不同土地利用條件下紅壤持水能力研究

聶可祎，吳治康，劉繼超

(1.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330099；2.鹿寨縣祥鹿投資有限責(zé)任公司，廣西柳州 545600；3.廣西萬縱建設(shè)工程有限公司，廣西柳州 545000)

南方紅壤區(qū)存在嚴重的養(yǎng)分流失現(xiàn)象，其中部分地區(qū)水土流失越來越嚴重。而紅壤作為南方典型的農(nóng)作物耕作土壤，它的持水能力是決定南方農(nóng)作物收成的重要因素。紅壤的富鋁化比較顯著，風(fēng)化的程度比較深，有黏重的質(zhì)地且易于板結(jié)，保水性差，易干旱。因此在不同土地利用條件下，展開對紅壤持水能力的研究，能夠有效提高紅壤的利用率，對紅壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護有著重大意義。目前，國內(nèi)外也存在許多有關(guān)不同土地利用類型和持水能力的研究，如于元芬等研究表明不同植被、不同深度的土壤持水能力、釋水特性及水分有效性存在一定差異；曹春霞等研究表明，有機管理措施可以有效改善土壤質(zhì)量，包括有效防止農(nóng)田土壤酸化，降低重金屬含量，提升有機質(zhì)含量，但是并非在所有土地利用方式下都能取得顯著效果。成兆金研究發(fā)現(xiàn)黏土對植物供水較穩(wěn)且能力強，對水分的協(xié)調(diào)能力較好，砂土對水分的協(xié)調(diào)能力較差，對旱澇災(zāi)害的抵抗力較差，壤土介于兩者之間；葛建等研究了分層土壤的持水性能，結(jié)果表明粗質(zhì)土壤上覆細質(zhì)土壤界面存在的毛細屏障作用能提高上層土壤的持水能力；鄭榮偉等研究發(fā)現(xiàn)土壤水分特征曲線受土地利用、土層深度影響，而以土壤質(zhì)地影響最為顯著。綜上所述，國內(nèi)對土壤水分特征曲線的影響因素以及土壤持水能力的研究較為成熟，但在不同土地利用條件下對紅壤的研究較少，筆者研究了南方紅壤區(qū)不同土地利用類型的持水能力，以期為南方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

研究區(qū)位于江西省贛州市上猶縣水村，上猶縣(114°00′～114°40′E、25°42′～26°01′N)屬于中亞熱帶潮濕天氣，年均氣溫18.8 ℃，無霜期為284 d，年日照時數(shù)為1 621.9 h，年降雨量為1 497 mm。取樣地位于114°57′E、25°87′N。上猶縣地形從西北向東南傾斜，東北西和西南多高山，東南為丘陵和河谷盆地。

考慮到不同高程的地形，此次研究對不同地形位置的土壤進行采樣。以贛州市上猶縣的紅壤作為研究對象，分別在裸地、臍橙林地、馬尾松松香混交林地的上坡、中坡、下坡進行多點混合采樣，采樣的深度是 0～10 cm，采用環(huán)刀進行取樣，每個坡面取3組平行樣本，一種紅壤需取樣9個，共采集27個樣點。土壤取樣時間為2021年4月20日，取樣時天氣為小雨轉(zhuǎn)多云，最低溫度為17.0 ℃，最高溫度為22.0 ℃，東南風(fēng)。坡地面積100 m，坡度為9°，整地方式為穴墾。

通過激光粒度分析儀分析9個不同樣土的顆粒粒徑，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類規(guī)范對土樣進行分析。采用壓力膜儀法測定土壤水分特征含水量，并繪制土壤水分特征曲線，一般要求在25 ℃下進行測定，測得吸力分別為30、100、200、300、400、500、800、1 000、1 300、1 500 kPa下的土壤質(zhì)量，即壓力水頭分別為300、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、8 000、10 000、13 000、15 000 cm下的土壤質(zhì)量。得到一系列的土壤水吸力和對應(yīng)的土壤質(zhì)量，后經(jīng)公式(1)計算出各吸力下的土壤質(zhì)量含水量，再由公式(2)、(3)計算出土壤體積含水量，從而得到脫濕曲線。

(1)

=×

(2)

(3)

式中,為土壤質(zhì)量含水量(%)；為濕土加環(huán)刀重量(g)；為干土加環(huán)刀重量(g)；為環(huán)刀重量(g)。為土壤體積含水量(cm/cm)；為土壤干容重(g/cm)；為干土質(zhì)量(g)；為土壤體積(cm)。

采用Van-Genuchten公式對各吸力下的土壤體積含水量進行擬合，圖表制作采用origin，擬合公式為：

(4)

式中,為土壤體積含水量(cm/cm)；為殘余含水量(cm/cm)，即為風(fēng)干土的體積含水量；為飽和含水量(cm/cm)；為壓力水頭(cm)，即為土壤基質(zhì)勢；=1-1；和為試驗常數(shù)。

用土壤水分有效性指標來表示土壤水分有效性強度，土壤水分有效性指標是指實際的有效水分與最大有效水分的比值，它是表征土壤水分能夠被植物充分利用的程度。計算公式如下：

(5)

式中,是土壤水分有效性指數(shù)；為土壤實際水分含量(用烘干法可以測得)；為土壤凋萎濕度；為田間持水量；其中、可以在土壤水分特征曲線中查出。

2 結(jié)果與分析

土壤粒度組成可用來確定土壤質(zhì)地和土壤的結(jié)構(gòu)性，在土壤學(xué)研究中是不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。土壤的粒度特征既決定土壤質(zhì)地，也反映土壤抵抗風(fēng)蝕的能力。粒徑越小，質(zhì)地越細，土壤的孔隙結(jié)構(gòu)越密實，大孔隙減少，中小孔隙增多，孔隙連通性變差，使得水分運移速率較粗質(zhì)地土壤慢。

從表1可以看出，對于臍橙地、馬尾松松香混交林地、裸地這3種不同土地利用類型的土壤，臍橙地的土壤黏粒含量明顯低于馬尾松松香混交林地，土壤黏粒含量從大到小依次為馬尾松松香混交林地 > 裸地 > 臍橙地；而對于土壤粉粒而言，其變化規(guī)律與土壤黏粒含量呈現(xiàn)不同趨勢，土壤粉粒含量從大到小依次為裸地 > 臍橙地 > 馬尾松松香混交林地；土壤砂粒含量從大到小依次為臍橙地 > 馬尾松松香混交林地 >裸地。

表1 不同土地利用類型的土壤質(zhì)地分類

將試驗中臍橙地、裸地、馬尾松松香混交林地的各個上、中、下坡的3個平行樣品的試驗數(shù)據(jù)求和取平均值后計算出土壤質(zhì)量含水量，再乘以容重得到體積含水量，后將數(shù)據(jù)用origin進行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Van-Genuchten 模型擬合黏質(zhì)紅壤水分特征曲線的效果較好，決定系數(shù)()在0.981 4～0.999 4，因此該模型可以用于黏質(zhì)土壤水分特征曲線的研究。

以土壤體積含水量變化最明顯的吸力(圖1)來看，隨著土壤基質(zhì)吸力的增加，臍橙地上坡的土壤體積含水量由0.462 cm/cm減少至0.222 cm/cm，中坡的土壤體積含水量由0.484 cm/cm減少至0.236 cm/cm，下坡的土壤體積含水量由0.525 cm/cm減少至0.317 cm/cm；可見贛州市上猶縣臍橙地的土壤持水能力表現(xiàn)為上坡最弱，中坡地其次，下坡最強。馬尾松松香混交林地上坡的土壤體積含水量由0.376 cm/cm減少至0.299 cm/cm，中坡的土壤體積含水量由0.389 cm/cm減少至0.298 cm/cm，下坡的土壤體積含水量由0.362 cm/cm減少至0. 263 cm/cm，可見贛州市上猶縣馬尾松松香混交林地的土壤持水能力和水分釋放性能有著少許差異，土壤持水能力為下坡最弱，中坡和上坡相似。對照組裸地上坡的土壤體積含水量由0.382 cm/cm至0.251 cm/cm，中坡的土壤體積含水量由0. 384 cm/cm減少至0.230 cm/cm，下坡的土壤體積含水量由0.322 cm/cm減少至0.246 cm/cm，可見贛州市上猶縣裸地的土壤持水能力表現(xiàn)為中坡最弱，下坡地其次，上坡最強。

由于受到土壤質(zhì)地、密度、孔隙度等土壤基本理化性質(zhì)的影響，3 種土地利用類型的土壤水分特征曲線呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。從圖2可以看出，土壤基質(zhì)吸力在0～100 kPa，隨著土壤基質(zhì)吸力不斷增加，研究區(qū)的土壤體積含水量在急劇下降，然而在100～800 kPa的土壤基質(zhì)吸力下，其土壤體積含水量的下降趨勢有所減緩，在800～1 500 kPa的土壤基質(zhì)吸力，其土壤體積含水量的下降幅度逐漸趨于平緩。一開始土壤處于飽和狀態(tài)，一旦施加壓力，土壤中水在大孔隙里的吸力很小，只需要稍微施加壓力，水就會從大孔隙里排出，就存在土壤水分曲線急劇下降的階段，剩下的水是由于土壤毛細管道對于土壤水存在一定的吸力，所以不會被輕易排出，而形成了土壤水分曲線趨于平緩的階段。贛州市上猶縣臍橙地的土壤持水能力和水分釋放性能有著少許差異，土壤持水能力為裸地最弱，臍橙地其次，馬尾松松香混交林地最強。

圖1 臍橙地(a)、馬尾松松香混交林地(b)、裸地(c)不同坡地的土壤水分特征曲線Fig.1 Soil moisture characteristic curves of navel orange field (a), Pinus massoniana and rosin mixed forest land (b) and bare field (c) on different slopes

圖2 不同土地利用類型的土壤水分特征曲線Fig.2 Soil moisture characteristic curves of different land use types

土壤有效含水量是指土壤中能被作物吸收利用的水量，土壤有效含水量的大小取決于作物根毛吸水力和土壤吸力的大小。土壤吸力大小與土壤含水量有關(guān)，如在相同條件下，土壤水分愈多，土壤吸力愈小，有效水含量愈多。土壤田間持水量是指當(dāng)水飽和的土體中的重力水完全排除后毛管所保持的水量。植物開始發(fā)生永久凋萎時的土壤含水量稱為凋萎含水量或萎蔫點。壓力膜儀法一般土壤取30 kPa吸力之下的土壤含水量作為田間持水量，將在吸力為1.5 MPa時所對應(yīng)的土壤含水量稱為凋萎含水量。植物獲取水分的方式主要通過土壤吸收，土壤水分的保持和水分含量直接關(guān)系到植物的生長，土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其難易程度，不能被植物吸收利用的水稱為無效水，能被植物吸收利用的水稱為有效水。有效水中由于吸收難易程度不同，又可分為速效水和緩效水。將不同土地利用類型的土壤數(shù)據(jù)進行綜合分析，取平均值，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，不同土地利用類型下土壤初始含水量和飽和含水量從大到小依次為臍橙地 > 馬尾松松香混交林地 > 裸地。臍橙地和馬尾松松香混交林地的田間持水量明顯大于裸地，說明種植植被會加大紅壤的持水能力。裸地的凋萎含水量明顯小于臍橙地和馬尾松松香混交林地的，說明在同等水分條件下，臍橙地和馬尾松松香混交林地更容易發(fā)生永久性凋萎。不同土地利用類型的田間持水量和凋萎含水量從大到小依次為臍橙地 > 馬尾松松香混交林地 > 裸地。臍橙地的有效含水量明顯高于裸地和馬尾松松香混交林地，3種不同土地利用類型條件下的土壤有效含水量從大到小依次為臍橙地 > 裸地 > 馬尾松松香混交林地。對不同土地利用條件下土壤水分有效性進行差異性比較，結(jié)果表明，總體來講，土壤水分有效性指數(shù)都大于1，從大到小依次為臍橙地 > 裸地 > 馬尾松松香混交林地；根據(jù)土壤水分有效性的分級，由于土壤初始含水量都大于田間持水量，所以都屬于富余水狀態(tài)。

表2 不同土地類型不同水分特征常數(shù)平均值

3 討論

土壤粒徑對土壤持水能力的影響是通過粒徑對土壤水分特征曲線的影響來反映的，需要通過了解土壤孔隙狀況才能體現(xiàn)出這兩者之間的關(guān)系。根據(jù)土壤水分特征曲線，馬尾松松香混交林地所含黏粒量較高，其土壤水分特征曲線在臍橙地和裸地上方曲線變化較緩，黏土具有較高的飽和含水量和殘余含水量，而臍橙地土壤曲線坡度較陡，且其初始含水量較馬尾松松香混交林地高，一旦達到一定的吸力，土壤含水量便隨著基質(zhì)吸力的增大而急速下降。臍橙地和裸地的粉粒含量高，黏粒含量少，土壤粒徑偏大，其質(zhì)地越粗，土壤內(nèi)部的大孔隙數(shù)量比黏土多，導(dǎo)致土壤在飽和情況下還能夠儲存大量水分。但是，由于土壤的大孔隙具基質(zhì)勢小，脫濕狀態(tài)下土壤水優(yōu)先從大孔隙排出，土樣在極小的吸力條件下就開始快速失水，土壤保持水分的能力較弱。相反，馬尾松松香混交林地的土壤黏粒含量越多，砂粒含量少，其土壤粒徑小，質(zhì)地細，孔隙結(jié)構(gòu)較為密實，大孔隙少，中小孔隙多，孔隙連通性變差，使得水分運移速率較粗質(zhì)地土壤慢，其土壤水分特征曲線形態(tài)較平緩，從而表現(xiàn)出了較好的持水能力。由此可見，贛州市上猶縣的典型峰叢坡地土壤持水能力的變化趨勢為馬尾松松香混交林地 > 臍橙地 > 裸地，馬尾松松香混交林地具有更高的持水能力。

4 結(jié)論

(1)不同土地利用條件下其土壤黏粒從大到小依次為馬尾松松香混交林地 > 裸地 > 臍橙地；土壤粉粒的變化規(guī)律與土壤黏粒含量呈現(xiàn)不同趨勢，土壤粉粒從大到小依次為裸地 > 臍橙地 > 馬尾松松香混交林地；土壤砂粒從大到小依次為臍橙地 > 馬尾松松香混交林地 > 裸地。

(2)由水分特征曲線可以得出，臍橙地不同坡地的持水能力大小依次為下坡 > 中坡 > 上坡，馬尾松松香混交林地不同坡地的持水能力大小依次為中坡 ≈ 上坡 > 下坡，裸地不同坡地的持水能力大小依次為上坡 > 下坡 > 中坡。不同土地利用類型土壤持水能力表現(xiàn)為馬尾松松香混交林地 > 臍橙地 > 裸地。

(3)不同樣地土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎含水量、土壤有效水含量存在差異，整體上馬尾松松香混交林的水分狀況較好，吸收水的能力較好，不同樣地田間持水量和凋萎含水量表現(xiàn)為臍橙地 > 馬尾松松香混交林地 > 裸地，土壤有效水含量表現(xiàn)為臍橙地 > 裸地 > 馬尾松松香混交林地，初始含水量和飽和土壤含水量表現(xiàn)為臍橙地 > 馬尾松松香混交林地 > 裸地，土壤有效性表現(xiàn)為臍橙地 > 裸地 > 馬尾松松香混交林地。