三峡库区典型退耕模式对土壤水力特性的影响

Effects of Typical Farmland Conversion Modes on Soil Hydraulic Properties in Three Gorges Reservoir Area

摘要

目的 通过探究三峡库区不同退耕模式对土壤水力特性的影响，为三峡库区的林草生态工程提供科学依据。 方法 以耕地为对照，选取三峡库区典型退耕模式（退耕还草、退耕还林、退耕还果）为研究对象，测定0~20、20~40 cm的土壤基本理化性质、孔隙分布特征和水力参数，分析不同退耕模式下的土壤水力特性差异及其影响因素。 结果 1） 不同退耕模式均显著降低土壤体积质量，其大小分别为耕地（1.52 g/cm³）>退耕还果（1.48 g/cm³）>退耕还草（1.41 g/cm³）>退耕还林（1.35 g/cm³）；仅退耕还林显著增加土壤有机质质量分数，相对耕地土壤有机质质量分数显著提升65.22%。2）不同退耕模式主要增加土壤的中孔率和大孔率，相较于耕地，退耕还草、退耕还林和退耕还果后的土壤中孔率分别增加76.61%、59.38%和14.91%，大孔率分别增加23.98%、43.23%和15.66%。3）不同退耕模式均能有效提升土壤导水能力，其中退耕还林及退耕还果还能有效提升0~40 cm土层土壤持水能力，而退耕还草并不利于0~20 cm土层土壤持水。4）在三峡库区典型退耕模式下，土壤孔隙率、体积质量、有机质质量分数、粉粒含量是引起土壤水力特性变异的主要因子。 结论 在三峡库区可因地制宜地推广退耕还果模式以实现生态效益与经济效益的双赢。

Abstract

Objective To investigate the effects of different farmland conversion modes on soil hydraulic properties in the Three Gorges Reservoir area， thereby providing scientific guidance for the forest and grassland ecological projects in this area. Methods With farmland as the control， typical farmland conversion modes （farmland-to-grassland conversion， farmland-to-forest conversion， farmland-to-orchard conversion） in the Three Gorges Reservoir area were selected as the research objects. The basic physicochemical properties of soil， pore distribution characteristics， and hydraulic parameters were measured at 0-20 cm and 20-40 cm depths. Differences in soil hydraulic properties and their influencing factors under different farmland conversion modes were analyzed. Results 1） All farmland conversion modes significantly reduced the soil bulk density， with values ranking as follows： farmland （1.52 g/cm³）>farmland-to-orchard conversion （1.48 g/cm³）>farmland-to-grassland conversion （1.41 g/cm³）>farmland-to-forest conversion （1.35 g/cm³）. Only farmland-to-forest conversion significantly increased the soil organic matter content， showing a 65.22% increase compared to that of farmland. 2） Different farmland conversion modes mainly increased soil mesoporosity and macroporosity. Compared to farmland， farmland-to-grassland conversion， farmland-to-forest conversion， farmland-to-orchard conversion increased soil mesoporosity by 76.61%， 59.38%， and 14.91%， and macroporosity by 23.98%， 43.23%， and 15.66%， respectively. 3） Different farmland conversion modes effectively enhanced soil hydraulic conductivity， among which farmland-to-forest conversion and farmland-to-orchard conversion could also effectively improve the water holding capacity in the 0-40 cm soil， while farmland-to-grassland conversion was not conducive to the water holding capacity in the 0-20 cm soil. 4） Under the typical farmland conversion modes in Three Gorges Reservoir area， soil porosity， bulk density， organic matter content， and silt content were the main factors driving the variations of soil hydraulic properties. Conclusion In the Three Gorges Reservoir area， the farmland-to-orchard conversion can be promoted according to local conditions to realize a win-win situation of ecological and economic benefits.

Graphical abstract

关键词

三峡库区 / 退耕模式 / 土壤基本理化性质 / 孔隙分布特征 / 土壤水力特性

Key words

Three Gorges Reservoir area / farmland conversion modes / basic physicochemical properties of soil / pore distribution characteristics / soil hydraulic properties

三峡库区作为我国重要的水土保持功能区和长江上游关键水源涵养地，其生态安全直接关系到长江流域的水资源安全和区域可持续发展。然而，该区域受复杂地形、集中强降雨及长期不合理土地利用（如陡坡开垦、过度耕作等）的多重影响，普遍存在坡耕地退化、水土流失加剧及农业面源污染等生态环境问题，严重威胁库区生态安全和水质安全^［1］。为此，近30 a来，三峡库区大力开展退耕还林还草生态工程，在植被恢复方面取得显著成效，大大增强土壤水源涵养功能^［2］。土壤水力特性表征土壤的导水和持水性能，是陆地生态系统水分循环的关键调控要素，直接影响土壤水源涵养、养分运移和植被生长等生态功能^［3］。因此，研究退耕还林还草对土壤水力特性的影响机制，对三峡库区水土保持、水资源管理和生态恢复工作具有关键指导价值。

目前国内外学者对退耕还林还草的土壤水力特性进行了大量研究。已有研究^［4］表明，退耕还林还草通过植被根系对土壤结构的物理改良作用（如根系穿插、团聚体形成）及凋落物输入带来的有机质积累，显著改变土壤孔隙结构和水分运移路径，进而影响土壤水力特性，且不同的退耕模式对土壤水力特性的影响机制不同^［5］。其中退耕还草可以通过提高土壤有机质含量、孔隙度和黏粒含量从而增加土壤饱和导水率和田间持水量^［6］；退耕还林主要通过影响土壤体积质量、有机质、孔隙度和团聚体来改善土壤水力特性^［7］；退耕还林导致土壤团聚体稳定性降低，且对土壤入渗能力及饱和导水率的改善作用有限^［8］。受区域气候、成土过程及植被类型的影响，各地区的典型退耕模式对土壤水力性质的影响程度和关键影响因素存在明显差异。在黄土高原地区，土壤水力特性在还林模式下较高，而其他退耕模式差异不大^［9］，而在喀斯特地区，还林模式与还草模式的水力特性没有显著差异^［10］。因此，有必要在不同地区开展关于退耕还林还草土壤水力性质的相关研究，以更深刻地理解不同退耕模式对土壤水力性质的影响机制。

三峡库区具有山地地形陡峭、强降水事件频发、农业生产活动强度高、土层浅薄且砾石含量高等独特的地理与人为活动特征，退耕模式对土壤水力特性的影响可能存在区域差异性。为兼顾库区农业经济效益和生态效益，退耕还果园成为重要的退耕模式之一。目前，库区内退耕还林还草模式对土壤侵蚀及养分流失的影响已得到充分研究^［11-12］，且退耕还果显著影响土壤颗粒组成及土壤体积质量^［13］。但是库区不同退耕模式对土壤水力特性的影响研究仍显不足。因此，本文以三峡库区典型退耕模式的土壤为研究对象，通过对比长期退耕后土壤的基本理化性质、孔隙分布特征和水力特性，研究不同退耕模式对土壤水力特性的影响及其机制，在兼顾生态效益与经济效益的基础上，为三峡库区因地制宜的科学林草工程提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于三峡库区秭归县王家桥小流域（31°04′20″~31°15′07″N，110°40′51″~110°47′13″E）。该流域属于长江二级支流，流域总面积达16.7 km²，属于典型的山区小流域，流域最高海拔1 180 m，最低海拔184 m。该流域属亚热带湿润季风气候，雨量分布不均，夏季高温多雨，多年平均气温20 ℃，多年平均降水量1 192 mm，无霜期310 d。强烈的侵蚀和割裂的地形导致小流域山高坡陡的地貌特征。流域内以紫砂岩发育的中性和石灰性紫色土为主，土层浅薄，砾石含量高。为应对严重的土地退化问题，王家桥小流域自20世纪90年代末期以来，陆续实施退耕还林（天然次生林）、退耕还草和退耕还果（柑橘）等生态恢复工程，而耕地多玉米连作^［14］。

1.2 样点布设与土样采集

基于前期对研究区土地利用类型和退耕模式的调研与勘探，在研究区内选择3种长期退耕（20 a以上）后的土地：草地、林地、果园，以耕地为对照，每种土地于研究区内随机布设3个重复样地，重复样地之间的距离控制在2 km以上以保证研究样地的试验结果具有区域代表性，研究样地概况见表1。不同退耕模式样地的成土母质均为紫砂岩，海拔、坡向和坡度等立地条件基本一致。于2023年9月下旬至11月中旬采集土壤样品，采样在保证前后1周无降雨时进行以排除降雨对土壤水力特性的干扰。由于研究样地土层浅薄，平均土层厚度不足50 cm且常规耕作对土壤的扰动主要集中在0~20 cm土层，故采样时选取0~20、20~40 cm土层进行分层采样。于0~20、20~40 cm土层分别采集3个原状土壤样品（100 cm³环刀）以测定土壤体积质量、含水量、砾石含量、饱和导水率及土壤水分特征曲线SWRC；逐层采集1个扰动土壤样品，在风干过筛后用于土壤有机质含量和颗粒组成的测定。

1.3 土壤理化性质的测定

土壤体积质量采用环刀法测定；土壤砾石体积分数采用排水法测定；土壤有机质采用重铬酸钾消煮法测定；土壤颗粒组成采用吸管法测定；土壤饱和含水量、毛管含水量采用烘干法测定；土壤饱和导水率采用定水头法测定，具体方法参照文献［15］。

1.4 水分特征曲线及相关参数的计算

1.4.1 土壤水分特征曲线测定及拟合

土壤水分特征曲线（soil water characteristic curve，SWCC） 采用离心机法测得，分别测定土壤吸力为0、2.5、5、10、20、33、100、200、500、1 000、1 500 kPa时的土壤含水量并绘制水分特征曲线。运用van Genuchten 模型（VG模型）^［16］对测得的土壤水分特征曲线进行拟合，得到模型参数，计算式为：

\theta ={\theta }_{\mathrm{r}}+\left({\theta }_{\mathrm{s}}-{\theta }_{\mathrm{r}}\right){\left[\mathrm{1}+|\alpha h{|}^n\right]}^{-m}（1）

式中：\theta为土壤体积含水量，cm³/cm³；{\theta }_{\mathrm{r}}为土壤残余体积含水量，cm³/cm³；{\theta }_{\mathrm{s}}为土壤饱和体积含水量，cm³/cm³；h为土壤水势，cm；\alpha为进气值倒数；m、n为形状参数，m=\mathrm{1}-\mathrm{1}/n。

土壤水分特征曲线中33 kPa吸力下的土壤含水量作为土壤田间持水量，cm³/cm³。

1.4.2 土壤当量孔径计算

土壤当量孔径（d，μm）可由毛管理论方程^［17］计算：

d=\frac{\mathrm{4}\gamma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega }{{\rho }_{\mathrm{w}}gh}（2）

式中：\gamma为水的表面张力系数，20 ℃时一般取72.8×10^-5 N/cm；{\rho }_{\mathrm{w}}为水的密度，取值0.998 g/cm³；g为重力加速度，取值980 cm/s²；\omega为水孔接触角，一般取0。因此，当量孔径（d）与土壤水势（h）的关系可用d=\mathrm{2}\mathrm{980}/h表示^［17］。根据土壤水势范围可将土壤孔隙大致划分为大孔（d>80 μm）、中孔（30 μm<d<80 μm）和微孔（d<30 μm）3种^［18］。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2019软件对试验数据进行整理；采用SPSS 27.0软件对数据进行方差分析和Pearson相关分析，显著性阈值设定为p≤0.05；采用Origin 2021软件绘图；采用RETC软件对土壤水分特征曲线进行拟合；采用Canoco 5.0件对数据进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 不同退耕模式下的土壤理化性质

不同退耕模式下各土层的土壤理化性质见表2。不同退耕模式均可以显著降低土壤体积质量（p<0.05），退耕还草、退耕还林和退耕还果后0~20 cm土壤体积质量分别较耕地显著低约10.07%、17.45%和4.03%，20~40 cm土壤体积质量分别较耕地低约4.52%、5.16%和1.29%。退耕还林还可以显著提升土壤有机质质量分数（p<0.05），退耕还林后0~20、20~40 cm土壤平均有机质质量分数分别较耕地显著高83.98%和40.62%。退耕还草及退耕还果并不能显著提升土壤有机质质量分数，还草及还果后的土壤有机质质量分数与耕地相比均无显著差异。不同退耕模式对0~20 cm土壤的颗粒组成无显著影响，但20~40 cm土壤的砂粒和粉粒占比发生显著变化。退耕还草、还林及还果后20~40 cm的土壤砂粒占比分别显著提升34.59%、34.14%和29.27%，土壤粉粒占比分别显著降低30.95%、30.72%和41.51%。

不同退耕模式下的土壤有机质质量分数均表现为0~20 cm显著高于20~40 cm，而体积质量则反之（p<0.05）。相较于0~20 cm土壤，耕地、退耕还草、退耕还林和退耕还果模式下20~40 cm土壤的有机质质量分数分别显著降低24.52%、29.81%、42.30%和52.42%，体积质量分别显著提高4.03%、10.45%、19.51%和6.99%。还林模式下20~40 cm土壤的砾石体积分数较0~20 cm土壤显著高约85.95%。还草和还林模式下的砂粒占比均表现为20~40 cm土壤显著高于0~20 cm土壤，粉粒占比则反之（p<0.05），而不同退耕模式土壤的黏粒占比在不同土层之间均未表现出显著差异。

2.2 不同退耕模式下的土壤孔隙分布

退耕主要改变土壤的中孔率和大孔率（图1），对土壤微孔率无显著影响。退耕还林能够显著提升0~40 cm土层土壤中孔率及0~20 cm土层土壤大孔率，退耕还草能够显著提升0~40 cm土层土壤中孔率，退耕还果能够显著提升0~20 cm土层土壤中孔率，不同退耕模式间的土壤微孔率并未显示出显著差异（p<0.05）。对于0~20 cm土层土壤，还草、还林及还果后的中孔率分别较耕地显著高114.21%、69.47%和41.48%，还林后的大孔率较耕地显著高122.46%，总孔隙度表现为退耕还林>退耕还果>退耕还草>耕地。对于20~40 cm土层土壤，退耕还草和退耕还林均能显著提升土壤中孔率，还草和还林后的土壤中孔率分别较耕地显著高40.70%和49.75%，总孔隙度表现为退耕还林>退耕还草>退耕还果>耕地。

2.3 不同退耕模式下的土壤水力特性

2.3.1 不同退耕模式下的土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线能够反映土壤水力特性，对研究土壤水分的可利用性、持水性等具有重要作用。通过对比土壤水分特征曲线中多个相同土壤水基质势下的土壤体积含水量可以得出，对于0~20 cm土层，退耕还林和退耕还果均能有效提升土壤平均体积含水量，相对于耕地，还林和还果模式下的水分特征曲线上移，退耕还林和退耕还果后的土壤体积含水量增量平均值分别为12.44%和14.98%（图2a）。对于20~40 cm土层，不同的退耕模式均能提升土壤平均体积含水量，还草、还林和还果后的土壤体积含水量增量平均值分别为2.86%、7.32%和7.75%（图2b）。

2.3.2 不同退耕模式下的土壤持水性能与导水性能

土壤饱和含水量、毛管含水量、田间持水量反映不同退耕模式下的土壤持水性能，土壤饱和导水率反映不同退耕模式下的土壤导水性能。退耕还草、退耕还林及退耕还果均能够有效提升0~20 cm土壤的饱和含水量和饱和导水率，但仅退耕还林能够显著提升20~40 cm土壤的饱和含水量和饱和导水率（图3）。具体而言，退耕还草、退耕还林及退耕还果后0~20 cm土壤的饱和含水量分别较耕地高8.37%、18.31%和5.60%，饱和导水率分别较耕地高210.08%、266.39%和273.11%，退耕还林后20~40 cm土壤的饱和含水量和饱和导水率分别较耕地显著高10.05%和231.94%。退耕后，毛管含水量及田间持水量在不同退耕模式间并未表现出显著差异，但与退耕还林和退耕还果的改善效应不同，退耕还草减小0~20 cm土壤的田间持水量。不同退耕模式下的土壤饱和含水量、毛管含水量、饱和导水率均表现为0~20 cm土层显著高于20~40 cm土层，田间持水量在不同土层间未表现出显著差异。

2.4 土壤水力特性影响因子

从图4可以看出，不同退耕模式下土壤水力特性与体积质量、有机质、砾石含量及孔隙分布显著相关（p<0.05）。相关性分析（图4）表明，土壤饱和含水量与有机质含量、粉粒占比、大孔率、中孔率、微孔率呈显著正相关，与体积质量、砾石含量呈显著负相关；土壤田间持水量与微孔率呈显著正相关，与大孔率呈显著负相关；土壤毛管含水量与微孔率呈显著正相关，与体积质量呈显著负相关；土壤饱和导水率与有机质含量、大孔率、中孔率呈显著正相关，与体积质量、砾石含量、黏粒占比呈显著负相关。

为了进一步探究退耕后引起土壤水力特性变化的关键因子，本研究将土壤水力参数（饱和含水量、毛管含水量、田间持水量、饱和导水率）作为响应变量，将土壤理化性质和孔隙分布特征作为解释因子进行冗余分析（RDA）。由图5可知，本研究中测定的土壤理化性质和孔隙分布特征解释了退耕后土壤水力特性变异的78.90%，其中第1排序轴（RDA1）、第2排序轴（RDA2）分别解释了水力特性变异的55.78%和20.10%。在这些解释因子中，微孔率、体积质量、大孔率、中孔率、有机质含量、粉粒占比起到显著且重要的作用（p<0.05），其解释度分别为50.0%、16.0%、5.6%、1.6%、1.6%和1.6%（表3）。结合相关性分析（图4）结果，不同退耕模式主要通过影响土壤体积质量、中孔率和大孔率来改变土壤饱和导水率，主要通过影响土壤体积质量、微孔率和有机质含量来改变土壤持水性能。

3 讨 论

本研究表明，不同的退耕模式对土壤理化性质及孔隙分布有显著影响。不同退耕模式均可显著降低土壤体积质量，是由于退耕后乔木、草本植物、柑橘密集的根系通过穿插、挤压作用，在土壤中形成生物孔隙通道能够有效降低土壤体积质量^［13］。由于人们在耕地和果园里频繁走动，会压实土壤，破坏土壤结构，而退耕还林和还草地受人为干扰较少，故退耕还林及退耕还草模式对土壤体积质量的降低效果优于退耕还果模式，且对于0~20 cm土层的体积质量降低效果较20~40 cm土层更为显著^［19］。压实效应主要集中于土壤表层使得耕地及退耕还果后0~20 cm土壤体积质量显著高于无人为扰动的退耕还林及还草土壤。退耕还林后土壤有机质的显著提升主要归因于林地的枯枝落叶极易被分解为腐殖质^［20］，而退耕还草模式下的土壤由于缺乏有机肥的输入导致其有机质含量低于耕地。在退耕还果模式下，柑橘树的枯落物分解和较耕地更为频繁的有机肥施用也能有效增加0~20 cm土层有机质含量。此外，退耕还草、还林及还果后20~40 cm土壤砂粒占比的显著增加及粉粒含量的显著降低，是由于在降雨量充沛的三峡库区，退耕后植被根系改善土壤透水性和通气性，进一步增强水分下渗和淋洗作用，水分的深层入渗促进紫砂岩母质的风化，最终导致该土层砂粒相对富集、粉粒占比相对下降^［21］。在土壤孔隙分布方面，与刘俊廷等^［22］研究发现，退耕还林还草能够有效改善土壤孔隙分布的结论相似，本研究也表明，退耕还林还草能够显著提升土壤总孔隙度且主要增加了土壤的中孔率和大孔率。该现象不仅源于林草植被发达根系对土壤孔隙连通性的促进作用，还与有机质对土壤大孔隙发育的显著正效应、体积质量对土壤大/中孔隙发育的显著负效应密切相关^［23-25］。本研究表明，在柑橘根系穿插发育与人为生产活动压实的双重作用下，退耕还果虽然对20~40 cm土层孔隙度的改善效果有限，但能使0~20 cm土壤孔隙度显著提升。

三峡库区不同退耕模式对土壤水力特性的影响机制不同。在持水能力方面，BRADY等^［18］曾提出土壤微孔隙与中孔隙是持水保水的关键介质；MA等^［6］亦证实土壤体积质量与有机质对持水能力分别具有显著的负效应和正效应。本研究结果与此一致，退耕还林及退耕还果均能有效提升土壤持水能力归因于退耕还林后的土壤较耕地具有更高的有机质含量、微孔率、中孔率及更低的体积质量，退耕还果后的土壤较耕地具有更高的微孔率及更低的体积质量。退耕还草后土壤体积质量的降低虽然有效提升土壤的饱和含水量，但与前人^［6］研究不同，即0~20 cm土层的田间持水量降低，是由于退耕还草后，0~20 cm土层大孔率的增多及微孔率的减少对田间持水量有显著的负效应^［26］。在导水能力方面，诸多研究^［27-30］表明，土壤体积质量与砾石含量对土壤饱和导水率呈显著负效应，而土壤有机质、大孔隙及中孔隙则具有显著正效应。本研究显示，不同退耕模式均促使0~20 cm土层体积质量降低及大/中孔隙发育，故退耕还林、还草、还果均显著提升该土层饱和导水率；但仅退耕还林可显著增加20~40 cm土层中孔率与有机质含量，且退耕还草、还果模式下该土层砾石含量较高，导致仅退耕还林能显著提升20~40 cm土层饱和导水率。冗余分析结果显示，微孔率对土壤水力特性变异的解释度较高。但在本研究中，不同退耕模式主要提高土壤的大孔率和中孔率，微孔率并未发生显著变化，同时，饱和导水率仅与大孔率、中孔率呈显著正相关，而田间持水量、饱和含水量、毛管含水量均与微孔率呈显著正相关。此结果也解释了为何退耕对土壤饱和导水率的影响大于对土壤持水性能的影响。

从整体情况而言，在三峡库区3种典型的退耕模式当中，退耕还林在提升土壤持水能力和导水能力方面表现最为突出^［8-9］，退耕还果次之，但仍优于退耕还草。与黄土高原等地区的研究结论形成鲜明对比，后者普遍认为退耕还果无法有效改善土壤水力特性^［5，8］，这种区域差异可能由气候条件及树种特性共同驱动。不同于黄土高原半干旱气候下种植的苹果树，三峡库区湿润气候主导下以柑橘树为主栽树种。一方面，柑橘树须根系统较苹果树更为发达，其密集根系的穿插生长对土壤孔隙结构发育的促进作用更强，进而显著提升土壤持水与导水能力^{［13，30］}；另一方面，充沛的水分条件为柑橘根系生长提供理想环境，进一步强化根系对土壤物理结构的改良效应。值得注意的是，三峡库区坡耕地治理成效评价需兼顾生态与经济效益，尽管退耕还林生态效益最佳，但退耕还果通过发展特色产业提升了居民收入，不仅形成以柑橘为主的优势产业和特色农业品牌，延伸农业产业化链条，加强特色农产品深加工能力，部分果园还开发旅游观光功能拓宽收入途径，由此建立起具有地域特色和市场竞争力的农业绿色循环发展模式，推动乡村经济平稳发展、农民收入提升，助力农户脱贫致富^［31］。因此，基于三峡库区的实证研究结果。建议在三峡库区，除退耕还林模式外，可因地制宜地推广退耕还果模式，以实现生态效益与经济效益的双赢。该发现为三峡库区的水土保持和林草工程建设提供科学依据。

4 结 论

退耕还草、退耕还林及退耕还果后土壤的饱和导水率较耕地分别显著提升151.31%、253.40%和196.33%，退耕还林及退耕还果均提升0~40 cm土壤持水能力，但退耕还草降低0~20 cm的持水性能。在三峡库区3种典型的退耕模式中，退耕还林在提升土壤持水能力和导水能力方面表现最为突出，退耕还果次之，退耕还草最差。不同退耕模式主要通过降低土壤体积质量及增加土壤的中孔率和大孔率来提升土壤饱和导水率，退耕还林及退耕还果主要通过降低土壤体积质量及增加土壤的微孔率和有机质含量来提升土壤持水性能。

为了兼顾生态效益与经济效益，建议在三峡库区，除退耕还林模式外，可因地制宜地推广退耕还果模式。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42377328)

国家自然科学基金项目(42077065)