宗路平，角媛梅，華紅蓮，向東福，何禮平，胡志昕，王大瓊

森林、水系、梯田和村寨是2013年被列入世界遺產(chǎn)名錄的紅河哈尼梯田文化景觀的組成要素，其中水是景觀中最活躍的因素。因?yàn)樵搮^(qū)無大中型水庫(kù)且干季基本無降雨，故地處梯田和村寨之上的水源林區(qū)所涵養(yǎng)的水是梯田在旱季主要的水源，是維護(hù)景觀穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素。因此，探討哈尼梯田景觀水源林區(qū)的水源涵養(yǎng)功能可為遺產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)參考。水源林區(qū)的水源涵養(yǎng)能力是植被和土壤共同作用的結(jié)果，與植被類型和蓋度、枯落物組成和現(xiàn)存量、土層厚度及土壤物理性質(zhì)等密切相關(guān)，且土壤是水源涵養(yǎng)的主要載體，土壤水分及其持水性能是土壤水源涵養(yǎng)能力的集中體現(xiàn)［1－2］。有關(guān)土壤水分的研究主要集中在土壤水分的垂直變化［3］、季節(jié)動(dòng)態(tài)變化［4］，土壤水分的有效性評(píng)價(jià)以及土壤持水能力和水源涵養(yǎng)功能等方面［5－6］。同時(shí)，有關(guān)植被、地形以及土壤質(zhì)地等因子與土壤水分及其水源涵養(yǎng)能力的相關(guān)研究也已開展［7－11］。

綜上所述，水源林區(qū)土壤水源涵養(yǎng)能力主要受植被類型和土壤質(zhì)地的影響。因此，本研究以地處紅河哈尼梯田核心區(qū)內(nèi)的元陽縣全福莊梯田片區(qū)上游的水源林區(qū)為對(duì)象，以該區(qū)兩種優(yōu)勢(shì)植被類型（原始森林和草地）下的土壤為研究對(duì)象，分析其水分特征和持水性能，并探討植被類型和土壤質(zhì)地的影響，以期為該區(qū)水源涵養(yǎng)功能的進(jìn)一步研究提供依據(jù)，為哈尼梯田景觀有效應(yīng)對(duì)極端干旱氣候提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河州元陽縣全福莊河流域（全福莊梯田片區(qū)）上游，距元陽縣城南沙28km。地理坐標(biāo)為 23°05′20″—23°07′20″N，103°43′20″—103°47′30″E，海拔在1 685～2 095m 之間，面積約4.6km2。地處哀牢山山脈的南端，屬紅河一級(jí)支流麻栗寨河的源頭區(qū)，山脊走向?yàn)楸睎|—南西向，整個(gè)地勢(shì)南高北低，自南向北傾斜。該區(qū)域?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)氣候，全年日照時(shí)數(shù)1 770.2h，年無霜日363d，年均溫14.19℃，雨量充沛，年降水量1 353.8mm，年蒸發(fā)量929.4mm，年均濕度90.3%。土壤多為黃壤、黃棕壤，土壤剖面發(fā)育完整。

1.2 樣地布設(shè)與土樣采集

在角媛梅等［12］對(duì)研究區(qū)內(nèi)景觀格局特征分析及流域水文資源調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，于2013年10月通過實(shí)地踏勘，在研究區(qū)選擇原始森林地和荒草地布設(shè)具有典型代表性的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)樣地3塊〔樣地Ⅰ（林地），樣地Ⅱ（林地），樣地Ⅲ（草地）〕，樣地規(guī)格為20 m×20m。樣地情況詳見表1。

在每個(gè)樣地內(nèi)代表性地段挖掘3個(gè)土壤剖面（深300cm），對(duì)應(yīng)的土壤剖面為樣地Ⅰ1，Ⅰ2和Ⅰ3，樣地Ⅱ1，Ⅱ2和Ⅱ3，樣地Ⅲ1，Ⅲ2和Ⅲ3。采用 Theta－ProbeML2x土壤水分速測(cè)儀對(duì)各樣地土壤水分進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定深度為300cm，每10cm為一個(gè)測(cè)層，每層重復(fù)3次，取平均值為該層的土壤含水量（%）。用鋁盒取土樣用烘干法進(jìn)行標(biāo)定，精確到0.01%。按0—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm，100—120cm，120—140cm，140—160cm共8個(gè)層次用環(huán)刀取原狀土樣，每層取3個(gè)重復(fù)樣，用于測(cè)定毛管含水量、飽和含水量等。計(jì)算取每個(gè)樣地內(nèi)3個(gè)土壤剖面水分?jǐn)?shù)據(jù)均值為該樣地土壤含水量。

表1 水源區(qū)3個(gè)樣地的基本情況

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

采用ThetaProbeML2x土壤水分速測(cè)儀測(cè)定的各樣地0—300cm土層蓄水量計(jì)算公為：

式中：Wi——各樣地0—300cm 土層中各土層蓄水量（mm）；Qi——ThetaProbeML2x測(cè)量的各土層的體積含水量（%）；Di——土層厚度（mm），W——0—300cm土層的總蓄水量（mm）。

采用中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測(cè)規(guī)范［13－14］中的方法測(cè)定土壤含水量、土壤容重及土壤孔隙度。土壤持水量的計(jì)算公式為：

式中：V——土壤最大／毛管／非毛管持水量（t／hm2）；D——土層厚度（m）；P——土壤孔隙度（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水源涵養(yǎng)林區(qū)土壤水分垂直變化特征

將3個(gè)樣地的土壤剖面水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖1可以看出：（1）樣地Ⅰ土壤在0—300cm水分含量呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩(wěn)的波動(dòng)變化。0—70cm土層，水分含量從最低值16.75%（10cm）上升至42.33%，變化劇烈；70—150cm 土層，水分含量在40%附近波動(dòng)，變化微弱；150—300 cm土層，水分含量先微升再逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)。共出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)42.33%（70cm）；38.73%（150 cm），最大值為45.50%（180cm）。（2）樣地Ⅱ土壤在0—300cm土層水分含量變化較復(fù)雜，但仍呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩(wěn)的波動(dòng)趨勢(shì)。水分含量在0—50cm土層中逐漸上升，之后逐漸降低，在100cm處出現(xiàn)第1個(gè)拐點(diǎn)，即最低點(diǎn)9.47%，之后呈大幅上升，在170cm處出現(xiàn)第2個(gè)拐點(diǎn)33.83%，然后再次下降至第3個(gè)拐點(diǎn)14.43%（220 cm），之后小幅上升達(dá)21.40%（230cm），最后基本保持在18%左右，趨于平穩(wěn)。（3）樣地Ⅲ土壤在0—300 cm土層水分含量呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩(wěn)的波動(dòng)趨勢(shì)。0—30cm，土壤水分含量在隨土層增加逐漸增加，變幅小于2%，出現(xiàn)拐點(diǎn)42.80%（30cm）；30—140cm，土壤水分含量呈現(xiàn)逐漸降低，出現(xiàn)第2個(gè)拐點(diǎn)35.07%（140cm）；140—260 cm，土壤水分含量呈現(xiàn)小幅度的增加，出現(xiàn)第3個(gè)拐點(diǎn)45.30%（260cm）；260—300cm 土壤水分含量逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)。（4）根據(jù)土壤水分垂直變化類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，3個(gè)樣地土壤在0—300cm水分垂直變化都為“雙峰”波動(dòng)型，但樣地Ⅰ土壤、樣地Ⅲ土壤波動(dòng)較弱，為“雙峰”弱波動(dòng)型；而樣地Ⅱ土壤波動(dòng)劇烈，為“雙峰”劇烈波動(dòng)型。

圖1 水源區(qū)3樣地土壤水分的垂直分布

2.2 原始森林和荒草植被類型下黏性土壤水分垂直分布特征

樣地Ⅰ土壤和樣地Ⅲ土壤都是黏性黃壤，但地表植被類型不同，將兩剖面各發(fā)生層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表2結(jié)果顯示：（1）在0—300cm的整個(gè)剖面上，土壤水分平均含量表現(xiàn)為：Ⅲ＞Ⅰ，且均值間差異顯著（p＜0.05），變異系數(shù)表現(xiàn)為：Ⅰ＞Ⅲ，即Ⅰ呈中度變異，Ⅲ為弱變異。因?yàn)椴莸刂脖蝗郝浣Y(jié)構(gòu)單一，枯落物層、腐殖層薄，地表徑流容易下滲，且土層中無木本植物大根系穿插，干擾因子少，使得土層含水量高，變異小。而林地地被層群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地表枯落物、植物根系的影響較大，導(dǎo)致其土壤水分變異較大；（2）兩剖面各發(fā)生層的土壤水分存在明顯差異。在0—60cm土層內(nèi)的土壤水分變異與整個(gè)剖面相同，即土壤水分平均含量表現(xiàn)為：Ⅲ＞Ⅰ，且Ⅰ呈中度變異，Ⅲ為弱變異。在60—230cm土層內(nèi)，基本無植物根系分布，土壤水分受黏性黃壤影響，兩樣地土壤水分含量基本相等，變異極弱。在230—300cm的母巖風(fēng)化層，由于樣地Ⅰ為片麻巖風(fēng)化物，顆粒較大，多空隙，水分下滲快，土壤水分含量低，變異不大，而Ⅲ為黏性黃壤，故土壤水分含量較上一階段基本無變化。

2.3 森林植被下粉沙性和黏性壤土土壤水分垂直分布特征

根據(jù)樣地Ⅱ土壤的剖面發(fā)育及土壤質(zhì)地組成狀況，對(duì)樣地Ⅰ土壤和Ⅱ土壤剖面水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表3）。在0—300cm整個(gè)剖面土層內(nèi)，平均水分含量表現(xiàn)為：Ⅰ（36.88%）＞Ⅱ（22.75%），且均值間差異顯著（p＜0.05）。樣地Ⅱ水分含量變異系數(shù)較大，變異較強(qiáng)。

兩剖面各發(fā)生層的土壤水分存在明顯差異。在0—50cm土層，樣地Ⅰ和Ⅱ含水量均值分別為25.51%和29.39%，樣地Ⅰ土壤的變異系數(shù)較大，主要是由于地表植被群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及覆蓋度等差異干擾對(duì)淺層土壤水分含量造成擾動(dòng)，導(dǎo)致土壤水分變異較大。50—140cm土層，樣Ⅰ和Ⅱ的含水量均值分別為40.11%和18.53%，均值間差異顯著（p＜0.05），而且樣地Ⅱ的變異高達(dá)38.38%。主要原因主要包括：（1）樣地Ⅰ質(zhì)地為黏性壤土，結(jié)構(gòu)緊實(shí)，粒級(jí)小，土壤持水性較好；而樣地Ⅱ質(zhì)地是片麻巖強(qiáng)風(fēng)化物，粉沙性質(zhì)地，土壤水分下滲快，不易蓄水。（2）樣地Ⅱ地表有大量50a以上樹齡的櫟類樹，更有約10棵千年古櫟樹，其樹根分布廣而深，大量樹根分布在這層，因植物蒸騰作用樹根吸水，導(dǎo)致土壤含水量很低而且變異較大。140—170cm土層，樣地Ⅱ質(zhì)地為黏性黃壤、結(jié)構(gòu)緊實(shí)，而且因上層粉沙性風(fēng)化物的持水性差，較多水分下滲而匯集在這一土層，使其形成了含水量較高的“蓄水層”。但由于受植物深根吸水影響，故土壤水分變異較大但含量不高。170—230cm土層，樣地Ⅰ仍具有較高的含水量，樣地Ⅱ則因質(zhì)地變?yōu)轲と篮推閹r風(fēng)化物的膠結(jié)物，沙質(zhì)成分逐漸增多，導(dǎo)致水分含量快速下降，加之受上一層“蓄水”效應(yīng)的影響，使得這一土層形成了一個(gè)相對(duì)“干燥層”，變異較大；230—300cm土層，無植物根系影響，土壤水分含量受母巖風(fēng)化物質(zhì)地控制，所以維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 水源區(qū)林地不同土壤質(zhì)地類型下土壤水分

2.4 水源涵養(yǎng)林區(qū)3個(gè)樣地的土壤蓄水量

對(duì)3個(gè)樣地土壤蓄水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知（表4），0—300cm土層內(nèi)樣樣地Ⅲ土壤的平均含水量最高，為40.51%，蓄水量為1 215.43mm，樣地Ⅱ土壤最低，為22.75%，蓄水量為682.37mm，樣地Ⅰ土壤水分狀況與樣樣地Ⅲ土壤較相似，平均含水量為36.88%，蓄水量為1 106.30mm。對(duì)3個(gè)樣地土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及多重比較得出，樣地Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ在0—300cm土層內(nèi)蓄水量差異顯著（p＜0.05）。進(jìn)一步對(duì)比樣地Ⅰ和Ⅲ的水分狀況可知，雖然Ⅰ和Ⅲ的植被類型不同，但在0—300cm土層樣地Ⅲ土壤與樣地Ⅰ土壤都具有較高蓄水量，蓄水能力較好。因此，在受西南極端干旱連續(xù)影響，水資源供給矛盾日漸突顯的哈尼梯田遺產(chǎn)區(qū)，在注重對(duì)水源林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)以及實(shí)施“退耕還林”措施的同時(shí)，也應(yīng)注重對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)。草地生態(tài)系統(tǒng)同樣具有較強(qiáng)涵養(yǎng)水源、防止“土壤干化”的生態(tài)功能。對(duì)比分析Ⅰ和Ⅱ的水分狀況，雖然植被同為原始森林，但受土壤質(zhì)地差異較大影響，土層蓄水量差異明顯。綜上所述，在哈尼梯田水源林區(qū)，植被類型和土壤質(zhì)地影響土壤剖面水分分布狀況，土壤蓄水量受土壤質(zhì)地影響較大。

2.5 水源涵養(yǎng)林區(qū)土壤持水性能分析

土壤是涵養(yǎng)水源的最重要場(chǎng)所，其持水能力是反映水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)。對(duì)土壤持水性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（表5）可知，3個(gè)樣地土壤0—160cm最大總持水量表現(xiàn)為：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，表明土壤涵蓄潛力Ⅰ最好，Ⅲ次之，Ⅱ相對(duì)較差。毛管總持水量表現(xiàn)為：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，非毛管總持水量呈現(xiàn)出：Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ，表明Ⅰ和Ⅲ的土壤保水性能較好，而Ⅱ的下滲能力較好，調(diào)蓄能力較強(qiáng)。從樣地類型看，相同土層內(nèi)，最大持水量除40—60cm，140—160cm兩層差異不顯著，其它層次內(nèi)樣地間差異均顯著（p＞0.05）；而毛管持水量在0—20cm，20—40cm，40—60cm土層樣地間無顯著性差異（p＞0.05），其它土層均達(dá)到顯著差異水平（p＜0.01）；非毛管持水量在20—40cm，40—60cm土層樣地間無顯著性差異（p＞0.05），其它土層均達(dá)到顯著差異水平（p＜0.05）。從土壤剖面層次看，樣地Ⅰ土壤最大量持水由表層到底層逐漸減??；毛管持水量則是隨土層厚度增加呈遞增趨勢(shì)；非毛管持水量由表層到底層逐漸減小。樣地Ⅱ土壤最大持水量由表層到底層逐漸減小，最后一層略有增加；毛管持水量則是隨土層增加先減小再增加；非毛管持水量由表層到底層呈減少—增加—減小—增加波動(dòng)變化。草地Ⅲ土壤最大持水量由表層到底層先減小后增加；毛管持水量則是隨土層增加呈遞增趨勢(shì)；非毛管持水量由表層到底層先逐漸減小，最逐漸增加。

綜上所述，表層土壤由于受地被層及植物根系影響，土壤毛管和非毛管空隙狀況均可能存在較大差異，故土壤毛管和非毛管持水量存在較大差異；深層土壤雖然受植被根系的影響逐漸減小，但受到土壤質(zhì)地因子的控制，因土壤質(zhì)地差異而導(dǎo)致同土層毛管／非毛管孔隙度差異顯著，故土壤毛管和非毛管持水量也差異顯著。

表4 水源區(qū)3個(gè)樣地土壤蓄水量

表5 水源區(qū)土壤基本物理性質(zhì)及持水性能

3 結(jié)論

（1）對(duì)哈尼梯田水源涵養(yǎng)林區(qū)典型植被下0—300cm土層土壤水分垂直變化研究，結(jié)果顯示，3個(gè)樣地土壤水分垂直變異均呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩(wěn)的波動(dòng)趨勢(shì)，其拐點(diǎn)約在土層60，140和230cm附近。土壤水分運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)在拐點(diǎn)處受鄰層土壤含水量影響很大。林地Ⅱ土壤的水分垂直變化屬于“雙峰”劇烈波動(dòng)型，林地Ⅰ土壤和草地Ⅲ土壤的水分垂直變化則屬于“雙峰”弱波動(dòng)型。

（2）同為黏土但植被類型分別為森林和草地的兩樣地的水分變異系數(shù)表現(xiàn)為：林地Ⅰ土壤（19.08%）＞草地Ⅲ土壤（6.32%），且植被類型主要對(duì)0—60cm土層的土壤水分變異影響較大；粉沙性質(zhì)地的林地Ⅱ土壤水分變異系數(shù)（30.81%）高于黏性壤土質(zhì)地的林地Ⅰ土壤（19.08%）；土壤水分垂直變化主要受土壤質(zhì)地和植被類型影響。

（3）水源林區(qū)3個(gè)樣地0—300cm土層蓄水量表現(xiàn)為：草地Ⅲ土壤（1 215.46mm）＞林地Ⅰ土壤（1 106.29 mm）＞林地Ⅱ土壤（682.34mm），說明土壤質(zhì)地同為黏性黃土的草地Ⅲ土壤和森林Ⅰ土壤的水源涵蓄能力強(qiáng)，而沙性土壤質(zhì)地的森林Ⅱ土壤蓄水能力較弱。

（4）采用ThetaProbeML2x土壤水分速測(cè)儀法統(tǒng)計(jì)得出水源林區(qū)3個(gè)樣地0—160cm土層蓄水量表現(xiàn)為：Ⅲ（629.18mm）＞Ⅰ（571.6mm）＞Ⅱ（370.68mm）；用環(huán)刀法測(cè)定的3個(gè)樣地持水性能的結(jié)果表現(xiàn)為：0—160cm 土層最 大持水 量為Ⅰ（9 997.5t／hm2）＞Ⅲ（9 247.68t／hm2）＞Ⅱ（9 238.34t／hm2）；毛管持水量表現(xiàn)為：Ⅰ（7 031.69t／hm2）＞Ⅲ（6 707.11t／hm2）＞Ⅱ（5 934.46t／hm2）；非毛管持水量為Ⅱ（3 303.88t／hm2）＞Ⅰ（2 965.82t／hm2）＞Ⅲ（2 540.5t／hm2）。可知，使用ThetaProbeML2x土壤水分速測(cè)儀測(cè)定的土壤蓄水量與用環(huán)刀法測(cè)定的土壤毛管持水量結(jié)果相符，通常測(cè)定的土壤蓄水量就是指土壤毛管持水量。

（5）采用最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量3個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)水源區(qū)土壤的水源涵養(yǎng)功能，最大持水量反映土壤涵蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力，毛管持水量反映土壤保水能力的高低，維持土壤水分的動(dòng)態(tài)平衡，非毛管持水量反映土壤調(diào)控地表水下滲、調(diào)節(jié)洪峰流量的能力小大。水源林區(qū)森林Ⅰ土壤、草地Ⅲ土壤涵蓄和調(diào)節(jié)水分能力較強(qiáng)，保水能力較高，能較好維持土壤水分動(dòng)態(tài)平衡；森林Ⅱ土壤調(diào)蓄能力較強(qiáng)。

（6）眾所周知，環(huán)刀法是使用最廣泛的土壤持水性能的測(cè)定方法，但此法比較耗時(shí)耗力。本研究同時(shí)采用環(huán)刀法和土壤水分速測(cè)儀法對(duì)3個(gè)樣地持水量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示使用ThetaProbeML2x土壤水分速測(cè)儀測(cè)定的土壤蓄水量與用環(huán)刀法測(cè)定的土壤毛管持水量結(jié)果相符，說明便捷的ThetaProbeML2x土壤水分速測(cè)儀可用來測(cè)定土壤持水量，能快速評(píng)價(jià)土壤持水性能的強(qiáng)弱。研究中兩種方法得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行相互驗(yàn)證，進(jìn)行精度校正。另外，研究中發(fā)現(xiàn)，3個(gè)樣地的土壤水分垂直變化均為“雙峰”波動(dòng)型，說明哈尼梯田水源林區(qū)土壤具有較好的水源涵養(yǎng)和水土保持的功能。但是，通常從豐水年（雨季）到枯水年（旱季），土壤水分垂直變化類型會(huì)從降低型向波動(dòng)型轉(zhuǎn)化，波動(dòng)型向增長(zhǎng)型轉(zhuǎn)化，所以未來應(yīng)深入研究水源林區(qū)土壤垂直變化的年際和季節(jié)性變異，為哈尼梯田景觀的持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

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