賀小容,何丙輝,秦 偉,左長(zhǎng)清
(1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所,北京 100048)
紫色土是重慶典型的土壤類型。紫色土風(fēng)化速度快、養(yǎng)分儲(chǔ)量豐富,歷來是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要區(qū)域[1-2]。而紫色土侵蝕嚴(yán)重,侵蝕模數(shù)高達(dá)3798 ~9831 t/(km2·a),是長(zhǎng)江上游的主要侵蝕產(chǎn)沙區(qū)之一[3]。養(yǎng)分流失是土壤退化的本質(zhì),流失的養(yǎng)分又影響水庫(kù)、湖泊的水質(zhì)。土壤養(yǎng)分的流失途徑包括揮發(fā)、垂直淋洗、徑流和泥沙攜帶流失等。傅濤等[4]的研究結(jié)果表明,紫色土坡面養(yǎng)分流失的主要途徑是隨徑流和泥沙攜帶而流失。因此,水土流失嚴(yán)重時(shí),土壤養(yǎng)分流失量也隨之增加。煤礦開采、開荒等人為擾動(dòng)地面活動(dòng)頻繁,植被破壞,造成大量的土地疏松裸露,加劇了土壤侵蝕。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),近年來我國(guó)各類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目等人為活動(dòng)所造成的水土流失問題十分突出,就“十五”期間開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失量就達(dá)9.46億t。一些研究[5-8]表明,開發(fā)建設(shè)中擾動(dòng)地面加劇了水土流失。近幾年,重慶房建工程、農(nóng)林開發(fā)等項(xiàng)目活動(dòng)頻繁,擾動(dòng)地表,造成了嚴(yán)重水土流失。而以往在重慶所作相關(guān)研究較少,由于不同地方土壤類型、氣候條件等不同,因此其養(yǎng)分流失規(guī)律有所不同??梢?,研究重慶地區(qū)人為擾動(dòng)地表對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響,對(duì)該區(qū)開發(fā)建設(shè)活動(dòng)中治理水土流失具有指導(dǎo)意義。
此外,許多研究表明:坡位對(duì)土壤養(yǎng)分的分布有著重要影響,不同的坡面位置其土壤的化學(xué)物理性質(zhì)變異明顯,且不同坡位土壤養(yǎng)分分布的差異主要是由坡面土壤性質(zhì)和坡面養(yǎng)分在降雨侵蝕過程中的再分配所造成的[9-13]。但是所得到的結(jié)論有所不同:一些學(xué)者認(rèn)為下坡位是坡面養(yǎng)分的匯集處,其土壤養(yǎng)分含量高于中坡位和上坡位;另一些學(xué)者則認(rèn)為土壤養(yǎng)分含量在不同坡位上的變化無明顯規(guī)律;還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為上坡、中坡、下坡的土壤養(yǎng)分含量差別不大,差異不顯著。我國(guó)南方紫色土區(qū)關(guān)于坡位對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響研究極少。本研究擬探討重慶紫色土區(qū)人為擾動(dòng)地表后不同坡位的土壤養(yǎng)分含量特征,為以后農(nóng)業(yè)開發(fā)、開荒等人為活動(dòng)更好地防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)(106°18′2.46″—106°25′0.5″E,29°43′50.51″—29°48′59.12″N),該鎮(zhèn)距重慶主城30km,屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫18.6℃,全年日照時(shí)效1006 .2h,無霜期359d,年降雨量1173 .6mm,氣候溫和,光雨熱同季,熱量豐富,雨量充沛。地貌為淺丘地貌類型,海撥高度175~1312 m,土壤以侏羅紀(jì)沙溪廟組母質(zhì)發(fā)育的中性紫色水稻土和灰棕紫泥土為主。供試土壤的基本化學(xué)性質(zhì)見表1。
表1 供試土壤的基本化學(xué)性質(zhì)
為了研究人為擾動(dòng)地表及坡位對(duì)土壤養(yǎng)分的影響,本試驗(yàn)共設(shè)置了兩個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)兩次重復(fù),小區(qū)隨機(jī)排列。徑流小區(qū)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形,規(guī)格為1m×20m。為了防止各小區(qū)間發(fā)生土壤顆粒和養(yǎng)分的交換,小區(qū)之間用水泥墻體的田埂隔開,田埂寬15 cm,墻體埋設(shè)在地下30cm,高出地面20cm。在徑流小區(qū)與徑流池相連一端,沿小區(qū)寬度方向挖一個(gè)集流槽,在集流槽中間位置設(shè)“V”型徑流入水口。每一個(gè)小區(qū)的徑流入水口高度保持一致。各小區(qū)基本情況見表2。根據(jù)試驗(yàn)需要,對(duì)徑流小區(qū)的空間位置進(jìn)行劃分:上坡位置距離坡頂5m;中坡位置距離坡頂10 m;下坡位置距離坡頂15m。4個(gè)小區(qū)樣地作處理前,其土壤條件、土壤養(yǎng)分情況基本一致。試驗(yàn)開始前,人為擾動(dòng)1,3號(hào)小區(qū)表土:人工翻松表土約30 cm,并拔去荒草植被,表面耙平。2,4號(hào)對(duì)照小區(qū)不作松土及拔草處理,保持自然坡面,其上長(zhǎng)有雜草,覆蓋度約為60%。
表2 徑流小區(qū)基本情況
試驗(yàn)于2012年4月開始進(jìn)行,經(jīng)過1個(gè)雨季后,于2012年10月中旬開始采樣,采樣時(shí)先將每個(gè)小區(qū)土壤表面雜草小心鏟除,露出土壤,采集表層土(0—30cm),分別在每個(gè)小區(qū)的上坡、中坡、下坡位置選取三個(gè)點(diǎn)采集混合土樣,混合均勻后用四分法分取1kg左右組成1個(gè)土壤樣品,測(cè)定土壤養(yǎng)分,每個(gè)坡位重復(fù)測(cè)定3次,取其平均值。野外采集的土壤樣品,在硬紙板上攤開成均勻的薄層,并將土壤掰成直徑1cm左右的小土塊,放在通風(fēng)的室內(nèi)風(fēng)干后,去掉植物殘?bào)w及其他雜物,按分析要求研磨成不同粒度,裝磨口玻璃瓶備用。
土壤養(yǎng)分主要測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和有效鉀含量7個(gè)指標(biāo)。具體分析方法是:有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法;全氮采用半微量開氏蒸餾法;全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻鈧比色法;全鉀采用火焰分光光度計(jì)法;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法;有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻鈧比色法;速效鉀采用火焰分光光度計(jì)法。采用Excel 2007及SPSS 18.0分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。
土壤有機(jī)質(zhì)是土壤最重要的組成成分,也是決定土壤性質(zhì)和土壤生產(chǎn)力的最重要因素[14]。由表3可知,上坡和下坡擾動(dòng)地表小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量均低于同一坡位自然坡面,且在上坡時(shí)含量差異達(dá)到極顯著水平,相差2.79g/kg,比自然坡面低21%;中坡人為擾動(dòng)土壤有機(jī)質(zhì)含量極顯著高于自然坡面小區(qū),相差0.86g/kg,比自然坡面高7%。綜合3種坡位分析,人為擾動(dòng)小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量低于自然坡面小區(qū)。這是由于人為擾動(dòng)清除了地表覆蓋物,形成的裸露疏松地表加劇了土壤侵蝕。對(duì)于不同坡位,人為擾動(dòng)小區(qū)土壤養(yǎng)分含量高低依次為下坡(14.21g/kg)>中坡(13.45g/kg)>上坡(10.58g/kg),且不同坡位間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異達(dá)到了顯著或極顯著水平;自然坡面小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量是下坡最高,上坡次之,中坡最低,且下坡和上坡有機(jī)質(zhì)含量差異達(dá)極顯著水平,相差0.92g/kg,比上坡高7%。土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo),主要決定于有機(jī)質(zhì)的積累和分解作用的相對(duì)強(qiáng)度[15]。分析可知,土壤全氮含量的變化規(guī)律與土壤有機(jī)質(zhì)一致,即上坡和下坡人為擾動(dòng)小區(qū)土壤養(yǎng)分含量均低于同一坡位自然坡面,且差異均達(dá)到極顯著水平,中坡人為擾動(dòng)土壤全氮含量極顯著高于自然坡面,比自然坡面高44%;對(duì)于不同坡位,人為擾動(dòng)小區(qū)土壤全氮含量從上坡到下坡逐漸增加,而自然坡面小區(qū)土壤全氮含量是下坡>上坡>中坡。據(jù)相關(guān)分析,土壤全氮含量與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(a=0.01,R=0.802**)。從土壤堿解氮看,上坡、中坡和下坡三種坡位人為擾動(dòng)小區(qū)土壤堿解氮含量均低于相應(yīng)坡位自然坡面小區(qū),且在上坡和下坡時(shí)含量差異達(dá)到極顯著水平,分別比自然坡面低37%和15%。對(duì)于不同坡位,土壤堿解氮含量變化規(guī)律與土壤全氮及有機(jī)質(zhì)一致,即人為擾動(dòng)小區(qū)土壤堿解氮含量是下坡最高,中坡次之,上坡最低,且不同坡位間堿解氮含量差異達(dá)到極顯著水平;自然坡面小區(qū)土壤堿解氮含量高低依次為下坡>上坡>中坡,且不同坡位間堿解氮含量差異達(dá)到極顯著水平,其中中坡與下坡相差29.56 mg/kg,比下坡低30%。從以上分析可知,土壤氮素和有機(jī)質(zhì)都有向下坡匯集的趨勢(shì),且由于人為擾動(dòng)地表,改變了原狀土壤的理化性質(zhì),使得其土壤氮素與有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律與自然坡面有所不同。
表3 擾動(dòng)地表及不同坡位土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量及方差分析
土壤磷素是植物必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素,但與其它大量元素相比,土壤磷的含量相對(duì)較低。由圖1可知,上坡和下坡人為擾動(dòng)土壤全磷含量均低于相應(yīng)坡位自然坡面,且差異均達(dá)極顯著水平,在下坡位時(shí)差異最大,相差0.06g/kg,比自然坡面低17%;中坡人為擾動(dòng)土壤全磷含量極顯著高于自然坡面,但差異比下坡位小,僅相差0.03g/kg。因此,從整個(gè)小區(qū)來說,人為擾動(dòng)小區(qū)的土壤全磷含量低于自然坡面小區(qū)。從不同坡位看,人為擾動(dòng)小區(qū)土壤全磷含量是中坡最高,為0.33g/kg,下坡次之,為0.30g/kg,上坡最低,為0.26g/kg,且不同坡位間土壤全磷含量差異達(dá)到極顯著水平;對(duì)于自然坡面小區(qū),其土壤全磷含量高低依次為下坡>中坡>上坡,且中坡和下坡含量差異達(dá)到極顯著水平,相差0.06g/kg,比下坡低17%,上坡和中坡全磷含量差異不顯著,僅相差0.01g/kg。
由圖2可知,同一坡位時(shí),人為擾動(dòng)小區(qū)土壤有效磷含量均極顯著地低于同一坡位自然坡面小區(qū),且在上坡和下坡時(shí)差異都較大,下坡位時(shí)差異最大,相差14.09mg/kg,比自然坡面低47%,上坡位相差11.01mg/kg,比自然坡面低55%。自然坡面小區(qū)的土壤有效磷含量極顯著高于人為擾動(dòng)小區(qū),這與自然坡面植被的阻擋作用而減少有效磷流失有關(guān)。另外,可能是雜草根系在生命活動(dòng)中呼吸產(chǎn)生的CO2使土壤酸化,加快緩效磷的活化,也在一定程度上增加了有效磷含量。不同坡位時(shí),人為擾動(dòng)小區(qū)土壤有效磷含量變化規(guī)律與土壤全磷一致,即中坡位土壤有效磷含量最高,下坡次之,上坡最低,且上坡和下坡含量差異達(dá)到極顯著水平,相差7.09mg/kg,比下坡低45%,但中坡和下坡有效磷含量差異不顯著,僅相差1.71mg/kg;對(duì)于自然坡面小區(qū),其土壤有效磷含量高低依次為下坡>中坡>上坡,分別為30.01mg/kg,21.14mg/kg和19.84mg/kg,且中坡與下坡有效磷含量差異達(dá)到極顯著水平,比下坡低30%,但上坡和中坡之間差異不顯著。
圖1 不同處理及坡位土壤全磷含量
圖2 不同處理及坡位土壤有效磷含量
從圖3可以看出,同一坡位時(shí),人為擾動(dòng)小區(qū)土壤全鉀含量均極顯著地低于同一坡位自然坡面小區(qū),且在上坡時(shí)差異最大,相差7.11g/kg,比自然坡面低37%。這可能是由于全鉀的移動(dòng)主要是依靠泥沙帶動(dòng),而人為擾動(dòng)小區(qū)由于松土除草,形成裸露疏松地表,疏松表土在沒有植被阻擋條件下,其泥沙流失量顯著增加,因此隨之流失的全鉀也顯著增加,使得自然坡面小區(qū)的全鉀含量極顯著高于人為擾動(dòng)小區(qū)。從不同坡位看,人為擾動(dòng)地表小區(qū)土壤全鉀含量高低依次為下坡>中坡>上坡,含量依次為15.81g/kg,13.49g/kg,11.95g/kg,且不同坡位間土壤全鉀含量差異達(dá)到極顯著水平,可見土壤全鉀有向下坡匯集的趨勢(shì);對(duì)于自然坡面小區(qū),土壤全鉀含量是下坡略高,上坡次之,中坡最低,但是不同坡位間土壤全鉀含量差異均不顯著,中坡和下坡全鉀含量?jī)H相差0.44 g/kg,只比下坡低2%,這可能是由于雜草植被對(duì)全鉀的流失有很好的控制作用,阻擋了土壤大顆粒流失,而全鉀在土壤不同顆粒中分配較為平均,侵蝕作用只能將較細(xì)顆粒侵蝕走,對(duì)全鉀含量影響不明顯。
圖3 不同處理及坡位土壤全鉀含量
由圖4可知,同一坡位時(shí),土壤速效鉀含量變化規(guī)律與土壤全鉀一致,即人為擾動(dòng)小區(qū)土壤速效鉀含量均極顯著地低于同一坡位自然坡面小區(qū),且在上坡和下坡時(shí)差異都較大,上坡時(shí)差異最大,相差38.22 mg/kg,比自然坡面低34%,下坡位相差34.12mg/kg,比自然坡面低24%。從不同坡位看,人為擾動(dòng)小區(qū)土壤速效鉀含量變化規(guī)律與土壤全鉀一致,即土壤速效鉀含量是下坡最高,為106.77mg/kg,中坡次之,為90.23mg/kg,上坡最低,為75.83mg/kg,且不同坡位間土壤速效鉀含量差異達(dá)到極顯著水平;對(duì)于自然坡面,其土壤速效鉀含量變化規(guī)律也與土壤全鉀一致,即速效鉀含量高低依次為下坡>上坡>中坡,但不同坡位間土壤速效鉀含量差異達(dá)到極顯著水平,其中上坡和下坡速效鉀含量相差26.84mg/kg,比下坡低19%。可見土壤速效鉀含量變化規(guī)律與土壤全鉀基本一致,只是略有不同。
圖4 不同處理及坡位土壤速效鉀含量
人為擾動(dòng)地表,清除地表覆蓋物,造成土地疏松裸露,降低了土壤保持養(yǎng)分的能力。另外,坡位也是影響土壤養(yǎng)分含量的重要因素。本文通過徑流小區(qū)試驗(yàn),探討了人為擾動(dòng)地表后不同坡位的土壤養(yǎng)分含量特征。研究結(jié)果表明,同一坡位時(shí),上坡和下坡人為擾動(dòng)小區(qū)土壤養(yǎng)分含量均低于同一坡位自然坡面小區(qū);中坡,除土壤全氮、有機(jī)質(zhì)及全磷含量是人為擾動(dòng)小區(qū)略高于自然坡面小區(qū)外,其他養(yǎng)分指標(biāo)含量也是自然坡面小區(qū)高于人為擾動(dòng)小區(qū)。全氮、有機(jī)質(zhì)及全磷含量變化規(guī)律與其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)不一致的原因可能與其流失方式有關(guān)。全氮、有機(jī)質(zhì)及全磷的移動(dòng)主要依靠泥沙中最易流失的黏粒帶動(dòng)[15]。擾動(dòng)地表小區(qū)無植被攔擋作用,使得土壤全氮、有機(jī)質(zhì)及全磷流失加劇,但是中坡位置由于有來自上坡徑流泥沙的養(yǎng)分補(bǔ)給,因此其養(yǎng)分含量變化不大;自然坡面小區(qū),由于植被的攔擋作用,中坡位置來自上坡的養(yǎng)分補(bǔ)給比擾動(dòng)地表小區(qū)少,因此使得中坡位置擾動(dòng)地表小區(qū)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)及全磷含量比自然坡面小區(qū)高。而上坡位置,擾動(dòng)地表小區(qū)由于既無植被攔擋作用,又無養(yǎng)分補(bǔ)給,因此其養(yǎng)分含量明顯低于自然坡面小區(qū)。下坡位置,雖然兩種處理都要來自坡上的養(yǎng)分補(bǔ)給,但是由于擾動(dòng)地表小區(qū)地表疏松裸露,徑流沖刷嚴(yán)重,使得隨徑流泥沙流失的養(yǎng)分增多,因此其養(yǎng)分含量也低于自然坡面小區(qū)。但是綜合三種坡位,從整個(gè)徑流小區(qū)來看,人為擾動(dòng)小區(qū)土壤養(yǎng)分含量明顯低于自然坡面小區(qū)。可見農(nóng)業(yè)開發(fā)、開荒等人為活動(dòng)擾動(dòng)地表,破壞植被,加劇了土壤養(yǎng)分的流失。張茨林等[16]的研究也表明人為擾動(dòng)地表后會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失。地表覆蓋物可以顯著地減少侵蝕,保護(hù)土壤免受雨滴的直接沖擊;同時(shí)覆蓋還會(huì)減緩徑流速度,減少溝間侵蝕。由于人為擾動(dòng)清除了地表覆蓋物,造成地表疏松裸露,為水土流失創(chuàng)造了條件。土壤失去植被保護(hù),將直接遭受雨水的擊濺、剝蝕、沖刷,極易產(chǎn)生水力侵蝕[17]。另一方面,人為擾動(dòng)還破壞了地表土壤結(jié)構(gòu),改變了原狀土壤的理化性質(zhì),影響土壤的透水性、抗蝕性等,使土壤的入滲、攔截、蓄水能力下降,從而加劇土壤養(yǎng)分隨徑流泥沙的流失。因此,在進(jìn)行開荒、農(nóng)業(yè)開發(fā)等人為活動(dòng)時(shí),除了要盡量降低對(duì)地面的擾動(dòng)程度外,還要加強(qiáng)對(duì)裸露疏松地表的治理防護(hù),比如可以用防雨布遮蓋,使其免受雨水沖刷,控制水土流失,維護(hù)土壤肥力。
不同坡位時(shí),對(duì)于人為擾動(dòng)小區(qū),土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全鉀及速效鉀含量是下坡>中坡>上坡;土壤全磷和有效磷是中坡>下坡>上坡。對(duì)于自然坡面小區(qū),土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全鉀及速效鉀含量是下坡>上坡>中坡;土壤全磷和有效磷是下坡>中坡>上坡??梢娙藶閿_動(dòng)小區(qū)土壤養(yǎng)分含量規(guī)律與自然坡面小區(qū)有所不同,這可能是由于人為擾動(dòng)地面后形成的裸露疏松地表,改變了土壤養(yǎng)分流失規(guī)律。但是人為擾動(dòng)小區(qū)和自然坡面小區(qū)土壤養(yǎng)分都有向下坡匯集的趨勢(shì),其土壤養(yǎng)分含量高于中坡和上坡,且不同坡位間部分養(yǎng)分指標(biāo)含量差異達(dá)到極顯著或顯著水平。這可能是由于徑流向下坡的沖刷作用,使得養(yǎng)分向下坡富集,加之徑流泥沙攜帶的養(yǎng)分在下坡的沉積作用,使得下坡的養(yǎng)分含量明顯高于中、上坡,可見下坡是養(yǎng)分的匯集處。這與以往的研究結(jié)論略有不同。陳曉燕[18]的研究表明,土壤養(yǎng)分含量在不同坡位上的變化沒有呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。這可能是由于其設(shè)置的坡長(zhǎng)較短(5m),且采用的人工降雨,使得土壤含量變化無明顯規(guī)律。高雪松等[9]的研究表明,下坡位是坡面養(yǎng)分的匯集處,其土壤養(yǎng)分含量高于中坡位和上坡位,但坡位間的養(yǎng)分含量差異不顯著。這可能是由于該研究區(qū)域的下墊面不同,植被覆蓋度較大,減緩了徑流速度,降低了徑流沖刷對(duì)土壤養(yǎng)分沿坡面再分配的作用。陳世品等[19]的研究結(jié)果表明,不同土層的土壤養(yǎng)分含量均為下坡>中坡>上坡,坡位效應(yīng)明顯。這可能是此研究的坡長(zhǎng)較長(zhǎng),且坡度較大,加之清除了林下植被使徑流向坡下沖刷作用增強(qiáng),所以使養(yǎng)分隨徑流泥沙向下坡富集,養(yǎng)分含量明顯高于中、上坡??梢?,人為擾動(dòng)地表,清除植被后,加強(qiáng)了徑流沿坡面沖刷作用,尤其造成上坡土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重。今后在進(jìn)行農(nóng)林開發(fā)、開荒等人為活動(dòng)時(shí),特別要加強(qiáng)對(duì)上坡的治理防護(hù),降低侵蝕作用,防止土壤退化。
本文研究了人為擾動(dòng)地表后不同坡位的土壤養(yǎng)分含量特征,今后可進(jìn)一步研究不同擾動(dòng)方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響。另外,可增加在不同坡度、不同降雨強(qiáng)度條件下,人為擾動(dòng)對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響的研究,進(jìn)一步揭示人為擾動(dòng)地面后土壤養(yǎng)分沿坡面流失規(guī)律及其影響因素,為今后的農(nóng)業(yè)開發(fā)、開荒等人為活動(dòng)防治水土流失提供一定的科學(xué)依據(jù)。
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