紫色丘陵区不同桑树林地土壤理化特性及抗蚀性差异,农业基础科学论文

　　紫色土是我国主要的土壤类型之一，广泛分布于长江中上游地区，其面积占全国紫色土资源的 51． 28%，土层浅薄，有机质含量低，抗侵蚀和抗冲刷能力弱，在降雨和径流冲刷下极易造成严重的水土流失。紫色丘陵区作为长江中上游地区生态环境建设的重点区域之一，退耕还林还草是改善生态环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结构，提高土壤抗蚀性。土壤抗蚀性反映土壤抵抗水的分散及悬浮能力的大小，与土壤类型、土地利用方式和人为扰动关系密切。桑树作为桑科桑属的落叶乔木，具有生长适应性强、耐旱、耐涝、耐瘠薄以及萌蘖性强的特征，可有效地提高土壤抗蚀性和增强水土保持效益。发展桑蚕产业对生态经济的综合效果显着。采用室内理化性质分析法，笔者研究了紫色丘陵区 3 种不同品种桑树林地土壤理化性质及其抗蚀性差异，以期为该区桑树水土保持效益客观评价提供科学依据。

　　1 材料与方法

　　1． 1 试验区概况
　　试验区位于重庆市北碚区西南大学学苑小区，地处 E 106°24'，N 29°48'，海拔253 m，年均气温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%，处于北碚向斜中部。试验土壤为中生代侏罗系沙溪庙祖灰棕紫色沙泥页岩母质上发育的中性紫色土。在试验区，选取3 种不同品种桑树林地，即剑持、嘉陵 20 号和湖桑32 号) 。不同样地类型基本情况见表 1。【表1】
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　　1． 2 土样采集与分析
　　试验于 2013 年 5 ～ 8 月的每月 15号左右进行，在 3 种桑树林地内分别选择标准株，在其附近样地内采集 0 ～20 cm 土样，采用土壤农化分析法进行室内物理化学性质测定，其中土壤含水量的测定采用烘干法，土壤容重的测定采用环刀法，有机质的测定采用重铬酸钾外加热法，机械组成的测定采用吸管法，风干团聚体和水稳性团聚体的测定分别采用干筛法和湿筛法。选取粒径 7 ～ 10mm 土壤颗粒 50 粒，均匀放置在孔径为 5 mm 土壤筛中，然后静置于水中，前 10 min 每隔 1 min 记录 1 次崩解颗粒数，12min 后每隔 3 min 记录 1 次，连续记录 30 min，最后计算水稳性指数。抗剪强度的测定采用 ZJ 型应变控制式直剪仪。各项理化性质指标的测试均为 3 次重复。
　　
　　1． 3 土壤抗蚀性指标的测定
　　在对已有研究成果进行分析的基础之上，结合该试验的特点，选取水稳定性指数、结构破坏率、平均重量直径、几何平均直径6 个指标评价土壤的抗蚀性能。【1】
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　　式中，K 为水稳性指数; Pi为第 i 分钟分散土粒数，i 取 1，2，3，…，10; Ki为第 i 分钟的校正数; Pj为 10 min 内没有分散的土粒数; A 为试验土粒总数。

　　结构体破坏率公式为:

　　＞ 0． 25 mm 团聚体含量( 干筛－湿筛)＞ 0． 25 mm 干筛团聚体含量× 100%平均重量直径: MWD =ni = 1( wixi)式中，wi为第 i 粒级团聚体的百分数( %) ; xi为相邻两级团聚体的平均粒径( mm) 。【2】
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　　式中，wi为土壤不同粒级团聚体的质量( g) ; xi为相邻两级团聚体的平均粒径( mm) 。

　　1． 4 土壤抗剪性能的测定
　　按照土工试验方法 ( GB /T50123-1999) 标准，采用 ZJ 型( 三速) 应变控制式直剪仪进行快剪试验测定土壤抗剪强度。采用库仑公式，计算抗剪强度指标( 土壤内摩擦角和土壤黏聚力) 。【3】
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　　式中，Tf为土壤抗剪强度; δ 为作用在剪切面上的横向应力;φ 为土壤内摩擦角; C 为土壤黏聚力。

　　2 结果与分析

　　2． 1 桑树林地土壤理化性质特征
　　桑树林地能有效地改善土壤物理性质，明显增加土壤有机质含量。土壤容重影响土壤水分、空气、养分以及耕作阻力等土壤理化性质，其大小与土壤质地、土壤结构及有机质含量等有关。由表 2 可知，不同样地类型的土壤容重在1．25 ～1．29 g/cm3间变化，其大小依次为桑树 C ＞桑树 B ＞桑树 A。3 种桑树对土壤的物理性质均有改善作用，其中以桑树 A 效果最好。不同样地土壤颗粒组成均以粗粉粒含量( 0．05 ～0．001 mm) 最高，其数值在54． 35% ～ 64． 17% 之间，而黏粒( ＜ 0． 001 mm) 、砂粒( 0． 050～ 1． 000 mm) 含量均较低，表明桑树及其根系的存在促进土壤细颗粒成分的保持。各样地土壤有机质含量在 16． 88 ～30． 67 g /kg 间范围变化，其大小依次为桑树 A ＞桑树 B ＞桑树 C，表明在 3 种桑树种类中，桑树 A 对有效提高土壤有机质、维持土壤结构稳定性、增强土壤的抗侵蚀性等具有较高的能力。【表2】
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　　2． 2 桑树林地土壤团聚体结构特征
　　土壤团聚体即土壤结构，是指土壤所含的大小不同、形状不一、有不同孔隙度、机械稳定性和水稳性的团聚体总合，是鉴定和评价土壤抗蚀性的重要指标。团聚体稳定性及其粒径分布是团聚体的2 个重要特征。由表 3 可知，3 种桑树林地具体性质差异在0． 05 水平显着，且其各粒径风干土壤团聚体含量分布不均匀。在土壤团聚体粒径分布中，桑树 B ＞0． 25 mm 风干土团聚体含量最大，桑树 C 最小; ＞5． 00 mm 风干土团聚体含量以桑树 A 最大，比桑树 C 提高了23．03%，表明桑树A 对促进土壤团粒结构的形成更有优势，可使得土壤结构得到有效的改善，提高土壤抗侵蚀能力。【表3】
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　　土壤团聚体稳定性是衡量土壤质量和土壤抗蚀性的重要指标，可用于评价土壤在降雨侵蚀和径流冲刷作用下的破坏程度。土壤样品经湿筛处理后，不稳定的团聚体将会发生崩解，土壤团聚体组成结构也随之发生改变。一般将＞0． 25 mm 的团聚体称为土壤团粒结构体。它是维持土壤结构稳定的基础。其含量越高，土壤结构的稳定性越大。由表3 可知，各样地＞ 2． 00 mm 水稳性团聚体含量明显比风干土团聚体减小，＜ 0． 50 mm 水稳性团聚体含量显着增加。其中，桑树 B ＞0．25 mm 的水稳性团聚体含量略高于其余 2 个林地，分别为桑树 A、桑树 C 的1．22、1．06 倍。这表明桑树 B在降雨后具有较优的固结土壤能力，避免土壤分散为过小的颗粒随水流流走，形成土壤侵蚀。

　　2． 3 桑树林地土壤抗蚀性特征
　　土壤抗蚀性是指土壤抵抗降雨、径流对其分散和悬浮的能力，在侵蚀外营力一定的情况下可反映土壤潜在水土流失特征。选择常用土壤抗蚀性评价指标即土壤水稳定性指数、土壤结构破坏率、平均重量直径和几何平均直径对桑树林地土壤抗蚀性进行评价。

　　由表 3 可知，各样地土壤结构破坏率在 36．43% ～47．59%范围内，其中以桑树 B 土壤团聚体结构破坏率最小，仅为桑树A 的 0． 76 倍，说明该桑树土壤结构稳定性更好，抗侵蚀能力更强。

　　土壤水稳性指数是表征土粒水稳性随时间变化的破坏特征，是衡量土壤抗蚀性的重要指标之一。由图 1 可知，桑树 A 的团聚体破损率明显小于其余 2 种桑树。桑树 A 的土壤团聚体在前 3 min 崩解速率稍快，但总体相比其余 2 种桑树而言较平缓; 桑树 B 的崩解速率在 15 min 时趋于缓慢，与桑树 C 接近，表明在最初土壤干燥时，桑树 B 与桑树 C 的土壤团聚体遇水崩解较强烈，在降雨或径流条件下更易发生水土流失; 而桑树林地土壤团聚体破损率在整个崩解过程中均呈缓慢增加的趋势，在试验第 30 分钟时其团聚体破损率为 62% ～70%。各样地类型土壤水稳性指数大小依次为桑树 B ＞桑树 A ＞桑树 C，表明桑树 B 可改善土壤抗侵蚀能力。

　　土壤团聚体平均重量直径( MWD) 和几何平均直径( GMD) 是反映土壤抗蚀性的重要指标。由图 2 可知，桑树 A 的风干团聚体和水稳性团聚体的 GMD 和 MWD 略高于其余 2 个桑树。风干团聚体 GMD 和 MWD 均表现为桑树 A＞桑树 B ＞桑树 C; 水稳性团聚体 GMD 和 MWD 均表现为桑树B ＞桑树A ＞桑树C，其中桑树B水稳性团聚体的GMD为 1． 06mm，是桑树C的1． 24倍，其MMD为1． 33mm，是桑树 C 的2．25 倍。这表明桑树 B 土壤水稳性团聚体稳定性较好，土壤结构稳定性、抗侵蚀能力相对较强。

　　2． 4 桑树林地土壤力学性质特征
　　土壤抗剪强度是在极限应力的条件下土体的一部分相对另一部分滑动( 剪切) 时土体抵抗剪切破坏的极限强度，也是表征土壤抗侵蚀能力的重要指标之一。由图 3 可知，不同桑树林地土壤内摩擦角表现为桑树 B ＞桑树 C ＞桑树 A，说明桑 B 土壤相较其他 2 个样地土壤而言，更易保持稳定，不易被水流剪切破坏。土壤的黏聚力与容重有较大的关系，容重越大，土体越紧实，土壤黏聚力越高。该试验土壤黏聚力表现为桑树C ＞桑树A ＞桑树 B，说明桑树 C 具有较高的土壤固结性，土壤本身不易被破坏。该结果与之前对容重的分析结果相一致。这可能是由于桑树 C 根系对土壤的加固作用，它在土壤固结方面优于其余 2 个桑树种类。

　　3 结论

　　( 1) 3 种不同品种桑树均可明显改善土壤物理性质，增加土壤有机质含量，改善土壤结构。3 种桑树林地中以剑持土壤理化性质的改良效果最好，其颗粒组成中以粗粉粒( 0. 050 ～0．001 mm) 含量最高( 64．17%) ，土壤有机质含量最大( 30．67 g/kg) 。

　　( 2) 3 种桑树林地土壤团聚体分布不均匀且有较明显的差异。嘉陵 20 号＞ 0． 25 mm 风干土团聚体含量及＞ 0． 25mm 水稳性团聚体含量均最高，分别为 97% 和61． 66% ，分别比其余2 种桑树提高 2% ～3% 和 4% ～11%，表明该桑树土壤团聚体稳定性最好。

　　( 3) 3 种桑树林地中以嘉陵 20 号土壤水稳性指数和水稳性团聚体 GMD 和 MWD 最大，土壤结构破损率最小。这表明该桑树对提高土壤抗侵蚀性能效果最好。
　　
　　( 4) 3 种桑树林地中以嘉陵 20 号内摩擦角最高，其数值为 13．712°，说明该桑树土壤稳定性最好; 黏聚力以湖桑 32号最高( 43．85 kPa) ，说明该桑树土壤固结性最好，土壤本身不易受到破坏侵蚀。

　　参考文献
　　
　　［1］何毓蓉．中国紫色土(Ⅱ) ［M］．北京:科学出版社，2003．
　　［2］马西军，程金花，张洪江，等．山西中阳5 种人工林地土壤的抗蚀性研究［J］．西北农林科技大学学报:自然科学版，2012，40(7) :113 －119．
　　［3］王云琦，王玉杰，朱金兆．重庆缙云山典型林分林地土壤抗蚀性分析［J］．长江流域资源与环境，2005，14(6) :775 －780．
　　［4］陈莉莉，王得祥，张宋智，等．不同密度油松人工林土壤特性及水源涵养功能研究［J］．西北农林科技大学学报:自然科学版，2013，41( 7) :141－149．
　　［5］杜周和，刘俊凤，刘刚，等．桑树作水土防护经济林的研究［J］．广西蚕业，2001，38(3) :10 －12.