元陽梯田水源區(qū)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究

馬菁, 宋維峰

西南林業(yè)大學, 環(huán)境科學與工程學院, 昆明 650224

元陽梯田水源區(qū)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究

馬菁, 宋維峰*

西南林業(yè)大學, 環(huán)境科學與工程學院, 昆明 650224

馬菁, 宋維峰. 元陽梯田水源區(qū)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究[J]. 生態(tài)科學, 2016, 35(2): 33-43.

MA Jing, SONG Weifeng. Study on dynamic change of soil moisture in water source area of Yuanyang Terrace[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 33-43.

近幾年云南大部分地區(qū)受旱情困擾, 但元陽梯田卻未受影響, 這與梯田水源區(qū)土壤水分運移特征息息相關。為探究該區(qū)土壤水分運移特征, 選取喬木林地、灌木地和坡耕地三個標準徑流小區(qū), 測定并分析不同坡位(上部、中部、下部)及不同深度(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、100 cm)的土壤容積含水率。結果表明: 土壤水分變異系數(shù)隨土層深度的增加而減小; 喬木林地、灌木地、坡耕地三種土地利用類型對土壤水分的影響表現(xiàn)為: 雨季差異不顯著而旱季差異顯著; 喬木林地和坡耕地的儲水量以60 cm為界分為兩層, 而灌木地則明顯分為10 cm(6 mm—12 mm)、20—60 cm(49 mm—110 mm)、100 cm(169 mm—210 mm)三層, 且土壤儲水量與土壤深度的相關度最高; 土地利用類型與土層深度的交互作用對土壤含水率的影響較大; 越往深層, 林地的保水效果越好。因此, 元陽梯田水源區(qū)的森林不僅能為梯田提供長流水, 而且在提高土壤水分利用率、維持梯田可持續(xù)發(fā)展上具有十分顯著的作用。

土層深度; 水分動態(tài); 變異性; 儲水量

1 前言

元陽梯田位于云南省元陽縣中部, 距今已有上千年的歷史, 是哀牢山地區(qū)哈尼族千百年來獨特的農(nóng)耕文明景觀[1–4]。它巧妙地利用了特殊自然環(huán)境下的水資源循環(huán)系統(tǒng), 把平原地區(qū)的農(nóng)耕墾種技術移植到高海拔山區(qū), 在哀牢山脈的崇山峻嶺中形成了山有多高水有多高, 數(shù)百級水田依山迭層而上的壯觀景象[5]和“江河—森林—村寨—梯田”四度同構[6]的生態(tài)系統(tǒng)。近年來, 元陽梯田以其美麗的自然風光和悠久的農(nóng)耕文化吸引了眾多國內(nèi)外專家學者對梯田的形成及其生態(tài)系統(tǒng)、水資源利用等方面進行研究[2,7–10], 而目前關于元陽梯田土壤水分變化的研究還很少。加之近幾年云南大部分地區(qū)連續(xù)干旱,但元陽梯田卻未受影響, 這使得梯田水源區(qū)土壤水分的動態(tài)變化和運移逐漸成為研究者們的焦點。本文選取元陽梯田水源區(qū)內(nèi)喬木林地、灌木地和坡耕地三種典型土地利用類型, 通過對其土壤容積含水率、儲水量及其與降水、土層深度等因素之間的動態(tài)變化規(guī)律進行研究, 以期掌握土壤水分動態(tài), 提高水分利用率, 為元陽梯田的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

元陽縣位于云南省紅河州南部, 地理坐標為102°27＇—103°13＇E、22°49＇—23°19＇N之間。東南與金平縣接壤, 西南與綠春縣為界, 西與紅河縣相鄰,北與建水、個舊兩縣隔河相望。元陽梯田分布區(qū)約有梯田1.32萬hm2, 分布于海拔700—1800 m, 坡度15°—25°的溝壑山嶺間, 為深切割中山地貌類型。氣候屬亞熱帶山地季風氣候, 因地形復雜, 立體氣候顯著, 干濕季分明[7]。年平均氣溫為20.5 ℃, 年無霜日363.5 d; 相對濕度85%[11]。土壤以黃棕壤為主, 土壤剖面完整, 土層厚度約為100 cm[12]。年均降水量1403 mm, 多年平均降水量1397.6 mm, 森林覆蓋率達50%[13], 林地植被類型為常綠闊葉林, 主要喬木樹種有灰木(Symplocos pilosa)、石栗(Aleurites moluccana)、元江栲(Castanopsis orthacantha)、綠樟(Meliosma squamlata)、香桂(Cinnamomum subavenium)、云南臀果木(Pygeum henryi)、云南山枇花(Gordouia chrysandra)、尖葉桂櫻(Laurocarasus undulata)、板栗(Castanea mollissima)、油葫蘆(Pyrularia edulis)、泡花樹(Meliosma cuneifolia)等, 主要分布在海拔1970 m—2020 m之間。研究樣地基本情況見表 1。

2.2 研究方法

(1) 采用“水土保持標準徑流小區(qū)監(jiān)測法”, 在流域出口處布設卡口站1處, 控制面積約為0.77 km2。依據(jù)立地類型和土地利用特征, 在控制流域內(nèi)選取喬木林地, 灌木地和坡耕地三種土地利用類型, 并在各土地利用類型內(nèi)選取適當位置分別布設一個5 m×20 m的標準徑流小區(qū), 全面調(diào)查每個徑流小區(qū)內(nèi)的基本情況。

(2) 在每個標準徑流小區(qū)內(nèi)分別選取上、中、下(同一直線上)三個部位并分別埋設長度為1 m的套管,利用高精度土壤水分測量儀ML2X觀測上坡、中坡、下坡各坡位不同深度(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、100 cm)的土壤容積含水率。觀測時間為2012 年5月至2013年4月, 觀測頻率為每隔一天, 每天兩次(早上8點和傍晚5點)。觀測時將圓柱式防水探頭伸入事先埋設好的套管內(nèi), 并使用HH2型手持讀表讀數(shù), 記錄測量數(shù)據(jù)。測量時儀器發(fā)射一定頻率的電磁波, 電磁波沿探針傳輸, 到達底部后返回, 檢測探頭(經(jīng)特殊標定后精度為±1%)輸出的電壓, 由于土壤介電常數(shù)的變化通常取決于土壤的含水量, 由輸出電壓和水分的關系則可計算出土壤的含水量。

表1 實驗樣地基本情況Tab. 1 Basic information on the test plots

土壤的容積含水率是土壤中水分容積與土壤容積的比例, 容積含水率定義為:

其中,vθ為容積含水率;wV為土樣中水的體積;sV為土樣的總體積。

(3) 在每塊樣地內(nèi)代表性地段挖掘土壤剖面,并調(diào)查土壤因子。

(4) 通過上述觀測數(shù)據(jù)分層計算不同土地利用類型的土壤儲水量。

計算公式如下:

式中,W為土壤儲水量(mm);h為土層厚度(cm);vθ為土壤含水量(%)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

通過野外實測與室內(nèi)分析相結合的方法分析研究結果, 將所得數(shù)據(jù)用Excel和SPSS11.5軟件進行處理分析,包括單因素方差分析(LSD檢驗)、雙因素方差分析及相關性分析。

3 結果與分析

3.1 降雨的季節(jié)變化

土壤水分的變化主要受降雨(尤其是＞10 mm的有效降雨)和蒸散過程的影響[14]。研究區(qū)內(nèi)降雨的季節(jié)變化明顯, 有旱雨季之分。2012年5月—2013年4月此 12個月的降雨量(表 2)表明, 年降水量約有78.6%集中在雨季, 而旱季降雨量僅占全年降雨總量的21.4%。最大降雨量出現(xiàn)在7月, 最小降雨量出現(xiàn)在1月。

3.2 不同土地利用類型土壤水分空間變化

土壤水分是土壤—植物—大氣連續(xù)體的一個關鍵因子, 它不僅是組成土壤的主要物質(zhì)之一, 也是植物生長需水的主要來源, 更是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體。因此, 土壤水分的存在直接或間接地影響土壤的特性、植物的生長及分布, 在一定程度上也影響小氣候的變化[15–17]。

土壤水分的空間變化即土壤水分的垂直變化,主要受向下的入滲再分布和向上的蒸發(fā)過程所支配,而影響這兩個過程的因素較多且會隨時空不斷變化[18],故土壤剖面水分含量隨土層深度的不同表現(xiàn)為不均勻的分布。

3.2.1 不同深度土壤水分空間分布

通過在每塊樣地內(nèi)代表性地段挖掘土壤剖面并觀察發(fā)現(xiàn), 各土壤剖面均比較完整, 無裂縫、大石塊及地下洞穴。因此通過高精度土壤水分測量儀ML2X所測得的數(shù)據(jù)受土壤剖面不均勻性的影響不大。

由不同深度土壤水分空間分布(圖1)可見, 不同深度土壤水分分布有很大差異。圖 1A表明, 0—20 cm范圍內(nèi)土壤平均含水率表現(xiàn)為坡耕地＞灌木地＞喬木林地。這是因為喬木林地和灌木地的植被對降水都具有再分配作用, 直接影響地表徑流量, 而坡耕地裸露的土壤較多, 故降水量的多少對表層土壤的影響比喬木林地和灌木地大。進一步分析可見,從雨季(5月)開始, 植物的生長速度及蒸發(fā)蒸騰量逐漸增大, 但土壤水分的收入項(降雨量)遠大于其支出項(水分蒸發(fā)和植物蒸騰), 使得土壤水分得到一定的積累, 所以喬木林地和灌木地土壤含水率在5月到10月之間總體呈現(xiàn)增加趨勢; 而在旱季(11月—次年 4 月), 植物生長代謝減弱, 降雨量明顯減少, 喬木林地和灌木地上的植被對水分的消耗大于降雨的補給,土壤水分的變化主要是各層次間的相互轉化, 坡耕地水分的減少則主要來自土壤蒸發(fā)。

表2 降水量季節(jié)分配Tab. 2 Seasonal distribution of precipitation

圖1 不同深度土壤水分空間分布Fig. 1 Spatial distribution of water content at different soil depths注: 不同土地利用類型各月平均土壤含水率的數(shù)值, 均是該類型所有測點含水量的統(tǒng)計值(平均值±標準誤差)。A、B、C表示相同月份不同立地類型的差異, a、b、c、d表示相同立地類型不同月份的差異。

由圖1B可知, 20—40 cm范圍內(nèi)土壤平均含水率總體趨勢表現(xiàn)為灌木地＞坡耕地＞喬木林地。該層的土壤水分主要與植物根系的吸水作用有關。灌木的根系淺且密集, 根系向四周伸展的比較遠, 因此在該范圍內(nèi)形成了一層“隔水層”, 水分在該層被阻擋并聚集, 故土壤平均含水率表現(xiàn)為灌木地最大。同時, 灌木地和喬木林地的土壤含水率于10月以后逐漸下降, 而坡耕地的反而上升, 這種現(xiàn)象可能是因為坡耕地土壤結構不良, 不能保水, 表層接受降雨補給后很容易滲透到下層所致。

由圖1C可見, 40—60 cm土壤含水率的變化范圍比較集中(0.143—0.193 cm3·cm–3之間), 變化幅度較小, 說明外界條件即降雨對其影響明顯減弱。平均含水率的總體趨勢表現(xiàn)為喬木林地＞灌木地＞坡耕地。

圖1D表明, 深層(60—100 cm)土層的土壤水分變化受外界環(huán)境的影響更小, 變化更緩和。土壤平均含水率的總體趨勢表現(xiàn)為喬木林地＞坡耕地＞灌木地。由于灌木地的植被根系較淺, 水分的下滲能力受到限制, 因此灌木地的土壤含水率在該層最小。

由方差分析結果可知, 四個層次(0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—100 cm)不同立地類型之間的土壤平均含水率差異顯著; 同時, 對淺層土壤而言(圖1A、圖1B), 相同土地利用類型的平均含水率隨時間的變化顯著, 而越往深層變化越不顯著(圖1C、圖1D)。

綜上可知, 越往深層, 喬木林地的土壤含水率越高, 各月之間的變化越不顯著, 土壤所能保持水分的作用越能夠體現(xiàn), 從而反映出森林保持水土、涵養(yǎng)水源的作用。

3.2.2 不同深度旱雨兩季土壤水分統(tǒng)計特征

不同土地利用方式下, 各層次土壤含水率及土壤水分的變異程度均存在差異。對三種土地利用類型的土壤含水率做統(tǒng)計分析得出: 土壤含水率的最大變異值出現(xiàn)在表層10 cm處, 最小變異值出現(xiàn)在100 cm處, 變異系數(shù)反映了不同深度土壤含水量的變化程度, 變異系數(shù)越大, 土壤含水量變化越劇烈,反之亦然[19]。旱季各土層的變異系數(shù)均明顯小于雨季, 這是因為旱季降雨量及降雨時間均小于雨季,外界環(huán)境對土壤的影響減少, 土壤含水率的變化主要是植物的蒸發(fā)、土壤的蒸騰以及土壤各層水分的互相轉化和運移所致。

(1) 雨季

圖2反映出雨季(2012年5月—10月)不同土地利用類型土壤水分隨深度的變化趨勢及變異程度。除坡耕地外, 各樣地土壤水分垂直變化明顯, 喬木林地和灌木地的變異程度均表現(xiàn)為隨著深度的增加而減小, 并且越往下層變異程度越趨于穩(wěn)定, 表明土壤表層易受外界環(huán)境影響。

圖2 雨季不同土地利用類型下不同深度土壤含水率變化Fig. 2 Variation of soil moisture content at different soil depths in wet season under different land use types注: 不同土地利用類型各月平均土壤含水率的數(shù)值, 均是該類型所有測點含水量的統(tǒng)計值(平均值±標準誤差), 下同。

利用SPSS11.5就雨季不同土地利用類型對土壤含水率的影響做單因素方差分析得出: 方差檢驗的F=1.144, Sig=0.323＞0.05, 即總體看來, 雨季不同土地利用類型對土壤水分影響不大。進一步對各土地利用類型之間做多重比較檢驗得出, 喬木林地與灌木地和坡耕地的Sig分別為0.342和0.138, 灌木地與坡耕地之間的Sig=0.592, 均大于0.05, 即三種土地利用類型之間無顯著差異。

(2) 旱季

由圖3可以看出, 旱季(2013年11月—2014年4月)三種土地利用類型的垂直變化趨勢與雨季基本類似, 但曲線較雨季密集, 表明旱季土壤水分變化范圍小。值得注意的是, 坡耕地的變化比較特殊, 即40 cm—100 cm土層的變化趨勢基本一致, 變異程度基本相同。

利用SPSS11.5就旱季不同土地利用類型對土壤含水率的影響做單因素方差分析得出: 方差檢驗的F=10.547, Sig=0.000＜0.05, 即總體看來, 不同土地利用類型對土壤水分有較大影響。進一步對各土地利用類型之間做多重比較檢驗得出, 喬木林地與灌木地和坡耕地的Sig分別為0.028和0.000, 灌木地與坡耕地之間的 Sig=0.020, 均小于 0.05, 即旱季喬木林地和灌木地、坡耕地之間的均值差異顯著。

圖3 旱季不同土地利用類型下不同深度土壤含水率變化Fig. 3 Variation of soil moisture content at different soil depths in dry season under different land use types

3.2.3 同一深度旱雨兩季土壤水分的變化

(1) 雨季

對不同土地利用方式下相同土層土壤含水量(圖4)進行比較發(fā)現(xiàn), 各層次的變化趨勢有很大差異。10 cm處含水率表現(xiàn)為坡耕地＞灌木地＞林地; 土壤深度為20 cm和30 cm時, 灌木地的含水率則變?yōu)樽畲? 直至40 cm以下時, 林地土壤的含水率逐漸大于其他兩種土地利用類型。值得注意的是, 100 cm處坡耕地的含水率反而略大于林地, 原因可能是坡耕地存在大孔隙或其他“通道”, 使水分下滲至深層所致。

(2) 旱季

由圖5可知旱季相同土層土壤含水量的變化與雨季相比有明顯不同。就10 cm和20 cm而言, 坡耕地和灌木地土壤含水量的變化波動較大, 而林地土壤含水量則基本恒定。除60 cm處林地含水率表現(xiàn)為最大以外, 各土層對應的坡耕地均具有較高的含水率。就整個土壤剖面而言, 林地土壤所含水分基本恒定, 說明在旱季降水較少的情況下, 林地仍然能保存一定的水分, 植物能夠通過水力提升的作用維持生長所需, 這對旱季植物的生長具有不可忽略的作用。

3.3 不同土地利用類型土壤水分時間變化

3.3.1 土壤儲水量的時間變化

土壤儲水量是指在自然狀態(tài)下土壤中儲蓄的水量, 其大小由土壤容積含水率和土層厚度確定, 它是由土壤的持水能力所決定。研究區(qū)不同土地利用類型0—100 cm土層土壤儲水量的分析結果見圖6。

圖 6表明, 研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型土壤儲水量隨時間和深度的變化而有差異, 即儲水量同時受水平尺度和垂直尺度的影響。

由圖6A可見, 喬木林地同一深度土壤儲水量的變化受各月降雨量的影響, 以深層土層最為顯著, 但其他各層次總體趨勢都比較平穩(wěn), 沒有大幅度的變化。就垂直尺度來說, 儲水量隨深度的增加而明顯增加。儲水量以60 cm為界分為兩層, 而60 cm到100 cm土層的變化比較顯著, 含水率的最大差距達到201.52 mm。100 cm土層的土壤儲水量達到最大值的時間(10月)滯后于降雨量達到最大值的時間(7月), 這與林地土壤水分向深層運移有關。

圖4 雨季不同土地利用類型下相同深度土壤含水率變化Fig. 4 Variation of soil moisture content at the same soil depth in wet season under different land use types

圖6B表明, 水平尺度上, 灌木地各土層土壤儲水量的總體趨勢較平穩(wěn), 層次清晰, 受降雨量的影響不顯著。垂直方向上, 土壤儲水量明顯分為3層, 即10 cm、20—60 cm、100 cm。淺層(10 cm)土層的儲水量集中在6 mm—12 mm之間; 除60 cm土層在11月之后有上升趨勢外, 20—60 cm土層儲水量的變化趨勢大體一致, 范圍集中在49 mm—110 mm之間; 深層(100 cm)土層的儲水量的變化范圍集中在169 mm—210 mm之間, 比前兩層明顯增多。

由圖6C可見, 坡耕地在水平方向上的變化趨勢平穩(wěn), 變化范圍不大, 但深層土壤的波動比較明顯。在垂直方向上明顯可以分為兩層, 60 cm以下的土層儲水量基本集中在100 cm以內(nèi), 而100 cm出的儲水量集中在247 mm—300 mm之間。這可能因為坡耕地的土壤比較疏松, 上層土壤顆粒比較粗而下層顆粒比較細, 水分容易滲透到深層所致。

影響土壤儲水量的主導因素是土壤的持水孔隙,喬木林地土壤通?？紫抖却? 持水能力強, 故土壤的持水潛力大。以六盤山地區(qū)為例, 該區(qū)屬土石山區(qū), 土層一般較薄。測定結果表明, 該區(qū)喬木林地土壤儲水量變化在 104.6—185.1 mm; 灌木地土壤儲水量 51.7—131.2 mm; 農(nóng)地由于人為耕作, 土壤儲水量也相應達到102.8—137.8 mm[20]。但研究區(qū)出現(xiàn)上述喬木林地儲水量特別是 100 cm儲水量小于同層次灌木地儲水量的現(xiàn)象, 可能是由于喬木林地樹木蒸騰強烈, 吸水多, 其土壤儲水被不斷利用所致。

3.3.2 土壤儲水量與土層深度和降雨量的相關性分析

對土壤儲水量與影響因子的相關性分析(表 3)表明, 土壤儲水量與土壤深度的相關度很高, 相關系數(shù)達到0.834, 在0.01水平上顯著相關; 而儲水量與降雨量的相關系數(shù)很小r=–0.012, 說明土壤儲水量與降雨量的相關性很小。

進一步做雙因素方差分析(表4)得出: (1)不同土地利用類型和深度對應的F統(tǒng)計量分別為22.775和1894.489, 顯著性概率均為 Sig=0.000＜0.05, 這表明土地利用類型和深度對土壤儲水量的影響均較大; (2)不同土地利用類型不同土層深度土壤含水率對應的F統(tǒng)計量為58.286, 顯著性概率Sig=0.000＜0.05,表明土地利用類型與土層深度的交互作用對土壤含水率的影響較大。

圖5 旱季不同土地利用類型下相同深度土壤含水率變化Fig. 5 Variation of soil moisture content at the same soil depth in dry season under different land use types

4 結論與討論

近幾年云南省大部分地區(qū)遭受旱災威脅, 但元陽梯田卻未受影響, 這與該地區(qū)土壤水分的運移特征息息相關。對元陽梯田水源區(qū)土壤水分變化的現(xiàn)有研究表明, 該地區(qū)的土壤水分運移有其特殊的特征。宗路平[21]等發(fā)現(xiàn)梯田景觀水源林區(qū)土壤水分垂直分布為“雙峰型”; 張娟[22]等研究表明, 林地不同土層干濕兩季的土壤含水率以及不同坡位干濕兩季的土壤含水率均有顯著差異, 各土層土壤蓄水量均表現(xiàn)為雨季大于旱季, 且隨著土層深度的增加呈遞增趨勢; 本研究結果也表明, 隨深度的增加, 不同土地利用類型下土壤水分的變異程度減小而儲水量明顯增加, 且 60 cm以下含水量高, 對深根植物的生長有重要意義。

除了該地區(qū)土壤水分運移的特殊特征以外, 森林涵養(yǎng)水源及降水再分配作用也是元陽梯田免受旱情困擾的主要原因。宗路平[21]發(fā)現(xiàn)森林土壤涵蓄和保水能力較強, 能較好維持水分的動態(tài)平衡, 該結論與段興鳳[23]在湖南紫鵲界梯田區(qū)森林土壤涵養(yǎng)水源功能的研究結果一致。同時, 李陽芳[24]等也發(fā)現(xiàn)元陽梯田區(qū)的土壤具有較大的持水性能。元陽梯田大多在海拔800 m—1200 m處, 梯田的上端有著天然水庫—森林, 森林土壤是一個巨大的隱形水庫,由于林地土壤容重較小, 土壤通透性能好, 結構良好, 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[25], 并將地表入滲的水分儲存起來, 在缺水的季節(jié)通過水力提升作用源源不斷的提供水分, 保證了梯田四季的長流水, 加之當?shù)厝嗣耖L期堅持退耕還林, 形成了“人栽樹, 樹涵養(yǎng)水分,水澆田”這一良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng), 故元陽的大片梯田在旱情困擾時依舊豐產(chǎn)。

圖6 不同土地利用類型0—100 cm土壤儲水量的變化Fig. 6 Variation of soil water storage at the layers of 0-100 cm under different land use types

表3 土壤儲水量與各影響因子的相關系數(shù)Tab. 3 The correlation coefficient between soil water storage and the impact factors

表4 雙因素方差分析Tab. 4 The results of double factor variance analysis

本研究的結論如下:

(1) 不同深度土壤水分分布差異較大, 土壤水分變異程度均隨著土層深度的增加而減小。喬木林地、灌木地、坡耕地三種土地利用類型對土壤水分的影響表現(xiàn)為: 雨季三者之間的差異不顯著而在旱季差異顯著。同一深度下, 林地土壤含水量的變化在旱雨兩季基本保持穩(wěn)定, 為梯田提供四季長流水提供保障。

(2) 不同土地利用類型的土壤儲水量均表現(xiàn)為隨深度的增加而明顯增加。其中喬木林地和坡耕地的儲水量以 60 cm為界分為兩層, 而灌木地儲水量則明顯分為10 cm(6 mm—12 mm)、20—60 cm (49 mm—110 mm)、100 cm(169 mm—210 mm)三層。土地利用類型與土層深度的交互作用對土壤含水率的影響較大。

(3) 喬木林地深層土壤的含水量高, 持水能力較其他兩種土地利用類型強, 故越往深層, 林地的保水效果越好, 保水能力越能夠體現(xiàn)。因此, 元陽梯田水源區(qū)的森林在提高土壤水分利用率、維持梯田可持續(xù)發(fā)展上都具有十分重要的作用。

本文只選取了元陽梯田水源區(qū)三種土地利用類型(喬木林地、灌木地、坡耕地)并對其土壤水分動態(tài)變化規(guī)律進行了初步探討, 在該地區(qū)得出的結論未必適用于其他地區(qū)。比如在干旱的黃土高原地區(qū), 蔡進軍[26]等研究得出, 水平梯田土壤水分與季節(jié)降水關系密切, 含水量土層深度的增加逐漸減少且變化趨于穩(wěn)定。該結論與本文得出的結論相反, 這一方面可能是黃土高原土層深厚,加之土壤水分向上蒸發(fā)劇烈及超滲產(chǎn)流綜合作用的結果; 另一方面可能是因為干旱地區(qū)的植被類型與該研究區(qū)不同導致對土壤剖面水分利用深度和利用能力不同所致。She[27]等對兩種土地利用類型(草地和灌木地)的研究表明, 隨著土層深度的增加, 土壤儲水量的時間變化減小而空間變化增大, 并且深層土壤具有較高的時間穩(wěn)定性, 本研究結論與該研究結果類似。對農(nóng)田、林地、灌木地和草地的對比發(fā)現(xiàn), 農(nóng)田平均土壤含水率最高, 單位有效儲水量最大, 且顯著高于林地、灌木地和草地, 這可能與研究區(qū)農(nóng)田坡度較小和修建梯田有關[28]。

再者, 本研究采用的方法均為傳統(tǒng)方法, 如設置徑流小區(qū)、挖取土壤剖面等, 因此, 對梯田水源區(qū)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律的研究還有待進一步深入研究。

[1] 解明曙, 龐薇. 水土保持系統(tǒng)工程是我國山丘區(qū)建設新農(nóng)村的生命線工程[J]. 中國水土保持, 2007, (5): 5–8.

[2] 姚敏, 崔保山. 哈尼梯田濕地生態(tài)系統(tǒng)的垂直特征[J].生態(tài)學報, 2006, 26(7): 2115–2124.

[3] 角媛梅, 程國棟, 肖篤寧. 哈尼梯田文化景觀及其保護研究[J]. 地理研究, 2002, 21(6): 733–741.

[4] 王妍, 張超, 宋維峰, 等. 元陽梯田空間分布特征研究[J].水土保持研究, 2013, 20(2): 103–107.

[5] 施惟達. 從哈尼梯田的特點談其保護[J]. 學術探索, 2009(3): 16–17.

[6] 楊崇廣. 元陽哈尼梯田: 天人合一的農(nóng)業(yè)景觀[J]. 地理教育, 2011(11): 23.

[7] 文波龍, 任國, 張乃明. 云南元陽哈尼梯田土壤養(yǎng)分垂直變異特征研究[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報, 2009, 24(1): 78–81.

[8] 文俊, 李靖. 哈尼梯田水資源可持續(xù)利用預警模型的初步研究[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(學術版), 2006, (2): 61–64.

[9] 角嬡梅, 張家元. 云貴川大坡度梯田形成原因探析——以紅河南岸哈尼梯田為例[J]. 經(jīng)濟地理, 2000, 20(4): 94–96.

[10] 馮金朝, 石莎, 何松杰. 云南哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)研究[J].中央民族大學學報: 自然科學版(增刊), 2008, 17: 146–152.

[11] 和弦, 宋維峰, 彭永剛, 等. 元陽梯田全福莊流域水源涵養(yǎng)林的植物多樣性分析[J]. 水土保持研究, 2012, 19(5): 1–6.

[12] 段興鳳, 宋維峰, 李健, 等. 云南省元陽梯田水源區(qū)森林土壤入滲特性研究[J]. 水土保持通報, 2011, 31(4): 47–52.

[13] 李陽芳, 宋維峰, 彭永剛, 等. 元陽梯田不同土地利用類型表層土壤的抗沖性[J]. 中國水土保持科學, 2012, 10(5): 31–35.

[14] 陳洪松, 邵明安, 王克林. 黃土區(qū)荒草地和裸地土壤水分的循環(huán)特征[J]. 應用生態(tài)學報, 2005, 16(10): 1853–1857.

[15] 鞏合德, 張一平, 劉玉洪, 等. 哀牢山常綠闊葉林土壤水分動態(tài)變化[J]. 東北林業(yè)大學學報, 2008, 36(1): 53–54.

[16] 雷志棟, 胡和平, 楊詩秀. 土壤水研究進展與評述[J].水科學進展. 1999, 10(3): 311–318.

[17] 高峰, 李建平, 王黎黎, 等. 土壤水運動理論研究綜述[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學. 2009, 48(4): 982–986.

[18] 程根偉, 余新曉, 趙玉濤, 等. 山地森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)與數(shù)學模擬[M]. 北京: 科學出版社, 2004: 19.

[19] 常宗強, 王金葉, 常學向, 等. 祁連山林區(qū)土壤水分與降水的關系分析[J]. 西北林學院學報, 2001, 16(增): 22–25.

[20] 吳欽孝. 森林保持水土機理及功能調(diào)控技術[M]. 北京:科學出版社, 2005: 135–137.

[21] 宗路平, 角媛梅, 華紅蓮, 等. 哈尼梯田景觀水源林區(qū)土壤水分垂直變化與持水性能[J]. 水土保持通報, 2014, 34(4): 59–64.

[22] 張娟, 宋維峰, 彭永剛, 等. 元陽梯田水源區(qū)林地土壤水分時空變異性研究[J]. 西北林學院學報, 2014, 29(2): 49–53.

[23] 段興鳳, 宋維峰, 曾洵, 等. 湖南紫鵲界梯田區(qū)森林土壤涵養(yǎng)水源功能初步研究[J]. 水土保持研究, 2011, 18(1): 157–165.

[24] 李陽芳, 宋維峰, 和俊, 等. 元陽梯田核心區(qū)不同土地利用類型土壤水文效應研究[J]. 水土保持研究, 2012, 19(6): 54–57.

[25] 范麗麗, 沈珍瑤, 劉瑞民, 等. 基于SWAT模型的大寧河流域非點源污染空間特性研究[J]. 水土保持通報, 2008, 28(4): 133–137.

[26] 蔡進軍, 張源潤, 火勇, 等. 寧南山區(qū)梯田土壤水分及養(yǎng)分特征時空變異性研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2005, 23(5): 83–87.

[27] SHE Dongli, LIU Dongdong, LIU Yingying, et al. Profile characteristics of temporal stability of soil water storage in two land uses[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2014, 7: 21–34.

[28] 王國梁, 劉國彬, 黨小虎. 黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤含水率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2009, 25(2): 31–35.

Study on dynamic change of soil moisture in water source area of Yuanyang Terrace

MA Jing, SONG Weifeng*
College of Environmental Science and Engineering,Southwest Forestry University,Kunming650224,China

Even while most part of the Yunnan Province suffered from drought in recent years, Yuanyang Terrace area was out of the influence. It is probably closely related to the soil moisture movement in water source area of the Yuanyang Terrace. In order to investigate the characteristics of soil moisture movement, three runoff plots which were located in the woodland, shrub land, slope farmland respectively were set up and volume soil moisture contents at different slope positions (upper, middle, lower) and soil depths (10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 60 cm, 100 cm) were determined in this area. The results showed that variation coefficients of soil moisture gradually decreased with the increased soil depths. Three land use types, i.e., woodland, shrub land and slope farmland, had different effects on the soil water content. The differences of the effects were displayed significantly in dry season while not significantly in wet season. The water storage of arbor forest land and slope farmland could be divided into two layers by the soil depth of 60 cm. Nevertheless, the water storage of shrub land was divided into three layers, i.e., 10 cm (6 mm-12 mm), 20-60 cm (49 mm-110 mm) and 100 cm (169 mm-210 mm) with the highest correlation between the soil water storage and soil depth. The interaction between land use types and soil depths had great effect on soil moisture content. The deeper of the soil depth was with the better of water conservation effect. Thus, not only did the forest provide regular water for Yuanyang Terrace, it also played a significant role in increasing water use efficiency and maintaining sustainable development of the terrace.

soil depth; soil water dynamics; variability; water storage

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.006

S152.7

A

1008-8873(2016)02-033-11

2014-12-01;

2015-01-23

國家自然科學基金項目“哈尼梯田水源區(qū)森林涵養(yǎng)功能與梯田保水保土機理研究”(31070631);“基于氫氧同位素技術的哈尼梯田水源區(qū)土壤水分運移規(guī)律研究”(41371066)

馬菁(1989—), 女, 甘肅會寧人, 碩士研究生, 主要從事土壤侵蝕方面的研究, E-mail: Majing8977@126.com

*通信作者:宋維峰(1967—), 男, 博士, 教授, 主要從事生態(tài)環(huán)境工程和森林水文教學和研究工作, E-mail: songwf85@126.com