華北平原不同土地利用方式下土壤飽和導(dǎo)水率特征及其影響因素

常香玲

（1.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000；2.河南大學(xué)濮陽(yáng)工學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000）

飽和導(dǎo)水率是反應(yīng)土壤水分入滲和滲漏特性的重要參數(shù)，決定了降水入滲與地表徑流的發(fā)生與分布，也是土壤侵蝕與水分循環(huán)模型中的重要參數(shù)之一[1,2]，對(duì)水土保持功能及植被的可持續(xù)生長(zhǎng)具有重要作用[3]。土壤飽和導(dǎo)水率受到土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋及海拔坡向等多種因素影響[3-5]。眾多研究表明，土壤容重、礫石含量、土壤含水率、土壤孔隙度等土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)及土壤水分、養(yǎng)分指標(biāo)均是影響土壤飽和導(dǎo)水率的重要因子[6-11]。例如，席彩云等[6]研究發(fā)現(xiàn)，森林土壤中土壤容重與土壤飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而森林土壤有機(jī)質(zhì)及總孔隙度與飽和導(dǎo)水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系；同時(shí)，土壤孔隙的大小及孔徑分布也是影響土壤飽和導(dǎo)水率的重要因素[7]；土壤有效孔隙率指標(biāo)同樣也是影響土壤飽和導(dǎo)水率的重要結(jié)構(gòu)指標(biāo)[8]；土壤含水率在入滲初期對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生較大影響，而在入滲后期其影響減弱[9]；在森林土壤土壤中，主導(dǎo)土壤飽和導(dǎo)水率的土壤因子主要包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重和土壤孔隙度[10]；土壤養(yǎng)分會(huì)通過(guò)影響植物及作物根系生長(zhǎng)從而對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生重要影響[11]。可見(jiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素多，過(guò)程復(fù)雜，需要針對(duì)不同生境的土壤飽和導(dǎo)水率影響因子進(jìn)行全面研究。以往相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)人為活動(dòng)、土地利用方式、植被條件等都是影響土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)鍵因素[12,13]，但對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響機(jī)理的研究較少。例如，不同土地利用方式如何調(diào)控土壤飽和導(dǎo)水率還不清楚，土地利用方式的改變是通過(guò)調(diào)控哪些土壤環(huán)境因子（土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分等）而影響土壤飽和導(dǎo)水率，以上問(wèn)題還有待研究。

豫東華北平原區(qū)是黃河流域水土流失的重要區(qū)域，是我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)，且是我國(guó)人類擾動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一，在自然環(huán)境及人類活動(dòng)影響下豫東平原土地利用格局發(fā)生變化，從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境發(fā)生了劇烈變化[14,15]。然而，以往研究集中于探討工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧產(chǎn)業(yè)等不同土地利用方式下的土壤飽和導(dǎo)水率特征，而針對(duì)耕地、草地、果園、灌木林地、純林地、混交林地等不同林業(yè)類型的土地利用方式下的土壤飽和導(dǎo)水率的研究較少，限制了此區(qū)域生態(tài)建設(shè)效果的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及可持續(xù)管理。本研究豫東典型華北平原的6種（耕地、草地、果園、灌木林地、純林地、混交林地）土地利用類型土壤為研究對(duì)象，研究不同土地利用類型下的土壤飽和導(dǎo)水率及土壤物理、水分、養(yǎng)分分布特征，并探討土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素，研究結(jié)果以期為此區(qū)域土壤水分運(yùn)動(dòng)及土壤性質(zhì)對(duì)人工干擾及土地利用類型的響應(yīng)規(guī)律征提供理論支撐，為促進(jìn)華北平原區(qū)水土流失的防治及土地的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇位于豫東華北平原區(qū)、河南省東北部的濮陽(yáng)市為研究區(qū)，地理坐標(biāo)為33°33＇～35°05＇N，110°22＇～113°50＇E，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫為13.3 ℃，最高氣溫可達(dá)43.1 ℃，最低氣溫可達(dá)-21 ℃，溫差較大。年平均日照時(shí)數(shù)為2 454.5 h，無(wú)霜期一般為205 d，年平均降水量為502.3～601.3 mm。土壤類型主要為潮土、風(fēng)沙土和堿土，其中潮土為主要土壤，主要利用方式為耕地（占總面積的57.09%)，果園主要種植紅棗、蘋果、桃、杏、梨、葡萄等，種植的主要樹(shù)種包括楊樹(shù)、榆樹(shù)、柳樹(shù)、油松、槐樹(shù)等，同時(shí)包括灌木純林及草地等景觀構(gòu)造與土地利用方式。

1.2 樣地選擇及土樣采集

實(shí)驗(yàn)采樣于2021 年7 月在河南省濮陽(yáng)市進(jìn)行，選擇包括混交林地、純林地、灌木林地、草地、果園及耕地共6 個(gè)樣地，各樣地最遠(yuǎn)間距為5.7 km，氣候條件基本一致，6 個(gè)樣地的土壤類型一致，均為潮土。為了避免海拔、坡向及坡位帶來(lái)的誤差影響，在6種土地利用類型樣地選擇相近海拔、坡度及坡向的樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，為了避免植物生長(zhǎng)差異帶來(lái)的影響，選擇建設(shè)及利用時(shí)間相同或相近的樣點(diǎn)進(jìn)行研究。樣點(diǎn)基本狀況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本狀況Tab.1 Basic status of sample plots

在6 個(gè)土地利用類型樣地分別選擇3 個(gè)樣點(diǎn)，在不同土層（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm） 分別利用環(huán)刀（200 cm3)、鋁盒及自封袋進(jìn)行土壤采樣，每個(gè)樣品設(shè)置5個(gè)重復(fù)，取樣后立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用恒定水頭法測(cè)定土壤飽和導(dǎo)水率[16]；利用烘干法及比重瓶法分別測(cè)定土壤含水率及土壤容重；利用開(kāi)氏定氮法、NH4OAc浸提-火焰光度法及浸提-鉬銻抗比色法分別測(cè)定土壤全氮、速效鉀及速效磷[17]；利用排水法測(cè)定土壤石礫含量[18]；利用氣壓平衡法測(cè)定土壤總孔隙度[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及整理，利用SPSS 22.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與顯著性檢驗(yàn)，利用Origin 2022進(jìn)行相關(guān)性分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤容重及含水率特征

不同土地利用方式不同土層的土壤容重見(jiàn)圖1。可見(jiàn)，不同利用方式土地的土壤容重差異顯著，整體表現(xiàn)為耕地＞果園＞草地＞純林地＞混交林地＞灌木林地。具體表現(xiàn)為：在0～10 cm 土層，土壤容重表現(xiàn)為耕地＞草地＞果園＞灌木林地＞純林地＞混交林地，除耕地與草地、純林地與混交林地組間差異不顯著外，其他組間差異均較顯著（p＜0.05）；在10～20 cm 樣地，土壤容重表現(xiàn)為耕地＞草地＞果園＞純林地＞混交林地＞灌木林地；在20～30 cm 及30～40 cm 土層，土壤容重表現(xiàn)為果園＞耕地＞草地＞混交林地＞純林地＞灌木林地；在40～60 cm 土層，土壤容重表現(xiàn)為耕地＞果園＞草地＞純林地＞混交林地＞灌木林地。

圖1 不同利用方式土地土壤容重特征Fig.1 Soil bulk density characteristics of different land use modes

不同土地利用方式不同土層的土壤含水率見(jiàn)圖2。可見(jiàn)，不同利用方式土地的土壤含水率特征差異顯著，整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞灌木林地＞耕地≈草地＞果園。其中，在0～40 cm 土層，土壤含水率均表現(xiàn)為混交林地顯著高于其他土地利用類型樣地（p＜0.05），純林地與灌木林地的土壤含水率組間差異不顯著，但顯著大于草地、果園及耕地的土壤含水率（p＜0.05），草地、果園及耕地的土壤含水率組間差異不顯著。

圖2 不同土地利用方式土壤含水率特征Fig.2 Soil moisture content characteristics of different land use modes

2.2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分特征

不同土地利用方式樣地的土壤全氮、速效鉀、速效磷測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，土壤全氮、速效鉀及速效磷均整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞灌木林地＞草地＞果園＞耕地。隨著土壤深度的增加，所有樣地的土壤全氮、速效鉀及速效磷均呈現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。

表2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量Tab.2 Soil nutrient content of different land use modes

2.3 不同土地利用方式土壤石礫及孔隙度

不同土地利用方式樣地的土壤石礫含量見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，不同利用方式土地的土壤石礫含量未表現(xiàn)出整體的差異規(guī)律，其中混交林地、純林地、灌木林地及草地的組間差異不顯著，而果園石礫含量顯著＞耕地（p＜0.05）。隨著土壤深度的增加，混交林地、純林地及灌木林地的變化趨勢(shì)不顯著，而果園及耕地土壤石礫含量均表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而增加的趨勢(shì)（p＜0.05）。

圖3 不同土地利用方式土壤石礫含量特征Fig.3 Soil gravel content characteristics of different land use modes

不同土地利用方式不同土層的土壤總孔隙度分布特征見(jiàn)圖4。可見(jiàn)，土壤總孔隙度整體表現(xiàn)為混交林地＞灌木林地＞純林地＞果園＞草地＞耕地。其中，在0～30 cm 土層混交林地土壤總孔隙度顯著高于其他樣地（p＜0.05），純林地及灌木林地土壤總孔隙度顯著高于草地、果園及耕地（p＜0.05），但純林地及灌木林地間差異不顯著，果園土壤總孔隙度顯著＞草地。

圖4 不同土地利用方式土壤總孔隙度特征Fig.4 Soil total porosity characteristics of different land use modes

2.4 不同土地利用方式土壤飽和導(dǎo)水率

豫東平原不同土地利用方式的土壤飽和導(dǎo)水率分布規(guī)律見(jiàn)圖5。可見(jiàn)，不同利用方式土地的土壤飽和導(dǎo)水率差異顯著，整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞草地＞果園≈耕地，尤其在0～20 cm 土層，混交林地、純林地及灌木林地與草地、果園及耕地的差異最為顯著（p＜0.05），隨著土壤深度的增加，不同土地利用方式樣地的土壤飽和導(dǎo)水率的差異減弱；草地、果園及耕地間土壤飽和導(dǎo)水率的差異不顯著。

圖5 不同土地利用方式土壤飽和導(dǎo)水率特征Fig.5 Characteristics of soil saturated water conductivity with different land use modes

2.5 土壤養(yǎng)分及土壤物理特征與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系研究

通過(guò)分析土壤因子與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系（見(jiàn)圖6）可見(jiàn)，土壤全氮、速效鉀、速效磷、總孔隙度、土壤含水率及土壤容重均是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素，而石礫含量對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響不顯著。其中，土壤容重與土壤飽和導(dǎo)水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤總孔隙度、土壤含水率、土壤全氮、速效鉀、速效磷均與土壤飽和導(dǎo)水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖6 土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素分析Fig.6 Analysis of influencing factors of soil saturated water conductivity

3 分析與討論

在豫東平原地區(qū)，不同土地利用方式下的土壤水分特征差異顯著。其中，土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞草地＞果園≈耕地，這是由于混交林地及純林地相比草地的土壤根系含量更高，根系活動(dòng)造成土壤含有更多孔隙，從而有利于土壤導(dǎo)水[3]，而果園及耕地由于人為耕作過(guò)程中破壞了土壤根系及孔隙，導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率降低[20]。此外，豫東平原地區(qū)不同土地利用方式下的土壤含水率同樣表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞灌木林地＞耕地≈草地＞果園，可見(jiàn)土植物建設(shè)種類不同不僅會(huì)影響水分入滲，同時(shí)會(huì)影響土壤水分儲(chǔ)存[21]。

研究還表明，不同土地利用方式下的土壤性質(zhì)及養(yǎng)分特征也存在顯著差異，土地利用及管理上的差異會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量具有顯著差異，這與以往的研究結(jié)果一致[22]，其中本研究發(fā)現(xiàn)喬木及灌木林的建設(shè)更有利于土壤養(yǎng)分的積累。此外，土壤總孔隙度表現(xiàn)為混交林地＞灌木林地＞純林地＞果園＞草地＞耕地，這也是根系差異導(dǎo)致的結(jié)果[3]。不同的土地利用、管理方式及不同的植被類型會(huì)導(dǎo)致土壤容重變化與差異，同樣是植物根系生長(zhǎng)、節(jié)肢動(dòng)物活動(dòng)等綜合作用的結(jié)果[3]。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的增加，灌木林地土壤容重逐漸減小、含水率增加，而其他土地利用類型樣地土壤容重隨著增加、含水率減小；隨著土壤深度的增加，混交林地及純林地土壤含水率表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，而灌木林地、草地、果園及耕地均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)；果園及耕地會(huì)導(dǎo)致土壤石礫含量具有垂直變異規(guī)律，這是由于整地、翻耕等人為管理措施導(dǎo)致[23,24]。可見(jiàn)，不同土地利用及管理方式會(huì)導(dǎo)致土壤含水率變化，是由于整地、灌溉及土壤結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致[25-27]。

分析不同土地利用方式下土壤飽和導(dǎo)水率的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)不同土地利用管理會(huì)通過(guò)影響土壤容重、土壤總孔隙度、土壤初始含水率及土壤養(yǎng)分從而對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生重要影響。混交林地、灌木林地、純林地、果園、草地及耕地?fù)碛胁煌慕ㄔO(shè)方式及管理模式[28-30]，會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化，植被差異會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分差異，最終導(dǎo)致了土壤飽和導(dǎo)水率的差異。從結(jié)果可見(jiàn)，混交林及灌木林有利于土壤導(dǎo)水及持水性能的提升。

4 結(jié) 論

（1）豫東平原不同土地利用管理對(duì)土壤容重、土壤含水率、土壤總孔隙度及土壤養(yǎng)分存在顯著影響，其中喬木、灌木造林地土壤總孔隙度、含水率及土壤養(yǎng)分顯著高于草地、果園及耕地，而喬木、灌木造林地土壤容重顯著低于草地、果園及耕地，不同植被種植后的根系發(fā)育差異、動(dòng)物活動(dòng)差異及灌溉、翻耕等管理方式的差異均可能是導(dǎo)致以上土壤因子差異的原因。

（2）豫東平原不同土地利用方式樣地的土壤飽和導(dǎo)水率特征差異顯著，整體表現(xiàn)為混交林地＞純林地＞草地＞果園≈耕地，這種差異在表層土壤更為顯著，而不同土地管理后的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤含水率、土壤全氮、速效鉀、速效磷變化均是導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率特征變化的主要因子。

（3）混交林及灌木林有利于土壤導(dǎo)水及持水性能的提升。