侯文寧,王海燕,寧一泓,鄒佳何,趙 晗

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

土壤持水性能決定其水源涵養(yǎng)功能,常見的表征指標(biāo)有土壤飽和含水量(saturated water content, SC)、毛管持水量(capillary water capacity, CC)和田間持水量(field capacity, FC),這些指標(biāo)也間接反映水分的再分配能力[1]。影響土壤持水性能的環(huán)境因素主要包括土地利用方式、植被類型、地形地貌、土壤理化性質(zhì)、季節(jié)和氣候狀況等[2]。土地利用方式包括園地、林地和耕地在內(nèi)的多種類型,合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力狀況,調(diào)節(jié)水熱條件以適合植物生長(zhǎng),而不合理的土地利用方式會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,從而加速侵蝕導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤退化[3]。土地利用方式能通過影響土壤理化性質(zhì)如土壤密度、土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)含量、孔隙度等間接影響土壤持水性能。大量研究表明,不同土地利用方式下,土壤持水性能表現(xiàn)出不同的特性,還可以在不同程度上截取、阻斷和消耗降雨[4]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)不同土地利用方式土壤持水性能的研究已取得一定進(jìn)展。Zhou等[5]研究喀斯特地區(qū)土壤水分與植被覆蓋類型的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)草地是一種益于保持土壤水分的植被類型,其土壤水分含量相對(duì)穩(wěn)定,且高于裸地、灌叢和林地。Xie等[2]認(rèn)為土壤持水性能與土壤顆粒組成、孔隙狀況和土壤膠體穩(wěn)定性等土壤物理指標(biāo)密切相關(guān),以林地和棄耕地最強(qiáng),灌草地最弱。在重慶江津四面山開展的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),土壤的飽和導(dǎo)水率在林地中最大,農(nóng)地和草地次之[6];相同土地利用方式下,不同林分類型也會(huì)影響土壤持水和入滲能力以及有機(jī)碳儲(chǔ)量[7]。

三峽庫區(qū)重慶段約占整個(gè)三峽庫區(qū)面積的80%,作為我國(guó)最為特殊的生態(tài)功能區(qū)之一,具有重要的生態(tài)地理位置[8]。其地形復(fù)雜,海拔落差大,低山丘陵地帶占95%以上,土壤多為黃壤、紅壤,質(zhì)地類型為砂壤土,土壤團(tuán)聚性差,易隨水流失,且因降雨量集中、強(qiáng)度大,水力沖蝕作用強(qiáng)烈。數(shù)據(jù)[9]顯示,三峽庫區(qū)重慶段現(xiàn)有水土流失面積約1.6萬km2,占庫區(qū)土地總面積的34.49%,是長(zhǎng)江上游水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域。近年來由于城鎮(zhèn)化速度加快,重慶江津市筍溪河流域居民進(jìn)行坡耕地的開墾,加上當(dāng)?shù)卮罅Πl(fā)展旅游業(yè),大量地帶性植被逐漸被高經(jīng)濟(jì)效益的果園地和林地取而代之,使得土地利用方式發(fā)生極大改變,導(dǎo)致該區(qū)土壤流失嚴(yán)重,生產(chǎn)力急劇下降,嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活,對(duì)庫區(qū)的安全和長(zhǎng)期高效運(yùn)作產(chǎn)生不利影響。前人的相關(guān)研究多集中在三峽庫首,且多為不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的研究[10],而對(duì)庫尾地區(qū)不同土地利用方式下土壤持水性能的研究較少。此外,從流域集水區(qū)尺度開展土壤持水性能研究有助于了解三峽庫尾地區(qū)土壤水分空間變異特征及影響因素。為此,筆者以重慶江津市6個(gè)集水區(qū)3種土地利用方式(園地、林地、耕地)的土壤為研究對(duì)象,探討其土壤持水性能差異及影響因素,以期為三峽庫區(qū)土地利用方式選擇提供參考,以防治水土流失和實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用。

1 研究區(qū)概況

江津市(E 105°49′～106°38′ ,N 28°28′～29°28′)坐落于重慶直轄市內(nèi)西南方向。常住人口138.7萬,幅員面積約3 200 km2。市內(nèi)海拔落差大,最高1 709.4 m,平均海拔209.7 m,地形屬川東丘陵。區(qū)內(nèi)河流自南向北,經(jīng)四面山鎮(zhèn)、柏林鎮(zhèn)、傅家鎮(zhèn)、中山鎮(zhèn)、李市鎮(zhèn)、夾灘鎮(zhèn),最終注入綦江。研究區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,無霜期285 d。多年平均氣溫16.7 ℃,月平均最低和最高氣溫分別在1月(-5.5 ℃)和8月(31.5 ℃)。區(qū)內(nèi)主要有天然次生林和少量人工林,亞熱帶常綠闊葉林植被特征明顯。土壤類型以紫色土、黃壤和紅壤為主。該地區(qū)地勢(shì)較陡峭,土層厚度一般在10～70 cm間,土壤抗侵蝕能力較差。園地、林地和耕地為主要的土地利用方式,其中,園地以種植花椒(Zanthoxylumbungeanum)、柑橘(Citrusreticulata)為主,林地以慈竹(Neosinocalamusaffinis)、槲櫟(Quercusaliena)為主,耕地以種植玉米(Zeamays)、紅薯(Ipomoeabatatas)為主。

2 材料和方法

2.1 土壤樣品的采集與處理

2021年6月末,根據(jù)Arc GIS 10.8的水文模塊劃分,將筍溪河流域分為6個(gè)集水區(qū)(圖1),集水區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為上段,Ⅳ、Ⅴ為中段,Ⅵ為下段。在支流(集水區(qū)Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ)各選擇3個(gè),主干(集水區(qū)Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ)各選擇4個(gè),共21個(gè)采集點(diǎn)。在每個(gè)采集點(diǎn)附近分別設(shè)置20 m×20 m的園地、林地和耕地樣方,記錄海拔、經(jīng)緯度等(表1)。在每個(gè)樣方內(nèi)沿“S”型隨機(jī)布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn),用土鉆分別采集0～20和20～40 cm土樣并分層混勻,共采集2個(gè)土層的混合土樣126個(gè);同時(shí)用環(huán)刀采集0～20和20～40 cm 深度的原狀土,以測(cè)定土壤密度和持水性能指標(biāo)。

表1 筍溪河流域樣地基本信息

圖1 筍溪河流域土壤采樣點(diǎn)

2.2 土壤樣品的測(cè)定

混合土樣經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)過篩后測(cè)定SOM[11];在 105 ℃ 條件下將環(huán)刀土樣烘干至恒質(zhì)量,測(cè)定土壤密度和自然含水率;對(duì)環(huán)刀進(jìn)行多次烘干、吸水并置于干砂上干燥,稱量后測(cè)得SC、CC和FC[12]。

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

土壤持水性能及其他各指標(biāo)的計(jì)算公式[12]為:

(1)

(2)

(3)

(4)

CP=CC×BD;

(5)

NP=TC-CP;

(6)

VC=NC×BD;

(7)

SA=TP-VC。

(8)

式中:SC為飽和含水量,%;MA為在水槽內(nèi)浸水?dāng)?shù)小時(shí)后的穩(wěn)定濕土質(zhì)量,g;MO為烘干土質(zhì)量,g;CC為毛管持水量,%;MB為放在鋪有干砂的平底盤中兩小時(shí)的濕土質(zhì)量,g;FC為田間持水量,%;MC為放在鋪有干砂的平底盤中兩晝夜的質(zhì)量,g;TP(total porosity)為總孔隙度,%;BD為土壤密度,g/cm3;CP(capillary porosity)為毛管孔隙度,%;NP(non-capillary porosity)為非毛管孔隙度,%;VC為容積含水量,%;NC為自然含水率(也即質(zhì)量含水率),%;SA為土壤通氣度,%。

變異系數(shù)

(9)

式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差;a為均值。通常情況下,研究變量在CV≤0.1、0.1

根據(jù)拉伊達(dá)準(zhǔn)則[14]剔除異常值后,數(shù)據(jù)的整理和作圖在Microsoft Excel 2010進(jìn)行;使用ArcGIS 10.8繪制采樣點(diǎn)圖;在SPSS 23和R 4.1.3進(jìn)行土壤自然含水率的描述性統(tǒng)計(jì)分析,不同土地利用方式和集水區(qū)間的單因素方差分析和LSD多重比較,以及持水性能與環(huán)境因子和土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性分析和逐步回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤自然含水率描述性統(tǒng)計(jì)

根據(jù)拉伊達(dá)準(zhǔn)則,從126組數(shù)據(jù)剔除6組,保留120組。不同土地利用方式土壤自然含水率均值分布在12.76%～15.07%之間(表2);相同土地利用方式20～40 cm土層土壤自然含水率高于0～20 cm,但同一土層3種土地利用方式之間無顯著差異(P>0.05)。園地0～20 cm土層土壤自然含水率最低,20～40 cm土層最高,是其0～20 cm土層土壤自然含水率的1.18倍。土壤自然含水率變異系數(shù)介于24.4%～46.3%之間,均呈中等變異性,表現(xiàn)出較強(qiáng)的異質(zhì)性。結(jié)合偏度和峰度,進(jìn)行Shapiro-wilk正態(tài)分布檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):將20～40 cm土層的園地土壤自然含水率對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后,所有數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

表2 不同土地利用方式不同土層土壤自然含水率描述性統(tǒng)計(jì)

3.2 土壤密度和孔隙度特征

由表3可知,在20～40 cm土層,土壤密度、NP和TP在不同土地利用方式下差異顯著(P<0.05)。其中土壤密度最大的是耕地,園地次之,林地最小;NP和TP最大的是林地,園地次之,耕地最小;CP范圍為31.65%～32.45%,大小依次為園地、耕地、林地。而在0～20 cm土層,各土地利用方式間土壤密度、孔隙度與持水性能差異不顯著。隨著土層深度的增加,土壤密度逐漸增大,NP、TP逐漸減小,而CP無明顯變化規(guī)律。

表3 不同土地利用方式不同土層的土壤密度和孔隙度

3.3 土壤持水性能特征

由表4可知,隨著土層深度的增加,SC、CC和FC逐漸減小。0～40 cm土層土壤SC、CC、FC均值均表現(xiàn)為林地最大、耕地最小,但只有20～40 cm土層林地SC顯著大于耕地(P<0.05),不同土地利用方式間的CC和FC在0～20和20～40 cm土層均無顯著差異。

表4 不同土地利用方式不同土層的土壤持水性能

表5為不同集水區(qū)的土壤持水性能特征。除集水區(qū)Ⅲ SC、CC和FC最大外,其他5個(gè)集水區(qū)SC、CC和FC均沿筍溪河上段至中、下段不斷減小。0～40 cm土層CC、FC均值均表現(xiàn)為筍溪河下段顯著高于中、上段(P<0.05),此外,20～40 cm土層筍溪河下段SC顯著高于中、上段(P<0.05)。

表5 不同集水區(qū)不同土層的持水性能

3.4 與環(huán)境因子之間的關(guān)系

不同土地利用方式下土壤持水性能(SC、CC、FC)與環(huán)境因子(海拔、坡度、經(jīng)度、緯度)的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。在0～20 cm土層,林地SC與坡度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。在20～40 cm土層,林地CC、FC,耕地CC與緯度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤持水性能與其他因子無顯著相關(guān)性。

**表示顯著性水平為P<0.01,*表示顯著性水平為P<0.05。下同。** indicates the significance level is P<0.01, and * indicates the significance level is P<0.05. SC: saturated water content, %; CC: capillary water capacity, %; FC: field capacity, %. The same below.

3.5 與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系

不同土地利用方式下土壤持水性能與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系基本表現(xiàn)一致(圖3)。在0～20 cm土層,園地、林地和耕地的持水性能均與土壤TP呈顯著或極顯著正相關(guān),與土壤密度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。園地SC和園地、林地、耕地的CC、FC與CP呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),園地、林地和耕地的SC、CC均與土壤通氣度呈顯著或極顯著正相關(guān),其SC與NP呈顯著或極顯著正相關(guān)。持水性能與其他土壤理化性質(zhì)間相關(guān)性基本不顯著(P>0.05)。在20～40 cm土層,園地SC、CC,林地SC和耕地SC、CC、FC與土壤TP呈顯著或極顯著正相關(guān),與土壤密度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。園地CC、FC,林地FC和耕地SC、CC、FC與土壤CP呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),林地CC與CP呈顯著正相關(guān)(P<0.05),園地、林地和耕地SC與土壤通氣度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。持水性能與其他土壤理化性質(zhì)間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

圖3 不同土地利用方式不同土層土壤持水性能與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

3.6 與土壤理化性質(zhì)之間的逐步回歸分析

采用逐步回歸方程擬合土壤持水性能與土壤基本理化性質(zhì)之間的關(guān)系得出,園地、林地和耕地的土壤基本理化性質(zhì)對(duì)土壤持水性能的影響不同(表6)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,不同土地利用方式的最佳擬合方程均為CC(Y2),園地、林地和耕地的調(diào)整R2分別為0.977、0.972和0.978,方程能很好地描述土壤理化性質(zhì)對(duì)持水性能的影響。逐步回歸分析顯示,三種土地利用方式的FC均與CP和NP正相關(guān),林地和耕地CC均與CP正相關(guān),與土壤密度負(fù)相關(guān)。此外,園地SC與土壤密度正相關(guān),與NP和土壤容積含水量負(fù)相關(guān);園地CC與土壤自然含水率和CP正相關(guān),與土壤密度和容積含水量負(fù)相關(guān)。林地SC與TP正相關(guān),與NP負(fù)相關(guān)。耕地SC與TP和CP正相關(guān),與SOM負(fù)相關(guān)。綜合分析顯示,研究區(qū)土壤SC的主要影響因子為TP、NP、土壤通氣度;CC的主要影響為土壤自然含水率、土壤密度、CP、土壤容積含水量;CP、NP、SOM是研究區(qū)FC的主要影響因子。

表6 不同土地利用方式土壤持水性能(Y)與土壤基本理化性質(zhì)(X)的逐步回歸分析

4 討論

土壤密度和孔隙度能夠反映土壤緊實(shí)狀況,兩者均是表征土壤水分循環(huán)和儲(chǔ)存的重要指標(biāo),而土地利用方式可對(duì)其產(chǎn)生直接影響。研究區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤密度、NP和TP存在顯著影響。耕地土壤由于長(zhǎng)期受到機(jī)械壓實(shí),使耕作層下形成犁底層,導(dǎo)致耕地土壤密度顯著高于林地,孔隙度顯著低于林地。園地多種植花椒、柑橘、桃樹等,樹齡較小,人為活動(dòng)較大,土壤密度、孔隙度及SOM含量均處于中等水平。在20～40 cm土層,林地較耕地具有更多的根系,其通過分泌膠結(jié)物質(zhì)及其他微生物發(fā)生一系列反應(yīng)形成SOM[15],同時(shí)較多的根系交錯(cuò)纏繞有利于形成土壤團(tuán)聚體,從而增加土壤孔隙度,降低土壤密度,提高土壤質(zhì)量。

土壤持水性能是決定生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)和水土保持功能的因素。有研究指出,當(dāng)土體疏松,土壤密度較小,TP和CP較大時(shí),土壤持水性能較好,反之當(dāng)土體緊實(shí),土壤密度較大,TP和CP較小時(shí),土壤持水性能較差[1]。該研究區(qū)土地利用方式對(duì)20～40 cm土層土壤SC具有顯著影響(P<0.05)。林地土壤持水性能較好是由于其長(zhǎng)期處于未被擾動(dòng)的狀態(tài),土體具有較大的孔隙度和較小的土壤密度。此時(shí)大小孔隙比例適當(dāng),團(tuán)聚體的水穩(wěn)性亦較好,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[16];此外,林地土壤植被覆蓋度大,根系發(fā)達(dá),且枯枝落葉層的存在一方面能減少林地土壤水分蒸發(fā)。另一方面能增加SOM含量,促進(jìn)形成土壤良好結(jié)構(gòu)體,使其具有良好的水源涵養(yǎng)能力[17],而耕地種植作物主要為玉米、紅薯,由于長(zhǎng)期人為干預(yù),易造成土壤板結(jié),且作物收獲后地表裸露,植被覆蓋度低,使得其持水性能小于林地。這與張敏等[18]的研究結(jié)果一致,即林地土壤持水性能最好。

根據(jù)地理位置,將研究區(qū)劃分為6個(gè)集水區(qū)。研究結(jié)果表明,同一土地利用方式下,研究區(qū)下段持水性能顯著高于上段,表現(xiàn)為下段>中段>上段。這主要是因?yàn)楣S溪河流域上段植被繁茂,不受人為耕作的影響,具有SOM含量高、大孔隙多、通氣透水性強(qiáng)等特征,而中段至下段受耕作活動(dòng)影響,導(dǎo)致NP被破壞,使其導(dǎo)水能力差,持水能力強(qiáng)。此外,還可能與地形地貌和河流流量及降雨有關(guān)。上游海拔高、河水流量小,中段隨著兩條大支流的匯入,流量激增,流域末端海拔低、流量最大且地勢(shì)平坦。研究區(qū)在豐水期降雨量大且集中,導(dǎo)致上段的細(xì)小土壤顆粒被沖刷至中下段堆積,所以導(dǎo)致集水區(qū)之間持水性能存在差異。

相關(guān)性分析結(jié)果表明,除0～20 cm土層的林地SC與坡度呈顯著正相關(guān),20～40 cm土層中林地CC和FC、耕地CC與緯度顯著正相關(guān)外(P<0.05),土壤持水性能與其他地形因子無顯著相關(guān)性。沿筍溪河走向,緯度逐漸增加,太陽輻射略有減弱,從而導(dǎo)致植被覆蓋度較大的林地和耕地水分含量較植被種植單一、地表裸露較多的園地大。這與Peng等[19]提出的地形,尤其海拔,是決定喀斯特地區(qū)4種植被土壤水分含量主導(dǎo)因素的結(jié)論相反。江津市氣候條件與喀斯特地區(qū)存在顯著差異,說明土壤持水性能會(huì)因環(huán)境因子的不同而改變。本研究中,土壤持水性能與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān),與TP、CP呈顯著正相關(guān),NP、土壤通氣度通過影響飽和導(dǎo)水率也對(duì)土壤持水性能有顯著正相關(guān)作用。逐步回歸分析結(jié)果顯示土壤密度和土壤CP通過影響CC、土壤CP和NP通過影響FC進(jìn)而影響土壤的持水性能,影響土壤SC的因素因土地利用方式的不同而異。此外,園地、林地和耕地土壤持水性能還分別受土壤自然含水率和容積含水量、土壤TP、SOM的影響,林地由于植物根系的穿插使TP含量最高,導(dǎo)致其對(duì)土壤持水性能的影響較園地和耕地大;耕地土壤由于在種植過程中施入較多人畜糞便等有機(jī)肥,導(dǎo)致其SOM含量高于園地和林地,使其對(duì)耕地土壤持水性能的影響較園地和林地大。土壤密度和孔隙度直接影響了水分的流動(dòng)和運(yùn)輸,降低土壤密度,增加土壤CP對(duì)改善土壤持水性能存在積極作用[20]。這與Xie等[2]和Zhou等[5]研究喀斯特地區(qū)土壤持水性能的變化,得出的土壤持水性能與土壤密度、孔隙度等土壤性質(zhì)密切相關(guān)的結(jié)果一致。前人關(guān)于SOM影響持水性能的結(jié)論不一,如婁淑蘭等[21]指出三峽山地土壤持水性能與SOM呈顯著正相關(guān);Khlosi等[22]研究表明SOM含量低的土壤中,SOM對(duì)持水性能的影響很小。本研究與Khlosi等[22]的研究結(jié)果一致,這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)土壤多為黃壤和紅壤,其SOM含量處于較低的水平。另外園地多為花椒園,物種豐富度低;林地多為慈竹,生長(zhǎng)于河流周圍,含較多巖石,其針葉林枯落物難以形成腐殖質(zhì)歸還給土壤中,且土壤質(zhì)地復(fù)雜,減弱了SOM對(duì)土壤持水性能的影響。

5 結(jié)論

1)在20～40 cm土層中,不同土地利用方式之間土壤密度、TP和NP差異顯著,耕地的土壤密度顯著高于林地,表現(xiàn)為耕地>園地>林地,TP、NP則相反;

2)不同土地利用方式下0～40 cm土層土壤SC、CC和FC均值大小表現(xiàn)為:林地>園地>耕地,說明筍溪河流域林地具有更好的持水性能,是較為理想的土地利用方式;

3)同一土地利用方式下,研究區(qū)下段持水性能顯著高于上段,表現(xiàn)為下段>中段>上段;

4)在0～20和20～40 cm土層中,土壤持水性能均與土壤密度、TP、CP、NP和土壤通氣度呈顯著相關(guān),而與土壤容積含水量、SOM的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。

更加全面掌握江津市土壤水文動(dòng)態(tài)過程,則需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析,進(jìn)一步探究不同季節(jié)、不同地形以及不同土壤機(jī)械組成下集水區(qū)間水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,從而為江津市水土流失控制提供更加完善的數(shù)據(jù)支撐。