紫色土区植物篱对土壤贮水及渗透性的影响

　　摘 要：为探讨紫色土区植物篱对土壤贮水及渗透性的影响，以玉米地为对照，针对土壤滞留贮水量、吸持贮水量和饱和贮水量表征土壤的贮水特征，以及初始入渗率、稳定入渗率、平均渗透率和渗透总量表征土壤渗透性，对新银合欢和香根草植物篱进行研究。结果表明：植物篱的贮水能力和渗透性明显大于对照玉米地，且植物篱对土壤滞留贮水功能的改善程度大于对土壤吸持贮水功能的改善，从而表明植物篱可明显改善土壤的贮水能力和渗透性，对涵养水源，降低水土流失有显著效果。2种植物篱中香根草植物篱对土壤的贮水能力和渗透性的改善效果均优于新银合欢植物篱的改善效果。 　　关键词：紫色土；植物篱；土壤贮水；渗透性 　　中图分类号：S157.1 文献标识码：A 　　近年许多研究表明，植物篱能有效减缓坡耕地土壤侵蚀，降低水土流失，典型形式是在沿坡面等高线种植植物篱带。目前国内外，对植物篱控制土壤侵蚀的成效、机理及其对土壤养分的影响已有一定的研究[1-5]，研究的区域也多集中在南方红壤区、黄土高原区、干热河谷区等[6-8]水土流失严重地区，对紫色土坡耕地山区研究较少。 　　研究紫色土坡耕地区不同植物篱的土壤贮水特征和渗透性对于防止土壤侵蚀、减少地表径流、增加土壤入渗等具有重要的理论意义，本研究通过对不同植物篱对土壤贮水及渗透性的影响研究，对比分析出不同植物篱对土壤贮水特征和渗透性改善效果的差异，为紫色土坡耕地治理模式的优化、植物篱的推广利用提供理论指导。 　　1 材料与方法 　　1.1 试验点概况 　　试验点位于四川省遂宁市安居区水土保持试验站，位于N30°21′51″，E105°28′37″，地处川中盆地中部，嘉陵江中下游丘陵区，属涪江水系一级支流琼江流域，属亚热带季风气候，年平均气温18.2℃，多年平均降雨量933.3mm，5～9月集中降雨量可占全年降雨量的72.6%。母岩为侏罗系遂宁组岩层发育而成的红棕紫色土，土壤pH呈中性到微碱性，有机质和氮素含量低，土壤抗冲刷和抗蚀能力均较弱。 　　1.2 试验设计和样品采集 　　在试验站选取土壤类型相同，坡向、坡位相似的7种典型坡耕地治理模式（如表1），在每一种模式内的典型地段挖取50cm×50cm×50cm（长×宽×高）的土壤剖面3个，按0～10cm，10～20cm，20～30cm土层用容积100cm3环刀自下至上进行取样。每层土样3个环刀，分别用来测定土壤容重、土壤孔隙和土壤入渗，其中前2个环刀采样前做好编号逐一称重，采样时土样编号、环刀编号和环刀盖编号保持一致。试验所有土样均利用环刀采集原状土进行测定。利用采样器，对每个剖面下的不同土壤层（0～10cm，10～20cm，20～30cm）进行土样采集，将同一样地不同剖面相同土层的土壤进行混合，每个混合土样取500g左右带回实验室，用于测定土壤的理化性质。 　　表1 不同种植模式的坡耕地样地基本概况 　　编号 样地类型 郁闭度 坡度/° 坡向 坡长/m 海拔/m 　　T1 新银合欢植物篱+玉米 82.3 15 N 18.4 310.52 　　T2 香根草植物篱+玉米 84 16 N 17.5 300.28 　　T3 玉米地 85 14.5 NW 18.1 298.44 　　CK 裸地 0 15 N 19.5 300.76 　　1.3 样品的测定和分析方法 　　土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度的测定采用环刀法[9]。 　　土壤入渗采用双环法测定。各指标处理方法为：初始入渗率=最初入渗时段内渗透量/入渗时间（最初入渗时间取前3min）；平均渗透速率=达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间；稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定（即内环水头趋于稳定）时的渗透速率，渗透总量统一取前90min。 　　1.4 土壤贮水量计算 　　土壤贮水方式可分为滞留贮水量和吸持贮水量，2者所持水量之和即为土壤饱和贮水量。公式为： 　　Wc=1000Pch；Wnc=1000Pnch；Wt=1000Pth 　　式中：Wc、Wnc、Wt 分别为吸持贮水量（mm）、滞留贮水量（mm）、土壤饱和贮水量（mm）；Pc、Pnc、Pt分别为土壤毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）和总孔隙度；h为土层厚度（m）；rw为水容重。 　　采用Microsoft Office Excel 2010软件对测定数据进行处理分析及作图，用SPSS18.0软件对不同种植模式各土层的土壤渗透性能进行主成分分析、对土壤渗透性与土壤理化性质进行Pearson相关分析。 　　2 结果与分析 　　2.1 不同植物篱的土壤贮水特征 　　土壤贮水能力是评价植被涵养水源的重要指标。一般渗入土壤的水分以吸持贮存和滞留贮存2种形式存在，2者合成为土壤饱和贮水量。土壤的饱和贮水量反映土壤的贮水能力。土壤的贮水能力取决于土壤厚度和孔隙状况。在一定土壤厚度条件下，土壤的贮水特征与土壤孔隙的大小及其数量特征密切相关[10]。由图1可知，土壤的滞留贮水量和饱和贮水量均表现为香根草植物篱+玉米>新银合欢植物篱+玉米>玉米地，且2种种植模式的滞留贮水能力明显大于土壤的吸持贮水能力。土壤的非毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水率、毛管孔隙率和最小持水率的大小呈现出于与土壤滞留贮水量相同的趋势，即香根草植物篱+玉米>新银合欢植物篱+玉米>玉米地。而毛管孔隙度和吸持贮水量表现为香根草植物篱+玉米和新银合欢植物篱+玉米均大于对照玉米地，但2者之间差别不显著。故香根草植物篱贮水能力最高，表现出较高的涵养水源功能。 　　定植植物篱与无定植植物篱的土壤贮水特征存在一定差异。这是因为植物篱地表堆积了大量的枯枝落叶层以及土壤中根系的生长、穿插和死亡，使土壤中有机质增加，孔隙度明显增大，特别是非毛管孔隙度，所以植物篱土壤贮水能力明显强于无植物篱的土壤贮水能力。植物篱中香根草植物篱的贮水能力优于新银合欢植物篱。这可能是因为草本的香根草植物篱是丛生植物，须根系发达，较主根系非常发达的多年生长的新银合欢对土壤结构改善效果好，这与刘明等[12]研究结果一致。 　　图1 不同植物篱的土壤入渗参数 　　2.2 不同植物篱的土壤入渗特征 　　2.2.1 土壤入渗过程 　　土壤的渗透性能反映土壤的导水能力，是研究地表径流和坡面侵蚀的重要基础，也是探讨流域产流机制的前提[11]。由图2看出不同种植模式的土壤渗透过程存在一定的差异，渗透速率在开始渗透阶段陡降，随着时间的推移，下降幅度逐渐减小，最后渗透速率趋于稳定，达到稳渗阶段。3种种植模式中新银合欢植物篱初渗速率和稳渗速率均与香根草植物篱较接近，而达到稳渗阶段所需的时间明显短于香根草植物篱。因此可以看出，香根草植物篱能明显改善土壤渗透性，延缓地表发生径流的时间，降低土壤侵蚀发生的可能性。这可能是因为植物篱基部茎叶能够有效的拦截坡面径流，且因与坡面作用时间增长，并在近地茎枝带前形成短距离的回水带，使径流能够有更长时间入渗[13]。 　　2.2.2 土壤入渗特征 　　由表2可以看出，3种不同种植模式土壤入渗特征值均呈现出初始入渗率>平均入渗率>稳定入渗率的趋势。在土壤厚度垂直分布变化上，新银合欢植物篱的渗透率呈现先上升后下降的趋势，10～20cm的渗透率最大。而香根草植物篱和玉米地的渗透率均随着土壤厚度的增加而降低。一般情况下，土层越深，土壤的渗透性越差。新银合欢植物篱土壤表层（0～10cm）的平均入渗率0.79mm/min，而到20～30cm时土壤的平均渗透速率已减少到0.72mm/min；香根草植物篱土壤表层（0～10cm）的平均入渗率为1.45mm/min，而到20～30cm时土壤的平均渗透速率已减少到0.83mm/min；玉米地的土壤表层（0～10cm）的平均入渗率为1.40mm/min，而到20～30cm时土壤的平均渗透速率已减少到0.68mm/min。这表明植物篱对增加土壤渗透性有明显效果。虽然各土层不同种植模式的土壤渗透性略有不同，但均优于对照玉米地。在0～10cm土层以种植香根草植物篱+玉米的渗透性最好，在10～20cm土层以种植新银合欢植物篱+玉米的渗透性最好，在20～30cm土层以种植香根草植物篱+玉米的渗透性最好。故香根草植物篱对土壤渗透性的改善效果明显大于新银合欢植物篱对土壤渗透性的改善效果。 　　表2 不同植物篱的土壤入渗 　　编号 深度/ 初始入渗率/ 稳定入渗率/ 平均渗透率/ 渗透总量/ 　　cm （mm/min） （mm/min） （mm/min） mm 　　T1 0～10 1.60 0.64 0.79 68.40 　　10～20 2.42 1.50 1.57 140.20 　　20～30 1.37 0.62 0.72 60.95 　　T2 0～10 2.93 1.04 1.45 124.80 　　10～20 1.43 0.91 1.03 90.55 　　20～30 1.12 0.75 0.83 74.30 　　T3 0～10 2.27 1.09 1.40 121.25 　　10～20 1.47 0.58 0.81 69.50 　　20～30 1.33 0.49 0.68 61.60 　　定植植物篱与无定植植物篱的土壤渗透性存在明显差异。这是因为植物篱拦截大量侵蚀泥沙，减缓流速，从而大颗粒物质逐渐在篱带前或篱带内发生沉积。孙辉等[15]的研究表明土壤的粗粒径（>0.25mm）水稳性团聚体的含量可有效提高土壤入渗性，而对照玉米地的土壤受人为活动的干扰较为严重，土壤结构受破坏，通透性降低[14]。故定植植物篱土壤渗透性明显大于无定植植物篱的土壤渗透性。2种植物篱中香根草植物篱对土壤渗透性的改善效果优于新银合欢植物篱，这可能是因为须根系发达的香根草植物篱生长快，穿透性强，而新银合欢主根系非常发达。吴彦[15]等得出须根系（d≤1mm）与土壤渗透性的回归方程显示须根对土壤饱和渗透系数的影响是最重要的，须根在土壤交错穿插，通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质，促使土壤中大粒级水稳团粒的增加，明显地改善了土壤的渗透性能。故须根系的香根草植物篱对土壤渗透性改善效果较好。 　　3 结论 　　新银合欢植物篱和香根草植物篱的贮水能力和入渗能力明显大于对照玉米地，且香根草植物篱对土壤贮水能力和入渗能力的改善效果最明显。 　　不同种植模式之间土壤的非毛管孔隙度和滞留贮水量差别较大，而毛管孔隙度和吸持贮水量差别较小。研究表明植物篱对土壤非毛管孔隙度和滞留贮水量的改善作用明显大于对土壤毛管孔隙度和吸持贮水功能的改善作用，从而有效地提高对降雨的快速贮存以及蓄洪水与涵养水源作用。 　　参考文献 　　[1] 许峰，蔡强国，吴淑安，等.等高植物篱带间距对表土养分流失的影响[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5（2）：23-29. 　　[2] 孙辉，唐亚，陈克明，等.固氮植物篱防治坡耕地土壤侵蚀效果研究[J].水土保持通报，1999，19（6）：1-5. 　　[3] 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