布設等高反坡階對滇中松華壩水源區(qū)坡耕地土壤飽和導水率的影響

陳 雪，宋婭麗，王克勤，趙洋毅，張華渝

(西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，云南昆明650224)

土壤飽和導水率是土壤重要的物理性質之一[1]，影響著地面水分的入滲、徑流及蒸發(fā)3者之間的分配關系[2].土壤飽和導水率是陸地水文過程的重要參數，綜合反映了水在多孔介質中流動的阻礙作用[2]，也是反映土壤入滲特性的重要參數，對灌溉、水土保持方案的設計具有重要指導意義[3-4].在坡耕地中，土壤飽和導水率的空間分布顯著影響著水分的空間入滲量，進而影響降雨后土壤水分分布的均勻性.土壤滲透性是土壤重要的特性之一，滲透性較好，則土壤滲透水、大氣降水和灌溉水進入土壤，并在其中貯存起來；滲透性較差的情況下，水分則沿土表流走，造成侵蝕.土壤滲透性與土壤飽和導水率密切相關，土壤飽和導水率可通過影響滲透性改變坡耕地水分滲透特點及規(guī)律.不同土壤質地類型、土層深度、土地作用方式、植被群落特征等均會對土壤飽和導水率產生影響[5-6].

目前對于不同區(qū)域土壤飽和導水率的變化規(guī)律研究主要集中于施用土壤改良劑[7-8]以及不同的地表條件[9-10]對土壤飽和導水率的影響.孫榮國等[7]研究了由作物秸稈、膨潤土和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）配制的改良材料對砂質土壤飽和導水率的影響，認為秸稈改良材料可以改善砂質土壤持水狀況，增加砂質土壤的飽和導水率；韓冬等[8]選取兩種質地土壤（黏壤土和砂壤土）分析3種干粉PAM施用水平影響下土壤結構的變化特征，進而說明干粉PAM溶解時間對土壤飽和導水率的影響機理；趙春雷等[9]采用凍融循環(huán)模擬的方法，分析了不同土地利用和不同土層深度下凍融循環(huán)前后土壤飽和導水率的變化特征，結果表明凍融過程對土壤飽和導水率有顯著影響，其影響程度因土地利用類型和土層深度不同而異；王子龍等[10]對云霧山典型草原區(qū)不同年限退耕地0～40 cm土層的土壤飽和導水率進行測定，結果表明退耕過程有利于提高土壤飽和導水率.

等高反坡階作為坡耕地水土保持措施之一，可有效減少水土流失，增加入滲，其機理在于可直接蓄水減沙，對坡面降水進行再分配，同時阻止泥沙的產生，從而對產生的徑流和泥沙起到調控作用[6，11]，而目前針對等高反坡階對坡耕地土壤飽和導水率變化影響的研究較少[12-13].滇中昆明市北郊的松華壩水源區(qū)迤者小流域內山區(qū)半山區(qū)面積占流域總面積的95%以上；耕地面積近6500 hm2，其中一半以上為坡耕地[6].因此，本研究以滇中昆明市北郊的松華壩水源區(qū)迤者小流域為研究區(qū)，研究坡耕地布設等高反坡階對土壤剖面不同土層（0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm）土壤飽和導水率空間分布及其影響因子的影響，并分析不同土層深度土壤飽和導水率及其影響因子的關系，以期為松華壩水源區(qū)坡耕地選擇合理的水土保持措施提供理論依據，為有效保持坡耕地土壤水分、改良土壤提供科學參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

迤者小流域位于昆明市盤龍區(qū)滇源街道西南部，大部分屬于迤者村委會范圍（24°14′43″—25°12′48″N，102°48′37″—102°44′51″E）.小流域呈不規(guī)則紡錘形，南北長 6.7 km，土地總面積 13.26 km2，東連金鐘村，西部、南部與富民縣毗鄰，北到阿子營鄉(xiāng)交界.小流域為滇池水系盤龍江一級支流源頭區(qū)，地勢總體西北高東南低，最高海拔2589.5 m，位于流域西南部野貓山，最低海拔2010 m，位于流域河流出口處，相對高差479.5 m，平均海拔2220 m.西北和東部河流出口處地面坡度較緩，多介于5°～25°，平均坡長約1000 m；西部、南部和東北端受河流切割影響，坡度較陡，多介于10°～36°，平均坡長約為600 m.流域屬北亞熱帶和暖溫帶混合型氣候，夏秋溫熱，冬春干涼，多年平均氣溫13.8℃；多年平均降雨量757.2 mm，其中，5—10月為雨季，降雨量約占全年的85%以上.流域內紅壤為主要土壤，占流域土地總面積的89.3%.試驗地土壤背景值：pH 值 4.39，有機質含量 5.39 g·kg-1，速效性鉀含量 659.44 mg·kg-1，全氮含量 0.94 g·kg-1，水解氮含量 120.95 mg·kg-1，全磷含量 0.35 g·kg-1，速效磷含量 92.39 mg·kg-1.

1.2 樣地選擇及土樣采集

試驗地位于昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域，根據該地區(qū)地形條件，選擇一塊典型坡耕地進行試驗布設.試驗樣地包括原狀對照坡耕地和2009年布設的等高反坡階處理坡耕地，坡度均為15°，東西坡向.等高反坡階階寬1.2 m，反坡5°.等高反坡階剖面示意圖如圖1.

圖1 等高反坡階剖面示意圖Fig.1 Profile diagram of contour reverse slope terrace

2017年11月，在原狀對照和等高反坡階處理坡耕地上，沿坡面各選擇3塊樣地（5 m×7 m），每塊樣地沿對角線設置3個1 m×1 m的樣方.然后挖1 m深的土壤剖面，按照 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm 6 個土層分別取樣，3 個重復.

1.3 試驗方法

土壤粒徑組成分析：采用馬爾文MS 2000激光粒度分析儀測定，按照卡慶斯基制分類標準（0.05 mm≤砂粒＜1 mm，0.001 mm＜粉粒≤0.05 mm，粘粒＜0.001 mm）.待測樣品先用 H2O2溶液做預處理，然后在測試前加入10 mL 0.5 mol·L-1的六偏磷酸鈉溶液，用超聲波進行分散[14].

土壤容重的測定：采用環(huán)刀法（V＝100 cm3）.

總孔隙度：ρ＝93.947-32.995d[15]，d為土石混合體容重；毛管孔隙度為毛管持水量與土壤容重的乘積，毛管持水量則用環(huán)刀采取原狀土，將其下端置于水盤中，使土壤毛管孔隙內充滿水，然后測其含水量，即為毛管持水量；通氣孔隙度為總孔隙度減去毛管孔隙度.

土壤體積含水量：對滇中松華壩水源區(qū)迤者小流域紅壤坡耕地不同坡位的土壤水分變化進行實時動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測深度分別為 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm.其中，0～10、10～20 cm 土層土壤水分使用直插式波導管（美國Soilmoisture公司，型號6002F1）直接插入坡耕地表層進行測定，20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層土壤水分使用Mini Trase土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)的TDR儀（美國Soilmoisture公司，型號6050X3）探頭測定，測定前用烘干法對TDR儀進行標定.于2018年6月選擇連續(xù)降雨的3天分層測定土壤體積含水量，文中數據為3次重復平均值.

土壤飽和導水率的測定：采用室內環(huán)刀定水頭法，水頭高控制在5 cm[16].

1.4 數據處理分析

采用Excel 2010軟件進行數據處理，并采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析、差異顯著性檢驗、多重比較、回歸分析和通徑分析，采用Auto CAD 2007軟件和Excel 2010軟件制圖.

2 結果與分析

2.1 等高反坡階對不同土層土壤質地的影響

由表1可知：砂粒含量隨著土層深度的增加，呈先下降后上升的趨勢；粉粒含量呈先上升后下降的趨勢，粘粒含量變化不明顯.與原狀坡耕地相比，等高反坡階處理坡耕地 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm 土層粉粒含量分別增加了5.76%、16.52%、22.66%、19.64%、12.90%和1.73%，砂粒含量分別減少了 6.46%、26.49%、31.63%、26.56%、15.89%和 1.54%，可見布設等高反坡階對 20～40 cm 土層改善土壤質地效果顯著優(yōu)于其他土層.總體來看，等高反坡階顯著增加了各土層的粉粒含量，土壤顆粒組成中粉粒比例增加，可以有效地降低土壤體積質量，從而提高土壤飽和導水率，更有利于坡耕地作物的生長.

表1 坡耕地不同土層深度土壤顆粒組成1)Table 1 Soil particle composition under different soil depths in sloping farmland

2.2 等高反坡階對不同土層土壤容重、孔隙度及含水量的影響

由表2可知：布設等高反坡階后，除0～10 cm土層外，其他土層土壤容重均呈現降低趨勢，10～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm 分別比原狀坡面降低 5.65%、12.12%、5.80%、4.11%和 6.67%；等高反坡階處理下的土壤總孔隙度在0～10、10～20、20～40 cm土層較原狀坡耕地分別增加了8.53%、1.16%和2.76%， 60～80、80～100 cm 土層較原狀坡耕地分別減小了 0.90%、0.26%.隨著土層深度的增加，土壤容重升高，土壤總孔隙度逐漸降低，土壤體積含水量也呈現降低趨勢，但毛管孔隙度與通氣孔隙度變化趨勢不穩(wěn)定.布設等高反坡階后，土壤各土層的體積含水量呈現增加的趨勢，0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm 土層土壤體積含水量分別增加了 17.34%、14.63%、29.41%、18.64%、29.90%和 31.72%.土壤孔隙度取決于土壤質地，布設等高反坡階后，在0～40 cm土層，土壤容重在土壤剖面上呈減小趨勢，可以降低土壤緊實度，提高土壤通氣孔隙度，進而提高土壤導水能力；通氣孔隙度增大，有利于降低土壤體積質量和提高土壤孔隙性，進而提高土壤飽和導水率.

表2 坡耕地不同土層深度土壤容重、孔隙度、含水量分布1)Table 2 Distribution of soil bulk density，porosity and water content under different soil depths in sloping farmland

2.3 等高反坡階對不同土層土壤飽和導水率的影響

由圖2可以看出：等高反坡階處理與原狀坡耕地的土壤飽和導水率總體上隨土層深度的增加呈現出先上升后下降的趨勢，其中，等高反坡階處理坡耕地的土壤飽和導水率在40～60 cm土層最高，分別比0～10、10～20、20～40、60～80 和 80～100 cm 土層高出 0.77、0.26、0.53、0.52 和 2.40 mm·min-1；原狀坡耕地的土壤飽和導水率在 10～20 cm 土層最高，分別比 0～10、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm 土層高出0.81、0.85、0.95、1.06 和 1.16 mm·min-1.布設等高反坡階后，土壤飽和導水率顯著提高，分別為原狀坡耕地 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm 土層的土壤飽和導水率的 4.18、1.86、5.23、8.86、10.79 和 2.00 倍.等高反坡階處理坡耕地土壤的保水效果好于原狀坡面，土壤飽和導水率顯著高于原狀坡耕地.

圖2 布設等高反坡階對土壤飽和導水率的影響Fig.2 Influence of contour reverse slope terrace on soil saturated water conductivity

2.4 土壤物理因子與土壤飽和導水率的相關分析

土壤飽和導水率與土壤質地、土壤容重和孔隙度關系緊密[17].由表3可見，土壤物理因子中土壤容重、粉粒含量、砂粒含量與土壤飽和導水率都達到了極顯著相關（P＜0.01），其相關系數的大小順序為粉粒含量＞砂粒含量＞土壤容重.毛管孔隙度與土壤飽和導水率的相關性顯著（P＜0.05），其他土壤物理因子與土壤飽和導水率的相關性不顯著.各土壤物理因子間土壤容重與總孔隙度、通氣孔隙度、粉粒含量、砂粒含量，總孔隙度與毛管孔隙度、通氣孔隙度，毛管孔隙度與粘粒含量，通氣孔隙度與粘粒含量，粉粒含量與砂粒含量相關關系均達到極顯著的水平（P＜0.01），土壤容重與毛管孔隙度，毛管孔隙度與粉粒含量、砂粒含量達到顯著水平（P＜0.05），說明在布設等高反坡階后，土壤物理因子間存在交互作用.

表3 土壤物理因子與土壤飽和導水率之間的相關分析1)Table 3 Correlation analysis between soil physical factors and soil saturated water conductivity

某一土壤物理因子與土壤飽和導水率簡單的相關系數僅能表示其它因子變化的情況下，其與土壤飽和導水率的關系密切性程度，往往不能正確反映它們之間的真正關系.因此，將7個土壤物理因子作為自變量因子：土壤容重（X1），總孔隙度（X2），毛管孔隙度（X3），通氣孔隙度（X4），粘粒含量（X5），粉粒含量（X6），砂粒含量（X7），選擇土壤飽和導水率作為因變量Y，采用多元逐步線性回歸篩選出影響土壤飽和導水率變化的相對重要因子，結果為：

經檢驗，F＝73.502＞4.503，R＝0.912，P＜0.01，說明回歸方程達到極顯著水平.多元逐步線性回歸結果表明，土壤容重、毛管孔隙度和粉粒含量為影響土壤飽和導水率的主要物理因子.

為了判定這些因子分別對土壤飽和導水率影響的重要程度，進一步進行通徑分析.結果（表4）表明，主要土壤物理因子對土壤飽和導水率的直接作用和間接作用的方向及大?。ㄊＳ嗤◤较禂禐?.241）.土壤飽和導水率與相關因子的直接通徑系數絕對值由大到小依次為粉粒含量＞土壤容重＞毛管孔隙度.粉粒含量對土壤飽和導水率產生直接的正效應最強（0.398），其通過土壤容重和毛管孔隙度對土壤飽和導水率的間接正效應也最大（0.538）；土壤容重的直接通徑系數為-0.317，對土壤飽和導水率產生直接的負效應最強，同時又可以通過毛管孔隙度和粉粒含量間接對土壤飽和導水率產生較強的負效應.

表4 土壤主要物理因子對土壤飽和導水率的通徑系數1)Table 4 Size coefficient of soil saturation water conductivity by main physical factors

3 討論

本研究中，布設等高反坡階起到攔蓄地表徑流的作用，減少了徑流對地表的沖刷，有利于促進土體結構的穩(wěn)定，土壤顆粒組成中粉粒含量增加13.20%，砂粒含量降低17.09%.與原狀坡耕地相比，等高反坡階處理坡耕地結構破壞率相應降低，土壤容重降低5.52%，相應的總孔隙度增加1.86%，土壤結構逐步得到改善，這與王子龍等[10]研究結果一致.這是由于等高反坡階對局部徑流能起到調控作用，既能蓄集一部分降雨，又能保持水土，可使地表徑流得到合理調控，改善土壤水分和養(yǎng)分條件，從而改良土壤的結構特征.因此，等高反坡階對坡耕地土壤飽和導水率的影響與土壤的物理性質密不可分.研究說明布設等高反坡階可通過改變地表微結構而促進土壤結構的改善，是改良松華壩水源區(qū)紅壤坡耕地土壤質地的重要措施.

在土壤剖面上，土壤飽和導水率均隨著土壤深度的增加呈現出先增大后減小的趨勢，等高反坡階處理坡耕地最大土壤飽和導水率為2.57 mm·min-1，原狀坡耕地最大土壤飽和導水率為1.24 mm·min-1.10～20 cm土層作物根系發(fā)育集中，土壤孔隙度相對較大，該層的土壤飽和導水率最高.隨著土層加深，土壤體積質量越大，土體愈加緊實，土壤孔隙度降低，土壤飽和導水率呈現出下降的趨勢；而在10～20 cm土層左右，耕作層作物根系發(fā)育集中，它極大的改善了土壤及土壤剖面的滲透能力，該層的土壤飽和導水率較高，而表層較低（等高反坡階和原狀坡耕地僅分別為1.80和0.43 mm·min-1）.這與呂剛等[18]的研究結果不同，他認為土體下層（30 cm以下土層）的飽和導水率要高于上層（30 cm以上土層），出現差異的原因是：本研究中坡耕地耕作措施對表層土壤的擾動作用，使表層土壤的結構穩(wěn)定性降低，導致土壤表層土壤飽和導水率較低；同時，在發(fā)生強降雨條件下，極易發(fā)生土壤侵蝕，在雨滴的打擊作用下，易形成土壤結皮，結皮反過來又會影響到土壤的滲透性能，導致表層土壤的飽和導水率比較低.等高反坡階措施使土壤飽和導水率顯著提高，平均飽和導水率約是原狀坡面的4倍.等高反坡階處理坡耕地土壤的保水效果好于原狀坡面，等高反坡階具有攔蓄地表徑流和再分配的功能，有效的改良了土壤結構，使土壤飽和導水率顯著高于原狀坡耕地.

研究表明，土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、粉粒含量和黏粒含量均為影響土壤飽和導水率的主要因子[19-25].本研究中通過相關分析得到對土壤飽和導水率影響顯著的物理因子，其大小順序為粉粒含量＞砂粒含量＞土壤容重＞毛管孔隙度.相關分析表明布設等高反坡階后，土壤物理因子間存在明顯的交互作用.進一步通徑分析表明，粉粒含量對土壤飽和導水率產生直接的正效應最強（0.398），其通過土壤容重和毛管孔隙度對土壤飽和導水率的間接正效應也最大（0.538）；土壤容重的直接通徑系數為-0.317，對土壤飽和導水率產生直接的負效應最強，同時又可以通過毛管孔隙度和粉粒含量間接對土壤飽和導水率產生較強的負效應.在土壤剖面上，隨深度增加，砂粒含量逐漸增加，因為隨土壤深度增加，土壤風化程度減弱，所以越接近母質層，砂粒含量越大[26].這是由于當土壤達到飽和之后，非毛管孔隙成為導水的主要通道，但由于砂粒含量較高，土壤團聚體對砂粒的固定作用減小，導致細砂堵塞非毛管孔隙，進而降低土壤導水能力.Papanicolaou et al[27]通過研究坡面尺度土壤飽和導水率的空間變化得到含沙量＞15%的土壤中，土壤結構是影響土壤飽和導水率的主要因素，這與本研究結果一致.李濤等[28]通過研究田間表層土壤飽和導水率的空間變化規(guī)律，得出土壤飽和導水率具有較強的空間變異性，研究區(qū)域（7.6 hm2）土壤飽和導水率與粘粒、粉粒、砂粒和有機質含量具有一定的空間相關性.Zeleke et al[29]通過研究384 m坡面區(qū)域不同尺度下土壤飽和導水率的空間變異程度及其主要影響因素，結果表明小空間尺度范圍內土壤飽和導水率主要受砂粒含量影響，而在較大空間尺度主要受粘粒含量和土壤有機碳控制.這些研究與本研究結果土壤質地對土壤飽和導水率的影響最大一致.

綜上，等高反坡階處理對坡耕地飽和導水率的提高具有明顯的作用，對坡耕地地表徑流攔蓄、增加水分入滲和減少土壤流失起到了明顯的改善作用.小流域是滇中地區(qū)綜合治理的基本單元，將來應集中于小流域尺度土壤飽和導水率的時空動態(tài)過程研究，這將有利于理解小流域尺度的生態(tài)水文過程及小流域水土資源管理.

4 結論

（1）等高反坡階對土壤質地的影響效果顯著.布設等高反坡階后，土壤顆粒組成中粉粒比例增加，粉粒含量在20～40 cm土層變化最明顯，與原狀坡耕地相比，等高反坡階處理坡耕地各土層粉粒含量分別增加了 5.76%、16.52%、22.66%、19.64%、12.90%和 1.73%.

（2）等高反坡階處理改良了土壤的物理性質.隨著等高反坡階的布設，土壤容重逐漸降低，除表層土壤外其余各土層土壤容重分別減少了5.65%、12.12%、5.80%、4.11%和 6.67%；土壤水分含量逐漸增加，0～100 cm 土層土壤體積含水量分別增加了 17.34%、14.63%、29.41%、18.64%、29.90%和 31.72%.

（3）等高反坡階措施使土壤飽和導水率顯著提高，平均飽和導水率約是原狀坡面的4倍.在土壤剖面上，土壤飽和導水率均隨著土壤深度的增加呈現出先增大后減小的趨勢，等高反坡階處理坡耕地最大土壤飽和導水率為2.57 mm·min-1，出現在40～60 cm土層；原狀坡耕地在10～20 cm土層的土壤飽和導水率最大，為 1.24 mm·min-1.

（4）土壤飽和導水率與土壤容重、粉粒含量、砂粒含量和毛管孔隙度的關系顯著，R2和Sig均達到了顯著相關，相關性大小為粉粒含量＞砂粒含量＞土壤密度＞毛管孔隙度.其中土壤容重的直接通徑系數為-0.371，對土壤飽和導水率產生直接的負效應最強，粉粒含量的直接通徑系數為0.398，對土壤飽和導水率產生的直接正效應最強.