徐德蘭,朱學蓮,王凱杰
(1.桂林理工大學 旅游與風景園林學院,廣西 桂林 541004;2.廣西旅游產(chǎn)業(yè)研究院,廣西 桂林 541004)
龍脊梯田是中國西南地區(qū)典型的稻作梯田之一,集獨特的自然景觀、人文景觀、民族風情為一體,同時具備生態(tài)、經(jīng)濟、社會和美學功能,在區(qū)域經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有重要地位[1]。然而近年來,由于水資源利用不合理及土地荒廢等因素,梯田的自然景觀受到一定程度的破壞,生態(tài)服務(wù)功能下降[2]。
土壤水分在各種田間生物化學反應(yīng)過程中起到媒介作用[3],土壤持水能力是土壤重要的物理性質(zhì),是評價土壤水分調(diào)節(jié)和涵養(yǎng)水源能力的重要指標[4]。土壤持水力往往會受到各種自然因素的影響,包括氣候、地形、土壤性質(zhì)、土地利用、植物群落類型和植被年齡等[5],另外也會受到人為干擾的影響[6]。國內(nèi)外學者針對不同土地利用方式對土壤持水力的影響進行了大量研究。趙錦梅等[4]選取天然草地、退耕自然恢復(fù)地、燕麥地和多年生草地4 種土地利用方式為研究對象,揭示了不同土地利用方式對土壤持水能力影響顯著。杜康等[7]選擇了梯田、草地、刺槐林、沙棘灌叢4種土地利用方式研究土壤水分的時空變化特征,結(jié)果表明0 ~ 300 cm深度平均土壤含水量大小表現(xiàn)為梯田>草地>沙棘灌叢>刺槐林。Wei 等[6]對比5 種管理措施下的梯田土壤水分,發(fā)現(xiàn)不同植物群落的存在會增加土壤水分狀況的不確定性和復(fù)雜性。Kanianska等[8]測量農(nóng)業(yè)、草地、混交森林土壤的物理化學性質(zhì),發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)下各土地利用模式土壤的持水能力不同。
龍脊梯田是“森林-梯田-村寨-河流”四素同構(gòu)的生態(tài)系統(tǒng),是重要的水源涵養(yǎng)林。本文通過野外調(diào)研采樣與室內(nèi)實驗研究,分析廣西壯族自治區(qū)龍脊梯田不同土地利用模式土壤持水能力及影響因素,為提高該地土地資源管理、水源涵養(yǎng)能力以及生態(tài)保護和環(huán)境治理提供參考。
龍脊梯田位于廣西壯族自治區(qū)桂林市龍勝各族自治縣龍脊鎮(zhèn)境內(nèi),地處東經(jīng)109°32′ ~ 110°14′,北緯25°35′ ~ 26°17′之間。梯田分布在海拔300 ~1 100 m 之間,山地坡度大多在26° ~ 35°之間,最大坡度達50°。研究區(qū)地處亞熱帶季風氣候區(qū),四季冷熱分明,干濕明顯,年降雨量達1 546.7 mm。研究區(qū)表土層有機質(zhì)含量豐富,土壤肥沃,為植物生長提供了較好的條件。研究區(qū)具體位置及地形高程狀況見圖1。其中,高程數(shù)據(jù)來源于國家地理空間數(shù)據(jù)云的ASTER GDEM 30 m 分辨率原始高程數(shù)據(jù),采用ArcGIS 對原始數(shù)據(jù)進行拼接、填洼、流向、累積量計算、提取、裁剪、投影變換,最終獲得研究區(qū)邊界和高程圖。
圖1 研究區(qū)位置及高程圖Fig.1 Location and elevation of study area
根據(jù)全球地表覆蓋網(wǎng)站的30 m 空間分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)顯示(圖2),龍脊梯田土地利用包括耕地、林地、草地、水體和人造地表,其中林地面積占比73.67%,耕地占比18.43%,草地占比7.55%,水體占比0.04%,人造地表占比0.31%。可見林地與耕地是龍脊梯田主要的用地類型,龍脊梯田景區(qū)水源涵養(yǎng)也依賴林地與耕地。因此,研究區(qū)林地與耕地土壤持水力的研究至關(guān)重要。經(jīng)過實地調(diào)查,該地林地可細分為一直存在的林地和農(nóng)田拋荒后逐漸演替而成的林地(拋荒地),耕地也可細分為種植水稻的水田和種植其他作物的旱地。
圖2 研究區(qū)土地利用分類圖Fig.2 Classification of land use in study area
因此,本次土壤采樣共選擇4 種利用模式的土地為樣地,分別是林地、拋荒地、水田與旱地,土壤采樣地概況見表1。
表1 樣地植物群落特征Tab.1 Characteristic of plant community in sample plots
2020 年7 月,在選定的樣地采集土壤樣品。本文采集、測定方法與計算公式參照國家行業(yè)標準LY/T1215-1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》與相關(guān)文獻[9],并根據(jù)情況調(diào)整。在每個樣地選擇3 個1 m×1 m 的樣方,清除腐殖質(zhì)層,用容積為100 cm3的環(huán)刀在樣方中心點取5 cm 深的原狀土,裝好帶回實驗室,分析測定表層土壤最大持水率、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等土壤物理性質(zhì)指標。
土壤最大持水率采用烘干稱重法進行測定[10],計算公式為:
式中:G1為達最大持水量時的環(huán)刀內(nèi)濕土重,g;G2為烘干后環(huán)刀內(nèi)干土重量,g。
土壤容重(ρb)、總孔隙度(φ)、毛管孔隙度(φ1)、非毛管孔隙度(φ2)等采用環(huán)刀法測定[9,11]具體指標計算公式如下:
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式中:V 為環(huán)刀容積,cm3;ρs為土壤比重(本次試驗取土壤比重值為2.65 g/cm3)。
試驗數(shù)據(jù)利用Excel、SPSS 軟件及R 語言進行處理和分析。
容重是土壤基本物理性質(zhì)之一,能夠反映土壤的緊實度和透氣透水能力[12]。如圖3 所示,龍脊梯田4 種土地利用模式表層土壤容重范圍為0.45 ~1.02 g/cm3。單因素方差分析表明,不同土地利用模式間表層土壤容重存在顯著差異(P=0.010 08 <0.05),大小依次為旱地>拋荒地>水田>林地。
圖3 不同土地利用模式土壤容重情況Fig.3 Soil bulk density with different land use patterns
圖4 不同土地利用模式土壤孔隙度情況Fig.4 Soil porosity in different land use patterns
林地表層土壤容重值最小,說明該地表層土壤較疏松。這與該用地植物群落豐富、植被覆蓋度高導致的年度凋落物量多有很大的關(guān)系。凋落物經(jīng)微生物分解后形成的腐殖質(zhì)含有豐富的有機質(zhì),可以影響土壤容重大小。旱地植物群落簡單,表層土壤有機質(zhì)含量低,容重增大,土壤比較堅實。
土壤孔隙度是決定土壤持水與貯水能力的關(guān)鍵指標[13,14],其中非毛管孔隙度體現(xiàn)土壤對降水的短期停滯量與有效持水量[15,16],毛管孔隙度體現(xiàn)土壤的保水與入滲能力[13,17]。實驗結(jié)果表明,4 種土地利用模式表層土壤總孔隙度范圍為61.68% ~ 82.97%,土壤毛管孔隙度的變化在37.78% ~ 42.75%,土壤非毛管孔隙度的變化在19.64% ~ 43.94%。單因素方差分析表明,4 種土地利用模式表層土壤毛管孔隙度無顯著差異(P=0.190 49 > 0.05);非毛管孔隙度存在極顯著差異(P= 0.004 36 < 0.01),其大小排序為林地>水田>拋荒地>旱地。而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)[18],表明4 種土地利用模式表層土壤持水能力差異極大。
土壤孔隙度受多種因素的影響,本實驗孔隙度林地>水田>拋荒地>旱地的趨勢主要歸因于土壤中植物根系分布情況以及是否耕作與耕作方式。例如林地的地下生物量多,植物根系復(fù)雜,因此土壤孔隙狀況較好;水田經(jīng)過人為翻耕,改善了翻耕深度范圍內(nèi)的土壤孔隙狀況。
不同土地利用模式表層土壤最大持水率范圍在42.12% ~ 90.92%之間,4 種土地利用模式表層土壤最大持水率存在顯著差異(P= 0.022 36 <0.05),順序表現(xiàn)為林地>拋荒地>水田>旱地。由圖5 可知,除拋荒地與水田最大持水率沒有差異以外,其余兩兩之間均存在顯著差異。其中,林地與拋荒在近年未曾受到人為干擾,唯一區(qū)別在于林地物種豐富度大于拋荒地,且林地多為木本植物,根系較發(fā)達。另外,旱地與水田同樣作為農(nóng)業(yè)用地,主要差異在于管理措施不同,水田由于長期灌溉和干濕交替,形成了不同于旱地的土壤性狀。因此,林地、拋荒地與旱地、水田土壤持水能力的差異由植物種植和人為干擾共同造成。
圖5 不同土地利用模式土壤最大持水率箱線圖Fig.5 Box diagram of soil maximum water-holding capacity with different land use patterns
表2 土壤持水能力參數(shù)與影響因子的多元相關(guān)分析Tab.2 Multivariate correlation analysis of soil water-holding capacity parameters and influencing factors
在研究區(qū)4 種土地利用模式樣地中,林地和拋荒地的人為干擾程度低于水田和旱地,造就了林地和拋荒地最大持水率高于水田和旱地的結(jié)果。旱地和水田同為人類活動作用強且少植被覆蓋的農(nóng)用地,由于水田翻耕強度大于旱地,導致土壤容重、孔隙度和持水能力優(yōu)于旱地,這與閆雷等[19]的研究結(jié)果相似。
另外,林地和拋荒地植被覆蓋度高,根系的穿插使得土壤孔隙度顯著增加,根系死亡留下的空隙和周圍土壤動物活動使得土壤非毛管孔隙度高[9,20],土壤容重小,持水及蓄水能力強;而水田和旱地除農(nóng)作物外,較少種植其他植被,植被覆蓋度低,根系分布少,土壤孔隙結(jié)構(gòu)較差,非毛管孔隙度低,土壤容重大,導致持水及蓄水能力較差,說明種植植物可以顯著影響土壤持水能力。這與吳明作等[21]的研究結(jié)果相似,其指出植被對土壤的水文特性具有一定的改良作用。
林地和拋荒地持水能力的差異表明植物種類和物種豐富度顯著影響土壤持水性能。林地植被群落層次豐富,拋荒地植物物種單一,兩地由于根系生長狀況存在差異而影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)、容重等物理性質(zhì),進而影響土壤持水能力。婁淑蘭等[22]在三峽山地的研究發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律。吳章麗等[23]的研究表明植被根系影響土壤的持水能力,不同種植地塊土壤的持水能力不同,同時,同一植被不同層次下的土壤持水能力不同,土壤深度20 cm 處根系分布較多,形成的大孔隙較多,會降低土壤持水能力。不同植被在不同土壤深度處的根系分布究竟對土壤持水性能產(chǎn)生何種規(guī)律的影響,以及植物地上部分如何影響土壤持水性能是接下來的研究重點。
龍脊梯田不同土地利用模式土壤的容重、孔隙度、土壤持水能力存在顯著差異。容重大小依次表現(xiàn)為旱地>拋荒地>水田>林地;非毛管孔隙度表現(xiàn)為林地>水田>拋荒地>旱地;最大持水率順序表現(xiàn)為林地>拋荒地>水田>旱地??傮w來說,林地土壤持水能力最優(yōu),能夠有效減少地表徑流和土壤侵蝕,防止水土流失效果較顯著;拋荒地和水田土壤持水能力較為相近,旱地土壤持水能力差,在降雨后易形成大量的地表徑流和土壤侵蝕,對水土保持不利。
土壤容重和孔隙度是影響土壤持水能力的直接原因,而植物類型、物種豐富度以及人為干擾程度是造成不同土地利用模式土壤持水能力差異的間接原因。龍脊梯田地區(qū)應(yīng)保持對林地區(qū)域的保護,并重新對拋荒地進行管理;在水田與旱地的管理上規(guī)范化,使不同土地利用模式土壤盡量達到最優(yōu)保水效果,為龍脊梯田濕地景觀的優(yōu)化和水源涵養(yǎng)能力做進一步的保障。