以粤北红壤丘陵区的韶关市浈江区新韶镇某桃园为研究对象,样地均为桃树(Prunus persica),其地理坐标为113°42'05″E,24°48'38″N,是韶关境内代表性果园。土壤采样于2019年11月23—24日进行,采样期间天气晴朗,且近2个月无有效降水,土壤含水量极低,各土壤采样点的平均含水量为5.88%。样地朝向为东(81°),海拔为215.1 m,坡度17°,年降水量1 601 mm,年平均气温22℃。该样地北侧为9 a生桃园,样地南侧为1 a生桃园。1 a生桃园地表裸露,盖度约10%,而9 a生桃园地表存在少数的狗牙根(Cynodon dactylon),盖度约70%。

在选择具体采样地时,样地统一于果树东南侧,距离树干1.1 m,地表均裸露。测定前从开挖好的土壤剖面的不同层面上用崩解取样器取原状土,在1 a生和9 a生的桃园的上坡位、中坡位和下坡位分别取样三次,其取样深度分别为0—20 cm,20—40 cm和40—60 cm,在每一层取100 g土样放入铝盒中,带回实验室用烘干法测定各层土壤含水量; 用环刀法取土,测定各层土壤容重及孔隙度等土壤物理性质指标; 用铝盒在各层取原状土,每层取样三次,测定土壤崩解性能,对每层试验的结果求平均。研究样地的土壤pH介于4.5～5.1,表层土壤pH值最低,酸性最强,9 a生土壤pH值较高,1 a生的较低; 土壤颗粒以砂粒和粉粒为主,两者比重达到85%以上。

土壤崩解在实验室内进行测定,利用已知的标记土样,分批进行测定,自制试验装置主要由天平(精确度0.01 g)、崩解玻璃槽、崩解金属网、秒表、金属细线、支架等部分组成(图1)。金属网网孔大小为10 mm×10 mm,崩解金属网为圆形直径10 cm,崩解金属网与天平之间由细线连接,金属网不接触玻璃槽,水位线是指完全淹没土样的水量高度。

图1 土壤崩解装置示意图

试验前将盛适量水的崩解玻璃槽放好,悬挂、调整好崩解金属网的位置,空崩解金属网完全浸入水中后将天平归零; 试验时将已称重的土样均匀放置于崩解金属网上,悬挂好崩解金属网后,将其缓慢浸入水中,细线自然绷直(崩解金属网完全浸没于水中),每10 s计1次天平读数,2 min后每30 s计一次,7 min后每分钟记录一次,共记录31次,崩解时长全部为960 s,崩解后水变浑浊后及时换水。试验原理为:当悬挂的空崩解金属网完全浸没在水中时,以崩解金属网为受力分析对象,细线向上的拉力、崩解金属网自身的重力、崩解金属网受到的浮力三力平衡,细线的拉力等于崩解金属网自身的重力与其所受浮力之差,而浮力则传递到崩解玻璃槽的底部。为了更客观反映土壤崩解状况,采用累积土壤崩解指数指标作为土壤崩解性能指标,其计算公式为:

式中:S为崩解时段内的土壤累积崩解指数(%); S₀为崩解开始时的读数(g); S_a为a时间时天平的读数(g); M_b为崩解结束时天平的读数(g)。

土壤崩解速率表示单位时间内的崩解量,其计算公式为:

式中:V为土壤崩解速率(g/min); M₁为第t₁时刻的土壤崩解读数(g); M₂为t₂时刻的土壤崩解读数(g); t₂和t₁为崩解的时间(s)。崩解速率即单位时间内土壤在静水中的崩解量,以土壤崩解率定量表示土壤崩解性能,崩解速率愈低,土壤愈不容易崩解。

采用土壤累积崩解指数与土壤崩解速率代表土壤崩解特征。从图2和图3可以看出:随着崩解时间增加,土壤累积崩解指数与崩解速率总体呈现先快后慢的趋势,前120 s土壤崩解速率较大,特别是前30 s的崩解速率最大,土壤累积崩解量也迅速增加。在60 s后土壤崩解速率迅速降低,在600 s之后,土壤崩解速率几乎为0,土壤崩解量极小,累积崩解量基本不变。

从累积崩解指数来看,在土壤崩解时段内,所有样点中最大的土壤累积崩解指数为1 a生桃园下坡位表层(0—20 cm),其累积崩解指数达51.45%; 所有样地的土壤累积崩解指数最小为上坡位20—40 cm深度的土壤,其崩解指数为18.05%,仅仅为最大值的35.08%。从崩解速率来看,所有样点崩解速率最大值为1 a生桃园下坡位的表层(0—20 cm),与最大累积崩解指数相同,其崩解速率为14.40 g/min,而在9 a生桃园上坡位0—20 cm深度的土壤最大崩解速率仅为2.78 g/min,仅仅为前者的19.31%。所有样点的最小崩解速率均为0。

图2 9年生桃园不同坡位土壤累积崩解量和崩解速率随时间变化过程

图3 1年生桃园不同坡位土壤累积崩解量和崩解速率随时间变化过程

从图2和图3可以看出:1 a生桃园的累积崩解指数随着土层深度的增加而降低,而9 a生的桃园则呈现不一致的规律:土层深度在0—20 cm的累积崩解指数均在前120 s内为所有土层深度的最低值,在120 s后则在上坡位和下坡位的累积崩解指数居中,中坡位的累积崩解指数最低; 土层深度在20—40 cm的累积崩解指数则随着坡位降低而增加; 土层深度40—60 cm的累积崩解指数在上坡位和中坡位最大,而下坡位则在120 s后土层深度在40—60 cm的崩解指数最低。各土层深度的土壤崩解速率总体表现为随土层深度的增加而降低。

由图2,图3可知,各土层的土壤崩解速率可分为3个阶段:(1)极速崩解期:崩解曲线升高与降低均迅猛。9 a生桃园各土层深度的崩解速率在前60 s达到最大值,1 a生的桃园在前30 s达到最大崩解值,土壤崩解速率在此阶段均达到最大值;(2)缓慢崩解期:曲线缓慢下降,即从60～360 s期间,各土层深度的土壤崩解速率缓慢降低;(3)崩解稳固期:曲线趋近水平,即从360～960 s期间,各土层深度的土壤崩解速率极低,特别是在600 s后基本停止崩解。各土层深度的累积崩解指数变化曲线与崩解速率曲线变化方向相反。土层深度在0—20 cm土壤崩解过程较长,崩解曲线相对平缓,崩解量缓慢增加; 20—40 cm的崩解过程与0—20 cm的规律相似,但土壤崩解速率加快; 40—60 cm的土壤崩解速率相对迅速。

从图2和图3可以看出:9 a生桃园的上坡和中坡均为下层(40—60 cm)土壤崩解指数较大。上坡表层(0—20 cm)次之,中层(20—40 cm)相对较小。而中坡土壤的崩解指数为下层>中层>表层,下坡为中层>表层>下层。1 a生桃园不同坡位则规律相对一致,上中下三坡位不同土层深度的土壤崩解指数均为表层>中层>下层。对1 a生和9 a生桃园土壤的崩解特性进行比较,当土层深度一定时,不同坡位土壤累积崩解指数与崩解速率均为1 a生桃园土壤大于9 a生桃园土壤。

9a生桃园土壤崩解速率在前120 s上坡各层土壤崩解很快,土壤崩解速率在120 s后才逐渐平缓,表层土壤崩解速率快于中层和下层,但随着时间的推移崩解速率逐渐相近,960 s时三层趋零。而1 a生桃园前60 s的土壤崩解速率快,中层土壤崩解速率快于表层和下层,在480 s时趋零。1 a生桃园土壤的各层土壤崩解速率高于9 a生桃园,且在60 s后崩解速率曲线逐渐平缓。

表1为各个采样点土壤容重与土壤含水量的大小。土壤容重与最大崩解速率线性呈现负相关(p=0,R²=0.599),与最大崩解指数也呈现负相关关系(p=0,R²=0.559); 土壤最大崩解速率与最大崩解指数均随着容重的增加而减少。土壤容重越大,土壤细颗粒间的孔隙占比越小,对进入孔隙水的作用力越小,单位时间内崩解量越小,即崩解速率越小。

土壤含水量与最大崩解速率(p=0.018,R²=0.301)及最大崩解指数(p=0.014,R²=0.321)均呈现线性负相关关系。土壤含水量决定土壤颗粒间胶结的状态,是决定土壤崩解的重要因素之一,土壤含水率越低,土壤崩解速率也随之增强,被破坏现状越显著。

表1 土壤容重与土壤含水量对桃园的土壤崩解性能的影响