鄱陽湖濱不同植被類型沙地土壤有效持水能力研究

李鳳英, 張 露, 何小武, 羅秋月

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院, 南昌 330045;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 南昌 330045; 3.天能電池集團(tuán)有限公司, 浙江 湖州 313100)

我國是世界上土地沙化最為嚴(yán)重的國家之一。據(jù)國家林業(yè)局第五次監(jiān)測結(jié)果[1]，全國沙化土地面積約172.12萬km2，占國土面積的17.93%，其中新疆、青海、西藏、內(nèi)蒙古和甘肅省五省沙化土地面積占全國的93.95%。目前江西全省沙地面積約7.25萬hm2，其中鄱陽湖濱沙地約占全省沙化面積的40.3%。土地的沙化嚴(yán)重影響人民的生存與生活質(zhì)量，也影響國家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。我國人民為此開展了沙地生態(tài)恢復(fù)治理等工作，并取得了卓越成效。在2009—2014年，沙地面積年均減少19.8萬hm2[1]。水是植被生長的主要生態(tài)因子之一，土壤持水能力一直是生態(tài)植被恢復(fù)研究中的重要課題，得到國內(nèi)外廣大學(xué)者的高度關(guān)注和研究，也獲得了豐碩成果[2-13]。在計算土壤持水能力時，研究者通過試驗(yàn)實(shí)測獲得土壤持水能力所需相關(guān)參數(shù)[2-7]，也有通過土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)(Pedo-transfer Functions，PTFs)間接估算獲得[8-13]。其中由于PTFs方法簡單，已經(jīng)被越來越多的中外專家學(xué)者所應(yīng)用。

鄱陽湖濱沙地是我國南方較為典型的沙地，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，不同于西北干旱、半干旱地區(qū)的氣候特征，其治理方式有明顯差別。鄱陽湖濱沙地治理的工作開展較早，主要以生態(tài)恢復(fù)為主，也取得了較好成效。其相關(guān)研究主要集中在沙地土壤養(yǎng)分、植物多樣性、治理效果等方面[14-19]，對土壤含水量動態(tài)變化規(guī)律的研究則相對較少[19]，對沙地土壤持水能力則了解甚少。本研究以鄱陽湖濱沙地土壤為研究對象，應(yīng)用PTFs方法，研究生態(tài)植被恢復(fù)后不同植被類型的沙地土壤有效持水量，一方面篩選出適合鄱陽湖濱沙地土壤的PTFs模型，另一方面比較不同植被恢復(fù)類型對沙地土壤有效持水能力的影響，為該區(qū)的沙地治理提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于江西省北部、鄱陽湖濱的廬山市，屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，日照充足，年均溫度18℃，年降水量1 437.1 mm，集中在3—8月。廬山市沙化土地主要分布在鄱陽湖濱岸帶，全市現(xiàn)有沙化土地2 213.3 hm2，其中固定沙地占77.84%，多為人工固定沙地。試驗(yàn)地點(diǎn)位于該市的星子鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)29°20′N，116°00′E，屬于該市沙化土地造林區(qū)，為溝谷流水作用下形成的次生堆積沙地[20]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及取樣測定

本研究設(shè)計的總體思路是選取2001年種植的濕地松(Pinuselliotii)、刺槐(Robiniapseucdoacacia)和蔓荊子(Fructusviticis)3種植被類型和自然恢復(fù)的荒草地4個典型區(qū)域設(shè)置觀察樣地，首先測定土壤田間持水量，與選定的4種TPFs模型的估算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，從中篩選適合研究區(qū)的TPFs模型；然后利用篩選出的TPFs模型估算土壤凋萎系數(shù)，并結(jié)合測定的田間持水量計算土壤有效持水量；最后根據(jù)有效持水量計算結(jié)果進(jìn)行比較分析。具體的取樣測定方法如下。

選擇4種植被類型的樣地各3塊，在每塊樣地內(nèi)布設(shè)3個20 m×20 m的樣方，在每個樣方中按對角線挖掘3個1 m×1 m×1 m的土壤剖面，按土層深度20 cm的間隔分為5個層次，各層按四分法取一個混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室。同時，在各個土壤剖面分層用環(huán)刀取樣，采用環(huán)刀法測定土壤容重和田間持水量[3]。

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，一部分過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化還原滴定—外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)；另一部分用干篩法做土壤機(jī)械組成分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)按照0—20 cm(表層)，20—40 cm(中上層)和40—100 cm(下層)進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中40—100 cm的數(shù)值按土壤剖面下面3個層次的平均值算。

用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，用最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的均值，應(yīng)用Excel 2003進(jìn)行繪圖。

1.4 土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)模型

本研究選擇4個PTFs模型預(yù)測土壤0—100 cm的田間持水量，與實(shí)際測定值進(jìn)行比較，從中篩選適合鄱陽湖濱沙地土壤的估算模型，然后應(yīng)用篩選出的模型估算0—100 cm土層凋萎系數(shù)，并據(jù)此計算土壤有效持水量。

(1) Rawls等[21]利用美國32個州2 541個土層數(shù)據(jù)多元線性回歸得出的方程(Rawls模型)：

θf=0.2576-0.0020Ps+0.0036Pc+0.0299Pom

(1)

θw=0.0260+0.0050Pc+0.0158Pom

(2)

式中：θf為土壤田間持水量；Ps為土壤沙粒含量；Pc為土壤黏粒含量：Pom為土壤有機(jī)質(zhì)含量；θw為土壤凋萎系數(shù)。

(2) Saxton等[22]在Rawls模型基礎(chǔ)上去掉有機(jī)質(zhì)參數(shù)后改進(jìn)的方程(Saxton模型)：

(3)

(4)

(5)

式中：θ為土壤含水量；φ為土壤水勢。其中，當(dāng)φ=33 kPa和φ=1 500 kPa時計算得出的土壤含水量分別代表土壤田間持水量θf和凋萎系數(shù)θw。

(3) Batjes[8]利用全世界范圍大約3 000個土壤剖面15 000多個土層數(shù)據(jù)回歸得出的方程(Batjes模型)：

θf=0.4600Pc+0.3045Ps+2.0703Pom

(6)

θw=0.3624Pc+0.1170Ps+1.6054Pom

(7)

(4) Minasny和Hartemink[23]提出的適合熱帶地區(qū)估算的簡易模型(Minasny模型)：

θf=56.5-7.49D-0.34Ps

(8)

(9)

式中：D為土壤容重。

1.5 模型驗(yàn)證方法

統(tǒng)計分析通常用于模型的驗(yàn)證。本研究采用平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)檢驗(yàn)PTFs模型在鄱陽湖沙地的適用性[9,24]。

(10)

(11)

式中：Mi為第i個田間持水量觀測值；Ei為第i個田間持水量估算值；N為觀測值個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤田間持水量估算檢驗(yàn)

采用4個TPFs模型進(jìn)行模擬后與觀測值比較的結(jié)果見表1。通過采樣觀測到的不同植被類型0—100 cm土層的田間持水量平均為16.51%，變異系數(shù)為0.211 7，屬于中等程度變異，而4個模型估算值的變異程度均為弱變異性。從4個模型估算的平均誤差檢驗(yàn)結(jié)果看，Rawls模型和Batjes模型的ME值為正，表明兩者低估了實(shí)測值；Saxton模型和Minasny模型則正好相反，它們高估了實(shí)測值。從ME的絕對值看，Rawls模型的值最小，說明該模型最接近實(shí)測值。從均方根誤差檢驗(yàn)結(jié)果看，Rawls模型的最小，其后依次是Batjes模型、Minasny模型和Saxton模型。

表1 4個PTFs田間持水量估算的誤差分析

4個模型的建立方式可以用來解釋檢驗(yàn)結(jié)果。Rawls模型采用了美國各州2 500多個土層數(shù)據(jù)，通過多元線性回歸建立了土壤水分含量與土壤粒徑及土壤有機(jī)質(zhì)和容重之間的線性分段函數(shù)模型，體現(xiàn)了土壤水分含量與這些指標(biāo)之間的統(tǒng)計關(guān)系。這些數(shù)據(jù)中，其沙粒、粉粒和黏粒含量范圍分別是0.1%～99%，0.1%～93%和0.1%～94%，有機(jī)質(zhì)含量范圍是0.1%～12.5%，土壤容重范圍是0.1%～2.09%?？梢钥闯鯮awls模型數(shù)據(jù)涵蓋了各種質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量的農(nóng)業(yè)土壤。Saxton的研究則從土壤水分傳導(dǎo)性角度出發(fā)，在Rawls模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，剔除了有機(jī)質(zhì)對土壤水分的影響，建立了土壤水分與土壤粒徑之間的連續(xù)非線性函數(shù)模型。顯然，沙地土壤中有機(jī)質(zhì)含量對土壤水分的影響不可忽略。Batjes收集了世界范圍內(nèi)15 813個土層數(shù)據(jù)用于模型建立。盡管數(shù)據(jù)量很大，但在應(yīng)用時為了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，尤其是當(dāng)沙粒、粉?；蝠ち：啃∮?%及有機(jī)碳含量小于0.1%時被當(dāng)作了異常值處理。這使得Batjes模型在應(yīng)用范圍得到一定的限制。Minasny和Hartemink提出的則是更適合黏粒含量及土壤容重更高、陽離子代換量及有效水分含量更低的熱帶地區(qū)的建議模型。由這些建模方法可以看出，Rawls模型相比其余3種模型具有更廣泛的應(yīng)用范圍。這與估算檢驗(yàn)的結(jié)果是一致的。隨后的土壤有效水分估算中，將采用Rawls模型進(jìn)行計算。

2.2 田間持水量與凋萎系數(shù)

依據(jù)田間持水量觀測值及應(yīng)用Rawls模型對不同植被類型100 cm土層以內(nèi)凋萎系數(shù)的估算結(jié)果，繪制數(shù)據(jù)圖分別見圖1和圖2。

注：不同字母表示同一土層不同植被類型間田間持水量差異顯著(p<0.05)。

圖1不同植被類型土壤田間持水量

注：不同字母表示同一土層不同植被類型間凋萎系數(shù)差異顯著(p<0.05)。

圖2不同植被類型土壤凋萎系數(shù)

由圖1可知，無論哪個土層，3種人工植被類型樣地的田間持水量均遠(yuǎn)大于荒草地，且達(dá)到顯著差異(p<0.05)。其中，濕地松樣地最大，其次是蔓荊子和刺槐。在0—20 cm范圍，濕地松樣地的田間持水量與蔓荊子和刺槐達(dá)到顯著差異(p<0.05)；在20—40 cm范圍，三者互相達(dá)到顯著差異(p<0.05)；在40—100 cm范圍，濕地松與蔓荊子差異不顯著，二者與刺槐差異顯著(p<0.05)。盡管刺槐的有機(jī)質(zhì)含量均大于濕地松和蔓荊子，但由于前者的黏粒含量小于后二者，導(dǎo)致了其田間持水量小于后二者。這也說明黏粒含量對田間持水量的影響大于有機(jī)質(zhì)。隨著土層的加深，4個樣地的田間持水量均隨之減小。其中，濕地松和蔓荊子樣地在40 cm范圍內(nèi)減小幅度較小，在40—100 cm范圍內(nèi)減小幅度較大；刺槐和荒草地則是在40 cm范圍內(nèi)變化較大，在40—100 cm范圍內(nèi)變化更小。

在凋萎系數(shù)方面，3個土層的刺槐樣地要顯著大于其余3個樣地(p<0.05)(圖2)。在0—20 cm土層中，濕地松的凋萎系數(shù)略高于蔓荊子但不顯著，卻顯著高于荒草地；蔓荊子則略高于荒草地但不顯著。在20—40 cm土層，濕地松顯著高于蔓荊子和荒草地(p<0.05)，后二者差異不明顯。在40—100 cm土層，濕地松、蔓荊子和荒草地差異均不顯著。隨著土層的加深，4個樣地的凋萎系數(shù)均呈下降趨勢，這是因?yàn)殡S著土層加深，黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量均呈下降趨勢。

2.3 土壤有效持水量

土壤有效持水量是田間持水量與凋萎系數(shù)的差值。由于不同土層間的田間持水量與凋萎系數(shù)均不相同，所以有效持水量也不相等。本研究計算了不同土層范圍內(nèi)1 hm2面積的土壤有效持水量，結(jié)果如圖3所示。在0—20 cm土層中，土壤有效持水量由大到小依次為濕地松、蔓荊子、刺槐和荒草地，且均在0.05水平達(dá)到顯著差異；在20—40 cm土層和40—100 cm土層中，濕地松略大于蔓荊子但不顯著，二者在0.05水平顯著高于刺槐，而刺槐在0.05水平顯著高于荒草地。在整個1 m土層的土體中，4個樣地的有效持水量均在0.05水平達(dá)到顯著差異，其大小順序依次為濕地松>蔓荊子>刺槐>荒草地。

注：不同小寫字母表示同一土層內(nèi)不同植被類型間有效持水量差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示0—100 cm范圍土層內(nèi)不同植被類型間有效持水量差異顯著(p<0.05) 。

圖3不同植被類型的土壤有效持水量

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的篩選

土壤水分特征是植被恢復(fù)、土壤生態(tài)等各領(lǐng)域研究過程中經(jīng)常涉及的內(nèi)容[8]。土壤水分特征可以通過直接測定相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，也可以通過模型估算相關(guān)指標(biāo)來研究。田間或?qū)嶒?yàn)室測定雖然具有直接測定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，但也往往費(fèi)時、費(fèi)力、成本高[25-27]。為了彌補(bǔ)這種不足，眾多學(xué)者嘗試通過建立各項(xiàng)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系以簡化相關(guān)參數(shù)的獲得。土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)(PTFs)即是其中的一種。它是利用易獲得的土壤粒徑組成、有機(jī)質(zhì)和容重等參數(shù)對其他指標(biāo)進(jìn)行估算的有效方法。由于PTFs模型的建立需要大量數(shù)據(jù)，因而往往是大區(qū)域尺度范圍建立的定量模型，當(dāng)應(yīng)用到小范圍的定量估算時需要對其適用性進(jìn)行判定。本研究采用地統(tǒng)計方法進(jìn)行模型驗(yàn)JP3證來評價模型對研究區(qū)的適宜程度。檢驗(yàn)的結(jié)果顯示所選Rawls模型的ME(0.005 8)和RMSE(0.001 0)值均非常低，說明Rawls模型估算值接近于實(shí)測值，在一定程度上是適用于本研究范圍的。

用于估算土壤有效持水量的PTFs模型有很多，本研究從中挑選可能適用的4個進(jìn)行對比分析，最終篩選最合適的一個。由結(jié)果及分析中可以發(fā)現(xiàn)，Rawls模型之所以適用有兩方面原因，第一是模型建立時采取的數(shù)據(jù)量大，第二，也是最關(guān)鍵因素，就是相關(guān)參數(shù)如黏粒、沙粒等含量范圍值大，涵蓋了本研究粒徑含量范圍。其他模型建立雖然也有大數(shù)據(jù)量，但參數(shù)涵蓋范圍相對較小，與本研究數(shù)據(jù)范圍重疊較少，因而適用性偏差。通過本研究可知，PTFs是一種簡單、有效且快速計算土壤水分特性的方法，值得推廣使用；在選擇PTFs模型時，應(yīng)盡量選擇建模數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)范圍盡量覆蓋相應(yīng)研究的模型。

3.2 田間持水量和凋萎系數(shù)

田間持水量是土壤毛管懸著水達(dá)到最大時的土壤含水量，亦即為飽和土壤在排除重力水后所能保持的最大含水量，是評價土壤涵養(yǎng)水分能力的一個重要指標(biāo)[2,27]。其與土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒含量等呈正相關(guān)關(guān)系，與沙粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[2,8-9,21]。本研究野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，刺槐林下植物物種多樣性及生物量均比濕地松更加豐富，實(shí)測土壤有機(jī)質(zhì)含量也較濕地松高。但由于刺槐林樣地的黏粒含量遠(yuǎn)低于濕地松林地，導(dǎo)致濕地松林地土壤田間持水量大于刺槐林地，體現(xiàn)出前者比后者有更好的土壤水分條件。如果刺槐與濕地松立地條件一致，則刺槐林土壤將會因?yàn)楹懈嘤袡C(jī)質(zhì)而擁有更高的涵養(yǎng)水源能力。3種人工植被土壤的田間持水量均高于荒草地，說明南方湖濱沙地通過人工恢復(fù)植被，可以較快提高土壤涵養(yǎng)水分能力，恢復(fù)土壤儲水功能。

凋萎系數(shù)是使植物發(fā)生永久萎蔫時的最大土壤含水量。在Rawls模型[21]中，凋萎系數(shù)與土壤黏粒含量的0.005倍呈線性正相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)的0.015 8倍呈線性正相關(guān)。這說明有機(jī)質(zhì)含量對凋萎系數(shù)的影響要大于黏粒含量影響。因此，盡管刺槐林地土壤黏粒含量低于濕地松和蔓荊子，但有機(jī)質(zhì)含量高于后二者，導(dǎo)致前者的凋萎系數(shù)顯著高于后二者。從凋萎系數(shù)值體現(xiàn)出3種植物的耐旱性依次是蔓荊子>濕地松>刺槐，這也說明了蔓荊子是更適合亞熱帶沙地土壤的耐旱植物[17]。

3.3 不同植被類型土壤有效持水量

土壤的有效持水量是田間持水量與凋萎系數(shù)的函數(shù)，體現(xiàn)土壤能夠提供給植物生長的有效水量程度。一般認(rèn)為，土壤黏粒含量越低，土壤能夠提供的有效水量越少。對沙地土壤而言，黏粒含量低，土壤膠結(jié)能力差，保水蓄水能力也就相對有限。通過生態(tài)植被的恢復(fù)，可以有效提高土壤的有效持水量，滿足植物生長需求。在本研究中，3種植被恢復(fù)類型的土壤有效持水量均比荒草地高，說明人工生態(tài)恢復(fù)的效果，明顯高于荒草地，更有利于沙地土壤水分的改善，最終有利于生態(tài)環(huán)境的改善。從3種人工植被類型對田間持水量、凋萎系數(shù)及土壤有效持水量的綜合影響及其本身的生理學(xué)特性等可知，蔓荊子和濕地松更有利于作為先鋒物種，種植于更加干旱的沙地土壤中；針對濕地松水分保持能力較好以及刺槐耐旱性較差的特點(diǎn)，二者可以結(jié)合營造混交林。

通過以上分析與討論，可以初步得到以下主要結(jié)論：

(1) Rawls模型適合鄱陽湖濱沙地土壤水分特征的估算分析，其檢驗(yàn)的ME和RMSE值分別為0.005 8，0.001 0。

(2) 不同植被類型100 cm土層土壤的有效持水量大小依次為濕地松>蔓荊子>刺槐>荒草地。