喀斯特地區不同土地利用方式對土壤飽和導水率的影響

蔡路路, 劉子琦, 李 淵, 余 逍, 景建生

(貴州師范大學 喀斯特研究院 國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001)

飽和導水率(Saturated hydraulic conductivity,Ks)是水和溶質運移模型的關鍵參數，影響著土壤水分運移，對土壤水分的入滲、徑流和貯藏產生過程起著關鍵作用[1-3]。土壤Ks受到土壤質地、土壤結構、有機質和坡向等諸多因素的影響[4-7]。彭舜磊等[8]通過多元逐步回歸方法得出容重、非毛管孔隙度是影響不同演替階段土壤Ks的主要因子。Jarvis等[9]研究表明Ks受容重、有機質含量的影響。此外，Yao等[10]指出農業土壤的Ks除了受有機碳影響因素外，還取決于土地利用、耕作和灌溉水質等管理措施。研究表明，不同土地利用方式會通過耕作方式和植物作用差異改變土壤的水力特性[4,11]。Wang等[2]和Jarvis等[9]認為耕作擾動會破壞土壤的孔隙結構，因而與自然植被相比Ks更低。自然植被不受耕作影響，根系在土壤中穿插和枯枝落葉覆蓋改善土壤結構，提高土壤有機質和孔隙度，增強土壤的滲透性[12]。不少學者研究表明，不同土地利用方式的Ks存在差異，其中容重、有機質及非毛管孔隙度是主要的影響因素[13-14]。可見，雖然目前對Ks開展了大量的研究，但由于影響因素復雜，主要影響因子尚不明確，還有待進一步研究。

喀斯特地區土壤具有成土速率慢、土層薄、土被不連續及異質性強等特點[15]。由于喀斯特地區土壤直接覆蓋在表層巖溶帶上[16]，Ks對表層巖溶帶的水文過程響應敏感。鑒于Ks對土壤水文過程的重要性，部分學者對喀斯特地區土壤Ks開展了研究。Fu等[17]對西南喀斯特小流域的Ks垂直分布研究表明，碎石含量是主要影響因素，在模擬喀斯特水文時要考慮碎石含量對Ks的影響。張川等[18]對喀斯特坡面表層Ks研究顯示，Ks具有中等的空間自相關，空間連續性差，沿坡面并沒有明顯的變化規律，土壤含水量與Ks呈極顯著的負相關。而Fu等[19]研究則表明，土壤Ks在喀斯特流域空間內變異程度中等，有較強的空間自相關，非毛管孔隙度和容重是主要影響因子。覃淼等[20]研究發現，桂北地區不同土地利用類型的Ks差異顯著，土壤孔隙度比有機質對Ks影響更大。在喀斯特地區，土壤Ks的研究主要關注的是流域表層空間差異性及其剖面垂直變化特征，而土地利用方式與植被類型對Ks影響的研究仍然比較鮮見。

基于以上認識，本研究以花江喀斯特高原峽谷區花椒地、金銀花地、玉米地和荒地4種土地利用方式的土壤作為研究對象，通過分析土壤剖面Ks及土壤理化性質特征，探討不同土地利用方式對Ks的影響，以期為該區土壤水分滲透模型構建、土壤水分動態預測提供參考，為西南喀斯特地區石漠化生態恢復及生態服務評價提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于黔西南貞豐縣北盤江鎮石漠化治理示范區內，地理坐標為25°39′01″—25°40′06″N，105°39′36″—105°38′23″E，屬典型的喀斯特高原峽谷地貌。碳酸鹽巖裸露，地表植被稀疏，地勢起伏大，海拔600～1 200 m。研究區年平均氣溫18.4 ℃，夏秋濕熱，冬春暖干，年均降水量1 100 mm，但季節分配不均，集中在5—10月，屬半亞熱帶季風濕潤氣候。土壤以石灰巖、泥灰巖為成土母質的石灰土為主，基巖裸露率高達70%，但因成土速率慢、土流失嚴重，該區土層淺薄。主要植被有花椒(Zanthoxylumbungeamun)、金銀花(Lonicerajaponica)、核桃(JuglansregiaL.)和構樹(Broussonetiapapyriferal)等。主要土地利用方式有花椒地、金銀花地、玉米地和荒地，其中玉米為翻耕的耕作方式，花椒地、金銀花地和荒地均為免耕。

1.2 試驗方法

2018年4月11日至4月15日，在研究區內選擇花椒地、金銀花地、玉米地和荒地4種土地利用方式的土壤作為研究對象。每種土地利用方式樣地內選取3個具有代表性的土壤剖面采樣。每個剖面按0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm分層采取原狀土和擾動土,每一土層取3次重復。原狀土采用高5 cm、體積為100 cm3的環刀采樣，擾動土用塑料袋密封帶回實驗室。用定水頭法測定土壤飽和導水率[21]，用環刀法測定、容重、田間持水量，用浸水法和環刀法測定土壤的總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量[22]，土壤有機質采用重鉻酸鉀加熱法測定。表層土壤的滲透系數根據van Genuchten模型原理[23]，利用美國Meter公司在華盛頓州普爾曼生產的滲透計(mini Disk Infiltrometer)現場測定。根據土壤類型將吸力率設為2 cm，每隔30 s記錄滲透體積，每個剖面重復3次。土壤的滲透系數(K)根根下面的公式計算：

K=C/A

式中：C為累積滲透與時間平方根作圖得到的斜率；A為與van Genuchten參數有關的值，對應特定的土壤類型，以及吸力率和滲透計盤半徑，本文中A值為2.429。

1.3 數據處理

運用Excel 2016整理數據，利用SPSS 24.0對數據進行統計分析，通過單因素方差分析(ANOVA)方法，并用LSD法進行對比，檢驗不同土地利用方式的土壤理化性質差異，飽和導水率在不同土層及不同土地利用方式的差異顯著性，且均通過方差齊性檢驗，最后用Pearson相關分析檢驗飽和導水率與其他理化性質的相關性。圖的制作通過Origin 2018完成。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質特征

金銀花地、玉米地及荒地的土壤容重均隨著深度加深而增大，但花椒地呈先減小后增大再減小的變化規律(圖1)。花椒地容重在10—20 cm最低，且在10—50 cm均低于其他土地。4種土地利用方式的平均土壤容重介于1.29～1.40 g/cm3，花椒地最低只有1.29 g/cm3，金銀花地最高為1.40 g/cm3(表1)。方差分析顯示，花椒地的平均容重顯著低于其他土地利用方式(p<0.05)，而金銀花地、玉米地和荒地沒有顯著差異(p>0.05)，說明花椒在改善土壤孔隙方面具有優勢。

金銀花地、玉米地和荒地的總孔隙度均隨深度增加而降低，而花椒地則與其容重變化規律相反，隨著深度加深呈先增后減小再增大的變化特征。花椒地土壤容重、總孔隙度均在10—20 cm出現變化，可能與該層根系發達以及施加糞肥后在此層富集有關。各土地利用方式的非毛管孔隙度均隨土層加深呈先增加后減少的變化規律。毛管孔隙度在0—30 cm均隨深度增加而遞減，而在30—50 cm遞增。各土地利用方式總孔隙度均值介于47.74%～51.62%，其中花椒地最大為51.62%，顯著高于金銀花地、玉米地和荒地(p<0.05)。非毛管孔隙度均值在16.22%～20.76%變化，金銀花地較花椒地、玉米地和荒地分別顯著低20.61%，21.87%，17.16%(p<0.05)。毛管孔隙度均值介于27.49%～31.52%，花椒地與金銀花地差別不大，但兩者均顯著高于玉米地和荒地(p<0.05)。

花椒地、玉米地和荒地的田間持水量、毛管持水量在0—30 cm，均隨著深度增加而降低，而在30—50 cm則隨深度增加而遞增。分層含水量的在垂直方向規律不明顯。各土地利用方式的田間持水量、毛管持水量和土壤含水量平均值分別介于19.64%～22.84%，20.15%～23.58%和15.47%～17.49%。方差分析顯示，花椒地、金銀花地的田間持水量、毛管持水量顯著高于玉米和荒地(p<0.05)，花椒地的分層含水量均值達17.49%，顯著高于玉米地(p<0.05)。由此可見，花椒地的涵養水源效果最好，玉米地最差。

各土地利用方式的土壤有機質含量均隨土層深度增加而降低。有機質含量平均值介于34.22～39.79 g/kg，花椒地、金銀花地、玉米地和荒地分別為39.79 g/kg，37.41 g/kg 、34.22 g/kg和38.48 g/kg。方差分析結果表明，玉米地顯著低于花椒地、金銀花地和荒地(p<0.05)，但花椒地、金銀花地和荒地差異不顯著(p>0.05)。

表1 不同土地利用方式的土壤理化性質

2.2 表層土壤滲透系數

表層土壤的滲透系數(K)見表2。不同土地利用方式土壤的表層滲透系數差異較大，花椒地、金銀花地、玉米地和荒地，分別為1.02，0.78，0.61，0.97 m/d，變異系數在0.32～0.47，屬于中等變異程度。不同土地利用方式的土壤滲透特征見圖2，土壤的滲透時間與累積滲透量、累積滲透存在良好的線性關系(R2=0.99)，表明K值可靠。荒地的滲透量與累積滲透均最高，而玉米地均最低。花椒地的滲透系數最高，可能與土壤非毛管孔隙度大、容重小有利于水分滲透有關。

表2 表層土壤的滲透系數

2.3 飽和導水率垂直變化特征

不同土地利用方式的Ks隨著土層加深，均呈先增加后減小的變化特征(表3)。同一土地利用方式不同土層的Ks垂直變化均介于0.31～19.99 m/d，最大值和最小值均出現在花椒地。4種土地方式的Ks均值介于6.41～7.37 m/d，花椒地最大為7.37 m/d，玉米地最小僅有6.41 m/d，花椒地顯著高于玉米地(p<0.05)。方差分析結果顯示，4種土地方式的Ks最大值都出現在10—20 cm土層，且均顯著高于其他土層(p<0.05)。在10—20 cm土層，花椒地Ks顯著高于玉米地(p<0.05)，但在40—50 cm又顯著低于金銀花地(p<0.05)，而金銀花地、玉米地和荒地未表現出顯著差異(p>0.05)。綜上可見，花椒地Ks最高，滲透性能最好，相比其他土地利用方式，降雨后不易形成坡面徑流，有利于防止表層水土的流失。

圖1 土壤理化性質的剖面分布特征

表3 不同土地利用方式的土壤飽和導水率

圖2 表層土壤的水分滲透特征

2.4 飽和導水率與土壤理化性質相關分析

土壤Ks與土壤容重、孔隙度及有機質等理化性質密切相關。本文選取與Ks相關的8個變量做相關分析，結果見表4，可知Ks除了與毛管孔隙度、毛管含水量、田間持水量和土壤含水量與Ks相關性不顯著外(p>0.05)，與其他變量均達到極顯著的相關性(p<0.01)，其中容重與Ks呈極顯著負相關(p<0.01)，而總孔隙度、非毛管孔隙度和有機質均與Ks呈極顯著正相關(p<0.01)。呈顯著相關的變量相關系數絕對值大小排序依次為非毛管孔隙度>總孔隙度>容重>有機質。此外，由表4還可看出其他土壤理化性質兩兩之間也存在顯著的相關關系(p<0.05)，土壤因子有交互作用。單一土壤因子與Ks的相關性是忽略其他因子影響的前提下得出的，不能真實反映它們的相關性。為此，再選取容重(X1)、總孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6)、土壤含水量(X7)、有機質(X8)等8個因子作為自變量，飽和導水率(Y)作為因變量，采用多元逐步回歸方法，篩選出重要的影響因子。得到如下方程：

Y=-14.806+1.125X4

其中,方程決定系數R=0.719,F=19.26>F0.01=4.74,p<0.001,表明回歸方程達到極顯著水平。由方程可以得出Ks的最主要的影響因子是非毛管孔隙度(X4)。采用通徑分析方法，進一步定量分析非毛管孔隙度對Ks的影響程度。分析發現，非毛管孔隙度直接通徑系數為0.719，Durbin-Waston統計量為1.787，表明方程可靠性較強。由直接通徑系數為正值可知，非毛管孔隙度的增加會提高土壤的Ks。

表4 土壤飽和導水率與土壤理化性質的相關性分析

3 討 論

土壤Ks受到有機質、容重和孔隙度等土壤理化性質的影響。通過相關分析發現，有機質與Ks呈極顯著的正相關(p<0.01)(表4)，說明有機質對Ks具有正向作用。但是，關于土壤有機質對Ks的影響仍然存在爭議。Lado等[24]研究認為有機質是形成和穩定土壤結構的物質，Ks隨有機質含量的增加而增大。然而，可能與土壤質地差異有關，姚淑霞等[25]對科爾沁沙地研究發現Ks與有機質呈顯著的負相關關系。此外，彭舜磊[8]等認為有機質提高Ks受到一定極值限制，高于極值時，Ks會呈下降趨勢。盡管本研究Ks與有機質存在極顯著的相關性(p<0.01)，但只在10—50 cm土層，平均Ks與有機質含量變化趨勢一致，主要原因是Ks受綜合因素影響，可能在0—10 cm土層，非毛管孔隙度對Ks的影響起著主導的作用。

本研究Ks與容重呈極顯著負相關(p<0.01)，和非毛管孔隙度呈現極顯著的正相關(p<0.01)，這與Fu等[19]研究結果的相似。本文容重與總孔隙度、非毛管孔隙呈極顯著的負相關性(p<0.01)。容重反映的是土壤孔隙特征，容重越大，反映孔隙度越小，土壤性質會通過優先傳導水分的非毛管孔隙來影響Ks[6]，而非毛管孔隙中的水不受束縛可以自由流動[16]，利于水分的滲漏。通徑分析表明，非毛管孔隙度的直接通徑系數為0.719，是影響Ks最重要的因素。此外，Ks與總孔隙度也呈極顯著的正相關(p<0.01)。Chen 等[26]研究表明，由于喀斯特地區土壤容重的差異，土地利用類型對土壤水力特性有較強的影響。不同土地利用方式下，植物根系發育引起的土壤質地和結構變化，是影響土壤Ks變化的重要因素[27-28]。4種土地利用方式中，土壤的Ks均隨著深度的增加呈先增加后減小的變化規律(圖1)，平均Ks介于6.41～7.37 m/d，其中花椒地顯著高于玉米地(p<0.05)(表3)。因為土壤理化性質在一定程度上受到植被的影響，植被會改變土壤結構、孔隙度而影響滲水能力。自然植被通過根系和枯枝落葉對表層土壤結構產生影響，表現在降低容重、提高有機質含量、增加大孔隙數量和增強導水能力[12]。我國西南地區樹根發育主要集中在淺層土壤[29]，灌木和喬木根系在地表富集，粗根向深層的橫向和縱向發育，會增加非毛管孔隙度，有利于水分傳導[27]。加之花椒、金銀花又為淺根性植物[30-31]，荒地常年雜草叢生，根系在土壤的穿插破壞土壤結構，根系死亡后形成空洞提高土壤的孔隙度。而玉米地受翻耕除草影響，植物根系因常受破壞而不發達，所以花椒地、金銀花地和荒地的平均Ks高于玉米地。與其他學者研究的Ks最大值出現在表層結果不同[16]，本研究各土地利用方式Ks最大值均出現在10—20 cm土層，顯著高于其他土層(p<0.05)。主要原因是因為該層植被根系發達，土壤動物活動形成較多孔隙，受外界影響較小，有利于保護孔隙。但在20—50 cm土層，因土壤細顆粒向下填充，容重增大、孔隙度降低，所以Ks均隨深度加深而降低。

不同土地利用方式的土壤Ks在0—10 cm土層介于7.04～8.24 m/d (表3)，與付同剛等[16]研究桂北小流域的結果相近(8.72 m/d)，但低于張川等[18]研究的喀斯特坡面表層(13.18 m/d)。但是在0—10 cm土層，Ks在不同土地利用方式上并未表現出顯著差異(p>0.05)，這是因為喀斯特地區表層土壤比深層受到更復雜的影響因素，如凋落物覆蓋、動物活動[3]，這些因素的綜合作用會削弱表層植被對飽和導水率的影響。此外，不同土地利用方式的耕作方式差異也會對表層土壤Ks會產生重要影響。研究表明，耕作后土壤孔隙度會先下降再保持穩定[32]，耕作擾動會破壞土壤結構和非毛管孔隙的連續性，特別是動物和根的生物孔[9]。本研究耕作土壤(玉米地)Ks顯著低于免耕土壤(花椒地)(p<0.05)，與Wang等[2]的研究結果相似。玉米地長期受到人類活動的干擾，會導致土壤層板結，有機質含量、土壤通透性降低[33]。此外，耕作擾動會加快表層細粒向下遷移，導致孔隙度隨著深度加深降低，從而降低土壤Ks。綜上所述，因為花椒地、金銀花地和荒地均為免耕的耕作方式，植被根系發達，有機質、孔隙度高于玉米地，所以平均Ks高于玉米地。不同的研究區Ks的影響因素差異較大，主導因子不盡相同，應當根據該區的土壤理化性質具體分析。

4 結 論

(1) 不同土地利用方式土壤的Ks均隨著土層深度的加深而呈先增加后降低的變化規律，Ks最大值均出現10—20 cm土層，顯著高于其他土層(p<0.05)。不同土地利用方式土壤的平均Ks介于6.41～7.37 m/d，花椒地最大為7.37 m/d，顯著高于玉米地(p<0.05)。

(2) 不同土地利用方式的土壤因耕作方式和植物作用的差異，對Ks有不同程度的影響。容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機質均與Ks有極顯著的相關性(p<0.01)，其中，非毛管孔隙度是影響本研究Ks最主要的因子。

(3) 花椒地的Ks和含水量均高于金銀花地、玉米地和荒地，說明花椒的保持水土效益優于其他植被，今后在喀斯特地區進行石漠化生態治理時，建議采用花椒種植的生態經濟模式，可獲得良好的生態、經濟效益。