李陽芳，宋維峰，和 俊，彭永剛，董建新

（1.西南林業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院，昆明650224；2.云南省水利廳，昆明650021；3.云南紅河州水利局，云南 蒙自661000；4.云南大學 商旅學院，昆明650091）

土壤子系統(tǒng)為森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文功能作用面的最后一個層次，也是最為重要的子系統(tǒng)。森林土壤具有調(diào)節(jié)地表徑流，抵抗土壤侵蝕破壞的作用［1］，森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水文功能是森林植被與土壤及氣候條件長期綜合作用的結果［2］。土壤入滲速率和土壤持蓄水能力是決定森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力的關鍵因素，林地調(diào)蓄降水的作用主要表現(xiàn)在土壤水分入滲情況、非毛管孔隙水（快速持水）的貯存能力和“有效”蓄水容量上［3］。最大儲水能力和土壤的總孔隙度有關，它是指土壤中全部孔隙都充滿水分時的儲水量，而有效儲水能力與土壤非毛管孔隙度有關，它反映了土壤的調(diào)蓄能力，是評價土壤層水文功能的重要指標之一［4］。最大持水量（飽和持水量），能夠用來衡量土壤的持水性能［5］。土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，能夠反映土壤的透水性、通氣性和根系延展時阻力的大?。?－7］。有研究表明［8］，結構性理想的土壤更利于保水保肥和扎穩(wěn)根系。林木對地表水的調(diào)節(jié)功效是通過林地表層土壤實現(xiàn)的，所以應是森林所形成的特殊土壤才能涵養(yǎng)江河水源，由此可知，并非有林即可養(yǎng)水［9］。

元陽梯田核心區(qū)的森林覆蓋率達到50%以上，上千年來形成了以“森林—水系—村寨—梯田”為主的生態(tài)系統(tǒng)，其獨特的水文效應在歷年的干旱中發(fā)揮了重要作用。特別是在近幾年云南省所面臨的大旱以來，哈尼梯田常流水的現(xiàn)象，引發(fā)了國內(nèi)廣大科研工作者的關注。目前，由于元陽梯田獨特的自然景觀和人文歷史，使得對元陽梯田的研究大都停留在景觀格局、文化發(fā)展及森林水文等方面，對元陽梯田核心區(qū)土壤水文效應方面的研究較少。因此，對元陽梯田核心區(qū)不同土地利用類型土壤的結構性、入滲特性等進行實驗分析，總結出元陽土壤的水文特性，有利于揭示森林涵養(yǎng)水源的功能，有利于元陽梯田的開發(fā)與保護，實現(xiàn)梯田的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

元陽縣位于云南省南部，哀牢山脈南段，紅河南岸，處于102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N，元陽梯田位于元陽縣中部，其核心區(qū)約有梯田1.32萬hm2，分布于海拔700～1 800m，坡度為15°～75°的溝壑山嶺間。受紅河水系和藤條江水系的切斷，無一平川，山巒疊嶂，溝壑縱橫、梯田密布，為山高谷深的切割中山地貌。土壤多以黃壤和黃棕壤為主，土壤剖面完整，土層厚度約為1m，土地利用類型以有林地、灌木林地、荒草地、坡耕地、梯田（水作）為主。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

2011年7月于元陽梯田區(qū)選擇具有代表性的四種土地利用類型（有林地、灌木林地、荒草地、坡耕地），測定其海拔高度、坡度、坡位、地形等立地因子；在所選定的樣地中挖好剖面，觀察其分層情況，記錄每層顏色，具體情況見表1。分別按0—20，20—40，40—60cm的土層取樣（每層土3個重復），同時用土壤袋取適量土樣帶回實驗室做進一步分析。

表1 不同土地利用類型土壤剖面情況

2.2 土壤物理性質(zhì)的測定

土壤容重和孔隙度共同決定了土壤吸持水量的能力，土壤的非毛管孔隙度對土壤蓄水調(diào)洪能力具有重要影響［10－13］。本文用烘干法測定土壤含水量，用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、非毛管孔隙度等物理性質(zhì)，土壤持水力計算公式為：

式中：S——土 壤 持 水 力 （t／hm2）；h——土 層 厚 度（m）；p——非毛管孔隙度（%）［14］。同時采用比重計法測定土壤質(zhì)地；采用重鉻酸鉀法測定有機質(zhì)。

2.3 土壤入滲測定

土壤入滲性能的測定是在雨后24h，采用野外原位雙環(huán)法進行［15］。雙環(huán)內(nèi)環(huán)直徑28cm，高25cm；外環(huán)直徑54cm，高25cm。各指標處理方法為：初滲率＝最初入滲時段內(nèi)滲透量／入滲時間，本研究取最初入滲時間為1min；平均滲透速率＝達穩(wěn)滲時的滲透總量／達穩(wěn)滲時的時間；穩(wěn)滲率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定（即內(nèi)環(huán)水頭趨于穩(wěn)定）時的滲透速率［16］。

3 結果與分析

3.1 土壤持水情況分析

土壤的質(zhì)地、結構決定了土體蓄水能力的強弱，進而也決定了土壤水分供給的有效性，使之成為林木生長和生存的主導因子［14］。

通過環(huán)刀法，對元陽梯田核心區(qū)有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地的質(zhì)地、土壤孔隙情況等進行實驗分析，結果如表2所示。

表2 不同土地利用類型土壤孔隙情況

由表2可知，四種土地利用類型中，土壤容重均隨著土層深度的增加而增大，同土層深度相比，土壤容重最大的為坡耕地，最小的為灌木林地；土壤的總孔隙度隨著土層深度的增加而減小，其中以灌木林地土壤總孔隙度最大。4種土地利用類型中有機質(zhì)含量從上至下逐漸遞減，在0—20cm的土層中，有機質(zhì)含量均較高。有機質(zhì)能夠改良土壤結構，促進團粒狀結構的形成，從而增加土壤的疏松性，改善土壤的通氣性和透水性。土壤疏松不僅有利于植物生長，而且也可促進土壤持水能力增強；因此，作為親水性極強的有機質(zhì)對土壤的持水能力產(chǎn)生了較為有利的影響，也是評價土壤水文功能時的重要指標。

由元陽土壤容重和孔隙度情況分析，可見，有林地的容重和孔隙度在本研究中均不是最好的，灌木林地表現(xiàn)出較好的容重和孔隙度，這與前人研究結果［4］存在偏差，一般情況下林地土壤容重較低，孔隙度較大，具有較大數(shù)量的水穩(wěn)性團粒結構，土壤持導水性好，入滲量大，透氣性好。由于本文中所選的有林地為退耕還林的人工林地，其樹木長勢較好，但人為活動對土壤的容重和孔隙度產(chǎn)生影響，所以在分析結果中出現(xiàn)了林地容重大于灌木林地，孔隙度小于灌木林地的情況。由于元陽土層深厚，土壤結構較好，因此各土層持水能力也較強。對于0—60cm層的土壤來說，與無林地相比，林地蓄洪作用主要反映在非毛管孔隙水的貯存能力上。由表2可知，0—60cm層的土壤，灌木林地和有林地均表現(xiàn)出較強的持水性，荒草地持水能力強于坡耕地，其中有林地和坡耕地的毛管持水量在總持水量中的比例比灌木林地和荒草地大，非毛管孔隙度所占的比例以荒草地為最大，灌木林地次之，有林地和坡耕地相差不大。

3.2 土壤入滲情況分析

土壤的滲透性是土壤重要的水分物理性質(zhì)之一，也是林分涵養(yǎng)水源的重要指標。土壤滲透性的好壞，直接關系到地表徑流量的大小，滲透性能越好，地表徑流越少，土壤侵蝕量也會相應減少［17］。對元陽梯田核心區(qū)有林地、灌木林地、荒草地和坡耕地的入滲情況進行野外原位雙環(huán)法測定，表層土的基本情況如表3所示，雙環(huán)測定結果見圖1—2。

圖1 不同土地利用類型土壤水分入滲過程曲線

由圖1中可見，在入滲初期，4種土地利用類型的入滲速率均較大，在1～5min之間，有林地的入滲速率較穩(wěn)定，保持在1mm／min，灌木林地表現(xiàn)出先減后增再減小的波動情況，荒草地表現(xiàn)出減小趨勢，坡耕地的入滲較不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出波動情況；在6～20 min之間，有林地的入滲速率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；灌木林地、荒草地、坡耕地變化幅度較小，灌木林地在9～20min之間呈現(xiàn)出短暫的穩(wěn)滲過程，在20min時，坡耕地出現(xiàn)入滲高峰，繼而入滲速率減小；荒草地在入滲30min以后基本達到穩(wěn)滲，灌木林地和坡耕地的入滲速率都在120min之后趨于穩(wěn)定。但在實際測定中，4種土地利用類型的土壤水分入滲速率并沒有固定在某一個特定的數(shù)值，而是在不斷地變化中，基于其變化幅度較小，可近似看做達到穩(wěn)滲。

圖2 不同土地利用類型土壤滲透情況

由表3中可知，荒草地0—20cm土層初期含水量最低，灌木林地的最高；在圖2中，荒草地的初滲速率最大，有林地最快達到穩(wěn)滲，灌木林地、荒草地、坡耕地的穩(wěn)滲速率相差不大；表4表明，土壤的初期含水量與初滲速率的相關系數(shù)為－0.691，可見初期含水量與初滲速率之間呈現(xiàn)出負相關關系。土壤水分的入滲與土壤初期的含水量有密切關系，土壤的初期含水量越高，入滲率越低；反之，土壤初期含水量越低，入滲率越高。4種土地利用類型中的土壤入滲速率均較小，可能是因為雨后土壤中的含水量較高，影響了土壤的入滲。

表3 不同土地利用類型0－20cm土層土壤基本情況

表4 土壤物理性質(zhì)與土壤滲透性相關關系

4 討論

（1）土壤的持水能力與土壤的容重和孔隙度有關，土壤容重越小，土壤孔隙度越多，土壤的持水量也越大；有機質(zhì)含量越高，土壤的持水量越大，4種土地利用類型的持水能力強弱為：灌木林地＞有林地＞荒草地＞坡耕地，元陽梯田區(qū)的土壤具有較大的持水能力。

（2）土壤入滲情況野外原位雙環(huán)法測定結果表明，有林地在整個入滲過程中最先達到穩(wěn)滲，其初滲速率和穩(wěn)滲速率均為最小，荒草地的初始入滲速率最大，為4mm／min，初滲速率與土壤初期含水量呈負相關關系，由于試驗為雨后24h進行，土壤含水量較大，影響了土壤的滲透性能，今后可在旱季做一對比試驗加以闡述。

［1］ 張文廣，胡遠滿，張晶，等.岷江上游地區(qū)近30年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量與價值變化［J］.生態(tài)學雜志，2007，26（7）：1063-1067.

［2］ 王云琦，王玉杰.三峽庫區(qū)典型森林植被生態(tài)水文功能［J］.生態(tài)學雜志，2010，29（10）：1892-1900.

［3］ 于志明，王禮先.水源涵養(yǎng)林效益研究［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1991.

［4］ 姜海燕.大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)水文特性的研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學，2008.

［5］ 馬雪華.森林水文學［M］.北京：中國林業(yè)科學出版社，1993.

［6］ 孫艷紅，張洪江，程金花，等.縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能［J］.水土保持學報，2006，20（2）：106-109.

［7］ 王光玉.杉木混交林水源涵養(yǎng)和土壤性質(zhì)研究［J］.林業(yè)科學，2003，39（S1）：15-20.

［8］ 邵明安，王全九，黃明斌.土壤物理學［M］.高等教育出版社，2006.

［9］ 郭漢卿.中西河流域主要森林類型水文特征及其水文功能研究［D］.山西臨汾：山西農(nóng)業(yè)大學，2005.

［10］ 宋吉紅.重慶縉云山森林水文生態(tài)功能研究［D］.北京：北京林業(yè)大學，2008.

［11］ 劉霞，張光燦，李雪蕾，等.小流域生態(tài)修復過程中不同森林植被土壤入滲與貯水特征［J］.水土保持學報，2004，22（2）：111-115.

［12］ 夏江寶，屈志遠，朱瑋，等.魯中山區(qū)不同人工林土壤水分特征［J］.中國水土保持科學，2005，19（6）：45-50.

［13］ 劉賢德，李效雄，張學龍，等.干旱半干旱區(qū)山地森林類型的土壤水文特征［J］.干旱區(qū)地理，2009，32（5）：691-697.

［14］ 胡淑萍，余新曉，岳永杰.北京百花山森林枯落物層和土壤層水文效應研究［J］.水土保持學報，2008，22（1）：146-150.

［15］ 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.

［16］ 劉道平，陳三雄，張金池，等.浙江安吉主要林地類型土壤滲透性［J］.應用生態(tài)學報，2007，18（3）：493-498.

［17］ 田育新，李錫泉，吳建平，等.小流域森林生態(tài)系統(tǒng)林地土壤滲透性能研究［J］.水土保持研究，2006，13（4）：173-175.