湘中紅壤丘陵區不同土地利用類型對土壤特性的影響

鮑 文,賴奕卡

(1.湖南省水土保持監測總站,湖南長沙 410007;2.湖南省水文水資源勘測局,湖南長沙 410007)

湘中紅壤丘陵區不同土地利用類型對土壤特性的影響

鮑 文1,賴奕卡2

(1.湖南省水土保持監測總站,湖南長沙 410007;2.湖南省水文水資源勘測局,湖南長沙 410007)

紅壤;土壤物理性質;土地利用類型;土壤侵蝕;湖南

以湖南省衡陽縣武水流域為例,對湘中紅壤丘陵區5種土地利用類型的土壤物理性質和抗蝕性能進行了研究,結果表明,土地利用類型對土壤物理性質有顯著影響,花崗巖紅壤的結構隨植被演退和人為耕作的干擾而退化。與林地相比,旱地和坡耕地等耕作土壤砂粒含量增加,黏粒含量相對減少,表土呈現砂化;與林地和疏林地相比,耕作土壤的大粒徑水穩性團聚體減少,水穩性團聚體平均重量直徑減小,結構穩定性下降;不同土地利用類型按土壤毛管孔隙度和持水性能大小排序為林地＞疏林地＞荒地＞旱地＞坡耕地。研究結果說明良好的植被條件與合理的土地利用能通過降低土壤容重、增加有機質以及細顆粒含量來改善土壤的團聚能力,并增加土壤蓄水量,從而提高土壤的抗蝕能力。

土壤侵蝕作為土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)引起的主要環境效應之一,是自然和人為因素疊加的結果[1],不合理的土地利用方式和地表植被覆蓋的減少對土壤侵蝕具有放大效應[2-3]。長期以來,人類對土地的不合理利用改變了土壤的物理性質,造成了土壤退化[4-5],使其朝著不利于水土保持的方向發展,從而加速了土壤侵蝕。

不同土地利用方式下土壤物理性質和抗蝕性的變化已有報道[6-8],但有關南方花崗巖紅壤地區的研究較少。本研究根據實測資料,對湖南衡陽縣武水流域5種不同土地利用類型的土壤物理性質進行分析,研究不同土地利用方式對土壤物理性質和土壤抗蝕性的影響,以期為合理利用土地和采取切實可行的水土保持措施提供依據。

1 研究區概況

研究區武水流域位于湖南省衡陽縣西南部,屬蒸水一級支流,流域面積 315.5 km2,地理位置為東經 111°59′35″—112°10′45 ″、北緯26 °52′30 ″—27 °01 ′15 ″;海拔 100.0—990.4 m,相對高差890.4 m,屬湘中丘陵向低山區過渡地帶;土壤以紅壤、黃紅壤為主,母質為花崗巖和變質巖;氣候屬中亞熱帶季風濕潤氣候,年平均氣溫17.9℃,極端最低氣溫-12.3℃,極端最高氣溫40.9℃,無霜期289 d,多年平均降水量為1 237.2 mm。流域屬中亞熱帶常綠闊葉林區,植被以人工林為主,分布少量次生林,主要樹種有馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、濕地松(Pinus elliottiiEngelm.)、石櫟(Lithocarpus glabra)等。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

本研究根據5種不同的土地利用類型——林地、疏林地、荒地、旱地及坡耕地,選取典型地塊設置土壤剖面15個(見表1),按發生層次分層采集表層和亞表層土壤樣品。

土壤顆粒組成測定[9]采用吸管法。土壤團粒結構測定[9]包括土壤團聚體組成和土壤微團聚體的測定,團聚體(直徑 ＞0.25 mm)測定用干篩法,微團聚體(直徑 ＜0.25 mm)測定用吸管法,水穩性團聚體測定用濕篩法。

表1 土壤剖面樣地基本情況

2.2 計算方法

3 結果與分析

3.1 土地利用類型對土壤顆粒組成的影響

從表2可以看出,不同土地利用類型對土壤顆粒組成具有明顯影響,土壤中粒徑＜0.01 mm物理性黏粒含量林地最高,疏林地次之,旱地最低;＞1 mm石礫含量則是林地最低,旱地、荒地較高;其中林地表層土壤中粒徑 ＜0.01 mm的物理性黏粒含量達58.52%,超過旱地的2倍。研究表明,與未擾動的林地、疏林地相比,開墾利用后的湘中紅壤丘陵區耕地、坡耕地呈現明顯的砂化趨勢,即表層土壤中砂粒含量較多,黏粒含量偏低,持水性差,其土壤蓄水能力也明顯低于林地和疏林地。

3.2 土地利用類型對土壤結構特性的影響

3.2.1 不同土地利用類型土壤的微團聚體組成

從圖1可見,各土地利用類型表層和亞表層土壤微團聚體含量主要集中在＞0.05 mm粒級上,＜0.01 mm微團聚體含量較低。分析數據表明,不同土地利用類型相比,表層、亞表層土壤＞0.05 mm微團聚體含量都是林地最低(50.58%、48.24%)、荒地最高(85.41%、82.90%)。 ＜0.01 mm微團聚體含量,表層土壤是荒地最低,只有4.91%,林地最高,為22.41%;亞表層是荒地最低、旱地最高,與表層土壤分布不盡一致。

圖1 不同地類表層和亞表層土壤微團聚體比較

相同土地利用類型不同土壤層次相比,林地、疏林地、旱地和荒地表層土壤＞0.05 mm微團聚體含量均比亞表層高,而坡耕地表層土壤＞0.05 mm微團聚體含量較亞表層低;林地、疏林地、坡耕地和荒地表層土壤＜0.01 mm微團聚體含量比亞表層高,而旱地表層土壤＜0.01 mm微團聚體含量較亞表層低。說明人為的耕作擾動影響了土壤微團聚體的組成,且不同耕作方式對土壤微團聚體組成影響差異明顯,與已有研究成果一致[10-11]。

表2 不同土地利用類型土壤顆粒組成 %

相關分析表明,表層和亞表層土壤 ＞0.05 mm微團聚體含量與 ＞0.05mm顆粒組成含量呈顯著正相關關系(r=0.856**,n=10),＜0.01 mm微團聚體含量與 ＜0.01 mm的物理性黏粒含量雖未達到顯著相關程度,但隨著荒地、坡耕地、旱地、疏林地、林地＜0.01 mm物理性黏粒含量的依次增加,其 ＜0.01 mm微團聚體含量也相應提高,這說明丘陵花崗巖紅壤微結構的組成受其顆粒組成的影響,黏粒作為微團聚體結構的基本元素,其含量變化直接影響土壤結構特性。由于黏粒成分具有較強的抵抗降雨徑流分散、懸浮的能力[12],土壤中黏粒含量的增加無疑提高了土壤的抗蝕能力,所以在植被恢復和減少人為擾動后,土壤結構性能呈良性發展,抗侵蝕能力有效提高。

3.2.2 不同土地利用類型土壤的團聚體組成及穩定性

一般認為,團聚體的數量及穩定性與土壤的抗蝕性成正相關[13]。研究表明(表3),無論何種土地利用類型,風干土壤團聚體含量均較高,干篩＞0.25 mm的團聚體含量為97.83%～99.73%,平均98.94%,且主要以大粒徑的風干團聚體為主,其中 ＞5 mm的風干團聚體平均達42.18%;不同土地利用類型土壤干篩團聚體結構組成也有較大的差別,林地和疏林地表層土壤＞5 mm團聚體含量分別較旱地高27.63和39.08百分點,較坡耕地高20.27和31.72百分點,說明減少人為擾動后土壤表層大團聚體含量會明顯增加,從而使土壤結構得到改善,土壤孔隙度、入滲能力和土壤持水量均得到有效提高,土壤抗蝕性能也隨之提高。土樣浸水后,各土地利用類型土壤 ＞0.25 mm的團聚體數量均明顯減少,尤以 ＞5 mm的團聚體減少最多。土壤中＞0.25 mm水穩性團聚體含量僅在70.06%～90.48%之間變化,而 ＞5 mm水穩性團聚體含量在3.38% ～36.46%之間波動。旱地、坡耕地等耕作土壤與林地土壤相比,土壤團聚體的穩定性明顯下降,主要表現在表層和亞表層土壤大粒徑的水穩性團聚體減少,較小粒徑的水穩性團聚體增加,團聚體結構破壞率增大。

從表3可以看出,旱地表層和亞表層土壤團聚體平均重量直徑較之林地分別降低了1.80和0.44 mm,坡耕地表層和亞表層土壤團聚體平均重量直徑較之林地分別降低了1.87和0.94 mm,這反映了耕作擾動對湖南花崗巖紅壤團聚體結構形成的影響,如果花崗巖紅壤坡地處于頻繁的耕作擾動下,在降雨侵蝕和地表徑流沖刷的綜合作用下,耕地土壤剖面中大團聚體將逐漸消失,小粒徑團聚體將成為優勢組分。

表3 不同土地利用類型土壤團聚體組成

從表3還可見,不同土地利用類型按表層土壤團聚體結構破壞率大小排序為旱地＞坡耕地＞疏林地＞林地＞荒地,說明人為耕作活動導致旱地和坡耕地土壤結構破壞率較大、團聚體的水穩性較差,遇降水極易崩解破碎,形成單個土體,堵塞土壤孔隙,影響水分下滲,從而容易形成較大的坡面徑流量,致使土壤侵蝕加劇。

3.3 土地利用類型對土壤水分物理特性的影響

土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標,也是表征土壤質量的一個重要參數,它與土壤的孔隙度和滲透率密切相關。湖南花崗巖紅壤地區不同土地利用類型的土壤容重不同,表現為撂荒的旱地最小(1.26 g/cm3)、林地次之(平均1.32 g/cm2)、坡耕地最大(平均1.55 g/cm2),這可能是不同土地利用類型表層的枯落物組成、分解狀況和地下根系的生長發育存在差異,造成不同地類土壤物理性質的差異。由表4可以看出,不同土地利用類型按土壤毛管孔隙度大小排序為林地(43.26%)＞疏林地(39.51%)＞荒地(38.63%)＞旱地(35.73%)＞坡耕地(33.33%),按毛管孔隙度占總孔隙度的比例排序則是林地(89.25%)＞疏林地(83.71%)＞荒地(72.20%)＞坡耕地(66.12%)＞旱地(64.72%),其中旱地、坡耕地的土壤毛管孔隙度及其占總孔隙度的比例均較其他土地利用類型偏低。這表明隨著人為干擾的加劇,花崗巖紅壤地區土壤毛管孔隙和通氣孔隙遞減,而非活性孔隙遞增,土壤結構變差。

土壤持水性能直接影響土壤抗水蝕能力,是反映土壤生態功能的重要指標。湖南花崗巖紅壤地區不同土地利用類型下的土壤持水性能差異明顯,飽和持水量和毛管持水量均表現為林地(38.86%,33.28%)＞旱地(34.09%,27.86%)＞疏林地(30.47%,27.46%)＞荒地(29.61%,26.93%)＞坡耕地(26.38%,22.04%),林地土壤持水性能明顯好于其他土地利用類型。

表4 不同土地利用類型土壤水分物理特性

從表4中還可以看出,各土地利用類型表層和亞表層土壤持水性能差異明顯,表層的總孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量和飽和持水量均比亞表層高,這與土壤表層有機質含量較高和根系數量較多有關。此外,不同土地利用類型表層、亞表層土壤持水性能的變化也不一致,荒地亞表層與表層相比,各持水量指標下降最明顯,尤其是毛管持水量下降了1/3,這可能與荒地的植被類型及其根系的特點有關;疏林地因為林齡較小,植被覆蓋度較低,土壤改良效果還不明顯,其土壤層次間持水性能變化最小。

4 結論與討論

(1)湖南花崗巖紅壤地區不同土地利用類型的土壤顆粒組成具有明顯差異。土壤中粒徑＜0.01 mm的物理性黏粒含量林地最高,旱地最低,而砂粒含量林地最低,旱地和坡耕地較高。說明開墾利用后的耕地、坡耕地呈現明顯的砂化現象。

(2)不同土地利用類型土壤中 ＞0.05 mm微團聚體含量林地最低(50.58%)、荒地最高(85.41%),＜0.01 mm微團聚體含量荒地最低、林地最高;＞0.05 mm微團聚體含量與＞0.05 mm顆粒組成呈顯著正相關關系,說明土壤微結構的組成受顆粒組成的影響。

(3)湖南花崗巖紅壤地區旱地和坡耕地表層土壤團聚體平均重量直徑較林地分別降低了1.80和1.87 mm,表明該地區的耕作擾動影響了土壤水穩性團聚體的結構分布,使得大粒徑團聚體減少,小粒徑團聚體成為優勢組分;不同土地利用類型按土壤團聚體結構破壞率大小排序為旱地 ＞坡耕地 ＞疏林地 ＞林地 ＞荒地,旱地、坡耕地等耕作土壤與林地土壤相比,土壤團聚體的穩定性明顯下降。

(4)湖南花崗巖紅壤區不同土地利用類型按毛管孔隙度和持水性能排序均為林地 ＞疏林地 ＞荒地 ＞旱地 ＞坡耕地,這說明良好的植被條件與合理的土地利用能通過降低土壤容重、增加有機質和土壤細顆粒含量來改善土壤的團聚能力,增加土壤蓄水量,提高土壤的抗蝕能力。

(5)不同土地利用方式對湖南花崗巖紅壤地區土壤理化性質的影響明顯,造林能顯著改善土壤的基本物理性質,而長期的耕種使得耕地的土壤理化性質和功能退化,持水能力降低,為土壤侵蝕的發生和發展提供了條件。因此,在該地區采取合理的土地利用方式,減少陡坡耕地面積,大力植樹種草,增加地表覆蓋度,是改善該地區生態環境,實現可持續發展的重要舉措。

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(責任編輯 徐素霞)

Influence of Different Land Uses to Soil Properties in Red Soil Hilly Region of Central Hu’nan Province

BAO Wen1,LAI Yi-ka2

(1.Monitoring Station of Hu’nan Soil and Water Conservation,Changsha,Hu’nan 410007,China;2.Hu’nan Surveying Bureau of Hydrology and Water Resources,Changsha,Hu’nan 410007,China)(47)

The paper studies the physical properties and anti-erodibility of soil of five types of different land uses in red soil hilly region in the center of Hu’nan by taking Wushui Watershed in Hengyang County as an example.The outcomes show that land use types have obvious effect to the soil properties and the structure of granite red soil is degraded along with the reduction of vegetation cover and human disturbance.a)Comparing with woodlands,the sand contents of dry lands and sloping farmlands increase while the clay contents decrease relatively and the surface soil appears desertification;b)comparing with woodlands and open woodlands,the contents of water-stable aggregates with bigger diameter of farmlands reduce,with the mean weight diameter decreasing and the structural stability lowering too;c)the sequence of different land uses based on capillary porosity and water-holding capacity of soil is as follows:woodlands＞open woodlands＞abandoned lands＞dry lands＞sloping farmlands.The results show that good vegetation condition and reasonable land uses can improve agglomerate ability through decreasing soil bulk density and adding organic matter and fine particle content,while increase moisture storage for increasing soil anti-erodibility

red soil;physical properties of soil;land use types;soil erosion;Hu’nan

S152

A

1000-0941(2011)10-0047-04

鮑文(1977—),男,安徽望江縣人,工程師,碩士,主要從事水土保持監測和生態建設工作。

2011-05-27