布设等高反坡阶对滇中松华坝水源区坡耕地土壤饱和导水率的影响

陈 雪，宋娅丽，王克勤，赵洋毅，张华渝

(西南林业大学生态与环境学院，云南昆明650224)

土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一[1]，影响着地面水分的入渗、径流及蒸发3者之间的分配关系[2].土壤饱和导水率是陆地水文过程的重要参数，综合反映了水在多孔介质中流动的阻碍作用[2]，也是反映土壤入渗特性的重要参数，对灌溉、水土保持方案的设计具有重要指导意义[3-4].在坡耕地中，土壤饱和导水率的空间分布显著影响着水分的空间入渗量，进而影响降雨后土壤水分分布的均匀性.土壤渗透性是土壤重要的特性之一，渗透性较好，则土壤渗透水、大气降水和灌溉水进入土壤，并在其中贮存起来；渗透性较差的情况下，水分则沿土表流走，造成侵蚀.土壤渗透性与土壤饱和导水率密切相关，土壤饱和导水率可通过影响渗透性改变坡耕地水分渗透特点及规律.不同土壤质地类型、土层深度、土地作用方式、植被群落特征等均会对土壤饱和导水率产生影响[5-6].

目前对于不同区域土壤饱和导水率的变化规律研究主要集中于施用土壤改良剂[7-8]以及不同的地表条件[9-10]对土壤饱和导水率的影响.孙荣国等[7]研究了由作物秸秆、膨润土和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）配制的改良材料对砂质土壤饱和导水率的影响，认为秸秆改良材料可以改善砂质土壤持水状况，增加砂质土壤的饱和导水率；韩冬等[8]选取两种质地土壤（黏壤土和砂壤土）分析3种干粉PAM施用水平影响下土壤结构的变化特征，进而说明干粉PAM溶解时间对土壤饱和导水率的影响机理；赵春雷等[9]采用冻融循环模拟的方法，分析了不同土地利用和不同土层深度下冻融循环前后土壤饱和导水率的变化特征，结果表明冻融过程对土壤饱和导水率有显著影响，其影响程度因土地利用类型和土层深度不同而异；王子龙等[10]对云雾山典型草原区不同年限退耕地0～40 cm土层的土壤饱和导水率进行测定，结果表明退耕过程有利于提高土壤饱和导水率.

等高反坡阶作为坡耕地水土保持措施之一，可有效减少水土流失，增加入渗，其机理在于可直接蓄水减沙，对坡面降水进行再分配，同时阻止泥沙的产生，从而对产生的径流和泥沙起到调控作用[6，11]，而目前针对等高反坡阶对坡耕地土壤饱和导水率变化影响的研究较少[12-13].滇中昆明市北郊的松华坝水源区迤者小流域内山区半山区面积占流域总面积的95%以上；耕地面积近6500 hm2，其中一半以上为坡耕地[6].因此，本研究以滇中昆明市北郊的松华坝水源区迤者小流域为研究区，研究坡耕地布设等高反坡阶对土壤剖面不同土层（0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm）土壤饱和导水率空间分布及其影响因子的影响，并分析不同土层深度土壤饱和导水率及其影响因子的关系，以期为松华坝水源区坡耕地选择合理的水土保持措施提供理论依据，为有效保持坡耕地土壤水分、改良土壤提供科学参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

迤者小流域位于昆明市盘龙区滇源街道西南部，大部分属于迤者村委会范围（24°14′43″—25°12′48″N，102°48′37″—102°44′51″E）.小流域呈不规则纺锤形，南北长 6.7 km，土地总面积 13.26 km2，东连金钟村，西部、南部与富民县毗邻，北到阿子营乡交界.小流域为滇池水系盘龙江一级支流源头区，地势总体西北高东南低，最高海拔2589.5 m，位于流域西南部野猫山，最低海拔2010 m，位于流域河流出口处，相对高差479.5 m，平均海拔2220 m.西北和东部河流出口处地面坡度较缓，多介于5°～25°，平均坡长约1000 m；西部、南部和东北端受河流切割影响，坡度较陡，多介于10°～36°，平均坡长约为600 m.流域属北亚热带和暖温带混合型气候，夏秋温热，冬春干凉，多年平均气温13.8℃；多年平均降雨量757.2 mm，其中，5—10月为雨季，降雨量约占全年的85%以上.流域内红壤为主要土壤，占流域土地总面积的89.3%.试验地土壤背景值：pH 值 4.39，有机质含量 5.39 g·kg-1，速效性钾含量 659.44 mg·kg-1，全氮含量 0.94 g·kg-1，水解氮含量 120.95 mg·kg-1，全磷含量 0.35 g·kg-1，速效磷含量 92.39 mg·kg-1.

1.2 样地选择及土样采集

试验地位于昆明市松华坝水源区迤者小流域，根据该地区地形条件，选择一块典型坡耕地进行试验布设.试验样地包括原状对照坡耕地和2009年布设的等高反坡阶处理坡耕地，坡度均为15°，东西坡向.等高反坡阶阶宽1.2 m，反坡5°.等高反坡阶剖面示意图如图1.

图1 等高反坡阶剖面示意图Fig.1 Profile diagram of contour reverse slope terrace

2017年11月，在原状对照和等高反坡阶处理坡耕地上，沿坡面各选择3块样地（5 m×7 m），每块样地沿对角线设置3个1 m×1 m的样方.然后挖1 m深的土壤剖面，按照 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm 6 个土层分别取样，3 个重复.

1.3 试验方法

土壤粒径组成分析：采用马尔文MS 2000激光粒度分析仪测定，按照卡庆斯基制分类标准（0.05 mm≤砂粒＜1 mm，0.001 mm＜粉粒≤0.05 mm，粘粒＜0.001 mm）.待测样品先用 H2O2溶液做预处理，然后在测试前加入10 mL 0.5 mol·L-1的六偏磷酸钠溶液，用超声波进行分散[14].

土壤容重的测定：采用环刀法（V＝100 cm3）.

总孔隙度：ρ＝93.947-32.995d[15]，d为土石混合体容重；毛管孔隙度为毛管持水量与土壤容重的乘积，毛管持水量则用环刀采取原状土，将其下端置于水盘中，使土壤毛管孔隙内充满水，然后测其含水量，即为毛管持水量；通气孔隙度为总孔隙度减去毛管孔隙度.

土壤体积含水量：对滇中松华坝水源区迤者小流域红壤坡耕地不同坡位的土壤水分变化进行实时动态监测，监测深度分别为 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm.其中，0～10、10～20 cm 土层土壤水分使用直插式波导管（美国Soilmoisture公司，型号6002F1）直接插入坡耕地表层进行测定，20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层土壤水分使用Mini Trase土壤水分监测系统的TDR仪（美国Soilmoisture公司，型号6050X3）探头测定，测定前用烘干法对TDR仪进行标定.于2018年6月选择连续降雨的3天分层测定土壤体积含水量，文中数据为3次重复平均值.

土壤饱和导水率的测定：采用室内环刀定水头法，水头高控制在5 cm[16].

1.4 数据处理分析

采用Excel 2010软件进行数据处理，并采用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析、差异显著性检验、多重比较、回归分析和通径分析，采用Auto CAD 2007软件和Excel 2010软件制图.

2 结果与分析

2.1 等高反坡阶对不同土层土壤质地的影响

由表1可知：砂粒含量随着土层深度的增加，呈先下降后上升的趋势；粉粒含量呈先上升后下降的趋势，粘粒含量变化不明显.与原状坡耕地相比，等高反坡阶处理坡耕地 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm 土层粉粒含量分别增加了5.76%、16.52%、22.66%、19.64%、12.90%和1.73%，砂粒含量分别减少了 6.46%、26.49%、31.63%、26.56%、15.89%和 1.54%，可见布设等高反坡阶对 20～40 cm 土层改善土壤质地效果显著优于其他土层.总体来看，等高反坡阶显著增加了各土层的粉粒含量，土壤颗粒组成中粉粒比例增加，可以有效地降低土壤体积质量，从而提高土壤饱和导水率，更有利于坡耕地作物的生长.

表1 坡耕地不同土层深度土壤颗粒组成1)Table 1 Soil particle composition under different soil depths in sloping farmland

2.2 等高反坡阶对不同土层土壤容重、孔隙度及含水量的影响

由表2可知：布设等高反坡阶后，除0～10 cm土层外，其他土层土壤容重均呈现降低趋势，10～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm 分别比原状坡面降低 5.65%、12.12%、5.80%、4.11%和 6.67%；等高反坡阶处理下的土壤总孔隙度在0～10、10～20、20～40 cm土层较原状坡耕地分别增加了8.53%、1.16%和2.76%， 60～80、80～100 cm 土层较原状坡耕地分别减小了 0.90%、0.26%.随着土层深度的增加，土壤容重升高，土壤总孔隙度逐渐降低，土壤体积含水量也呈现降低趋势，但毛管孔隙度与通气孔隙度变化趋势不稳定.布设等高反坡阶后，土壤各土层的体积含水量呈现增加的趋势，0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm 土层土壤体积含水量分别增加了 17.34%、14.63%、29.41%、18.64%、29.90%和 31.72%.土壤孔隙度取决于土壤质地，布设等高反坡阶后，在0～40 cm土层，土壤容重在土壤剖面上呈减小趋势，可以降低土壤紧实度，提高土壤通气孔隙度，进而提高土壤导水能力；通气孔隙度增大，有利于降低土壤体积质量和提高土壤孔隙性，进而提高土壤饱和导水率.

表2 坡耕地不同土层深度土壤容重、孔隙度、含水量分布1)Table 2 Distribution of soil bulk density，porosity and water content under different soil depths in sloping farmland

2.3 等高反坡阶对不同土层土壤饱和导水率的影响

由图2可以看出：等高反坡阶处理与原状坡耕地的土壤饱和导水率总体上随土层深度的增加呈现出先上升后下降的趋势，其中，等高反坡阶处理坡耕地的土壤饱和导水率在40～60 cm土层最高，分别比0～10、10～20、20～40、60～80 和 80～100 cm 土层高出 0.77、0.26、0.53、0.52 和 2.40 mm·min-1；原状坡耕地的土壤饱和导水率在 10～20 cm 土层最高，分别比 0～10、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm 土层高出0.81、0.85、0.95、1.06 和 1.16 mm·min-1.布设等高反坡阶后，土壤饱和导水率显著提高，分别为原状坡耕地 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100 cm 土层的土壤饱和导水率的 4.18、1.86、5.23、8.86、10.79 和 2.00 倍.等高反坡阶处理坡耕地土壤的保水效果好于原状坡面，土壤饱和导水率显著高于原状坡耕地.

图2 布设等高反坡阶对土壤饱和导水率的影响Fig.2 Influence of contour reverse slope terrace on soil saturated water conductivity

2.4 土壤物理因子与土壤饱和导水率的相关分析

土壤饱和导水率与土壤质地、土壤容重和孔隙度关系紧密[17].由表3可见，土壤物理因子中土壤容重、粉粒含量、砂粒含量与土壤饱和导水率都达到了极显著相关（P＜0.01），其相关系数的大小顺序为粉粒含量＞砂粒含量＞土壤容重.毛管孔隙度与土壤饱和导水率的相关性显著（P＜0.05），其他土壤物理因子与土壤饱和导水率的相关性不显著.各土壤物理因子间土壤容重与总孔隙度、通气孔隙度、粉粒含量、砂粒含量，总孔隙度与毛管孔隙度、通气孔隙度，毛管孔隙度与粘粒含量，通气孔隙度与粘粒含量，粉粒含量与砂粒含量相关关系均达到极显著的水平（P＜0.01），土壤容重与毛管孔隙度，毛管孔隙度与粉粒含量、砂粒含量达到显著水平（P＜0.05），说明在布设等高反坡阶后，土壤物理因子间存在交互作用.

表3 土壤物理因子与土壤饱和导水率之间的相关分析1)Table 3 Correlation analysis between soil physical factors and soil saturated water conductivity

某一土壤物理因子与土壤饱和导水率简单的相关系数仅能表示其它因子变化的情况下，其与土壤饱和导水率的关系密切性程度，往往不能正确反映它们之间的真正关系.因此，将7个土壤物理因子作为自变量因子：土壤容重（X1），总孔隙度（X2），毛管孔隙度（X3），通气孔隙度（X4），粘粒含量（X5），粉粒含量（X6），砂粒含量（X7），选择土壤饱和导水率作为因变量Y，采用多元逐步线性回归筛选出影响土壤饱和导水率变化的相对重要因子，结果为：

经检验，F＝73.502＞4.503，R＝0.912，P＜0.01，说明回归方程达到极显著水平.多元逐步线性回归结果表明，土壤容重、毛管孔隙度和粉粒含量为影响土壤饱和导水率的主要物理因子.

为了判定这些因子分别对土壤饱和导水率影响的重要程度，进一步进行通径分析.结果（表4）表明，主要土壤物理因子对土壤饱和导水率的直接作用和间接作用的方向及大小（剩余通径系数为0.241）.土壤饱和导水率与相关因子的直接通径系数绝对值由大到小依次为粉粒含量＞土壤容重＞毛管孔隙度.粉粒含量对土壤饱和导水率产生直接的正效应最强（0.398），其通过土壤容重和毛管孔隙度对土壤饱和导水率的间接正效应也最大（0.538）；土壤容重的直接通径系数为-0.317，对土壤饱和导水率产生直接的负效应最强，同时又可以通过毛管孔隙度和粉粒含量间接对土壤饱和导水率产生较强的负效应.

表4 土壤主要物理因子对土壤饱和导水率的通径系数1)Table 4 Size coefficient of soil saturation water conductivity by main physical factors

3 讨论

本研究中，布设等高反坡阶起到拦蓄地表径流的作用，减少了径流对地表的冲刷，有利于促进土体结构的稳定，土壤颗粒组成中粉粒含量增加13.20%，砂粒含量降低17.09%.与原状坡耕地相比，等高反坡阶处理坡耕地结构破坏率相应降低，土壤容重降低5.52%，相应的总孔隙度增加1.86%，土壤结构逐步得到改善，这与王子龙等[10]研究结果一致.这是由于等高反坡阶对局部径流能起到调控作用，既能蓄集一部分降雨，又能保持水土，可使地表径流得到合理调控，改善土壤水分和养分条件，从而改良土壤的结构特征.因此，等高反坡阶对坡耕地土壤饱和导水率的影响与土壤的物理性质密不可分.研究说明布设等高反坡阶可通过改变地表微结构而促进土壤结构的改善，是改良松华坝水源区红壤坡耕地土壤质地的重要措施.

在土壤剖面上，土壤饱和导水率均随着土壤深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，等高反坡阶处理坡耕地最大土壤饱和导水率为2.57 mm·min-1，原状坡耕地最大土壤饱和导水率为1.24 mm·min-1.10～20 cm土层作物根系发育集中，土壤孔隙度相对较大，该层的土壤饱和导水率最高.随着土层加深，土壤体积质量越大，土体愈加紧实，土壤孔隙度降低，土壤饱和导水率呈现出下降的趋势；而在10～20 cm土层左右，耕作层作物根系发育集中，它极大的改善了土壤及土壤剖面的渗透能力，该层的土壤饱和导水率较高，而表层较低（等高反坡阶和原状坡耕地仅分别为1.80和0.43 mm·min-1）.这与吕刚等[18]的研究结果不同，他认为土体下层（30 cm以下土层）的饱和导水率要高于上层（30 cm以上土层），出现差异的原因是：本研究中坡耕地耕作措施对表层土壤的扰动作用，使表层土壤的结构稳定性降低，导致土壤表层土壤饱和导水率较低；同时，在发生强降雨条件下，极易发生土壤侵蚀，在雨滴的打击作用下，易形成土壤结皮，结皮反过来又会影响到土壤的渗透性能，导致表层土壤的饱和导水率比较低.等高反坡阶措施使土壤饱和导水率显著提高，平均饱和导水率约是原状坡面的4倍.等高反坡阶处理坡耕地土壤的保水效果好于原状坡面，等高反坡阶具有拦蓄地表径流和再分配的功能，有效的改良了土壤结构，使土壤饱和导水率显著高于原状坡耕地.

研究表明，土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、粉粒含量和黏粒含量均为影响土壤饱和导水率的主要因子[19-25].本研究中通过相关分析得到对土壤饱和导水率影响显著的物理因子，其大小顺序为粉粒含量＞砂粒含量＞土壤容重＞毛管孔隙度.相关分析表明布设等高反坡阶后，土壤物理因子间存在明显的交互作用.进一步通径分析表明，粉粒含量对土壤饱和导水率产生直接的正效应最强（0.398），其通过土壤容重和毛管孔隙度对土壤饱和导水率的间接正效应也最大（0.538）；土壤容重的直接通径系数为-0.317，对土壤饱和导水率产生直接的负效应最强，同时又可以通过毛管孔隙度和粉粒含量间接对土壤饱和导水率产生较强的负效应.在土壤剖面上，随深度增加，砂粒含量逐渐增加，因为随土壤深度增加，土壤风化程度减弱，所以越接近母质层，砂粒含量越大[26].这是由于当土壤达到饱和之后，非毛管孔隙成为导水的主要通道，但由于砂粒含量较高，土壤团聚体对砂粒的固定作用减小，导致细砂堵塞非毛管孔隙，进而降低土壤导水能力.Papanicolaou et al[27]通过研究坡面尺度土壤饱和导水率的空间变化得到含沙量＞15%的土壤中，土壤结构是影响土壤饱和导水率的主要因素，这与本研究结果一致.李涛等[28]通过研究田间表层土壤饱和导水率的空间变化规律，得出土壤饱和导水率具有较强的空间变异性，研究区域（7.6 hm2）土壤饱和导水率与粘粒、粉粒、砂粒和有机质含量具有一定的空间相关性.Zeleke et al[29]通过研究384 m坡面区域不同尺度下土壤饱和导水率的空间变异程度及其主要影响因素，结果表明小空间尺度范围内土壤饱和导水率主要受砂粒含量影响，而在较大空间尺度主要受粘粒含量和土壤有机碳控制.这些研究与本研究结果土壤质地对土壤饱和导水率的影响最大一致.

综上，等高反坡阶处理对坡耕地饱和导水率的提高具有明显的作用，对坡耕地地表径流拦蓄、增加水分入渗和减少土壤流失起到了明显的改善作用.小流域是滇中地区综合治理的基本单元，将来应集中于小流域尺度土壤饱和导水率的时空动态过程研究，这将有利于理解小流域尺度的生态水文过程及小流域水土资源管理.

4 结论

（1）等高反坡阶对土壤质地的影响效果显著.布设等高反坡阶后，土壤颗粒组成中粉粒比例增加，粉粒含量在20～40 cm土层变化最明显，与原状坡耕地相比，等高反坡阶处理坡耕地各土层粉粒含量分别增加了 5.76%、16.52%、22.66%、19.64%、12.90%和 1.73%.

（2）等高反坡阶处理改良了土壤的物理性质.随着等高反坡阶的布设，土壤容重逐渐降低，除表层土壤外其余各土层土壤容重分别减少了5.65%、12.12%、5.80%、4.11%和 6.67%；土壤水分含量逐渐增加，0～100 cm 土层土壤体积含水量分别增加了 17.34%、14.63%、29.41%、18.64%、29.90%和 31.72%.

（3）等高反坡阶措施使土壤饱和导水率显著提高，平均饱和导水率约是原状坡面的4倍.在土壤剖面上，土壤饱和导水率均随着土壤深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，等高反坡阶处理坡耕地最大土壤饱和导水率为2.57 mm·min-1，出现在40～60 cm土层；原状坡耕地在10～20 cm土层的土壤饱和导水率最大，为 1.24 mm·min-1.

（4）土壤饱和导水率与土壤容重、粉粒含量、砂粒含量和毛管孔隙度的关系显著，R2和Sig均达到了显著相关，相关性大小为粉粒含量＞砂粒含量＞土壤密度＞毛管孔隙度.其中土壤容重的直接通径系数为-0.371，对土壤饱和导水率产生直接的负效应最强，粉粒含量的直接通径系数为0.398，对土壤饱和导水率产生的直接正效应最强.