喀斯特地区不同土地利用方式对土壤饱和导水率的影响

2020-04-27蔡路路刘子琦景建生

水土保持研究 2020年1期

蔡路路, 刘子琦, 李渊, 余逍, 景建生

(贵州师范大学喀斯特研究院国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001)

饱和导水率(Saturated hydraulic conductivity,Ks)是水和溶质运移模型的关键参数，影响着土壤水分运移，对土壤水分的入渗、径流和贮藏产生过程起着关键作用[1-3]。土壤Ks受到土壤质地、土壤结构、有机质和坡向等诸多因素的影响[4-7]。彭舜磊等[8]通过多元逐步回归方法得出容重、非毛管孔隙度是影响不同演替阶段土壤Ks的主要因子。Jarvis等[9]研究表明Ks受容重、有机质含量的影响。此外，Yao等[10]指出农业土壤的Ks除了受有机碳影响因素外，还取决于土地利用、耕作和灌溉水质等管理措施。研究表明，不同土地利用方式会通过耕作方式和植物作用差异改变土壤的水力特性[4,11]。Wang等[2]和Jarvis等[9]认为耕作扰动会破坏土壤的孔隙结构，因而与自然植被相比Ks更低。自然植被不受耕作影响，根系在土壤中穿插和枯枝落叶覆盖改善土壤结构，提高土壤有机质和孔隙度，增强土壤的渗透性[12]。不少学者研究表明，不同土地利用方式的Ks存在差异，其中容重、有机质及非毛管孔隙度是主要的影响因素[13-14]。可见，虽然目前对Ks开展了大量的研究，但由于影响因素复杂，主要影响因子尚不明确，还有待进一步研究。

喀斯特地区土壤具有成土速率慢、土层薄、土被不连续及异质性强等特点[15]。由于喀斯特地区土壤直接覆盖在表层岩溶带上[16]，Ks对表层岩溶带的水文过程响应敏感。鉴于Ks对土壤水文过程的重要性，部分学者对喀斯特地区土壤Ks开展了研究。Fu等[17]对西南喀斯特小流域的Ks垂直分布研究表明，碎石含量是主要影响因素，在模拟喀斯特水文时要考虑碎石含量对Ks的影响。张川等[18]对喀斯特坡面表层Ks研究显示，Ks具有中等的空间自相关，空间连续性差，沿坡面并没有明显的变化规律，土壤含水量与Ks呈极显著的负相关。而Fu等[19]研究则表明，土壤Ks在喀斯特流域空间内变异程度中等，有较强的空间自相关，非毛管孔隙度和容重是主要影响因子。覃淼等[20]研究发现，桂北地区不同土地利用类型的Ks差异显著，土壤孔隙度比有机质对Ks影响更大。在喀斯特地区，土壤Ks的研究主要关注的是流域表层空间差异性及其剖面垂直变化特征，而土地利用方式与植被类型对Ks影响的研究仍然比较鲜见。

基于以上认识，本研究以花江喀斯特高原峡谷区花椒地、金银花地、玉米地和荒地4种土地利用方式的土壤作为研究对象，通过分析土壤剖面Ks及土壤理化性质特征，探讨不同土地利用方式对Ks的影响，以期为该区土壤水分渗透模型构建、土壤水分动态预测提供参考，为西南喀斯特地区石漠化生态恢复及生态服务评价提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于黔西南贞丰县北盘江镇石漠化治理示范区内，地理坐标为25°39′01″—25°40′06″N，105°39′36″—105°38′23″E，属典型的喀斯特高原峡谷地貌。碳酸盐岩裸露，地表植被稀疏，地势起伏大，海拔600～1 200 m。研究区年平均气温18.4 ℃，夏秋湿热，冬春暖干，年均降水量1 100 mm，但季节分配不均，集中在5—10月，属半亚热带季风湿润气候。土壤以石灰岩、泥灰岩为成土母质的石灰土为主，基岩裸露率高达70%，但因成土速率慢、土流失严重，该区土层浅薄。主要植被有花椒(Zanthoxylumbungeamun)、金银花(Lonicerajaponica)、核桃(JuglansregiaL.)和构树(Broussonetiapapyriferal)等。主要土地利用方式有花椒地、金银花地、玉米地和荒地，其中玉米为翻耕的耕作方式，花椒地、金银花地和荒地均为免耕。

1.2 试验方法

2018年4月11日至4月15日，在研究区内选择花椒地、金银花地、玉米地和荒地4种土地利用方式的土壤作为研究对象。每种土地利用方式样地内选取3个具有代表性的土壤剖面采样。每个剖面按0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm分层采取原状土和扰动土,每一土层取3次重复。原状土采用高5 cm、体积为100 cm3的环刀采样，扰动土用塑料袋密封带回实验室。用定水头法测定土壤饱和导水率[21]，用环刀法测定、容重、田间持水量，用浸水法和环刀法测定土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量[22]，土壤有机质采用重铬酸钾加热法测定。表层土壤的渗透系数根据van Genuchten模型原理[23]，利用美国Meter公司在华盛顿州普尔曼生产的渗透计(mini Disk Infiltrometer)现场测定。根据土壤类型将吸力率设为2 cm，每隔30 s记录渗透体积，每个剖面重复3次。土壤的渗透系数(K)根根下面的公式计算：

K=C/A

式中：C为累积渗透与时间平方根作图得到的斜率；A为与van Genuchten参数有关的值，对应特定的土壤类型，以及吸力率和渗透计盘半径，本文中A值为2.429。

1.3 数据处理

运用Excel 2016整理数据，利用SPSS 24.0对数据进行统计分析，通过单因素方差分析(ANOVA)方法，并用LSD法进行对比，检验不同土地利用方式的土壤理化性质差异，饱和导水率在不同土层及不同土地利用方式的差异显著性，且均通过方差齐性检验，最后用Pearson相关分析检验饱和导水率与其他理化性质的相关性。图的制作通过Origin 2018完成。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质特征

金银花地、玉米地及荒地的土壤容重均随着深度加深而增大，但花椒地呈先减小后增大再减小的变化规律(图1)。花椒地容重在10—20 cm最低，且在10—50 cm均低于其他土地。4种土地利用方式的平均土壤容重介于1.29～1.40 g/cm3，花椒地最低只有1.29 g/cm3，金银花地最高为1.40 g/cm3(表1)。方差分析显示，花椒地的平均容重显著低于其他土地利用方式(p<0.05)，而金银花地、玉米地和荒地没有显著差异(p>0.05)，说明花椒在改善土壤孔隙方面具有优势。

金银花地、玉米地和荒地的总孔隙度均随深度增加而降低，而花椒地则与其容重变化规律相反，随着深度加深呈先增后减小再增大的变化特征。花椒地土壤容重、总孔隙度均在10—20 cm出现变化，可能与该层根系发达以及施加粪肥后在此层富集有关。各土地利用方式的非毛管孔隙度均随土层加深呈先增加后减少的变化规律。毛管孔隙度在0—30 cm均随深度增加而递减，而在30—50 cm递增。各土地利用方式总孔隙度均值介于47.74%～51.62%，其中花椒地最大为51.62%，显著高于金银花地、玉米地和荒地(p<0.05)。非毛管孔隙度均值在16.22%～20.76%变化，金银花地较花椒地、玉米地和荒地分别显著低20.61%，21.87%，17.16%(p<0.05)。毛管孔隙度均值介于27.49%～31.52%，花椒地与金银花地差别不大，但两者均显著高于玉米地和荒地(p<0.05)。

花椒地、玉米地和荒地的田间持水量、毛管持水量在0—30 cm，均随着深度增加而降低，而在30—50 cm则随深度增加而递增。分层含水量的在垂直方向规律不明显。各土地利用方式的田间持水量、毛管持水量和土壤含水量平均值分别介于19.64%～22.84%，20.15%～23.58%和15.47%～17.49%。方差分析显示，花椒地、金银花地的田间持水量、毛管持水量显著高于玉米和荒地(p<0.05)，花椒地的分层含水量均值达17.49%，显著高于玉米地(p<0.05)。由此可见，花椒地的涵养水源效果最好，玉米地最差。

各土地利用方式的土壤有机质含量均随土层深度增加而降低。有机质含量平均值介于34.22～39.79 g/kg，花椒地、金银花地、玉米地和荒地分别为39.79 g/kg，37.41 g/kg 、34.22 g/kg和38.48 g/kg。方差分析结果表明，玉米地显著低于花椒地、金银花地和荒地(p<0.05)，但花椒地、金银花地和荒地差异不显著(p>0.05)。

表1 不同土地利用方式的土壤理化性质

2.2 表层土壤渗透系数

表层土壤的渗透系数(K)见表2。不同土地利用方式土壤的表层渗透系数差异较大，花椒地、金银花地、玉米地和荒地，分别为1.02，0.78，0.61，0.97 m/d，变异系数在0.32～0.47，属于中等变异程度。不同土地利用方式的土壤渗透特征见图2，土壤的渗透时间与累积渗透量、累积渗透存在良好的线性关系(R2=0.99)，表明K值可靠。荒地的渗透量与累积渗透均最高，而玉米地均最低。花椒地的渗透系数最高，可能与土壤非毛管孔隙度大、容重小有利于水分渗透有关。

表2 表层土壤的渗透系数

2.3 饱和导水率垂直变化特征

不同土地利用方式的Ks随着土层加深，均呈先增加后减小的变化特征(表3)。同一土地利用方式不同土层的Ks垂直变化均介于0.31～19.99 m/d，最大值和最小值均出现在花椒地。4种土地方式的Ks均值介于6.41～7.37 m/d，花椒地最大为7.37 m/d，玉米地最小仅有6.41 m/d，花椒地显著高于玉米地(p<0.05)。方差分析结果显示，4种土地方式的Ks最大值都出现在10—20 cm土层，且均显著高于其他土层(p<0.05)。在10—20 cm土层，花椒地Ks显著高于玉米地(p<0.05)，但在40—50 cm又显著低于金银花地(p<0.05)，而金银花地、玉米地和荒地未表现出显著差异(p>0.05)。综上可见，花椒地Ks最高，渗透性能最好，相比其他土地利用方式，降雨后不易形成坡面径流，有利于防止表层水土的流失。

图1 土壤理化性质的剖面分布特征

表3 不同土地利用方式的土壤饱和导水率

图2 表层土壤的水分渗透特征

2.4 饱和导水率与土壤理化性质相关分析

土壤Ks与土壤容重、孔隙度及有机质等理化性质密切相关。本文选取与Ks相关的8个变量做相关分析，结果见表4，可知Ks除了与毛管孔隙度、毛管含水量、田间持水量和土壤含水量与Ks相关性不显著外(p>0.05)，与其他变量均达到极显著的相关性(p<0.01)，其中容重与Ks呈极显著负相关(p<0.01)，而总孔隙度、非毛管孔隙度和有机质均与Ks呈极显著正相关(p<0.01)。呈显著相关的变量相关系数绝对值大小排序依次为非毛管孔隙度>总孔隙度>容重>有机质。此外，由表4还可看出其他土壤理化性质两两之间也存在显著的相关关系(p<0.05)，土壤因子有交互作用。单一土壤因子与Ks的相关性是忽略其他因子影响的前提下得出的，不能真实反映它们的相关性。为此，再选取容重(X1)、总孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、毛管持水量(X5)、田间持水量(X6)、土壤含水量(X7)、有机质(X8)等8个因子作为自变量，饱和导水率(Y)作为因变量，采用多元逐步回归方法，筛选出重要的影响因子。得到如下方程：

Y=-14.806+1.125X4

其中,方程决定系数R=0.719,F=19.26>F0.01=4.74,p<0.001,表明回归方程达到极显著水平。由方程可以得出Ks的最主要的影响因子是非毛管孔隙度(X4)。采用通径分析方法，进一步定量分析非毛管孔隙度对Ks的影响程度。分析发现，非毛管孔隙度直接通径系数为0.719，Durbin-Waston统计量为1.787，表明方程可靠性较强。由直接通径系数为正值可知，非毛管孔隙度的增加会提高土壤的Ks。

表4 土壤饱和导水率与土壤理化性质的相关性分析

3 讨论

土壤Ks受到有机质、容重和孔隙度等土壤理化性质的影响。通过相关分析发现，有机质与Ks呈极显著的正相关(p<0.01)(表4)，说明有机质对Ks具有正向作用。但是，关于土壤有机质对Ks的影响仍然存在争议。Lado等[24]研究认为有机质是形成和稳定土壤结构的物质，Ks随有机质含量的增加而增大。然而，可能与土壤质地差异有关，姚淑霞等[25]对科尔沁沙地研究发现Ks与有机质呈显著的负相关关系。此外，彭舜磊[8]等认为有机质提高Ks受到一定极值限制，高于极值时，Ks会呈下降趋势。尽管本研究Ks与有机质存在极显著的相关性(p<0.01)，但只在10—50 cm土层，平均Ks与有机质含量变化趋势一致，主要原因是Ks受综合因素影响，可能在0—10 cm土层，非毛管孔隙度对Ks的影响起着主导的作用。

本研究Ks与容重呈极显著负相关(p<0.01)，和非毛管孔隙度呈现极显著的正相关(p<0.01)，这与Fu等[19]研究结果的相似。本文容重与总孔隙度、非毛管孔隙呈极显著的负相关性(p<0.01)。容重反映的是土壤孔隙特征，容重越大，反映孔隙度越小，土壤性质会通过优先传导水分的非毛管孔隙来影响Ks[6]，而非毛管孔隙中的水不受束缚可以自由流动[16]，利于水分的渗漏。通径分析表明，非毛管孔隙度的直接通径系数为0.719，是影响Ks最重要的因素。此外，Ks与总孔隙度也呈极显著的正相关(p<0.01)。Chen 等[26]研究表明，由于喀斯特地区土壤容重的差异，土地利用类型对土壤水力特性有较强的影响。不同土地利用方式下，植物根系发育引起的土壤质地和结构变化，是影响土壤Ks变化的重要因素[27-28]。4种土地利用方式中，土壤的Ks均随着深度的增加呈先增加后减小的变化规律(图1)，平均Ks介于6.41～7.37 m/d，其中花椒地显著高于玉米地(p<0.05)(表3)。因为土壤理化性质在一定程度上受到植被的影响，植被会改变土壤结构、孔隙度而影响渗水能力。自然植被通过根系和枯枝落叶对表层土壤结构产生影响，表现在降低容重、提高有机质含量、增加大孔隙数量和增强导水能力[12]。我国西南地区树根发育主要集中在浅层土壤[29]，灌木和乔木根系在地表富集，粗根向深层的横向和纵向发育，会增加非毛管孔隙度，有利于水分传导[27]。加之花椒、金银花又为浅根性植物[30-31]，荒地常年杂草丛生，根系在土壤的穿插破坏土壤结构，根系死亡后形成空洞提高土壤的孔隙度。而玉米地受翻耕除草影响，植物根系因常受破坏而不发达，所以花椒地、金银花地和荒地的平均Ks高于玉米地。与其他学者研究的Ks最大值出现在表层结果不同[16]，本研究各土地利用方式Ks最大值均出现在10—20 cm土层，显著高于其他土层(p<0.05)。主要原因是因为该层植被根系发达，土壤动物活动形成较多孔隙，受外界影响较小，有利于保护孔隙。但在20—50 cm土层，因土壤细颗粒向下填充，容重增大、孔隙度降低，所以Ks均随深度加深而降低。

不同土地利用方式的土壤Ks在0—10 cm土层介于7.04～8.24 m/d (表3)，与付同刚等[16]研究桂北小流域的结果相近(8.72 m/d)，但低于张川等[18]研究的喀斯特坡面表层(13.18 m/d)。但是在0—10 cm土层，Ks在不同土地利用方式上并未表现出显著差异(p>0.05)，这是因为喀斯特地区表层土壤比深层受到更复杂的影响因素，如凋落物覆盖、动物活动[3]，这些因素的综合作用会削弱表层植被对饱和导水率的影响。此外，不同土地利用方式的耕作方式差异也会对表层土壤Ks会产生重要影响。研究表明，耕作后土壤孔隙度会先下降再保持稳定[32]，耕作扰动会破坏土壤结构和非毛管孔隙的连续性，特别是动物和根的生物孔[9]。本研究耕作土壤(玉米地)Ks显著低于免耕土壤(花椒地)(p<0.05)，与Wang等[2]的研究结果相似。玉米地长期受到人类活动的干扰，会导致土壤层板结，有机质含量、土壤通透性降低[33]。此外，耕作扰动会加快表层细粒向下迁移，导致孔隙度随着深度加深降低，从而降低土壤Ks。综上所述，因为花椒地、金银花地和荒地均为免耕的耕作方式，植被根系发达，有机质、孔隙度高于玉米地，所以平均Ks高于玉米地。不同的研究区Ks的影响因素差异较大，主导因子不尽相同，应当根据该区的土壤理化性质具体分析。