元谋干热河谷区不同年限平沟建园地土壤水分物理性质研究

张斌艳，熊东红，李小英，刘 琳，张宝军，唐永发,3 ，史亮涛

(1.西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；3.四川农业大学水利水电学院，四川 雅安 625014；4.云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南 元谋 651300)

【研究意义】元谋干热河谷是中国西南地区特殊的脆弱生态环境类型区，由于其独特的气候条件(干湿季分明、雨季暴雨集中、干湿交替频繁等)和岩土性质(结构松散、粘砂互层、抗蚀性能差等)，导致该区冲沟侵蚀剧烈，水土流失严重，形成大量的侵蚀劣地[1-2]。该地区土壤侵蚀模数为1.64×104t/(km2·a)[3-4]，沟壑密度在3.0～5.0 km/km2，最大可达7.4 km/km2[5]。同时，该区又具有丰富的光热资源，太阳辐射强、热量足、昼夜温差大，非常适宜果蔬种植，是全国重要的露天冬早蔬菜源产地。在经济利益驱动下，自2005年起，当地农民开始自发地对侵蚀劣地开始填沟造地，之后随着大型机械的推广应用，该区实施了大规模的平沟建园工程。该工程是在原始侵蚀劣地的基础上利用推土机、挖掘机大型现代化机械，由上(沟顶)至下(沟底)逐层进行削坡、填沟、分台、压实等处理，最终形成面积在500～1000 m2阶梯状台地[6]，其上种植果蔬等附加值高的经济作物。经多年实践证明，平沟建园工程是元谋干热河谷一种成功的土地治理模式。土壤水分物理性质是衡量土壤质量的关键指标，土壤的养分情况、结构状况以及持水、保水性能均可通过土壤水分物理性质体现。土壤水分物理性质主要由土壤容重、孔隙度及持蓄水性能等指标组成，其对于涵养水源、防治水土流失具有重要意义[8]。【前人研究进展】目前，国内外对土壤水分物理性质的研究多集中于不同海拔高度、灌溉模式、种植作物和作物搭配模式对土壤水分物理性质的影响，以及不同林地类型、不同土地利用类型条件下水分物理性质的变化等方面[9-13]。大量研究证实，土地整治项目的实施将影响土地表层土体，下垫面的情况会发生改变，对土壤水分物理性质产生巨大影响，从而影响到雨水入渗、地表产流和损失以及土壤中水分渗漏等水文过程[14-18]。元谋干热河谷平沟建园工程实施过程中明显改变了原有地貌，将原本沟壑纵横的侵蚀劣地，建成平整有序的台地(图1)，逐渐形成了一定规模的果蔬园。经过平沟建园施工建设和长期的耕作管理，土壤容重、孔隙度、持水量等物理性质也会随着工程实施年限发生变化。由于元谋气候干燥炎热、水分蒸发剧烈，土壤水分就成为制约当地农业生产的重要因素。该区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、不同土地利用类型、不同整治方式及不同侵蚀沟部位土壤水分的变化研究[19-22]。但对于平沟建园后土地的土壤水分物理性质研究还鲜有报道。【本研究切入点】本研究在元谋干热河谷典型平沟建园区，选取了4个不同年限(0.5、5、10、15年)平沟建园样地及1个自然荒沟坡面为对照样地，开展土壤水分物理性质变化研究。对比分析平沟建园工程及其实施年限对土壤水分物理性质的影响，探寻土壤理化性质随年限和土层变化规律。【拟解决的关键问题】为综合评估平沟建园工程影响提供基础数据，也为后续平沟建园地的开发和利用提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

元谋干热河谷区是金沙江干热河谷的代表地段，该区是南亚热带季风气候区，具有“炎热干燥、降水集中、干湿季分明”的特征[23]。年均降水量615.1 mm，年蒸发量高达3911.2 mm，为年降水量的6.4倍。年日照时数2550～2744 h，年均气温21.9 ℃，无霜期350～365 d[24]。土壤以燥红土与变性土为主，该地区的基带土壤为燥红土[25]。植被以灌草为主，在立地条件好的地方有少量乔木生长；扭黄茅(Heteropogoncontortus)和孔颖草(Botnrocholaportusa)是该地区主要的草本植物，灌木和乔木则为车桑子(Dodoneaeviscosa)和滇合欢(AlbiziasimeonisHarms)。元谋组地层主要由第四纪河湖沉积物组成，具有“结构松散、胶结度差、易侵蚀”等特征。在经济利益驱动下，当地农民自发开展了大量平沟建园工作，将侵蚀劣地修整为阶梯状台地，2010—2018年元谋累积建成园地超过6700 hm2，达到了干热河谷面积的5%，通过大量果蔬种植，新造地的年收益最大可达投入的12.7倍，经济效益显著[6]。实验样地集中分布于中国科学院成都山地灾害与环境研究所与云南省农业科学院合建的干热河谷沟蚀崩塌观测研究站(以下简称“元谋站”)附近(101°35′～102°06′E，25°23′～26°06′N)。

1.2 样地选择

2021年4月，经过多次实地调查，在元谋站附近典型平沟建园区，选取了4块不同实施年限(0.5、5、10、15年)的平沟建园样地，及1个原始荒沟坡面为对照样地，各样地在实施平沟建园工程前均为原始侵蚀沟岸荒坡。0.5年样地为2020年12月新建地(目前待开发利用)，其余年限样地均是种植经济林木(株行距均为2.5 m×2.5 m)。各样地在选择时充分考虑地形地貌(均位于原始沟岸两侧)、海拔(1080～1117 m)、抚育措施(种植第1年有常规灌溉管理，树木成活后处于极少人为干扰的粗放管理状态)等条件一致，避免这些因素对实验结果造成影响，且采样期间为元谋的旱季，采样前后1周内无有效降水。对各样地的植物种类、植被盖度、土壤类型、土地历年利用情况等进行考察记录，各样地基本情况如表1所示。

1.3 样品采集与指标测定

在上述确定的样地中按照“S”形随机布设3个取样点，开挖剖面，使用环刀进行原状土土壤样品采集，取样深度分别为0～10、10～20、20～40、40～60 cm，每层各取3个样品，共计180个样品，同时使用自封袋采集每个土层混合土样带回实验室进行物理性质测定。用环刀法测定土壤容重、孔隙度、土壤饱和含水量、田间持水量和毛管持水量等物理性质[26]；土壤饱和导水率测定采用双环刀恒定水头法；土壤自然含水率借助前期埋设于取样点附近的FDR水分监测管，采用PR2/6土壤剖面水分仪进行测定。土壤饱和蓄水量、非毛管蓄水量和毛管蓄水量则运用下列公式计算。

Wt=Pth

(1)

Wo=Poh

(2)

Wc=Pch

(3)

式中,Wt为土壤饱和蓄水量(t/m2)，Wo为土壤非毛管蓄水量(t/m2)，Wc为土壤毛管蓄水量(t/m2)，Pt为土壤总孔隙度(%)，Po为土壤非毛管孔隙度(%)，Pc为土壤毛管孔隙度(%)，h为土层厚度(m)。

表1 样地基本情况

1.4 数据处理

应用软件Excel 2016进行数据整合，SPSS 22.0进行统计分析：采用单因素方差分析和LSD法进行不同样地、不同土层土壤水分物理性质差异显著性检验；图片则利用软件Origin 2018进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同年限平沟建园地土壤容重及孔隙度变化

从图2可知，平沟建园工程实施不同年限后，各土层容重均显著提高(P<0.05，图2-a)，与对照相比，平沟建园工程实施0.5、5、10、15年后，土壤容重均值分别显著提高了3.6%、5.1%、7.1%和9.8%。平沟建园工程实施不同年限间土壤容重变化也存在显著差异，各土层土壤容重整体表现为随年限增加逐渐增大，即15年>10年>5年>0.5年，且5～10年内急剧增加，10年后增加趋势减缓，逐步趋于稳定。就同一年限不同土层而言，实施0.5年样地各土层间容重差异较小，在实施后期(10、15年)的0～40与40～60 cm土层容重差异较大，10、15年的40～60 cm土层较0～40 cm土层分别增加6.7%、5.3%。整体上土壤容重随着土层深度加深逐渐增大，其数值介于1.49～1.84 g/cm3。就同一土层不同年限而言，40～60 cm土层10、15年样地与0.5、5年样地土壤容重之间差异显著，整体上各土层土壤容重均表现为随年限增加逐渐增大。

平沟建园工程实施后，后期(10、15年)40～60 cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度显著降低(图2-b，2-c)，与对照相比，土壤总孔隙度分别降低了4.5%和18%，实施0.5、5年样地土壤总孔隙度、毛管孔隙度变化不显著(P>0.05，图2-b，2-c)。土壤总孔隙度和毛管孔隙度均表现为随年限呈先增加后减小趋势，实施5年样地总孔隙度和毛管孔隙度均达最大值，5年后开始缓慢下降，10年后降幅明显增大。就相同年限不同土层间而言，土壤总孔隙度和毛管孔隙度在各土层均表现出随土层深度加深逐渐减小趋势，10、15年样地土壤总孔隙度和毛管孔隙度的0～40 cm土层与深层(40～60 cm)之间有显著差异(图2-b，2-c)，0.5、5年样地的0～10与40～60 cm土层总孔隙度和毛管孔隙度差异显著。就同一土层深度不同年限而言，土壤总孔隙度和毛管孔隙度随年限呈先增加后减小趋势。以上结果表明，实施平沟建园工程可以显著增加40～60 cm土层容重，降低总孔隙度和毛管孔隙度，且实施后期(10、15年)土壤容重增加和总孔隙度、毛管孔隙度减少趋势更为显著。

2.2 不同年限平沟建园地土壤自然含水率和饱和导水率变化

平沟建园工程实施后，各样地10～20 cm土层春季自然含水率差异显著实施前期(0.5、5年)自然含水率整体上呈增加趋势，后期(10、15年)自然含水率整体上呈减小趋势(图3-a)。与对照相比，前期(0.5、5年)春季自然含水率各土层均值增加了22.5%和0.3%，后期(10、15年)自然含水率则降低了15.1%和3.3%。除15年样地外，不同年限的春季土壤自然含水率最小值均出现在0～10 cm土层，0.5年样地的40～60 cm土层自然含水率最高，达10.8%，15年样地40～60 cm土层的最低，仅为4.7%。春季土壤自然含水率整体上随年限变化规律不明显，而就同一土层深度不同年限而言，自然含水率变化规律亦不明显。以上结果表明，春季土壤自然含水率随实施年限的变化规律不明显，表层(0～10 cm)土壤自然含水率整体较低。

平沟建园工程实施不同年限后，实施前期(0.5、5年)饱和导水率整体呈增加趋势，实施后期(10、15年)饱和导水率整体呈减小趋势(图3-b)，且实施后期(10、15年)40～60 cm土层饱和导水率下降趋势更为显著。与对照相比，土壤饱和导水率实施前期(0.5、5年)各土层均值分别增加了4.4%和69.5%，实施后期(10、15年)则分别降低了2.9%和17.3%，且40～60 cm土层分别降低了40%和60%。平沟建园实施后，饱和导水率先随年限增大急剧增加，实施5年后达最大值，均值达0.17 mm/min，后急剧下降，10年后降幅减小，趋于稳定。相同年限不同土层平沟建园地土壤饱和导水率差异显著(图3-b)，整体上随着土层深度增加而逐渐降低。以上结果表明，实施平沟建园工程前期可显著增加土壤水分入渗，但后期入渗性能变差，饱和导水率有所下降。

2.3 不同年限平沟建园地土壤水文性能

平沟建园工程实施后，实施前期(0.5、10年)0～40 cm土层的饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、饱和蓄水量和毛管蓄水量均有所减小，实施后期(10、15年)各土层均一致减小(表2～3)；且实施后期(10、15年)40～60 cm土层饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、饱和蓄水量和毛管蓄水量下降趋势更为显著(表2～3)。与对照相比，土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、饱和蓄水量和毛管蓄水量0～40 cm土层均值实施前期(0.5、5年)分别降低了15%、4.1%，13.9%、3.5%，20.5%、5.6%，5.7%、1.8%，1.2%、1.1%；实施后期(10、15年)各土层分别降低6.5%、21.8%，5.9%、21%，9%、30%，5.7%、3.2%和2.6%、16.3%；且40～60 cm土层分别降低了10.9%、22.3%，10.7%、22.3%，16.4%、33.6%，4.5%、18%和4.2%、18%。

在试验土层土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤饱和蓄水量和毛管蓄水量均随年限呈先增加后减小趋势(表2～3)。建园伊始，土壤持水量、蓄水量先缓慢上升，实施5年时达最大值后缓慢下降，10年后土壤持水量、蓄水量大幅下降，土壤的持水量、蓄水能力持续降低，平沟建园实施15年样地较10年样地持水量平均下降了18.6%，蓄水量平均下降了14.3%。就相同年限不同土层深度而言，0.5年、5年、10年样地土壤田间持水量、毛管持水量饱和蓄水量和毛管蓄水量均在0～10土层与20～40、40～60 cm土层间存在显著差异，15年样地土壤田间持水量、毛管持水量与饱和蓄水量各土层间差异均显著。就同一土层深度不同年限而言，40～60 cm土层的田间持水量、毛管持水量在不同年限间差异更为显著。不同年限的饱和持水量、毛管持水量、田间持水量随土层深度的变化表现出相似的趋势，均随土层深度加深而逐渐降低。综合来说，平沟建园工程实施5年后样地水文性能最好，实施后期(10、15年)持水量和蓄水量下降趋势显著。

表2 不同年限平沟建园地土壤持水性能

3 讨 论

土壤自然含水率表示自然条件下土壤的湿度，是土壤水分情况的重要体现，受气候、地形、植被、土地利用类型等诸多影响因素共同决定[27]。本研究显示土壤自然含水率在不同年限样地、不同土层间春季自然含水率的变化趋势不均一，随实施年限的变化规律不明显；各年限样地表层(0～10 cm)春季土壤自然含水率整体较低，这是因为春季气温开始回升，太阳辐射也逐渐增强，地表土壤温度高，蒸发严重，故表层土壤自然含水率普遍较低。其中10年样地春季自然含水率整体偏低，可能是10年样地自然生长着大量野生滇合欢，与种植的小桐子相加持，根系粗壮密集且深入土壤、大量抽吸利用水分造成土壤干化引起的。韩姣姣等[20]研究发现，根系所处土层的水分显著低于其他土层，也可以进一步说明这一点。

土壤容重是重要的土壤理化性质之一，可以表征土壤理化性状的整体状况，同时也是评价土地质量和生产力的重要指标[28]。土壤毛管孔隙度的大小决定了土壤的贮水能力的强弱，土壤非毛管孔隙度则是土壤中水分运移的主要通道，直接决定了土壤的蓄渗能力[29]。土壤饱和导水率可以有效衡量土壤的通透性，通常饱和导水率越高，土壤通透性越好[30]。田间持水量常用来衡量土壤的持水能力，通常表示为土壤能够有效吸持的最高土壤含水量(即悬着水的最高含量)，这部分水也是能够被植物有效利用的土壤最高含水量[29]。本研究结果显示，实施平沟建园工程可以显著改变土壤水分理化性质，显著增加容重，降低总孔隙度和毛管孔隙度，饱和导水率、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；随着实施年限延长，变化趋势增强，尤其是10年后40～60 cm土层土壤结构明显变差，土壤质量有退化趋势。不同实施年限对土壤水分物理性质具有较大影响，土壤容重随实施年限的增加而增加，总孔隙度、毛管孔隙度均随实施年限的增加而减小，土壤饱和导水率、持水量和蓄水量随实施年限的增加呈先增加后减小的趋势，这与刘建华[31]、邓彩云等[32]、肖理等[33]的研究结果相似，主要原因可能是元谋地区主要土壤基质为燥红壤，质地黏重，易板结，建园初期(0.5年)，由于施工时间短，尚未发生有效沉降和板结，土体整体较为松散，容重相对较小，土壤孔隙较为丰富。随着平沟建园地不断被开发利用，初期的人为耕作和精细化管理对土壤板结起到一定程度的减缓作用，同时发现40～60 cm土层的容重要大于0～20 cm土层的，原因可能是人为翻耕和植物根系的生长导致表层土壤疏松。彭明俊等[34]在金沙江流域龙须草地水土保持效应研究中发现，相较裸地，种植龙须草可降低土壤容重0.10 g/cm3，增加土壤总孔隙度9.6%。开发10年后，长时间粗放管理导致土壤结构变差，水土流失进一步加剧了土壤板结，容重迅速升高，孔隙度下降，导水性能、水文性能变差。短期的平沟建园工程实施(0～5年)有利于提高土壤孔隙度、减小土壤容重，增加土壤持水量和蓄水量，而长期的平沟建园工程实施(>10年)则易造成平沟建园地土壤板结和退化。因此，为了保证平沟建园地土壤结构和质量，则应合理控制工程实施年限。门杰等[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结构，进而可以改善土壤的持水能力。因此对于实施平沟建园工程10年后的耕地辅以适宜的土地整理措施，例如深耕和全面整地，可有效改善土壤结构，提高土壤持水和蓄水能力，改善土壤水文性能。

表3 不同年限平沟建园地土壤蓄水水性能

4 结 论

(1)实施平沟建园工程可以显著改变土壤水分理化性质，土壤容重显著增加，孔隙度显著降低；饱和导水率呈“前期提升、后期降低”的波动趋势；实施前期(0、0.5年)0～40 cm土层的饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、饱和蓄水量和毛管蓄水量均有所减小，实施后期(10、15年)各土层均一致减小。

(2)不同实施年限间土壤水分物理性质存在较大差异，随着平沟建园年限的增加，土壤容重呈显著增加趋势，孔隙度呈显著减小趋势，饱和导水率、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、饱和蓄水量和毛管蓄水量均随年限增加呈先增加后减小的趋势，实施5年达最大值后呈下降趋势。随着实施年限延长，变化趋势增强，开发10年后，若管护措施不利，土壤结构明显变差，土壤质量有退化趋势。

(3)平沟建园工程对0～60 cm土层的水分物理性质均有一定影响，40～60 cm土层土壤水分物理性质变化更为显著。总孔隙度、毛管孔隙度、饱和导水率、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、饱和蓄水量和毛管蓄水量均随土层深度加深逐渐减小，容重随土层深度加深逐渐增大。