晉西不同土地利用方式下土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素

張君玉，程金花，呂湘海，張友焱，王彬儼，5，孫 龍，6

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2.北京良鄉(xiāng)藍(lán)鑫水利工程設(shè)計(jì)所，北京 102488；3.中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司，北京 100044；4.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091；5.中國(guó)科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；6.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤重要的水力參數(shù)之一［1］。坡面近地表土壤水分條件對(duì)徑流形成和侵蝕發(fā)生有重要的影響［2］。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的研究有了一定的成果，Helalia［3］認(rèn)為，田間土壤入滲土壤的有效孔隙度與飽和導(dǎo)水速率之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，蔣定生等［4］研究認(rèn)為，隨土壤深度的增加，土壤入滲能力急劇下降，土壤入滲能力與表層土壤容重關(guān)系密切，在滲透率較大的坡面上，入滲速率與坡度成反比關(guān)系。袁建平等［5］研究認(rèn)為，土地利用方式不同，坡面土壤穩(wěn)滲速率存在較大差異。趙西寧等［6］研究發(fā)現(xiàn)，坡面耕作措施可有效地提高土壤入滲速率，延緩坡面徑流，是控制坡耕地水土流失的有效措施。

在黃土丘陵區(qū)，植被是影響土壤性質(zhì)最積極的因素［7］，特別是土壤密度，飽和導(dǎo)水率等土壤物理性質(zhì)。合理的植被措施的實(shí)施可以有效改善土壤水力特性［8］。本研究針對(duì)晉西黃土丘陵區(qū)多級(jí)生物防護(hù)體系中，林地、農(nóng)地、地埂、荒地4種土地利用方式下的土壤，研究其表層飽和導(dǎo)水率的影響因素，為提出適于該區(qū)坡面水土保持生物防護(hù)技術(shù)體系和生物防護(hù)技術(shù)措施優(yōu)化配置模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省中陽縣的車?guó)Q峪林場(chǎng)，屬黃河流域典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，東經(jīng)111°04′—111°21′、北緯37°03′—37°20′。該區(qū)屬暖溫帶亞干旱區(qū)，具明顯的大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為500～550mm，降雨集中在7—9月份（占全年降水量的70%以上），平均蒸發(fā)量為1019 .7mm，年平均氣溫6℃，極端最高氣溫35.6℃（1994年6月16日），極端最低氣溫－24.3℃（1980年1月30日），無霜期125～150d，≥10℃年積溫為2500 ～3000 ℃。土壤以褐土居多，其次是棕壤，發(fā)育差、水土流失嚴(yán)重。植被區(qū)劃上屬于森林草原灌叢植被區(qū)。多級(jí)生物防護(hù)體系是指針對(duì)坡耕地所處的不同地貌部位及其對(duì)阻控水土流失的要求與差異，形成坡面頂部和坡面上部集流防止擊濺侵蝕和面蝕，坡面中部防蝕保土、坡面中下部蓄水?dāng)r土、溝道防止下切侵蝕和重力侵蝕的防護(hù)體系。晉西黃土丘陵區(qū)多級(jí)生物防護(hù)體系可以歸納為，一級(jí)生物防護(hù)是坡上林地防護(hù)，大部分為人工林，現(xiàn)有樹種少，林地大部分是疏林地，林分穩(wěn)定性差；二級(jí)生物防護(hù)是坡中梯田農(nóng)耕地及生物地埂防護(hù)，農(nóng)作物的間作模式非常多；三級(jí)生物防護(hù)是指坡底林地灌木防護(hù)，黃土區(qū)侵蝕情況非常嚴(yán)重，溝底形態(tài)各異，有平坦地勢(shì)地區(qū)也被種植農(nóng)作物，大部分為荒地裸地，自然生長(zhǎng)小喬木、小灌木和各類草本。研究區(qū)環(huán)境因子詳見表1。

表1 研究區(qū)環(huán)境因子

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集與理化性質(zhì)測(cè)定 在每塊樣地的坡上、坡中和坡下隨機(jī)布設(shè)3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，開挖土壤剖面，按照0—20cm，20—40cm分2層進(jìn)行土樣采集（環(huán)刀192.42cm3，規(guī)格直徑7cm，高5cm）。室內(nèi)測(cè)定土壤的物理化學(xué)性質(zhì)［9］。土壤顆粒組成采用簡(jiǎn)易比重計(jì)法，并參照國(guó)際制來劃分土壤質(zhì)地類型。采用環(huán)刀浸透法測(cè)定土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。采用人工篩分法測(cè)定土壤結(jié)構(gòu)。經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過篩后，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

1.2.2 飽和導(dǎo)水率的測(cè)定 采用定水頭飽和導(dǎo)水率測(cè)定法測(cè)定［10］，測(cè)定裝置如圖1所示。首先使用ST－70A型滲透儀專用環(huán)刀（高3.85cm，直徑6.15 cm）在樣地取土，然后在室內(nèi)靠近水源處安裝ST－70A型土壤水分滲透儀，以馬氏瓶控制定水頭，水頭高度23.1cm，安裝完畢后放水開始滲透。前3min每隔10s測(cè)定水分出流體積，接下來2min每隔30s測(cè)定水分出流體積，此后每5min測(cè)定水分出流體積至穩(wěn)定為止。

根據(jù)下式可計(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率Ks:

式中:H——進(jìn)水口的水頭高度（cm）；V——出水口水分出流量（ml）；t——水分出流時(shí)間（s）；L——土柱長(zhǎng)度（cm）；A——土樣橫截面積（cm2）。

各樣地的試驗(yàn)在不同溫度下進(jìn)行，為了使溫度條件對(duì)所測(cè)得的飽和導(dǎo)水率的值影響降低，按公式（2）將試驗(yàn)測(cè)得對(duì)應(yīng)溫度為t℃下的飽和導(dǎo)水率換算成10℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率K10。

式中:K10——溫度為10℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率（mm·min－1）；Kt——溫度為t℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率（mm／min）。

圖1 定水頭法測(cè)定土壤飽和導(dǎo)水率裝置

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用單因素方差分析（one－way ANOVA）進(jìn)行顯著性分析，并在差異顯著時(shí)進(jìn)行多重比較（p＜0.05，LSD，t檢驗(yàn)）。以用Pearson相關(guān)系數(shù)和Spearman秩相關(guān)系分析法分析土壤因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)性［11－12］。應(yīng)用多元逐步回歸對(duì)飽和導(dǎo)水率與土壤物理因子的關(guān)系進(jìn)行分析，比較各因子的作用大小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel，Sigma plot 12.0和SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 飽和導(dǎo)水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

土壤不同層次、不同土地利用方式以及不同樣地的平均飽和導(dǎo)水率分別如圖2—4所示。由圖中可以看出:（1）在4種土地利用方式下，淺層土壤相比于更深層土壤，均表現(xiàn)出較高的飽和導(dǎo)水率；（2）對(duì)于同一土壤層次而言，林地土壤的飽和導(dǎo)水率最大，地埂和農(nóng)地土壤次之，荒地土壤最?。唬?）林地土壤的飽和導(dǎo)水率在不同土層間的差異較大，而地埂和農(nóng)地土壤的這一差異并不十分明顯，荒地土壤的這一差異則更??；（4）而農(nóng)地中不同的作物種植模式下的數(shù)值差異較大，典型的4種間作方式相比較，蘋果玉米的間作方式對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的響應(yīng)值比較大，另外地埂類型下混合地埂的土壤表層Ks數(shù)值相對(duì)較大，單一植物地埂次之。

圖2 土壤不同層次平均飽和導(dǎo)水率

圖3 不同土地利用方式下土壤平均飽和導(dǎo)水率

圖4 不同土地利用方式下土壤各層次飽和導(dǎo)水率

2.2 飽和導(dǎo)水率與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

2.2.1 飽和導(dǎo)水率與土壤物理因子的關(guān)系 相關(guān)分析表明，土壤飽和導(dǎo)水率與各土壤物理因子之間有不同程度的相關(guān)性［13］，受土壤有效孔隙分布、容重、質(zhì)地以及有機(jī)質(zhì)含量等因素的影響［14］。受因子間相互影響的作用，簡(jiǎn)單的相關(guān)系數(shù)往往不能正確反映它們之間的關(guān)系。為了篩選出影響飽和導(dǎo)水率變化的相對(duì)重要的因子，以飽和導(dǎo)水率為因變量，選取土壤容重、初始含水率、干篩＜0.25mm砂粒含量、＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度等7個(gè)指標(biāo)作為預(yù)測(cè)變量，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行多項(xiàng)逐步回歸，擬合結(jié)果為:

式中:Y——飽和導(dǎo)水率（mm／min）；X1——非毛管孔隙度（%）；X2——容重（g／cm3）；X3——＞0.25 mm水穩(wěn)性顆粒含量（%）。df＝71，R2＝0.840，sig.＜0.001，表明方程達(dá)到顯著水平，該多元線性回歸結(jié)果表明非毛管孔隙度、土壤容重和＜0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是影響飽和導(dǎo)水率的主要因子。

非毛管孔隙又稱大孔隙，主要是土壤中直徑大于0.1mm的孔隙。回歸分析表明非毛管孔隙度是影響土壤飽和導(dǎo)水率最顯著的因素，二者成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.62。其原因在于，大孔隙是因土壤顆粒大、排列疏松而形成，其數(shù)量取決于土壤的結(jié)構(gòu)性。大孔隙經(jīng)常充滿空氣，僅在重力水大量存在時(shí)才有水分填充，不具有持水能力，一般而言，較多的大孔隙能使土壤通氣、透水。

土壤容重是單位體積自然狀態(tài)下土壤的干重。容重越小土壤結(jié)構(gòu)就越松，水分就可以更流暢地沿土壤層次延垂直方向向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)這種水分的垂直運(yùn)動(dòng)土壤起到的攔截作用減弱，從而提高了土壤水分入滲速率，也提高了土壤飽和導(dǎo)水速率。通過數(shù)據(jù)分析表明，土壤容重與飽和導(dǎo)水率成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0.532。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體是抗水力分散的土壤團(tuán)聚體，持水性能良好，水分不易通過，水穩(wěn)性團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的含量越高越容易持水，導(dǎo)致水分入滲速率降低，從而降低了土壤飽和導(dǎo)水率。通過數(shù)據(jù)分析表明，土壤容重與飽和導(dǎo)水率成顯著的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為－0.526。

通常情況下土壤的初始含水率越小，水分入滲的速率就越大，但是隨著時(shí)間的推移，其對(duì)最終達(dá)到穩(wěn)滲的速率影響不大，所以在對(duì)飽和導(dǎo)水率與初始含水率做相關(guān)分析時(shí)，不能得出顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤的初始含水率對(duì)入滲的過程有重要的影響。

一般來說，土壤質(zhì)地越粗，水分滲透特性越強(qiáng)。通過對(duì)研究地砂土、粉土、壤土的飽和導(dǎo)水率分析，可以看出不同土壤質(zhì)地的飽和導(dǎo)水率排序?yàn)?砂土＞粉土＞壤土。

2.2.2 飽和導(dǎo)水率與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系 土壤中形成的和外部加入的所有動(dòng)、植物殘?bào)w不同分解階段的各種產(chǎn)物和合成產(chǎn)物的總稱，是土壤固相部分的重要組成成分。對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率與有機(jī)質(zhì)做Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，飽和導(dǎo)水率的大小與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，分析可能的原因在于，一是有機(jī)質(zhì)的增加可以改善土壤的通氣透水性能，改變土壤的容重、孔隙度，使水分更易入滲；二是有機(jī)質(zhì)的增加可以改變土壤顆粒組成，通過有機(jī)大分子膠結(jié)土壤顆粒，使土壤大顆粒含量增加、顆粒間孔隙增大，使水分更易入滲，從而提高土壤飽和導(dǎo)水率，所以說土壤的有機(jī)質(zhì)含量通過影響飽和導(dǎo)水率的物理性質(zhì)而成為影響的根本動(dòng)力。

2.3 不同土地利用方式對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

由圖2可以看出，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因與土壤表層隨深度增加土壤的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了變化，隨土壤深度增加，土壤容重增加，土壤孔隙度減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降；分析圖3可知，林地的淺層土壤的飽和導(dǎo)水率最高，可能的原因是它有枯枝落葉層，枯落物為腐殖化過程提供了充足的物質(zhì)來源，有機(jī)質(zhì)含量多，使總團(tuán)聚體含量高，土壤變得松散，孔隙度增加，所以導(dǎo)水率最高。

不同土地利用方式土壤的飽和導(dǎo)水率、容重、非毛管孔隙度、＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)含量的平均值如表2所示。有機(jī)質(zhì)含量排序?yàn)?林地＞地?。巨r(nóng)地＞荒地，容重大小順序?yàn)?荒地＞地?。巨r(nóng)地＞林地，非毛管孔隙度排序?yàn)?林地＞農(nóng)地＞荒地＞地埂，小于0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量排序?yàn)?荒地＞農(nóng)地＞地?。玖值?，也可以很直觀地看出土壤物理化學(xué)性質(zhì)通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出的影響結(jié)果。

表2 不同土地利用方式土壤的飽和導(dǎo)水率及其影響因子

3 結(jié)論

（1）土壤飽和導(dǎo)水率隨深度增加而下降。各地類土壤飽和導(dǎo)水率大小表現(xiàn)為:林地＞地?。巨r(nóng)地；土壤飽和導(dǎo)水率與非毛管孔隙呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與＜0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤飽和導(dǎo)水率與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)可以改善土壤的通氣透水性能，改變土壤顆粒組成，有機(jī)質(zhì)含量還通過影響飽和導(dǎo)水率的物理性質(zhì)而成為影響的根本動(dòng)力。

（2）土壤飽和導(dǎo)水率是表征土壤通透性的一個(gè)綜合指標(biāo)，通過對(duì)晉西黃土丘陵區(qū)多級(jí)生物防護(hù)體系下不同土地利用方式土壤飽和導(dǎo)水率的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)，僅從這一指標(biāo)的幾個(gè)影響因子上來進(jìn)行改良應(yīng)因地制宜地進(jìn)行人工林的營(yíng)建。一級(jí)防護(hù)中的林地營(yíng)建應(yīng)該加強(qiáng)，而二級(jí)防護(hù)的坡耕地應(yīng)增加地埂植物籬的防護(hù)，三級(jí)防護(hù)中選擇溝底平坦肥沃的土地種植農(nóng)田，為減少荒地可選擇栽植人工灌木林或播撒草籽。不同的生物防護(hù)級(jí)別通過對(duì)植被分布配置的改變使土壤物理化學(xué)性質(zhì)得以改良。

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