貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)特征

黃興成，熊仕娟，李 渝，張雅蓉，劉彥伶，陽路芳，蔣太明

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，貴陽 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所，貴陽 550006；4.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066；5.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，貴陽 550006)

【研究意義】水資源是一種基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性的自然資源，水資源合理利用推動了農(nóng)業(yè)、社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。然而，隨著人口增長和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，不合理的利用水資源造成了水資源破壞[3-5]。中國人均水資源占有量不足世界人均占有水量的四分之一，水資源在地區(qū)間分布不均衡的危機(jī)正嚴(yán)重制約中國的可持續(xù)發(fā)展[6]。因此，開展區(qū)域水源涵養(yǎng)功能調(diào)查研究，了解區(qū)域水源涵養(yǎng)功能狀況，為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)，有助于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。【前人研究進(jìn)展】聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(Sustainable Development Goals，SDGs)中明確提出，要進(jìn)行區(qū)域水資源綜合管理，保證水安全，以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展[7]。土壤水源涵養(yǎng)功能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成成分，是區(qū)域水資源的可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素[8-9]。大量研究指出，土壤層是森林[10]、濕地[11]、農(nóng)田[12]等生態(tài)系統(tǒng)水文效應(yīng)最重要的一層，是整個生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的主要貯蓄庫和調(diào)節(jié)器。然而，由于人們長期缺乏對水資源可持續(xù)利用的正確認(rèn)識，忽視了土壤水源涵養(yǎng)功能在水資源可持續(xù)利用上的作用，造成區(qū)域水土流失[13]、季節(jié)性干旱[14]、水體污染[15]等生態(tài)環(huán)境問題，給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大的損失。【本研究切入點(diǎn)】赤水河是長江上游最重要的一級支流，貴州境內(nèi)赤水河流域是茅臺、習(xí)酒產(chǎn)地。貴州省2011年頒布了《貴州省赤水河流域保護(hù)條例》，為保護(hù)該區(qū)域水資源確立了良好的法律基礎(chǔ)，但針對當(dāng)前貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)功能的現(xiàn)狀研究報(bào)道少見。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的研究方法，基于土壤蓄水能力評價(jià)貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)特征，為貴州省開展赤水河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有效參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州赤水河流域位于貴州省北部，東經(jīng)105°13′19″～106°58′34″，北緯27°13′16″～28°45′58″，主要轄赤水市、習(xí)水縣、仁懷市、桐梓縣、播州區(qū)、金沙縣、大方縣、七星關(guān)區(qū)共8個縣域，流域面積11392 km2。地形以西南高東北低，海拔在218～2107 m，山勢陡峭，巖溶地貌發(fā)育，河谷深切狹窄，河床比降大。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 13.1～17.6 ℃，年平均降水1286 mm，植被類型以人工云南松、馬尾松和亞熱帶次生常綠闊葉林為主。流域土壤類型復(fù)雜多樣，地帶性土壤為黃壤，巖性土壤有石灰(巖)土和紫色土，耕作土壤以黃壤、紫色土、石灰(巖)土及其發(fā)育的水稻土為主，水土流失較為嚴(yán)重。

1.2 土壤樣品采集

根據(jù)不同土壤類型、地形條件和土地利用方式等因素，每種類型下選擇有代表性的地塊設(shè)置采樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)用100 cm3(高50 mm，直徑50.46 mm)的環(huán)刀采集0～20 cm的土層中部土壤原狀樣品，兩端削平，用環(huán)刀底蓋加封，帶回室內(nèi)待分析。共采集162個土樣，采樣時間為2018年9—11月，采樣點(diǎn)分布如圖1。

1.3 土壤水源涵養(yǎng)量測算

將采集的原狀土樣帶回室內(nèi)，采用LY/T 1215—1999《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定》[16]方法，測試土壤飽和持水量和田間持水量。將土樣放入水中浸泡飽和后稱重(W1)，再將其放在鋪有干砂的平底托盤中靜止一晝夜后稱重(W2)，于105 ℃烘干至恒重(W3)，計(jì)算土壤飽和持水量和田間持水量。

土壤飽和持水量(%)=W1-W3

土壤田間持水量(%)=W2-W3

采用土壤蓄水能力法[17-18]評價(jià)土壤水源涵養(yǎng)量。土壤飽和持水量代表了土壤總水源涵養(yǎng)量，土壤田間持水量表示其有效水源涵養(yǎng)量。0～20 cm土層總水源涵養(yǎng)量和有效水源涵養(yǎng)量的計(jì)算方法如下。

土壤總水源涵養(yǎng)量(mm)=土壤飽和持水量(%)×200/100

土壤有效水源涵養(yǎng)量(mm)=土壤田間持水量(%)×200/100

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及Esri ArcGIS 9.3 對采樣點(diǎn)土壤水源涵養(yǎng)量進(jìn)行Kriging空間插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)量特征

2.1.1 土壤總水源涵養(yǎng)量特征 從圖2看出，貴州赤水河流域0～20 cm土層總水源涵養(yǎng)量在64.6～136.4 mm，呈右偏態(tài)(平頂峰)分布，上四分位數(shù)為87.7 mm，下四分位數(shù)為109.7 mm，平均值為99.9 mm。從總水源涵養(yǎng)量分級特征看，總水源涵養(yǎng)量在100～110 mm的比例最大，占25.93%；土壤總水源涵養(yǎng)量小于100 mm的樣點(diǎn)比例達(dá)49.99%。

圖1 貴州赤水河流域土壤樣品采集點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of collecting spots of soil samples in Chishui river basin of Guizhou

圖2 貴州赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量分布頻率Fig.2 Distribution frequency of total amount of water soil conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.1.2 土壤有效水源涵養(yǎng)量特征 從圖3看出，貴州赤水河流域0～20 cm土層有效水源涵養(yǎng)量在19.0～122.4 mm，呈左偏態(tài)(尖頂峰)分布，上四分位數(shù)為72.4 mm，下四分位數(shù)為91.0 mm，平均值為81.2 mm。從有效水源涵養(yǎng)量的分級特征看，有效水源涵養(yǎng)量在80～90 mm的比例最大，占27.78%，有效水源涵養(yǎng)量大于100 mm的比例僅占11.73%。

圖3 貴州赤水河流域土壤有效水源涵養(yǎng)量分布頻率Fig.3 Distribution frequency of effective amount of water soil conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.2 貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)量的空間變異性

2.2.1 土壤總水源涵養(yǎng)量的空間變異性 采用簡單克里金(Simple Kriging)方法對土壤總水源涵養(yǎng)量進(jìn)行空間插值(圖4-a)結(jié)果表明，赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量呈東北低，西南高的變化趨勢。土壤總水源涵養(yǎng)量的低值中心位于仁懷市，僅80.1 mm；土壤總水源涵養(yǎng)量的高值中心位于大方縣，達(dá)124.2 mm(表1)。貴州赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量在90～100 mm范圍的分布面積較大，占流域面積的63.0%；土壤總水源涵養(yǎng)量大于100 mm的分布面積僅占流域總面積的35.5%(表1)。對插值數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合(圖4-b)，表明土壤總水源涵養(yǎng)量的預(yù)測值與實(shí)測值存在極顯著的正相關(guān)性(R2= 0.7458，P<0.01)，預(yù)測結(jié)果較優(yōu)。

圖4 貴州赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量空間變異特征Fig.4 Spatial variation characteristic to total amount of soil water conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.2.2 土壤有效水源涵養(yǎng)量的空間變異性 采用簡單克里金方法對土壤有效水源涵養(yǎng)量(圖5-a)進(jìn)行空間插值結(jié)果表明，赤水河流域土壤有效水源涵養(yǎng)量呈東北低，西南高的變化趨勢。土壤有效水源涵養(yǎng)量的低值中心位于仁懷市，僅39.1 mm；土壤有效水源涵養(yǎng)量的高值中心位于大方縣，達(dá)108.3 mm(表2)。貴州赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量在80～90 mm的分布面積較大，占流域面積的70.1%(表2)。對插值數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合(圖5-b)表明，土壤有效水源涵養(yǎng)量的預(yù)測值與實(shí)測值存在極顯著的正相關(guān)性(R2=0.8015，P<0.01)。

圖5 貴州赤水河流域土壤有效水源涵養(yǎng)量空間變異特征Fig.5 Spatial variation characteristic to effective amount of soil water conservation in Chishui river basin of Guizhou

2.3 貴州赤水河流域各縣域土壤水源涵養(yǎng)特征

2.3.1 各縣域土壤總水源涵養(yǎng)特征 對不同區(qū)域總水源涵養(yǎng)量進(jìn)行分級(表1)表明，不同縣域總水源涵養(yǎng)特征存在顯著差異。各縣域土壤總水源涵養(yǎng)量從大到小依次為大方縣>七星關(guān)區(qū)>金沙縣>播州區(qū)>桐梓縣>仁懷市>習(xí)水縣>赤水市。赤水市、習(xí)水縣、桐梓縣、仁懷市和播州區(qū)5個縣域的土壤總水源涵養(yǎng)量主要分布于90～100 mm，分別占縣域面積的91.7%、91.3%、96.2%、55.4%、64.8%；金沙和七星關(guān)主要分布于100～110 mm，分別占縣域面積的81.7%和65.9%；大方縣主要分布于110～120 mm，占縣域面積的59.1%。

表1 貴州赤水河流域不同縣域土壤總水源涵養(yǎng)量及分級

2.3.2 各縣域土壤有效水源涵養(yǎng)特征 對不同區(qū)域有效水源涵養(yǎng)量進(jìn)行分級(表2)表明，不同縣域有效水源涵養(yǎng)特征存在顯著差異。各縣域土壤平均有效水源涵養(yǎng)量為大方縣>七星關(guān)區(qū)>播州區(qū)>金沙縣>赤水市>桐梓縣>習(xí)水縣>仁懷市，各縣域土壤有效水源涵養(yǎng)量均主要分布于80～90 mm。

表2 不同縣域土壤有效水源涵養(yǎng)量及分級

3 討 論

貴州赤水河流域是長江上游重要的生態(tài)屏障，保護(hù)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為地區(qū)的戰(zhàn)略要求[19-20]。有研究指出，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等因素影響，赤水河流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，水體富營養(yǎng)化問題加劇[21-23]。因此，保護(hù)水土資源，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，成為當(dāng)前赤水河流域亟待解決的問題。研究針對當(dāng)前貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)不明的問題，進(jìn)行區(qū)域土壤水源涵養(yǎng)特征及其空間分布，研究表明，貴州赤水河流域土壤水源涵養(yǎng)量平均為99.9 mm，縣域尺度上赤水、仁懷水源涵養(yǎng)量較低，結(jié)果填補(bǔ)了該區(qū)域研究的空白。與中國不同區(qū)域土壤水源涵養(yǎng)量比較，貴州赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量低于東北黑土[24]、華中[25]和福建紅壤[26]。因此，應(yīng)當(dāng)提升對該區(qū)域土壤水源涵養(yǎng)的認(rèn)識和保護(hù)力度，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的綠色發(fā)展。

值得注意的是，土壤水源涵養(yǎng)量受土壤類型、土壤性質(zhì)、土地利用、地形條件和人為耕作管理等因素影響[27-29]，需要更多研究闡明不同環(huán)境條件和人為管理?xiàng)l件下的土壤水源涵養(yǎng)特征及其影響機(jī)制，為區(qū)域土壤水源涵養(yǎng)的科學(xué)管理提供依據(jù)。整個土體對于水源涵養(yǎng)均有作用，但研究僅考察了0～20 cm土層的水源涵養(yǎng)，未來的研究應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)對整個土體水源涵養(yǎng)量的研究。本研究結(jié)果主要考察土壤的持水能力，未結(jié)合區(qū)域時間序列下降雨蒸發(fā)等特征，而土壤水資源賦存狀態(tài)和動態(tài)特征對于區(qū)域水資源可持續(xù)利用亦十分重要，在未來研究中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)內(nèi)容的研究。

4 結(jié) 論

貴州赤水河流域0～20 cm土層土壤總水源涵養(yǎng)量在64.6～136.4 mm，平均為99.9 mm；土壤有效水源涵養(yǎng)量在19.0～122.4 mm，平均值為81.2 mm。貴州赤水河流域土壤總水源涵養(yǎng)量和有效水源涵養(yǎng)量呈東北低，西南高的變化趨勢。大方縣是該區(qū)域內(nèi)總水源涵養(yǎng)量和有效水源涵養(yǎng)量最大的縣域，赤水市土壤總水源涵養(yǎng)量最小，仁懷市土壤有效水源涵養(yǎng)量最小。