黃土高原典型流域不同土地利用類型土壤物理性質(zhì)分析

李慶云,余新曉,信忠保,劉淑燕,李海光,韓潔春

(北京林業(yè)大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京100083)

土壤作為植物根系生長發(fā)育的基質(zhì),不斷供給植物正常生長所需的養(yǎng)分、水分等,協(xié)調(diào)這些物質(zhì)的供應具有重要意義。而掌握土壤的各種水分物理特性正是發(fā)揮這種調(diào)節(jié)作用的前提,它影響土壤中植物營養(yǎng)元素的有效性及供給能力[1]。另外,土壤物理性質(zhì)也被作為評價土壤質(zhì)量的重要指標,主要包括土壤容重、孔隙度和各種持水量等。目前國內(nèi)此類研究較多[2-5],例如楊弘對長白山闊葉紅松林和暗針葉林的土壤水分物理性質(zhì)進行了觀測分析[6];王夏暉分析了黃土高原有代表性的幾種土壤的物理性狀[1]。國外也有大量相關(guān)研究[7-8],Hulugalle研究了印尼Aceh地區(qū)受海嘯影響的農(nóng)田土壤物理性質(zhì)[9];Ghazavi分析了新型耕作技術(shù)與傳統(tǒng)耕作方式對土壤團聚度、容重、含水量等的影響差異[10]。

黃土高原是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點地區(qū),近年來大面積退耕還林還草等工程對流域水資源及土壤-水分均造成了巨大影響。目前國內(nèi)部分學者對黃土高原土地利用變化對生態(tài)水文特性影響的研究結(jié)果仍不盡一致,有研究認為林果面積增加、農(nóng)田草地面積減少使產(chǎn)水量減少[11],另外的研究則認為森林的存在增加徑流量[12]。因而土地利用方式不同導致土壤環(huán)境特征、養(yǎng)分特征產(chǎn)生相應變化。本文選擇黃河中游甘肅省重點綜合治理小流域-天水市羅玉溝流域為研究區(qū),對其4種不同土地利用類型土壤的幾種物理特性進行了分析,定量比較這些土地利用土壤物理指標的差異。研究結(jié)果豐富了流域土壤數(shù)據(jù),也為該區(qū)土地利用管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采取合理耕作措施具有一定參考作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅天水市北部的羅玉溝流域,地理位置 105°30′-105°45′E,34°34′-34°40′N,屬黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū),是渭河一級支流-藉河的一條支溝。流域面積 72.79 km2,長21.63 km,寬3.37 km,呈羽狀(見圖 1),海拔高程 1 165～1 895 m。流域地貌形態(tài)以黃土梁狀丘陵為主,地面陡峭崎嶇,溝壑密度為 3.54 km/km2,大于25°的坡面占12.2%,年土壤侵蝕模數(shù)達4 908.03 t/km2。流域?qū)贉貛Ъ撅L氣候,平均年降雨量 537 mm,年蒸發(fā)量1 293.3 mm,流域內(nèi)冬春干燥,夏秋多暴雨,6-10月降雨量約占全年的70%,本研究時段4月的平均降雨量38 mm,為不同土地利用方式下土壤水分變化相對穩(wěn)定時期。

流域內(nèi)土地利用類型較復雜,農(nóng)耕地占流域總面積的55.0%,主要農(nóng)作物有小麥、玉米、馬鈴薯等。自然植被較差,覆蓋度約30.0%,流域內(nèi)喬木均為人工植被,灌木為天然生長,經(jīng)濟林以蘋果、杏、梨、櫻桃為主,近年經(jīng)濟林發(fā)展較快。本研究選取的果園、農(nóng)田、林地和草地4種土地利用類型約占全流域面積82%,是流域主要土地利用方式[13],并且均無人工灌溉條件。

圖1 羅玉溝流域地形圖

2 研究內(nèi)容與方法

于2009年4月下旬在流域內(nèi)上、中、下游按照果園、農(nóng)田、林地和草地4種土地利用類型各選取有代表性地塊6塊作為樣地進行調(diào)查取樣。這24塊樣地均按照0-10,10-20,20-40,40-60 cm土壤分層設(shè)置土壤剖面,并用環(huán)刀和鋁盒采集原狀土帶回室內(nèi)分析。

土壤含水量測定用烘干法,土壤容重、總孔隙度及毛管孔隙度測定采用環(huán)刀法[14],具體計算公式如下：

式中：Rs——土壤容重(g/cm3);g——環(huán)刀內(nèi)濕土重(g);v——環(huán)刀容積(cm3);w ——土壤含水量(%);Pt——土壤總孔隙度(%);Pc——土壤毛管孔隙度(%);Po——土壤非毛管孔隙度(%);Rp——土壤孔隙比。

采用下式計算土壤各種持水量指標,即：

Wt=10000Pth (4)

W0=10000P0 h (5)

Wc=10000Pch (6)

式中：Wt——土壤飽和持水量(t/hm2);Wo——土壤貯水能力(t/hm2);Wc——毛管持水量(t/hm2);h——土層厚度(m);其余同上。

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 13.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域不同土地利用類型土壤含水量

研究區(qū)4種土地利用類型土壤含水量結(jié)果如表1所示?？梢钥闯隽饔蛲寥榔骄繛?5.76%,并且含水量隨著土壤深度增加總體上也呈現(xiàn)增加趨勢。不同土地利用卻有較大差異：果園和草地土壤含水量隨著土層增加而增加,而農(nóng)田和林地則是隨著土層增加含水量略有下降(圖2),并且二者含水量明顯高于果園和草地,說明農(nóng)田和林地這兩種土地利用類型土壤蓄積水源功能較強,使得上層土壤保持較高的土壤水分,維持植被根系利用。

4種土地利用方式下土壤0-60 cm平均含水量分別是果園13.58%、農(nóng)田18.96%、林地18.47%、草地12.03%,表現(xiàn)出農(nóng)田＞林地＞果園＞草地。農(nóng)田和林地、果園和草地兩兩之間含水量均沒有明顯的差異,但農(nóng)田和林地、果園和草地,即含水量較高的前兩種土地利用類型和含水量較低的后兩種土地利用類型這二者存在明顯差異(F=53.143,P=0.000)。同時農(nóng)田和林地各土層間含水量變異系數(shù)較小,分別為5.12%、4.89%,而果園和草地則波動較大,分別為14.24%、18.65%。另外,不同土地類型間含水量變異系數(shù)遠高于同一類型內(nèi)變異系數(shù),這4種類型樣地含水量變異系數(shù)第1-4層分別為39.50%、21.46%、16.20%、12.91%,即隨著土壤深度增加,各土地利用類型間同層含水量差異逐漸減小,穩(wěn)定性增強,與王曉燕等[15]研究表明土壤剖面含水量從表層到深層表現(xiàn)為增長型且其變異系數(shù)不斷變小有類似結(jié)果,也說明這4種土地利用類型土壤含水量差異最主要體現(xiàn)在0-40 cm的表層土上。

圖2 羅玉溝流域不同土地利用類型土壤含水量變化趨勢

表1 流域不同土地利用類型土壤含水量(平均值±標準誤) %

3.2 流域不同土地利用類型土壤容重

土壤容重受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性、松緊度等影響較大,有機質(zhì)含量對其也有重要影響,它可以作為土壤肥力的指標之一。土壤容重越小,表明土壤越疏松,孔隙多;反之,表明土壤土體緊實,結(jié)構(gòu)性差,孔隙少。羅玉溝流域這4種土地利用類型土壤容重分析如表2所示,土壤容重均隨著土層深度增加而增加,流域土壤平均容重為1.421 g/cm3,相比其他相關(guān)研究[2],羅玉溝流域土壤容重偏大,說明流域土壤板結(jié)緊實,通氣透水性能比較差,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個不利因素之一。

流域各土地利用類型間土壤容重相差不大,經(jīng)檢驗沒有發(fā)現(xiàn)顯著性差異,但所有樣地不同土層間土壤容重存在顯著性差異(F=19.576,P=0.000)。與前面含水量不同,各類型間同一層土壤容重變異系數(shù)較小 ,分別為 2.63%、2.64%、1.47%、1.80%,說明土壤質(zhì)地較為均一。但同一類型內(nèi)不同層次間變異系數(shù)相對較高,并且依然是果園和草地大于農(nóng)田和林地。各土地利用類型0-60 cm土壤平均容重為果園1.408 g/cm3、農(nóng)田 1.416 g/cm3、林地 1.455 g/cm3和草地1.404 g/cm3,平均變異系數(shù)僅為1.65%,表現(xiàn)出林地＞農(nóng)田＞果園＞草地,與土壤含水量分布有類似的規(guī)律。

表2 流域不同土地利用類型土壤容重(平均值±標準誤)

3.3 流域不同土地利用類型土壤孔隙度

土壤孔隙組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度,并對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)作用,是表征土壤結(jié)構(gòu)的重要指標之一。一般認為,土壤中大小孔隙同時存在,若總孔隙度在50%左右,其中非毛管孔隙占20%～40%時,土壤透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)[4]。本研究表明這 4種土地利用總孔隙度分別為果園47.32%、農(nóng)田 50.03%、林地50.96%、草地48.6%,表現(xiàn)出林地＞農(nóng)田＞草地＞果園的特征,但總體非毛管孔隙度僅占約10%,總體以小孔隙為主,土壤黏重、緊實,通透性不良,這與流域內(nèi)干旱少雨、黃土板結(jié)有關(guān),對植被生長產(chǎn)生不利影響。

從表3中可看出這4種土地利用類型土壤隨著土層增加,總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈逐漸下降趨勢,和大多研究結(jié)果相一致[4,14],但也有研究表明隨著土壤深度增加毛管孔隙度是增加的[6]。各孔隙度隨土深逐漸下降說明隨土層深度的增加,土壤通氣透水性能下降,不利于植被的生長和植被水土保持功能發(fā)揮。此外,所有土地類型的總孔隙度、毛管孔隙度變異系數(shù)均比較小,在5.34%～9.40%間,而非毛管孔隙度變異系數(shù)較大,比如草地的高達30.62%,總體分布于12.57%～30.62%間。但這4種土地利用類型間這3者均不存在顯著差異,而對于所有樣地不同土層之間總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度均存在顯著性差異(P＜0.05),說明流域土壤孔隙度差異主要體現(xiàn)在不同土壤深度上,而土地利用方式對其影響不太顯著。通過相關(guān)分析表明,土壤容重與總孔隙度關(guān)系密切,二者呈顯著負相關(guān)關(guān)系(r＜-0.962,P＜0.05)。

表3 流域不同土地利用類型土壤孔隙度(平均值±標準誤)

3.4 流域不同土地利用類型土壤持水特性

從表4看出,羅玉溝流域不同土地利用類型土壤的各種持水量差別不是很大,土壤飽和持水量在2 778.8～2 999.1 t/hm2間,具體表現(xiàn)為林地＞農(nóng)田＞草地＞果園。毛管/飽和含水量的比值是衡量土壤水分供應狀況的重要指標。無論是從各個層次還是整個土壤剖面來看,果園和草地均略大于農(nóng)田和林地,說明前二者的供水能力低于后二者。

土壤的貯水能力主要取決于土壤的非毛管孔隙度[4],并以此作為評價水資源涵養(yǎng)效能和調(diào)節(jié)水分循環(huán)的一個重要指標。計算結(jié)果表明,流域內(nèi)果園、農(nóng)田、林地和草地土壤0-60 cm深土層的貯水能力分別為153.0,214.7,231.9,155.8 t/hm2,表現(xiàn)為林地＞農(nóng)田＞草地＞果園,說明依然是林地和農(nóng)田較優(yōu),但相對于同類研究[14],羅玉溝流域土壤貯水能力比較低。土壤這種由非毛管孔隙充水來體現(xiàn)的貯水,只是土壤水分達到飽和時的瞬時水量,受重力作用的影響,會不斷向土壤深層滲透,因而,這種貯水能力實際上是暫時的。

表4 流域不同土地利用類型土壤持水量(平均值±標準誤)

4 結(jié)論與討論

本研究以黃土高原典型流域羅玉溝為對象,對流域內(nèi)果園、農(nóng)田、林地和草地4種土地利用類型土壤0-60 cm土層含水量、容重、孔隙度及持水特性進行對比分析。結(jié)果顯示：總的來說,流域土壤平均含水量為15.76%,容重為1.421 g/cm3,總孔隙度為50%左右,毛管孔隙度45%左右,非毛管孔隙度較小,僅5%左右;這4種土地利用方式土壤貯水能力較低,林地最大僅為231.9 t/hm2,其次是農(nóng)田、草地,果園最低僅為153.0 t/hm2。其中,農(nóng)田和林地土壤含水量、孔隙度和持水量保持較高的水平;調(diào)查中發(fā)現(xiàn)果園土壤土質(zhì)較緊實板結(jié),這可能與果園日常管理踩踏有關(guān),并且有部分紅黏土分布,因而含水量較低、孔隙度也最小,而草地由于郁閉度較低,或者由于退耕還草時間較短,土質(zhì)疏松且容易受到降雨侵蝕,造成蓄水保土功能不如林地及農(nóng)田。

另外,土壤水分由于易受降雨和覆被類型影響而發(fā)生季節(jié)動態(tài)變化,使研究結(jié)果具有不確定性,羅玉溝流域3-5月多年平均降雨量123 mm,約占全年的22.4%,為土壤水分變化相對穩(wěn)定階段,此間的觀測對今后繼續(xù)研究流域土壤水分時空動態(tài)演變有重要參考作用。同時,流域不同土地利用方式土壤現(xiàn)狀是在一定的生物氣候帶和母質(zhì)基礎(chǔ)上,以水力侵蝕為主,并經(jīng)受長期人為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響的結(jié)果。因此,土壤的理化性質(zhì)從屬于上述的演變而變化,特別是耕種土壤,受人為影響很大,土壤屬性復雜多變。近年來開展了大量以修梯田、造林種草、果樹上山等為主要內(nèi)容的水土保持工作,流域內(nèi)出現(xiàn)連片水平梯田,改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件,同時提高了基本農(nóng)田蓄水保土的能力,因此增加了農(nóng)田截留水源的能力,農(nóng)田土壤也表現(xiàn)出了較高的含水量。這在本研究中也得到了驗證,這4種土地利用方式中農(nóng)田土壤含水量最高,并且具有較大的孔隙度。

本研究對深入了解黃土高原典型流域不同土地利用類型土壤水分物理特性有一定參考價值,同時建議加強多時間尺度之間的對比研究。國內(nèi)外學者也做了相關(guān)研究,比如Western[26]分析了澳大利亞5個不同地區(qū)土壤含水量隨季節(jié)變化的動態(tài)演變;此外,退耕還林還草工程的實施,流域內(nèi)林果和草地面積增大,使流域土壤對徑流泥沙等水文過程也產(chǎn)生極大響應,這也是該區(qū)今后應加強研究的方向之一。

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