三峽庫區紫色土坡耕地表土的可蝕性研究

徐文秀， 韋 杰， 李進林， 鮑玉海， 李沙沙

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院， 重慶 401331； 2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室， 重慶 401331；3.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所， 山地表生過程與生態調控重點實驗室， 四川 成都 610041)

土壤可蝕性是指土壤對侵蝕的敏感程度，即土壤受雨滴擊濺、徑流沖刷以及壤中流等作用而被分散和搬運的難易程度[1-2]，也是評價土壤質量的重要指標。下伏基巖、土壤質地、團聚體特征、土地利用方式等因素均可影響土壤的可蝕性[3-4]。其中，下伏基巖是土壤的最初物質來源，可通過決定土壤的成土母質、礦物特征、土壤質地等影響土壤可蝕性[5]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，在調節土壤養分、增強土壤抗蝕性等方面具有重要作用[6]。不同土地利用方式下的表土顆粒組成和緊實度特征不同，從而可使特定區域內的土壤可蝕性因土地利用方式而存在明顯的空間分異[7]。通常情況下，相比林地、草地而言，耕地表層土壤疏松破碎，穩定性團聚體含量較低，且耕作行為的擾動較頻繁，其抗侵蝕能力相對較弱[7-8]。一般認為，土壤有機質具有良好的膠結粘合效果，可通過促進穩定性團聚體的形成而提高土壤的抗蝕性[9]。然而，也有研究表明，土壤有機質與可蝕性之間沒有顯著的相關性[10]。

紫色土坡耕地是三峽庫區農業活動的主要場所，但紫色土土層薄、水穩性差、抗蝕能力弱，水土流失強烈，侵蝕模數可高達3 464～9 452 t/(km2·a)[11]。埂坎和水平溝是重要的水土保持措施，通過分割坡長調控坡耕地土壤侵蝕，均具有較好的水土保持效果[12]。研究表明，較無措施坡耕地而言，埂坎和水平溝2種坡耕地的減蝕效應分別為77%和63%[12]。當前，有關紫色土坡耕地的研究主要集中在耕層質量評價、水土保持措施效益評價、土壤養分平衡等方面[13-15]。然而，有關紫色土坡耕地表土可蝕性的報道相對較少。本文選取三峽庫區腹地的埂坎和水平溝2種坡耕地作為研究對象，并以無措施坡耕地為對照，以期揭示坡耕地表土可蝕性特征，為三峽庫區紫色土坡耕地水土保持措施空間配置優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.2 樣品采集和測試

通過野外調查，分別在忠縣白廟村選取無措施紫色土坡耕地，在屏山村和新政村選取設有埂坎和水平溝的紫色土坡耕地作為采樣地。無措施坡耕地由于耕作自然形成上下不同坡度兩個地塊，埂坎和水平溝坡耕地均為上下兩個地塊，各地塊概況見表1。采用平行雙剖面線法，即從坡上向坡下拉皮尺，在距皮尺左右兩側50 cm處分別采樣并混合，根據不同地塊的坡長和坡度分別確定采樣間隔，采樣間隔控制在1～3 m內。利用內徑3.5 cm取土鉆，采集表層土壤(0—20 cm)，每個采樣點采集2 kg土樣，用密封袋保存好帶回實驗室進行理化分析。用MS 2000激光粒度分析儀測定土壤顆粒組成，采用美國土壤粒級分類標準將土壤顆粒分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(>0.05～2 mm)，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定。

表1 采樣坡耕地各地塊概況

1.3 土壤可蝕性K值計算

采用Williams等[16]提出的EPIC(erosion-productivity impact calculator)模型，該模型因物理意義明確和計算簡便而得到廣泛應用。計算公式為：

K={0.2+0.3exp〔-0.025 6SAN(1-SIL/100)〕}×

式中：SAN——砂粒(>0.05～2 mm)含量(%)；SIL——粉粒(0.002～0.05 mm)含量(%)；CLA——黏粒(<0.002 mm)含量(%)；C——有機碳含量(%)；SN1=1-SAN/100。計算的土壤可蝕性K值為美國制單位，將其乘以0.1317則轉變為國際制單位( t·hm2·h) /( MJ·mm·hm2)。

2 結果與分析

2.1 紫色土坡耕地表土顆粒組成

紫色土坡耕地表土的黏粒、粉粒和砂粒含量分別為6.05%～10.58%，16.53%～48.02%和45.78%～76.29%，但不同水土保持措施坡耕地表土顆粒組成存在差異(圖1)。無措施坡耕地表土砂粒含量高于埂坎和水平溝2種措施坡耕地，分別為29.58%，26.3%和25.69%。表土粉粒含量最高的是水平溝坡耕地(66.62%)，其次是埂坎坡耕地(65.65%)，無措施坡耕地最低(62.39%)。3種坡耕地表土黏粒含量差異不大，埂坎為8.05%，無措施為8.03%，水平溝為7.68%。土壤顆粒組成分形維數與黏粒含量呈顯著正相關[17]，因此3種坡耕地表土顆粒組成分形維數差異不大，介于2.56～2.71之間。埂坎坡耕地上下地塊表土黏粒含量和顆粒組成分形維數均存在顯著性差異(p<0.05)，而粉粒和砂粒含量沒有顯著差異。對于無措施和水平溝2種坡耕地而言，上下地塊表土各顆粒含量和顆粒組成分形維數均沒有顯著性差異(表2)。總體來看，埂坎坡耕地和水平溝坡耕地中，上地塊下坡位表土粉粒含量均高于緊鄰的下地塊上坡位，砂粒含量則相反，相比而言，埂坎坡耕地更為明顯(圖1b,1c)。同一地塊內，粉粒含量和黏粒含量在中下坡位較高，在上坡位較低，砂粒含量則正好相反(圖1)。

2.2 紫色土坡耕地表土有機質含量

水平溝和埂坎2種坡耕地的表土有機質含量均低于無措施坡耕地，分別為0.97%，0.86%和1.11%。原因可能是無措施坡耕地存在間歇性撂荒，而有措施坡耕地為常用耕地，土壤有機質消耗較多。總體來看，埂坎和水平溝2種水土保持措施坡耕地的上地塊表土有機質含量高于下地塊，相比而言，水平溝坡耕地更明顯(表2)。這可能是因為埂坎和水平溝均具有較好的水土保持效果，上地塊的土壤養分流失得到了一定控制[12]。地塊尺度內，表土有機質含量在中下坡位較高，這與粉粒含量和黏粒含量在坡面上的分布相同(圖1)，原因可能是有機質被細顆粒吸附后，隨泥沙的輸移而遷移[18-20]。埂坎坡耕地上地塊下坡位表土有機質含量高于緊鄰的下地塊上坡位，而水平溝的這種差異不明顯(圖1b,1c)，說明埂坎的水土保持效果更好。這主要是因為埂坎能夠完全分割坡面，而深度較淺的水平溝容易被泥沙淤滿，從而失去截流攔沙作用。

表2 坡耕地表土性質描述性統計

注：同列數據后不同小寫字母表示不同地塊間差異顯著(p<0.05)。

圖1 坡耕地表土顆粒組成、有機質含量和可蝕性K值分布

2.3 坡耕地表土可蝕性K值及其影響因素

紫色土坡耕地表土可蝕性K值介于0.043 8～0.059 2之間。坡面尺度內，埂坎和水平溝2種坡耕地的上地塊表土可蝕性K值均高于下地塊，相反，無措施坡耕下地塊比上地塊高，但是均沒有通過顯著性檢驗(表2)。地塊尺度內，表土可蝕性K值在中下坡位較高，且最高值出現在地塊坡面的3/4處(圖1)。埂坎坡耕地和水平溝坡耕地中，下地塊上坡位表土可蝕性K值均比緊鄰的上地塊下坡位低，分別低16.55%和6.30%(圖1)。紫色土坡耕地表土可蝕性K值與土壤理化性質的相關分析結果表明，表土可蝕性K值與粉粒含量、黏粒含量和分形維數呈正相關，相關系數分別為0.993，0.425和0.740，其中與粉粒含量呈極顯著正相關(p<0.01)。表土可蝕性K值與砂粒含量和有機質含量呈負相關，相關系數分別為-0.978和-0.434，其中與砂粒含量呈極顯著負相關(p<0.01)(表3)。坡耕地表土抵抗坡面徑流侵蝕能力低，土壤容易被侵蝕而產生大量泥沙，土壤可蝕性K值較大。

表3 表土可蝕性K值與土壤理化性質的相關分析結果

注：**代表顯著性水平為0.01。

3 討 論

紫色土坡耕地表土可蝕性K值介于0.043 8～0.059 2之間，與史東梅等[21]的研究結果基本一致。不同措施坡耕地間可蝕性K值沒有顯著性差異，可能是因為不同坡耕地下伏基巖性狀相似，土壤的顆粒特征、可蝕性等屬性差異不大。紫色土是由侏羅紀、白堊紀時期形成的紫紅色砂巖和頁巖風化而成，成土速率快，但粗顆粒含量較多、有機質和穩定性團聚體含量低，其抗蝕能力低于黃壤、紅壤和棕壤[21-25](表4)。三峽庫區人地矛盾較為突出、耕作強度高，再加上庫區雨量充沛、暴雨集中，導致了紫色土坡耕地的土壤侵蝕較為強烈[11]。

地塊尺度內，坡耕地的中下坡位表土粉粒含量和黏粒含量較高，原因是中下坡位匯流面積較大，產流量較大，易侵蝕產沙和發生沉積，是坡面侵蝕泥沙的主要來源，細顆粒含量較高[18-20]。同時，侵蝕泥沙在地塊下坡位被埂坎和水平溝攔截并沉積，故與無措施相比，埂坎和水平溝坡耕地上地塊下坡位細顆粒含量均明顯高于緊鄰的下地塊上坡位，且埂坎攔沙截流作用強于水平溝，其上地塊下坡位與下地塊上坡位間細顆粒含量的差異明顯大于水平溝。埂坎和水平溝2種水土保持措施均能通過攔截坡面徑流和泥沙發揮水土保持效益[12]，其中埂坎發揮的水土保持效果較好。坡面尺度內，表土可蝕性K值在中下坡位較大，總體來看，最高值多出現在坡面的3/4處附近，這與坡面侵蝕—堆積過程導致的坡面表土顆粒組成、有機質含量空間分異有直接關聯[18-20]。總體來看，紫色土坡耕地表土抗侵蝕能力弱，且中下坡位抗侵蝕能力明顯較低，而埂坎和水平溝對坡面侵蝕具有一定的調控作用，2種水土保持措施的實施對提高坡耕地表土抗蝕性具有重要意義。

表4 不同土壤類型下坡耕地土壤可蝕性K值描述性統計

4 結 論

(1) 紫色土坡耕地表土粉粒含量較高，黏粒含量較低，分別為45.78%～76.29%和6.05%～10.58%。坡面尺度內，埂坎坡耕地上地塊下坡位粉粒含量明顯大于緊鄰的下地塊上坡位。地塊尺度內，表土砂粒含量在上坡位較高，粉粒含量和黏粒含量在中下坡位較高。

(2) 紫色土坡耕地表土有機質含量介于0.61%～1.48%之間。坡面尺度內，埂坎坡耕地上地塊下坡位有機質含量明顯大于緊鄰的下地塊上坡位。地塊尺度內，表土有機質含量在中下坡位較高。

(3) 紫色土坡耕地表土可蝕性K值介于0.043 8～0.059 2之間。坡面尺度內，埂坎和水平溝坡耕地下地塊上坡位表土可蝕性K值均低于緊鄰的上地塊下坡位，埂坎表現較為明顯。地塊尺度內，表土可蝕性K值在中下坡位較高，且最高值出現在坡面的3/4處。表土可蝕性K值與粉粒含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與砂粒含量極顯著呈負相關(p<0.01)。