華北平原不同土地利用方式下土壤飽和導水率特征及其影響因素

常香玲

（1.濮陽職業(yè)技術學院，河南 濮陽 457000；2.河南大學濮陽工學院，河南 濮陽 457000）

飽和導水率是反應土壤水分入滲和滲漏特性的重要參數(shù)，決定了降水入滲與地表徑流的發(fā)生與分布，也是土壤侵蝕與水分循環(huán)模型中的重要參數(shù)之一[1,2]，對水土保持功能及植被的可持續(xù)生長具有重要作用[3]。土壤飽和導水率受到土壤結構、植被覆蓋及海拔坡向等多種因素影響[3-5]。眾多研究表明，土壤容重、礫石含量、土壤含水率、土壤孔隙度等土壤結構指標及土壤水分、養(yǎng)分指標均是影響土壤飽和導水率的重要因子[6-11]。例如，席彩云等[6]研究發(fā)現(xiàn)，森林土壤中土壤容重與土壤飽和導水率呈現(xiàn)顯著負相關關系，而森林土壤有機質及總孔隙度與飽和導水率呈顯著正相關關系；同時，土壤孔隙的大小及孔徑分布也是影響土壤飽和導水率的重要因素[7]；土壤有效孔隙率指標同樣也是影響土壤飽和導水率的重要結構指標[8]；土壤含水率在入滲初期對土壤飽和導水率產(chǎn)生較大影響，而在入滲后期其影響減弱[9]；在森林土壤土壤中，主導土壤飽和導水率的土壤因子主要包括土壤有機質含量、土壤容重和土壤孔隙度[10]；土壤養(yǎng)分會通過影響植物及作物根系生長從而對土壤飽和導水率產(chǎn)生重要影響[11]?？梢?，土壤飽和導水率的影響因素多，過程復雜，需要針對不同生境的土壤飽和導水率影響因子進行全面研究。以往相關研究發(fā)現(xiàn)人為活動、土地利用方式、植被條件等都是影響土壤飽和導水率的關鍵因素[12,13]，但對土壤飽和導水率影響機理的研究較少。例如，不同土地利用方式如何調控土壤飽和導水率還不清楚，土地利用方式的改變是通過調控哪些土壤環(huán)境因子（土壤結構、養(yǎng)分等）而影響土壤飽和導水率，以上問題還有待研究。

豫東華北平原區(qū)是黃河流域水土流失的重要區(qū)域，是我國糧食的主產(chǎn)區(qū)，且是我國人類擾動最頻繁的地區(qū)之一，在自然環(huán)境及人類活動影響下豫東平原土地利用格局發(fā)生變化，從而導致生態(tài)環(huán)境發(fā)生了劇烈變化[14,15]。然而，以往研究集中于探討工業(yè)、農業(yè)、畜牧產(chǎn)業(yè)等不同土地利用方式下的土壤飽和導水率特征，而針對耕地、草地、果園、灌木林地、純林地、混交林地等不同林業(yè)類型的土地利用方式下的土壤飽和導水率的研究較少，限制了此區(qū)域生態(tài)建設效果的準確評價及可持續(xù)管理。本研究豫東典型華北平原的6種（耕地、草地、果園、灌木林地、純林地、混交林地）土地利用類型土壤為研究對象，研究不同土地利用類型下的土壤飽和導水率及土壤物理、水分、養(yǎng)分分布特征，并探討土壤飽和導水率的影響因素，研究結果以期為此區(qū)域土壤水分運動及土壤性質對人工干擾及土地利用類型的響應規(guī)律征提供理論支撐，為促進華北平原區(qū)水土流失的防治及土地的合理利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇位于豫東華北平原區(qū)、河南省東北部的濮陽市為研究區(qū)，地理坐標為33°33＇～35°05＇N，110°22＇～113°50＇E，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。年平均氣溫為13.3 ℃，最高氣溫可達43.1 ℃，最低氣溫可達-21 ℃，溫差較大。年平均日照時數(shù)為2 454.5 h，無霜期一般為205 d，年平均降水量為502.3～601.3 mm。土壤類型主要為潮土、風沙土和堿土，其中潮土為主要土壤，主要利用方式為耕地（占總面積的57.09%)，果園主要種植紅棗、蘋果、桃、杏、梨、葡萄等，種植的主要樹種包括楊樹、榆樹、柳樹、油松、槐樹等，同時包括灌木純林及草地等景觀構造與土地利用方式。

1.2 樣地選擇及土樣采集

實驗采樣于2021 年7 月在河南省濮陽市進行，選擇包括混交林地、純林地、灌木林地、草地、果園及耕地共6 個樣地，各樣地最遠間距為5.7 km，氣候條件基本一致，6 個樣地的土壤類型一致，均為潮土。為了避免海拔、坡向及坡位帶來的誤差影響，在6種土地利用類型樣地選擇相近海拔、坡度及坡向的樣點進行取樣，為了避免植物生長差異帶來的影響，選擇建設及利用時間相同或相近的樣點進行研究。樣點基本狀況見表1。

表1 樣地基本狀況Tab.1 Basic status of sample plots

在6 個土地利用類型樣地分別選擇3 個樣點，在不同土層（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm） 分別利用環(huán)刀（200 cm3)、鋁盒及自封袋進行土壤采樣，每個樣品設置5個重復，取樣后立即帶回實驗室進行指標測定。

1.3 實驗方法

利用恒定水頭法測定土壤飽和導水率[16]；利用烘干法及比重瓶法分別測定土壤含水率及土壤容重；利用開氏定氮法、NH4OAc浸提-火焰光度法及浸提-鉬銻抗比色法分別測定土壤全氮、速效鉀及速效磷[17]；利用排水法測定土壤石礫含量[18]；利用氣壓平衡法測定土壤總孔隙度[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理及整理，利用SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與顯著性檢驗，利用Origin 2022進行相關性分析及制圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤容重及含水率特征

不同土地利用方式不同土層的土壤容重見圖1?？梢?，不同利用方式土地的土壤容重差異顯著，整體表現(xiàn)為耕地＞果園＞草地＞純林地＞混交林地＞灌木林地。具體表現(xiàn)為：在0～10 cm 土層，土壤容重表現(xiàn)為耕地＞草地＞果園＞灌木林地＞純林地＞混交林地，除耕地與草地、純林地與混交林地組間差異不顯著外，其他組間差異均較顯著（p＜0.05）；在10～20 cm 樣地，土壤容重表現(xiàn)為耕地＞草地＞果園＞純林地＞混交林地＞灌木林地；在20～30 cm 及30～40 cm 土層，土壤容重表現(xiàn)為果園＞耕地＞草地＞混交林地＞純林地＞灌木林地；在40～60 cm 土層，土壤容重表現(xiàn)為耕地＞果園＞草地＞純林地＞混交林地＞灌木林地。

圖1 不同利用方式土地土壤容重特征Fig.1 Soil bulk density characteristics of different land use modes

不同土地利用方式不同土層的土壤含水率見圖2?？梢姡煌梅绞酵恋氐耐寥篮侍卣鞑町愶@著，整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞灌木林地＞耕地≈草地＞果園。其中，在0～40 cm 土層，土壤含水率均表現(xiàn)為混交林地顯著高于其他土地利用類型樣地（p＜0.05），純林地與灌木林地的土壤含水率組間差異不顯著，但顯著大于草地、果園及耕地的土壤含水率（p＜0.05），草地、果園及耕地的土壤含水率組間差異不顯著。

圖2 不同土地利用方式土壤含水率特征Fig.2 Soil moisture content characteristics of different land use modes

2.2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分特征

不同土地利用方式樣地的土壤全氮、速效鉀、速效磷測量結果見表2?？梢?，土壤全氮、速效鉀及速效磷均整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞灌木林地＞草地＞果園＞耕地。隨著土壤深度的增加，所有樣地的土壤全氮、速效鉀及速效磷均呈現(xiàn)為降低的趨勢。

表2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量Tab.2 Soil nutrient content of different land use modes

2.3 不同土地利用方式土壤石礫及孔隙度

不同土地利用方式樣地的土壤石礫含量見圖3。可見，不同利用方式土地的土壤石礫含量未表現(xiàn)出整體的差異規(guī)律，其中混交林地、純林地、灌木林地及草地的組間差異不顯著，而果園石礫含量顯著＞耕地（p＜0.05）。隨著土壤深度的增加，混交林地、純林地及灌木林地的變化趨勢不顯著，而果園及耕地土壤石礫含量均表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而增加的趨勢（p＜0.05）。

圖3 不同土地利用方式土壤石礫含量特征Fig.3 Soil gravel content characteristics of different land use modes

不同土地利用方式不同土層的土壤總孔隙度分布特征見圖4。可見，土壤總孔隙度整體表現(xiàn)為混交林地＞灌木林地＞純林地＞果園＞草地＞耕地。其中，在0～30 cm 土層混交林地土壤總孔隙度顯著高于其他樣地（p＜0.05），純林地及灌木林地土壤總孔隙度顯著高于草地、果園及耕地（p＜0.05），但純林地及灌木林地間差異不顯著，果園土壤總孔隙度顯著＞草地。

圖4 不同土地利用方式土壤總孔隙度特征Fig.4 Soil total porosity characteristics of different land use modes

2.4 不同土地利用方式土壤飽和導水率

豫東平原不同土地利用方式的土壤飽和導水率分布規(guī)律見圖5?？梢?，不同利用方式土地的土壤飽和導水率差異顯著，整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞草地＞果園≈耕地，尤其在0～20 cm 土層，混交林地、純林地及灌木林地與草地、果園及耕地的差異最為顯著（p＜0.05），隨著土壤深度的增加，不同土地利用方式樣地的土壤飽和導水率的差異減弱；草地、果園及耕地間土壤飽和導水率的差異不顯著。

圖5 不同土地利用方式土壤飽和導水率特征Fig.5 Characteristics of soil saturated water conductivity with different land use modes

2.5 土壤養(yǎng)分及土壤物理特征與土壤飽和導水率的關系研究

通過分析土壤因子與土壤飽和導水率的關系（見圖6）可見，土壤全氮、速效鉀、速效磷、總孔隙度、土壤含水率及土壤容重均是影響土壤飽和導水率的主要因素，而石礫含量對土壤飽和導水率的影響不顯著。其中，土壤容重與土壤飽和導水率呈顯著負相關關系，而土壤總孔隙度、土壤含水率、土壤全氮、速效鉀、速效磷均與土壤飽和導水率呈顯著正相關關系。

圖6 土壤飽和導水率的影響因素分析Fig.6 Analysis of influencing factors of soil saturated water conductivity

3 分析與討論

在豫東平原地區(qū)，不同土地利用方式下的土壤水分特征差異顯著。其中，土壤飽和導水率表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞草地＞果園≈耕地，這是由于混交林地及純林地相比草地的土壤根系含量更高，根系活動造成土壤含有更多孔隙，從而有利于土壤導水[3]，而果園及耕地由于人為耕作過程中破壞了土壤根系及孔隙，導致土壤飽和導水率降低[20]。此外，豫東平原地區(qū)不同土地利用方式下的土壤含水率同樣表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞灌木林地＞耕地≈草地＞果園，可見土植物建設種類不同不僅會影響水分入滲，同時會影響土壤水分儲存[21]。

研究還表明，不同土地利用方式下的土壤性質及養(yǎng)分特征也存在顯著差異，土地利用及管理上的差異會導致土壤養(yǎng)分含量具有顯著差異，這與以往的研究結果一致[22]，其中本研究發(fā)現(xiàn)喬木及灌木林的建設更有利于土壤養(yǎng)分的積累。此外，土壤總孔隙度表現(xiàn)為混交林地＞灌木林地＞純林地＞果園＞草地＞耕地，這也是根系差異導致的結果[3]。不同的土地利用、管理方式及不同的植被類型會導致土壤容重變化與差異，同樣是植物根系生長、節(jié)肢動物活動等綜合作用的結果[3]。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的增加，灌木林地土壤容重逐漸減小、含水率增加，而其他土地利用類型樣地土壤容重隨著增加、含水率減小；隨著土壤深度的增加，混交林地及純林地土壤含水率表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，而灌木林地、草地、果園及耕地均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢；果園及耕地會導致土壤石礫含量具有垂直變異規(guī)律，這是由于整地、翻耕等人為管理措施導致[23,24]?？梢?，不同土地利用及管理方式會導致土壤含水率變化，是由于整地、灌溉及土壤結構變化導致[25-27]。

分析不同土地利用方式下土壤飽和導水率的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)不同土地利用管理會通過影響土壤容重、土壤總孔隙度、土壤初始含水率及土壤養(yǎng)分從而對土壤飽和導水率產(chǎn)生重要影響?；旖涣值亍⒐嗄玖值?、純林地、果園、草地及耕地擁有不同的建設方式及管理模式[28-30]，會導致土壤結構變化，植被差異會導致土壤養(yǎng)分差異，最終導致了土壤飽和導水率的差異。從結果可見，混交林及灌木林有利于土壤導水及持水性能的提升。

4 結 論

（1）豫東平原不同土地利用管理對土壤容重、土壤含水率、土壤總孔隙度及土壤養(yǎng)分存在顯著影響，其中喬木、灌木造林地土壤總孔隙度、含水率及土壤養(yǎng)分顯著高于草地、果園及耕地，而喬木、灌木造林地土壤容重顯著低于草地、果園及耕地，不同植被種植后的根系發(fā)育差異、動物活動差異及灌溉、翻耕等管理方式的差異均可能是導致以上土壤因子差異的原因。

（2）豫東平原不同土地利用方式樣地的土壤飽和導水率特征差異顯著，整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞草地＞果園≈耕地，這種差異在表層土壤更為顯著，而不同土地管理后的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤含水率、土壤全氮、速效鉀、速效磷變化均是導致土壤飽和導水率特征變化的主要因子。

（3）混交林及灌木林有利于土壤導水及持水性能的提升。