李天陽, 何丙輝, 張 怡, 閆建梅, 田家樂, 李振林

(1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400715; 2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

重慶山地血橙園不同模式土壤水分物理性狀

李天陽1, 何丙輝1, 張 怡2, 閆建梅1, 田家樂1, 李振林1

(1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400715; 2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

利用變異系數(shù)，結(jié)合相關(guān)分析及回歸分析，研究了重慶山地血橙園地血橙—紅薯、血橙—花生、血橙—玉米、血橙純林、血橙—茄子5種模式下土壤水分物理性質(zhì)的變異程度，建立了土壤入滲參數(shù)預(yù)報模型。結(jié)果表明：血橙園地各水分物理指標變異程度不同，土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、持水量、土壤自然含水量、有機質(zhì)、排水能力的變異系數(shù)<15%，為弱變異；非毛管孔隙度、機械組成、土壤通氣度的變異系數(shù)值處于15%～75%之間，為中等變異；土壤入滲特征的變異系數(shù)>75%，為強變異。血橙—紅薯，血橙—茄子模式的持水能力較強，砂粒含量較少，粉粒，黏粒含量相對較高，土壤初始含水率，通氣度，排水能力，有機質(zhì)等也較高，而血橙純林的上述指標大小規(guī)律相反；土壤容重與穩(wěn)定入滲率呈顯著負相關(guān)，孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、排水能力與穩(wěn)定入滲率呈顯著或極顯著正相關(guān)。同時利用逐步回歸法建立了影響土壤穩(wěn)滲速率主要因子的線性回歸方程。

水分物理性狀; 入滲預(yù)報模型; 逐步回歸; 重慶山地; 血橙園

土壤水分是影響土壤肥力諸多因素中最重要的因素之一，它不僅能直接影響植物吸收，同時還影響著土壤的物理結(jié)構(gòu)形成，微生物的生命活動，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及其他的土壤生物學(xué)過程[1]，若土壤的水分物理性質(zhì)惡化嚴重，可能會造成生態(tài)系統(tǒng)的水流輸入與輸出條件的變化，導(dǎo)致土壤調(diào)蓄水功能減弱，易引起強烈的水土流失。因此，土壤水分物理性質(zhì)不僅能指示水分對植物的有效性，還反映土壤肥力的高低，是定量研究土壤水分涵養(yǎng)功能的因素[2]。

重慶山地面積占到了總面積的94%[3]，人為的陡坡開荒，造成了土壤水分物理性狀嚴重惡化，水土流失面積增加，水土流失程度加深，而農(nóng)林復(fù)合是解決山區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效技術(shù)之一[4]，對農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)下土壤水分物理性質(zhì)的比較研究是評價農(nóng)林復(fù)合模式是否適用的重要方面。目前，對于土壤水分物理性質(zhì)的研究大多數(shù)集中于喬木[5-8]、喬木與灌木[9-10]或者草地[11]等形式下土壤水分物理性質(zhì)的相互比較研究，山區(qū)不同林分下土壤水分物理性質(zhì)研究也有一些報道[12-13]，但缺少針對重慶山地經(jīng)濟林與農(nóng)作物混作模式下土壤水分物理性狀的分布研究，因此，加強該區(qū)域山地農(nóng)林復(fù)合模式下土壤水分物理性質(zhì)分布研究，評價重慶山地農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的水土保持效益就顯得尤為重要。

本文將重慶市璧山縣的血橙核心示范園區(qū)作為研究基地，采用變異系數(shù)來評價土壤物理性質(zhì)的分布狀況，采用相關(guān)分析及回歸分析方法研究土壤入滲影響因素，建立土壤入滲預(yù)報模型，旨在為重慶山區(qū)營造農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)，防治山地水土流失提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于重慶市璧山縣河邊鎮(zhèn)(106°09′—106°13′E，29°34′—29°43′N)，海拔高度270～400 m，為中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候濕潤，雨量充沛的特點。多年年平均氣溫18.3℃，平均降雨量1 047.3 mm，平均日照時數(shù)1 296.3 h，平均風(fēng)速1.6 m/s，平均相對濕度80%，無霜期337 d。土壤類型以紫色土為主，局部分布有黃壤、潮土、紅壤、水稻土，土層深度≤30 cm。植被為常綠闊葉林帶，主要分布有馬尾松、杉木、柏樹、白櫟等，經(jīng)濟林以塔羅科血橙為主，栽植年限為2 a，栽植密度為1 200株/hm2，血橙林與紅薯、花生、玉米、茄子等農(nóng)作物混作。

1.2 試驗設(shè)計及樣品采集

2012年8月，在研究區(qū)內(nèi)，按照血橙—紅薯、血橙—花生、血橙—玉米、血橙—茄子、血橙純林(對照)5種不同的農(nóng)林復(fù)合模式各選取3塊典型樣地，每塊樣地分別取3個點，用100 cm3的環(huán)刀和鋁盒對土壤進行采樣，同時在每個點按照“S形”5點法分別采集0—20 cm土層混合樣帶回實驗室，棄除礫石草根等雜物，風(fēng)干、過篩后備用。不同模式采樣點的基本情況見表1。

表1 不同模式基本情況

1.3 測定方法及數(shù)據(jù)分析

采用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、持水能力、排水能力、通氣度等[14]，采用烘干法測定土壤自然含水量，采用比重計法測定土壤機械組成，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)，采用室內(nèi)環(huán)刀法測定土壤入滲率，同時用溫度計測定入滲的水溫，將測得的滲透速率統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成10℃時的滲透速率值，具體的轉(zhuǎn)換公式為[15]：

式中：θ——入滲實驗時的水溫(℃)；kθ——溫度為θ時的入滲率。

初始入滲率=前2 min的入滲量/入滲時間，平均入滲率=達到穩(wěn)定入滲時滲透總量/達到穩(wěn)定入滲的時間，穩(wěn)定入滲率=達到穩(wěn)定入滲后的滲透總量/總時間與達到穩(wěn)定入滲的時間之差，累積入滲量=90 min的滲透總量。采用Excel 2007及SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

1.4 土壤水分物理性質(zhì)離散程度評價

土壤變異系數(shù)可以表示土壤各肥力指標的離散程度，而土壤水分物理性質(zhì)也是評價土壤肥力的重要方面，因此用土壤變異系數(shù)來區(qū)分土壤水分物理的變異強弱。一般變異系數(shù)<15%為弱變異，處于15～75%之間為中等變異，>75%為強變異[16-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 血橙園土壤水分物理性狀離散程度

統(tǒng)計血橙園各土壤水分物理性狀，由表2可以看出，血橙園土壤容重為1.20～1.44 g/cm3，其平均值為1.31 g/cm3，根據(jù)離散程度評價標準，屬于弱變異(5.77%)；土壤非毛管孔隙度，毛管孔隙度，總孔隙度分別為8.25%～21.92%，31.43%～43.43%，43.11%～65.35%，平均值分別為13.62%，35.94%，49.56%，分別屬于中等變異(29.36%)、弱變異(9.08%)、弱變異(11.84%)；土壤飽和持水量，毛管持水量，田間持水量分別為27.64%～40.14%，22.85%～28.98%，19.00%～24.18%，平均值分別為33.27%，25.49%，21.43%，變異系數(shù)分別為11.56%，7.36%，8.61%，均屬于弱變異。土壤砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量分別為45.45%～68.11%，15.13%～28.39%，14.18%～27.55%，各粒徑含量平均值分別為56.21%，22.95%，20.84%，變異系數(shù)分別為16.93%，20.77%，24.76%，均屬于中等變異。土壤初始含水率、土壤通氣度、有機質(zhì)含量、排水能力分別為17.76%～26.67%，10.35%～23.33%，10.67～17.09g/kg，37.78～54.22 mm，平均值分別為22.39%，15.09%，14.23 g/kg，42.90 mm，其中土壤初始含量率，有機質(zhì)，排水能力屬于弱變異(11.44%，14.78%，9.44%)，土壤通氣度屬于中等變異(27.06%)。

此外，由表2還可以看出土壤的初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率、累積入滲量變異系數(shù)分別為75.94%，83.37%，78.75%，82.03%，均為強變異，分布不均勻。綜合而言，血橙園土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤持水能力、土壤初始含水率、有機質(zhì)、排水能力分布較均勻，而非毛管孔隙度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、土壤通氣度、入滲能力分布不均勻，這可能與血橙園內(nèi)不同模式對土壤性質(zhì)的改善結(jié)果不同有關(guān)，而入滲能力對模式變化導(dǎo)致的土壤性質(zhì)變化反映最為敏感。

表2 血橙園土壤水分物理性狀離散程度

2.2 血橙園不同模式土壤持水能力

不同模式土壤持水能力大小可反映土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)水循環(huán)功能的強弱，同時毛管持水量與飽和持水量的比值也是衡量水分供應(yīng)狀況的重要指標[5]。由表3可以看出，不同模式飽和持水量、毛管持水量之間差異顯著(P<0.05)，而田間持水量及毛管與飽和持水量比值差異不顯著(P<0.05)。各模式中血橙—紅薯的土壤飽和持水量最大，達到了36.99%，而血橙純林模式土壤飽和持水量最小，為29.53%，二者相差了25.26%，而血橙—玉米、血橙—茄子、血橙—花生的土壤飽和持水量分別比血橙純林高20.01%，11.41%，6.67%；血橙—茄子、血橙—紅薯、血橙—玉米的毛管持水量相差不大，分別為26.69%，26.68%，26.39%，而血橙純林、血橙—花生的毛管持水量相對較小，分別為24.02%，23.68%；除此之外，血橙—茄子、血橙—紅薯的田間持水量較大，分別為22.83%，22.77%，其次為血橙—玉米、血橙—花生分別為21.57%，20.10%，血橙純林的土壤田間持水量最小，為19.89%；各模式中血橙—紅薯、血橙—玉米、血橙—花生的毛管持水量與飽和持水量比值較小，低于了80%，分別為72.13%，74.46%，75.17%，而血橙—茄子，血橙純林的毛管持水量與飽和持水量比值較大，分別為81.12%，81.34%。綜合而言，血橙—紅薯模式的持水能力最強，血橙—純林的持水能力最弱，但前者的供水能力要弱于后者。

土壤的貯水能力主要受土壤非毛管孔隙度的影響，常利用公式S=10000IP來進行計算，其中S為土壤的貯水能力(t/hm2)，I為土層厚度(m)，本文取0.2 m，P為非毛管孔隙度(%)。經(jīng)過計算，血橙園各模式土壤貯水能力見表3，血橙—紅薯模式的土壤貯水能力最強，達到397.07 t/hm2，血橙純林的土壤貯水能力最弱，為189.73 t/hm2，二者相差109.28%，此外，血橙—花生、血橙—玉米、血橙—茄子模式的土壤貯水能力比血橙純林分別高46.24%，45.68%，16.90%。方差分析結(jié)果也表明各模式土壤貯水能力之間差異顯著(P<0.05)。以上分析說明血橙純林調(diào)蓄徑流的作用最弱，但有研究表明[18]，非毛管孔隙的貯水只是在土壤水分達到飽和時的瞬時水量，受重力作用會不斷向土壤深層滲透，所以這種貯水能力的強弱只是暫時的比較。

2.3 不同模式土壤機械組成、含水率及有機質(zhì)變化

由表4可以看出，血橙園各模式土壤砂粒、粉粒、黏粒含量均差異顯著(P<0.05)，其中血橙—茄子，血橙—紅薯模式的土壤砂粒含量較少，分別為45.61%，46.32%，血橙純林的砂粒含量最多，為67.44%，而血橙—玉米，血橙—花生的砂粒含量居中，分別為56.27%，65.44%。砂粒含量的差異也反映出不同模式粉粒，黏粒含量的多少，血橙—紅薯和血橙—茄子的粉粒、黏粒含量相對較多，血橙純林的粉粒、黏粒含量最少，血橙—花生、血橙—玉米的粉粒、黏粒含量居中。

土壤初始含水率決定土壤入滲初期的土水勢，影響土壤的入滲過程，進而影響著地表徑流產(chǎn)量。由表4看出，不同模式土壤初始含水率差異顯著(P<0.05)，其中血橙—純林的土壤初始含水率最小，為18.63%，血橙—玉米模式的土壤初始含水率最大，為24.22%，二者相差30%，其余幾種模式的土壤初始含水率均在22%以上，與血橙—玉米模式相差不大。此外各種模式的土壤通氣度和排水能力差異不顯著(P<0.05)，其中以血橙—紅薯模式的土壤通氣度最大，排水能力最強，血橙純林的土壤通氣度最小，排水能力最弱。

有機質(zhì)能促進生成團粒結(jié)構(gòu)，增加孔隙，改善土壤性狀。表4中，各模式的土壤有機質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)，其中血橙—茄子模式的有機質(zhì)含量最大，達到了16.79 g/kg，血橙純林模式的有機質(zhì)含量最小，為10.78 g/kg，而血橙—玉米，血橙—花生，血橙—紅薯的土壤有機質(zhì)含量分別為15.45，14.44，13.66 g/kg。

表4 不同模式土壤機械組成、初始含水率及排水能力

2.4 土壤水分入滲影響因素分析

圖1是對土壤容重、孔隙度、持水量、機械組成、土壤初始含水率、通氣度、有機質(zhì)、排水能力與穩(wěn)定入滲率做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定入滲率與土壤容重呈顯著負相關(guān)，可用方程y=2.5643x-8.857(R2=0.4809，P<0.05)描述；穩(wěn)定入滲率與非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，可用方程y=0.0315e0.1487x(R2=0.6618，P<0.01)描述；與毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)，可用方程y=0.0067x2-0.446x+7.6515(R2=0.5114，P<0.05)描述；與總孔隙度成極顯著正相關(guān)，可用方程y=0.0375x-1.5501(R2=0.8262，P<0.01)描述；與飽和持水量呈顯著正相關(guān)，可用方程y=0.0358x-0.8848(R2=0.3242，P<0.05)描述；與毛管持水量呈顯著正相關(guān)，可用方程y=1.8598ln(x)-5.7106(R2=0.3151，P<0.05)描述；與排水能力呈顯著正相關(guān)，可用方程y=1.8564ln(x)-6.6636(R2=0.4720，P<0.05)描述；與田間持水量、砂粒、粉粒、黏粒、土壤含水率、通氣度、有機質(zhì)關(guān)系不顯著。

2.5 土壤穩(wěn)定入滲率的預(yù)報模型

以穩(wěn)定入滲率為Y值，選取影響滲透的主要因子土壤容重(x1)、非毛管孔隙度(x2)、毛管孔隙度(x3)、總孔隙度(x4)、飽和持水量(x5)、毛管持水量(x6)、田間持水量(x7)、砂粒含量(x8)、粉粒含量(x9)、黏粒含量(x10)、土壤初始含水率(x11)、土壤通氣度(x12)、有機質(zhì)(x13)、排水能力(x14)在95%置信度下建立多元線性回歸模型：Y=-1.134-0.759x1+35.886x2+35.867x3-35.830x4+0.104x5+0.102x6-0.171x7+0.008x8-0.057x9+0.051x10-0.050x11-0.095x12+0.077x13-0.019x14。觀察建立的多元線性回歸模型，發(fā)現(xiàn)部分參數(shù)(如總孔隙度、排水能力)符號與常理不符，這是因為各變量間存在多重共線性，因此在統(tǒng)計顯著性參數(shù)P=0.05條件下建立逐步線性回歸方程為：Y=-1.735+0.047x4-0.02x12，觀察方程發(fā)現(xiàn)土壤穩(wěn)定入滲率可由總孔隙度及土壤通氣度聯(lián)合求得。將各模式總孔隙度及土壤通氣度代入方程求得血橙—紅薯、血橙—花生、血橙—玉米、血橙純林、血橙—茄子模式的穩(wěn)定入滲率分別為0.64 mm/min，0.14 mm/min，0.23 mm/min，0.11 mm/min，0.34 mm/min，與實測值比較，除血橙純林差異大一些之外，其他模式相差均在18%以內(nèi)，基本滿足預(yù)報的要求。

圖1 穩(wěn)定入滲率的影響因素

3 討論和結(jié)論

(1) 根據(jù)土壤肥力變異強弱評價方法，認為血橙林下土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、持水量、土壤初始含水率、有機質(zhì)、排水能力為弱變異(CV<15%)，離散程度不高，非毛管孔隙、砂粒、粉粒、黏粒、土壤通氣度為中等變異(15%75%)，離散程度很高。此外，血橙園中不同模式土壤的水分物理性質(zhì)之間定量比較結(jié)果為血橙—紅薯，血橙—茄子模式的土壤持水能力相對較強，血橙純林模式的土壤持水能力最弱，而供水能力最強。血橙—紅薯，血橙—茄子模式的土壤砂粒含量較小，粉粒和黏粒含量較多，土壤初始含水率，土壤通氣度以及有機質(zhì)含量較多，排水能力較強，血橙—玉米、血橙—花生上述指標居中，而血橙純林的則與之呈相反的規(guī)律。不同的離散程度及數(shù)量差異表明血橙園地水分物理性狀的分布狀況，也表明了不同模式對水分物理性狀的改善效果有差異，其原因在于不同模式植被在地上部分的組合以及地下根系的分布特征不同，植被對降雨的截留、水份的吸收、地下根系纏繞及死亡后轉(zhuǎn)化成的有機質(zhì)量等均不同，造成了各種模式下水分物理性質(zhì)的差異，其離散程度就顯著不同，這與前人的研究結(jié)果一致[5-10]。

(2) 血橙林下水分物理指標與土壤穩(wěn)定入滲率相關(guān)顯著性各不相同，其中土壤容重與入滲能力呈顯著負相關(guān)，孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、排水能力與入滲能力呈顯著或極顯著正相關(guān)。在統(tǒng)計顯著性參數(shù)P=0.05條件下建立的逐步線性回歸方程，篩選出總孔隙度和土壤通氣度兩個變量來定量預(yù)測土壤穩(wěn)定入滲率的大小。呂剛等[19]研究了三峽庫區(qū)紫色土區(qū)不同土地利用類型下土壤的水分入滲特征，認為土壤穩(wěn)定入滲率與容重呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與非毛管孔隙呈冪函數(shù)關(guān)系，與砂粒呈冪函數(shù)關(guān)系，而與其他的特征指標無顯著相關(guān)性，且建立了以非毛管孔隙度、容重、>0.25 mm的水穩(wěn)性團粒含量為自變量的多元對數(shù)線性預(yù)報模型，劉慶柏等[20]在遼寧省北票縣刺槐—油松林內(nèi)建立了以黏粒含量、非毛管孔隙度、土壤自然含水量為自變量的多元線性回歸模型來預(yù)報土壤穩(wěn)滲率，本文則建立了以總孔隙度、土壤通氣度為自變量的多元線性回歸模型。不同研究中，土壤穩(wěn)定入滲率的影響因素不同，預(yù)報模型變量指標也不一樣，這可能與研究區(qū)域所處的地理位置、氣候以及土地利用類型有關(guān)，不同地理位置、氣候及土地利用類型造成了土壤容重、孔隙度、持水能力、機械組成、有機質(zhì)含量等的差異，進而影響到土壤入滲的能力。在本研究區(qū)內(nèi)還需要進一步在較大范圍內(nèi)收集土壤性狀數(shù)據(jù)，為綜合評價土壤質(zhì)量好壞提供數(shù)據(jù)支撐。

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ResearchonSoilMoisturePropertiesunderDifferentTypesofBloodOrangeGardeninHillyAreaofChongqing

LI Tian-yang1, HE Bing-hui1, ZHANG Yi2, YAN Jian-mei1, TIAN Jia-le1, LI Zhen-lin1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,KeyLaboratoryofEco-environmentsintheThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

With coefficient of variation, correlation analysis and regression analysis, the variation degree of soil moisture and physical properties of the blood orange garden with growing blood orange-sweet potato, blood orange-peanut, blood orange-maize, blood orange-eggplant, pure blood orange were studied in of hilly area of Chongqing, and the soil water infiltration prediction model was established. The results indicated that the variation degrees of soil moisture and physical properties were different in blood garden. The coefficients of variation of soil bulk density, capillary porosity, total porosity, water-holding capacity, initial soil water content, soil organic matter, drainage ability were less than 15%, which were weak variation; the coefficient of variation of non-capillary porosity, mechanical composition, soil venting quality were between 15% and 75%, which were medium variation. The coefficients of variation of soil infiltration characteristics were greater than 75%, which were strong variation. The water-holding capacity, soil silt and clay content, initial soil water content, soil venting quality, drainage ability, soil organic matter of the patterns of blood orange-sweet potato and blood orange-eggplant were higher and soil sand contents were lower. Moreover, the indexes which were mentioned in the garden of pure blood orange had the inverse law. Soil bulk density had significant negative correlation with steady infiltration rate when porosity, maximum water-holding capacity, capillary water-holding capacity, drainage ability had significant or highly significant correlation with steady infiltration rate. With the stepwise regression method, the linear regression equation of the main factors which affected the soil steady infiltration rate was established.

soil moisture and physical properties; soil infiltration prediction model; stepwise regression; hilly area of Chongqing; blood orange garden

2013-07-10

：2013-08-05

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項課題(201104043);重慶市重大科技專項(CSTC2009AB1115);西南大學(xué)生態(tài)學(xué)重點學(xué)科“211工程”三期建設(shè)項目

李天陽(1988—),男,四川蓬溪人,碩士,主要從事城市水土保持研究。E-mail:litianyang8853@163.com

何丙輝(1966—),男,湖南汩羅人,博士,教授,主要從事土壤侵蝕與小流域綜合治理研究。E-mail:hebinghui@yahoo.com

S152.7

：A

：1005-3409(2014)02-0033-06