冀西北土地利用方式改變對(duì)土壤貯水和入滲特征的影響

楊文姬，曹 航，楊新兵*，梁世興

(1.山合林(北京)水土保持技術(shù)有限公司，北京 100038；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北保定 071000；3.張家口市涿鹿林場(chǎng)，河北張家口075600)

水土保持是人類干擾生態(tài)系統(tǒng)的一種有效手段，是保護(hù)和改良自然環(huán)境條件的綜合利用[1]。土壤的水土保持功能主要體現(xiàn)在土壤的入滲規(guī)律和貯水性能兩方面。土壤入滲是控制地表徑流、壤中流、地下徑流與土壤貯水性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，土壤貯水性能又是植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)[3]。土地利用類型的變化是人類社會(huì)對(duì)土地資源利用的直接反映，土地利用方式受到人文及自然因素的制約，土地利用類型不同，則其貯水和入滲性能就不一樣，即使是同一地區(qū)的同一類型土壤，其土壤貯水和入滲性能也會(huì)有不同差異[4-5]。諸多學(xué)者對(duì)土壤貯水和入滲性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為土壤水分貯水和入滲能力與土壤孔隙狀況、土層厚度、表土結(jié)構(gòu)、植被類型及土壤密度等多種因素相關(guān)[3-4，6]。研究不同土地利用類型土壤貯水和入滲特征對(duì)治理和改善地區(qū)保持水土與涵養(yǎng)水源的能力具有重要意義。

冀西北是指張家口地區(qū)，是我國(guó)首都圈上游的重要天然生態(tài)屏障和京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)，2022年冬奧會(huì)舉辦，給張家口市生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[7]。張家口又是嚴(yán)重貧水地區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，面對(duì)既要保生態(tài)、保水源，又要保農(nóng)業(yè)發(fā)展、保農(nóng)民增收的雙重難題。為合理評(píng)估生態(tài)建設(shè)(退耕還林)和農(nóng)業(yè)政策調(diào)整(休耕)實(shí)施效果，該研究以張家口市涿鹿林場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的油松林(Pinustabulaeformis)、農(nóng)田和撂荒地為對(duì)象，研究3種土地利用類型的土壤貯水和入滲特征，為該地區(qū)水源涵養(yǎng)與生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)選擇在河北省西北部的張家口市涿鹿縣，屬于京西水源林營(yíng)造區(qū)域，有北京保水、供水之責(zé)。該地屬海河流域永定河上游懷涿盆地，海拔906～2 882 m，山地丘陵地貌類型，地勢(shì)中間高、南北低。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年日照時(shí)數(shù)2 875 h，年均氣溫9.1 ℃，年降水量373 mm。土壤類型主要為褐土。當(dāng)?shù)刂饕鷳B(tài)造林樹種為油松，分布面積最廣。受當(dāng)?shù)刈匀粭l件(主要是降雨量少)和人為(農(nóng)業(yè)收入低、退耕和休耕等政策)的綜合影響，大量土地撂荒。試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在涿鹿林場(chǎng)寇家溝林區(qū)(115°6′18″E，40°12′50″N)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置試驗(yàn)選取林地(油松純林)、農(nóng)田與撂荒地3種不同土地利用類型作為研究樣地，樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample land

2.2 土壤貯水特征測(cè)定用環(huán)刀(體積為100 cm3)在選取的3個(gè)樣地內(nèi)每10 cm分層取土，共取6層。設(shè)3次重復(fù)。采用室內(nèi)環(huán)刀浸泡法測(cè)定土壤孔隙度、容重和貯水量等指標(biāo)，計(jì)算公式為[6]：

Wt=1 000pth

(1)

Wnc=1 000pnch

(2)

Wc=1 000pch

(3)

式中：Wt為土壤飽和貯水量(mm)，Wnc為土壤最大滯留貯水量(mm)，Wc為土壤最大吸持貯水量(mm)；pt為總孔隙度(%)，pnc為非毛管孔隙度(%)，pc為毛管孔隙度(%)；h為土層深度(m)。

分析土壤容重和土壤孔隙度、貯水量之間的相關(guān)性，建立回歸模型，用模型斜率判斷不同土地利用類型土壤貯水特征變化差異，斜率越大則說(shuō)明變化程度越大；反之，則變化越小[6]。

2.3 土壤入滲特征測(cè)定利用雙環(huán)滲透筒在選取的樣地內(nèi)測(cè)定不同時(shí)段土壤入滲過(guò)程，每個(gè)樣地重復(fù)測(cè)定3次。記錄入滲過(guò)程中初滲速率、穩(wěn)滲速率等參數(shù)，制作入滲容量曲線。利用SPSS軟件分析3種土地利用類型入滲速率差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同利用方式的土壤貯水能力差異土壤貯水能力是植被生長(zhǎng)所需水分及土壤水均衡的重要農(nóng)學(xué)指標(biāo)，對(duì)研究生態(tài)水文過(guò)程，特別是半干旱地區(qū)的水分、土壤與植被具有關(guān)鍵作用[8]。土壤貯水量主要受土壤厚度與孔隙狀況的影響。由圖1可知：整個(gè)土層(60 cm)的土壤飽和貯水量呈現(xiàn)為林地(352.72 mm)>農(nóng)田(317.30 mm)>撂荒地(286.30 mm)，林地與農(nóng)田土壤貯水性能均高于撂荒地，表明植被可以有效改善土壤儲(chǔ)水能力。土壤滯留貯水量是暫時(shí)儲(chǔ)存在非毛管孔隙中的自由重力水，整個(gè)土層(60 cm)的土壤滯留貯水量排序?yàn)榱值?117.97 mm)>農(nóng)田(57.98 mm)>撂荒地(54.37 mm)，表明林地對(duì)土壤滯留貯水能力的改善最好，撂荒地最差。土壤吸持貯水量是毛管孔隙中依靠毛管力所吸持的水分，是植物利用的有效水分，整個(gè)土層(60 cm)的土壤吸持貯水量排序?yàn)檗r(nóng)田(259.40 mm)>林地(234.49 mm)>撂荒地(231.93 mm)，三者差異并不明顯。總體來(lái)看，林地土壤貯水性能最好，對(duì)土壤蓄水能力的改善最為明顯，撂荒地最差。

圖1 不同土地利用類型土壤貯水特征參數(shù)Fig.1 Characteristic parameters of soil water storage in different land use types

3.2 不同利用方式的土壤容重和土壤孔隙度差異土壤容重與孔隙度是土壤的重要水分物理指標(biāo)，直接或間接影響著土壤透氣性、土壤肥力、持水能力、抗侵蝕能力、溶質(zhì)運(yùn)輸及植物生長(zhǎng)狀況[9-10]。由圖2～3可知，土壤容重均值排序?yàn)榱袒牡?1.27 g/cm3)>農(nóng)田(1.20 g/cm3)>林地(0.95 g/cm3)，林地土壤容重最小，最疏松，農(nóng)田撂荒后土壤容重增大，緊實(shí)程度增加。土壤非毛管孔隙度均值排序?yàn)榱值?農(nóng)田>撂荒地，土壤毛管孔隙度均值排序?yàn)檗r(nóng)田>林地>撂荒地，土壤總孔隙度均值排序?yàn)榱值?59.01%)>農(nóng)田(55.67%)>撂荒地(47.72%)。土壤容重與土壤孔隙度成反比。

圖2 不同土地利用類型土壤容重Fig.2 Soil bulk density of different land use types

圖3 不同土地利用類型土壤孔隙度Fig.3 Soil porosity of different land use types

由圖4～5可知，土壤容重和孔隙度、貯水量參數(shù)成反比。隨著土壤容重的增大，總孔隙度與飽和貯水量均呈下降趨勢(shì)。非毛管孔隙(擬合方程斜率為0.365 4)比毛管孔隙(擬合方程斜率為0.216 7)變化較為明顯，滯留貯水量(擬合方程斜率為219.54)比吸持貯水量(擬合方程斜率為128.22)的變化較為明顯，表明植被對(duì)非毛管孔隙(滯留貯水量)的影響要大于毛管孔隙(吸持貯水量)。

圖4 土壤容重與孔隙度的相關(guān)性Fig.4 Correlation between soil bulk density and soil porosity

圖5 土壤容重與土壤貯水量的相關(guān)性Fig.5 Correlation between soil bulk density and soil water storage

3.3 不同利用方式的土壤入滲規(guī)律入滲是降水-地表徑流-壤中徑流-地下徑流“四水”轉(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)，是由土壤組成結(jié)構(gòu)、土壤水力特性及供水條件等因素綜合作用的結(jié)果[11]。由圖6和表2可知，入滲速率隨時(shí)間的增加而減小，入滲時(shí)間與速率呈冪函數(shù)關(guān)系。3種土地利用類型的初滲速率大小排序?yàn)榱值?16.67 mm/min)>農(nóng)田(14.29 mm/min)>撂荒地(4.81 mm/min)，林地與農(nóng)田的初滲速率明顯高于撂荒地。土壤穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋毫值?3.55 mm/min)>農(nóng)田(2.53 mm/min)>撂荒地(1.23 mm/min)，林地與農(nóng)田分別比撂荒地高出1.9倍與1.1倍。

圖6 不同土地利用類型入滲曲線Fig.6 Infiltration curves of different land use types

利用SPSS軟件對(duì)林地、農(nóng)田及撂荒地入滲速率進(jìn)行差異性分析(P<0.05)表明，林地、農(nóng)田和撂荒地的初滲速率與穩(wěn)滲速率均差異顯著。林地與農(nóng)田的入滲速率明顯高于撂荒地，林地對(duì)土壤入滲能力的改善較為明顯。

表2 不同土地利用類型入滲速率與多重比較Table 2 Infiltration rate and multiple comparison of different land use types 單位：mm/min

4 討論

不同土地利用類型因地表植被覆蓋差異，相應(yīng)其改善土壤水肥能力不同而對(duì)土壤質(zhì)地有不同的影響[12]。土壤貯水性能與土層厚度、土壤容重、孔隙狀況及土壤結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。夏江寶等[13]研究認(rèn)為，植被可增加土壤孔隙度，降低土壤容重，進(jìn)而改善土壤貯水功能，原因是植被的生長(zhǎng)與凋零對(duì)土壤質(zhì)地既有物理方面的改善，又有生物方面的影響。該研究對(duì)林地(油松林)、農(nóng)田與撂荒地3種不同土地利用類型進(jìn)行土壤貯水特征的研究發(fā)現(xiàn)，林地對(duì)土壤貯水功能的改善最好，農(nóng)田次之，撂荒地最差，研究結(jié)果與文獻(xiàn)[10]～[11]觀點(diǎn)基本一致，原因可能是林地凋落物改善了土壤結(jié)構(gòu)，土壤疏松，容重減小，孔隙度增大；農(nóng)田撂荒后人為翻耕減少(該試驗(yàn)選取的撂荒地已經(jīng)約10年未有人為擾動(dòng))，土壤緊實(shí)程度增加，容重增大，土壤貯水功能相應(yīng)減弱。

入滲是降水或灌溉水經(jīng)過(guò)土壤表面進(jìn)入土壤內(nèi)部的水文過(guò)程，其性能受到人為干擾(如耕種措施)、氣象條件、土壤質(zhì)地和初始含水率等因素的影響[14]。該研究表明，林地與農(nóng)田入滲性能明顯優(yōu)于撂荒地，3種土地利用類型入滲性能差異明顯，原因可能是林地凋落物改善了土壤結(jié)構(gòu)，腐爛的植物根系“通道”可為土壤中的水分提供儲(chǔ)存空間，進(jìn)而影響土壤導(dǎo)水率[15]。農(nóng)田由于長(zhǎng)期耕種及其他人為因素導(dǎo)致了土壤肥力(有機(jī)質(zhì))下降，所以農(nóng)田入滲性能不如林地。農(nóng)田撂荒后人為翻耕減少，土壤變得緊實(shí)，入滲能力下降，與朱釗岑等[15]的研究結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

土壤貯水性能林地最好，農(nóng)田次之，撂荒地最差。林地和農(nóng)田土壤容重比撂荒地明顯要小。土壤容重與土壤孔隙度、土壤貯水量的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。植被對(duì)非毛管孔隙(滯留貯水)改善最為明顯，對(duì)毛管孔隙(吸持貯水)改善的效果較為一般。土壤入滲時(shí)間與入滲速率呈冪函數(shù)關(guān)系，林地入滲性能最好，農(nóng)田次之，撂荒地最差，林地、農(nóng)田與撂荒地入滲率差異明顯。