龙脊梯田土地利用模式对土壤持水力影响研究

徐德兰，朱学莲，王凯杰

（1.桂林理工大学 旅游与风景园林学院，广西 桂林 541004；2.广西旅游产业研究院，广西 桂林 541004）

龙脊梯田是中国西南地区典型的稻作梯田之一，集独特的自然景观、人文景观、民族风情为一体，同时具备生态、经济、社会和美学功能，在区域经济和社会发展中占有重要地位［1］。然而近年来，由于水资源利用不合理及土地荒废等因素，梯田的自然景观受到一定程度的破坏，生态服务功能下降［2］。

土壤水分在各种田间生物化学反应过程中起到媒介作用［3］，土壤持水能力是土壤重要的物理性质，是评价土壤水分调节和涵养水源能力的重要指标［4］。土壤持水力往往会受到各种自然因素的影响，包括气候、地形、土壤性质、土地利用、植物群落类型和植被年龄等［5］，另外也会受到人为干扰的影响［6］。国内外学者针对不同土地利用方式对土壤持水力的影响进行了大量研究。赵锦梅等［4］选取天然草地、退耕自然恢复地、燕麦地和多年生草地4 种土地利用方式为研究对象，揭示了不同土地利用方式对土壤持水能力影响显著。杜康等［7］选择了梯田、草地、刺槐林、沙棘灌丛4种土地利用方式研究土壤水分的时空变化特征，结果表明0 ～ 300 cm深度平均土壤含水量大小表现为梯田＞草地＞沙棘灌丛＞刺槐林。Wei 等［6］对比5 种管理措施下的梯田土壤水分，发现不同植物群落的存在会增加土壤水分状况的不确定性和复杂性。Kanianska等［8］测量农业、草地、混交森林土壤的物理化学性质，发现不同季节下各土地利用模式土壤的持水能力不同。

龙脊梯田是“森林-梯田-村寨-河流”四素同构的生态系统，是重要的水源涵养林。本文通过野外调研采样与室内实验研究，分析广西壮族自治区龙脊梯田不同土地利用模式土壤持水能力及影响因素，为提高该地土地资源管理、水源涵养能力以及生态保护和环境治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

龙脊梯田位于广西壮族自治区桂林市龙胜各族自治县龙脊镇境内，地处东经109°32′ ～ 110°14′，北纬25°35′ ～ 26°17′之间。梯田分布在海拔300 ～1 100 m 之间，山地坡度大多在26° ～ 35°之间，最大坡度达50°。研究区地处亚热带季风气候区，四季冷热分明，干湿明显，年降雨量达1 546.7 mm。研究区表土层有机质含量丰富，土壤肥沃，为植物生长提供了较好的条件。研究区具体位置及地形高程状况见图1。其中，高程数据来源于国家地理空间数据云的ASTER GDEM 30 m 分辨率原始高程数据，采用ArcGIS 对原始数据进行拼接、填洼、流向、累积量计算、提取、裁剪、投影变换，最终获得研究区边界和高程图。

图1 研究区位置及高程图Fig.1 Location and elevation of study area

1.2 样地选择

根据全球地表覆盖网站的30 m 空间分辨率全球地表覆盖数据显示（图2），龙脊梯田土地利用包括耕地、林地、草地、水体和人造地表，其中林地面积占比73.67%，耕地占比18.43%，草地占比7.55%，水体占比0.04%，人造地表占比0.31%。可见林地与耕地是龙脊梯田主要的用地类型，龙脊梯田景区水源涵养也依赖林地与耕地。因此，研究区林地与耕地土壤持水力的研究至关重要。经过实地调查，该地林地可细分为一直存在的林地和农田抛荒后逐渐演替而成的林地（抛荒地），耕地也可细分为种植水稻的水田和种植其他作物的旱地。

图2 研究区土地利用分类图Fig.2 Classification of land use in study area

因此，本次土壤采样共选择4 种利用模式的土地为样地，分别是林地、抛荒地、水田与旱地，土壤采样地概况见表1。

表1 样地植物群落特征Tab.1 Characteristic of plant community in sample plots

1.3 样品采集与分析

2020 年7 月，在选定的样地采集土壤样品。本文采集、测定方法与计算公式参照国家行业标准LY/T1215-1999《森林土壤水分-物理性质的测定》与相关文献［9］，并根据情况调整。在每个样地选择3 个1 m×1 m 的样方，清除腐殖质层，用容积为100 cm3的环刀在样方中心点取5 cm 深的原状土，装好带回实验室，分析测定表层土壤最大持水率、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等土壤物理性质指标。

土壤最大持水率采用烘干称重法进行测定［10］，计算公式为：

式中：G1为达最大持水量时的环刀内湿土重，g；G2为烘干后环刀内干土重量，g。

土壤容重（ρb）、总孔隙度（φ）、毛管孔隙度（φ1）、非毛管孔隙度（φ2）等采用环刀法测定［9，11］具体指标计算公式如下：

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式中：V 为环刀容积，cm3；ρs为土壤比重（本次试验取土壤比重值为2.65 g/cm3）。

试验数据利用Excel、SPSS 软件及R 语言进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用模式表层土壤容重差异分析

容重是土壤基本物理性质之一，能够反映土壤的紧实度和透气透水能力［12］。如图3 所示，龙脊梯田4 种土地利用模式表层土壤容重范围为0.45 ～1.02 g/cm3。单因素方差分析表明，不同土地利用模式间表层土壤容重存在显著差异（P=0.010 08 ＜0.05），大小依次为旱地＞抛荒地＞水田＞林地。

图3 不同土地利用模式土壤容重情况Fig.3 Soil bulk density with different land use patterns

图4 不同土地利用模式土壤孔隙度情况Fig.4 Soil porosity in different land use patterns

林地表层土壤容重值最小，说明该地表层土壤较疏松。这与该用地植物群落丰富、植被覆盖度高导致的年度凋落物量多有很大的关系。凋落物经微生物分解后形成的腐殖质含有丰富的有机质，可以影响土壤容重大小。旱地植物群落简单，表层土壤有机质含量低，容重增大，土壤比较坚实。

2.2 不同土地利用模式表层土壤孔隙度差异分析

土壤孔隙度是决定土壤持水与贮水能力的关键指标［13，14］，其中非毛管孔隙度体现土壤对降水的短期停滞量与有效持水量［15，16］，毛管孔隙度体现土壤的保水与入渗能力［13，17］。实验结果表明，4 种土地利用模式表层土壤总孔隙度范围为61.68% ～ 82.97%，土壤毛管孔隙度的变化在37.78% ～ 42.75%，土壤非毛管孔隙度的变化在19.64% ～ 43.94%。单因素方差分析表明，4 种土地利用模式表层土壤毛管孔隙度无显著差异（P=0.190 49 ＞ 0.05）；非毛管孔隙度存在极显著差异（P= 0.004 36 ＜ 0.01），其大小排序为林地＞水田＞抛荒地＞旱地。而非毛管孔隙度与土壤持水力密切相关［18］，表明4 种土地利用模式表层土壤持水能力差异极大。

土壤孔隙度受多种因素的影响，本实验孔隙度林地＞水田＞抛荒地＞旱地的趋势主要归因于土壤中植物根系分布情况以及是否耕作与耕作方式。例如林地的地下生物量多，植物根系复杂，因此土壤孔隙状况较好；水田经过人为翻耕，改善了翻耕深度范围内的土壤孔隙状况。

2.3 不同土地利用模式表层土壤持水能力多重比较

不同土地利用模式表层土壤最大持水率范围在42.12% ～ 90.92%之间，4 种土地利用模式表层土壤最大持水率存在显著差异（P= 0.022 36 ＜0.05），顺序表现为林地＞抛荒地＞水田＞旱地。由图5 可知，除抛荒地与水田最大持水率没有差异以外，其余两两之间均存在显著差异。其中，林地与抛荒在近年未曾受到人为干扰，唯一区别在于林地物种丰富度大于抛荒地，且林地多为木本植物，根系较发达。另外，旱地与水田同样作为农业用地，主要差异在于管理措施不同，水田由于长期灌溉和干湿交替，形成了不同于旱地的土壤性状。因此，林地、抛荒地与旱地、水田土壤持水能力的差异由植物种植和人为干扰共同造成。

图5 不同土地利用模式土壤最大持水率箱线图Fig.5 Box diagram of soil maximum water-holding capacity with different land use patterns

2.4 不同土地利用模式表层土壤性质与影响因子相关性分析

表2 土壤持水能力参数与影响因子的多元相关分析Tab.2 Multivariate correlation analysis of soil water-holding capacity parameters and influencing factors

3 讨论

在研究区4 种土地利用模式样地中，林地和抛荒地的人为干扰程度低于水田和旱地，造就了林地和抛荒地最大持水率高于水田和旱地的结果。旱地和水田同为人类活动作用强且少植被覆盖的农用地，由于水田翻耕强度大于旱地，导致土壤容重、孔隙度和持水能力优于旱地，这与闫雷等［19］的研究结果相似。

另外，林地和抛荒地植被覆盖度高，根系的穿插使得土壤孔隙度显著增加，根系死亡留下的空隙和周围土壤动物活动使得土壤非毛管孔隙度高［9，20］，土壤容重小，持水及蓄水能力强；而水田和旱地除农作物外，较少种植其他植被，植被覆盖度低，根系分布少，土壤孔隙结构较差，非毛管孔隙度低，土壤容重大，导致持水及蓄水能力较差，说明种植植物可以显著影响土壤持水能力。这与吴明作等［21］的研究结果相似，其指出植被对土壤的水文特性具有一定的改良作用。

林地和抛荒地持水能力的差异表明植物种类和物种丰富度显著影响土壤持水性能。林地植被群落层次丰富，抛荒地植物物种单一，两地由于根系生长状况存在差异而影响土壤孔隙结构、容重等物理性质，进而影响土壤持水能力。娄淑兰等［22］在三峡山地的研究发现了类似规律。吴章丽等［23］的研究表明植被根系影响土壤的持水能力，不同种植地块土壤的持水能力不同，同时，同一植被不同层次下的土壤持水能力不同，土壤深度20 cm 处根系分布较多，形成的大孔隙较多，会降低土壤持水能力。不同植被在不同土壤深度处的根系分布究竟对土壤持水性能产生何种规律的影响，以及植物地上部分如何影响土壤持水性能是接下来的研究重点。

4 结论

龙脊梯田不同土地利用模式土壤的容重、孔隙度、土壤持水能力存在显著差异。容重大小依次表现为旱地＞抛荒地＞水田＞林地；非毛管孔隙度表现为林地＞水田＞抛荒地＞旱地；最大持水率顺序表现为林地＞抛荒地＞水田＞旱地。总体来说，林地土壤持水能力最优，能够有效减少地表径流和土壤侵蚀，防止水土流失效果较显著；抛荒地和水田土壤持水能力较为相近，旱地土壤持水能力差，在降雨后易形成大量的地表径流和土壤侵蚀，对水土保持不利。

土壤容重和孔隙度是影响土壤持水能力的直接原因，而植物类型、物种丰富度以及人为干扰程度是造成不同土地利用模式土壤持水能力差异的间接原因。龙脊梯田地区应保持对林地区域的保护，并重新对抛荒地进行管理；在水田与旱地的管理上规范化，使不同土地利用模式土壤尽量达到最优保水效果，为龙脊梯田湿地景观的优化和水源涵养能力做进一步的保障。