三峡库区不同土地利用方式的土壤持水性能

2023-10-30侯文宁王海燕宁一泓邹佳何

中国水土保持科学 2023年5期

侯文宁,王海燕,宁一泓,邹佳何,赵晗

(北京林业大学林学院,森林培育与保护教育部重点实验室,100083,北京)

土壤持水性能决定其水源涵养功能,常见的表征指标有土壤饱和含水量(saturated water content, SC)、毛管持水量(capillary water capacity, CC)和田间持水量(field capacity, FC),这些指标也间接反映水分的再分配能力[1]。影响土壤持水性能的环境因素主要包括土地利用方式、植被类型、地形地貌、土壤理化性质、季节和气候状况等[2]。土地利用方式包括园地、林地和耕地在内的多种类型,合理的土地利用方式可以改善土壤结构和土壤肥力状况,调节水热条件以适合植物生长,而不合理的土地利用方式会导致土壤质量下降,从而加速侵蚀导致严重的土壤退化[3]。土地利用方式能通过影响土壤理化性质如土壤密度、土壤有机质(soil organic matter, SOM)含量、孔隙度等间接影响土壤持水性能。大量研究表明,不同土地利用方式下,土壤持水性能表现出不同的特性,还可以在不同程度上截取、阻断和消耗降雨[4]。

目前,国内外对不同土地利用方式土壤持水性能的研究已取得一定进展。Zhou等[5]研究喀斯特地区土壤水分与植被覆盖类型的关系,发现草地是一种益于保持土壤水分的植被类型,其土壤水分含量相对稳定,且高于裸地、灌丛和林地。Xie等[2]认为土壤持水性能与土壤颗粒组成、孔隙状况和土壤胶体稳定性等土壤物理指标密切相关,以林地和弃耕地最强,灌草地最弱。在重庆江津四面山开展的相关研究发现,土壤的饱和导水率在林地中最大,农地和草地次之[6];相同土地利用方式下,不同林分类型也会影响土壤持水和入渗能力以及有机碳储量[7]。

三峡库区重庆段约占整个三峡库区面积的80%,作为我国最为特殊的生态功能区之一,具有重要的生态地理位置[8]。其地形复杂,海拔落差大,低山丘陵地带占95%以上,土壤多为黄壤、红壤,质地类型为砂壤土,土壤团聚性差,易随水流失,且因降雨量集中、强度大,水力冲蚀作用强烈。数据[9]显示,三峡库区重庆段现有水土流失面积约1.6万km2,占库区土地总面积的34.49%,是长江上游水土流失最为严重的区域。近年来由于城镇化速度加快,重庆江津市笋溪河流域居民进行坡耕地的开垦,加上当地大力发展旅游业,大量地带性植被逐渐被高经济效益的果园地和林地取而代之,使得土地利用方式发生极大改变,导致该区土壤流失严重,生产力急剧下降,严重威胁当地居民的生产生活,对库区的安全和长期高效运作产生不利影响。前人的相关研究多集中在三峡库首,且多为不同土地利用方式下土壤养分的研究[10],而对库尾地区不同土地利用方式下土壤持水性能的研究较少。此外,从流域集水区尺度开展土壤持水性能研究有助于了解三峡库尾地区土壤水分空间变异特征及影响因素。为此,笔者以重庆江津市6个集水区3种土地利用方式(园地、林地、耕地)的土壤为研究对象,探讨其土壤持水性能差异及影响因素,以期为三峡库区土地利用方式选择提供参考,以防治水土流失和实现土地的可持续利用。

1 研究区概况

江津市(E 105°49′～106°38′ ,N 28°28′～29°28′)坐落于重庆直辖市内西南方向。常住人口138.7万,幅员面积约3 200 km2。市内海拔落差大,最高1 709.4 m,平均海拔209.7 m,地形属川东丘陵。区内河流自南向北,经四面山镇、柏林镇、傅家镇、中山镇、李市镇、夹滩镇,最终注入綦江。研究区为亚热带湿润季风气候,无霜期285 d。多年平均气温16.7 ℃,月平均最低和最高气温分别在1月(-5.5 ℃)和8月(31.5 ℃)。区内主要有天然次生林和少量人工林,亚热带常绿阔叶林植被特征明显。土壤类型以紫色土、黄壤和红壤为主。该地区地势较陡峭,土层厚度一般在10～70 cm间,土壤抗侵蚀能力较差。园地、林地和耕地为主要的土地利用方式,其中,园地以种植花椒(Zanthoxylumbungeanum)、柑橘(Citrusreticulata)为主,林地以慈竹(Neosinocalamusaffinis)、槲栎(Quercusaliena)为主,耕地以种植玉米(Zeamays)、红薯(Ipomoeabatatas)为主。

2 材料和方法

2.1 土壤样品的采集与处理

2021年6月末,根据Arc GIS 10.8的水文模块划分,将笋溪河流域分为6个集水区(图1),集水区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为上段,Ⅳ、Ⅴ为中段,Ⅵ为下段。在支流(集水区Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ)各选择3个,主干(集水区Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ)各选择4个,共21个采集点。在每个采集点附近分别设置20 m×20 m的园地、林地和耕地样方,记录海拔、经纬度等(表1)。在每个样方内沿“S”型随机布设5个采样点,用土钻分别采集0～20和20～40 cm土样并分层混匀,共采集2个土层的混合土样126个;同时用环刀采集0～20和20～40 cm 深度的原状土,以测定土壤密度和持水性能指标。

表1 笋溪河流域样地基本信息

图1 笋溪河流域土壤采样点

2.2 土壤样品的测定

混合土样经风干、磨细过筛后测定SOM[11];在 105 ℃ 条件下将环刀土样烘干至恒质量,测定土壤密度和自然含水率;对环刀进行多次烘干、吸水并置于干砂上干燥,称量后测得SC、CC和FC[12]。

2.3 数据计算

土壤持水性能及其他各指标的计算公式[12]为:

(1)

(2)

(3)

(4)

CP=CC×BD;

(5)

NP=TC-CP;

(6)

VC=NC×BD;

(7)

SA=TP-VC。

(8)

式中:SC为饱和含水量,%;MA为在水槽内浸水数小时后的稳定湿土质量,g;MO为烘干土质量,g;CC为毛管持水量,%;MB为放在铺有干砂的平底盘中两小时的湿土质量,g;FC为田间持水量,%;MC为放在铺有干砂的平底盘中两昼夜的质量,g;TP(total porosity)为总孔隙度,%;BD为土壤密度,g/cm3;CP(capillary porosity)为毛管孔隙度,%;NP(non-capillary porosity)为非毛管孔隙度,%;VC为容积含水量,%;NC为自然含水率(也即质量含水率),%;SA为土壤通气度,%。

变异系数

(9)

式中:σ为标准差;a为均值。通常情况下,研究变量在CV≤0.1、0.1

根据拉伊达准则[14]剔除异常值后,数据的整理和作图在Microsoft Excel 2010进行;使用ArcGIS 10.8绘制采样点图;在SPSS 23和R 4.1.3进行土壤自然含水率的描述性统计分析,不同土地利用方式和集水区间的单因素方差分析和LSD多重比较,以及持水性能与环境因子和土壤理化性质间的相关性分析和逐步回归分析。

3 结果与分析

3.1 土壤自然含水率描述性统计

根据拉伊达准则,从126组数据剔除6组,保留120组。不同土地利用方式土壤自然含水率均值分布在12.76%～15.07%之间(表2);相同土地利用方式20～40 cm土层土壤自然含水率高于0～20 cm,但同一土层3种土地利用方式之间无显著差异(P>0.05)。园地0～20 cm土层土壤自然含水率最低,20～40 cm土层最高,是其0～20 cm土层土壤自然含水率的1.18倍。土壤自然含水率变异系数介于24.4%～46.3%之间,均呈中等变异性,表现出较强的异质性。结合偏度和峰度,进行Shapiro-wilk正态分布检验发现:将20～40 cm土层的园地土壤自然含水率对数转化后,所有数据均服从正态分布。

表2 不同土地利用方式不同土层土壤自然含水率描述性统计

3.2 土壤密度和孔隙度特征

由表3可知,在20～40 cm土层,土壤密度、NP和TP在不同土地利用方式下差异显著(P<0.05)。其中土壤密度最大的是耕地,园地次之,林地最小;NP和TP最大的是林地,园地次之,耕地最小;CP范围为31.65%～32.45%,大小依次为园地、耕地、林地。而在0～20 cm土层,各土地利用方式间土壤密度、孔隙度与持水性能差异不显著。随着土层深度的增加,土壤密度逐渐增大,NP、TP逐渐减小,而CP无明显变化规律。

表3 不同土地利用方式不同土层的土壤密度和孔隙度

3.3 土壤持水性能特征

由表4可知,随着土层深度的增加,SC、CC和FC逐渐减小。0～40 cm土层土壤SC、CC、FC均值均表现为林地最大、耕地最小,但只有20～40 cm土层林地SC显著大于耕地(P<0.05),不同土地利用方式间的CC和FC在0～20和20～40 cm土层均无显著差异。

表4 不同土地利用方式不同土层的土壤持水性能

表5为不同集水区的土壤持水性能特征。除集水区Ⅲ SC、CC和FC最大外,其他5个集水区SC、CC和FC均沿笋溪河上段至中、下段不断减小。0～40 cm土层CC、FC均值均表现为笋溪河下段显著高于中、上段(P<0.05),此外,20～40 cm土层笋溪河下段SC显著高于中、上段(P<0.05)。

表5 不同集水区不同土层的持水性能

3.4 与环境因子之间的关系

不同土地利用方式下土壤持水性能(SC、CC、FC)与环境因子(海拔、坡度、经度、纬度)的相关关系如图2所示。在0～20 cm土层,林地SC与坡度呈显著正相关(P<0.05)。在20～40 cm土层,林地CC、FC,耕地CC与纬度呈显著正相关(P<0.05)。土壤持水性能与其他因子无显著相关性。

**表示显著性水平为P<0.01,*表示显著性水平为P<0.05。下同。** indicates the significance level is P<0.01, and * indicates the significance level is P<0.05. SC: saturated water content, %; CC: capillary water capacity, %; FC: field capacity, %. The same below.

3.5 与土壤理化性质之间的相关关系

不同土地利用方式下土壤持水性能与土壤理化性质的相关关系基本表现一致(图3)。在0～20 cm土层,园地、林地和耕地的持水性能均与土壤TP呈显著或极显著正相关,与土壤密度呈显著或极显著负相关。园地SC和园地、林地、耕地的CC、FC与CP呈极显著正相关(P<0.01),园地、林地和耕地的SC、CC均与土壤通气度呈显著或极显著正相关,其SC与NP呈显著或极显著正相关。持水性能与其他土壤理化性质间相关性基本不显著(P>0.05)。在20～40 cm土层,园地SC、CC,林地SC和耕地SC、CC、FC与土壤TP呈显著或极显著正相关,与土壤密度呈显著或极显著负相关。园地CC、FC,林地FC和耕地SC、CC、FC与土壤CP呈极显著正相关(P<0.01),林地CC与CP呈显著正相关(P<0.05),园地、林地和耕地SC与土壤通气度呈极显著正相关(P<0.01)。持水性能与其他土壤理化性质间相关性不显著(P>0.05)。

图3 不同土地利用方式不同土层土壤持水性能与土壤理化性质的相关关系

3.6 与土壤理化性质之间的逐步回归分析

采用逐步回归方程拟合土壤持水性能与土壤基本理化性质之间的关系得出,园地、林地和耕地的土壤基本理化性质对土壤持水性能的影响不同(表6)。统计数据显示,不同土地利用方式的最佳拟合方程均为CC(Y2),园地、林地和耕地的调整R2分别为0.977、0.972和0.978,方程能很好地描述土壤理化性质对持水性能的影响。逐步回归分析显示,三种土地利用方式的FC均与CP和NP正相关,林地和耕地CC均与CP正相关,与土壤密度负相关。此外,园地SC与土壤密度正相关,与NP和土壤容积含水量负相关;园地CC与土壤自然含水率和CP正相关,与土壤密度和容积含水量负相关。林地SC与TP正相关,与NP负相关。耕地SC与TP和CP正相关,与SOM负相关。综合分析显示,研究区土壤SC的主要影响因子为TP、NP、土壤通气度;CC的主要影响为土壤自然含水率、土壤密度、CP、土壤容积含水量;CP、NP、SOM是研究区FC的主要影响因子。

表6 不同土地利用方式土壤持水性能(Y)与土壤基本理化性质(X)的逐步回归分析

4 讨论

土壤密度和孔隙度能够反映土壤紧实状况,两者均是表征土壤水分循环和储存的重要指标,而土地利用方式可对其产生直接影响。研究区不同土地利用方式对土壤密度、NP和TP存在显著影响。耕地土壤由于长期受到机械压实,使耕作层下形成犁底层,导致耕地土壤密度显著高于林地,孔隙度显著低于林地。园地多种植花椒、柑橘、桃树等,树龄较小,人为活动较大,土壤密度、孔隙度及SOM含量均处于中等水平。在20～40 cm土层,林地较耕地具有更多的根系,其通过分泌胶结物质及其他微生物发生一系列反应形成SOM[15],同时较多的根系交错缠绕有利于形成土壤团聚体,从而增加土壤孔隙度,降低土壤密度,提高土壤质量。

土壤持水性能是决定生态系统水源涵养和水土保持功能的因素。有研究指出,当土体疏松,土壤密度较小,TP和CP较大时,土壤持水性能较好,反之当土体紧实,土壤密度较大,TP和CP较小时,土壤持水性能较差[1]。该研究区土地利用方式对20～40 cm土层土壤SC具有显著影响(P<0.05)。林地土壤持水性能较好是由于其长期处于未被扰动的状态,土体具有较大的孔隙度和较小的土壤密度。此时大小孔隙比例适当,团聚体的水稳性亦较好,土壤结构稳定[16];此外,林地土壤植被覆盖度大,根系发达,且枯枝落叶层的存在一方面能减少林地土壤水分蒸发。另一方面能增加SOM含量,促进形成土壤良好结构体,使其具有良好的水源涵养能力[17],而耕地种植作物主要为玉米、红薯,由于长期人为干预,易造成土壤板结,且作物收获后地表裸露,植被覆盖度低,使得其持水性能小于林地。这与张敏等[18]的研究结果一致,即林地土壤持水性能最好。

根据地理位置,将研究区划分为6个集水区。研究结果表明,同一土地利用方式下,研究区下段持水性能显著高于上段,表现为下段>中段>上段。这主要是因为笋溪河流域上段植被繁茂,不受人为耕作的影响,具有SOM含量高、大孔隙多、通气透水性强等特征,而中段至下段受耕作活动影响,导致NP被破坏,使其导水能力差,持水能力强。此外,还可能与地形地貌和河流流量及降雨有关。上游海拔高、河水流量小,中段随着两条大支流的汇入,流量激增,流域末端海拔低、流量最大且地势平坦。研究区在丰水期降雨量大且集中,导致上段的细小土壤颗粒被冲刷至中下段堆积,所以导致集水区之间持水性能存在差异。

相关性分析结果表明,除0～20 cm土层的林地SC与坡度呈显著正相关,20～40 cm土层中林地CC和FC、耕地CC与纬度显著正相关外(P<0.05),土壤持水性能与其他地形因子无显著相关性。沿笋溪河走向,纬度逐渐增加,太阳辐射略有减弱,从而导致植被覆盖度较大的林地和耕地水分含量较植被种植单一、地表裸露较多的园地大。这与Peng等[19]提出的地形,尤其海拔,是决定喀斯特地区4种植被土壤水分含量主导因素的结论相反。江津市气候条件与喀斯特地区存在显著差异,说明土壤持水性能会因环境因子的不同而改变。本研究中,土壤持水性能与土壤密度呈显著负相关,与TP、CP呈显著正相关,NP、土壤通气度通过影响饱和导水率也对土壤持水性能有显著正相关作用。逐步回归分析结果显示土壤密度和土壤CP通过影响CC、土壤CP和NP通过影响FC进而影响土壤的持水性能,影响土壤SC的因素因土地利用方式的不同而异。此外,园地、林地和耕地土壤持水性能还分别受土壤自然含水率和容积含水量、土壤TP、SOM的影响,林地由于植物根系的穿插使TP含量最高,导致其对土壤持水性能的影响较园地和耕地大;耕地土壤由于在种植过程中施入较多人畜粪便等有机肥,导致其SOM含量高于园地和林地,使其对耕地土壤持水性能的影响较园地和林地大。土壤密度和孔隙度直接影响了水分的流动和运输,降低土壤密度,增加土壤CP对改善土壤持水性能存在积极作用[20]。这与Xie等[2]和Zhou等[5]研究喀斯特地区土壤持水性能的变化,得出的土壤持水性能与土壤密度、孔隙度等土壤性质密切相关的结果一致。前人关于SOM影响持水性能的结论不一,如娄淑兰等[21]指出三峡山地土壤持水性能与SOM呈显著正相关;Khlosi等[22]研究表明SOM含量低的土壤中,SOM对持水性能的影响很小。本研究与Khlosi等[22]的研究结果一致,这主要是因为研究区土壤多为黄壤和红壤,其SOM含量处于较低的水平。另外园地多为花椒园,物种丰富度低;林地多为慈竹,生长于河流周围,含较多岩石,其针叶林枯落物难以形成腐殖质归还给土壤中,且土壤质地复杂,减弱了SOM对土壤持水性能的影响。