北京山區典型土地利用方式對土壤理化性質及可蝕性的影響

黃曉強，趙云杰，信忠保，覃云斌，易 揚

（北京林業大學 水土保持學院，北京100083）

土壤侵蝕是全球性的生態環境問題之一，土壤侵蝕現象的持續發生不僅使土壤質量不斷下降，而且還會引起水體環境惡化等一系列生態問題［1－3］。土壤可蝕性是衡量土壤自身抗侵蝕能力大小的重要因子之一，也是土壤遭受侵蝕破壞難易的一種定量量度指標，反映了土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的易損性和敏感性，是影響土壤流失量的內在因素，也是定量研究土壤侵蝕的基礎。因此，如何準確地研究評價土壤可蝕性，對認識侵蝕規律，進行水土流失預報和土地生產力評價都具有重要意義。研究表明［4－7］土壤可蝕性的大小與土壤的理化性質密切相關。而土地利用方式是影響土壤理化性質的重要因素之一，不同的土地利用方式下，土壤理化性質有所差異，特別受到人為擾動時，土壤物理、化學和微生物等方面發生明顯差異［8］。迄今為止，關于不同土地利用下的土壤理化性質已有許多報道［8－9］，而關于土壤可蝕性的研究則主要集中在黃土高原等地區宏觀或面上的調查與分析評價方面，很少報道關于北京的土壤可蝕性的研究，特別是針對北京山區典型土地利用下土壤可蝕性的研究更是鳳毛麟角。因此，本研究以延慶縣典型土地利用方式下的土地為研究對象，對土壤理化性質及其可蝕性進行研究，揭示研究區表土土壤理化性質及土壤可蝕性差異及其內在聯系，為該地區的水土流失的綜合治理、區域土地結構調整及土地的持續利用提供科學依據。

1 研究區概況

研究區域位于北京延慶縣大榆樹鎮上辛莊村東山區（160°03′—160°05′E、40°26′—40°28′N），延慶縣處于內蒙古高原和河北壩上地區與北京平原區的過渡地帶，其北、東、南三面環山，是首都西北部的重要生態屏障，是環北京生態環境建設工程的重要組成部分［10］。該地區地形起伏較大，溝壑縱橫，土壤質地均勻，垂直節理明顯，抗蝕能力較差。屬于大陸性季風氣候，是暖溫帶與中溫帶、半干旱到半濕潤的過度地帶。春季氣溫回升快，晝夜溫差大。夏季酷暑炎熱，降水集中。春季日照時數最多，其次為夏季和秋季。降水量集中在夏季6—8月，7月下旬到8月上旬為降雨高峰。主要土壤類型為褐土和潮土，受地貌、水文的影響形成了許多土壤亞類，主要土壤亞類有褐潮土、潮褐土、潮土、普通褐土、碳酸鹽褐土、褐土性土、草甸沼澤土等。該地區植物資源比較豐富，研究區內喬木以蒙古櫟（Quercus mongolica）為主，部分地段伴生山楊（Populus davidianaDote）和椴樹（Tilia tuan）；灌木以繡線菊屬（Spiraea）、榛屬（Corylus）、荊條（Vitex negundoL.varheterophylla）等為主；草 本 有 披 針 葉 苔 草 （Carex tristachya）、黃 精 屬（Polygonatum）及菊科（Asteraceae）的多種植物［11］。樣地基本情況詳見表1。

表1 樣地基本情況

2 研究方法

2.1 調查方法

根據土地利用、地形和土壤等特性，采用全面覆蓋、突出重點的原則，參考GoogleEarth遙感數據，于2012年在北京延慶縣大榆樹鎮上辛莊村東山區取具有代表性樣點15個，分別為農田（3個）、果園（3個）、苗圃幼林地（3個）、山地灌木林（3個）和土路（3個）。采樣利用GPS定位導航尋找設定樣地，記錄其經緯度、高程、土地利用方式等信息。每塊樣地采集3個環刀土樣、對應鋁盒土樣并挖取0—20cm的土壤樣品，充分混合均勻后用四分法取出適量。為防止野外土樣蒸發，影響土壤水分測量精度，野外用便攜電子秤（精確到0.01）測定鋁盒土樣重，采樣及測定均于一個月內完成。

2.2 數據處理

采集的土樣剔除可見的動、植物殘體和石塊，風干后帶回實驗室過0.25mm和2mm篩儲存，用于分析測量土壤理化性質及其土壤可蝕性指標。土壤機械組成采用比重計法測定；飽和導水率采用環刀法測定；土壤容重和土壤含水量采用烘干法測定；有機碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，均取3次實測數據平均值作為試驗結果。

土壤可蝕性K值采用以下計算公式為：

式中：SAN——砂礫含量（%）；SIL——粉砂粒含量（%）；CLA——黏粒含量（%）；C——有機碳含量；SN1＝1－SAN／100［12］；K——國際制時乘以0.131 7。

土壤各種持水量指標采用以下公式：

Wt＝10000Pth

Wo＝10000Poh

Wc＝10000Pch

式中：Wt土壤飽和持水量（t／hm2）；Wo——土壤貯水能力（t／hm2）；Wc——毛管持水量（t／hm2）；h——土層厚度（m），這里均為5cm；Pt——土壤總孔隙度（%）；Po——土壤非毛管孔隙度（%）；Pc——土壤毛管孔隙度［13］。

2.3 數據分析

所有數據采用 Microsoft Excel和SPSS 19.0軟件進行數據分析。采用單因素方差分析（one－way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數據組間的差異，用Pearson相關系數評價不同因子間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 不同土地利用方式對土壤理化性質的影響

3.1.1 不同土地利用下土壤容重及孔隙度 容重值是衡量土壤肥力高低的重要指標之一，它能綜合反映土壤結構、松緊狀況、孔隙狀況和土內生物的活動［14］；土壤孔隙度是反映土壤蓄水和通氣性能，并能夠有效地調節土壤中水、肥、氣、熱環境，是評價土壤結構的重要指標之一。土壤容重越小，孔隙度越大，說明土壤結構越好，越有利于水分的保持與滲透［15－16］。

由表2可知，不同土地利用下，土壤容重及孔隙狀況呈現不同的變化趨勢。從土壤容重方面來看，研究區土壤容重由大到小依次表現為：土路（1.52g／cm3）＞苗圃幼林地（1.31g／cm3）＞果園（1.22g／cm3）＞農田（1.12g／cm3）＞山地灌木林（1.08g／cm3），分別比山地灌木林林地土壤容重提高了40.74%，21.30%，12.96%，3.70%。

表2 不同土地利用下的土壤水分物理特性

方差分析顯示，土路、苗圃幼林地與果園土壤容重值顯著高于山地灌木林（P＜0.05），而農田與山地灌木林土壤容重值差異不顯著，其中土路容重最大，平均為1.52g／cm3，這是由于土路長期受到人為踩踏和車輛碾壓造成的，苗圃幼林地容重僅次于土路，為1.31g／cm3，比山地灌木林和農田高了17.56%和13.74%，這是由于苗圃幼林下植物稀少，凋落物量小，造成土壤板結，這樣的土壤透氣性和透水性差，土壤容易干燥，水土流失比較嚴重［17］；從土壤孔隙度來看，土壤總孔隙度均值由大到小依次表現為：山地灌木林 （49.10%）＞ 苗 圃 幼 林 地 （41.22%）＞ 農 田（41.21%）＞果園（40.53%）＞土路（20.15%），不同土地利用下土壤總孔隙度差異顯著，分別比山地灌木林總孔隙度降低了7.88%，7.89%，8.57%和28.95%。土壤非毛管孔隙數量大小能體現土壤滲透和滯留水分能力強弱［18］，一般非毛管孔隙度大于10%，能夠有效地改善土壤結構。對土壤非毛管孔隙度而言，山地灌木林顯著高于其他土地利用類型，達64.94%～76.09%，而其他4種土地利用類型差異不顯著。一般認為，結構性良好、通氣性強的土壤，孔隙度分布在40%～50%之間，非毛管孔隙度大于10%，而非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例在1∶2～1∶4［19－20］。與此相比，研究區土壤總孔隙度均大于40%（土路除外），而非毛管孔隙度與毛管孔隙度的比例在1∶2～1∶4之間，除山地灌木林，其他均不在良好比例范圍內，由此可知，山地灌木林的土壤通氣性、透水性和涵養水源能力顯著優于其他土地利用類型。

3.1.2 不同土地利用下土壤自然含水率 土壤含水量是表征土壤水分狀況的一個指標，土壤水分是土壤物質遷移的載體，也是土壤能量轉化的重要物質基礎，對土壤形成發育過程及肥力水平高低等有重要影響。由表2可知，不同土地利用類型土壤自然含水率由大到小依次表現為：農田（18.56%）＞土路（13.96%）＞果園（13.64%）＞苗圃幼林地（8.78%）＞山地灌木林（6.76%），這是由于農田、土路和果園受人為干擾嚴重，改變土壤表層物理性質，提高土壤中的黏粒含量，有利于其吸附更多水分［21］。與農田相比，山地灌木林、苗圃幼林地和果園分別顯著下降了63.58%，52.70%和24.78%。由此可見，不同土地利用方式對土壤含水量有較大的影響。解文艷等［22］研究發現，隨著土壤含水量的增大，土壤入滲能力呈降低趨勢，而表層土壤入滲能力的增強則有利于調蓄徑流，防止土壤侵蝕的發生［23］。因此，山地灌木林能夠有效地提高土壤入滲能力，減少土壤侵蝕量。

3.1.3 不同土地利用下土壤持水能力 土壤所吸持的水分包含兩部分：土壤顆粒物的分子引力引起所吸持的水分和土壤孔隙中毛細管引力所吸持的水分［24］。因此，土壤持水能力要從毛管孔隙和非毛管孔隙的作用來看，毛管孔隙中的水分可以長時間保持在土壤中，用于植物根系吸收和土壤蒸發；從土壤蓄水能力看，非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲涵養水源［18］，是評價森林土壤水源涵養能力的重要指標［24］。由表2可以看出，研究區山地灌木林土壤飽和持水量與土壤貯水能力均顯著大于其他土地利用類型，分別為245.51t／hm2和83.83t／hm2；土路土壤飽和持水量與毛管持水量均最低，分別為100.74 t／hm2和78.43t／hm2，與其他土地利用類型均存在顯著差異（P＜0.05），說明山地灌木林的水源涵養能力與水源調節能力明顯優于其他土地利用類型，而土路土壤通透性能較差，土壤較為緊實，通氣透水性最差，易造成水土流失。

3.1.4 不同土地利用下飽和導水率 飽和導水率是坡地產流產沙的重要因素，對坡地土壤入滲性能和抗侵蝕能力具有重要影響［25－26］。由表2可知，研究區不同土地利用下表土飽和導水率由大到小依次表現為：山地灌木林（1.59mm／min）＞農田（1.01mm／min）＞苗圃幼林地（0.70mm／min）＝果園（0.70mm／min）＞土路（0.30mm／min），其中山地灌木林為自然植被，人為干擾少，而其他土地利用類型受人為干擾嚴重，山地灌木林飽和導水率與其他土地利用類型相比差異顯著（P＜0.05），而其他土地利用類型土壤飽和導水率差異不顯著，說明在空間變異較小的流域內，人為干擾對土壤飽和導水率有顯著的影響，這與易揚在黃土丘陵區對不同土地利用類型土壤水分物理性質研究結果一致［8］。由此可知，山地灌木林林地表土通氣透水能力優于其他土地利用類型，能夠增強坡地土壤入滲性能和抗侵蝕能力。

3.1.5 不同土地利用方式對土壤有機質的影響 土壤有機質是土壤的重要組成部分，影響、制約著土壤性質，保持和提高土壤有機質含量可以促進團聚體的形成并保持其穩定性，同時還是土壤微生物生命活動所需能量的來源［27］，其含量是評價土壤肥力和土壤質量的一項重要指標。

由圖1可知，不同土地利用方式對土壤有機質含量由大到小依次表現為：山地灌木林（3.68g／kg）＞果園（0.94g／kg）＞土路（0.8g／kg）＞農田（0.76 g／kg）＞苗圃幼林地（0.4g／kg）。山地灌木林林地表層土壤腐殖質較為豐富，根系發達，因而其有機質含量顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），平均為3.68g／kg，而苗圃幼林地土壤有機質含量顯著低于其他土地利用類型（P＜0.05），僅為0.4g／kg，這主要由于北京山區苗圃幼林地主要集中在河谷平原地區，地表凋落物量和根系量較少，同時植被對土壤的修復能力和有機質的積累還沒有形成明顯的效應，因而其有機質含量最低。果園、農田和土路之間土壤有機質含量差異不顯著，分別比山地灌木林低了291.49%，384.21%和360%，雖然管理過程中給果園和農田進行施肥，但均以無機肥為主，因此并不利于土壤有機質的積累，同時，管理過程中進行了翻耕，改變了土壤溫度、濕度、孔隙狀況和土壤微生物的活性環境，使土壤變得疏松，更適合微生物活動，從而加速土壤有機質的分解、消耗過程，致使其有機質比山地灌木林較低。土路的植被豐富度和覆蓋度最低，再加上長期受人為踩踏的影響，土壤有機質含量僅為0.8g／kg。

圖1 研究區表土有機質含量

3.2 典型土地利用方式對土壤可蝕性的影響

土壤粒徑分布影響著土壤的肥力狀況，水力特性及土壤侵蝕等，是重要的土壤物理特性之一。研究區各土地利用類型土壤砂粒含量為24%～48%，粉粒含量為33.7%～53%，黏粒含量為16.2%～23%，按粒級組成劃分土壤質地，均屬粉砂質黏壤土。不同土地利用方式能夠改變土壤表層物理性質，進一步導致土壤表層的可蝕性的不同，數據詳見表3。土壤可蝕性是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的性能，也是土壤對侵蝕營力分離和搬運作用的敏感性［28］。

表3 不同土地利用方式下的土壤可蝕性K值差異

采用EPIC經驗公式，對不同土地利用方式下土壤的可蝕性K值進行比較，結果詳見表3。土路土壤可蝕性K值最大，達0.047 4，山地灌木林最小，為0.034 2，不同土地利用下土壤可蝕性K值由大到小依次表現為：土路（0.047 4）＞農田（0.043 5）＞果園（0.042 1）＞ 苗 圃 幼 林 地 （0.040 8）＞ 山 地 灌 木 林（0.034 2）。由表4可知，研究區土壤可蝕性K值變化范圍為0.031 6～0.053 3，極差為0.021 7，表明K值的變幅不大。均值0.046 0與中位數0.047 1比較接近，表明K值的分布比較均勻。CV值介于0.1～1之間，說明土壤可蝕性K值屬于中等變異，可能是因為該研究區域土壤質地、地形、氣溫及植被等因素存在差異造成的。K值的大小表示土壤抗侵蝕能力的強弱，K值越大，抗侵蝕能力越弱；反之，K值越小，抗侵蝕能力越強［29］。與其他土地利用類型相比，山地灌木林抗蝕能力表現為最強，這是由于山地灌木林林地具有良好的群落組成和土壤理化性質，加之植被根系穿插的作用［30］，而土路土壤緊實且表面幾乎無植被覆蓋，表層土壤無植被根系穿插，易導致水土流失；農田則土地裸露部分較多，抗侵蝕能力弱；果園和苗圃幼林林地種群單一，植被覆蓋少，地表凋落物量和根系量較少，抗侵蝕能力較弱。除植被和人為干擾對不同的土地利用方式影響不同外，土壤機械組成和結構的未定性差異，進一步導致不同土地利用方式下土壤可蝕性的差異。

表4 土壤可蝕性K值基本統計學特征

3.3 土壤可蝕性影響因子分析

不同土地利用方式會造成改變土壤表層的理化性質的改變，進一步造成表層土壤的可蝕性有所差異。本文對土壤可蝕性和土壤理化性質進行相關性分析（表3），結果表明：土壤可蝕性與砂粒、粉粒含量和自然含水率達到極顯著性水平，這與李鵬等在干熱河谷地區對不同土地利用方式下的土壤可蝕性研究一致［5］；與黏粒含量、非毛管孔隙、土壤貯水能力和容重具有顯著性水平，表明黏粒含量增加時，會阻礙土壤水分下滲，堵塞土壤孔隙，導致土壤滲透能力變差［31］，使坡地產流產沙，土壤侵蝕增大，而非毛管孔隙與土壤貯水能力增大，能夠及時容納降水并下滲涵養水源，不易造成坡地產流產沙，降低土壤可蝕性。而與其他理化性質未達到顯著水平，不會對土壤侵蝕能力產生直接影響。楊帆等在北京市延慶縣對不同土地利用方式下的土壤可蝕性研究發現［30］，土壤可蝕性與有機質含量達到顯著負相關，而本文土壤可蝕性與有機質含量未達到統計學上的顯著水平，這可能是由于研究區域有機質含量過低，采樣量不足有關。

表5 土壤可蝕性與理化性質之間的相關性分析

4 結 論

研究區山地灌木林土壤總孔隙、土壤貯水能力、土壤飽和持水量和有機質顯著大于其他土地類型（P＜0.05），土壤通氣性、透水性和涵養水源能力顯著優于其它土地利用類型。山地灌木林的土壤可蝕性K值最小，為0.034 2，土壤抗侵蝕能力強。相對于山地灌木林，其他土地利用方式下的土壤可蝕性明顯增加，土壤可蝕性K值由大到小依次為：土路（0.047 4）＞農田（0.043 5）＞果園（0.042 1）＞苗圃幼林地（0.040 8），表明人為活動會對土壤的可蝕性造成強烈影響，應盡可能的減少人為活動對土地的擾動，從而可以提高土地抗侵蝕能力。不同土地利用方式會造成土壤表層的理化性質的改變，進一步造成表層土壤的潛在可蝕性差異，表明土壤可蝕性與土壤理化性質之間可能存在一定相關性。研究發現，土壤可蝕性與砂粒、粉粒含量、黏粒含量、非毛管孔隙、土壤貯水能力和容重相關性較好（P＜0.05），可作為土壤可蝕性評價的指標，具有可行性。另外，研究土壤可蝕性在考慮土壤的內在性質（如質地、有機質等）和暫時性質（容重、含水率、團聚體密度等）的同時，還應結合更多外在因素（坡度、降雨和土地利用等）對土壤可蝕性的影響［32］。

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