冀西北土地利用方式改变对土壤贮水和入渗特征的影响

杨文姬，曹 航，杨新兵*，梁世兴

(1.山合林(北京)水土保持技术有限公司，北京 100038；2.河北农业大学林学院，河北保定 071000；3.张家口市涿鹿林场，河北张家口075600)

水土保持是人类干扰生态系统的一种有效手段，是保护和改良自然环境条件的综合利用[1]。土壤的水土保持功能主要体现在土壤的入渗规律和贮水性能两方面。土壤入渗是控制地表径流、壤中流、地下径流与土壤贮水性能的关键环节[2]，土壤贮水性能又是植被恢复与生态建设的基础[3]。土地利用类型的变化是人类社会对土地资源利用的直接反映，土地利用方式受到人文及自然因素的制约，土地利用类型不同，则其贮水和入渗性能就不一样，即使是同一地区的同一类型土壤，其土壤贮水和入渗性能也会有不同差异[4-5]。诸多学者对土壤贮水和入渗性能进行了研究，认为土壤水分贮水和入渗能力与土壤孔隙状况、土层厚度、表土结构、植被类型及土壤密度等多种因素相关[3-4，6]。研究不同土地利用类型土壤贮水和入渗特征对治理和改善地区保持水土与涵养水源的能力具有重要意义。

冀西北是指张家口地区，是我国首都圈上游的重要天然生态屏障和京津冀水源涵养功能区，2022年冬奥会举办，给张家口市生态环境保护与建设带来巨大挑战[7]。张家口又是严重贫水地区，生态环境极其脆弱，面对既要保生态、保水源，又要保农业发展、保农民增收的双重难题。为合理评估生态建设(退耕还林)和农业政策调整(休耕)实施效果，该研究以张家口市涿鹿林场区域内的油松林(Pinustabulaeformis)、农田和撂荒地为对象，研究3种土地利用类型的土壤贮水和入渗特征，为该地区水源涵养与生态环境治理提供科学指导。

1 研究区域概况

研究区选择在河北省西北部的张家口市涿鹿县，属于京西水源林营造区域，有北京保水、供水之责。该地属海河流域永定河上游怀涿盆地，海拔906～2 882 m，山地丘陵地貌类型，地势中间高、南北低。属温带半干旱大陆性季风气候，年日照时数2 875 h，年均气温9.1 ℃，年降水量373 mm。土壤类型主要为褐土。当地主要生态造林树种为油松，分布面积最广。受当地自然条件(主要是降雨量少)和人为(农业收入低、退耕和休耕等政策)的综合影响，大量土地撂荒。试验点设在涿鹿林场寇家沟林区(115°6′18″E，40°12′50″N)。

2 研究方法

2.1 样地设置试验选取林地(油松纯林)、农田与撂荒地3种不同土地利用类型作为研究样地，样地基本特征见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of sample land

2.2 土壤贮水特征测定用环刀(体积为100 cm3)在选取的3个样地内每10 cm分层取土，共取6层。设3次重复。采用室内环刀浸泡法测定土壤孔隙度、容重和贮水量等指标，计算公式为[6]：

Wt=1 000pth

(1)

Wnc=1 000pnch

(2)

Wc=1 000pch

(3)

式中：Wt为土壤饱和贮水量(mm)，Wnc为土壤最大滞留贮水量(mm)，Wc为土壤最大吸持贮水量(mm)；pt为总孔隙度(%)，pnc为非毛管孔隙度(%)，pc为毛管孔隙度(%)；h为土层深度(m)。

分析土壤容重和土壤孔隙度、贮水量之间的相关性，建立回归模型，用模型斜率判断不同土地利用类型土壤贮水特征变化差异，斜率越大则说明变化程度越大；反之，则变化越小[6]。

2.3 土壤入渗特征测定利用双环渗透筒在选取的样地内测定不同时段土壤入渗过程，每个样地重复测定3次。记录入渗过程中初渗速率、稳渗速率等参数，制作入渗容量曲线。利用SPSS软件分析3种土地利用类型入渗速率差异。

3 结果与分析

3.1 不同利用方式的土壤贮水能力差异土壤贮水能力是植被生长所需水分及土壤水均衡的重要农学指标，对研究生态水文过程，特别是半干旱地区的水分、土壤与植被具有关键作用[8]。土壤贮水量主要受土壤厚度与孔隙状况的影响。由图1可知：整个土层(60 cm)的土壤饱和贮水量呈现为林地(352.72 mm)>农田(317.30 mm)>撂荒地(286.30 mm)，林地与农田土壤贮水性能均高于撂荒地，表明植被可以有效改善土壤储水能力。土壤滞留贮水量是暂时储存在非毛管孔隙中的自由重力水，整个土层(60 cm)的土壤滞留贮水量排序为林地(117.97 mm)>农田(57.98 mm)>撂荒地(54.37 mm)，表明林地对土壤滞留贮水能力的改善最好，撂荒地最差。土壤吸持贮水量是毛管孔隙中依靠毛管力所吸持的水分，是植物利用的有效水分，整个土层(60 cm)的土壤吸持贮水量排序为农田(259.40 mm)>林地(234.49 mm)>撂荒地(231.93 mm)，三者差异并不明显。总体来看，林地土壤贮水性能最好，对土壤蓄水能力的改善最为明显，撂荒地最差。

图1 不同土地利用类型土壤贮水特征参数Fig.1 Characteristic parameters of soil water storage in different land use types

3.2 不同利用方式的土壤容重和土壤孔隙度差异土壤容重与孔隙度是土壤的重要水分物理指标，直接或间接影响着土壤透气性、土壤肥力、持水能力、抗侵蚀能力、溶质运输及植物生长状况[9-10]。由图2～3可知，土壤容重均值排序为撂荒地(1.27 g/cm3)>农田(1.20 g/cm3)>林地(0.95 g/cm3)，林地土壤容重最小，最疏松，农田撂荒后土壤容重增大，紧实程度增加。土壤非毛管孔隙度均值排序为林地>农田>撂荒地，土壤毛管孔隙度均值排序为农田>林地>撂荒地，土壤总孔隙度均值排序为林地(59.01%)>农田(55.67%)>撂荒地(47.72%)。土壤容重与土壤孔隙度成反比。

图2 不同土地利用类型土壤容重Fig.2 Soil bulk density of different land use types

图3 不同土地利用类型土壤孔隙度Fig.3 Soil porosity of different land use types

由图4～5可知，土壤容重和孔隙度、贮水量参数成反比。随着土壤容重的增大，总孔隙度与饱和贮水量均呈下降趋势。非毛管孔隙(拟合方程斜率为0.365 4)比毛管孔隙(拟合方程斜率为0.216 7)变化较为明显，滞留贮水量(拟合方程斜率为219.54)比吸持贮水量(拟合方程斜率为128.22)的变化较为明显，表明植被对非毛管孔隙(滞留贮水量)的影响要大于毛管孔隙(吸持贮水量)。

图4 土壤容重与孔隙度的相关性Fig.4 Correlation between soil bulk density and soil porosity

图5 土壤容重与土壤贮水量的相关性Fig.5 Correlation between soil bulk density and soil water storage

3.3 不同利用方式的土壤入渗规律入渗是降水-地表径流-壤中径流-地下径流“四水”转化的中心环节，是由土壤组成结构、土壤水力特性及供水条件等因素综合作用的结果[11]。由图6和表2可知，入渗速率随时间的增加而减小，入渗时间与速率呈幂函数关系。3种土地利用类型的初渗速率大小排序为林地(16.67 mm/min)>农田(14.29 mm/min)>撂荒地(4.81 mm/min)，林地与农田的初渗速率明显高于撂荒地。土壤稳渗速率大小排序为：林地(3.55 mm/min)>农田(2.53 mm/min)>撂荒地(1.23 mm/min)，林地与农田分别比撂荒地高出1.9倍与1.1倍。

图6 不同土地利用类型入渗曲线Fig.6 Infiltration curves of different land use types

利用SPSS软件对林地、农田及撂荒地入渗速率进行差异性分析(P<0.05)表明，林地、农田和撂荒地的初渗速率与稳渗速率均差异显著。林地与农田的入渗速率明显高于撂荒地，林地对土壤入渗能力的改善较为明显。

表2 不同土地利用类型入渗速率与多重比较Table 2 Infiltration rate and multiple comparison of different land use types 单位：mm/min

4 讨论

不同土地利用类型因地表植被覆盖差异，相应其改善土壤水肥能力不同而对土壤质地有不同的影响[12]。土壤贮水性能与土层厚度、土壤容重、孔隙状况及土壤结构等因素密切相关。夏江宝等[13]研究认为，植被可增加土壤孔隙度，降低土壤容重，进而改善土壤贮水功能，原因是植被的生长与凋零对土壤质地既有物理方面的改善，又有生物方面的影响。该研究对林地(油松林)、农田与撂荒地3种不同土地利用类型进行土壤贮水特征的研究发现，林地对土壤贮水功能的改善最好，农田次之，撂荒地最差，研究结果与文献[10]～[11]观点基本一致，原因可能是林地凋落物改善了土壤结构，土壤疏松，容重减小，孔隙度增大；农田撂荒后人为翻耕减少(该试验选取的撂荒地已经约10年未有人为扰动)，土壤紧实程度增加，容重增大，土壤贮水功能相应减弱。

入渗是降水或灌溉水经过土壤表面进入土壤内部的水文过程，其性能受到人为干扰(如耕种措施)、气象条件、土壤质地和初始含水率等因素的影响[14]。该研究表明，林地与农田入渗性能明显优于撂荒地，3种土地利用类型入渗性能差异明显，原因可能是林地凋落物改善了土壤结构，腐烂的植物根系“通道”可为土壤中的水分提供储存空间，进而影响土壤导水率[15]。农田由于长期耕种及其他人为因素导致了土壤肥力(有机质)下降，所以农田入渗性能不如林地。农田撂荒后人为翻耕减少，土壤变得紧实，入渗能力下降，与朱钊岑等[15]的研究结果基本一致。

5 结论

土壤贮水性能林地最好，农田次之，撂荒地最差。林地和农田土壤容重比撂荒地明显要小。土壤容重与土壤孔隙度、土壤贮水量的关系为负相关。植被对非毛管孔隙(滞留贮水)改善最为明显，对毛管孔隙(吸持贮水)改善的效果较为一般。土壤入渗时间与入渗速率呈幂函数关系，林地入渗性能最好，农田次之，撂荒地最差，林地、农田与撂荒地入渗率差异明显。