張斌艷，熊東紅，李小英，劉 琳，張寶軍，唐永發(fā),3 ，史亮濤

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224；2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014；4.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀 651300)

【研究意義】元謀干熱河谷是中國西南地區(qū)特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境類型區(qū)，由于其獨特的氣候條件(干濕季分明、雨季暴雨集中、干濕交替頻繁等)和巖土性質(zhì)(結(jié)構(gòu)松散、粘砂互層、抗蝕性能差等)，導(dǎo)致該區(qū)沖溝侵蝕劇烈，水土流失嚴(yán)重，形成大量的侵蝕劣地[1-2]。該地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)為1.64×104t/(km2·a)[3-4]，溝壑密度在3.0～5.0 km/km2，最大可達7.4 km/km2[5]。同時，該區(qū)又具有豐富的光熱資源，太陽輻射強、熱量足、晝夜溫差大，非常適宜果蔬種植，是全國重要的露天冬早蔬菜源產(chǎn)地。在經(jīng)濟利益驅(qū)動下，自2005年起，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民開始自發(fā)地對侵蝕劣地開始填溝造地，之后隨著大型機械的推廣應(yīng)用，該區(qū)實施了大規(guī)模的平溝建園工程。該工程是在原始侵蝕劣地的基礎(chǔ)上利用推土機、挖掘機大型現(xiàn)代化機械，由上(溝頂)至下(溝底)逐層進行削坡、填溝、分臺、壓實等處理，最終形成面積在500～1000 m2階梯狀臺地[6]，其上種植果蔬等附加值高的經(jīng)濟作物。經(jīng)多年實踐證明，平溝建園工程是元謀干熱河谷一種成功的土地治理模式。土壤水分物理性質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，土壤的養(yǎng)分情況、結(jié)構(gòu)狀況以及持水、保水性能均可通過土壤水分物理性質(zhì)體現(xiàn)。土壤水分物理性質(zhì)主要由土壤容重、孔隙度及持蓄水性能等指標(biāo)組成，其對于涵養(yǎng)水源、防治水土流失具有重要意義[8]?！厩叭搜芯窟M展】目前，國內(nèi)外對土壤水分物理性質(zhì)的研究多集中于不同海拔高度、灌溉模式、種植作物和作物搭配模式對土壤水分物理性質(zhì)的影響，以及不同林地類型、不同土地利用類型條件下水分物理性質(zhì)的變化等方面[9-13]。大量研究證實，土地整治項目的實施將影響土地表層土體，下墊面的情況會發(fā)生改變，對土壤水分物理性質(zhì)產(chǎn)生巨大影響，從而影響到雨水入滲、地表產(chǎn)流和損失以及土壤中水分滲漏等水文過程[14-18]。元謀干熱河谷平溝建園工程實施過程中明顯改變了原有地貌，將原本溝壑縱橫的侵蝕劣地，建成平整有序的臺地(圖1)，逐漸形成了一定規(guī)模的果蔬園。經(jīng)過平溝建園施工建設(shè)和長期的耕作管理，土壤容重、孔隙度、持水量等物理性質(zhì)也會隨著工程實施年限發(fā)生變化。由于元謀氣候干燥炎熱、水分蒸發(fā)劇烈，土壤水分就成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。該區(qū)的土壤水分研究多集中在不同集水保水措施、不同林草植被、不同土地利用類型、不同整治方式及不同侵蝕溝部位土壤水分的變化研究[19-22]。但對于平溝建園后土地的土壤水分物理性質(zhì)研究還鮮有報道。【本研究切入點】本研究在元謀干熱河谷典型平溝建園區(qū)，選取了4個不同年限(0.5、5、10、15年)平溝建園樣地及1個自然荒溝坡面為對照樣地，開展土壤水分物理性質(zhì)變化研究。對比分析平溝建園工程及其實施年限對土壤水分物理性質(zhì)的影響，探尋土壤理化性質(zhì)隨年限和土層變化規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為綜合評估平溝建園工程影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為后續(xù)平溝建園地的開發(fā)和利用提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

元謀干熱河谷區(qū)是金沙江干熱河谷的代表地段，該區(qū)是南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有“炎熱干燥、降水集中、干濕季分明”的特征[23]。年均降水量615.1 mm，年蒸發(fā)量高達3911.2 mm，為年降水量的6.4倍。年日照時數(shù)2550～2744 h，年均氣溫21.9 ℃，無霜期350～365 d[24]。土壤以燥紅土與變性土為主，該地區(qū)的基帶土壤為燥紅土[25]。植被以灌草為主，在立地條件好的地方有少量喬木生長；扭黃茅(Heteropogoncontortus)和孔穎草(Botnrocholaportusa)是該地區(qū)主要的草本植物，灌木和喬木則為車桑子(Dodoneaeviscosa)和滇合歡(AlbiziasimeonisHarms)。元謀組地層主要由第四紀(jì)河湖沉積物組成，具有“結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)度差、易侵蝕”等特征。在經(jīng)濟利益驅(qū)動下，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民自發(fā)開展了大量平溝建園工作，將侵蝕劣地修整為階梯狀臺地，2010—2018年元謀累積建成園地超過6700 hm2，達到了干熱河谷面積的5%，通過大量果蔬種植，新造地的年收益最大可達投入的12.7倍，經(jīng)濟效益顯著[6]。實驗樣地集中分布于中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所與云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院合建的干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站(以下簡稱“元謀站”)附近(101°35′～102°06′E，25°23′～26°06′N)。

1.2 樣地選擇

2021年4月，經(jīng)過多次實地調(diào)查，在元謀站附近典型平溝建園區(qū)，選取了4塊不同實施年限(0.5、5、10、15年)的平溝建園樣地，及1個原始荒溝坡面為對照樣地，各樣地在實施平溝建園工程前均為原始侵蝕溝岸荒坡。0.5年樣地為2020年12月新建地(目前待開發(fā)利用)，其余年限樣地均是種植經(jīng)濟林木(株行距均為2.5 m×2.5 m)。各樣地在選擇時充分考慮地形地貌(均位于原始溝岸兩側(cè))、海拔(1080～1117 m)、撫育措施(種植第1年有常規(guī)灌溉管理，樹木成活后處于極少人為干擾的粗放管理狀態(tài))等條件一致，避免這些因素對實驗結(jié)果造成影響，且采樣期間為元謀的旱季，采樣前后1周內(nèi)無有效降水。對各樣地的植物種類、植被蓋度、土壤類型、土地歷年利用情況等進行考察記錄，各樣地基本情況如表1所示。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

在上述確定的樣地中按照“S”形隨機布設(shè)3個取樣點，開挖剖面，使用環(huán)刀進行原狀土土壤樣品采集，取樣深度分別為0～10、10～20、20～40、40～60 cm，每層各取3個樣品，共計180個樣品，同時使用自封袋采集每個土層混合土樣帶回實驗室進行物理性質(zhì)測定。用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、土壤飽和含水量、田間持水量和毛管持水量等物理性質(zhì)[26]；土壤飽和導(dǎo)水率測定采用雙環(huán)刀恒定水頭法；土壤自然含水率借助前期埋設(shè)于取樣點附近的FDR水分監(jiān)測管，采用PR2/6土壤剖面水分儀進行測定。土壤飽和蓄水量、非毛管蓄水量和毛管蓄水量則運用下列公式計算。

Wt=Pth

(1)

Wo=Poh

(2)

Wc=Pch

(3)

式中,Wt為土壤飽和蓄水量(t/m2)，Wo為土壤非毛管蓄水量(t/m2)，Wc為土壤毛管蓄水量(t/m2)，Pt為土壤總孔隙度(%)，Po為土壤非毛管孔隙度(%)，Pc為土壤毛管孔隙度(%)，h為土層厚度(m)。

表1 樣地基本情況

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用軟件Excel 2016進行數(shù)據(jù)整合，SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析：采用單因素方差分析和LSD法進行不同樣地、不同土層土壤水分物理性質(zhì)差異顯著性檢驗；圖片則利用軟件Origin 2018進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限平溝建園地土壤容重及孔隙度變化

從圖2可知，平溝建園工程實施不同年限后，各土層容重均顯著提高(P<0.05，圖2-a)，與對照相比，平溝建園工程實施0.5、5、10、15年后，土壤容重均值分別顯著提高了3.6%、5.1%、7.1%和9.8%。平溝建園工程實施不同年限間土壤容重變化也存在顯著差異，各土層土壤容重整體表現(xiàn)為隨年限增加逐漸增大，即15年>10年>5年>0.5年，且5～10年內(nèi)急劇增加，10年后增加趨勢減緩，逐步趨于穩(wěn)定。就同一年限不同土層而言，實施0.5年樣地各土層間容重差異較小，在實施后期(10、15年)的0～40與40～60 cm土層容重差異較大，10、15年的40～60 cm土層較0～40 cm土層分別增加6.7%、5.3%。整體上土壤容重隨著土層深度加深逐漸增大，其數(shù)值介于1.49～1.84 g/cm3。就同一土層不同年限而言，40～60 cm土層10、15年樣地與0.5、5年樣地土壤容重之間差異顯著，整體上各土層土壤容重均表現(xiàn)為隨年限增加逐漸增大。

平溝建園工程實施后，后期(10、15年)40～60 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度顯著降低(圖2-b，2-c)，與對照相比，土壤總孔隙度分別降低了4.5%和18%，實施0.5、5年樣地土壤總孔隙度、毛管孔隙度變化不顯著(P>0.05，圖2-b，2-c)。土壤總孔隙度和毛管孔隙度均表現(xiàn)為隨年限呈先增加后減小趨勢，實施5年樣地總孔隙度和毛管孔隙度均達最大值，5年后開始緩慢下降，10年后降幅明顯增大。就相同年限不同土層間而言，土壤總孔隙度和毛管孔隙度在各土層均表現(xiàn)出隨土層深度加深逐漸減小趨勢，10、15年樣地土壤總孔隙度和毛管孔隙度的0～40 cm土層與深層(40～60 cm)之間有顯著差異(圖2-b，2-c)，0.5、5年樣地的0～10與40～60 cm土層總孔隙度和毛管孔隙度差異顯著。就同一土層深度不同年限而言，土壤總孔隙度和毛管孔隙度隨年限呈先增加后減小趨勢。以上結(jié)果表明，實施平溝建園工程可以顯著增加40～60 cm土層容重，降低總孔隙度和毛管孔隙度，且實施后期(10、15年)土壤容重增加和總孔隙度、毛管孔隙度減少趨勢更為顯著。

2.2 不同年限平溝建園地土壤自然含水率和飽和導(dǎo)水率變化

平溝建園工程實施后，各樣地10～20 cm土層春季自然含水率差異顯著實施前期(0.5、5年)自然含水率整體上呈增加趨勢，后期(10、15年)自然含水率整體上呈減小趨勢(圖3-a)。與對照相比，前期(0.5、5年)春季自然含水率各土層均值增加了22.5%和0.3%，后期(10、15年)自然含水率則降低了15.1%和3.3%。除15年樣地外，不同年限的春季土壤自然含水率最小值均出現(xiàn)在0～10 cm土層，0.5年樣地的40～60 cm土層自然含水率最高，達10.8%，15年樣地40～60 cm土層的最低，僅為4.7%。春季土壤自然含水率整體上隨年限變化規(guī)律不明顯，而就同一土層深度不同年限而言，自然含水率變化規(guī)律亦不明顯。以上結(jié)果表明，春季土壤自然含水率隨實施年限的變化規(guī)律不明顯，表層(0～10 cm)土壤自然含水率整體較低。

平溝建園工程實施不同年限后，實施前期(0.5、5年)飽和導(dǎo)水率整體呈增加趨勢，實施后期(10、15年)飽和導(dǎo)水率整體呈減小趨勢(圖3-b)，且實施后期(10、15年)40～60 cm土層飽和導(dǎo)水率下降趨勢更為顯著。與對照相比，土壤飽和導(dǎo)水率實施前期(0.5、5年)各土層均值分別增加了4.4%和69.5%，實施后期(10、15年)則分別降低了2.9%和17.3%，且40～60 cm土層分別降低了40%和60%。平溝建園實施后，飽和導(dǎo)水率先隨年限增大急劇增加，實施5年后達最大值，均值達0.17 mm/min，后急劇下降，10年后降幅減小，趨于穩(wěn)定。相同年限不同土層平溝建園地土壤飽和導(dǎo)水率差異顯著(圖3-b)，整體上隨著土層深度增加而逐漸降低。以上結(jié)果表明，實施平溝建園工程前期可顯著增加土壤水分入滲，但后期入滲性能變差，飽和導(dǎo)水率有所下降。

2.3 不同年限平溝建園地土壤水文性能

平溝建園工程實施后，實施前期(0.5、10年)0～40 cm土層的飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、飽和蓄水量和毛管蓄水量均有所減小，實施后期(10、15年)各土層均一致減小(表2～3)；且實施后期(10、15年)40～60 cm土層飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、飽和蓄水量和毛管蓄水量下降趨勢更為顯著(表2～3)。與對照相比，土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、飽和蓄水量和毛管蓄水量0～40 cm土層均值實施前期(0.5、5年)分別降低了15%、4.1%，13.9%、3.5%，20.5%、5.6%，5.7%、1.8%，1.2%、1.1%；實施后期(10、15年)各土層分別降低6.5%、21.8%，5.9%、21%，9%、30%，5.7%、3.2%和2.6%、16.3%；且40～60 cm土層分別降低了10.9%、22.3%，10.7%、22.3%，16.4%、33.6%，4.5%、18%和4.2%、18%。

在試驗土層土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、土壤飽和蓄水量和毛管蓄水量均隨年限呈先增加后減小趨勢(表2～3)。建園伊始，土壤持水量、蓄水量先緩慢上升，實施5年時達最大值后緩慢下降，10年后土壤持水量、蓄水量大幅下降，土壤的持水量、蓄水能力持續(xù)降低，平溝建園實施15年樣地較10年樣地持水量平均下降了18.6%，蓄水量平均下降了14.3%。就相同年限不同土層深度而言，0.5年、5年、10年樣地土壤田間持水量、毛管持水量飽和蓄水量和毛管蓄水量均在0～10土層與20～40、40～60 cm土層間存在顯著差異，15年樣地土壤田間持水量、毛管持水量與飽和蓄水量各土層間差異均顯著。就同一土層深度不同年限而言，40～60 cm土層的田間持水量、毛管持水量在不同年限間差異更為顯著。不同年限的飽和持水量、毛管持水量、田間持水量隨土層深度的變化表現(xiàn)出相似的趨勢，均隨土層深度加深而逐漸降低。綜合來說，平溝建園工程實施5年后樣地水文性能最好，實施后期(10、15年)持水量和蓄水量下降趨勢顯著。

表2 不同年限平溝建園地土壤持水性能

3 討 論

土壤自然含水率表示自然條件下土壤的濕度，是土壤水分情況的重要體現(xiàn)，受氣候、地形、植被、土地利用類型等諸多影響因素共同決定[27]。本研究顯示土壤自然含水率在不同年限樣地、不同土層間春季自然含水率的變化趨勢不均一，隨實施年限的變化規(guī)律不明顯；各年限樣地表層(0～10 cm)春季土壤自然含水率整體較低，這是因為春季氣溫開始回升，太陽輻射也逐漸增強，地表土壤溫度高，蒸發(fā)嚴(yán)重，故表層土壤自然含水率普遍較低。其中10年樣地春季自然含水率整體偏低，可能是10年樣地自然生長著大量野生滇合歡，與種植的小桐子相加持，根系粗壯密集且深入土壤、大量抽吸利用水分造成土壤干化引起的。韓姣姣等[20]研究發(fā)現(xiàn)，根系所處土層的水分顯著低于其他土層，也可以進一步說明這一點。

土壤容重是重要的土壤理化性質(zhì)之一，可以表征土壤理化性狀的整體狀況，同時也是評價土地質(zhì)量和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[28]。土壤毛管孔隙度的大小決定了土壤的貯水能力的強弱，土壤非毛管孔隙度則是土壤中水分運移的主要通道，直接決定了土壤的蓄滲能力[29]。土壤飽和導(dǎo)水率可以有效衡量土壤的通透性，通常飽和導(dǎo)水率越高，土壤通透性越好[30]。田間持水量常用來衡量土壤的持水能力，通常表示為土壤能夠有效吸持的最高土壤含水量(即懸著水的最高含量)，這部分水也是能夠被植物有效利用的土壤最高含水量[29]。本研究結(jié)果顯示，實施平溝建園工程可以顯著改變土壤水分理化性質(zhì)，顯著增加容重，降低總孔隙度和毛管孔隙度，飽和導(dǎo)水率、持水量、蓄水量前期(0、0.5年)有所增加，后期(10、15年)有所降低；隨著實施年限延長，變化趨勢增強，尤其是10年后40～60 cm土層土壤結(jié)構(gòu)明顯變差，土壤質(zhì)量有退化趨勢。不同實施年限對土壤水分物理性質(zhì)具有較大影響，土壤容重隨實施年限的增加而增加，總孔隙度、毛管孔隙度均隨實施年限的增加而減小，土壤飽和導(dǎo)水率、持水量和蓄水量隨實施年限的增加呈先增加后減小的趨勢，這與劉建華[31]、鄧彩云等[32]、肖理等[33]的研究結(jié)果相似，主要原因可能是元謀地區(qū)主要土壤基質(zhì)為燥紅壤，質(zhì)地黏重，易板結(jié)，建園初期(0.5年)，由于施工時間短，尚未發(fā)生有效沉降和板結(jié)，土體整體較為松散，容重相對較小，土壤孔隙較為豐富。隨著平溝建園地不斷被開發(fā)利用，初期的人為耕作和精細(xì)化管理對土壤板結(jié)起到一定程度的減緩作用，同時發(fā)現(xiàn)40～60 cm土層的容重要大于0～20 cm土層的，原因可能是人為翻耕和植物根系的生長導(dǎo)致表層土壤疏松。彭明俊等[34]在金沙江流域龍須草地水土保持效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，相較裸地，種植龍須草可降低土壤容重0.10 g/cm3，增加土壤總孔隙度9.6%。開發(fā)10年后，長時間粗放管理導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，水土流失進一步加劇了土壤板結(jié)，容重迅速升高，孔隙度下降，導(dǎo)水性能、水文性能變差。短期的平溝建園工程實施(0～5年)有利于提高土壤孔隙度、減小土壤容重，增加土壤持水量和蓄水量，而長期的平溝建園工程實施(>10年)則易造成平溝建園地土壤板結(jié)和退化。因此，為了保證平溝建園地土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，則應(yīng)合理控制工程實施年限。門杰等[16]研究表明，合理有效的土地整理措施可以有效的改善土壤結(jié)構(gòu)，進而可以改善土壤的持水能力。因此對于實施平溝建園工程10年后的耕地輔以適宜的土地整理措施，例如深耕和全面整地，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水和蓄水能力，改善土壤水文性能。

表3 不同年限平溝建園地土壤蓄水水性能

4 結(jié) 論

(1)實施平溝建園工程可以顯著改變土壤水分理化性質(zhì)，土壤容重顯著增加，孔隙度顯著降低；飽和導(dǎo)水率呈“前期提升、后期降低”的波動趨勢；實施前期(0、0.5年)0～40 cm土層的飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、飽和蓄水量和毛管蓄水量均有所減小，實施后期(10、15年)各土層均一致減小。

(2)不同實施年限間土壤水分物理性質(zhì)存在較大差異，隨著平溝建園年限的增加，土壤容重呈顯著增加趨勢，孔隙度呈顯著減小趨勢，飽和導(dǎo)水率、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、飽和蓄水量和毛管蓄水量均隨年限增加呈先增加后減小的趨勢，實施5年達最大值后呈下降趨勢。隨著實施年限延長，變化趨勢增強，開發(fā)10年后，若管護措施不利，土壤結(jié)構(gòu)明顯變差，土壤質(zhì)量有退化趨勢。

(3)平溝建園工程對0～60 cm土層的水分物理性質(zhì)均有一定影響，40～60 cm土層土壤水分物理性質(zhì)變化更為顯著?？偪紫抖?、毛管孔隙度、飽和導(dǎo)水率、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、飽和蓄水量和毛管蓄水量均隨土層深度加深逐漸減小，容重隨土層深度加深逐漸增大。