贵州赤水河流域土壤水源涵养特征

黄兴成，熊仕娟，李 渝，张雅蓉，刘彦伶，阳路芳，蒋太明

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006；2.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵阳 550006；3.贵州省农业科学院辣椒研究所，贵阳 550006；4.四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066；5.贵州省农业科学院，贵阳 550006)

【研究意义】水资源是一种基础性、战略性的自然资源，水资源合理利用推动了农业、社会和经济的可持续发展[1-2]。然而，随着人口增长和工农业的迅速发展，不合理的利用水资源造成了水资源破坏[3-5]。中国人均水资源占有量不足世界人均占有水量的四分之一，水资源在地区间分布不均衡的危机正严重制约中国的可持续发展[6]。因此，开展区域水源涵养功能调查研究，了解区域水源涵养功能状况，为区域水资源可持续利用提供科学依据，有助于促进生态环境保护与社会经济的协调发展。【前人研究进展】联合国可持续发展目标(Sustainable Development Goals，SDGs)中明确提出，要进行区域水资源综合管理，保证水安全，以实现全球范围内的可持续发展[7]。土壤水源涵养功能是生态系统服务功能的重要组成成分，是区域水资源的可持续利用的关键因素[8-9]。大量研究指出，土壤层是森林[10]、湿地[11]、农田[12]等生态系统水文效应最重要的一层，是整个生态系统水分循环的主要贮蓄库和调节器。然而，由于人们长期缺乏对水资源可持续利用的正确认识，忽视了土壤水源涵养功能在水资源可持续利用上的作用，造成区域水土流失[13]、季节性干旱[14]、水体污染[15]等生态环境问题，给社会经济发展带来了巨大的损失。【本研究切入点】赤水河是长江上游最重要的一级支流，贵州境内赤水河流域是茅台、习酒产地。贵州省2011年颁布了《贵州省赤水河流域保护条例》，为保护该区域水资源确立了良好的法律基础，但针对当前贵州赤水河流域土壤水源涵养功能的现状研究报道少见。【拟解决的关键问题】采用野外调查和室内分析相结合的研究方法，基于土壤蓄水能力评价贵州赤水河流域土壤水源涵养特征，为贵州省开展赤水河流域生态环境保护提供有效参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州赤水河流域位于贵州省北部，东经105°13′19″～106°58′34″，北纬27°13′16″～28°45′58″，主要辖赤水市、习水县、仁怀市、桐梓县、播州区、金沙县、大方县、七星关区共8个县域，流域面积11392 km2。地形以西南高东北低，海拔在218～2107 m，山势陡峭，岩溶地貌发育，河谷深切狭窄，河床比降大。气候属亚热带季风气候区，年平均气温 13.1～17.6 ℃，年平均降水1286 mm，植被类型以人工云南松、马尾松和亚热带次生常绿阔叶林为主。流域土壤类型复杂多样，地带性土壤为黄壤，岩性土壤有石灰(岩)土和紫色土，耕作土壤以黄壤、紫色土、石灰(岩)土及其发育的水稻土为主，水土流失较为严重。

1.2 土壤样品采集

根据不同土壤类型、地形条件和土地利用方式等因素，每种类型下选择有代表性的地块设置采样点，每个采样点用100 cm3(高50 mm，直径50.46 mm)的环刀采集0～20 cm的土层中部土壤原状样品，两端削平，用环刀底盖加封，带回室内待分析。共采集162个土样，采样时间为2018年9—11月，采样点分布如图1。

1.3 土壤水源涵养量测算

将采集的原状土样带回室内，采用LY/T 1215—1999《森林土壤水分—物理性质的测定》[16]方法，测试土壤饱和持水量和田间持水量。将土样放入水中浸泡饱和后称重(W1)，再将其放在铺有干砂的平底托盘中静止一昼夜后称重(W2)，于105 ℃烘干至恒重(W3)，计算土壤饱和持水量和田间持水量。

土壤饱和持水量(%)=W1-W3

土壤田间持水量(%)=W2-W3

采用土壤蓄水能力法[17-18]评价土壤水源涵养量。土壤饱和持水量代表了土壤总水源涵养量，土壤田间持水量表示其有效水源涵养量。0～20 cm土层总水源涵养量和有效水源涵养量的计算方法如下。

土壤总水源涵养量(mm)=土壤饱和持水量(%)×200/100

土壤有效水源涵养量(mm)=土壤田间持水量(%)×200/100

1.4 数据统计与分析

用Excel对数据进行统计分析，应用地统计学方法及Esri ArcGIS 9.3 对采样点土壤水源涵养量进行Kriging空间插值。

2 结果与分析

2.1 贵州赤水河流域土壤水源涵养量特征

2.1.1 土壤总水源涵养量特征 从图2看出，贵州赤水河流域0～20 cm土层总水源涵养量在64.6～136.4 mm，呈右偏态(平顶峰)分布，上四分位数为87.7 mm，下四分位数为109.7 mm，平均值为99.9 mm。从总水源涵养量分级特征看，总水源涵养量在100～110 mm的比例最大，占25.93%；土壤总水源涵养量小于100 mm的样点比例达49.99%。

图1 贵州赤水河流域土壤样品采集点分布Fig.1 Distribution of collecting spots of soil samples in Chishui river basin of Guizhou

图2 贵州赤水河流域土壤总水源涵养量分布频率Fig.2 Distribution frequency of total amount of water soil conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.1.2 土壤有效水源涵养量特征 从图3看出，贵州赤水河流域0～20 cm土层有效水源涵养量在19.0～122.4 mm，呈左偏态(尖顶峰)分布，上四分位数为72.4 mm，下四分位数为91.0 mm，平均值为81.2 mm。从有效水源涵养量的分级特征看，有效水源涵养量在80～90 mm的比例最大，占27.78%，有效水源涵养量大于100 mm的比例仅占11.73%。

图3 贵州赤水河流域土壤有效水源涵养量分布频率Fig.3 Distribution frequency of effective amount of water soil conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.2 贵州赤水河流域土壤水源涵养量的空间变异性

2.2.1 土壤总水源涵养量的空间变异性 采用简单克里金(Simple Kriging)方法对土壤总水源涵养量进行空间插值(图4-a)结果表明，赤水河流域土壤总水源涵养量呈东北低，西南高的变化趋势。土壤总水源涵养量的低值中心位于仁怀市，仅80.1 mm；土壤总水源涵养量的高值中心位于大方县，达124.2 mm(表1)。贵州赤水河流域土壤总水源涵养量在90～100 mm范围的分布面积较大，占流域面积的63.0%；土壤总水源涵养量大于100 mm的分布面积仅占流域总面积的35.5%(表1)。对插值数据进行线性回归拟合(图4-b)，表明土壤总水源涵养量的预测值与实测值存在极显著的正相关性(R2= 0.7458，P<0.01)，预测结果较优。

图4 贵州赤水河流域土壤总水源涵养量空间变异特征Fig.4 Spatial variation characteristic to total amount of soil water conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.2.2 土壤有效水源涵养量的空间变异性 采用简单克里金方法对土壤有效水源涵养量(图5-a)进行空间插值结果表明，赤水河流域土壤有效水源涵养量呈东北低，西南高的变化趋势。土壤有效水源涵养量的低值中心位于仁怀市，仅39.1 mm；土壤有效水源涵养量的高值中心位于大方县，达108.3 mm(表2)。贵州赤水河流域土壤总水源涵养量在80～90 mm的分布面积较大，占流域面积的70.1%(表2)。对插值数据进行线性回归拟合(图5-b)表明，土壤有效水源涵养量的预测值与实测值存在极显著的正相关性(R2=0.8015，P<0.01)。

图5 贵州赤水河流域土壤有效水源涵养量空间变异特征Fig.5 Spatial variation characteristic to effective amount of soil water conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.3 贵州赤水河流域各县域土壤水源涵养特征

2.3.1 各县域土壤总水源涵养特征 对不同区域总水源涵养量进行分级(表1)表明，不同县域总水源涵养特征存在显著差异。各县域土壤总水源涵养量从大到小依次为大方县>七星关区>金沙县>播州区>桐梓县>仁怀市>习水县>赤水市。赤水市、习水县、桐梓县、仁怀市和播州区5个县域的土壤总水源涵养量主要分布于90～100 mm，分别占县域面积的91.7%、91.3%、96.2%、55.4%、64.8%；金沙和七星关主要分布于100～110 mm，分别占县域面积的81.7%和65.9%；大方县主要分布于110～120 mm，占县域面积的59.1%。

表1 贵州赤水河流域不同县域土壤总水源涵养量及分级

2.3.2 各县域土壤有效水源涵养特征 对不同区域有效水源涵养量进行分级(表2)表明，不同县域有效水源涵养特征存在显著差异。各县域土壤平均有效水源涵养量为大方县>七星关区>播州区>金沙县>赤水市>桐梓县>习水县>仁怀市，各县域土壤有效水源涵养量均主要分布于80～90 mm。

表2 不同县域土壤有效水源涵养量及分级

3 讨 论

贵州赤水河流域是长江上游重要的生态屏障，保护该区域生态环境已经成为地区的战略要求[19-20]。有研究指出，由于地质结构特征和工农业生产等因素影响，赤水河流域内水土流失严重，水体富营养化问题加剧[21-23]。因此，保护水土资源，促进地区经济社会发展，成为当前赤水河流域亟待解决的问题。研究针对当前贵州赤水河流域土壤水源涵养不明的问题，进行区域土壤水源涵养特征及其空间分布，研究表明，贵州赤水河流域土壤水源涵养量平均为99.9 mm，县域尺度上赤水、仁怀水源涵养量较低，结果填补了该区域研究的空白。与中国不同区域土壤水源涵养量比较，贵州赤水河流域土壤总水源涵养量低于东北黑土[24]、华中[25]和福建红壤[26]。因此，应当提升对该区域土壤水源涵养的认识和保护力度，以实现区域的绿色发展。

值得注意的是，土壤水源涵养量受土壤类型、土壤性质、土地利用、地形条件和人为耕作管理等因素影响[27-29]，需要更多研究阐明不同环境条件和人为管理条件下的土壤水源涵养特征及其影响机制，为区域土壤水源涵养的科学管理提供依据。整个土体对于水源涵养均有作用，但研究仅考察了0～20 cm土层的水源涵养，未来的研究应当增强对整个土体水源涵养量的研究。本研究结果主要考察土壤的持水能力，未结合区域时间序列下降雨蒸发等特征，而土壤水资源赋存状态和动态特征对于区域水资源可持续利用亦十分重要，在未来研究中应当加强相关内容的研究。

4 结 论

贵州赤水河流域0～20 cm土层土壤总水源涵养量在64.6～136.4 mm，平均为99.9 mm；土壤有效水源涵养量在19.0～122.4 mm，平均值为81.2 mm。贵州赤水河流域土壤总水源涵养量和有效水源涵养量呈东北低，西南高的变化趋势。大方县是该区域内总水源涵养量和有效水源涵养量最大的县域，赤水市土壤总水源涵养量最小，仁怀市土壤有效水源涵养量最小。