三峽庫區(qū)不同土地利用方式的土壤持水性能

侯文寧,王海燕,寧一泓,鄒佳何,趙 晗

(北京林業(yè)大學林學院,森林培育與保護教育部重點實驗室,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、季節(jié)和氣候狀況等[2]。土地利用方式包括園地、林地和耕地在內的多種類型,合理的土地利用方式可以改善土壤結構和土壤肥力狀況,調節(jié)水熱條件以適合植物生長,而不合理的土地利用方式會導致土壤質量下降,從而加速侵蝕導致嚴重的土壤退化[3]。土地利用方式能通過影響土壤理化性質如土壤密度、土壤有機質(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,國內外對不同土地利用方式土壤持水性能的研究已取得一定進展。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穩(wěn)定,且高于裸地、灌叢和林地。Xie等[2]認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密切相關,以林地和棄耕地最強,灌草地最弱。在重慶江津四面山開展的相關研究發(fā)現(xiàn),土壤的飽和導水率在林地中最大,農地和草地次之[6];相同土地利用方式下,不同林分類型也會影響土壤持水和入滲能力以及有機碳儲量[7]。

三峽庫區(qū)重慶段約占整個三峽庫區(qū)面積的80%,作為我國最為特殊的生態(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,質地類型為砂壤土,土壤團聚性差,易隨水流失,且因降雨量集中、強度大,水力沖蝕作用強烈。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%,是長江上游水土流失最為嚴重的區(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行坡耕地的開墾,加上當?shù)卮罅Πl(fā)展旅游業(yè),大量地帶性植被逐漸被高經濟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,導致該區(qū)土壤流失嚴重,生產力急劇下降,嚴重威脅當?shù)鼐用竦纳a生活,對庫區(qū)的安全和長期高效運作產生不利影響。前人的相關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西南方向。常住人口138.7萬,幅員面積約3 200 km2。市內海拔落差大,最高1 709.4 m,平均海拔209.7 m,地形屬川東丘陵。區(qū)內河流自南向北,經四面山鎮(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)為亞熱帶濕潤季風氣候,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,主干(集水區(qū)Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ)各選擇4個,共21個采集點。在每個采集點附近分別設置20 m×20 m的園地、林地和耕地樣方,記錄海拔、經緯度等(表1)。在每個樣方內沿“S”型隨機布設5個采樣點,用土鉆分別采集0～20和20～40 cm土樣并分層混勻,共采集2個土層的混合土樣126個;同時用環(huán)刀采集0～20和20～40 cm 深度的原狀土,以測定土壤密度和持水性能指標。

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

2.2 土壤樣品的測定

混合土樣經風干、磨細過篩后測定SOM[11];在 105 ℃ 條件下將環(huán)刀土樣烘干至恒質量,測定土壤密度和自然含水率;對環(huán)刀進行多次烘干、吸水并置于干砂上干燥,稱量后測得SC、CC和FC[12]。

2.3 數(shù)據(jù)計算

土壤持水性能及其他各指標的計算公式[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為在水槽內浸水數(shù)小時后的穩(wěn)定濕土質量,g;MO為烘干土質量,g;CC為毛管持水量,%;MB為放在鋪有干砂的平底盤中兩小時的濕土質量,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(也即質量含水率),%;SA為土壤通氣度,%。

變異系數(shù)

(9)

式中:σ為標準差;a為均值。通常情況下,研究變量在CV≤0.1、0.1

根據(jù)拉伊達準則[14]剔除異常值后,數(shù)據(jù)的整理和作圖在Microsoft Excel 2010進行;使用ArcGIS 10.8繪制采樣點圖;在SPSS 23和R 4.1.3進行土壤自然含水率的描述性統(tǒng)計分析,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間的相關性分析和逐步回歸分析。

3 結果與分析

3.1 土壤自然含水率描述性統(tǒng)計

根據(jù)拉伊達準則,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)出較強的異質性。結合偏度和峰度,進行Shapiro-wilk正態(tài)分布檢驗發(fā)現(xiàn):將20～40 cm土層的園地土壤自然含水率對數(shù)轉化后,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

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、經度、緯度)的相關關系如圖2所示。在0～20 cm土層,林地SC與坡度呈顯著正相關(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(P<0.05)。土壤持水性能與其他因子無顯著相關性。

**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 與土壤理化性質之間的相關關系

不同土地利用方式下土壤持水性能與土壤理化性質的相關關系基本表現(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,與土壤密度呈顯著或極顯著負相關。園地SC和園地、林地、耕地的CC、FC與CP呈極顯著正相關(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,其SC與NP呈顯著或極顯著正相關。持水性能與其他土壤理化性質間相關性基本不顯著(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,與土壤密度呈顯著或極顯著負相關。園地CC、FC,林地FC和耕地SC、CC、FC與土壤CP呈極顯著正相關(P<0.01),林地CC與CP呈顯著正相關(P<0.05),園地、林地和耕地SC與土壤通氣度呈極顯著正相關(P<0.01)。持水性能與其他土壤理化性質間相關性不顯著(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的相關關系

3.6 與土壤理化性質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之間的關系得出,園地、林地和耕地的土壤基本理化性質對土壤持水性能的影響不同(表6)。統(tǒng)計數(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對持水性能的影響。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,林地和耕地CC均與CP正相關,與土壤密度負相關。此外,園地SC與土壤密度正相關,與NP和土壤容積含水量負相關;園地CC與土壤自然含水率和CP正相關,與土壤密度和容積含水量負相關。林地SC與TP正相關,與NP負相關。耕地SC與TP和CP正相關,與SOM負相關。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(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狀況,兩者均是表征土壤水分循環(huán)和儲存的重要指標,而土地利用方式可對其產生直接影響。研究區(qū)不同土地利用方式對土壤密度、NP和TP存在顯著影響。耕地土壤由于長期受到機械壓實,使耕作層下形成犁底層,導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,其通過分泌膠結物質及其他微生物發(fā)生一系列反應形成SOM[15],同時較多的根系交錯纏繞有利于形成土壤團聚體,從而增加土壤孔隙度,降低土壤密度,提高土壤質量。

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,當土體疏松,土壤密度較小,TP和CP較大時,土壤持水性能較好,反之當土體緊實,土壤密度較大,TP和CP較小時,土壤持水性能較差[1]。該研究區(qū)土地利用方式對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期處于未被擾動的狀態(tài),土體具有較大的孔隙度和較小的土壤密度。此時大小孔隙比例適當,團聚體的水穩(wěn)性亦較好,土壤結構穩(wěn)定[16];此外,林地土壤植被覆蓋度大,根系發(fā)達,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,促進形成土壤良好結構體,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,由于長期人為干預,易造成土壤板結,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個集水區(qū)。研究結果表明,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。這主要是因為筍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、通氣透水性強等特征,而中段至下段受耕作活動影響,導致NP被破壞,使其導水能力差,持水能力強。此外,還可能與地形地貌和河流流量及降雨有關。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、流量最大且地勢平坦。研究區(qū)在豐水期降雨量大且集中,導致上段的細小土壤顆粒被沖刷至中下段堆積,所以導致集水區(qū)之間持水性能存在差異。

相關性分析結果表明,除0～20 cm土層的林地SC與坡度呈顯著正相關,20～40 cm土層中林地CC和FC、耕地CC與緯度顯著正相關外(P<0.05),土壤持水性能與其他地形因子無顯著相關性。沿筍溪河走向,緯度逐漸增加,太陽輻射略有減弱,從而導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因素的結論相反。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相關,與TP、CP呈顯著正相關,NP、土壤通氣度通過影響飽和導水率也對土壤持水性能有顯著正相關作用。逐步回歸分析結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,導致其對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肥,導致其SOM含量高于園地和林地,使其對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和運輸,降低土壤密度,增加土壤CP對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、孔隙度等土壤性質密切相關的結果一致。前人關于SOM影響持水性能的結論不一,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;Khlosi等[22]研究表明SOM含量低的土壤中,SOM對持水性能的影響很小。本研究與Khlosi等[22]的研究結果一致,這主要是因為研究區(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,生長于河流周圍,含較多巖石,其針葉林枯落物難以形成腐殖質歸還給土壤中,且土壤質地復雜,減弱了SOM對土壤持水性能的影響。

5 結論

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,而與土壤容積含水量、SOM的相關性未達到顯著水平。

更加全面掌握江津市土壤水文動態(tài)過程,則需長期監(jiān)測分析,進一步探究不同季節(jié)、不同地形以及不同土壤機械組成下集水區(qū)間水文動態(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。