楊 懿，高華端，李曉松，王 群，羅 爽

(貴州大學林學院, 550025, 貴陽)

土壤侵蝕是近年來人類社會面臨的最嚴峻的全球性生態(tài)環(huán)境問題，已嚴重威脅到人類生存和土地可持續(xù)發(fā)展[1-2]，體現(xiàn)為土地資源破壞、江河湖庫淤積、洪澇干旱加劇等，對農業(yè)生產和環(huán)境都產生巨大的威脅[3-4]。坡耕地作為主要侵蝕地類[5]，其水土流失嚴重、土層變薄、土壤肥力下降[6-7]，同時由于其侵蝕產沙量相對較高，已經成為河流泥沙的主要策源地[8]。貴州省作為西南山地丘陵區(qū)最具代表性的省份之一，山地和丘陵面積高達92.5%[9]，而不合理的開墾導致大量坡耕地出現(xiàn)[10]，據(jù)資料顯示，2014年貴州省坡耕地面積占全省耕地面積的82.9%[11]，該區(qū)域坡耕地土壤侵蝕情況需密切關注；因此明晰坡耕地土壤侵蝕特征，對于區(qū)域水土流失治理具有重要意義[12]。

土壤可蝕性是評價土壤質量的指標之一，也是衡量土壤對侵蝕的敏感程度及土壤被外營力作用搬運和分散的難易程度的參數(shù)[13]，國際上通常使用土壤可蝕性因子K值來衡量這一指標[14]。近年來，眾多學者都對不同地區(qū)的土壤可蝕性進行不同層面的研究。研究結果表明植被類型[15]、氣候[16]、種植模式[17]和凍融作用[18]等都對土壤可蝕性存在一定的影響?，F(xiàn)有研究大多數(shù)從單一影響因素出發(fā)，缺乏人為因素和自然因素相結合的研究。而巖性作為影響土壤發(fā)育的重要自然因素，制約著土壤的理化性質[19]，不同巖性發(fā)育形成的土壤在土層厚度[20]和土壤礦物學特征[21]上均有所差異，因而母巖的性質控制著土壤侵蝕的空間布局和發(fā)展程度[22]；耕犁擾動則是影響土壤性質的主要人為因素，長期耕犁會改變土壤的理化性質，破壞土壤結構，造成土壤養(yǎng)分流失等[23-24]。

目前關于貴州省水土流失研究多集中于喀斯特地區(qū)，由碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤上，但貴州地質情況復雜，還分布著很多非碳酸鹽巖形成的土壤。同時關于巖性和耕犁對可蝕性影響的研究較少，特別是不同巖性區(qū)土壤由于耕犁擾動導致可蝕性差異變化尚未見報道；因此，本研究以貴州省貴陽市花溪區(qū)不同巖性發(fā)育形成的坡耕地為研究對象，通過研究不同巖性巖石發(fā)育形成的土壤在耕犁擾動下的土壤理化性質變化，進而分析巖性和耕犁擾動對坡耕地土壤可蝕性的影響，旨在為區(qū)域坡耕地水土流失治理、提高土壤抗侵蝕能力提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為貴州省貴陽市花溪區(qū)(E 106°27′～106°52′，N 26°11′～26°34′)，平均海拔1 226 m，年均降雨量1 178.3 mm。全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，以廣泛出露的二疊系、三疊系石灰?guī)r、白云巖、砂頁巖及侏羅系紫色砂頁巖為其主要特征，全區(qū)地帶性土壤為黃壤，土壤類型主要為酸性黃壤土和石灰土，小部分紫色土和水稻土等[25]。

2 材料與方法

2.1 樣地選取和樣品采集

根據(jù)研究區(qū)地層分布特征，選擇由石灰?guī)r、紫色砂巖和砂頁巖發(fā)育形成的坡耕地為取樣區(qū)域，其中石灰?guī)r坡耕地位于花溪區(qū)小圍寨，砂頁巖坡耕地位于花溪區(qū)孟關鄉(xiāng)上板村，紫色砂巖坡耕地位于花溪區(qū)孟關鄉(xiāng)翁巖村。研究區(qū)坡耕地因常年耕作，土壤受到耕犁這一物理過程擾動影響，導致耕犁層和犁底層表現(xiàn)出土壤性質、顏色和土層硬度的差異；其中耕犁層表現(xiàn)出受耕犁擾動后的土壤性質，厚度通常介于20～40 cm之間，犁底層因未受耕犁擾動，表現(xiàn)出土壤原有性質，厚度不定；因此分別采集耕犁層和犁底層的土壤樣品進行測定。

從2018年10月—2019年7月，共調查土壤剖面60個(石灰?guī)r區(qū)、砂頁巖區(qū)和紫色砂巖區(qū)坡耕地各20個)，采集土壤樣品120個(石灰?guī)r區(qū)、砂頁巖區(qū)和紫色砂巖區(qū)坡耕地的耕犁層和犁底層各采集20個)。樣地海拔為1 047～1 198 m，樣點均位于坡中下部位，樣點坡度為8°～25°，坡向多為南坡、東坡和西南坡，所種植的作物均為當?shù)氐牡湫娃r作物，種植方式多為連作和輪作。

2.2 樣品分析與指標計算

土壤顆粒組成采用吸管法測定，采用美國制粒徑分級標準；土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，每個土壤樣品的各項指標重復測定3次，最終取平均值記錄結果。

土壤可蝕性因子K值計算采用Williams等在1990年建立的EPIC模型，該模型在土壤侵蝕預測模塊中采用土壤有機碳和顆粒組成數(shù)據(jù)來估算土壤可蝕性因子K值[26]。K值單位為美國制單位(short tont·acre·h/(100 ft·acre·short ton·in))，為便于與同類研究對比，將其乘以0.131 7后轉為國際制單位(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和 SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、顯著性分析和相關性分析，用 Sigmaplot軟件繪制圖形。

3 結果與分析

3.1 巖性對土壤顆粒組成和有機質質量分數(shù)的影響

由3種巖石發(fā)育形成的土壤顆粒組成情況如圖1所示?？梢?，3個巖性區(qū)土壤砂粒比例依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r；粉粒比例依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r；黏粒比例依次表現(xiàn)為：石灰?guī)r>砂頁巖>紫色砂巖。紫色砂巖區(qū)土壤和砂頁巖區(qū)土壤在3種粒徑比例上均無明顯差異，而石灰?guī)r區(qū)土壤粉粒和黏粒比例顯著高于紫色砂巖區(qū)和砂頁巖區(qū)。

不同小寫字母表示相同指標不同巖性之間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate the same index difference significant among different lithology(P<0.05). The same below.圖1 土壤顆粒組成分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil particle composition

由表1可知，研究區(qū)土壤有機質質量分數(shù)介于3.81～68.16 g/kg之間，其中紫色砂巖區(qū)、砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)土壤有機質質量分數(shù)均值分別為21.23、32.89和37.72 g/kg；3個巖性區(qū)土壤有機質質量分數(shù)均屬于中等變異。經數(shù)據(jù)分析后得出，紫色砂巖區(qū)土壤有機質質量分數(shù)顯著低于砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)，砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)無顯著差異。

表1 不同巖性區(qū)有機質質量分數(shù)的描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of organic matter contents in different lithologic regions

3.2 耕犁對土壤顆粒組成和有機質質量分數(shù)的影響

表2描述了不同巖性發(fā)育形成的土壤，耕犁層和犁底層的土壤顆粒組成特征，可知，紫色砂巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)的耕犁層和犁底層土壤各粒級比例均無顯著差異，但砂頁巖區(qū)耕犁層土壤黏粒比例顯著小于犁底層。石灰?guī)r區(qū)耕犁層黏粒比例顯著高于砂頁巖和紫色砂巖，紫色砂巖和砂頁巖耕犁層黏粒比例無顯著差異，但3個巖性區(qū)犁底層土壤黏粒比例兩兩差異顯著；3個巖性區(qū)耕犁層粉粒比例無顯著差異，但砂頁巖區(qū)犁底層粉粒比例顯著低于石灰?guī)r區(qū)。

表2 不同巖性區(qū)不同耕層的土壤顆粒組成特征Tab.2 Characteristics of soil particle composition in different plough layers in different lithologic regions

由圖2可知，3個巖性區(qū)土壤有機質質量分數(shù)均表現(xiàn)出耕犁層顯著大于犁底層。其中耕犁層表現(xiàn)出：砂頁巖>石灰?guī)r>紫色砂巖，而犁底層表現(xiàn)出：石灰?guī)r>砂頁巖>紫色砂巖；同時石灰?guī)r區(qū)犁底層有機質質量分數(shù)顯著高于其他2個巖性區(qū)，但耕犁層卻表現(xiàn)出石灰?guī)r和砂頁巖區(qū)無顯著差異，且顯著高于紫色砂巖區(qū)。

圖2 不同巖性區(qū)不同耕層的土壤有機質質量分數(shù)特征Fig.2 Characteristics of organic matter contents in different soil layers in different lithologic regions

3.3 土壤質地分布

圖3是根據(jù)研究區(qū)土壤顆粒組成繪制的土壤質地三角圖，可知，研究區(qū)土壤質地主要為壤土、黏壤、粉黏壤和粉黏土，其中紫色砂巖和砂頁巖發(fā)育形成的土壤以砂粒和粉粒為主，因此多為黏壤和壤土，石灰?guī)r則以粉粒和黏粒為主，所以多為粉黏土、黏土和粉黏壤。

圖3 不同巖性區(qū)土壤質地三角圖Fig.3 Triangle of soil texture in different lithologic regions

研究區(qū)各土壤質地K值特征見表3，可知研究區(qū)土壤一共分為8個類別，其K值大小依次表現(xiàn)為：粉壤>壤土>砂壤>粉黏壤>黏壤>粉黏土>砂黏壤>黏土，其中黏土K值顯著低于其他土壤質地類型，粉壤K值顯著高于其他土壤質地類型。

表3 不同土壤質地可蝕性因子特征Tab.3 Erodibility characteristics of different soil textures

3.4 坡耕地土壤可蝕性K值

研究區(qū)K值描述性統(tǒng)計分析見表4。由表可知，研究區(qū)K值變化范圍介于0.041 9～0.059 3之間，3個巖性區(qū)K值大小依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r，其中最大值和最小值均出現(xiàn)在砂頁巖區(qū)，同時砂頁巖區(qū)的變異系數(shù)也是3個區(qū)中最大的，但3個巖性區(qū)土壤可蝕性因子K值變異系數(shù)均在10%以下，說明均只存在低等程度的變異性。

表4 不同巖性區(qū)的土壤可蝕性因子K值描述性統(tǒng)計分析Tab.4 Descriptive statistical analysis of soil erodibility K in different lithologic regions

圖4可知，3個巖性區(qū)中，耕犁層土壤K值按大小變化依次表現(xiàn)為：砂頁巖>紫色砂巖>石灰?guī)r，犁底層依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r；其中紫色砂巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)的耕犁層和犁底層土壤可蝕性因子K值未表現(xiàn)出明顯差異，但砂頁巖區(qū)的耕犁層K值顯著高于犁底層。從犁底層來看，紫色砂巖區(qū)土壤可蝕性因子K值顯著高于砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)，而砂頁巖和石灰?guī)r區(qū)則無顯著差異，但從耕犁層來看，紫色砂巖區(qū)土壤可蝕性因子K值與砂頁巖區(qū)無顯著性差異，且和石灰?guī)r區(qū)也無顯著性差異，但砂頁巖區(qū)K值顯著高于石灰?guī)r區(qū)。

圖4 不同巖性不同耕層的土壤可蝕性因子K值分布特征Fig.4 Distribution characteristics of soil erodibility K value of different lithology and different soil layer

4 討論

本研究區(qū)中，土壤共分為8種質地類型，而土壤質地是土壤的一種十分穩(wěn)定的自然屬性，可以反映母質來源及成土過程某些特征，因此3種巖性區(qū)的土壤質地類型存在差異。研究結果表明，基于EPIC模型下，研究區(qū)8種土壤質地中，黏土可蝕性最小，粉壤可蝕性最大，且黏粒比例越高的土壤可蝕性越小，因為黏粒具有強吸附力，土壤膠結作用較強，因此抗侵蝕能力較強。

研究區(qū)中由紫色砂巖發(fā)育形成的坡耕地土壤K值最大，最易被侵蝕，砂頁巖發(fā)育形成的坡耕地土壤次之，石灰?guī)r發(fā)育形成的坡耕地土壤可蝕性最弱。是由于紫色砂巖是巖石經風化、剝蝕、搬運在盆地中堆積形成的陸相碎屑沉積巖，其中含大量難以風化的石英顆粒，發(fā)育形成的土壤砂粒比例高，黏粒比例較少，因此多為壤土和黏壤，所以抗蝕能力弱；石灰?guī)r主要是在淺海的環(huán)境條件下，由化學沉積作用和生物化學沉積形成的，以方解石為主的碳酸鹽類巖石，石灰?guī)r發(fā)育的土壤黏粒比例高，土壤黏重，多為粉黏土、粉黏壤和黏土，因此抗蝕性相對較強；砂頁巖是在靜水的環(huán)境中，泥沙經過長時間沉積的黏土巖類砂質頁巖，發(fā)育形成的土壤各粒級顆粒分布情況與紫色砂巖相似，多為黏壤和壤土[27-28]。因此不同巖性發(fā)育形成的坡耕地土壤由于成土過程差異可能導致土壤理化性質差異，土壤可蝕性作為土壤固有屬性之一也受到巖性影響。

此外，研究結果表明，砂頁巖發(fā)育形成的坡耕地土壤耕犁層和犁底層K值存在顯著差異；紫色砂巖區(qū)犁底層和砂頁巖區(qū)及石灰?guī)r區(qū)犁底層土壤K值均存在顯著差異，但耕犁層卻表現(xiàn)出無顯著差異；砂頁巖區(qū)和石灰?guī)r區(qū)犁底層土壤K值未表現(xiàn)出顯著差異，但耕犁層卻出現(xiàn)顯著差異。這些結果均可以說明耕犁擾動對于土壤的影響是明顯存在的，一方面耕犁層長期受到耕犁擾動，導致同一巖性發(fā)育形成的耕犁層和犁底層土壤可蝕性因子K值出現(xiàn)顯著差異，另一方面由于耕犁擾動，耕犁層土壤養(yǎng)分、細粒流失，導致土壤性質發(fā)生改變，使得由不同巖性發(fā)育形成的土壤原本無顯著差異，經過耕犁擾動以后出現(xiàn)顯著差異，或者原本存在顯著差異的土壤經過耕犁擾動后反而無顯著差異2種情況出現(xiàn)。已有研究表明耕地的土壤侵蝕是所有地類中最劇烈的[29]，所以可以認為耕犁擾動對坡耕地土壤侵蝕存在影響；已有研究表明耕犁擾動會通過影響土壤含水量[30]、土壤內聚力[31]、土壤緊實度、土壤密度及抗剪強度[32]等來影響土壤侵蝕的強度和程度。總的來說，耕犁擾動對土壤性質的改變是確定的，但耕犁擾動和土壤侵蝕之間怎樣相互作用還有待進一步研究。

5 結論

研究區(qū)土壤可蝕性因子介于0.041 9～0.059 3之間。其中粉壤最易被侵蝕，黏土抗蝕性最強；而3種巖性區(qū)中，石灰?guī)r發(fā)育形成的坡耕地土壤抗蝕能力較強；紫色砂巖發(fā)育形成的坡耕地土壤抗蝕能力較弱；從犁底層來看，可蝕性因子K值大小依次表現(xiàn)為：紫色砂巖>砂頁巖>石灰?guī)r，但從耕犁層來看，依次表現(xiàn)為：砂頁巖>紫色砂巖>石灰?guī)r，說明耕犁擾動對坡耕地土壤可蝕性因子存在一定的影響，而砂頁巖區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。