复垦区不同土地利用类型土壤水分持蓄特征分析

亢晨波，郭汉清，张 垚，刘 洋

（山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801）

我国作为全世界最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源的长期开采使陆地生态系统发生一系列的负面变化[1]，造成严重的土地退化现象[2]。因此，土地复垦和植被恢复成为矿区生态修复与重建的必要手段[3]。植被恢复措施可以有效改善土壤结构、增加土壤水分含量、提高土壤肥力水平、减少水土流失等矿区日益严重的生态环境问题[4]。土壤水作为矿区生态系统修复的关键，关乎着矿区植被的生长及土壤环境的变化[5]。

土壤层是生态系统的重要组成部分，在蓄水保肥等方面发挥着重要作用，是生态系统水源涵养的主体[6]。相关研究表明，土壤质地结构、养分含量和水热变化等因素都会直接或间接改善土壤的理化性质[7]。王丽等[8]研究发现，植被恢复可有效改善土壤质量，提高土壤的水分持蓄能力。YAO等[9]通过研究露天矿排土场不同植被配置下对土壤水分的影响发现，天然植被的水源涵养和水分调节能力高于人工恢复植被，且天然植被对土壤的水分利用效率大于人工植被。不同的植被恢复模式对土壤水分[10]和理化性质[11]影响不同，这些变化又会直接或间接的影响到植被的恢复过程[12]。此外，熊远清等[13]研究发现，土壤含水量还影响着各种养分物质的矿化和转移速度，对植被的生长和繁殖具有重要意义。因此，对复垦区不同土地利用类型土壤水分及其持蓄性能的研究可为人工植被的建设和生态修复提供一定的理论依据。

阳泉市是我国最大的无烟煤生产基地[14]，由于开发时间早、开采强度大等导致原有生态系统平衡遭受严重破坏，动植物生存环境恶化，生物多样性锐减；同时，地下水位下降、立地条件差等造成矿区生态修复工作难以进行[15-16]。自1988年国务院颁布实施了《土地复垦规定》，该矿区加速了人工植被的恢复，区域生态环境得到一定改善。笔者以阳泉矿区复垦示范工程五矿矸石复垦区为研究对象，研究4种主要土地类型的土壤物理性质和水源涵养功能，探究复垦区不同土地利用类型下土壤水源涵养功能的差异性，以期为今后矿区水土流失防治和植被恢复提供一定科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于山西省平定县境内的阳煤五矿复垦区，海拔760～906 m，气候类型为暖温带半干旱大陆性季风气候，年均气温10.8℃，年均降雨量585.9 mm，7—9月多雨且降雨集中；该区土壤类型主要为褐土和褐土性土，地带性植被属暖温带落叶阔叶林[17]。五矿矸石山原始地貌为荒沟，1992年开始排矸，后于2003年依据“由上向下、分层碾压、黄土覆盖、恢复植被”的治理方针，采用附近山体黄土对煤矸石进行复垦种植，其中平台覆土1 m，边坡覆土0.5 m[18]。复垦后土地类型均为林地和耕地，有刺槐（Robinia pseudoacacia）、垂柳（Salix babylonica）、芦 苇（Phragmites communis）、构 树（Broussonetia papyrifera）、红 叶 李（Prunus ceraifera）、侧 柏（Platycladusorientalis）、毛白杨（Populustomentosa）和紫穗槐（Amorpha fruticosa）等[19]。耕地作物均为玉米（Zea maysL.）（优迪919），按传统方式进行粗放经营，施肥为“一炮轰”，复垦区内无灌溉系统，水分均来源于天然降水。综合考虑地形地貌特征、植被恢复状况和复垦年限等因素，在保证不受外界环境影响的条件下，在复垦区同一区域（平台）选取复垦时间早、生长良好和保存完整的4种土地类型为研究对象，分别是草地(芦苇Phragmites communis)（记为A）、紫穗槐(Amorpha fruticosaL.)（记为B）、杨树(PopulusL.)（记为C）和耕地（记为D）。样地基本情况如表1所示。

表1 样地基本概况Tab.1 Basic situation of plot

1.2 样地布设与样品采集

2020年8月，在阳泉矿区五矿矸石复垦区选取紫穗槐、杨树、耕地和草地4种主要土地类型，各样地分别布设3个20 m×20 m的标准样地，随后在各样地的对角线及中心位置选择5个小样方（1 m×1 m），清除地表枯枝落叶和石块等杂物，在各样方分别挖掘土壤剖面，深度为60 cm，宽度为80 cm。使用环刀（V=200 cm³）按20 cm为间隔对0～60 cm土层进行分层取样，每层3个重复，并取各层松散土样1 kg左右。随后将野外采集的样品带至室内进行分析。

1.3 土壤水分物理性质的测定

土壤容重（ρs）、孔隙度（Ps）及持水量采用环刀法测定：取样时称取每个空环刀的质量（m0，g）及装有原状土样的环刀质量（m1，g），计算土壤含水量（Cw，%）。将装有原状土样的环刀放入平底盆中，注水高度至环刀上沿为止，浸泡12 h后进行称质量（m2，g），计算饱和持水量（Cs，g/kg）；再将称质量后的环刀放置在铺有干砂的平底盘上2h，待土壤中的非毛管孔隙水全部流出，进行称质量（m3，g），计算毛管持水量（Cc，%）；最后将环刀于105℃烘干至恒质量状态进行称质量（m4，g）[20]。

式中，V为环刀体积（cm³）：Wh表示涵蓄降雨量（t/m²）；Wd表示最大持水量（t/m²）；Wz表示自然贮水量（t/m²）；Wy表示有效涵蓄量（t/m²）；Wm表示毛管持水量（t/m²）。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010对数据进行统计。运用SPSS 26.0软件对不同土地利用类型水文物理性质之间进行单因素方差分析（One-way ANVOA）和最小显著差异法比较（LSD），最后用Origin 2018软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同土地类型土壤水文物理性质比较

土壤物理性质的空间分布特征如图1所示。

由图1可知，复垦区不同土地利用类型土壤物理性质存在较大差异。其中容重大小表现为草地（1.53 g/cm3）＞紫 穗 槐 林 地（1.52 g/cm3）＞耕 地（1.48 g/cm3）＞杨树林地（1.37 g/cm3）。不同土地利用类型垂直方向上土壤容重的变化规律一致，均随土壤深度的增大而增加。除耕地40～60 cm土层与0～20、20～40 cm土层呈显著差异（P＜0.05）外，草地、紫穗槐林地和杨树林地均无显著差异（P＞0.05）。

从图1可以看出，不同土地利用类型下总孔隙度变化在37.6%～52.3%，且表现为杨树林地（48.3%）＞耕地（44.0%）＞紫穗槐林地（42.5%）＞草地（42.2%）。其中，杨树林地总孔隙度分别是草地、紫穗槐林地和耕地的1.2、1.1、1.1倍；杨树林地毛管孔隙度分别是草地、紫穗槐林地和耕地的0.9、1.0、0.8倍；杨树林地非毛管孔隙度分别是草地、紫穗槐林地、耕地的1.9、1.4、2.7倍。0～20 cm土层，总孔隙度和毛管孔隙度在各土地利用类型下均不存在显著差异（P＞0.05）；20～40 cm土层，杨树林地总孔隙度和非毛管孔隙度与草地、紫穗槐林地和杨树林地均存在显著差异（P＜0.05）。土壤毛管孔隙度和总孔隙度的大小总体呈现出随土层厚度的增加而减小，与容重随土层厚度的变化规律刚好相反；非毛管孔隙度的大小随土层深度的变化规律不明显。

2.2 不同土地类型土壤持蓄水能力比较

土壤水分持蓄性能的空间分布特征如表2所示。

表2 土壤水分持蓄性能的空间分布特征Tab.2 Spatial distribution characteristics of soil water holding capacity

从表2可以看出，除耕地外，土壤含水量均呈现出随土层厚度的增加而减小的规律。地表层土壤含水量最大为杨树林地（24.35%），草地最小（13.03%）。且在不同剖面，杨树林地土壤含水量均显著大于其他3个样地（P＜0.05）。土壤的水分持蓄量也均随土层深度的增加而减小。0～20 cm土层，土壤的最大持水量和蓄水量分别为270.85～347.41 g/kg和7.42～9.69 t/m2，毛管持水量和蓄水量分别为238.58～293.42 g/kg和6.57～8.18 t/m2，非毛管持水量和蓄水量分别为28.04～53.99 g/kg和0.81～1.51 t/m2。不同土地利用类型下土壤最大持水量、毛管持水量均未发生显著性改变，杨树林地表层土壤最大蓄水量与其他3个样地均存在显著差异（P＜0.05），且0～20 cm土层持水性能显著高于20 cm土层以下（P＜0.05）。

就土壤持水量而言，耕地表层土壤最大持水量和毛管持水量均最高，分别为347.41、293.42 g/kg；草地的最大持水量和毛管持水量最低，分别为270.85、238.58 g/kg。就土壤蓄水量而言，0～20 cm土层，土壤最大蓄水量和毛管蓄水量均表现为耕地最大，分别为9.69、8.18 t/m2，草地土壤最大蓄水量最小，为7.42 t/m2。且0～20 cm土层土壤的最大蓄水量和毛管蓄水量均显著高于20 cm以下（P＜0.05）。耕地表层土壤涵蓄降雨量最大，为6.00 t/m2，除杨树林外，土壤涵蓄降雨量随土层厚度增加均有所减小，且紫穗槐林和耕地表层土壤涵蓄降雨量显著大于深层土壤。不同土地利用类型下土壤有效涵蓄量有所差异，耕地表层土壤有效涵蓄量最大，为4.49 t/m2，且杨树林土壤有效涵蓄量显著低于其他3个样地。

2.3 土壤水分持蓄性能的主要影响因素

由表3可知，容重与总孔隙度和自然含水量分别呈极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）负相关关系；总孔隙度与自然含水量呈显著正相关关系（P＜0.05）；毛管孔隙度与最大持水量、毛管持水量和有效涵蓄量均呈极显著正相关关系（P＜0.01），而与涵蓄降雨量呈显著正相关关系（P＜0.05）；非毛管孔隙度与有效涵蓄量呈极显著负相关关系（P＜0.01）；有机质含量与最大持水量呈显著正相关关系（P＜0.05）；最大持水量和毛管持水量均与涵蓄降雨量呈显著正相关关系（P＜0.05），且毛管持水量与有效涵蓄量之间呈现极显著正相关关系（P＜0.01）。

表3 土壤持水量与主要影响因素的相关性分析Tab.3 Correlations between soil water holding capacity and main influence factors

3 讨论

3.1 复垦区不同土地利用类型对土壤物理性质的影响

土壤物理性质是反映土壤水文功能的重要参数，决定着土壤的持水和渗透性能的好坏[21]。矿区土壤的物理性质受植被类型、降雨条件以及成土母质等因素的影响较大[22]。本研究中，林地土壤容重小于草地，这是由于林地发达的根系和丰富的枯枝落叶有效地改善了土壤结构，使表土疏松多孔，有利于土壤水分的下渗。这与吕刚等[23]研究结果相似，但也有学者得出不同结论，如温明霞等[24]对神东集团马家塔露天煤矿复垦区研究发现草地容重大于林地，这可能是由于风沙土土质疏松，结构松散，林地对土壤的改良作用优于草地，使得土壤质地变好，非毛管孔隙度数量减少，土壤水分持蓄性能增强。有研究表明，结构性良好的土壤容重在1.25～1.35 g/cm³[25]。本研究表明，复垦矿区杨树林地土壤容重在1.37～1.48 g/cm³，而草地土壤容重均大于1.49 g/cm³，表明在复垦区杨树林对土壤结构的改良效果强于草地。

3.2 复垦区不同土地利用类型对土壤水分持蓄性能的影响

土壤持水量是评价植被-土壤水源涵养功能的重要水文参数[26]。本研究中，表层土壤最大持水量均大于深层土壤，且复垦区土壤最大持水量和蓄水量、毛管持水量和蓄水量最小均出现在草地，说明林地对土壤透水通气性能的改善强于草地，有利于土壤蓄水性能的增强，这与李奕等[27]结果相符。此外，土壤最大持水量与毛管孔隙度和有机质含量均存在显著性差异（P＜0.05），与容重之间存在负相关；而土壤有机质含量与容重呈显著负相关关系（P＜0.05），与总孔隙度和毛管孔隙度呈正相关关系。说明有机质含量对土壤持水量具有直接或间接作用，且已有研究表明[28-29]，土壤有机质含量不仅能改善土壤结构，还能影响土壤的持水性能。

本研究表明，在复垦矿区的4种土地利用方式下，乔灌林地土壤自然含水量高于草地，这是由于杨树林和紫穗槐林具有较强的适应性和抗寒性[30]，且林下枯枝落叶丰富，能有效减少土壤中水分的蒸发和散失，而草地枯落物相对较少，在一定程度上增加了地表蒸发，从而使土壤中水分含量降低，而土壤有效涵蓄量未表现出显著差异，这可能是因为有效涵蓄量不仅受毛管持水量，还受自然含水量的影响，在多重因素影响下，未表现出明显的变化规律。

4 结论

本研究表明，不同土地利用类型土壤容重在1.33～1.62 g/cm3，表现为草地＞紫穗槐林地＞耕地＞杨树林地；总孔隙度在36.93～52.25%，且其他土地利用类型较草地总孔隙度高出0.71%～14.45%。

土壤最大持水量和蓄水量、毛管持水量和蓄水量均表现出表层大于深层的规律；且表层土壤最大持水量、毛管持水量最大均出现在耕地，分别为347.41、293.42 g/kg，草地最小，分别为270.85、238.58 g/kg。

容重与自然含水量呈极显著负相关关系（P＜0.01），总孔隙度与自然含水量呈显著正相关关系（P＜0.05）；毛管孔隙度与最大持水量、毛管持水量和有效涵蓄量均呈极显著正相关关系（P＜0.01），而与涵蓄降雨量呈显著正相关关系（P＜0.05）；非毛管孔隙度与有效涵蓄量呈极显著负相关关系（P＜0.01）；有机质含量与最大持水量呈显著正相关关系（P＜0.05）；最大持水量和毛管持水量均与涵蓄降雨量呈显著正相关关系（P＜0.05），且毛管持水量与有效含蓄量间呈现极显著正相关（P＜0.01）。不同水文物理性质与土壤的持水性能密切相关。总体来看，复垦区不同土地利用类型涵养水源能力杨树林最强，耕地和紫穗槐林次之，草地最差。