廣西龍脊梯田區(qū)森林類型對(duì)土壤水力特性的影響

王 醒, 方榮杰, 張帥普, 黃 卉, 黃 朗, 吳忠軍

(1.桂林理工大學(xué), 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學(xué), 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004; 3.桂林理工大學(xué), 旅游與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

森林具有保持水土、涵養(yǎng)水源等重要功能，其水文調(diào)節(jié)是通過(guò)植被冠層、枯落物層和土壤層等主要層次對(duì)降水的攔截和吸收發(fā)揮作用，使降水重新分配和充分貯蓄而起到強(qiáng)大的水源涵養(yǎng)功能，在調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)平衡等方面具有重要作用[1-2]。其中，土壤層是植被賴以生存的基礎(chǔ)，是森林涵養(yǎng)水源的主體，能減少水土流失、增加降雨入滲量，是天然的地下水庫(kù)[3-4]。而土壤水力性質(zhì)作為土壤保持水分和傳導(dǎo)水分的決定因素對(duì)土壤持水和滲透水特性的影響則決定了土壤保水效果及其水文效應(yīng)，進(jìn)而影響植被對(duì)土壤水分的吸收和土壤—植物—大氣系統(tǒng)中的水循環(huán)[5-6]。因此，研究森林土壤水力特性對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源管理具有重要意義。土壤水力特性通常由土壤水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率等水力參數(shù)來(lái)描述，是許多與灌溉、排水、水分運(yùn)動(dòng)和土壤中溶質(zhì)運(yùn)移相關(guān)的研究和應(yīng)用都需要確定的土壤指標(biāo)，受地形、氣候、土地利用方式等諸多因素影響，尤其不同土地利用方式對(duì)土壤容重、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等因子的改變必使土壤水力特性發(fā)生變化[7-8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同土地利用方式對(duì)土壤水力特性的影響進(jìn)行了大量研究。Olorunfemi等[9]通過(guò)比較農(nóng)田、種植農(nóng)業(yè)和天然林土壤水力特性發(fā)現(xiàn)，天然林比農(nóng)田和種植地具有更高的持水能力。Owuor等[10]通過(guò)對(duì)天然林與其改造所形成的農(nóng)業(yè)用地土壤水力特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，天然森林向農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)化后，土壤水力性質(zhì)顯著退化、土壤持水能力降低。紀(jì)月等[11]通過(guò)比較不同退耕年限下土壤水力特性發(fā)現(xiàn)，隨著退耕年限的增加，土壤理化性質(zhì)逐漸接近天然林，土壤持水性能得到很大改善。土壤水力特性是活躍和變化的，人類活動(dòng)、環(huán)境條件的變化會(huì)顯著影響土壤水力特性，不同土地利用方式下土壤水力特性仍需要進(jìn)一步研究。

廣西壯族自治區(qū)龍脊梯田是人類寶貴的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，也是中國(guó)西南具有代表性的水梯田之一，更是山地水土保持的典范，具有“森林、村莊、梯田、溪流(河流)”四度同構(gòu)的生態(tài)系統(tǒng)[12]。梯田區(qū)域無(wú)塘無(wú)庫(kù)，處于山頂?shù)纳窒到y(tǒng)通過(guò)攔截降水并涵養(yǎng)在土壤中，形成源源不斷的水流，是梯田灌溉的重要源頭。近些年來(lái)，隨著區(qū)域旅游業(yè)的快速發(fā)展，游客日益增多，部分用于農(nóng)田灌溉的山澗流水被引為生活用水，加上一些水資源的不合理利用等因素，導(dǎo)致部分梯田撂荒、田塊崩塌嚴(yán)重，給生態(tài)景觀造成極大壓力和一定的破壞，生態(tài)服務(wù)功能下降。雖然管理部門采取了一定的生態(tài)保護(hù)措施，將部分梯田退耕種植人工林，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化，但在追求更大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決仍是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。森林水文效應(yīng)及其對(duì)區(qū)域水資源平衡的影響已引起社會(huì)各界的關(guān)注[13-14]，但不同森林類型土壤水力性質(zhì)的研究相對(duì)較少。混交林、竹林、杉木林是廣西龍脊梯田區(qū)典型的森林類型，其中杉木林是由梯田退耕而來(lái)，為了增加土壤入滲、防止水土流失，下墊面土壤仍保留梯田原本的梯式結(jié)構(gòu)。因此，本文以這3種不同森林類型和梯田為研究對(duì)象，從土壤基本物理性質(zhì)、飽和導(dǎo)水率及水分特征曲線等方面綜合分析廣西龍脊梯田不同森林類型土壤水力特性差異，了解區(qū)域不同森林土壤保水、蓄水及滲透性能，以期為龍脊梯田生態(tài)環(huán)境修復(fù)和建設(shè)及水土資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

龍脊梯田位于廣西桂林市龍勝各族自治縣龍脊鎮(zhèn)平安村龍脊山，位于東經(jīng)109°32′—110°14′，北緯25°35′—26°17′。地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季呈東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，風(fēng)力一般1～3級(jí)。氣候受季風(fēng)影響，四季分明，年平均氣溫14.4～16.9 ℃，最熱月(7月)平均氣溫25.4 ℃，最高氣溫32 ℃，最冷月(1月)平均氣溫7.1 ℃，最低氣溫-6 ℃。年降雨量1 600～1 700 mm，雨量豐沛，且主要集中在5—9月，年均日照時(shí)數(shù)1 225.7 h，平均無(wú)霜期290 d。區(qū)域海拔300～1 900 m，最大坡度達(dá)50°，地形特征獨(dú)特，空間結(jié)構(gòu)主要由森林、村寨及梯田組成，是典型自然—人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，土壤類型以紅壤土、黃壤土及黃棕壤土為主，森林系統(tǒng)植被長(zhǎng)勢(shì)良好，覆蓋率達(dá)75.6%以上，為區(qū)域水資源提供強(qiáng)大的保育功能，主要包含竹林、杉木林、混交林等水源涵養(yǎng)林類型，其中竹林主要優(yōu)勢(shì)種有毛竹(Phyllostachysedulis)、檵木(Loropetalumchinense)，杉木林主要優(yōu)勢(shì)種有杉木(Cunninghamialanceolata)，混交林優(yōu)勢(shì)種則主要有杉木、馬尾松(Pinusmassoniana)、毛竹、檵木等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 本研究選定竹林、杉木林、混交林、梯田為研究對(duì)象，采樣時(shí)間為2019年7月、2021年5月。各林地選擇2個(gè)10 m×10 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)取3個(gè)1 m×1 m小樣方，而梯田土壤比較均勻，因此選擇兩個(gè)梯田，每個(gè)梯田內(nèi)取兩個(gè)0.6 m×0.6 m小樣方進(jìn)行采樣，用環(huán)刀(體積為100 cm3)采集10，20，40，60 cm深度的原狀土，每個(gè)深度取3個(gè)重復(fù)樣，帶回實(shí)驗(yàn)室以測(cè)定土壤物理特性。同時(shí)，調(diào)查不同林地植被種類及生長(zhǎng)特征，記錄植被胸徑、樹高及經(jīng)緯度、海拔、坡向、坡度等因子特征(表1)。

表1 樣地概況

1.2.2 樣品處理及測(cè)定 土壤孔隙度、飽和含水率和田間含水量均采用環(huán)刀法測(cè)定，容重采用烘干法測(cè)定。土壤顆粒機(jī)械組成、飽和導(dǎo)水率測(cè)定分別采用馬爾文3000激光粒度儀、馬氏瓶恒定水頭法。土壤質(zhì)地劃分采用國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。土壤水分特征曲線采用美國(guó)SOIL MOISTURE EQUIPMENT CORP生產(chǎn)的壓力膜儀進(jìn)行測(cè)定，先將環(huán)刀放入水中浸泡(24 h)至土壤飽和，然后在壓力膜儀中進(jìn)行壓力值為30，60，100，300，500，700，1 000，1 300 kPa的土壤脫濕試驗(yàn)。

1.2.3 土壤水分特征曲線擬合模型 本研究采用應(yīng)用較廣泛且具有較高擬合精度和普適性的Van-Genuchten擬合方程[15-17]來(lái)模擬土壤水分特征曲線，其方程表達(dá)式為：

(1)

式中：θ為土壤體積含水率(cm3/cm3);θr為殘余含水率;θs為飽和含水率;h為土壤吸力(cm或Pa);α是進(jìn)氣吸力相關(guān)的參數(shù);m,n為形狀參數(shù),與土壤孔徑分布有關(guān),m= 1-1/n(n>1)。為了適應(yīng)RETC軟件對(duì)土壤水分特征曲線的擬合單位,壓力膜儀表盤壓力單位bar(100 kPa)按100 kPa=1 020 cm水柱換算為單位cm。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 2018繪制相應(yīng)圖表及擬合土壤水分特征曲線，并采用US Salinity Laboratory(美國(guó)鹽改中心)開(kāi)發(fā)的RECT軟件求解土壤水分特征曲線方程的參數(shù)值。采用SPSS軟件計(jì)算土壤水力參數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本物理性質(zhì)

表2展示了各樣地不同深度土壤基本物理性質(zhì)。基于土壤顆粒機(jī)械組成，各樣地土壤質(zhì)地劃分均為粉砂質(zhì)壤土。不同層次粉粒、砂粒含量差異不顯著(p>0.05)，但各層次土壤黏粒含量差異隨梯田、混交林、杉木林、竹林逐漸明顯。隨土層深度的增加，竹林、混交林及梯田樣地土壤黏粒含量呈增加趨勢(shì)，其中竹林60 cm深度土壤黏粒含量較10 cm深度顯著增高了10.06%；杉木林土壤黏粒含量變化相反。

梯田土壤容重隨土層深度的增加而增大，而竹林、混交林、杉木林土壤容重呈先減小后增加的趨勢(shì)，最小值分別出現(xiàn)在20，20，40 cm；竹林和梯田下層(40，60 cm)土壤容重顯著大于上層(10，20 cm)，杉木林、混交林各土層的土壤容重差異不明顯?？傮w而言，梯田平均土壤容重(1.34 g/cm3)最大，其次是竹林(1.17 g/cm3)，杉木林(1.12 g/cm3)與混交林(1.09 g/cm3)平均土壤容重大小相當(dāng)且較小。隨土層深度的增加，竹林、混交林、梯田樣地土壤孔隙度(毛細(xì)孔隙度、總孔隙度)、田間持水量呈先增加后減小的趨勢(shì)，與土壤容重的變化趨勢(shì)相反；竹林、梯田上層(10，20 cm)土壤孔隙度和持水量均顯著大于下層(40，60 cm)，而杉木林、混交林各土層孔隙度和田間持水量差異不明顯?？紫抖群吞镩g持水量均值均表現(xiàn)為：混交林>杉木林>竹林>梯田；其中，混交林、杉木林、竹林樣地平均總孔隙度分別高達(dá)55.52%，54.68%，54.67%，分別比梯田高出6.15%，5.32%，5.31%。

竹林、杉木林、混交林土壤飽和導(dǎo)水率均隨土層深度的增加呈先增后減小的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在中層深度(20，40 cm)，其中竹林最大土壤飽和導(dǎo)水率高達(dá)7.58×10-2cm/min，而梯田飽和導(dǎo)水率隨土層深度的增加而減小，梯田土層深度達(dá)40 cm后土壤飽和導(dǎo)水率顯著降低，透水能力極差，在較短時(shí)間內(nèi)可以作為隔水層。平均飽和導(dǎo)水率隨梯田、混交林、杉木林、竹林依次增大，分別為：3.63×10-2，2.50×10-2，1.84×10-2，0.37×10-2cm/min，林地飽和導(dǎo)水率比梯田高達(dá)5倍以上。

表2 廣西龍脊梯田不同樣地土壤基本物理性質(zhì)

2.2 土壤水分特征曲線

土壤質(zhì)地、容重、孔隙特征等土壤物理性質(zhì)對(duì)水分運(yùn)移有直接影響，進(jìn)而影響土壤水分特征曲線的變化規(guī)律，導(dǎo)致殘余含水率(θr)、飽和含水率(θs)、進(jìn)氣值相關(guān)參數(shù)(α)、形狀系數(shù)(n)等擬合水力參數(shù)呈現(xiàn)不一樣的變化特征。表3展示了Van-Genuchten方程擬合土壤水分特征曲線的決定系數(shù)及擬合參數(shù)。各樣地土壤水分特征曲線擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.95以上，擬合參數(shù)具有一定差異。林地(竹林、杉木林、混交林)θr較梯田變化波動(dòng)大，林地、梯田θr變化范圍分別為0.000 1～0.313 5 cm3/cm3，0～0.000 8 cm3/cm3，θr平均值隨梯田、竹林、杉木林、混交林依次增大。飽和含水率θs隨深度的增加而減小，均值表現(xiàn)為：杉木林>混交林>竹林>梯田，杉木林與混交林θs相近。各樣地進(jìn)氣值相關(guān)參數(shù)α，形狀系數(shù)n變化相對(duì)穩(wěn)定且各土層差異不明顯。

圖1展示了各樣地不同土層的土壤水分特征曲線。不同樣地各土層土壤含水率隨土壤基質(zhì)吸力的變化具有不同程度的變化特征。隨著土壤基質(zhì)吸力增加，在0～1 020 cm吸力段，土壤含水率急劇降低，釋水能力強(qiáng)；而在1 020～13 260 cm吸力段，土壤含水率降低從緩慢逐漸趨于平緩，釋水性能變?nèi)酢?/p>

土壤基質(zhì)吸力變化引起不同土層土壤含水率變化差異明顯。在相同土壤基質(zhì)吸力條件下，竹林不同土層深度土壤體積含水率整體呈現(xiàn)：10 cm>60 cm>40 cm>20 cm；杉木林不同土層深度土壤體積含水率整體呈現(xiàn)：40 cm>60 cm>20 cm>10 cm，在0～1 020 cm吸力段，隨土層深度的增大，土壤體積含水率整體呈增加趨勢(shì)，且10，20，60 cm含水率變化趨勢(shì)較相近，而隨著吸力值增大，20，40，60 cm的含水率變化逐漸相近；混交林不同土層深度土壤體積含水率呈現(xiàn)：20 cm>10 cm>40 cm>60 cm，隨土層深度的增大土壤體積含水率整體呈減小趨勢(shì)；梯田不同土層深度土壤體積含水率變化具有明顯的分層特征，隨吸力值的增大，上層(10，20 cm)土壤體積含水率明顯高于下層(40，60 cm)?？傮w上，在同等土壤基質(zhì)吸力條件下，混交林與杉木林土壤體積含水率大小相當(dāng)，兩者均大于竹林，且明顯大于梯田下層(40，60 cm)土壤。

表3 廣西龍脊梯田區(qū)土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型的擬合參數(shù)

圖1 廣西龍脊梯田區(qū)不同樣地土壤水分特征曲線

2.3 相關(guān)性分析

表4展示了土壤水力參數(shù)與土壤基本物理性質(zhì)的相關(guān)性。土壤容重均與田間持水量、毛管孔隙度、總孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)；飽和導(dǎo)水率與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著正相關(guān)。土壤水分特征曲線擬合參數(shù)θs與土壤容重、孔隙度(毛管孔隙度、總孔隙度)分別呈極顯著負(fù)、正相關(guān)；α與毛管孔隙度、總孔隙度均呈顯著正相關(guān)；n與土壤物理性質(zhì)無(wú)顯著關(guān)系，但與θr，α相互影響，與θr，α分別呈極顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)。

表4 廣西龍脊梯田區(qū)土壤水力參數(shù)與土壤基本物理性質(zhì)的相關(guān)性分析

3 討 論

土壤水力特性主要受土壤結(jié)構(gòu)、容重、土壤質(zhì)地等因素的影響，與區(qū)域氣候、地形、植被類型等變化密切相關(guān)。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主體，不同森林類型因植被根系大小及其分布、枯落物分解、壤中微生物活動(dòng)等差異而具有不同土壤理化特性，導(dǎo)致土壤水力特性差異明顯[18]。本研究結(jié)果表明，由混交林與梯田退耕還林而來(lái)的杉木林具有相似的土壤物理性質(zhì)，兩者各層次土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量差異不明顯；而竹林與梯田下層(40，60 cm)土壤容重均顯著大于上層(10，20 cm)，孔隙度、田間持水量變化相反。這可能與竹林土壤黏粒在深層聚集相關(guān)，枯落物的分解、壤中微生物活動(dòng)等均有利于林地土壤大孔隙的發(fā)育，有助于土壤黏粒在大孔隙中隨土壤水分的入滲而向深處富集，使得下層土壤顆粒較細(xì)、黏度大且緊實(shí)，土壤容重較大，土壤孔隙度、持水量相應(yīng)減小[19-20]。

飽和導(dǎo)水率與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，與毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明飽和導(dǎo)水率受土壤容重、孔隙度的影響較大。本研究發(fā)現(xiàn)，平均土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為：竹林>杉木林>混交林>梯田，說(shuō)明竹林土壤滲性能力最強(qiáng)，其次是杉木林和混交林，梯田土壤滲性能力最弱；其中，林地土壤滲透能力在中層(20，40 cm)最強(qiáng)，梯田土壤滲透能力在表層(10 cm)最強(qiáng)且在土層深度達(dá)40 cm后顯著降低，這是由于各林地中層土壤中植被根系密度大且穿插土壤的深度深、土壤微生物活躍等，使土壤結(jié)構(gòu)疏松多孔，土壤容重小、孔隙度大，而有利于土壤水分入滲，故土壤滲透能力強(qiáng)[21]，而農(nóng)田耕作能使表層土破碎和疏松，但下層土壤由于受到長(zhǎng)期擠壓和剪切力的作用而變得密實(shí)，形成致密的犁板，導(dǎo)致農(nóng)田比林地?fù)碛懈偷耐寥缹?dǎo)水率[5]，與Owuor等[10]研究結(jié)果一致。同時(shí)，也說(shuō)明梯田退耕還林能夠改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，特別是深層土壤結(jié)構(gòu)的改善最為明顯，有利于提高土壤滲透能力。

土壤水分特征曲線能反映土壤的持水性能，受土壤質(zhì)地、容重、孔隙度等因素的影響，土壤水分特征曲線擬合參數(shù)θs與土壤容重、孔隙度(毛管孔隙度、總孔隙度)分別呈極顯著負(fù)、正相關(guān)，α與毛管孔隙度、總孔隙度均呈顯著正相關(guān)，即土壤容重越小，土壤結(jié)構(gòu)越疏松，孔隙度越大，θs，α越大，土壤持水性增強(qiáng)[22-23]。不同土壤結(jié)構(gòu)使水分在土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力不同，導(dǎo)致不同樣地土壤水分運(yùn)移特征往往具有明顯差異，當(dāng)土壤吸力很小時(shí)，土壤保留的水分取決于土壤孔隙結(jié)構(gòu)，水分因重力作用易從大孔隙中排出，土壤水分下降速度快，不利于植被根系吸收，而隨土壤吸力的增大，土壤毛細(xì)力、顆粒吸附力逐漸起決定作用，水分從小孔隙中釋出較困難，與土壤顆粒大小和礦物成分密切相關(guān)[24]。通過(guò)對(duì)比不同樣地各層次土壤持水性發(fā)現(xiàn)，梯田上層(10，20 cm)土壤持水性顯著高于下層(40，60 cm)；竹林、杉木林、混交林各層次土壤持水性差異不明顯，但竹林、混交林上層土壤持水性高于下層，而杉木林下層土壤持水性高于上層，這可能與杉木林被種植于梯田田面且保持土壤原本的梯式結(jié)構(gòu)相關(guān)，梯形土面有助于重力水從上階梯土面向下階梯土面滲流，縮短了徑流路徑，增加了土壤入滲[25]，優(yōu)化土壤環(huán)境，保證植物的正常生長(zhǎng)，增加植被在土壤中的根系分布，進(jìn)而有利于下層土壤性質(zhì)的改善。馮天驕等[26]對(duì)黃土丘陵區(qū)不同整地措施影響下土壤水力特性的研究發(fā)現(xiàn)，坡改梯整地方式相比于自然坡面具有更高的土壤持水性能和供水能力。這說(shuō)明梯式整地與人工林種植相結(jié)合能夠極大改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤滲透性和持水性，有利于防止水土流失，對(duì)生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)具有重要意義。

總體上，廣西龍脊梯田區(qū)混交林與杉木林土壤持水性相近，且均強(qiáng)于竹林，梯田最弱。從區(qū)域生態(tài)保護(hù)、水源涵養(yǎng)功能角度出發(fā)，竹林土壤剖面雖具有較強(qiáng)的滲透性能，但土壤持水性比杉木林和混交林差，不利于保育水資源，混交林與杉木林更能提升區(qū)域水源涵養(yǎng)功能。

4 結(jié) 論

(1) 廣西龍脊梯田土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，各土層土壤黏粒差異明顯，粉粒和砂粒差異不顯著。杉木林和混交林各層次土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量差異性不顯著，竹林與梯田下層土壤容重顯著大于上層，而上層土壤毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量下層；土壤容重總體呈現(xiàn)：梯田>竹林>杉木林>混交林，土壤毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量變化相反。土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度是影響土壤滲透性能和持水性能的關(guān)鍵因素。林地土壤滲透能力較強(qiáng)，為梯田土壤滲透能力5倍以上。

(2) 隨土壤基質(zhì)吸力的增加，土壤含水率呈逐漸下降趨勢(shì)，在0～1 020 cm吸力段內(nèi)下降迅速，而在1 020～13 260 cm吸力段內(nèi)下降速度逐漸減慢。不同樣地在相同土壤吸力下，竹林、混交林、梯田上層土壤持水能力較強(qiáng)，杉木林下層土壤持水能力較強(qiáng)?；旖涣趾蜕寄玖滞寥莱炙芰ο嘟揖笥谥窳?，梯田土壤持水能力最弱。