华北平原不同土地利用方式下土壤饱和导水率特征及其影响因素

常香玲

（1.濮阳职业技术学院，河南 濮阳 457000；2.河南大学濮阳工学院，河南 濮阳 457000）

饱和导水率是反应土壤水分入渗和渗漏特性的重要参数，决定了降水入渗与地表径流的发生与分布，也是土壤侵蚀与水分循环模型中的重要参数之一[1,2]，对水土保持功能及植被的可持续生长具有重要作用[3]。土壤饱和导水率受到土壤结构、植被覆盖及海拔坡向等多种因素影响[3-5]。众多研究表明，土壤容重、砾石含量、土壤含水率、土壤孔隙度等土壤结构指标及土壤水分、养分指标均是影响土壤饱和导水率的重要因子[6-11]。例如，席彩云等[6]研究发现，森林土壤中土壤容重与土壤饱和导水率呈现显著负相关关系，而森林土壤有机质及总孔隙度与饱和导水率呈显著正相关关系；同时，土壤孔隙的大小及孔径分布也是影响土壤饱和导水率的重要因素[7]；土壤有效孔隙率指标同样也是影响土壤饱和导水率的重要结构指标[8]；土壤含水率在入渗初期对土壤饱和导水率产生较大影响，而在入渗后期其影响减弱[9]；在森林土壤土壤中，主导土壤饱和导水率的土壤因子主要包括土壤有机质含量、土壤容重和土壤孔隙度[10]；土壤养分会通过影响植物及作物根系生长从而对土壤饱和导水率产生重要影响[11]。可见，土壤饱和导水率的影响因素多，过程复杂，需要针对不同生境的土壤饱和导水率影响因子进行全面研究。以往相关研究发现人为活动、土地利用方式、植被条件等都是影响土壤饱和导水率的关键因素[12,13]，但对土壤饱和导水率影响机理的研究较少。例如，不同土地利用方式如何调控土壤饱和导水率还不清楚，土地利用方式的改变是通过调控哪些土壤环境因子（土壤结构、养分等）而影响土壤饱和导水率，以上问题还有待研究。

豫东华北平原区是黄河流域水土流失的重要区域，是我国粮食的主产区，且是我国人类扰动最频繁的地区之一，在自然环境及人类活动影响下豫东平原土地利用格局发生变化，从而导致生态环境发生了剧烈变化[14,15]。然而，以往研究集中于探讨工业、农业、畜牧产业等不同土地利用方式下的土壤饱和导水率特征，而针对耕地、草地、果园、灌木林地、纯林地、混交林地等不同林业类型的土地利用方式下的土壤饱和导水率的研究较少，限制了此区域生态建设效果的准确评价及可持续管理。本研究豫东典型华北平原的6种（耕地、草地、果园、灌木林地、纯林地、混交林地）土地利用类型土壤为研究对象，研究不同土地利用类型下的土壤饱和导水率及土壤物理、水分、养分分布特征，并探讨土壤饱和导水率的影响因素，研究结果以期为此区域土壤水分运动及土壤性质对人工干扰及土地利用类型的响应规律征提供理论支撑，为促进华北平原区水土流失的防治及土地的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选择位于豫东华北平原区、河南省东北部的濮阳市为研究区，地理坐标为33°33＇～35°05＇N，110°22＇～113°50＇E，属暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温为13.3 ℃，最高气温可达43.1 ℃，最低气温可达-21 ℃，温差较大。年平均日照时数为2 454.5 h，无霜期一般为205 d，年平均降水量为502.3～601.3 mm。土壤类型主要为潮土、风沙土和碱土，其中潮土为主要土壤，主要利用方式为耕地（占总面积的57.09%)，果园主要种植红枣、苹果、桃、杏、梨、葡萄等，种植的主要树种包括杨树、榆树、柳树、油松、槐树等，同时包括灌木纯林及草地等景观构造与土地利用方式。

1.2 样地选择及土样采集

实验采样于2021 年7 月在河南省濮阳市进行，选择包括混交林地、纯林地、灌木林地、草地、果园及耕地共6 个样地，各样地最远间距为5.7 km，气候条件基本一致，6 个样地的土壤类型一致，均为潮土。为了避免海拔、坡向及坡位带来的误差影响，在6种土地利用类型样地选择相近海拔、坡度及坡向的样点进行取样，为了避免植物生长差异带来的影响，选择建设及利用时间相同或相近的样点进行研究。样点基本状况见表1。

表1 样地基本状况Tab.1 Basic status of sample plots

在6 个土地利用类型样地分别选择3 个样点，在不同土层（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm） 分别利用环刀（200 cm3)、铝盒及自封袋进行土壤采样，每个样品设置5个重复，取样后立即带回实验室进行指标测定。

1.3 实验方法

利用恒定水头法测定土壤饱和导水率[16]；利用烘干法及比重瓶法分别测定土壤含水率及土壤容重；利用开氏定氮法、NH4OAc浸提-火焰光度法及浸提-钼锑抗比色法分别测定土壤全氮、速效钾及速效磷[17]；利用排水法测定土壤石砾含量[18]；利用气压平衡法测定土壤总孔隙度[19]。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2019 进行数据处理及整理，利用SPSS 22.0 对数据进行统计分析与显著性检验，利用Origin 2022进行相关性分析及制图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤容重及含水率特征

不同土地利用方式不同土层的土壤容重见图1。可见，不同利用方式土地的土壤容重差异显著，整体表现为耕地＞果园＞草地＞纯林地＞混交林地＞灌木林地。具体表现为：在0～10 cm 土层，土壤容重表现为耕地＞草地＞果园＞灌木林地＞纯林地＞混交林地，除耕地与草地、纯林地与混交林地组间差异不显著外，其他组间差异均较显著（p＜0.05）；在10～20 cm 样地，土壤容重表现为耕地＞草地＞果园＞纯林地＞混交林地＞灌木林地；在20～30 cm 及30～40 cm 土层，土壤容重表现为果园＞耕地＞草地＞混交林地＞纯林地＞灌木林地；在40～60 cm 土层，土壤容重表现为耕地＞果园＞草地＞纯林地＞混交林地＞灌木林地。

图1 不同利用方式土地土壤容重特征Fig.1 Soil bulk density characteristics of different land use modes

不同土地利用方式不同土层的土壤含水率见图2。可见，不同利用方式土地的土壤含水率特征差异显著，整体表现为混交林地＞纯林地＞灌木林地＞耕地≈草地＞果园。其中，在0～40 cm 土层，土壤含水率均表现为混交林地显著高于其他土地利用类型样地（p＜0.05），纯林地与灌木林地的土壤含水率组间差异不显著，但显著大于草地、果园及耕地的土壤含水率（p＜0.05），草地、果园及耕地的土壤含水率组间差异不显著。

图2 不同土地利用方式土壤含水率特征Fig.2 Soil moisture content characteristics of different land use modes

2.2 不同土地利用方式土壤养分特征

不同土地利用方式样地的土壤全氮、速效钾、速效磷测量结果见表2。可见，土壤全氮、速效钾及速效磷均整体表现为混交林地＞纯林地＞灌木林地＞草地＞果园＞耕地。随着土壤深度的增加，所有样地的土壤全氮、速效钾及速效磷均呈现为降低的趋势。

表2 不同土地利用方式土壤养分含量Tab.2 Soil nutrient content of different land use modes

2.3 不同土地利用方式土壤石砾及孔隙度

不同土地利用方式样地的土壤石砾含量见图3。可见，不同利用方式土地的土壤石砾含量未表现出整体的差异规律，其中混交林地、纯林地、灌木林地及草地的组间差异不显著，而果园石砾含量显著＞耕地（p＜0.05）。随着土壤深度的增加，混交林地、纯林地及灌木林地的变化趋势不显著，而果园及耕地土壤石砾含量均表现为随着土壤深度的增加而增加的趋势（p＜0.05）。

图3 不同土地利用方式土壤石砾含量特征Fig.3 Soil gravel content characteristics of different land use modes

不同土地利用方式不同土层的土壤总孔隙度分布特征见图4。可见，土壤总孔隙度整体表现为混交林地＞灌木林地＞纯林地＞果园＞草地＞耕地。其中，在0～30 cm 土层混交林地土壤总孔隙度显著高于其他样地（p＜0.05），纯林地及灌木林地土壤总孔隙度显著高于草地、果园及耕地（p＜0.05），但纯林地及灌木林地间差异不显著，果园土壤总孔隙度显著＞草地。

图4 不同土地利用方式土壤总孔隙度特征Fig.4 Soil total porosity characteristics of different land use modes

2.4 不同土地利用方式土壤饱和导水率

豫东平原不同土地利用方式的土壤饱和导水率分布规律见图5。可见，不同利用方式土地的土壤饱和导水率差异显著，整体表现为混交林地＞纯林地＞草地＞果园≈耕地，尤其在0～20 cm 土层，混交林地、纯林地及灌木林地与草地、果园及耕地的差异最为显著（p＜0.05），随着土壤深度的增加，不同土地利用方式样地的土壤饱和导水率的差异减弱；草地、果园及耕地间土壤饱和导水率的差异不显著。

图5 不同土地利用方式土壤饱和导水率特征Fig.5 Characteristics of soil saturated water conductivity with different land use modes

2.5 土壤养分及土壤物理特征与土壤饱和导水率的关系研究

通过分析土壤因子与土壤饱和导水率的关系（见图6）可见，土壤全氮、速效钾、速效磷、总孔隙度、土壤含水率及土壤容重均是影响土壤饱和导水率的主要因素，而石砾含量对土壤饱和导水率的影响不显著。其中，土壤容重与土壤饱和导水率呈显著负相关关系，而土壤总孔隙度、土壤含水率、土壤全氮、速效钾、速效磷均与土壤饱和导水率呈显著正相关关系。

图6 土壤饱和导水率的影响因素分析Fig.6 Analysis of influencing factors of soil saturated water conductivity

3 分析与讨论

在豫东平原地区，不同土地利用方式下的土壤水分特征差异显著。其中，土壤饱和导水率表现为混交林地＞纯林地＞草地＞果园≈耕地，这是由于混交林地及纯林地相比草地的土壤根系含量更高，根系活动造成土壤含有更多孔隙，从而有利于土壤导水[3]，而果园及耕地由于人为耕作过程中破坏了土壤根系及孔隙，导致土壤饱和导水率降低[20]。此外，豫东平原地区不同土地利用方式下的土壤含水率同样表现为混交林地＞纯林地＞灌木林地＞耕地≈草地＞果园，可见土植物建设种类不同不仅会影响水分入渗，同时会影响土壤水分储存[21]。

研究还表明，不同土地利用方式下的土壤性质及养分特征也存在显著差异，土地利用及管理上的差异会导致土壤养分含量具有显著差异，这与以往的研究结果一致[22]，其中本研究发现乔木及灌木林的建设更有利于土壤养分的积累。此外，土壤总孔隙度表现为混交林地＞灌木林地＞纯林地＞果园＞草地＞耕地，这也是根系差异导致的结果[3]。不同的土地利用、管理方式及不同的植被类型会导致土壤容重变化与差异，同样是植物根系生长、节肢动物活动等综合作用的结果[3]。

研究还发现，随着土壤深度的增加，灌木林地土壤容重逐渐减小、含水率增加，而其他土地利用类型样地土壤容重随着增加、含水率减小；随着土壤深度的增加，混交林地及纯林地土壤含水率表现出先降低后增加的趋势，而灌木林地、草地、果园及耕地均表现为先升高后降低的趋势；果园及耕地会导致土壤石砾含量具有垂直变异规律，这是由于整地、翻耕等人为管理措施导致[23,24]。可见，不同土地利用及管理方式会导致土壤含水率变化，是由于整地、灌溉及土壤结构变化导致[25-27]。

分析不同土地利用方式下土壤饱和导水率的主要影响因素，发现不同土地利用管理会通过影响土壤容重、土壤总孔隙度、土壤初始含水率及土壤养分从而对土壤饱和导水率产生重要影响。混交林地、灌木林地、纯林地、果园、草地及耕地拥有不同的建设方式及管理模式[28-30]，会导致土壤结构变化，植被差异会导致土壤养分差异，最终导致了土壤饱和导水率的差异。从结果可见，混交林及灌木林有利于土壤导水及持水性能的提升。

4 结 论

（1）豫东平原不同土地利用管理对土壤容重、土壤含水率、土壤总孔隙度及土壤养分存在显著影响，其中乔木、灌木造林地土壤总孔隙度、含水率及土壤养分显著高于草地、果园及耕地，而乔木、灌木造林地土壤容重显著低于草地、果园及耕地，不同植被种植后的根系发育差异、动物活动差异及灌溉、翻耕等管理方式的差异均可能是导致以上土壤因子差异的原因。

（2）豫东平原不同土地利用方式样地的土壤饱和导水率特征差异显著，整体表现为混交林地＞纯林地＞草地＞果园≈耕地，这种差异在表层土壤更为显著，而不同土地管理后的土壤容重、土壤总孔隙度、土壤含水率、土壤全氮、速效钾、速效磷变化均是导致土壤饱和导水率特征变化的主要因子。

（3）混交林及灌木林有利于土壤导水及持水性能的提升。