松華壩水源地不同植被土壤特性及水源涵養(yǎng)功能

苗 武，史正濤，陳 駿，韋海波

（云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明650500）

水庫水源地是云南高原盆地的主要飲用水供給源，是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及全球氣候變化，水資源變得異常緊缺，頻頻出現(xiàn)河流斷流，水庫缺水的情況，水資源供需矛盾較突出，保護(hù)城市水源地的重要性已提上了議案。松華壩水源區(qū)主要以大氣降水補(bǔ)充水源，現(xiàn)主要有次生林、人工林、園地和耕地四種植被，區(qū)內(nèi)下墊面變化對(duì)水資源的影響很大。森林是一個(gè)多功能的生態(tài)系統(tǒng)，在涵養(yǎng)水源方面作用巨大。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)次生林不同林種，人工林不同林種，同種林中不同坡位、不同坡度森林水源涵養(yǎng)功能的差異，天然次生林和混交林水源涵養(yǎng)功能的對(duì)比等方面都進(jìn)行了詳細(xì)系統(tǒng)的研究［1－4］。李紅等［5］、王志強(qiáng)［6］對(duì)不同 植被土 壤 的 貯水性能也進(jìn)行了研究。但對(duì)低緯度高海拔區(qū)域水源地相關(guān)方面的研究還不多見。本文從高原盆地城市水源地次生林地、人工林地、園地、耕地四種植被土壤特性著手，研究各因素變化對(duì)水源涵養(yǎng)能力的影響和不同植被土壤的水源涵養(yǎng)功能的差異，分析森林植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、園地和人工林的過程中，土壤特性的改變及水源涵養(yǎng)能力的變化。以期為高原盆地城市水源地脆弱性診斷研究提供科學(xué)的數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，為水源地水源涵養(yǎng)功能修復(fù)提供策略。

1 研究區(qū)概況

松華壩水源區(qū)是昆明市最重要的飲用水源地，位于昆明市主城區(qū)東北部13 k m處，地處東經(jīng)102°45′—102°59′，北緯25°08′—25°27′。流域面積為 629.8 k m2，主要河流有牧羊河和冷水河，多年平均徑流量為8 900萬k m3。全區(qū)以淺切割的中山山地為主體，分布有面積不大的河谷階地、斷陷盆地、溶蝕洼地。整個(gè)地勢由東北向西南逐漸傾斜，境內(nèi)海拔2 840～1 917 m，相對(duì)高差923 m［7］。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均溫15℃，多年平均降雨量900 mm。土壤以紅壤為主，分布有少部分的黃棕壤、棕壤和水稻土。流域內(nèi)總林地達(dá)378.16 k m2，約占土地總面積的60.2%，亞熱帶針葉林是區(qū)內(nèi)的主要森林植被，以云南松林為主，此外還有以滇石櫟為主的常綠闊葉林、以栓皮櫟、旱冬瓜為主的落葉闊葉林，灌木林和華山松林也有少量分布。人工林主要有華山松林、云南松林、旱冬瓜以及圣誕樹林等。園地面積68.86 k m2，約占10.9%；耕地面積50.43 k m2，約占8%［8］。庫區(qū)內(nèi)有白邑、阿子營、大哨、雙哨、小河、龍泉等7個(gè)鎮(zhèn)267個(gè)自然村小組，共18 326戶、75 145人。

2 研究方法

2.1 樣本采集

選擇次生林地、人工林地、耕地、園地四種植被類型，設(shè)置9組樣地，每組樣地中對(duì)每種植被類型各挖取土壤剖面一個(gè)，共對(duì)36個(gè)土壤剖面進(jìn)行采樣研究，每個(gè)采樣點(diǎn)的各標(biāo)準(zhǔn)地立地條件（包括坡度、微地形、土壤類型等）相對(duì)一致。各剖面以相同的方法分別進(jìn)行采樣。每個(gè)土壤剖面挖成1.5 m×1 m×0.8 m的長方形土壤剖面，用環(huán)刀法［9］分別按0—20，20—40，40—60 c m共3個(gè)土壤層次采取自然狀態(tài)土樣，每層重復(fù)3次，用于測定土壤容重、孔隙度等。同時(shí)每層采取鋁盒樣品和散樣樣品，用于測定土壤含水量、有機(jī)質(zhì)和其他土壤特性及臨時(shí)備用。

2.2 土壤各項(xiàng)指標(biāo)測定

利用烘干法測定土壤含水量；采用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度和飽和含水量；采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用土壤非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤層厚度計(jì)算土壤蓄水量。

即：土壤的非毛管孔隙貯水量

式中：V非——土壤的非毛管孔隙貯水量（t／h m2）；P非——非毛管孔隙度（%）；D——土層深度（m）。

土壤的最大貯水量

式中：V——土壤的最大貯水量（t／h m2）；P——土壤的總毛管孔隙度（%）；D——土層深度（m），本文按0.6 m 計(jì)算［10］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型下的土壤物理性質(zhì)

土壤的物理性質(zhì)直接影響著土壤的水源涵養(yǎng)功能，尤其是土壤容重和孔隙度。土壤容重的大小與土壤緊實(shí)致密情況密切相關(guān)，在一定程度上能夠反映土壤的孔隙狀況和貯水能力。土壤容重較低，意味著土壤越疏松、孔隙較多，水源涵養(yǎng)和水土保持能力較高；反之亦然。而土壤孔隙度的大小決定著土壤的通氣狀況和積水能力，對(duì)生物的生長有著重要作用。一般把總孔隙度中的非毛管貯水稱為有效貯水量，非毛管孔隙度大，涵養(yǎng)水源的效益高，反之則低［11－12］。

從樣品各指標(biāo)測定的數(shù)據(jù)來看（表1—2），次生林地、人工林地、園地和耕地四種植被下土壤的自然含水量均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸增高，0—60 c m的平均含水量從大到小的順序?yàn)椋捍紊郑靖兀緢@地＞人工林，次生林高達(dá)38.16%，人工林僅為11.81%。土壤的飽和含水量大體表現(xiàn)為0—20 c m最大，0—40 c m最小，0—60 c m的平均值從大到小的順序?yàn)椋焊兀敬紊郑緢@地＞人工林。土壤的容重均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸增大，0—60 c m的平均值從大到小的順序?yàn)椋喝斯ち郑緢@地＞耕地＞次生林，分別為1.69，1.41，1.23，1.14 g／c m3。土壤的總孔隙度則與容重相反，次生林最大，人工林最小，分別為57.06%，53.46%，48.25%和36.40%。土壤的非毛管孔隙度也表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降低，0—60 c m的平均值從大到小的順序?yàn)椋捍紊值兀靖兀緢@地＞人工林，分別為16.02%，13.40%，9.06%和8.41%。

綜上分析可知，次生林植被下有利于土壤涵養(yǎng)水源的相關(guān)物理特性最好，耕地次之，人工林地最差。

3.2 不同植被類型下的土壤有機(jī)質(zhì)含量

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中最重要的組成成分之一，其含量的高低在一定程度上反映了地上植被的發(fā)育狀況。其可改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤容重、增加土壤孔隙度，對(duì)土壤的水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生作用。

由表1—2可見，四種植被下土壤的有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而遞減，其中0—20 c m土層中遞減的幅度較小，40—60 c m土層遞減的幅度很大。在0—20 c m土層中次生林的有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其他三種，比次高的人工林高34.9%，比最低的耕地高74.4%。在0—60 c m的整個(gè)土層中有機(jī)質(zhì)的平均值從大到小的順序?yàn)椋捍紊郑靖兀緢@地＞人工林，分別為0.90%，0.86%，0.83和0.59%。綜上分析可知，次生林植被下土壤的有機(jī)質(zhì)含量最高，耕地和園地的相對(duì)較少，人工林地最差。

表1 不同植被土壤各指標(biāo)

表2 0－60 c m土壤各指標(biāo)的平均值

3.3 不同植被類型下的土壤貯水能力

土壤的貯水量是土壤水源涵養(yǎng)功能的直接數(shù)據(jù)表現(xiàn)。土壤的有效貯水量是土壤中非毛管孔隙或大孔隙中在下大雨時(shí)貯存的水分，能夠減少地表徑流，向深層下滲，補(bǔ)充地下水，參與徑流循環(huán)系統(tǒng)。最大貯水量則包含有效貯水量和毛管持水量，后者主要供給植物根系吸收，葉面蒸騰和蒸發(fā)，是植物正常生長和生態(tài)功能的保證。土壤有效貯水量和最大貯水量是評(píng)價(jià)土壤水源涵養(yǎng)功能的最終指標(biāo)。

從表3、圖1—2可知，不同植被土壤的有效貯水量和最大貯水量均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐漸遞減的趨勢，但遞減的幅度各不相同，同種植被下在不同的土層中遞減的幅度也有差異。不同植被在0—60 c m土層內(nèi)的有效貯水量和最大貯水量從大到小的順序均表現(xiàn)為：次生林＞耕地＞園地＞人工林，有效貯水量分別為961.00，803.80，543.60 t／h m2和504.60 t／h m2，最 大 貯 水 量 分 別 為 3 423.80，3 207.60，2 895.20 t／h m2和2 216.40 t／h m2。次生林地土壤的有效貯水量要比人工林地高出90.56%，最大貯水量高出54.48%；耕地土壤的有效貯水量要比人工林地高出59.29%，最大貯水量高出44.72%；園地土壤的有效貯水量要比人工林地高出7.73%，最大貯水量高出30.63%；次生林地土壤的有效貯水量要比耕地高出19.56%，最大貯水量高出6.74%；次生林地土壤的有效貯水量要比園地高出76.78%，最大貯水量高出20.54%；耕地土壤的有效貯水量要比園地高出47.87%，最大貯水量高出10.79%。

表3 土壤貯水量（0－60 c m）

圖1 不同植被0－60 c m土層內(nèi)土壤有效貯水量

圖2 不同植被0－60 c m土層內(nèi)土壤最大貯水量

上述結(jié)果表明：（1）4種植被下有效貯水量和最大貯水量從大到小的順序均表現(xiàn)為：次生林＞耕地＞園地＞人工林。（2）從次生林、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值倪^程中土壤的有效貯水量和最大貯水量變化幅度都很大，次生林轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地的過程中變化次之，次生林轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蛨@地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值氐倪^程中變化較小。

4 討論

不同的植被，上層林冠、地表的枯落物以及土壤根系發(fā)達(dá)程度有所差異，土壤的物理性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量各不相同，從而導(dǎo)致土壤的水源涵養(yǎng)效益有很大差距［13－14］。梁超等［15］認(rèn)為，植被群落也會(huì)影響到土壤水分含量的變化，并對(duì)這方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究。鄒俊亮等［16］則研究了不同植被和土壤類型下土壤水分剖面的分異，發(fā)現(xiàn)同一土壤類型下植被類型的不同主要對(duì)深層土壤水分的垂直分布產(chǎn)生影響，得出農(nóng)地和草地下的土壤水分狀況好于灌木和喬木。

結(jié)合前人的研究，本文分析得知，次生林的土壤物理特性、有機(jī)質(zhì)含量、有效貯水量和最大貯水量均表現(xiàn)為最好，耕地次之，人工林地表現(xiàn)最差，這與梁超等［15］的研究結(jié)果相吻合，但與鄒俊亮等［16］研究的結(jié)果有所差異。對(duì)以上規(guī)律進(jìn)行綜合分析：次生林植被良好，高大的樹冠可涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)水源和減少下墊面蒸發(fā)，豐富的枯落物和發(fā)達(dá)的根系使得土壤的有機(jī)質(zhì)多，土質(zhì)疏松，容重小，孔隙度大，有效貯水量和最大貯水量也最高。耕地和園地的各指標(biāo)優(yōu)于人工林的原因完全是人為因素的干擾。農(nóng)業(yè)中的“中耕保墑”很好地解釋了這兩種植被土壤各指標(biāo)良好。人為的耕種、松土、施糞等都在很大程度上影響著這兩種植被的水源涵養(yǎng)能力。人工林各項(xiàng)指標(biāo)較差的原因是因?yàn)闃涿巛^小，覆蓋度低，不僅發(fā)揮不了森林系統(tǒng)的功能，還強(qiáng)有力地吸取土壤的養(yǎng)分和水分供其快速生長，是典型的強(qiáng)有力的植物抽水機(jī)。加之林下有機(jī)質(zhì)少，土質(zhì)密實(shí)，容重大，孔隙度小，有效貯水量和最大貯水量都很低。

流域內(nèi)林地約占土地總面積的60.2%，加之從次生林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值倪^程中土壤的貯水量變化幅度大，次生林轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地的過程中變化次之的特點(diǎn)可以得知，這兩種植被的轉(zhuǎn)變是流域內(nèi)水源涵養(yǎng)功能變化的主因。園地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值氐倪^程中土壤貯水量變化較小，它在一定程度上也影響著水源涵養(yǎng)能力。耕地約占8%，所占的比例相對(duì)較小，加之耕地變率較小及在與其他植被的轉(zhuǎn)變過程中變化幅度不大，總體來說對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)功能的影響不大。

上述結(jié)果表明，次生林地的土壤水源涵養(yǎng)功能最好，人工林地的最差；次生林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち?、園地的植被變化過程是水源地水源涵養(yǎng)功能變化的主因。證實(shí)了把人工林和園地恢復(fù)成次生林是改善水源地水源涵養(yǎng)功能的有效途徑和正確抉擇，全面地肯定了相關(guān)單位在水源區(qū)所做的恢復(fù)林地的有關(guān)工作。

5 結(jié)論

（1）4種植被土壤的容重均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸增大，0—60 c m的平均值從大到小的順序?yàn)槿斯ち郑緢@地＞耕地＞次生林，分別為1.69，1.41，1.23，1.14 g／c m3。土壤的非毛管孔隙度和總孔隙度則與容重相反，表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降 低，0—60 c m 的 平 均 值 分 別 為16.02%，13.40%，9.06%，8.41% 和 57.06%，53.46%，48.25%，36.40%。土壤的有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而遞減，40—60 c m土層遞減的幅度很大，0—20 c m土層中次生林的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其他3種，0—60 c m的平均值從大到小的順序?yàn)榇紊郑靖兀緢@地＞人工林，分別0.90%，0.86%，0.83%和0.59%。

總體而言，次生林植被下有利于土壤涵養(yǎng)水源的相關(guān)物理特性最好，耕地次之，人工林地最差。次生林植被土壤的有機(jī)質(zhì)含量最高，耕地和園地的相對(duì)較低，人工林地最低。

（2）4種植被的有效貯水量和最大貯水量從大到小的依次均表現(xiàn)為：次生林＞耕地＞園地＞人工林。從次生林、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值倪^程中土壤的有效貯水量和最大貯水量變化幅度都很大，次生林轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地的過程中變化次之，次生林轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蛨@地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值氐倪^程中變化較小。

（3）次生林地的水源涵養(yǎng)功能最好，人工林地最差；次生林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち?、園地的植被變化過程是水源地水源涵養(yǎng)功能變化的主因；目前把人工林和園地恢復(fù)成次生林是改善水源地水源涵養(yǎng)功能的有效途徑和正確抉擇。

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