冀西北土地利用方式改变对土壤贮水和入渗特征的影响

摘要 为比较土地利用类型对土壤贮水和入渗特征的影响，比较冀西北林地（油松林）、撂荒地和农田的土壤贮水能力、容重、孔隙度和入渗规律差异。结果表明：土壤饱和贮水量排序为林地（352.72 mm）＞农田（317.30 mm）＞撂荒地（286.30 mm），土壤容重排序为林地（0.95 g/cm3）＜农田（1.20 g/cm3）＜撂荒地（1.27 g/cm3），林地的稳渗速率最大为3.55 mm/min，其次是农田（2.53 mm/min）和撂荒地（1.23 mm/min）。土壤孔隙度和贮水量随土壤容重增大而减小，林地与农田的土壤贮水性能明显高于撂荒地。植被对非毛管孔隙（滞留贮水）改善最为明显，对毛管孔隙（吸持贮水）改善的效果较小。林地土壤疏松、入渗速度快，土壤水土保持功能效果最佳，农田撂荒后土壤紧实程度增加，水土保持功能有所下降。研究结果可为退耕还林和农田休耕等政策实施后的土壤水土保持功能评估提供参考。

关键词 冀西北；土壤入渗；土壤贮水；土壤容重；土壤孔隙度

中图分类号 S 152.7+1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）03-0044-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.03.010

Effects of Land Use Change on Soil Water Storage and Infiltration Characteristics in Northwest Hebei

YANG Wen-ji1，CAO Hang2，YANG Xin-bing2 et al

（1.Shanhelin （Beijing） Water and Soil Conservation Technology Limited Company，Beijing 100038;2.College of Forestry，Hebei Agricultural University，Baoding，Hebei 071000）

Abstract In order to assess the effects of land use on oil infiltration and water-holding characteristics， this paper compares the differences in soil water storage capacity， bulk density， porosity and infiltration law of the forest land （Pinus tabulaeformis forest）， abandoned land and farmland in northwest Hebei Province.The results indicated that soil saturated water storage was shown as the sequence of forest land （352.72 mm）＞farmland （317.30 mm）＞abandoned land （286.30 mm），and the order of soil bulk density was： forest land （0.95 g/cm3）＜farmland （1.20 g/cm3）＜abandoned land（1.27 g/cm3），the steady infiltration rate of forest land was largest （3.55 mm/min）， followed by farmland （2.53 mm/min） and abandoned land （1.23 mm/min）.Soil porosity and water storage decreased with the increasing of soil bulk density，and the soil water storage capacity of forest land and farmland was significantly higher than that of abandoned land.The improvement of vegetation on non-capillary pore （retention water storage） was significant， while it was minimal on the capillary pore （absorption water storage）.The infiltration rate was fast in forest land soil as its soil was loose， so it worked best for soil and water conservation.On the contrary， the soil compactness increased after the farmland was abandoned， and the function of soil and water conservation decreased.This study would provide more important primitive reference for the evaluation of soil and water conservation function after the implementation of the policy of returning farmland to forest and farmland fallow..

Key words Northwest Hebei;Soil infiltration;Soil water storage;Soil bulk density;Soil porosity

基金项目 中央财政林业科技推广示范资金项目（冀sfq〔2020〕003号）。

作者简介 杨文姬（1980—），女，山西临汾人，高级工程师，博士，从事水土保持与荒漠化防治研究。通信作者，副教授，博士，从事水土保持、森林生态研究。

收稿日期 2022-03-21

水土保持是人类干扰生态系统的一种有效手段，是保护和改良自然环境条件的综合利用［1］。土壤的水土保持功能主要体现在土壤的入渗规律和贮水性能两方面。土壤入渗是控制地表径流、壤中流、地下径流与土壤贮水性能的关键环节［2］，土壤贮水性能又是植被恢复与生态建设的基础［3］。土地利用类型的变化是人类社会对土地资源利用的直接反映，土地利用方式受到人文及自然因素的制约，土地利用类型不同，则其贮水和入渗性能就不一样，即使是同一地区的同一类型土壤，其土壤贮水和入渗性能也会有不同差异［4-5］。诸多学者对土壤贮水和入渗性能进行了研究，认为土壤水分贮水和入渗能力与土壤孔隙状况、土层厚度、表土结构、植被类型及土壤密度等多种因素相关［3-4，6］。研究不同土地利用类型土壤贮水和入渗特征对治理和改善地区保持水土与涵养水源的能力具有重要意义。

冀西北是指张家口地区，是我国首都圈上游的重要天然生态屏障和京津冀水源涵养功能区，2022年冬奥会举办，给张家口市生态环境保护与建设带来巨大挑战［7］。张家口又是严重贫水地区，生态环境极其脆弱，面对既要保生态、保水源，又要保农业发展、保农民增收的双重难题。为合理评估生态建设（退耕还林）和农业政策调整（休耕）实施效果，该研究以张家口市涿鹿林场区域内的油松林（Pinus tabulaeformis）、农田和撂荒地为对象，研究3种土地利用类型的土壤贮水和入渗特征，为该地区水源涵养与生态环境治理提供科学指导。

1 研究区域概况

研究区选择在河北省西北部的张家口市涿鹿县，属于京西水源林营造区域，有北京保水、供水之责。该地属海河流域永定河上游怀涿盆地，海拔906～2 882 m，山地丘陵地貌类型，地势中间高、南北低。属温带半干旱大陆性季风气候，年日照时数2 875 h，年均气温9.1 ℃，年降水量373 mm。土壤类型主要为褐土。当地主要生态造林树种为油松，分布面积最广。受当地自然条件（主要是降雨量少）和人为（农业收入低、退耕和休耕等政策）的综合影响，大量土地撂荒。试验点设在涿鹿林场寇家沟林区（115°6′18″E，40°12′50″N）。

2 研究方法

2.1 样地设置 试验选取林地（油松纯林）、农田与撂荒地3种不同土地利用类型作为研究样地，样地基本特征见表1。

2.2 土壤贮水特征测定

用环刀（体积为100 cm3）在选取的3个样地内每10 cm分层取土，共取6层。设3次重复。采用室内环刀浸泡法测定土壤孔隙度、容重和贮水量等指标，计算公式为［6］：

Wt=1 000 pth（1）

Wnc=1 000 pnch（2）

Wc=1 000 pch（3）

式中：Wt为土壤饱和贮水量（mm），Wnc为土壤最大滞留贮水量（mm），Wc为土壤最大吸持贮水量（mm）；pt为总孔隙度（%），pnc为非毛管孔隙度（%），pc为毛管孔隙度（%）；h为土层深度（m）。

分析土壤容重和土壤孔隙度、贮水量之间的相关性，建立回归模型，用模型斜率判断不同土地利用类型土壤贮水特征变化差异，斜率越大则说明变化程度越大；反之，则变化越小［6］。

2.3 土壤入渗特征测定

利用双环渗透筒在选取的样地内测定不同时段土壤入渗过程，每个样地重复测定3次。记录入渗过程中初渗速率、稳渗速率等参数，制作入渗容量曲线。利用SPSS软件分析3种土地利用类型入渗速率差异。

3 结果与分析

3.1 不同利用方式的土壤贮水能力差异

土壤贮水能力是植被生长所需水分及土壤水均衡的重要农学指标，对研究生态水文过程，特别是半干旱地区的水分、土壤与植被具有关键作用［8］。土壤贮水量主要受土壤厚度与孔隙状况的影响。由图1可知：整个土层（60 cm）的土壤饱和贮水量呈现为林地（352.72 mm）＞农田（317.30 mm）＞撂荒地（286.30 mm），林地与农田土壤贮水性能均高于撂荒地，表明植被可以有效改善土壤储水能力。土壤滞留贮水量是暂时储存在非毛管孔隙中的自由重力水，整个土层（60 cm）的土壤滞留贮水量排序为林地（117.97 mm）＞农田（57.98 mm）＞撂荒地（54.37 mm），表明林地对土壤滞留贮水能力的改善最好，撂荒地最差。土壤吸持贮水量是毛管孔隙中依靠毛管力所吸持的水分，是植物利用的有效水分，整个土层（60 cm）的土壤吸持贮水量排序为农田（259.40 mm）＞林地（234.49 mm）＞撂荒地（231.93 mm），三者差异并不明显。总体来看，林地土壤贮水性能最好，对土壤蓄水能力的改善最为明显，撂荒地最差。

3.2 不同利用方式的土壤容重和土壤孔隙度差异

土壤容重与孔隙度是土壤的重要水分物理指标，直接或间接影响着土壤透气性、土壤肥力、持水能力、抗侵蚀能力、溶质运输及植物生长状况［9-10］。由图2～3可知，土壤容重均值排序为撂荒地（1.27 g/cm3）＞农田（1.20 g/cm3）＞林地（0.95 g/cm3），林地土壤容重最小，最疏松，农田撂荒后土壤容重增大，紧实程度增加。土壤非毛管孔隙度均值排序为林地＞农田＞撂荒地，土壤毛管孔隙度均值排序为农田＞林地＞撂荒地，土壤总孔隙度均值排序为林地（59.01%）＞农田（55.67%）＞撂荒地（47.72%）。土壤容重与土壤孔隙度成反比。

由图4～5可知，土壤容重和孔隙度、贮水量参数成反比。随着土壤容重的增大，总孔隙度与饱和贮水量均呈下降趋势。非毛管孔隙（拟合方程斜率为0.365 4）比毛管孔隙（拟合方程斜率为0.216 7）变化较为明显，滞留贮水量（拟合方程斜率为219.54）比吸持贮水量（拟合方程斜率为128.22）的变化较为明显，表明植被对非毛管孔隙（滞留贮水量）的影响要大于毛管孔隙（吸持贮水量）。