紫色丘陵區(qū)桑樹林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性研究

蔣翔鶴，丁文斌，任孫燕，康 健，劉穎旎，黃先智，史東梅

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715;2.西南大學(xué)蠶學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)研究所，重慶 400715)

紫色丘陵區(qū)桑樹林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性研究

蔣翔鶴1，丁文斌1，任孫燕1，康 健1，劉穎旎1，黃先智2，史東梅1

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715;2.西南大學(xué)蠶學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)研究所，重慶 400715)

[目的]為對桑樹水土保持效益的客觀評價提供科學(xué)依據(jù)。[方法]通過室內(nèi)理化性質(zhì)分析法，研究桑樹林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性能。[結(jié)果]桑樹林地可顯著改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤抗蝕性能, 增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中劍持的土壤改良效果最好，有機(jī)質(zhì)含量最高(30.67 g/kg)，是湖桑32號的1.82倍。各樣地土壤團(tuán)聚體分布均不均勻，風(fēng)干土團(tuán)聚體主要分布在>5 mm范圍；3種桑樹林地>0.25 mm風(fēng)干土團(tuán)聚體(94.50%～97.00%)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體(50.16%～61.66%)含量均較高，并以嘉陵20號水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最大(61.66%)，表明該桑樹對改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)其土壤穩(wěn)定性效果最好。嘉陵20號水穩(wěn)性指數(shù)為0.52，其結(jié)構(gòu)體破壞率最小(36.43%)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD和MWD分別為1.06和1.33 mm，表明抵抗降雨侵蝕和徑流沖刷能力最強(qiáng)。嘉陵20號的內(nèi)摩擦角為13.712°，為劍持的1.40倍，湖桑32號的黏聚力最大，說明這2種桑樹均對土壤有較高的改良作用。[結(jié)論]劍持對土壤理化性質(zhì)的改良最優(yōu)，嘉陵20號在改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面具有較高優(yōu)勢，湖桑32號可以提高土壤黏聚力以增強(qiáng)土壤的抗侵蝕力，三者在對土壤的水土保持效應(yīng)方面各有優(yōu)勢。其中，嘉陵20號在各方面的表現(xiàn)較優(yōu)，對土壤的改良效果最顯著。

桑樹；水土保持；抗蝕性；土壤理化性質(zhì)；紫色丘陵區(qū)

紫色土是我國主要的土壤類型之一，廣泛分布于長江中上游地區(qū)，其面積占全國紫色土資源的51.28%[1]，土層淺薄，有機(jī)質(zhì)含量低，抗侵蝕和抗沖刷能力弱，在降雨和徑流沖刷下極易造成嚴(yán)重的水土流失。紫色丘陵區(qū)作為長江中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域之一，退耕還林還草是改善生態(tài)環(huán)境和防治水土流失的根本措施。研究表明，人工林可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗蝕性[2-3]。土壤抗蝕性反映土壤抵抗水的分散及懸浮能力的大小[4]，與土壤類型、土地利用方式和人為擾動關(guān)系密切。桑樹作為桑科桑屬的落葉喬木，具有生長適應(yīng)性強(qiáng)、耐旱、耐澇、耐瘠薄以及萌蘗性強(qiáng)的特征[5-6]，可有效地提高土壤抗蝕性和增強(qiáng)水土保持效益[7]。發(fā)展桑蠶產(chǎn)業(yè)對生態(tài)經(jīng)濟(jì)的綜合效果顯著[8]。采用室內(nèi)理化性質(zhì)分析法，筆者研究了紫色丘陵區(qū)3種不同品種桑樹林地土壤理化性質(zhì)及其抗蝕性差異，以期為該區(qū)桑樹水土保持效益客觀評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)學(xué)苑小區(qū)，地處E 106°24′，N 29°48′，海拔253 m，年均氣溫18.5 ℃，年平均降雨量1 105.4 mm，5～ 9月降雨量占全年降雨量的70%，處于北碚向斜中部。試驗(yàn)土壤為中生代侏羅系沙溪廟祖灰棕紫色沙泥頁巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色土。在試驗(yàn)區(qū)，選取3種不同品種桑樹林地，即劍持、嘉陵20號和湖桑32號)。不同樣地類型基本情況見表1。

1.2 土樣采集與分析 試驗(yàn)于2013年5～8月的每月15號左右進(jìn)行，在3種桑樹林地內(nèi)分別選擇標(biāo)準(zhǔn)株，在其附近樣地內(nèi)采集0～20 cm土樣，采用土壤農(nóng)化分析法進(jìn)行室內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)測定[9]，其中土壤含水量的測定采用烘干法，土壤容重的測定采用環(huán)刀法，有機(jī)質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，機(jī)械組成的測定采用吸管法，風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定分別采用干篩法和濕篩法。選取粒徑7～10 mm土壤顆粒50粒，均勻放置在孔徑為5 mm土壤篩中，然后靜置于水中，前10 min每隔1 min記錄1次崩解顆粒數(shù)，12 min后每隔3 min記錄1次，連續(xù)記錄30 min，最后計算水穩(wěn)性指數(shù)[10]。抗剪強(qiáng)度的測定采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)的測試均為3次重復(fù)。

表1 不同樣地類型基本情況

1.3 土壤抗蝕性指標(biāo)的測定 在對已有研究成果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合該試驗(yàn)的特點(diǎn)，選取水穩(wěn)定性指數(shù)、結(jié)構(gòu)破壞率[11]、平均重量直徑、幾何平均直徑[12]6個指標(biāo)評價土壤的抗蝕性能。

式中,K為水穩(wěn)性指數(shù)；Pi為第i分鐘分散土粒數(shù)，i取1，2，3，…,10；Ki為第i分鐘的校正數(shù)；Pj為10min內(nèi)沒有分散的土粒數(shù)；A為試驗(yàn)土粒總數(shù)。

式中，wi為第i粒級團(tuán)聚體的百分?jǐn)?shù)(%)；xi為相鄰兩級團(tuán)聚體的平均粒徑(mm)。

式中,wi為土壤不同粒級團(tuán)聚體的質(zhì)量(g)；xi為相鄰兩級團(tuán)聚體的平均粒徑(mm)。

1.4 土壤抗剪性能的測定 按照土工試驗(yàn)方法(GB/T50123-1999)標(biāo)準(zhǔn)，采用ZJ型(三速)應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)測定土壤抗剪強(qiáng)度。采用庫侖公式，計算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(土壤內(nèi)摩擦角和土壤黏聚力)。

Tf=C+δtanφ

式中，Tf為土壤抗剪強(qiáng)度；δ為作用在剪切面上的橫向應(yīng)力；φ為土壤內(nèi)摩擦角；C為土壤黏聚力。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑樹林地土壤理化性質(zhì)特征 桑樹林地能有效地改善土壤物理性質(zhì)，明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤容重影響土壤水分、空氣、養(yǎng)分以及耕作阻力等土壤理化性質(zhì)，其大小與土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)及有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)。由表2可知，不同樣地類型的土壤容重在1.25～1.29g/cm3間變化，其大小依次為桑樹C>桑樹B>桑樹A。3種桑樹對土壤的物理性質(zhì)均有改善作用，其中以桑樹A效果最好。不同樣地土壤顆粒組成均以粗粉粒含量(0.05～0.001mm)最高，其數(shù)值在54.35%～64.17%之間，而黏粒(<0.001mm)、砂粒(0.050～1.000mm)含量均較低，表明桑樹及其根系的存在促進(jìn)土壤細(xì)顆粒成分的保持。各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量在16.88～ 30.67g/kg間范圍變化，其大小依次為桑樹A>桑樹B>桑樹C，表明在3種桑樹種類中，桑樹A對有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、增強(qiáng)土壤的抗侵蝕性等具有較高的能力。

2.2 桑樹林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征 土壤團(tuán)聚體即土壤結(jié)構(gòu)，是指土壤所含的大小不同、形狀不一、有不同孔隙度、機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性的團(tuán)聚體總合，是鑒定和評價土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[10]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其粒徑分布是團(tuán)聚體的2個重要特征。由表3可知，3種桑樹林地具體性質(zhì)差異在0.05水平顯著，且其各粒徑風(fēng)干土壤團(tuán)聚體含量分布不均勻。在土壤團(tuán)聚體粒徑分布中，桑樹B>0.25mm風(fēng)干土團(tuán)聚體含量最大，桑樹C最小；>5.00mm風(fēng)干土團(tuán)聚體含量以桑樹A最大，比桑樹C提高了23.03%，表明桑樹A對促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成更有優(yōu)勢，可使得土壤結(jié)構(gòu)得到有效的改善，提高土壤抗侵蝕能力。

表2 不同樣地類型土壤理化性質(zhì)

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是衡量土壤質(zhì)量和土壤抗蝕性的重要指標(biāo)，可用于評價土壤在降雨侵蝕和徑流沖刷作用下的破壞程度[12]。土壤樣品經(jīng)濕篩處理后，不穩(wěn)定的團(tuán)聚體將會發(fā)生崩解，土壤團(tuán)聚體組成結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變。一般將>0.25 mm的團(tuán)聚體稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體。它是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大。由表3可知，各樣地>2.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量明顯比風(fēng)干土團(tuán)聚體減小，<0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加。其中，桑樹B>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量略高于其余2個林地，分別為桑樹A、桑樹C的1.22、1.06倍。這表明桑樹B在降雨后具有較優(yōu)的固結(jié)土壤能力，避免土壤分散為過小的顆粒隨水流流走，形成土壤侵蝕。

2.3 桑樹林地土壤抗蝕性特征 土壤抗蝕性是指土壤抵抗降雨、徑流對其分散和懸浮的能力，在侵蝕外營力一定的情況下可反映土壤潛在水土流失特征[12]。選擇常用土壤抗蝕性評價指標(biāo)即土壤水穩(wěn)定性指數(shù)、土壤結(jié)構(gòu)破壞率、平均重量直徑和幾何平均直徑對桑樹林地土壤抗蝕性進(jìn)行評價。由表3可知，各樣地土壤結(jié)構(gòu)破壞率在36.43%～47.59%范圍內(nèi)，其中以桑樹B土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率最小，僅為桑樹A的0.76倍，說明該桑樹土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，抗侵蝕能力更強(qiáng)。

土壤水穩(wěn)性指數(shù)是表征土粒水穩(wěn)性隨時間變化的破壞特征，是衡量土壤抗蝕性的重要指標(biāo)之一[10]。由圖1可知，桑樹A的團(tuán)聚體破損率明顯小于其余2種桑樹。桑樹A的土壤團(tuán)聚體在前3 min崩解速率稍快，但總體相比其余2種桑樹而言較平緩；桑樹B的崩解速率在15 min時趨于緩慢，與桑樹C接近，表明在最初土壤干燥時，桑樹B與桑樹C的土壤團(tuán)聚體遇水崩解較強(qiáng)烈，在降雨或徑流條件下更易發(fā)生水土流失；而桑樹林地土壤團(tuán)聚體破損率在整個崩解過程中均呈緩慢增加的趨勢，在試驗(yàn)第30分鐘時其團(tuán)聚體破損率為62%～70%。各樣地類型土壤水穩(wěn)性指數(shù)大小依次為桑樹B>桑樹A>桑樹C，表明桑樹B可改善土壤抗侵蝕能力。

表3 不同樣地類型土壤團(tuán)聚體粒徑分布及其穩(wěn)定性

圖1 不同樣地類型土壤團(tuán)聚體破損過程

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[13]。由圖2可知，桑樹A的風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD和MWD略高于其余2個桑樹。風(fēng)干團(tuán)聚體GMD和MWD均表現(xiàn)為桑樹A>桑樹B>桑樹C；水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和MWD均表現(xiàn)為桑樹B>桑樹A >桑樹C，其中桑樹B水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD為1.06 mm，是桑樹C的1.24倍，其MMD為1.33 mm，是桑樹C的2.25倍。這表明桑樹B土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗侵蝕能力相對較強(qiáng)。

圖2 不同樣地類型土壤GMD和MWD變化特征

2.4 桑樹林地土壤力學(xué)性質(zhì)特征 土壤抗剪強(qiáng)度是在極限應(yīng)力的條件下土體的一部分相對另一部分滑動(剪切)時土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，也是表征土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一。由圖3可知，不同桑樹林地土壤內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為桑樹B>桑樹C>桑樹A，說明桑B土壤相較其他2個樣地土壤而言，更易保持穩(wěn)定，不易被水流剪切破壞。土壤的黏聚力與容重有較大的關(guān)系，容重越大，土體越緊實(shí)，土壤黏聚力越高。該試驗(yàn)土壤黏聚力表現(xiàn)為桑樹C>桑樹A>桑樹B，說明桑樹C具有較高的土壤固結(jié)性，土壤本身不易被破壞。該結(jié)果與之前對容重的分析結(jié)果相一致。這可能是由于桑樹C根系對土壤的加固作用，它在土壤固結(jié)方面優(yōu)于其余2個桑樹種類。

圖3 不同品種桑樹的土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角特征

3 結(jié)論

(1)3種不同品種桑樹均可明顯改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。3種桑樹林地中以劍持土壤理化性質(zhì)的改良效果最好，其顆粒組成中以粗粉粒(0.050～0.001 mm)含量最高(64.17%)，土壤有機(jī)質(zhì)含量最大(30.67 g/kg)。

(2)3種桑樹林地土壤團(tuán)聚體分布不均勻且有較明顯的差異。嘉陵20號>0.25 mm風(fēng)干土團(tuán)聚體含量及>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均最高，分別為97%和61.66%，分別比其余2種桑樹提高2%～3%和4%～11%，表明該桑樹土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好。

(3)3種桑樹林地中以嘉陵20號土壤水穩(wěn)性指數(shù)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和MWD最大，土壤結(jié)構(gòu)破損率最小。這表明該桑樹對提高土壤抗侵蝕性能效果最好。

(4)3種桑樹林地中以嘉陵20號內(nèi)摩擦角最高，其數(shù)值為13.712°，說明該桑樹土壤穩(wěn)定性最好；黏聚力以湖桑32號最高(43.85 kPa)，說明該桑樹土壤固結(jié)性最好，土壤本身不易受到破壞侵蝕。

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Soil Physicochemical Properties and its Anti-erosion of Mulberry Forest Land in Purple Hilly Area

JIANG Xiang-he et al

(College of Natural Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715)

[Objective]The research aimed to provide scientific basis for evaluating soil and water conservation benefits of mulberry objectively. [Method] Soil physicochemical properties and soil anti-erodibility of mulberry forest lands were studied using the mean of soil physicochemical properties analysis. [Result] Mulberry improved soil physicochemical properties, soil anti-erodibility and soil organic content significantly, in which Jianchi forest land had the best effect on improving the condition of soil and the soil organic content was the highest (30.67 g/kg), 1.82 times higher than that of Husang-32. The size distribution of soil aggregate was uneven for all experimental plots, and dried aggregate mainly distributed in >5mm. The content of > 0.25 mm dried aggregate(94.50-97.00%)and water stable aggregate (50.16-61.66%) from three different varieties of mulberry forest lands were greater, in which the content of water stable aggregate of Jialing-20 forest land was the highest (61.66%), which indicated that Jialing-20 had the best effect on improving soil structure and soil stability. Water stable index of Jialing-20 forest land was 0.52, and its structural damage rate was the minimum (36.43%).GMDandMWDof water stable aggregate were 1.06 and 1.33 mm respectively, which indicated that its capability of resisting rainfall erosion and runoff scouring were the strongest. The angle of internal friction of Jialing-20 was 13.712 °, 1.40 times higher than Jianchi. The cohesion of Husang 32 was the highest. It showed that all of these two could make effective influence for the soil. [Conclusion]Jianchi had the best effect on soil physicochemical properties and Jialing-20 had more advantage in improving the stability of soil aggregates, in the orther side Husang 32 could improve the soil cohesion in order to enhance the anti-erosion ability of the soil. All these three kinds of mulberry played an important role in soil and water conservation. Compared with the other two factors, Jialing-20, which was the best in all directions, had the best effects on the soil.

Mulberry; Soil and water conservation; Anti-erosion; Soil physicochemical properties; Purple hilly area

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-22-ZJ0503);西南大學(xué)光炯創(chuàng)新項(xiàng)目(20120205)。

蔣翔鶴(1992-)，女，山東荷澤人，本科生，專業(yè)：水土保持。

2014-04-28

S 157.1

A

0517-6611(2014)15-04636-04