藏中半干旱地區(qū)不同土地利用類型土壤抗蝕性研究

聶曉剛，梁 博，喻 武*，萬 丹

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院 高寒水土保持研究中心，西藏 林芝 860000)

土壤抗蝕性(soil anti-erodibility)是土壤抵抗水的分散和懸浮的能力[1]，是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的標(biāo)準(zhǔn)[2]，不僅受土壤類型、氣候、地形等自然因子的影響，還受到土地利用類型，即土壤的管理方式和植被覆蓋等人為活動的影響[3]。藏中半干旱地區(qū)作為雅魯藏布江發(fā)源區(qū)和西藏糧食主產(chǎn)區(qū)之一，其生態(tài)功能狀況不僅直接影響到該區(qū)的水源涵養(yǎng)和中下游地區(qū)生態(tài)安全，對西藏的穩(wěn)定和發(fā)展意義重大。近年來，由于受氣候變化和人類活動影響，泥石流、滑坡、崩塌等山地災(zāi)害頻發(fā)，水土流失嚴(yán)重[4]。如何有效優(yōu)化藏中半干旱地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)，遏制土地退化，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

目前西藏的土壤侵蝕研究多集中在宏觀的調(diào)查與分析評價[5]，而對不同土地利用類型土壤抗蝕性的綜合研究相對較少。因此，本文以日喀則周邊4種典型土壤利用類型為研究對象，在綜合分析土壤理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對比分析不同土地利用類型(包含人為干擾、恢復(fù)方式及自然利用方式)土壤抗蝕性特征差異，以期進(jìn)一步完善藏中半干旱地區(qū)土壤抗蝕性評價指標(biāo)，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、土壤利用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于雅魯藏布江中游河谷地帶(88°54′-89°30′E，29°17′-29°59′N)，平均海拔3 840 m[6]，年日照時數(shù)3 216 h，平均氣溫5.0～6.5℃[7]，總輻射為8 120 MJ/m2，降水量為290～440 mm，且多集中在8-9月份，具有暴雨性質(zhì)，夜雨較多，占全年降水量的90%以上，旱季長達(dá)7～8個月，且大風(fēng)天氣盛行[8]。受高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候和特殊地理位置影響，地質(zhì)年輕、土壤剖面分化微弱和土層較薄[9]，主要以山地灌叢草原土、高山草甸土等土壤類型為主[10]，源生灌叢及草本主要有砂生槐(Sophoramoorcroftiana)、中國沙棘(Hippophaerhamnoides)、毛瓣棘豆(Oxytropissericopetala)、藏白蒿(Artemisiayounghusbandii)等，經(jīng)濟作物以青稞(Hordeumvulgare)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、油菜(Brassicacampestris)等為主，其樣地周邊情況如表1所示。

表1 采樣點基本特征

1.2 土壤樣品的采集與處理

2016年5月，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，按分布的典型性和代表性選取日喀則市周邊4種代表性的人工林地、撂荒地、農(nóng)田以及灌叢地為研究對象進(jìn)行樣地選擇。為盡可能消除地形等因素對土壤特性的影響，所選取的樣地基于樣方內(nèi)植被分布均勻，覆蓋度等基本一致的確定為同一樣地。每個土地利用方式選擇3個樣地，每個樣地按S型選取5個樣點，分別采集0～20 cm深度鋁盒裝原狀土及100 cm3體積環(huán)刀土帶回實驗室，用于土壤理化性質(zhì)測定。土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度通過環(huán)刀法測定[11]，同時將環(huán)刀內(nèi)的土壤過2 mm土壤篩，然后用清水洗凈礫石表面的土壤顆粒，再將其表面水分晾干后用量杯(精度0.5 ml)通過排水法測定礫石體積，用以計算土壤礫石的體積含量，然后烘干測定礫石的重量[3]，烘干法測定土壤吸濕水含量。水穩(wěn)性指數(shù)采用浸水崩解法；團(tuán)聚體含量采用沙維諾夫濕篩法，有機質(zhì)測定采用硫酸-重鉻酸鉀加熱法[12]。

1.3 土壤抗蝕性評價的選擇與分類

對前人研究成果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)特點，共選擇了12個土壤抗蝕性評價指標(biāo)[13-14]，進(jìn)行主成分分析，分別是：水穩(wěn)性團(tuán)聚體類：>0.25 mm非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X1)；>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X2)；>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞率(X3)=>0.25 mm團(tuán)聚體分析值(干篩-濕篩)/>0.25 mm團(tuán)聚體干篩分析值×100%；土壤水穩(wěn)性指數(shù)(X4)；團(tuán)聚體平均重量直徑(X5)=∑XiWi(i=0,1,…,n)，Xi為濕篩每一級團(tuán)聚體的平均直徑mm，Wi為濕篩每一級團(tuán)聚體的重量百分?jǐn)?shù)；基本物理指標(biāo)：非毛管孔隙度(X6)；毛管孔隙度(X7)；飽和含水率(X8)；容重(X9)；礫石含量(X10)；吸濕水含量(X11)；有機膠體類：有機質(zhì)含量(X12)。

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初期處理，利用SPSS17.0、Origin 9.0軟件和單因素方差分析(ANOVA)分析比較不同土地利用方式土壤抗蝕性變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤團(tuán)聚體及有機質(zhì)特征

土壤團(tuán)聚體(干篩)包括水穩(wěn)性團(tuán)聚體和非水穩(wěn)性團(tuán)聚體，是反映土壤物理結(jié)構(gòu)的重要組成部分[15]。由圖1可以看出，研究區(qū)不同土地>0.25 mm土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體大小依次表現(xiàn)為灌叢地>農(nóng)耕地>人工林地>撂荒地，且除人工林地和撂荒地之間無顯著差異外，其余類型用地之間空間差異均達(dá)顯著性水平(P<0.05，n=12)；而在濕篩過程中，土壤中水溶性有機膠體的逐漸流失破壞原有的團(tuán)粒穩(wěn)定性，導(dǎo)致>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間差異顯著(P<0.05，n=12)，其中，以人工林地>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高，為38.52%，農(nóng)耕地次之，為31.21%，灌叢地最小，為4.24%，顯著低于其他類型用地。另外，通過土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率可以看出，灌叢地和撂荒地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率均處于較高水平，分別為95.29%、75.46%，顯著高于人工林地和農(nóng)耕地，這說明灌叢地和撂荒地土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較差，而農(nóng)耕地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率顯著高于人工林地，說明實行人工造林能夠顯著提高原土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率與有機質(zhì)之間呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系(Y=-0.018 64X+0.977 32，R=-0.926)。且人工林地土壤有機質(zhì)含量顯著高于農(nóng)耕地、灌叢地、撂荒地，農(nóng)耕地土壤有機質(zhì)含量顯著高于灌叢地和撂荒地(P<0.05)。

圖1 不同土地利用類型土壤>0.25 mm團(tuán)聚體含量

水穩(wěn)性指數(shù)作為表征土壤水穩(wěn)性隨時間變化的特征指標(biāo)，對土壤抗蝕性作用明顯。由表2可以看出，研究區(qū)人工林地的水穩(wěn)性指數(shù)最高為18.08%，而灌叢地由于土壤表現(xiàn)為粗骨性特征，受人為及牲畜活動影響，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破碎嚴(yán)重且主要集中在<3 mm粒徑范圍，造成水穩(wěn)性指數(shù)測定困難。通過空間差異分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)耕地與人工林地之間差異顯著(P<0.05)，但與撂荒地之間無顯著差異；土壤團(tuán)聚體平均重量直徑作為反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的綜合指標(biāo)，不同土地利用類型土壤團(tuán)聚體平均重量直徑大小依次為人工林地>農(nóng)耕地>撂荒地>灌叢地，且團(tuán)聚體平均重量直徑除灌叢地和撂荒地間差異不顯著外，其他類型用地間與灌叢地、撂荒地均存在差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同土地利用方式土壤基本物理指標(biāo)特性

容重與孔隙度是土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)指標(biāo)，直接影響土壤的持水性和透水性，對土壤水源涵養(yǎng)功能具有重要作用[16]。由表2可以看出，研究區(qū)由于非毛管孔隙度(X6)以撂荒地最高，分別為人工林地、農(nóng)耕地、灌叢地的1.18、1.20、1.20倍，彼此間差異未達(dá)顯著性水平(P>0.05)；毛管孔隙度(X7)則在人工林地、農(nóng)耕地與灌叢地之間表現(xiàn)出顯著差異，但與撂荒地之間差異不明顯，其大小順序依次為：人工林地>撂荒地>農(nóng)耕地>灌叢地，這主要與土壤顆粒組成有關(guān)。通過測定研究區(qū)土壤水分貯量，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤飽和含水率(X8)在人工林地、撂荒地與灌叢地之間差異顯著，但與農(nóng)耕地之間無顯著差異，其強弱表現(xiàn)為撂荒地>人工林地>農(nóng)耕地>灌叢地；土壤容重(X9)變化范圍為1.34～1.62 g/cm-3，且人工林地、撂荒地與農(nóng)耕地、灌叢地差異顯著，但彼此間差異不明顯；土壤表面和表層中礫石的含量和種類不僅會影響土壤理化性質(zhì)，對土地利用和生產(chǎn)力等影響也比較顯著[17]。由表2可知，人工林地、撂荒地與灌叢地之間礫石含量(X10)均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，而其中以灌叢地礫石含量最高，為50.87%，人工林地次之，為9.94%，撂荒地最小，僅0.27%；土壤吸濕水含量(X11)在不同類型用地間也表現(xiàn)為顯著差異(P<0.05)。

2.3 土壤抗蝕性各指標(biāo)的主成分分析

利用統(tǒng)計軟件對上述 12個抗蝕性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提煉出2個主成分(表3)，特征值分別為6.038、5.299，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)94.474%，滿足主成分分子對信息損失量的要求，表明這2個主成分可以綜合所有指標(biāo)的大部分信息，能夠反映土壤抗性的強弱。其中，第1主成分方差貢獻(xiàn)率最大為50.317%，且該成分中X1、X8、X11、X10、X6、X7、X4的因子荷載最大，反映了土壤基本物理指標(biāo)中非毛管孔隙度、毛管孔隙度、飽和含水率、礫石含量、吸濕水含量以及>0.25 mm非水穩(wěn)性團(tuán)聚體、水穩(wěn)性指數(shù)可顯著影響土壤抗蝕性。土壤水穩(wěn)性越穩(wěn)定，毛管、非毛管孔隙度、飽和含水量越高，土壤抗蝕性能越強，而>0.25 mm非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、吸濕水含量和礫石含量越高，土壤抗蝕性能則越弱。第2主成分方差貢獻(xiàn)率為44.157%，成分X2、X3、X5、X12因子荷載較大，表明土壤團(tuán)粒類指標(biāo)及有機膠體類指標(biāo)對土壤抗蝕性影響較為顯著，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、團(tuán)聚體平均重量直徑、有機質(zhì)含量越高，土壤團(tuán)聚體破壞率越低，土壤結(jié)構(gòu)越好，土壤抗蝕性越強。因此，根據(jù)原指標(biāo)對主成分的貢獻(xiàn)大小以及研究精度的要求，可以確定不同的最佳指標(biāo)評價體系：最佳指標(biāo)—X1；最佳2指標(biāo)—X1、X8；最佳4指標(biāo)—X1、X8、X10、X11；最佳6指標(biāo)—X1、X8、X10、X11、X5、X12。

表2 不同土地利用類型土壤指標(biāo)特征

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05,n=12)。

表3 不同土地利用類型土壤抗蝕性指標(biāo)因子旋轉(zhuǎn)后的載荷、特征根和累積貢獻(xiàn)率

2.4 土地利用類型對土壤抗蝕性效應(yīng)的影響

據(jù)主成分分析結(jié)果，可得到成分得分系數(shù)矩陣，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化處理的各變量可得出各主成分表達(dá)式分別為：Y1=-0.166X1-0.039X2+0.017X3+0.117X4-0.072X5+0.218X6+0.116X7+0.146X8-0.090X9-0.145X10-0.191X11-0.073X12；Y2=0.024X1+0.197X2-0.185X3+0.050X4+0.221X5-0.195X6+0.051X7+0.011X8-0.060X9-0.002X10+0.110X11+0.221X12。

通過構(gòu)建不同土地利用類型土壤抗蝕性加權(quán)求和模型Y=0.533Y1+0.467Y2，得出各類型用地綜合主成分值Y，進(jìn)而得出研究區(qū)不同土地利用類型土壤抗蝕性的強弱順序為人工林地(3.55)>農(nóng)耕地(2.45)>撂荒地(1.78)>灌叢地(0.05)。

3 結(jié)論與討論

日喀則地區(qū)由于地質(zhì)形成較晚，受特殊的地理位置及氣候條件影響，土壤多表現(xiàn)出發(fā)育的原始性和幼年性，受植被、牲畜踩踏及人為活動影響，不同類型用地間土壤理化性質(zhì)的差異[18]導(dǎo)致土壤抗蝕性能也表現(xiàn)出明顯的變異性。

研究區(qū)人工林生長狀況良好，林下又有較多灌草覆蓋，土壤表層根系的纏繞切割與枯落物的積聚導(dǎo)致土壤有機碳、微生物總量較高，土壤有機物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化加快[19]，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)改良作用明顯，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均重量直徑、土壤水穩(wěn)性指數(shù)等顯著高于其他類型用地，說明研究區(qū)人工林地在增加土壤抗蝕性方面有明顯優(yōu)勢。因此，加強人工林建設(shè)可以作為研究區(qū)土壤改良的一種有效方式。

農(nóng)耕地面積相對較大，但由于受季節(jié)性降水及土壤質(zhì)地影響，水溶性有機膠體以及礦質(zhì)膠結(jié)物質(zhì)遷移嚴(yán)重，而為應(yīng)對逐漸激增的人口壓力和區(qū)域本身土壤類型限制及淋溶作用影響，過度依賴化肥以補充作物生長所需營養(yǎng)，導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化嚴(yán)重。已有研究表明[20]，日喀則化肥施用量逐年增加，以超出發(fā)達(dá)國家化肥安全使用上線；另外，受耕作方式和作物種類影響，馬鈴薯、青稞等淺根系作物的種植造成農(nóng)田土壤犁底層上移，非毛管孔隙度減小，容重偏大。留茬耕作在一定程度上補充了有機質(zhì)，但由于氣候寒冷，有機質(zhì)分解速度緩慢，微量元素及其有機質(zhì)不能得到很好補充，導(dǎo)致土壤中各營養(yǎng)元素動態(tài)失衡，地力下降。

撂荒地植被蓋度較小，且主要以1年生淺根性禾本科植物為主，受季節(jié)性強降水影響，表層土壤受濺蝕和徑流沖刷作用，細(xì)顆粒物質(zhì)及水溶性有機膠體等隨地表徑流遷移嚴(yán)重，再加上雨季過后，大風(fēng)天氣盛行，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重，導(dǎo)致土體粗粉粒比重升高，土壤抗蝕性能減弱。

灌叢地由于人為干擾下群落結(jié)構(gòu)單一，主要以砂生槐為主，地表枯落物輸入量少且家畜啃食嚴(yán)重，使得該植被類型下的土壤有機碳含量較低；大量的礫石覆蓋雖然能促進(jìn)降水入滲，加快壤中流的發(fā)生，減少徑流，但由于砂質(zhì)壤土保水、保肥能力較差，同時，少量的有機膠結(jié)物質(zhì)造成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)合成困難，抗蝕性能也相對較差。

通過對日喀則不同土地利用方式土壤抗蝕性研究發(fā)現(xiàn)，12個用以描述土壤抗蝕性指標(biāo)中，>0.25 mm非水穩(wěn)性團(tuán)聚體、團(tuán)聚體平均重量直徑、土壤容重、礫石含量、吸濕水含量、有機質(zhì)含量6個指標(biāo)貢獻(xiàn)最大，對土壤抗蝕性影響明顯，是表現(xiàn)日喀則周邊不同土地利用方式土壤抗蝕性的最佳指標(biāo)。

通過構(gòu)建土壤抗蝕性的綜合評價模型Y=0.533Y1+0.467Y2，分析得出不同土地利用類型土壤抗蝕性強弱順序為人工林地(3.55)>農(nóng)耕地(2.45)>撂荒地(1.78)>灌叢地(0.05)。研究區(qū)生態(tài)脆弱，水土流失嚴(yán)重，退耕還林有利于提高土壤抗蝕性，有利于水土保持。

整體而言，研究區(qū)土壤理化性質(zhì)由于受到人為活動影響、土壤母質(zhì)的分化、形成及風(fēng)化殼發(fā)育狀況等錯綜復(fù)雜的因素影響，水土流失嚴(yán)重。建議研究區(qū)以后在風(fēng)沙治理和生態(tài)恢復(fù)過程，加強人工林人為管護(hù)強度，以提高其群落整體生態(tài)效應(yīng)；建議農(nóng)耕地在客土還田的同時應(yīng)做到科學(xué)施肥，以提高其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強其水源涵養(yǎng)和水土保持功能。

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