普洱茶種植對滇南紅壤大孔隙的影響①

楊 坤，趙洋毅,2*，王克勤,2，段 旭,2，韓姣姣，李耀龍

普洱茶種植對滇南紅壤大孔隙的影響①

楊 坤1，趙洋毅1,2*，王克勤1,2，段 旭1,2，韓姣姣1，李耀龍1

(1 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224；2 國家林業(yè)與草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，昆明 650224)

為探討滇南典型紅壤下普洱茶種植對土壤大孔隙的影響，以灌草地和茶地為研究對象，采用染色示蹤法觀察土壤剖面，運(yùn)用Photoshop CS 5、Image pro Plus 6.0軟件進(jìn)行圖像處理，利用土壤水分穿透曲線和Poiseulle方程研究了該地區(qū)的大孔隙特征。結(jié)果表明：茶地在耕作層大面積染色中，染色深度可達(dá)土層40 cm深度，灌草地于土層2.8 cm深度開始出現(xiàn)大孔隙流，灌草地比茶地更易發(fā)生大孔隙流；樣地大孔隙主要集中在當(dāng)量孔徑0.4 ~ 2.5 mm，其中茶地和灌草地當(dāng)量孔徑0.4 ~ 1.0 mm大孔隙密度分別占95.2% 和95.5%，當(dāng)量孔徑>1 mm的大孔隙密度較低，且灌草地大于茶地；大孔隙密度分布為10 ~ 20 cm土層最高，隨著土層深度增加依次遞減，整體上土壤大孔隙密度關(guān)系為灌草地>茶地；土壤大孔隙不同當(dāng)量孔徑密度和染色面積比與土壤飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)顯著性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)量孔徑>1 mm的大孔隙僅占4.61%，但控制了飽和導(dǎo)水率90.8% 的變異。茶地相較于灌草地土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，水分向下運(yùn)移速率慢，滲透量減小，致使水土流失加重。

土壤大孔隙；染色示蹤法；茶種植；飽和導(dǎo)水率；滇南

土壤中存在的大孔隙僅占土壤體積的極小部分，其數(shù)量的多少及分布特征對土壤水分及溶質(zhì)的運(yùn)移產(chǎn)生重要的影響[1-2]。大孔隙的存在能夠使地表徑流較快地進(jìn)入土壤中形成壤中流，土壤水分及溶質(zhì)繞過土壤基質(zhì)，快速到達(dá)土壤深層，形成大孔隙流[3]，從而促進(jìn)水資源的交換及補(bǔ)給，在一定程度上降低水土流失的風(fēng)險[4]。此外，土壤大孔隙的形成受人為因素影響顯著[5]，農(nóng)地和果園地等人為干擾強(qiáng)烈的土地中，在降雨、灌溉和施肥等條件下，大孔隙變化將影響氮、磷溶質(zhì)及土壤中養(yǎng)分物質(zhì)進(jìn)入到地下的速度，易造成水資源的污染及土壤侵蝕的加劇，進(jìn)而影響區(qū)域用水安全[6-8]。土壤大孔隙作為土壤的重要參數(shù)，具有重要的生態(tài)水文效應(yīng)[9]。

國內(nèi)外土壤大孔隙研究多集中于森林土壤大孔隙形成機(jī)理[9-11]、大孔隙對土壤水分及溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律[6,8,12]、大孔隙研究方法[13-15]等方面，并已取得豐碩的研究成果。Thomas和Phillips[16]及Beven和Germann[17]主要對土壤大孔隙成因進(jìn)行了研究，并將半徑為0.03 ~ 3 mm的孔隙被定義為大孔隙。對于森林土壤大孔隙而言，土壤經(jīng)過植物根系生長、死亡腐爛、土壤中動物的活動等過程后形成的大孔隙是普遍存在的現(xiàn)象[18]。國內(nèi)學(xué)者陸斌[19]研究不同林分下的土壤大孔隙特征，指出根系腐爛有助于團(tuán)聚體的形成，對新根生長延伸提供有效的通道。雖然土壤中大孔隙數(shù)量很少，但對傳導(dǎo)水流有著重要作用，可明顯地增加入滲，減少地表徑流[9,20-21]。劉目興等[12]研究發(fā)現(xiàn)森林土壤大孔隙僅占土壤體積0.15% ~ 4.72%，當(dāng)量孔徑>1 mm的大孔隙僅占大孔隙總數(shù)量的1.26% ~ 8.55%，但決定了飽和導(dǎo)水率84.7% 的變異?？梢?，土壤大孔隙是山地土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移的主要路徑。Reichen-berger等[6]研究表明，由于目前土壤大孔隙的存在導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌水用量和施肥量的增加，縮短了污染物在土壤中停留降解的時間，進(jìn)而增大地下水受污染的風(fēng)險。當(dāng)前，研究土壤大孔隙方法主要有染色法、切片法、穿透曲線法、X射線CT掃描攝像法、張力入滲儀法和地透雷達(dá)探測法等[13]。CT掃描法不利于快速反映原始特征，應(yīng)用尺度小，難以應(yīng)用于野外原位測試且費用昂貴。染色法能將大孔隙的路徑清晰地呈現(xiàn)在原狀土壤剖面上，非常適用于野外試驗，因此染色法是研究大孔隙較為普遍的方法之一[15,22-25]。

云南南部是茶樹原產(chǎn)地中心，茶園是該地區(qū)比較典型的種植方式。近年來隨著茶葉價格的增長，農(nóng)民大面積開墾荒山荒坡，廣泛種植茶樹，雖給當(dāng)?shù)貛砹丝捎^的收入，但茶農(nóng)缺乏水土保持觀念，保護(hù)水土資源意識薄弱，且茶園處于多山地區(qū)，雨季歷時長且相對集中，茶園順坡耕種、清耕作業(yè)、大量施肥等活動造成了當(dāng)?shù)厮亮魇Ъ觿『退Y源污染[26-27]。另外，新建茶園缺乏完善的管理維護(hù)措施，大部分處于裸露狀態(tài)，土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，水土流失風(fēng)險更大[3]。大孔隙結(jié)構(gòu)是影響水土流失的重要因素，大孔隙占總孔隙數(shù)量少，但對水的下滲能力影響大，孔徑越大、數(shù)量越多對徑流的形成影響就越大，相應(yīng)地對土壤侵蝕影響也越大[23,25,28]。目前，還未有對普洱茶樹種植影響土壤大孔隙研究的相關(guān)報道。因此，本研究選取滇南地區(qū)典型茶園為研究對象，以原狀的灌草地為對照，探討在灌草地開墾種植茶樹后對土壤大孔隙特征及水分滲透性的影響，以期為土壤改良以及水土流失防治提供一定的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省普洱市思茅區(qū)踏青河源頭小流域，小流域經(jīng)緯跨度為22°29′ ~ 22°43′ N，101°10′ ~ 101°26′ E，海拔800 ~ 1 964 m。該區(qū)屬南亞熱帶高原性季風(fēng)氣候，全年溫暖，垂直氣候分布明顯，年降水充沛，但年中分配不均，雨季、旱季界線分明；平均氣溫18.2℃，最冷月1月平均氣溫10.5℃，最熱月6月平均氣溫21.7℃；光熱資源豐富，年平均日照2 125.1 h，日照率為48%；年均降雨量1 524.4 mm，雨季集中在6—10月，占全年降雨量的92.4% 以上。流域土壤類型為山地紅壤，主要生長喬灌木，喬木占大部分。植被均以云南松()、思茅松(())、大葉藤黃()、大芒萁()、藿香薊(L)、齒果酸模(L)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及染色試驗 在研究區(qū)內(nèi)的茶園地布設(shè)固定試驗樣地3塊，樣地大小為15 m × 15 m，同時在附近灌草地選取地形、土壤條件等相同的地段，布設(shè)3塊10 m × 10 m的固定樣地為對照，樣地基本概況見表1。

2017年9—10月，在選定的樣地上除去地表的植物層和枯枝落葉層，平整土壤表面，在確保試驗前1 d無降雨的情況下，以亮藍(lán)粉末作為示蹤劑，進(jìn)行染色試驗。首先，將長、寬、高依次為70、70、50 cm，厚0.5 cm的鐵框埋入土中30 cm，并搗實距鐵框內(nèi)壁5 cm的土層，以防染料沿鐵框內(nèi)壁下滲，然后用濃度為4 g/L的亮藍(lán)溶液12 L，均勻噴灑于框內(nèi)的土壤表面，蓋上塑料薄膜。24 h之后，以10 cm厚為一層相應(yīng)地挖掘5個垂直剖面，然后用1 200萬像素的相機(jī)進(jìn)行拍攝。在每層土壤剖面內(nèi)，用環(huán)刀(高5.2 cm、直徑7 cm)采集原狀土壤，并收集擾動土，經(jīng)風(fēng)干處理過篩后測定物理指標(biāo)(表1)。

表1 研究區(qū)樣地概況及土壤理化性質(zhì)

1.2.2 土壤性質(zhì)及水分穿透曲線測定 土壤容重測定采用環(huán)刀法；土壤含水量測定采用烘干法；土壤機(jī)械組成測定采用馬爾文3000激光粒度儀法；土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法；土壤飽和導(dǎo)水率測定采用定水頭環(huán)刀法[29]。

將原狀土樣帶回實驗室測定水分穿透曲線。首先，將采集的原狀土壤樣品置于水中浸泡12 h以充分飽和，然后放置于粗砂上放置12 h，使其達(dá)到田間持水量，并在環(huán)刀上邊緣與土壤樣品接觸的部分涂上凡士林，以保證水分不能通過土壤與環(huán)刀壁之間的孔隙直接流出。其次，在土柱上部放置一張濾紙，以防止水分沖刷破壞表層土壤結(jié)構(gòu)。土柱下部過濾板的出流孔密度為5個/cm2。用馬氏瓶控制水頭5 cm，從加水開始計時，當(dāng)土柱下部有水流出時，每隔5 s收集出流水量，測定其體積，直到水流通量達(dá)到穩(wěn)定為止。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 1)染色圖像處理。利用Photoshop CS5軟件將拍攝的照片進(jìn)行樣式編輯及大小調(diào)整，通過調(diào)整灰度、對比度、顏色替換及降噪處理，將染色區(qū)域調(diào)整為黑色或灰色、未染色區(qū)域調(diào)整為白色，調(diào)整閾值后獲得水平和垂直剖面的染色圖像，然后用Imagepro plus 6軟件將染色圖像數(shù)值化，準(zhǔn)確計算垂直剖面每1 cm染色區(qū)域的面積比例。

2)土壤大孔隙數(shù)量計算。由于土壤水分運(yùn)動的速率較慢，處于層流的范圍，因而假設(shè)土壤孔隙為圓形，利用Poiseulle方程建立流量和孔徑之間的關(guān)系[30]，再結(jié)合公式(1)~ (4)計算大孔隙的數(shù)量()。

式中：為單位流量(cm3/s)；為孔隙面積(cm2)；為流速(cm/s)；為當(dāng)量孔徑(cm)；為水流實際路徑的彎曲系數(shù)，本研究取1.2；為土柱長度(cm)；為水的黏滯系數(shù)(g/(cm·s))；Δ為壓力水頭(cm)；為首次加水開始記時的時間()。對任意時間水分出流流量進(jìn)行觀測，利用式(1) ~ (3)計算出相應(yīng)的孔隙半徑(即當(dāng)量孔徑)。將兩孔隙孔徑之間按照一定間隔劃分出一個孔隙范圍，以其平均值作為計算值，當(dāng)間隔排水量為e時，計算相應(yīng)大孔隙數(shù)量()，如公式(4)。另外，根據(jù)水流穩(wěn)定后的流量計算飽和導(dǎo)水率(s)，并統(tǒng)一換算為10℃的飽和導(dǎo)水率(10)。

2 結(jié)果與分析

2.1 普洱茶種植對土壤染色發(fā)生區(qū)域及其分布的影響

通過野外染色示蹤試驗得到灌草地和茶地各土壤垂直剖面染色照片(圖像中黑色區(qū)域為土壤水分運(yùn)移經(jīng)過的地方)，結(jié)合軟件Photoshop CS 5和Image pro Plus 6.0軟件處理得到大孔隙流的垂直分布圖像，本文選取典型剖面圖展示(以圖1A為例分析，圖1B和1C為重復(fù))。通過茶地垂直剖面染色圖像可以看出，茶地的耕作層(15 cm)以上被亮藍(lán)溶液大面積染色，耕作層以下(水平距離15 ~ 40 cm)出現(xiàn)較為狹長的染色區(qū)域。在耕作層，人為耕作措施打破了大孔隙的垂直連通性，增加了水平空間水分運(yùn)移。耕作層的大面積染色表明是基質(zhì)流主導(dǎo)。處于耕作層以下的大孔隙未被破壞，水分運(yùn)移時加速了亮藍(lán)的垂直運(yùn)動，但由于該層大孔隙分布的不均勻性，導(dǎo)致染色區(qū)域也呈不規(guī)則性分布。

相對于茶地，灌草地沒有明顯的耕作區(qū)，大孔隙流分布從表層土壤延伸到底層。土壤表層0 ~ 2.8 cm染色均勻，表明是基質(zhì)流主導(dǎo)；2.8 cm深度以下，亮藍(lán)溶液沿著大孔隙快速流動，由于土體的低滲透性，亮藍(lán)溶液從大孔隙流進(jìn)入基質(zhì)流的側(cè)向流動速率較緩慢，因此土壤染色剖面上出現(xiàn)了狹長的染色區(qū)域。

通過垂直剖面的染色圖像可以看出(圖1A)，茶地染料溶液在還沒有到達(dá)土壤基質(zhì)時就優(yōu)先通過這些大孔隙向土壤深處運(yùn)移，因此有大孔隙的存在水流入滲比較快，在相同時間內(nèi)抵達(dá)土層更深處。在大孔隙流路徑中，最深的一條達(dá)到40 cm土層深度，而相同時間內(nèi)，亮藍(lán)溶液在沒有大孔隙的土壤基質(zhì)中僅運(yùn)移至土層3.4 ~ 8.4 cm深度；而灌草地的大孔隙流運(yùn)動深度可達(dá)33 cm，此時基質(zhì)流僅運(yùn)移至3 cm深度。由此可以看出，大孔隙流的存在將水分在土壤中的運(yùn)移速度至少增加了2倍 ~ 3倍。灌草地的大孔隙流和基質(zhì)流發(fā)生明顯，在2.8 cm深度開始出現(xiàn)分支，在6 cm深度有很多分支出現(xiàn)；而茶地的大孔隙流發(fā)生區(qū)則相對集中，基質(zhì)流均勻分布于0 ~ 10 cm土層，在10 cm土層以下開始出現(xiàn)大孔隙流，說明灌草地相對于茶地更易于大孔隙流的發(fā)生，茶地的表層土壤不利于大孔隙的形成，阻礙了大孔隙流的下滲深度。茶地和灌草地染色深度集中于0 ~ 20 cm土層，染色寬度相差不大，是因為灌草地上部分土壤是經(jīng)過人為堆積而形成的。在土壤層6 cm深度以下灌草地剖面大孔隙路徑非常明顯，而茶地在土壤層15 cm深度以下的大孔隙路徑較明顯，說明茶地的耕作措施在一定程度上破壞了大孔隙的垂直連續(xù)性，增加了水分的橫向運(yùn)移通量，增大了水分水平方向上的運(yùn)動范圍。

2.2 普洱茶種植對土壤大孔隙的影響

2.2.1 不同當(dāng)量孔徑的大孔隙密度 利用水分穿透曲線計算樣地土壤大孔隙狀況(表2)，結(jié)果顯示，研究區(qū)灌草地和茶地土壤大孔隙的當(dāng)量孔徑范圍為0.4 ~ 2.5 mm，其中最小當(dāng)量孔徑0.4 mm大于水分自由通過孔隙直徑的最小值下限(>0.3 mm)，此時大孔隙內(nèi)主要以重力水為主，是降雨或灌溉后水流迅速抵達(dá)土壤深層的主要路徑[31]。

圖1 土壤垂直染色剖面

大孔隙密度是土壤單位斷面積上的平均大孔隙數(shù)量。研究區(qū)0 ~ 50 cm土層土壤大孔隙密度在1 609 ~ 30 250個/m2，平均14 026.8個/m2，其中茶地40 ~ 50 cm土層最小，灌草地10 ~ 20 cm土層最大。茶地和灌草地同一土層大孔隙密度為灌草地>茶地。兩樣地內(nèi)土壤當(dāng)量孔徑0.4 ~ 1.0 mm的大孔隙密度最大，占大孔隙總數(shù)量的95.2% 和95.5%，而當(dāng)量孔徑>1.0 mm的孔隙數(shù)量僅占大孔隙總數(shù)量的4.8% 和4.48%。

兩樣地土壤大孔隙數(shù)量在10 ~ 20 cm土層最多，隨著土壤深度的增加大孔隙數(shù)量逐步減小。其中，灌草地30 ~ 40 cm土層當(dāng)量孔徑>2.0 mm的大孔隙密度隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，這可能是因該層剖面有大量螞蟻活動導(dǎo)致，螞蟻活動有利于較高范圍孔隙半徑的大孔隙形成。樣地表層(0 ~ 30 cm)土壤中，當(dāng)量孔徑為2.0 ~ 2.5 mm的平均大孔隙密度為36個/m2，而底層為18個/m2。該級別孔徑土壤大孔隙的形成可能與植物根系和土壤螞蟻活動有關(guān)。灌草地平均大孔隙密度為17 225.4個/m2，是茶地的1.5倍。人為的耕作打斷了洞穴、根孔，破壞了土壤表層結(jié)構(gòu)，減少了大孔隙密度。各樣地土壤層總體表現(xiàn)為較大孔徑孔隙密度較小，反之密度越大(表2)。采用Duncan多重比較對不同樣地不同土層深度中各當(dāng)量孔徑的大孔隙密度及一定深度不同樣地大孔隙數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，土壤大孔隙數(shù)量隨土壤深度變化的差異整體上不顯著,僅在土壤深度為10 ~ 20 cm時當(dāng)量孔徑變化量大(<0.05)(表3)。

表2 不同當(dāng)量孔徑的大孔隙密度

表3 大孔隙數(shù)量隨土壤深度變化的差異顯著性

注：同列不同小寫字母表示不同土層間差異達(dá)到顯著水平(<0.05)。

2.2.2 染色面積比 灌草地土體5個垂直剖面染色面積比率隨深度變化規(guī)律如圖2所示，隨著土層深度的增加，土體染色面積整體呈現(xiàn)減小趨勢，表層0 ~ 2 cm內(nèi)，剖面2-1 ~ 2-4都能達(dá)到65% 以上，只有剖面2-5為36% 左右，但是剖面2-5較剖面2-1 ~ 2-4染色面積比率下降較慢，變化幅度較小，剖面中染色最深可達(dá)39 cm，于36 ~ 39 cm深度染色變化趨近于0-5個染色剖面平均染色面積每1 cm占20.3%，在1 cm處各層染色面積差異最大，標(biāo)準(zhǔn)差為0.24，變異系數(shù)為0.61。各剖面染色面積垂直變化過程中峰值不同，剖面2-1和2-2染色面積下降變化較大，剖面2-3 ~ 2-5變化較小，剖面2-1在9 cm處和19 cm處出現(xiàn)雙峰，剖面2-2在4 cm和20 cm處出現(xiàn)反彈，前者反彈幅度較大后者很小；剖面2-3在15 cm和26 cm處出現(xiàn)細(xì)微反彈，剖面4出現(xiàn)較多的反彈點；剖面2-5于37 cm處出現(xiàn)單峰，這是由于染色劑在下滲過程中土壤大孔隙和滲透性的土壤基質(zhì)之間具有較高的交互作用[15]，因此，每個大孔隙附近都有一部分土壤基質(zhì)被染色，導(dǎo)致土壤剖面染色面積不因土壤深度而呈現(xiàn)單調(diào)遞減。

由圖2可以看出，茶地垂直剖面染色面積于土層10 ~ 25 cm波動較頻繁，尤其是剖面1-3 ~ 1-5，剖面1-1變化較頻繁，但是幅度較小，剖面1-2整體趨于單調(diào)遞減，說明該土層范圍內(nèi)由于水分下滲過程中發(fā)生橫向側(cè)流，從而導(dǎo)致染色面積會突然增大。剖面1-1 ~ 1-3表層土0 ~ 3 cm范圍內(nèi)，染色面積均值可達(dá)68%，染色深度最深可達(dá)40 cm，但剖面1-4和剖面1-5平均染色面積低至12%，染色深度最深可達(dá)40 cm。觀測表明，土壤中植物根系分布特征是影響土壤染色比例出現(xiàn)上述波動變化的主要原因，也說明剖面1-3和剖面1-4在垂直空間上的孔隙連通性較好。由圖2可以看出，茶地染色面積波動變化程度較灌草地嚴(yán)重，各剖面染色面積變化波動較大，表現(xiàn)出異質(zhì)性，整體上茶地染色面積較灌草地大。

圖2 土壤垂直剖面染色面積變化

2.3 普洱茶種植對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

土壤入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移等特征受諸多因素影響，飽和導(dǎo)水率是其中一個重要物理指標(biāo)，是研究水分運(yùn)移規(guī)律的重要參數(shù)，而土壤大孔隙是影響飽和導(dǎo)水率的重要指標(biāo)[9]。對各土層不同當(dāng)量孔徑的大孔隙密度和土壤飽和導(dǎo)水率與染色面積進(jìn)行相關(guān)分析(表4)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量孔徑為0.4 ~ 2.0 mm的大孔隙密度與飽和導(dǎo)水率的相關(guān)關(guān)系極顯著(<0.01)，由于土層10 ~ 20 cm大孔隙密度變化較大，對該土層土壤飽和導(dǎo)水率的影響較高。當(dāng)量孔徑為2.0 ~ 2.5 mm的大孔隙數(shù)量較少，不同土層其數(shù)量變化相對其他當(dāng)量孔徑較小，但其與土壤飽和導(dǎo)水率呈極顯著相關(guān)(<0.01)，說明當(dāng)量孔徑為2.0 ~ 2.5 mm的大孔隙對水分運(yùn)移有較大影響。在研究區(qū)內(nèi)土壤染色面積與土壤飽和導(dǎo)水率顯著相關(guān)(<0.01)，說明大孔隙孔徑和密度分布共同影響土壤水分下滲。當(dāng)量孔徑在0.4 ~ 2.0 mm范圍內(nèi)，隨著孔徑降低，大孔隙密度和飽和導(dǎo)水率相關(guān)性也逐漸降低，表明土壤水分運(yùn)移特性與大孔隙孔徑特征密切相關(guān)。灌草地10 ~ 30 cm土層豐富的根系和螞蟻活動形成的土壤大孔隙使其具有較強(qiáng)的滲透性；茶地10 ~ 20 cm土層較多的根系是其具有較好滲透性的重要原因。

表4 飽和導(dǎo)水率與大孔隙密度的相關(guān)系數(shù)

注：**表示在<0.01水平顯著相關(guān)。

對當(dāng)量孔徑?1 mm的大孔隙密度與飽和導(dǎo)水率作回歸分析，發(fā)現(xiàn)該孔徑范圍的大孔隙密度和飽和導(dǎo)水率呈線性關(guān)系，且相關(guān)性高(圖3)。當(dāng)量孔徑?1 mm的大孔隙密度僅占總大孔隙密度的4.61%，但控制了飽和導(dǎo)水率90.8% 的變異。這與劉目興等[12]的三峽庫區(qū)森林土壤大孔隙特征對飽和導(dǎo)水率影響的回歸分析結(jié)果相似。土壤飽和導(dǎo)水率越大，土壤的入滲能力越強(qiáng)，地表產(chǎn)流就會越少，降低土壤流失量。灌草地土壤孔隙密度大于茶地，土壤飽和導(dǎo)水率大于茶地，說明種植茶樹在一定程度上影響了土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使水土流失加劇。

3 討論

通過對普洱茶地和灌草地土壤結(jié)構(gòu)中的大孔隙染色形態(tài)特征進(jìn)行對比分析，進(jìn)而得出普洱茶種植對紅壤大孔隙的影響，有研究表明植被狀況的不同在一定程度上造成了土壤大孔隙染色形態(tài)間的差異[3]，同時人為干擾活動對大孔隙流染色形態(tài)變化也產(chǎn)生了重要影響。本研究中得到的灌草地土壤剖面染色形態(tài)變化特征反映出其土壤孔隙發(fā)育較茶地好，這一結(jié)果與陳曉冰[32]對四面山4種土地利用類型的大孔隙流現(xiàn)象研究結(jié)果相一致。由于翻耕、除草等干擾活動導(dǎo)致農(nóng)耕地表層(耕層)土壤大孔隙結(jié)構(gòu)受到破壞，土壤結(jié)構(gòu)松軟且相對較均勻，該區(qū)域的染色水流入滲形式表現(xiàn)為基質(zhì)流入滲，而耕作層下土壤孔隙結(jié)構(gòu)保持原有狀態(tài)，因而染色分化程度較高。灌草地土壤剖面大孔隙密度均大于茶地。因此，茶地相對于灌草地不易發(fā)生大孔隙流，尤其在暴雨天氣下濺蝕能力強(qiáng)，且茶地不能快速地將雨水滲透到土壤深層，導(dǎo)致水土流失加重。

圖3 土壤飽和導(dǎo)水率與>1 mm 大孔隙密度的相關(guān)關(guān)系

本研究區(qū)兩種植被下土壤大孔隙半徑范圍比田香姣等[33]的研究結(jié)果范圍大0.4 mm，比劉目興等[12]結(jié)果小0.4 mm，比陸斌等[9]結(jié)果小1.2 mm，主要集中在0.4 ~ 2.5 mm，這可能是因為林地喬木居多，根系粗大且數(shù)量多，枯枝落葉層厚。>0.1 mm的各當(dāng)量孔徑大孔隙密度與飽和導(dǎo)水率顯著相關(guān)，這與劉目興等[12]及王偉等[23]研究結(jié)果基本一致。整體表現(xiàn)為大孔隙密度隨當(dāng)量孔徑的增大而減小，當(dāng)量孔徑0.4 ~ 0.6 mm的孔隙密度最大，當(dāng)量孔徑>1.0 mm的孔隙數(shù)量僅占大孔隙總數(shù)量的4.61%，但控制了飽和導(dǎo)水率90.8% 的變異。土壤飽和導(dǎo)水率與不同孔徑的大孔隙密度、大孔隙染色面積比均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與劉目興等[12]、陸斌等[9]、王偉等[3]的研究結(jié)果基本一致。研究區(qū)土壤大孔隙染色面積比在1% ~ 57%，平均為21.2%，與時忠杰等[34]六盤山地區(qū)大孔隙染色面積比對比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)變異系數(shù)與平均值較大，可能是茶地土壤表層大孔徑密度少，以基質(zhì)流為主，水分下滲慢。土壤染色面積比關(guān)系為茶地>灌草地，可能是因為茶地基質(zhì)流深度較大使染色面積寬度范圍大；土壤大孔隙密度表現(xiàn)為灌草地>茶地，說明原狀土壤較之耕作土壤孔隙狀況更好，從土壤肥力角度看，灌草地能更好地調(diào)節(jié)土壤中的水分，減少水土流失。

4 結(jié)論

1)從土壤垂直剖面染色圖片得出，灌草地相對于茶地更容易發(fā)生大孔隙流，茶地的耕作層(0 ~ 15 cm)受到農(nóng)耕措施的影響，導(dǎo)致大孔隙被破壞，造成基質(zhì)流層深度增加，增大了水平方向上的運(yùn)動范圍；耕作層下大孔隙特征保持完整，水分垂直流通性好，深度可達(dá)40 cm。灌草地在土層2.8 cm深度開始出現(xiàn)大孔隙流，最深可達(dá)33 cm。

2)研究區(qū)大孔隙當(dāng)量孔徑集中于0.4 ~ 2.5 mm，兩種樣地內(nèi)當(dāng)量孔徑0.4 ~ 1.0 mm的大孔隙密度最大，占大孔隙總數(shù)量的95.2%(普洱茶地)和95.5%(灌草地)，當(dāng)量孔徑>1 mm的大孔隙密度較少，但該孔隙孔徑是水分運(yùn)移的主要通道。大孔隙密度分布主要表現(xiàn)為表層多于下層，且各土層均為灌草地>茶地。

3)當(dāng)量孔徑>1 mm的大孔隙密度和土壤染色面積比與飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，該孔徑范圍內(nèi)大孔隙密度僅占總大孔隙密度的4.61%，但控制了飽和導(dǎo)水率90.8% 的變異，較大孔隙孔徑控制土壤水分垂直運(yùn)移。茶地土壤孔隙密度小，相對地飽和導(dǎo)水率也小，導(dǎo)致地表徑流、水土流失量增大。

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Effects of Planting Pu’er Tea on Macropores in Typical Red Soil in South of Yunnan

YANG Kun1, ZHAO Yangyi1,2*, WANG Keqin1,2, DUAN Xu1,2, HAN Jiaojiao1, LI Yaolong1

(1 College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2 Yuxi Forest Ecosystem Research Station, State Forestry and Grassland Administration of China, Kunming 650224, China)

In order to study the effect of planting Pu’er tea on macropores in the typical red soil in South of Yunnan, an experiment was conducted in shrub-grassland and tea land, staining tracer was used to observe soil profiles, Photoshop CS5 and Image Pro Plus were used to edit images of dyed soil profiles, then penetration curves of soil moisture and Poiseulle equation were used to study the characteristics of soil macropores. The results showed that the tea land was dyed in large area in plough layer, the dyeing depth was up to 40 cm. Macropore flow appeared since 2.8 cm depth in shrub-grassland. Macropore flow happened more easily and frequently in shrub-grassland than in tea land. Macropores were mainly concentrated in width of 0.4 – 2.5 mm, and 0.4 – 1.0 mm macropores of tea and shrub-grass lands accounted for 95.2% and 95.5%, respectively. >1 mm macropores were less, and more easily found in shrub-grassland. Macropores mainly appeared in depth of 10 – 20 cm, and decreased with the increase of soil depth. Macropore density was higher in shrub-grassland than in tea land. Soil hydraulic conductivity significantly correlated with equivalent diameter densities of soil macropores and dyeing area. >1 mm micropores only accounted for 4.61% in area but controlled 90.8% variation of hydraulic conductivity. Compared with shrub-grassland, soil structure was damaged in tea land, where water moved down slowly and infiltration capacity was decreased, thus, aggravated soil erosion.

Soil macropore; Staining tracer method; Tea planting; Saturated hydraulic conductivity; South of Yunnan

云南省重點研發(fā)計劃項目(2018BB018)、國家自然科學(xué)基金項目(31860235，31760149，31560233)、國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201810677016)、國家林業(yè)與草原局林業(yè)科技創(chuàng)新平臺運(yùn)行補(bǔ)助項目(2018-LYPT-DW-162)和云南省自然生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測項目(2018-YN-12)資助。

(yyz301@foxmail.com)

楊坤(1992—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事水土保持研究。E-mail：583391307@qq.com

S157.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.023