)，內(nèi)凹洞發(fā)育，溯源侵蝕劇烈，溝壁崩塌活動(dòng)頻繁，溝床下切，植被蓋度極低(<5%)，溝頭寬深比高達(dá)2.5；較活躍沖溝的溝頭仍然發(fā)育，但溝壁坡度、溝床比降和溝頭寬深比等指標(biāo)已明顯小于活躍沖溝，且溝床尾部已有大量草本植被著床生長(zhǎng)(植被蓋度>40%)。

2) 沖溝各部位及3類沖溝的土壤機(jī)械組成和抗沖性有所差別?；钴S、較活躍沖溝各部位土壤質(zhì)地均為砂質(zhì)壤土，穩(wěn)定沖溝集水區(qū)為粉砂質(zhì)壤土、溝頭為壤土、溝床為砂質(zhì)壤土；黏粒(<0.002 mm)含量、粉粒(0.002 ~ 0.02mm)含量總體表現(xiàn)為活躍沖溝<較活躍沖溝<穩(wěn)定沖溝；細(xì)砂粒(0.02 ~ 0.5mm)含量為較活躍沖溝>活躍沖溝>穩(wěn)定沖溝；粗砂粒(0.5 ~ 2mm)含量則是活躍沖溝>較活躍沖溝>穩(wěn)定沖溝。

3) 沖溝各部位、不同活躍度沖溝土壤抗沖性各不相同，3類沖溝各部位土壤抗沖性均是溝床最高，比較不同活躍度沖溝同一部位抗沖性可知，溝頭和溝床的土壤抗沖性大小依次為穩(wěn)定沖溝>較活躍沖溝>活躍沖溝，集水區(qū)以活躍沖溝土壤抗沖性最小，較活躍與穩(wěn)定沖溝的土壤抗沖性相當(dāng)?？赏茢?，針對(duì)不同的部位采取不同的治理措施，應(yīng)重視集水區(qū)(尤其是活躍沖溝)部位的治理，采用生物措施保持沖溝溝床土壤穩(wěn)定性。

4) 線性回歸分析表明：砂粒含量(X3、X4)是影響3類沖溝(各部位)土壤抗沖性的主要指標(biāo)。此外黏粒含量(X1)還是影響穩(wěn)定沖溝(各部位)、活躍沖溝溝頭、較活躍沖溝集水區(qū)和溝床土壤抗沖性的指標(biāo)；粉粒含量(X2)與較活躍沖溝溝頭、穩(wěn)定沖溝集水區(qū)和溝床土壤抗沖性有關(guān)。今后可通過增大土壤黏粒含量的土壤改良措施，開展沖溝的治理工作。

[1] Su Z A, Xiong D H, Dong Y F, et al. Hydraulic properties of concentrated flow of a bank gully in the dry-hot valley region of southwest China[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2015, 40: 1 351–1 363

[2] 熊東紅, 楊丹, 李佳佳, 等. 元謀干熱河谷區(qū)退化坡地土壤裂縫形態(tài)發(fā)育的影響因子[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(1): 102–108

[3] Su Z A, Xiong D H, Dong Y F,et al. Simulated headward erosion of bank gullies in the Dry-hot Valley Region of southwest China[J]. Geomorphology, 2014, 204: 532–541

[4] 陳安強(qiáng), 張丹, 魏雅麗, 等. 元謀干熱河谷沖溝溝頭土壤結(jié)構(gòu)對(duì)入滲性能的影響[J].水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(1): 47–52

[5] 李佳佳, 熊東紅, 盧曉寧, 等. 基于 RTK-GPS技術(shù)的干熱河谷沖溝溝頭形態(tài)特征[J]. 山地學(xué)報(bào), 2014, 32(6): 706–716

[6] 熊東紅, 楊丹, 翟娟, 等. 元謀干熱河谷沖溝溝頭徑流水動(dòng)力學(xué)特性及產(chǎn)沙效應(yīng)初探[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(6): 52–56, 62

[7] 陳安強(qiáng), 張丹, 范建容, 等. 元謀干熱河谷溝壁崩塌的力學(xué)機(jī)制與模擬試驗(yàn)[J]. 中國水土保持科學(xué), 2012, 10(3): 29–35

[8] 楊丹, 熊東紅, 張素, 等. 金沙江干熱河谷沖溝溝床草被對(duì)徑流水動(dòng)力特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(6): 77–81

[9] 張素, 熊東紅, 楊丹, 等. 干熱河谷不同活躍度沖溝土體抗剪強(qiáng)度分異及理化性質(zhì)[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(6): 124–129, 160

[10] 張寶軍, 熊東紅, 董一帆, 等. 地貌信息熵理論在沖溝溝頭活躍度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用初探[J]. 中國水土保持, 2015, (1): 3–7, 69

[11] 鄧廷飛, 劉彥, 顏秋曉, 等. 貴州典型山銀花土壤機(jī)械組成與養(yǎng)分特性及其關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(5): 209–214

[12] 黃歡, 何丙輝, 鮑玉海, 等. 不同模式地埂植物籬對(duì)土壤顆粒組成特征參數(shù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(6): 256–261

[13] 張保剛, 梁慧春. 草地土壤機(jī)械組成研究綜述[J]. 遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009(6): 38–41

[14] 王長(zhǎng)庭, 王根緒, 劉偉, 等. 高寒草甸不同類型草地土壤機(jī)械組成及肥力比較[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2013, 27(9): 160–165

[15] 張素, 熊東紅, 蘇正安, 等. 土壤抗沖性及其影響因素研究進(jìn)展[J]. 世界科技研究與發(fā)展, 2014, 36(6): 721–725.

[16] 周維, 張建輝, 李勇, 等. 金沙江干暖河谷不同土地利用條件下土壤抗沖性研究[J]. 水土保持通報(bào), 2006, 26(5): 26–30, 42

[17] 陳安強(qiáng), 張丹, 熊東紅, 等. 元謀干熱河谷坡面表層土壤力學(xué)特性對(duì)其抗沖性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(5): 108–113

[18] 陳安強(qiáng)，張丹，雷寶坤，等. 元謀干熱河谷變性土收縮變形對(duì)其裂縫發(fā)育及土體強(qiáng)度的影響[J]. 土壤通報(bào)，2015,46(2): 341–347

[19] 張丹, 陳安強(qiáng), 蘇友波, 等. 云南典型紫色泥巖微觀結(jié)構(gòu)的定量特征[J]. 土壤通報(bào), 2014,45(2): 320–327

[20] 吳淑芳, 劉政鴻, 霍云云, 等. 黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程與模擬[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015,52(1): 48–56

[21] 李佳, 黃夢(mèng)靜, 任艷, 等. 水分脅迫對(duì)向水性突變體rhe2根生長(zhǎng)與響應(yīng)的影響[J]. 土壤, 2015,47(5): 858–862

[22] 孫波, 廖紅, 蘇彥華, 等. 土壤–根系–微生物系統(tǒng)中影響氮磷利用的一些關(guān)鍵協(xié)同機(jī)制的研究進(jìn)展[J]. 土壤, 2015, 47(2): 210–219

[23] 任圓圓, 張學(xué)雷. 土壤多樣性研究趨勢(shì)與未來挑戰(zhàn)[J].土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(1): 9–16

The Difference of Soil Mechanical Composition and Soil Anti-scourability on Different Positions of Gullies

ZHANG Su1,2,3, XIONG Donghong1,2*, XIAO Liang1,2,3 , WU Han1,2,3 ,YANG Dan1,2,3, ZHANG Baojun1,2,3, ZHENG Xu4
(1 Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 2 Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4 Soil and Water Conservation Department in Ningnan of Sichuan Province, Ningnan, Sichuan 615400, China)

The gully area with tattered landform and loosen soil structure has threated to the restoration of degraded ecosystem in dry-hot valley. For ascertaining the different characteristics of soil mechanical composition and soil antiscourability (ANS), the soil samples were collected from three different gully positions of the gully watershed, gully heard and gully bed in each of active gully, semi-active gully and stable gully. The results indicated that active gully and semi-active gully were distributed with sandy loam soil, but soil texture in stable gully varied with soil position in the gully. The contents of soil clay and silt followed the same order: stable gully > semi-active gully > active gully, while the coarse sand content followed an opposite order. Fine sand content followed the order: semi-active gully > active gully > stable gully. The ANS of the soil in gully beds were the highest among the three positions for all gullies. The soil ANS in gully heard and gully bed, followed the order: stable gully > semi-active gully > active gully. The watershed of active gully had the lowest soil ANS and the soil ANS of semi-active gully watershed was similar to that of the stable gully watershed. The linear regression analysis indicated that the sand content was the main factor affecting the soil ANS in three different gully positions of different activities gullies. The clay content was the main factor affecting the soil ANS in three gully positions of stable gully. The silt content was related to the soil ANS of the semi-active gully head and watershed and bed of stable gully. The research results can be expected to provide theoretical references for the further study on the relationship between soil texture and soil anti-erosion.

Gully; Soil anti-scourability; Soil mechanical composition; Dry-hot valley; Different positions

S157.1

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.029

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB452704)、中國科學(xué)院“西部之光”重點(diǎn)項(xiàng)目 (Y4R2060060)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571277)和2015年度四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)資金項(xiàng)目資助。

* 通訊作者(dhxiong@imde.ac.cn)

張素(1990—)，女，四川遂寧人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕與水土保持、土壤物理研究。E-mail：zhangsu211@foxmail.com