鄱陽湖濱不同植被類型沙地土壤有效持水能力研究

李鳳英, 張 露, 何小武, 羅秋月

(1.江西農業大學 國土資源與環境學院, 南昌 330045;2.江西農業大學 林學院, 南昌 330045; 3.天能電池集團有限公司, 浙江 湖州 313100)

我國是世界上土地沙化最為嚴重的國家之一。據國家林業局第五次監測結果[1]，全國沙化土地面積約172.12萬km2，占國土面積的17.93%，其中新疆、青海、西藏、內蒙古和甘肅省五省沙化土地面積占全國的93.95%。目前江西全省沙地面積約7.25萬hm2，其中鄱陽湖濱沙地約占全省沙化面積的40.3%。土地的沙化嚴重影響人民的生存與生活質量，也影響國家經濟的持續發展。我國人民為此開展了沙地生態恢復治理等工作，并取得了卓越成效。在2009—2014年，沙地面積年均減少19.8萬hm2[1]。水是植被生長的主要生態因子之一，土壤持水能力一直是生態植被恢復研究中的重要課題，得到國內外廣大學者的高度關注和研究，也獲得了豐碩成果[2-13]。在計算土壤持水能力時，研究者通過試驗實測獲得土壤持水能力所需相關參數[2-7]，也有通過土壤轉換函數(Pedo-transfer Functions，PTFs)間接估算獲得[8-13]。其中由于PTFs方法簡單，已經被越來越多的中外專家學者所應用。

鄱陽湖濱沙地是我國南方較為典型的沙地，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，不同于西北干旱、半干旱地區的氣候特征，其治理方式有明顯差別。鄱陽湖濱沙地治理的工作開展較早，主要以生態恢復為主，也取得了較好成效。其相關研究主要集中在沙地土壤養分、植物多樣性、治理效果等方面[14-19]，對土壤含水量動態變化規律的研究則相對較少[19]，對沙地土壤持水能力則了解甚少。本研究以鄱陽湖濱沙地土壤為研究對象，應用PTFs方法，研究生態植被恢復后不同植被類型的沙地土壤有效持水量，一方面篩選出適合鄱陽湖濱沙地土壤的PTFs模型，另一方面比較不同植被恢復類型對沙地土壤有效持水能力的影響，為該區的沙地治理提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地位于江西省北部、鄱陽湖濱的廬山市，屬中亞熱帶季風區，雨量充沛，日照充足，年均溫度18℃，年降水量1 437.1 mm，集中在3—8月。廬山市沙化土地主要分布在鄱陽湖濱岸帶，全市現有沙化土地2 213.3 hm2，其中固定沙地占77.84%，多為人工固定沙地。試驗地點位于該市的星子鎮，地理坐標29°20′N，116°00′E，屬于該市沙化土地造林區，為溝谷流水作用下形成的次生堆積沙地[20]。

1.2 試驗設計及取樣測定

本研究設計的總體思路是選取2001年種植的濕地松(Pinuselliotii)、刺槐(Robiniapseucdoacacia)和蔓荊子(Fructusviticis)3種植被類型和自然恢復的荒草地4個典型區域設置觀察樣地，首先測定土壤田間持水量，與選定的4種TPFs模型的估算結果進行比較驗證，從中篩選適合研究區的TPFs模型；然后利用篩選出的TPFs模型估算土壤凋萎系數，并結合測定的田間持水量計算土壤有效持水量；最后根據有效持水量計算結果進行比較分析。具體的取樣測定方法如下。

選擇4種植被類型的樣地各3塊，在每塊樣地內布設3個20 m×20 m的樣方，在每個樣方中按對角線挖掘3個1 m×1 m×1 m的土壤剖面，按土層深度20 cm的間隔分為5個層次，各層按四分法取一個混合樣，帶回實驗室。同時，在各個土壤剖面分層用環刀取樣，采用環刀法測定土壤容重和田間持水量[3]。

土壤樣品帶回實驗室自然風干后，一部分過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化還原滴定—外加熱法測定土壤有機質；另一部分用干篩法做土壤機械組成分析。

1.3 數據處理

數據按照0—20 cm(表層)，20—40 cm(中上層)和40—100 cm(下層)進行統計分析，其中40—100 cm的數值按土壤剖面下面3個層次的平均值算。

用SPSS 22.0對數據進行單因素方差分析，用最小顯著差異法(LSD)比較不同數據組間的均值，應用Excel 2003進行繪圖。

1.4 土壤轉換函數模型

本研究選擇4個PTFs模型預測土壤0—100 cm的田間持水量，與實際測定值進行比較，從中篩選適合鄱陽湖濱沙地土壤的估算模型，然后應用篩選出的模型估算0—100 cm土層凋萎系數，并據此計算土壤有效持水量。

(1) Rawls等[21]利用美國32個州2 541個土層數據多元線性回歸得出的方程(Rawls模型)：

θf=0.2576-0.0020Ps+0.0036Pc+0.0299Pom

(1)

θw=0.0260+0.0050Pc+0.0158Pom

(2)

式中：θf為土壤田間持水量；Ps為土壤沙粒含量；Pc為土壤黏粒含量：Pom為土壤有機質含量；θw為土壤凋萎系數。

(2) Saxton等[22]在Rawls模型基礎上去掉有機質參數后改進的方程(Saxton模型)：

(3)

(4)

(5)

式中：θ為土壤含水量；φ為土壤水勢。其中，當φ=33 kPa和φ=1 500 kPa時計算得出的土壤含水量分別代表土壤田間持水量θf和凋萎系數θw。

(3) Batjes[8]利用全世界范圍大約3 000個土壤剖面15 000多個土層數據回歸得出的方程(Batjes模型)：

θf=0.4600Pc+0.3045Ps+2.0703Pom

(6)

θw=0.3624Pc+0.1170Ps+1.6054Pom

(7)

(4) Minasny和Hartemink[23]提出的適合熱帶地區估算的簡易模型(Minasny模型)：

θf=56.5-7.49D-0.34Ps

(8)

(9)

式中：D為土壤容重。

1.5 模型驗證方法

統計分析通常用于模型的驗證。本研究采用平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)檢驗PTFs模型在鄱陽湖沙地的適用性[9,24]。

(10)

(11)

式中：Mi為第i個田間持水量觀測值；Ei為第i個田間持水量估算值；N為觀測值個數。

2 結果與分析

2.1 土壤田間持水量估算檢驗

采用4個TPFs模型進行模擬后與觀測值比較的結果見表1。通過采樣觀測到的不同植被類型0—100 cm土層的田間持水量平均為16.51%，變異系數為0.211 7，屬于中等程度變異，而4個模型估算值的變異程度均為弱變異性。從4個模型估算的平均誤差檢驗結果看，Rawls模型和Batjes模型的ME值為正，表明兩者低估了實測值；Saxton模型和Minasny模型則正好相反，它們高估了實測值。從ME的絕對值看，Rawls模型的值最小，說明該模型最接近實測值。從均方根誤差檢驗結果看，Rawls模型的最小，其后依次是Batjes模型、Minasny模型和Saxton模型。

表1 4個PTFs田間持水量估算的誤差分析

4個模型的建立方式可以用來解釋檢驗結果。Rawls模型采用了美國各州2 500多個土層數據，通過多元線性回歸建立了土壤水分含量與土壤粒徑及土壤有機質和容重之間的線性分段函數模型，體現了土壤水分含量與這些指標之間的統計關系。這些數據中，其沙粒、粉粒和黏粒含量范圍分別是0.1%～99%，0.1%～93%和0.1%～94%，有機質含量范圍是0.1%～12.5%，土壤容重范圍是0.1%～2.09%。可以看出Rawls模型數據涵蓋了各種質地和有機質含量的農業土壤。Saxton的研究則從土壤水分傳導性角度出發，在Rawls模型的基礎上進行了改進，剔除了有機質對土壤水分的影響，建立了土壤水分與土壤粒徑之間的連續非線性函數模型。顯然，沙地土壤中有機質含量對土壤水分的影響不可忽略。Batjes收集了世界范圍內15 813個土層數據用于模型建立。盡管數據量很大，但在應用時為了數據的統一，對數據進行了篩選，尤其是當沙粒、粉粒或黏粒含量小于5%及有機碳含量小于0.1%時被當作了異常值處理。這使得Batjes模型在應用范圍得到一定的限制。Minasny和Hartemink提出的則是更適合黏粒含量及土壤容重更高、陽離子代換量及有效水分含量更低的熱帶地區的建議模型。由這些建模方法可以看出，Rawls模型相比其余3種模型具有更廣泛的應用范圍。這與估算檢驗的結果是一致的。隨后的土壤有效水分估算中，將采用Rawls模型進行計算。

2.2 田間持水量與凋萎系數

依據田間持水量觀測值及應用Rawls模型對不同植被類型100 cm土層以內凋萎系數的估算結果，繪制數據圖分別見圖1和圖2。

注：不同字母表示同一土層不同植被類型間田間持水量差異顯著(p<0.05)。

圖1不同植被類型土壤田間持水量

注：不同字母表示同一土層不同植被類型間凋萎系數差異顯著(p<0.05)。

圖2不同植被類型土壤凋萎系數

由圖1可知，無論哪個土層，3種人工植被類型樣地的田間持水量均遠大于荒草地，且達到顯著差異(p<0.05)。其中，濕地松樣地最大，其次是蔓荊子和刺槐。在0—20 cm范圍，濕地松樣地的田間持水量與蔓荊子和刺槐達到顯著差異(p<0.05)；在20—40 cm范圍，三者互相達到顯著差異(p<0.05)；在40—100 cm范圍，濕地松與蔓荊子差異不顯著，二者與刺槐差異顯著(p<0.05)。盡管刺槐的有機質含量均大于濕地松和蔓荊子，但由于前者的黏粒含量小于后二者，導致了其田間持水量小于后二者。這也說明黏粒含量對田間持水量的影響大于有機質。隨著土層的加深，4個樣地的田間持水量均隨之減小。其中，濕地松和蔓荊子樣地在40 cm范圍內減小幅度較小，在40—100 cm范圍內減小幅度較大；刺槐和荒草地則是在40 cm范圍內變化較大，在40—100 cm范圍內變化更小。

在凋萎系數方面，3個土層的刺槐樣地要顯著大于其余3個樣地(p<0.05)(圖2)。在0—20 cm土層中，濕地松的凋萎系數略高于蔓荊子但不顯著，卻顯著高于荒草地；蔓荊子則略高于荒草地但不顯著。在20—40 cm土層，濕地松顯著高于蔓荊子和荒草地(p<0.05)，后二者差異不明顯。在40—100 cm土層，濕地松、蔓荊子和荒草地差異均不顯著。隨著土層的加深，4個樣地的凋萎系數均呈下降趨勢，這是因為隨著土層加深，黏粒含量和有機質含量均呈下降趨勢。

2.3 土壤有效持水量

土壤有效持水量是田間持水量與凋萎系數的差值。由于不同土層間的田間持水量與凋萎系數均不相同，所以有效持水量也不相等。本研究計算了不同土層范圍內1 hm2面積的土壤有效持水量，結果如圖3所示。在0—20 cm土層中，土壤有效持水量由大到小依次為濕地松、蔓荊子、刺槐和荒草地，且均在0.05水平達到顯著差異；在20—40 cm土層和40—100 cm土層中，濕地松略大于蔓荊子但不顯著，二者在0.05水平顯著高于刺槐，而刺槐在0.05水平顯著高于荒草地。在整個1 m土層的土體中，4個樣地的有效持水量均在0.05水平達到顯著差異，其大小順序依次為濕地松>蔓荊子>刺槐>荒草地。

注：不同小寫字母表示同一土層內不同植被類型間有效持水量差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示0—100 cm范圍土層內不同植被類型間有效持水量差異顯著(p<0.05) 。

圖3不同植被類型的土壤有效持水量

3 討論與結論

3.1 土壤轉換函數的篩選

土壤水分特征是植被恢復、土壤生態等各領域研究過程中經常涉及的內容[8]。土壤水分特征可以通過直接測定相關指標進行分析研究，也可以通過模型估算相關指標來研究。田間或實驗室測定雖然具有直接測定、數據準確可靠等優點，但也往往費時、費力、成本高[25-27]。為了彌補這種不足，眾多學者嘗試通過建立各項指標間相關關系以簡化相關參數的獲得。土壤轉換函數(PTFs)即是其中的一種。它是利用易獲得的土壤粒徑組成、有機質和容重等參數對其他指標進行估算的有效方法。由于PTFs模型的建立需要大量數據，因而往往是大區域尺度范圍建立的定量模型，當應用到小范圍的定量估算時需要對其適用性進行判定。本研究采用地統計方法進行模型驗JP3證來評價模型對研究區的適宜程度。檢驗的結果顯示所選Rawls模型的ME(0.005 8)和RMSE(0.001 0)值均非常低，說明Rawls模型估算值接近于實測值，在一定程度上是適用于本研究范圍的。

用于估算土壤有效持水量的PTFs模型有很多，本研究從中挑選可能適用的4個進行對比分析，最終篩選最合適的一個。由結果及分析中可以發現，Rawls模型之所以適用有兩方面原因，第一是模型建立時采取的數據量大，第二，也是最關鍵因素，就是相關參數如黏粒、沙粒等含量范圍值大，涵蓋了本研究粒徑含量范圍。其他模型建立雖然也有大數據量，但參數涵蓋范圍相對較小，與本研究數據范圍重疊較少，因而適用性偏差。通過本研究可知，PTFs是一種簡單、有效且快速計算土壤水分特性的方法，值得推廣使用；在選擇PTFs模型時，應盡量選擇建模數據量大、數據范圍盡量覆蓋相應研究的模型。

3.2 田間持水量和凋萎系數

田間持水量是土壤毛管懸著水達到最大時的土壤含水量，亦即為飽和土壤在排除重力水后所能保持的最大含水量，是評價土壤涵養水分能力的一個重要指標[2,27]。其與土壤有機質與黏粒含量等呈正相關關系，與沙粒含量呈負相關關系[2,8-9,21]。本研究野外調查時發現，刺槐林下植物物種多樣性及生物量均比濕地松更加豐富，實測土壤有機質含量也較濕地松高。但由于刺槐林樣地的黏粒含量遠低于濕地松林地，導致濕地松林地土壤田間持水量大于刺槐林地，體現出前者比后者有更好的土壤水分條件。如果刺槐與濕地松立地條件一致，則刺槐林土壤將會因為含有更多有機質而擁有更高的涵養水源能力。3種人工植被土壤的田間持水量均高于荒草地，說明南方湖濱沙地通過人工恢復植被，可以較快提高土壤涵養水分能力，恢復土壤儲水功能。

凋萎系數是使植物發生永久萎蔫時的最大土壤含水量。在Rawls模型[21]中，凋萎系數與土壤黏粒含量的0.005倍呈線性正相關，與土壤有機質的0.015 8倍呈線性正相關。這說明有機質含量對凋萎系數的影響要大于黏粒含量影響。因此，盡管刺槐林地土壤黏粒含量低于濕地松和蔓荊子，但有機質含量高于后二者，導致前者的凋萎系數顯著高于后二者。從凋萎系數值體現出3種植物的耐旱性依次是蔓荊子>濕地松>刺槐，這也說明了蔓荊子是更適合亞熱帶沙地土壤的耐旱植物[17]。

3.3 不同植被類型土壤有效持水量

土壤的有效持水量是田間持水量與凋萎系數的函數，體現土壤能夠提供給植物生長的有效水量程度。一般認為，土壤黏粒含量越低，土壤能夠提供的有效水量越少。對沙地土壤而言，黏粒含量低，土壤膠結能力差，保水蓄水能力也就相對有限。通過生態植被的恢復，可以有效提高土壤的有效持水量，滿足植物生長需求。在本研究中，3種植被恢復類型的土壤有效持水量均比荒草地高，說明人工生態恢復的效果，明顯高于荒草地，更有利于沙地土壤水分的改善，最終有利于生態環境的改善。從3種人工植被類型對田間持水量、凋萎系數及土壤有效持水量的綜合影響及其本身的生理學特性等可知，蔓荊子和濕地松更有利于作為先鋒物種，種植于更加干旱的沙地土壤中；針對濕地松水分保持能力較好以及刺槐耐旱性較差的特點，二者可以結合營造混交林。

通過以上分析與討論，可以初步得到以下主要結論：

(1) Rawls模型適合鄱陽湖濱沙地土壤水分特征的估算分析，其檢驗的ME和RMSE值分別為0.005 8，0.001 0。

(2) 不同植被類型100 cm土層土壤的有效持水量大小依次為濕地松>蔓荊子>刺槐>荒草地。