大圍山花崗巖風化物發育土壤抗蝕性垂直分異

羅蘭花, 王翠紅, 謝紅霞, 周 清, 周 敏

(1.湖南農業大學 資源環境學院, 長沙 410128; 2.永清環保股份有限公司, 長沙 410014)

土壤抗蝕性是指土壤對侵蝕營力分散和搬運作用的抵抗能力，即土壤對侵蝕的易損性或敏感性的倒數[1]，它是土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應[2]。其大小不僅與土壤內在的理化性質密切相關，還受降雨特性和土地利用狀況等外部因素的影響[3-5]。土壤可蝕性表征的是土壤對侵蝕的敏感程度，是對土壤抗蝕性從另一個角度的描述，是研究土壤侵蝕的重要指標[6]。國際上通常用土壤可蝕性K值這一指標來表征土壤的抗蝕抗沖能力[7]，K值越大，抗蝕抗沖能力越差。

國內外關于土壤抗蝕性的研究方法很多，主要通過測定土壤流失量或以土壤的某些性質來作為土壤抗蝕性指標[8]，對土壤抗蝕性進行評價，但至今未取得普遍適用的指標。1990年Williams等[9]提出侵蝕—生產力評價模型(EPIC)，為土壤可蝕性K值研究提供了計算模型。我國有不少專家學者對我國土壤可蝕性垂直分異特征，開展了很多研究。劉斌濤等[10]揭示了青藏高原土壤可蝕性隨海拔高度升高而降低；張永勤[11]發現武夷山山地土壤可蝕性K值隨海拔升高也呈現遞減的規律。目前對花崗巖發育土壤抗蝕性僅有個別研究，王秋霞等[12]研究了花崗巖崩崗區土壤可蝕因子的空間變化特征；周剛等[13]發現花崗巖紅壤區林地土壤抗蝕性最強，最差的為坡耕地。但對花崗巖風化物發育山地土壤抗蝕性垂直分異特征的研究還是較少。本文選擇湖南省大圍山不同海拔高度的花崗巖風化物發育山地土壤進行抗蝕性研究，利用土壤的5項抗蝕性指標和1項可蝕性指標K值對土壤抗蝕性進行定量表征，揭示花崗巖風化物發育土壤抗蝕性垂直分異特征，為花崗巖風化物發育土壤抗蝕性和大圍山山地土壤侵蝕定量研究提供數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大圍山位于湖南省瀏陽市的東北部，地處湘東幕阜山—羅霄山接壤地帶的大圍山支脈，是重要的旅游勝地和國家森林公園，屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，夏無酷暑、冬無嚴寒，年平均氣溫在11～16℃，平均降雨量1 200～2 000 mm，年相對濕度高于83%。地處亞熱帶典型常綠闊葉林地帶，原生植被多被破壞，現存的主要為原始次林和人工林。海拔高低相差大，地形復雜，雨量充沛，植物資源豐富，植被垂直變化明顯。海拔500 m以下為常綠闊葉林，500～1 000 m為常綠落葉闊葉混交林，1 000～1 400 m為落葉闊葉林，1 400 m以上為草灌群落。大圍山植被狀況較好，覆蓋度大，有利于土壤有機質的積累，使得大圍山土壤有機質含量高，腐殖質層較厚。大圍山成土母質主體是燕山期花崗巖侵入體，土壤垂直地帶變化明顯，一般海拔800 m以下是山地紅壤、800～1 200 m為山地黃壤、1 200～1 600 m為山地黃棕壤、1 600 m以上為山地灌叢草甸土[14]。

1.2 樣地選擇與樣品采集

本研究根據不同海拔高度進行采樣，包括9個土壤剖面A層，采樣過程中完整記錄了土樣采集點經度緯度、土樣所處海拔、土地利用類型，土壤類型、土層采集深度等信息(表1)。本試驗對土壤剖面花崗巖母質發育而成的山地土壤進行分析。

表1 土樣信息表

1.3 研究方法

本文采用的抗蝕性指標中：團聚狀況、團聚度、有機質含量和>0.25 mm水穩性團粒含量數值越大，土壤抗侵蝕能力越好；分散率越高，反映土壤結構水穩性越差，即抗侵蝕能力越差。土壤可蝕性K值定量表現土壤可侵蝕能力，數值越大抗侵蝕能力越小。利用烘干法測定自然風干土壤的水分含量；用吸管法[15]作土壤機械組成分析、微團聚體分析；利用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法[16]測定土壤有機碳含量，再通過計算得到土壤有機質含量。用吸管法[17]測定土壤砂粒、粉粒、黏粒的重量百分數。

團聚狀況、團聚度、分散率、>0.25 mm水穩性團粒含量、土壤有機質含量5項指標及可蝕性K值，計算方法如下：

團聚狀況=(>0.05 mm微團聚體分析值)-(>0.05 mm機械組成分析值)[17]

(1)

團聚度=團聚狀況/(>0.05 mm微團聚體分析值)[17]

(2)

分散率=(<0.05 mm微團聚體分析值)/(<0.05 mm機械組成分析值)[17]

(3)

>0.25 mm水穩性團粒含量=>0.25 mm團粒質量/風

干土樣質量/水分系數[17]

(4)

土壤有機質=土壤有機碳(g/kg)×1.724

(5)

(6)

式中：1.724為土壤有機碳換成土壤有機質的平均換算系數；c為0.800 0 mol/L(1/6 K2Cr2O7)標準溶液的溶度；5為重鉻酸鉀標準溶液加入的體積(ml)；V0為空白滴定用去FeSO4體積(ml)；V為樣品滴定用去FeSO4體積(ml)；3.0為1/4碳原子的摩爾質量(g/mol)；1.1為氧化校正系數；m為風干土樣質量(g)；k為將風干土換算成烘干土的系數。

(7)

(8)

式中：Sa為砂粒(0.05～2 mm)的重量百分數；Si為粉粒(0.002～0.05 mm)的重量百分數；Cl為黏粒(<0.002 mm)的重量百分數；C為百分數表示的土壤有機碳含量，由有機質含量除以1.724得到；K值計算結果為美國制單位[9,18]，乘以0.131 7換算為國際制單位[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質含量和土壤顆粒組成

189 m處因海拔低受人類活動的影響大，將其除去進行分析。土壤有機質是土壤水穩性結構的膠結劑，含有機質豐富的土壤可形成較多良好結構，增加土壤疏松度和通透性，從而增加了土壤的抗蝕性的能力[19]。除去海拔為189 m處的土樣，1 488 m處有機質含量最少，為26.93 g/kg；其余七個剖面土樣的有機質含量均高于38 g/kg，1 249 m處的土壤有機質含量高達95.42 g/kg。總體上，大圍山花崗巖風化物發育山地土壤有機質含量較高，養分豐富，土壤肥沃。由于有機質含量受到植被覆蓋情況，母質形成條件、氣候等多種因素的影響，利用SPSS相關性分析得出，土壤有機質含量與海拔相關性很小，相關系數僅為-0.58(表2)。

機械組成中<0.05 mm土粒含量明顯大于>0.25 mm土粒含量。土樣中189 m和1 578 m處的>0.25 mm土粒含量稍小，分別為9.82%，10.05%，1 582 m的>0.25 mm土粒含量達到26.5%，其余6個土樣>0.25 mm土粒含量差異不明顯。土樣中<0.05 mm土粒含量最小為51.50%，最大為68.44%，>0.05 mm土粒含量與海拔相關性很小，相關系數僅為0.023。微團聚體組成中<0.05 mm土粒含量小于>0.25 mm土粒含量，各土樣的>0.25 mm土粒含量差異不大，與海拔的相關系數僅為-0.292；>0.05 mm土粒含量中除189 m，1 535 m處的稍高，其余土樣>0.05 mm土粒含量都偏低，總體上隨海拔升高有增加的趨勢，但趨勢不明顯，相關系數為0.617(表3)。

表2 不同海拔土壤有機質含量

表3 不同海拔土壤機械組成及微團聚體組成

2.2 土壤抗蝕性特征及垂直分異

通過計算得出不同海拔土壤的5項抗蝕性指標(圖1)。189 m處因海拔低受人類活動的影響大，在做土壤抗蝕性垂直分異特征分析時，將該點剔除。土樣團聚狀況數據中，土樣團聚狀況最小為0.334，最大為0.470，差異不大，土樣團聚狀況隨海拔升高而減小，相關系數為-0.876，顯著性為0.004，通過顯著水平0.05的檢驗。1 582 m處的土壤團聚度最小為0.436，937 m處的為0.512，土壤的團聚度與海拔呈較為顯著的負相關，相關系數為-0.836，顯著性為0.010。由<0.05 mm微團聚體分析值與機械組成分析值計算獲得土壤的分散率，1 535 m處采集的土樣分散率最大，總體上土壤的分散率隨海拔升高而增大，但不太顯著，相關系數僅為0.682。>0.25 mm水穩性團粒含量僅1 535 m為672.77 g/kg，水穩性團粒含量適中，另外七個不同海拔高度土樣水穩性團粒含量都高于700 g/kg，且含量隨海拔變化規律不明顯。綜合5項抗蝕性指標的數值可知，除去受人類活動干擾較大土樣數據(海拔189 m)，土壤團聚狀況、團聚度兩項指標和海拔高度的相關性可以得出土壤抗蝕性隨海拔高度的升高呈現遞減的趨勢，且較為顯著；>0.25 mm水穩性團粒含量、有機質含量和分散率三項指標與海拔高度的相關性很小。總體而言隨海拔高度升高，土壤抗蝕性呈現不顯著的遞減趨勢。

圖1不同海拔土壤抗蝕性指標曲線

利用EPIC模型計算不同海拔土壤可蝕性K值(圖2)。同樣將受人類干擾較大的海拔189 m處的土樣數據剔除進行分析，從計算結果可知：從不同海拔采集土樣的可蝕性K值均處于0.028～0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范圍間，這與王秋霞等[12]對花崗巖崩崗區土壤淋溶層可蝕性K值研究的結果是一致的。根據梁音、史學正[7]研究得到我國東部丘陵區土壤可蝕性K值的分級指標，土樣可蝕性級別為中可蝕性土壤和中高可蝕性土壤，即屬于易被侵蝕的土壤。1 582 m處的可蝕性K值為0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，土壤的抗侵蝕能力相對較差。土壤可蝕性K值隨海拔高度的升高而增大，趨勢較顯著，相關系數為0.783，顯著性為0.022，通過顯著水平0.05的檢驗。由土壤可蝕性K值得到土壤抗蝕性隨海拔高度升高呈現遞減，且遞減趨勢較為顯著。

圖2可蝕性K值點狀圖

3 結 論

通過在大圍山不同海拔高度采集土樣，測定土樣有機質含量、土壤機械組成和微團聚體含量，計算出土壤的5項抗蝕性指標，并通過EPIC模型法估算土壤可蝕性K值。結果表明：大圍山花崗巖風化物發育的山地土壤的可蝕性K值在0.028～0.033 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范圍間，屬于中可蝕性土壤和中高可蝕性土壤，即為較易被侵蝕的土壤。土壤可蝕性K值隨海拔高度的升高而增大，趨勢較顯著，顯著性通過0.05水平的檢驗。5項抗蝕性指標中有機質和>0.25 mm水穩性團粒含量與海拔高度相關性不大，土壤團聚狀況和團聚度與海拔高度呈負相關，相關系數分別為-0.876和-0.836，土壤分散率隨海拔高度的升高而增大，但趨勢不顯著，相關系數僅為0.682。總的來說，大圍山花崗巖風化物發育的山地土壤抗侵蝕能力弱，易被侵蝕，隨著海拔高度升高土壤抗蝕性呈現遞減的趨勢，但是趨勢不顯著。

大圍山花崗巖風化物發育的山地土壤抗蝕性不僅受海拔高度的影響，也受到氣候、植被、人類活動等因素的影響，抗侵蝕能力弱，為避免水土流失，應注意加強防治措施。大圍山的原生植被幾乎被破壞，現存植被幾乎都是原始次林和人工林，這可能對土壤的抗侵蝕能力造成一定的影響。但原因還需進一步研究。

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