湖南紫鵲界梯田區(qū)森林土壤涵養(yǎng)水源功能初步研究

段興鳳，宋維峰，曾 洵，高松奇

（1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，昆明 650224；2.湖南新化縣水保局，湖南 新化 417600；3.中國東方航空公司 云南分公司，昆明 650200）

紫鵲界梯田起源于秦漢，盛于唐宋，至今已有兩千余年的歷史［1］，是當(dāng)今世界修筑最早的梯田之一。紫鵲界梯田區(qū)總面積115.5km2，從海拔500m的山坡向上有五百多級梯田，約4000 多公頃。這些梯田內(nèi)無塘無庫，無任何人工水利設(shè)施，全為天然自流灌溉，長久以來卻能年年旱澇保收，這都源于梯田區(qū)上方茂密森林強(qiáng)大的水源涵養(yǎng)功能。森林土壤和植被具有良好的涵養(yǎng)水源功能，而紫鵲界梯田區(qū)森林土壤水源涵養(yǎng)功能更為突出。

分析探討紫鵲界梯田區(qū)森林土壤物理性質(zhì)與水源涵養(yǎng)功能，能更好地為梯田的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。本文對梯田區(qū)3塊標(biāo)準(zhǔn)地及荒坡土壤物理性質(zhì)與土壤持水量、枯落物持水率、土壤水分入滲進(jìn)行研究，探討它們的變化及其相互關(guān)系，為評價森林生態(tài)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省新化縣西南部水車鎮(zhèn)金龍村林區(qū)（110°55′50.4″－110°55′50.8″E，27°41′26″－27°41′27.2″N）。本區(qū)屬中低山丘陵地貌，海拔684～708m。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為13.7℃，最高氣溫39℃，最低氣溫－5℃；年降雨量為1650 ～1700 mm；初霜一般在11月15日前后，終霜一般在翌年2月30日左右，年均無霜期為260d，年均日照1488 h。土壤為花崗巖風(fēng)化發(fā)育的紅壤，砂性質(zhì)地，山地土壤剖面完整，土層厚度100cm以上。本區(qū)天然林生長茂密，植物種類繁多，主要喬木樹種有楠竹（Phyllostachys pubescens）、杉木（Cunninghamia Lanceolata）等，雜生各種灌草本植物，草本植物以蕨類居多。

2 研究方法

2.1 樣地及土壤剖面選擇

在全面踏勘天然林群落基礎(chǔ)上布設(shè)20m×20m標(biāo)準(zhǔn)地3塊，調(diào)查各樣地的海拔高度、坡度、坡位、坡向、坡形等立地因子，各樣地基本情況見表1。在每塊樣地的代表性地段挖掘土壤剖面，并調(diào)查土壤因子。樣地和土壤剖面按序號命名，分別為:1，2，3，荒坡為4。

表1 樣地基本情況

2.2 樣品采集

在挖掘好的土壤剖面內(nèi)按0－20cm、20－40cm 2個層次用環(huán)刀取原狀土樣供物理性質(zhì)分析，每層取3個重復(fù)樣。在每塊樣地內(nèi)土壤剖面附近分別收集枯落物，供枯落物持水率測定用。

2.3 樣品分析

2.3.1 土壤基本物理性質(zhì)的測定 土壤基本物理性質(zhì)按常規(guī)分析方法測定［2－4］:土壤容重、孔隙度測定采用環(huán)刀法；土壤水分測定采用恒溫箱烘干法。

2.3.2 土壤通氣孔隙度的計算 計算公式為

式中:Q——土壤通氣孔隙度（%）；P——總孔隙度（%）；w——自然含水率（%）；r——土壤容重（g／cm3）。

2.3.3 土壤持水量的計算 計算公式為

式中:V——土壤最大毛管持水量（t／hm2）；D——土層深度（m）；P——土壤總毛管孔隙度（%）。

2.3.4 枯落物持水率測定 采用浸泡法（一般浸泡24h）。

2.3.5 土壤滲透性能測定 在標(biāo)準(zhǔn)地土壤剖面附近，選擇一塊地面完好無裂縫，地下無洞穴的地方，采用野外原位雙環(huán)法測定。雙環(huán)內(nèi)環(huán)直徑28cm，高25 cm；外環(huán)直徑54cm，高25cm。土壤穩(wěn)滲速率用下式計算［5］

式中:RS——10℃標(biāo)準(zhǔn)水溫時土壤的入滲速率（mm／min）；Δh——某一時段 Δt供水桶讀數(shù)差值（mm）；Δt——時段（min）；T——某時段的平均水溫（℃）。

2.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用EXCEL 2003和SPSS 11.5進(jìn)行整理、分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 紫鵲界梯田區(qū)森林土壤物理性質(zhì)

根據(jù)樣品分析和計算方法，在土層厚度為0－40 cm測得各土壤剖面的物理特性如表2。

表2 土壤物理特性表

通過測定，得出紫鵲界梯田區(qū)森林土壤各土層土壤容重的變幅為:0－20cm土層0.90～1.00g／cm3，20－40cm土層1.05～1.35g／cm3，其土壤容重隨土層深度的增加而遞增。0－20cm、20－40cm土層總孔隙度和毛管孔隙度分別為44.35%～46.13%、39.33%～43.09%和36.10%～40.70%、34.86%～41.75%，其土壤孔隙度隨土層深度的增加而遞減。該區(qū)土壤疏松，結(jié)構(gòu)狀況較好。土壤通氣度與土壤總孔隙度、容重以及土壤含水量等有一定的相關(guān)關(guān)系，土壤孔隙度高，而土壤容重和含水量相對較小，則相對的土壤通氣孔隙度亦高，表明其土壤的通氣性能好。通過測定，得出紫鵲界梯田區(qū)森林土壤表層土壤通氣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于深層土壤，0－20cm土層土壤通氣孔隙度（5.38%）要大于荒坡土壤（1.28%）。

利用其各土層土壤容重與荒坡土壤容重進(jìn)行方差分析，森林土壤剖面1，2，3兩兩之間顯著性概率sig.＝0.314～0.976＞0.05，而荒坡與土壤剖面之間sig.＝0.022～0.034＜0.05，即森林土壤剖面之間容重差異不顯著，而荒坡與森林土壤剖面1，2，3均有顯著差異，表明紫鵲界梯田區(qū)森林土壤較荒坡明顯疏松。對土壤孔隙度、通氣孔隙度等進(jìn)行方差分析，也得出與土壤容重一致的結(jié)果。

3.2 紫鵲界梯田區(qū)森林土壤蓄水能力

林地蓄水量包括枯落物層蓄水量和土壤層蓄水量［6］。紫鵲界梯田區(qū)森林土壤持水量見表3。

表3 土壤持水性能表

由表3可知，紫鵲界梯田區(qū)森林土壤最大持水量平均值為860.50t／hm2，毛管持水量平均值為765.12 t／hm2，其持水量隨土層深度的增加而遞減。與荒坡比較，森林土壤平均最大持水量（902.00t／hm2）和平均毛管持水量（780.97t／hm2）均大于荒坡（764.60t／hm2和698.20t／hm2），由此可見，紫鵲界梯田區(qū)森林土壤具有很好的水源涵養(yǎng)功能。

利用其各土層土壤最大持水量與荒坡土壤進(jìn)行方差分析，森林土壤剖面1，2，3兩兩之間顯著性概率sig.＝0.617～0.976＞0.05，而荒坡與土壤剖面之間sig.＝0.042～0.050≤0.05，即森林土壤剖面之間土壤最大持水量差異不顯著，而荒坡與森林土壤剖面1，2，3均有顯著差異，表明紫鵲界梯田區(qū)森林土壤最大持水量較荒坡明顯要大。

3.3 紫鵲界梯田區(qū)森林枯落物水源涵養(yǎng)功能

森林植被涵養(yǎng)水源和保持水土的作用，很重要的部分是借助林下地表的枯落物?？萋湮锊粌H能很好地防止雨水直接沖刷地面，使土壤免遭雨滴直接擊濺侵蝕；滯緩地表徑流對土壤的沖刷［7］，而且自身也有很好的吸水率和吸水量，凋落物分解后，還能很好地起到改善土壤理化性質(zhì)的作用。紫鵲界梯田區(qū)森林枯落物持水率見表4。

從表4可看出，紫鵲界梯田區(qū)天然林凋落物24h飽和持水率最大為450.03%，最小為288.13%，平均值365.48%。與不同竹林地枯落物層飽和持水率相比（186.66%～271.95%）［8－9］，明顯要高；與不同杉木林地枯落物層飽和持水率相比（185.25%～370.48%）也要高［9－10］。

經(jīng)測定，紫鵲界梯田區(qū)天然林凋落物浸水24h后分別為自身干物質(zhì)重的3.88～5.50倍，其持水能力較高，對促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)起著重要的作用［11］。前20min浸水后重分別為自身干物質(zhì)重的2.79～4.01倍，可見，紫鵲界梯田區(qū)凋落物持水量在前20 min～1h上升較快。

表4 紫鵲界梯田區(qū)森林枯落物持水能力

3.4 紫鵲界梯田區(qū)森林土壤水分入滲

土壤水分入滲作為森林植被的主要水文過程，是反映森林涵養(yǎng)水源功能的重要水文參數(shù)［12］。許明祥，楊海龍等人的研究表明:在土壤理化特性相同條件下，土壤滲透性能越好，地表徑流越少，土壤的流失量也相應(yīng)減少［13－14］，則水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)。紫鵲界梯田區(qū)森林土壤水分入滲情況見圖1。

從圖1可以看出，紫鵲界梯田區(qū)森林土壤初滲率（1.5min時入滲速率）（樣地2為14.00mm／min，樣地3為8.00mm／min，荒坡6.00mm／min）、穩(wěn)滲率（樣地2為0.18mm／min，樣地3為0.14mm／min，荒坡0.07mm／min）和平均入滲率（樣地2為5.25 mm／min，樣地3為3.50mm／min，荒坡1.99mm／min）均高于荒坡，土壤滲透性能良好，涵養(yǎng)水源功能較強(qiáng)。

圖1 紫鵲界梯田區(qū)森林與荒坡土壤水分入滲圖

3.5 土壤物理性指標(biāo)與涵養(yǎng)水源指標(biāo)相關(guān)性分析

利用紫鵲界梯田區(qū)森林各土層土壤主要物理性指標(biāo)與涵養(yǎng)水源指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)r見表5。

表5 土壤各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

涵養(yǎng)水源指標(biāo)與土壤物理性指標(biāo)關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)r較高。土壤持水量與土壤容重、孔隙度、通氣孔隙度的相關(guān)系數(shù)都很高，即疏松、結(jié)構(gòu)良好、孔隙多、通氣良好的土壤持水量高。枯落物的持水率表面上與土壤物理性質(zhì)關(guān)系不大，但土壤容重、孔隙度等通過影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、林下微環(huán)境和枯落物的分解狀況，進(jìn)而影響枯落物蓄水性能。土壤滲透性能受林地土壤物理性質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)是土壤容重和通氣孔隙度。林地土壤容重較小，土壤通透性能好，結(jié)構(gòu)良好，質(zhì)地疏松，降雨后，把大量的地表徑流變成緩慢流動的土壤徑流［15］，滲透到土壤中的水分絕大部分因重力作用經(jīng)過非毛管孔隙下滲到土壤下層，提高入滲速率。

涵養(yǎng)水源指標(biāo)之間也有一定相關(guān)性，尤其是枯落物飽和持水率與土壤入滲速率間相關(guān)系數(shù)r高達(dá)0.808，即枯落物層積累多，層次厚，分解快，分解較徹底，具有孔隙多、結(jié)構(gòu)好的特點(diǎn)，枯落物蓄水性能強(qiáng)，土壤水分入滲快?？葜β淙~腐爛分解釋放養(yǎng)分歸還土壤，對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響，一方面枯枝落葉為土壤中的動物、微生物的活動提供食物（能量），其生物活動易在土體內(nèi)產(chǎn)生孔隙；另一方面枯枝落葉腐爛分解后形成的腐殖質(zhì)與黏粒結(jié)合形成微團(tuán)聚體，使土體變得疏松透水，同時枯落物的存在和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，提高了土壤表面的糙率，延緩徑流，起到了增加入滲的功效［16］。

4 結(jié)論與討論

（1）紫鵲界梯田區(qū)森林各土層土壤主要物理特性（土壤容重、孔隙度和通氣孔隙度等）與土壤持水量、入滲速率均大于荒坡土壤，且通過方差分析可知其差異明顯。

（2）通過相關(guān)分析，該區(qū)森林土壤涵養(yǎng)水源指標(biāo)與物理性指標(biāo)存在一定相關(guān)性。土壤持水量與土壤容重、孔隙度、通氣孔隙度的相關(guān)系數(shù)都很高，即疏松、結(jié)構(gòu)良好、孔隙多、通氣良好的土壤持水量高?？萋湮锏某炙时砻嫔吓c土壤物理性質(zhì)關(guān)系不大，但土壤容重、孔隙度等通過影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、林下微環(huán)境和枯落物的分解狀況，進(jìn)而影響枯落物蓄水性能。土壤滲透性能受林地土壤物理性質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)為土壤容重和通氣孔隙度。林地土壤容重較小，土壤通透性能好，結(jié)構(gòu)良好，質(zhì)地疏松，降雨后，把大量的地表徑流變成緩慢流動的土壤徑流［15］，滲透到土壤中的水分絕大部分因重力作用經(jīng)過非毛管孔隙下滲到土壤下層，提高入滲速率。

（3）森林水文生態(tài)功能主要靠森林和土壤共同結(jié)合起來發(fā)揮作用，只有同時具備良好的森林植被和深厚的土壤，才會具有較大的水文生態(tài)功能和較高的水文生態(tài)效益。紫鵲界梯田區(qū)的森林植被在改良其土壤的物理特性，提高土壤貯水能力，增強(qiáng)土壤涵養(yǎng)水源能力上都具有顯著的生態(tài)功能。

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