貴州赤水河流域土壤持水特征的影響因素分析

黃興成， 熊仕娟， 李渝，張雅蓉， 劉彥伶， 蔣太明

1.貴州省農業科學院 土壤肥料研究所，貴陽 550006；2.農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴陽 550006；3.貴州省農業科學院 辣椒研究所，貴陽 550006；4.貴州省農業科學院，貴陽 550006

土壤是地球陸地表面具有多孔結構的介質，具有很強的吸水和持水能力.大量研究指出，土壤層是森林[1]、草地[2]、濕地[3]、農田[4]和水陸交錯帶[5]等生態系統水文效應最重要的一層，是整個生態系統水分循環的主要貯蓄庫和調節器[6].然而，由于人們長期缺乏對水資源可持續利用的正確認識，忽視了土壤持水功能在水資源可持續利用上的作用，造成區域水土流失[7]、季節性干旱[8]和水體污染[9]等生態環境問題，給社會經濟發展帶來了巨大的損失.研究指出，土壤特性[10]、地形條件[11]、土地利用方式[12]等因素均能顯著地影響土壤的持水特性.因此，開展特定區域土壤持水特征研究，明確影響區域土壤持水量的主控因素，有利于推進生態環境保護與社會經濟的協調發展.

赤水河是長江上游最重要的一級支流.貴州省2011年頒布了《貴州省赤水河流域保護條例》，為該區域水資源保護確立了良好的法律依據.針對當前貴州赤水河流域土壤持水特性影響因素尚不明確的問題，采用野外調查和室內分析相結合的研究方法，明確影響貴州赤水河流域土壤持水特性的主要因素，為貴州開展赤水河流域水資源的可持續管理提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴州赤水河流域位于貴州省北部，東經105°13′19″-106°58′34″，北緯27°13′16″-28°45′58″，流域面積11 392 km2.地貌以山地丘陵為主，山勢陡峭，巖溶地貌發育，河谷深切狹窄.流域土壤類型復雜多樣，地帶性土壤為黃壤，巖性土壤有石灰(巖)土、紫色土和粗骨土，耕作土壤以黃壤、紫色土、石灰(巖)土及其發育的水稻土為主，水土流失較為嚴重.

1.2 樣品采集

采用典型樣地調查法，根據不同土壤類型(粗骨土、黃壤、石灰(巖)土、水稻土和紫色土)、土地利用類型(草地、旱地、林地、水田和園地)、地形條件(按照地形部位分為溝谷、坡底、坡腰和坡頂，按照地形坡度分為平坡[0°，5°]、緩坡(5°，15°]、斜坡(15°，25°]和陡坡(25°，90°])等因素，選擇有代表性的地塊設置采樣點，每個采樣點用100 cm3(高50 mm，直徑50.46 mm)的環刀采集0～20 cm的土層中部土壤原狀樣品，兩端削平，用環刀底蓋加封，帶回室內分析.研究共采集162個土樣，采樣時間為2018年9-11月.

1.3 土壤持水量測試

將采集的原狀土樣帶回室內，采用LY/T 1215-1999《森林土壤水分-物理性質的測定》[13]方法，將土樣放入水中浸泡，飽和后稱取土樣質量(W1)，然后將其放在鋪有干砂的平底托盤中，靜置一晝夜，測定土壤質量(W2)，測試完成后在105 ℃烘干至恒質量，測定干土質量(W3)，據此測算出土壤飽和持水量和田間持水量.計算公式如下：

(1)

(2)

1.4 數據統計與分析

采用方差分析[14]和數量化理論I方法[15]研究各因素對土壤持水量的影響，采用SPSS 17.0和Sigmaplot 14.0軟件對數據進行統計分析和制圖.

2 結果與分析

2.1 土壤類型對土壤持水量的影響

比較不同土壤類型表層土壤飽和持水量特征(圖1a)，結果表明，不同土壤類型飽和持水量以水稻土和粗骨土最大，平均值分別為60.1%和58.6%，其次為黃壤和石灰(巖)土，紫色土最低，平均值僅45.6%.不同土壤類型表層土壤田間持水量差異有統計學意義(圖1b)，田間持水量以水稻土最大，平均值為51.9%，其次為粗骨土、黃壤和石灰(巖)土，紫色土田間持水量最低，平均值僅35.4%.紫色土相較其他土壤類型持水量較低，應當加強對于紫色土分布區水土的資源管理.

箱型圖內虛線為平均值，實線為中位數，不同小寫字母表明差異有統計學意義(p<0.05，Duncan)，下同.

2.2 土地利用類型對土壤持水量的影響

比較不同土地利用類型土壤飽和持水量特征(圖2a)，表明不同土地利用類型飽和持水量差異有統計學意義，其中以水田土壤飽和持水量最大，0～20 cm土層飽和持水量平均值為58.3%，其次為旱地、園地和林地，草地最低.不同土地利用類型土壤田間持水量差異有統計學意義(圖2b)，土壤田間持水量以水田最大，平均值為49.5%，草地最低，平均值僅24.0%.

圖2 不同土地利用飽和持水量(a)和田間持水量(b)特征

2.3 地形條件對土壤持水量的影響

2.3.1 地形坡度對土壤持水量的影響

比較不同地形坡度土壤飽和持水量特征(圖3a)，表明不同地形坡度飽和持水量差異有統計學意義，其中以平坡和緩坡土壤飽和持水量較大，平均值分別為53.3%和52.0%，斜坡和陡坡飽和持水量較低.不同地形坡度土壤田間持水量差異有統計學意義(圖3b)，不同地形坡度田間持水量以平坡和緩坡最大，平均值分別為45.3%和42.1%，陡坡和斜坡土壤田間持水量較低，平均值僅39.3%和34.6%.表明隨著坡度增加，土壤對水分的涵養能力降低，應當注意坡地的水土保持.

圖3 不同地形坡度飽和持水量(a)和田間持水量(b)特征

2.3.2 地形部位對土壤持水量的影響

比較不同地形部位土壤飽和持水量特征(圖4a)，表明不同地形部位飽和持水量差異有統計學意義.不同地形部位飽和持水量以溝谷和坡底較大，平均值分別為54.8%和51.7%，坡腰和坡頂較低.不同地形部位土壤田間持水量差異有統計學意義(圖4b)，表現為溝谷最大，平均值為47.4%，其次為坡底和坡腰，平均值分別為42.1%和38.5%，坡頂田間持水量最低，僅29.7%.

圖4 不同地形部位飽和持水量(a)和田間持水量(b)特征

2.4 各因素影響土壤持水量特征的差異性分析

方差分析結果(表1)表明，土壤飽和持水量和田間持水量在不同土壤類型、土地利用類型和地形坡度間存在極有統計學意義(p<0.01)至有統計學意義(p<0.05)的差異，說明土壤類型、土地利用類型和地形坡度是影響赤水河流域土壤持水量的重要因素.土壤飽和持水量的影響因素中，土壤類型的F值最大，為20.187，地形部位的F值最小，為1.186，說明不同因素對土壤飽和持水量變異的影響存在較大的差異性.對土壤田間持水量影響顯著的因素為土壤類型和土地利用，其F值分別為14.214和11.509.

表1 各影響因素對土壤飽和持水量和田間持水量的方差分析

2.5 基于數量化理論I的影響因素分析

方差分析可以定性分析各因素對土壤持水量影響的差異性，但不能定量比較各因素的重要性.采用數量化理論Ⅰ建立數學模型定量化評估對土壤持水量具有顯著影響的各指標得分(表2).研究結果表明，影響土壤飽和持水量的首要因素是土壤類型，其得分范圍最大，達16.153；其次為土地利用和地形坡度，得分范圍分別為5.672和4.125.對土壤田間持水量起首要影響的因素是土壤類型，得分范圍為19.217；其次為土地利用，得分范圍為16.400.

表2 項目得分范圍及類目得分

3 討論

貴州赤水河流域是長江上游重要的生態屏障，保護該區域生態環境已經成為地區可持續發展的戰略要求[16-17].然而，由于自然地質特征和人類活動等因素影響，赤水河流域內水土流失嚴重，生態環境破壞問題加劇[18-20].明確區域土壤持水特征的主控因素，為區域水土資源保護提供科學依據，成為當前赤水河流域亟待解決的問題.本研究結果表明，貴州赤水河流域土壤飽和持水量和田間持水量主要受到土壤類型、土地利用類型和地形坡度的影響，研究結果對于指導赤水河流域水土資源區劃和保護具有一定的指導意義.同時，值得注意的是，不同研究者對特定區域的研究結果顯示，區域間土壤持水特性的影響因素差異較大；陳明等[21]對四川省調查結果顯示，該區域影響土壤最大持水量的主導因子是坡向、地貌、土厚和部位；劉小寧等[22]對甘肅的典型土壤類型研究結果表明，由于土壤類型的區域性分布規律，甘肅不同區域土壤持水特征存在顯著的分異；方露等[23]對岷江上游的研究結果顯示，土地利用和坡向對土壤水分的影響呈顯著的交互影響.因此，不同區域對土壤持水量的主導因子需要具體的實證分析.

本研究條件下，影響貴州赤水河流域土壤持水量的主要因素是土壤類型，區域內以白堊系砂巖發育的紫色土分布最為廣泛，土壤容質量大[24]，持水量較低，同時由于土壤顆粒以粗砂為主，缺少黏粉粒，土壤抗剪強度低[25]，更容易造成水土流失，是制約區域土壤水源涵養的主要土壤類型.學者亦指出，不同土壤類型性質差異較大，土壤結構、容質量、土壤黏粒、土壤鹽分、土壤總孔隙度、不同吸力條件等土壤因素與土壤持水量均密切相關[26].因此，未來的研究仍然需要進一步解析紫色土土壤持水量較低的科學機制，從而為提升土壤持水能力提供科學依據.值得注意的是，為了區域環境保護和分區精準管理政策的制定，未來的研究應當進一步明確區域土壤持水特征的空間分布特征.

4 結論

貴州赤水河流域土壤飽和持水量和田間持水量受到土壤類型、土地利用類型和地形坡度的顯著影響，影響土壤持水量的主要因素是土壤類型.

貴州赤水河流域不同土壤類型以水稻土飽和持水量和田間持水量最高，紫色土飽和持水量和田間持水量較低；不同土地利用類型以水田土壤持水量最高，草地土壤持水量較低；不同地形坡度以平坡土壤持水量最高，斜坡和陡坡土壤持水量較低，應當加強對區域內紫色土分布區坡地的管理，從而實現區域水資源的可持續管理.