城市化對樂山市土壤持水能力的影響

摘 要 隨著全球氣候變暖和人類活動強度的增加，土壤退化、水源涵養(yǎng)功能降低等生態(tài)問題日益嚴重。采集了四川省樂山市鄉(xiāng)村、城郊、城市3個城市化水平下的土壤樣品，共計60份土壤樣品，分析不同城市化梯度下土壤持水能力的差異。結果表明：1）樂山市土壤最大持水量均值為773.34 t·hm-2，毛管持水量均值為720.91 t·hm-2，田間持水量均值為390.89 t·hm-2，非毛管持水量均值為52.43 t·hm-2。2）隨城市化梯度增加，土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量顯著降低。3）冗余分析表明，城市化梯度對土壤持水能力具有最大的解釋能力。城市化可以顯著影響土壤持水能力，研究結果為樂山市土壤持水功能優(yōu)化管理提供數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞 城市化；土壤理化性質；土壤持水能力；耦合分析；四川省樂山市

中圖分類號：P426.68 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.01.014

水源涵養(yǎng)功能是生態(tài)系統(tǒng)最為重要的服務功能之一，生態(tài)系統(tǒng)中的林冠層、枯落物層、土壤層和水互相作用，對降水進行攔截和蓄積，這種調節(jié)降水的能力即為水源涵養(yǎng)功能[1- 2]。

土壤層是水源涵養(yǎng)功能的第三活動層，也是發(fā)揮水文效應最為重要的一層，可以調節(jié)森林90%的大氣降水[3]。土壤層可以利用利用其孔隙的貯存功能把水分儲藏，進而起到延緩地表徑流和水土保持的功能[4]。國內外學者對土壤層持水功能已開展了廣泛研究。劉宣等研究表明，土壤有機碳含量、顆粒碳含量和土壤持水量、孔隙度指標顯著正相關[5]（p＜0.05）。鄧健睿等研究了東北地區(qū)5種典型人工林（落葉松純林、油松純林、樟子松純林、針闊混交林和針葉混交林）持水能力的差異，得出樟子松純林土壤最大蓄水量、田間持水量和毛管持水量顯著高于其他4種林型[6]。吳雪銘等研究了間伐強度對樟子松林土壤持水能力的影響，發(fā)現(xiàn)間伐強度小于40%時對土壤持水功能具有促進作用[7]。目前，土壤持水功能相關研究主要集中在森林[8-10]，城市土壤持水能力研究相對較少。因此，城市土壤持水功能的研究還需加強。

近幾十年來，隨著全球氣候變暖及人類活動強度加大，天然林面積減少，草地退化嚴重，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能降低[11]。城市化是當前人類發(fā)展的必然趨勢，但城市化也對植被、土地利用類型產生巨大影響[12]。因此，開展不同城市化水平下土壤持水能力的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

1 "材料與方法

1.1 "研究區(qū)概況

樂山市位于四川省中部，四川盆地的西南部，地理位置處于東經102°55′～104°00′，北緯28°25′～29°55′。樂山市處于四川盆地向西南山地過渡的地帶，地勢呈西南高，東北低，高差較大。地貌有山地、平原和丘陵3種類型，以山地為主，山地、丘陵、平原分別占66.5%、21.0%、12.5%。樂山市屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫為17.2 ℃，年平均降水量為1 122.5 mm。樂山市是成渝經濟區(qū)重要交通節(jié)點和港口城市、成都經濟區(qū)核心圈層的重要樞紐城市[13]。

1.2 "土壤樣品采集

參照王寧等的方法[14]，在樂山城市（建筑物和道路密集的城區(qū)中心）、城郊（遠離中心城區(qū)，但可通過公路到達的綠化帶）、鄉(xiāng)村（農業(yè)用地內）3個城市化梯度各設置20個樣點采集土壤樣品。各城市化梯度采樣點間的直線距離均大于 5 km。在每個樣點用100 cm3環(huán)刀采集表層0～20 cm土壤樣品，用于后期室內測定4個持水能力指標（土壤最大持水量、田間持水量、毛管持水量和非毛管持水量）和5個土壤理化性質指標（土壤容重、含水量、有機碳、全氮、全磷含量）。

1.3 "土壤持水能力指標測定

土壤持水能力相關指標采用室內環(huán)刀法進行測定，公式如下[4]：

Maxwc土壤最大持水量=10 000*h*Tp （1）

Cpwc土壤毛管持水量=10 000*h*Cp （2）

Fcwc土壤田間持水量=10 000*h*Fc "（3）

Ncpwc土壤非毛管持水量=10 000*h*Ncp "（4）

其中，h為土壤厚度（m），Tp為土壤總孔隙度（%），Cp為土壤毛管孔隙度（%），F(xiàn)c為土壤田間持水率（%），Ncp為非毛管孔隙度（%）。

1.4 "土壤理化性質測定

土壤含水量（WC）采樣風干法進行測定，土壤容重（BD）采用環(huán)刀法測定，土壤有機碳（SOC）含量用重鉻酸鉀油浴法測定，全氮（TN）含量用半微量凱氏定氮法測定，全磷（TP）含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定。詳細測定方案參見文獻[15]。

1.5 "數(shù)據(jù)分析方法

使用JMP 10.0軟件對土壤持水能力指標進行頻率分布箱線圖進行分析，頻率分布相關圖示可見參考文獻[16]。針對土壤理化性質和土壤持水能力指標，采用算數(shù)平均值和標準誤的方法表示。土壤持水能力、理化性質指標在不同城市化梯度的差異，使用單因素方差分析和鄧肯多重比較進行分析。采用Canoco 5.0軟件進行冗余排序分析。其中土壤持水能力指標作為被解釋因子，解釋因子包括土壤理化性質[土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、含水量（MC）、容重（BD）]和城市化梯度（UG）。

2 "結果與分析

2.1 "樂山市土壤持水能力指標頻率分布

樂山市土壤最大持水量均值為773.34 t·hm-2，25%中位數(shù)為702.03 t·hm-2，75%中位數(shù)為837.36 t·hm-2；700～800 t·hm-2分布最多，所占比例高達27%；分布類型為單峰型。土壤毛管持水量均值為720.91 t·hm-2，25%中位數(shù)為649.88 t·hm-2，75%中位數(shù)為786.00 t·hm-2；700～800 t·hm-2分布最多，所占比例高達45%；分布類型為單峰型。土壤田間持水量均值為390.89 t·hm-2，25%中位數(shù)為331.99 t·hm-2，75%中位數(shù)為448.96 t·hm-2；300～400 t·hm-2分布最多，所占比例高達40%；分布類型為單峰型。土壤非毛管持水量均值為52.43 t·hm-2，25%中位數(shù)為24.09 t·hm-2，75%中位數(shù)為69.61 t·hm-2；25～50 t·hm-2分布最多，所占比例高達32%；分布類型為單峰型（表1）。

2.2 "不同城市化梯度土壤理化性質差異

土壤容重隨城市化梯度增加顯著增加，高城市化土壤容重（城市）較低城市化（農村）顯著高出20.45%；土壤含水量隨城市化梯度增加呈現(xiàn)出變小的變化趨勢，但差異不顯著；土壤有機碳含量也隨城市化梯度的增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢，但差異不顯著；土壤全氮含量隨城市化梯度的增加顯著降低，低城市化土壤全氮（農村）較高城市化（城市）高出14.63%；土壤全磷含量隨城市化梯度的增加顯著增加，高城市化土壤全磷較低城市化顯著高出25.62%（表2）。

2.3 "不同城市化梯度持水能力差異

土壤最大持水量隨城市化梯度增加顯著降低，低城市化土壤最大持水量（農村）較高城市化（城市）顯著高出13.20%；土壤毛管持水量隨城市化梯度增加呈現(xiàn)出變小的變化趨勢，且差異顯著；低城市化土壤毛管持水量（農村）較高城市化（城市）顯著高出9.55%；土壤田間持水量也隨城市化梯度的增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢，但差異不顯著；土壤非毛管持水量隨城市化梯度的增加顯著降低，低城市化土壤非毛管持水量（鄉(xiāng)村）較高城市化（城市）顯著高出96.48%（表3）。

2.4 "冗余分析

綜合土壤理化性質指標和城市化梯度（解釋變量）與土壤持水能力（響應變量）的排序結果（圖1），土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）與土壤最大持水量（Maxwc）、毛管持水量（Cpwc）、田間持水量（Fcwc）、非毛管持水量（Ncpwc）正相關；土壤含水量（WC）與土壤最大持水量（Maxwc）、毛管持水量（Cpwc）、田間持水量（Fcwc）正相關；土壤容重（BD）、全磷（TP）、城市化梯度（UG）與土壤最大持水量（Maxwc）、毛管持水量（Cpwc）、田間持水量（Fcwc）、非毛管持水量（Ncpwc）負相關。

簡單效應結果表明，城市化梯度UG對土壤持水能力解釋能力最大（p＜0.01），解釋量為10.0%；其次是土壤全磷TP和土壤有機碳SOC（p＜0.05）。條件效應結果表明，城市化梯度UG依然是對土壤持水能力貢獻最大的（p＜0.01），解釋量與單獨作用相等（表4）。

3 "討論和結論

3.1 "討論

土壤容重和孔隙度是反映土壤層持水能力的重要指標，其大小對土層中植物根系的生長、根系對養(yǎng)分及水分的吸收、根系的呼吸等都具有重要影響[1， 17]。土壤容重、土壤孔隙度和土壤層持水能力密切相關，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，則土壤保水能力和滲水能力越強[18]。本研究結果表明，土壤容重隨城市化梯度增加顯著增加，高城市化土壤容重（城市）較低城市化土壤（農村）顯著高出20.45%，這說明城市化進程會顯著影響土壤容重，進而影響土壤持水功能。除了土壤容重外，土壤含水量也是土壤持水能力的良好預測因子[19]。本研究表明，隨城市化梯度增加，土壤含水量有下降的趨勢，從大到小依次為：農村（11.92%）、城郊（11.71%）、城市（10.8%）。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳也隨城市化梯度的增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢，但未達到統(tǒng)計學水平。土壤有機碳與土壤孔隙度正相關[20]，土壤有機碳可以通過影響土壤養(yǎng)分進而影響其持水能力；其次，土壤有機碳也能夠作為一種膠結劑，促進土壤團聚體的形成，進而通過改變土壤容重和孔隙度來調節(jié)土壤持水功能[21]。土壤全磷隨城市化程度增加而顯著增加，城市出現(xiàn)磷素富集，全磷含量顯著高于農村，這與前人研究結果一致[22]。

本研究表明，隨城市化梯度增加，土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量都顯著降低。這說明隨著城市化梯度增加，土壤層水源涵養(yǎng)功能下降。鄧健睿通過不透水面占比的方法劃分高中低3個城市化梯度，結果表明隨城市化梯度增加，土壤最大持水量和田間持水量顯著降低[23]，這與本研究結果一致。本研究也通過冗余排序分析表明，城市化梯度UG對土壤持水能力解釋能力最大（p＜0.01），解釋量為10.0%。近年來，人類社會從鄉(xiāng)村向城市轉型的過程中，人類的生產活動對城市生態(tài)系統(tǒng)結構與功能產生了重大影響。城市化過程中會有平整土地、建設城市道路、清除樹木等措施，人為干擾活動頻繁。城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，在城市化的人為干擾下，城市土壤的環(huán)境質量會隨城市化的進程呈現(xiàn)出地帶性分異規(guī)律[14]。

3.2 "結論

通過對樂山市不同城市化梯度下土壤持水能力指標分析可以得出，樂山市土壤最大持水量均值為773.34 t·hm-2，毛管持水量均值為720.91 t·hm-2，田間持水量均值為390.89 t·hm-2，非毛管持水量均值為53.43 t·hm-2。隨城市化梯度增加，土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量顯著降低。冗余分析表明，城市化梯度對土壤持水能力具有最大的解釋能力。

參考文獻：

[1] 楊靜， 張耀藝， 譚思懿， 等. 亞熱帶不同樹種土壤水源涵養(yǎng)功能 [J]. 生態(tài)學報， 2020， 40（13）： 4594-4604.

[2] 陳文靜， 祁凱斌， 黃俊勝， 等. 川西不同樹種人工林對土壤涵水能力的影響 [J]. 生態(tài)學報， 2017， 37（15）： 4998-5006.

[3] 孫立博， 余新曉， 陳麗華， 等. 壩上高原楊樹人工林的枯落物及土壤水源涵養(yǎng)功能退化 [J]. 水土保持學報， 2019， 33（1）： 104-110.

[4] 韓青池， 王海超， 孫凱， 等. 庫布齊沙漠人工林的水源涵養(yǎng)能力 [J]. 水土保持通報， 2023， 43（6）： 133-141.

[5] 劉宣， 崔寧潔， 譚飛川， 等. 華西雨屏區(qū)柳杉人工林土壤持水能力及其對土壤有機碳的指示作用 [J]. 應用與環(huán)境生物學報， 2023， 29（3）： 670-679.

[6] 鄧健睿， 楊艷波， 婁婧， 等. 遼河上游森林土壤理化性質及持水能力研究 [J]. 土壤與作物， 2021， 10（4）： 449-459.

[7] 吳雪銘， 余新曉， 陳麗華， 等. 間伐強度對壩上樟子松林下持水能力的影響 [J]. 應用生態(tài)學報， 2021， 32（7）： 2347-2354.

[8] 林松， 張崑， 蔣仲龍， 等. 永嘉縣四海山林場森林枯落物及土壤持水能力研究 [J]. 中國水土保持， 2021（2）： 52-55， 69.

[9] 何露露， 強薇， 張燕， 等. 川西亞高山針葉林次生演替對土壤持水量的影響 [J]. 應用與環(huán)境生物學報， 2021， 27（3）： 639-647.

[10] 王瑋璐， 賀康寧， 張?zhí)叮?等. 青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤機械組成和理化性質對其飽和導水率和持水能力的影響 [J]. 植物資源與環(huán)境學報， 2020， 29（2）： 69-77.

[11] 賀祥， 林佳卉， 張新宇. 喀斯特山區(qū)城鄉(xiāng)人類活動強度及其效應時空演變研究 [J]. 水土保持研究， 2023， 30（4）： 384-393.

[12] SWAN C M， JOHNSON A， NOWAK D J. Differential organization of taxonomic and functional diversity in an urban woody plant metacommunity [J]. Applied Vegetation Science， 2017， 20（1）： 7-17.

[13] 劉小波， 秦天彬， 周寶同， 等. 基于改進SPA的樂山市耕地生態(tài)安全評價 [J]. 西南師范大學學報（自然科學版）， 2016， 41（3）： 147-154.

[14] 王寧， 麥麥提吐爾遜·艾則孜， 娜珠盼·斯德克江， 等. 烏魯木齊市沿城市化梯度帶土壤重金屬環(huán)境容量評估 [J]. 環(huán)境科學與技術， 2023， 46（12）： 171-179.

[15] WANG W J， QIU L， ZU Y G， et al. Changes in soil organic carbon， nitrogen， ph and bulk density with the development of larch （larix gmelinii） plantations in China [J]. Global Change Biology， 2011， 17（8）： 2657-2676.

[16] 張波， 王文杰， 周偉， 等. 哈爾濱城市森林樹木生長狀況及各生長指標的相關性分析 [J]. 安徽農業(yè)科學， 2016， 44（26）： 127-128， 154.

[17] 莫柳萍， 梁振銘. 桂東典型針闊葉林分凋落物及土壤持水特征 [J]. 現(xiàn)代農業(yè)科技， 2023（22）： 85-89.

[18] 伊懷虎， 艾力夏提·庫爾班， 韋自強， 等. 不同結構落葉松人工林枯落物和土壤的持水特性 [J]. 森林與環(huán)境學報， 2023， 43（5）： 481-490.

[19] 井麗欣. 東北典型林植物多樣性與菌根類型對水源涵養(yǎng)功能影響研究 [D]. 哈爾濱： 東北林業(yè)大學， 2023.

[20] 涂立輝， 熊偉， 王彥輝， 等. 寧夏六盤山半干旱區(qū)典型植物群落的持水功能及其對土壤有機碳的影響 [J]. 北京師范大學學報（自然科學版）， 2023， 59（3）： 433-441.

[21] 王斐， 馬銳豪， 夏開， 等. 森林轉換對土壤活性有機碳組分的影響 [J]. 水土保持研究， 2023， 30（1）： 233-240.

[22] 王啟， 李艷， 王連維， 等. 成都東部“城–郊–鄉(xiāng)” 梯度綠地土壤碳氮磷化學計量特征 [J]. 土壤， 2017， 49（2）： 358-363.

[23] 鄧健睿.吉林省遼河上游區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能特征研究[D].長春：中國科學院大學（中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所），2022.

（責任編輯：易 "婧）