婁淑蘭,劉目興,3,*,易 軍,張海林,李向富,楊 葉,王秋月,黃建武,3

1 地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079 2 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079 3 華中師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 武漢 430079

涵養(yǎng)水源、保持水土是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)功能之一,而其調(diào)水、蓄水和持水功能則主要通過土壤層完成[1-2]。土壤層調(diào)蓄降水的機(jī)制包括水分入滲和水分儲(chǔ)存,調(diào)蓄能力因土壤理化性質(zhì)的差異而不同。對于森林土壤的水文功能,國內(nèi)外已有大量研究,如不同森林類型土壤的物理性質(zhì)、入滲能力和持水蓄水能力[3- 4],不同土地利用類型的土壤滲透和持水能力[5-6],坡面表層土壤含水量、容重和飽和導(dǎo)水率[7]以及地形坡位對土壤水分變化的影響等[8,9]。可見,森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤理化性質(zhì)和水文功能受到森林植被覆蓋和地形坡位的共同影響。

三峽庫區(qū)地處青藏高原與長江中下游平原的過渡帶,庫區(qū)95%以上為山地丘陵區(qū)[10],降水集中且多暴雨,水土流失問題十分嚴(yán)重。庫區(qū)內(nèi)地勢起伏明顯,植被類型多樣,不同類型植被和坡位處的土壤理化性質(zhì)差異顯著[11],進(jìn)而影響土壤的入滲性能和水分儲(chǔ)存能力,呈現(xiàn)出不同的土壤水文功能[12]。余新曉等[13]在四川貢嘎山,王玉杰等[14]和成晨等[15]在重慶縉云山,劉目興等[16]在壩區(qū)不同類型的林地分別對長江中上游或庫區(qū)內(nèi)主要森林類型土壤的水分入滲性能或持水能力進(jìn)行了研究,李向富等[17]在三峽庫區(qū)不同海拔高度和王云琦等[18]在重慶縉云山分別對三峽庫區(qū)不同森林類型的土壤水文功能進(jìn)行了綜合研究,發(fā)現(xiàn)不同森林類型的土壤入滲性能和持水能力不同,且與土壤理化性質(zhì)的差異密切相關(guān)。然而,這些研究主要集中在某些植被類型影響下的土壤入滲性能或持水能力,對森林土壤水文功能的綜合研究較少。此外,地形作為影響山地土壤分布的重要因素,在當(dāng)前三峽山地土壤水文功能的研究中需更多關(guān)注。因此,結(jié)合坡位和植被覆蓋進(jìn)行綜合評價(jià),才能解釋山地不同景觀部位土壤層水文功能的成因。本研究以長江三峽大老嶺山地為研究區(qū),在常綠林地、落葉林地和草地等3種植被覆蓋下坡上、坡下共6個(gè)樣地采集原狀和擾動(dòng)土壤樣品,測定其基本理化性質(zhì)和水文功能指標(biāo),定量評價(jià)不同植被類型和坡位土壤入滲性能和持水能力等水文功能,并揭示其主要影響因子,為三峽山地水土流失防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省宜昌市大老嶺林區(qū)至夷陵區(qū)境內(nèi)(30°00′13″N—31°28′30″N,100°51′8″E—111°39′30″E),海拔在1180—1310 m,地質(zhì)基礎(chǔ)以酸性結(jié)晶巖為主。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,降水集中且多暴雨,年平均氣溫16.7℃,平均降水量1101.1 mm,平均蒸發(fā)量950 mm,≥10℃的積溫5403.7℃,無霜期283 d。由于長期人類活動(dòng)干擾,該地段植被已鮮有原生常綠闊葉林,現(xiàn)多為馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook.)、鐵堅(jiān)油杉(Keteleeriadavidiana(Bertr.) Beissn.)、栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)和板栗(Castaneamollissima)等[19]。

經(jīng)野外調(diào)查,選取3種植被覆蓋差異較為明顯的坡地作為研究樣地,在每個(gè)坡地的上、下坡位均設(shè)置樣方進(jìn)行植被調(diào)查。在常綠林地上、下坡各設(shè)置1個(gè)20 m ×20 m樣方,植被以馬尾松、杉木等常綠針葉樹種為主;落葉林坡地由于地形限制,共設(shè)置5個(gè)5 m×5 m樣方,植被以枹櫟、木姜子(LiseapungensHemsl.)等落葉小喬木為主;草地樣地是因營造防火帶砍伐林木而形成的次生草地,地形呈梯田狀,除坡上有少量灌木,坡地植被覆蓋均為草本植物。

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設(shè)與實(shí)驗(yàn)土樣采集

野外實(shí)驗(yàn)于2017年6—8月進(jìn)行,經(jīng)過多次樣點(diǎn)勘察確定6個(gè)研究樣地,分別是常綠林地、落葉林地、草地覆蓋下的坡上、坡下樣地。在各樣地分別選取典型地段進(jìn)行土壤初步調(diào)查,挖掘土壤剖面。對每一土壤發(fā)生層進(jìn)行土壤樣品采集,用容積為100 cm3的環(huán)刀采集原狀土樣,每個(gè)土壤分層取5或8個(gè)樣品,共采集240個(gè)環(huán)刀土樣。同時(shí),在每個(gè)土壤分層采集10 cm × 10 cm× 10 cm的擾動(dòng)土。將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,測定土壤理化性質(zhì)及水文功能。

1.2.2土壤理化性質(zhì)與水分特征參數(shù)

(1)土壤理化性質(zhì)的測定：將帶回實(shí)驗(yàn)室的原狀土樣飽和以及擾動(dòng)土樣風(fēng)干處理后測定相關(guān)土壤理化性質(zhì),其中土壤機(jī)械組成采用吸管法測定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定[20],容重采用環(huán)刀法測定,各樣地土壤理化性質(zhì)和部分結(jié)構(gòu)特征測定結(jié)果見表1和表2。

圖1 研究區(qū)位圖及各樣點(diǎn)圖示Fig.1 Location of the study area and the representation of the sites

(2)土壤飽和導(dǎo)水率的測定：將原狀土樣飽和24 h后,使用土壤滲透率儀,采用定水頭法測定土壤飽和導(dǎo)水率Ks[20]。測定過程中,維持馬氏瓶進(jìn)氣口內(nèi)起泡點(diǎn)至滲透率儀出水口之間的距離H不變,測定總出流量和相應(yīng)出流時(shí)間,計(jì)算Ks(圖2)。

(1)

式中,Ks為飽和導(dǎo)水率,cm/min;Q為出流量,cm3;L為樣品高度,即環(huán)刀長度,cm;A為樣品橫截面積,即環(huán)刀底面積,cm2;H為水頭差,cm;t為出流時(shí)間,min。

(3)土壤水分特征曲線的測定：將原狀土樣飽和,采用離心機(jī)法測定土壤水分特征曲線。首先測定土樣飽和時(shí)的土壤體積含水量,并記錄不同轉(zhuǎn)速離心實(shí)驗(yàn)后土樣的含水量,根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算對應(yīng)的離心力,最大為1 bar。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果在RETC軟件中利用van Genuchten模型進(jìn)行擬合,繪制土壤水分特征曲線(圖3)。

(4)土壤孔隙度：土壤中毛管孔隙內(nèi)的水分受毛管力作用可以長時(shí)間保存,持續(xù)供給植物生長發(fā)育,而非毛管孔隙是土壤重力水移動(dòng)的主要通道,非毛管孔隙多的土壤水分下滲快,滲透性好,蓄水的功能差。在數(shù)值上,土壤總孔隙度等于土樣飽和時(shí)的土壤體積含水量,毛管孔隙度等于離心力0.1 bar時(shí)的土壤體積含水量[21],則非毛管孔隙度等于總孔隙度減去毛管孔隙度(表2)。

(5)土壤持水量和水分庫容的測定與計(jì)算：土壤飽和含水量(θs)、毛管持水量、田間持水量(θf)和凋萎含

表1 各樣地土壤基本理化性質(zhì)

A、E、B、C分別為腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層和母質(zhì)層

水量(θw)分別以環(huán)刀土在離心實(shí)驗(yàn)0 bar、0.1 bar、0.33 bar和15 bar離心力下的土壤質(zhì)量含水量表示[21-22]。其中,各土樣的毛管持水量、田間持水量均通過土樣的離心實(shí)驗(yàn)測定,15 bar時(shí)的凋萎含水量則利用吸濕系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[20]：

θw=1.75×θh

(2)

式中,θh為吸濕系數(shù)。

表2 各樣地土壤結(jié)構(gòu)特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

土壤水分庫容是反映土壤蓄水能力的一項(xiàng)重要指標(biāo),可通過不同的土壤水分常數(shù)計(jì)算得到。本文選用飽和含水量、田間持水量和凋萎含水量來計(jì)算不同層次的土壤水分庫容。土壤總庫容為利用飽和含水量得到的土壤蓄水量,為土壤所能容納的水分總量。土壤死水庫容為利用凋萎含水量得到的土壤蓄水量,無法供植物利用且難以參與水分循環(huán),從而不具備調(diào)蓄徑流的作用。利用田間持水量得到的水分庫容為土壤所能穩(wěn)定保持的最大水分容量。興利庫容為田間持水量與凋萎含水量之差對應(yīng)的土壤蓄水量,表征土壤長時(shí)間的蓄水量[23]。具體計(jì)算方法如下：

(3)

(4)

(5)

Wy=Wf-Wd

(6)

式中：Wt為某樣地土壤的總庫容(mm);Wf為田間持水量對應(yīng)的庫容,相當(dāng)于興利庫容和死水庫容之和;Wd為死水庫容;Wy為興利庫容;h為土層的厚度(cm);n為土層數(shù)。研究中各庫容參數(shù)以0—100 cm土層厚度計(jì)算。

采用Excel、SPSS 22軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋和坡位處土壤飽和導(dǎo)水率

三峽山地大老嶺研究區(qū)各樣地土壤飽和導(dǎo)水率總體均隨土壤深度增加波動(dòng)降低,但各樣地之間差異明顯(圖2)。不同植被類型比較,常綠林地平均土壤飽和導(dǎo)水率為128.22 cm/d,遠(yuǎn)大于落葉林地(57.83 cm/d)和草地(38.35 cm/d),分別為落葉林地和草地土壤飽和導(dǎo)水率的2.22倍和3.34倍,即常綠林地>落葉林地>草地,表明常綠林地土壤滲透速率高于落葉林地和草地。相同植被類型的不同坡位樣點(diǎn)比較,土壤飽和導(dǎo)水率均表現(xiàn)為坡上(99.27 cm/d)高于坡下(58.04 cm/d),只有落葉林地坡下土壤表層0—20 cm深度范圍內(nèi)土壤飽和導(dǎo)水率(113.53—137.03 cm/d)大于坡上(73.62—100.81 cm/d)。這主要是因?yàn)槁淙~林地坡上土壤表層容重(1.13 g/cm3)大于坡下(0.77 g/cm3),土壤致密,不易透水。

由圖2中土壤飽和導(dǎo)水率標(biāo)準(zhǔn)差(直線長度),可見各樣地飽和導(dǎo)水率數(shù)據(jù)變異性差異明顯。綜合對比各樣地土壤飽和導(dǎo)水率,均表現(xiàn)為土壤表層變異性強(qiáng)于底層。植被類型上表現(xiàn)為常綠林地土壤飽和導(dǎo)水率變異性較強(qiáng),落葉林地和草地較弱;相同植被類型不同坡位比較,坡上土壤飽和導(dǎo)水率變異性強(qiáng)于坡下。這是因?yàn)橥寥辣韺又参锔缀蛣?dòng)物蟲孔分布較多且不均勻,土壤孔隙分布不均,而隨著深度增加動(dòng)植物影響均逐漸減弱,土壤孔隙減少,因而土壤表層滲透速率較快且變異性較大,而隨著深度增加滲透速率減慢,變異性減小。

圖2 各樣地土壤飽和導(dǎo)水率Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity in different sites

2.2 不同植被覆蓋和坡位處土壤水分特征曲線

RETC擬合結(jié)果顯示R2在0.95—0.99之間,相關(guān)系數(shù)高,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。各樣地土壤含水量隨著離心力的增加逐漸降低。在吸力值從0增加至0.1 bar時(shí),土壤含水量迅速下降。不同植被類型比較,常綠林地土壤體積含水量平均下降幅度最大,為36.24%,分別為落葉林地(32.46%)和草地(23.20%)的1.12倍和1.56倍。其中,常綠林地腐殖質(zhì)層土壤含水量從0.58 cm3/cm3下降至0.33 cm3/cm3,下降幅度為43.36%,高于落葉林地(39.96%)和草地(37.10%);樣地土壤淋溶層和淀積層的下降幅度以常綠林地最大,為23.31%—55.51%,落葉林地降幅其次(9.39%—52.87%),草地最小(9.20%—33.82%);各樣地母質(zhì)層在0—0.1 bar吸力值段,除常綠林地坡上樣地下降幅度較大(48.87%),其余樣地下降幅度均較小(9.56%—36.95%)。相同植被類型不同坡位比較,坡上土壤體積含水量平均下降幅度為45.58%,為坡下(22.34%)的2.04倍。坡上腐殖質(zhì)層平均土壤體積含水量從54.78 cm3/cm3下降至31.25 cm3/cm3,下降幅度為42.96%,高于坡下(37.57%);坡上淋溶層和淀積層平均土壤含水量下降幅度為46.12%—52.87%,高于坡下14.51%—22.62%。隨著吸力值的繼續(xù)增加,在0.1—1 bar吸力值段,土壤含水量緩慢降低。比較不同植被類型樣地,常綠林地土壤體積含水量平均下降幅度為27.04%,高于落葉林地(24.02%)和草地(21.65%)。相同植被類型不同坡位樣地比較,表現(xiàn)為坡上土壤體積含水量平均下降幅度(28.53%)高于坡下(22.38%)。

圖3 各樣地土壤水分特征曲線Fig.3 Soil water characteristic curves in different sites

在離心實(shí)驗(yàn)的相同吸力值下,土壤體積含水量越高,下降幅度越小,表明其持水能力越強(qiáng),反之越弱[24]。不同植被類型比較,吸力值相同時(shí),3種植被類型下土壤體積含水量表現(xiàn)為草地>落葉林地>常綠林地,即草地土壤的持水能力最強(qiáng),其次是落葉林地,常綠林地最弱;相同植被類型不同坡位比較,吸力值相同時(shí),坡下土壤體積含水量普遍高于坡上,即坡下土壤的持水能力較強(qiáng),坡上土壤較弱。

2.3 不同植被覆蓋和坡位處土壤持水性能參數(shù)和水分庫容

不同植被類型土壤的飽和含水量差異較小(45.28%—51.53%),但毛管持水量和田間持水量差異明顯。草地的毛管持水量和田間持水量為20.77%—50.39%,高于落葉林地(16.69%—48.08%)和常綠林地(12.64%—49.04%)。對于相同植被類型不同坡位樣地,坡下土壤的各持水量均值為40.18%,是坡上土壤(29.92%)的1.34倍。同一樣地的不同發(fā)生層比較,飽和含水量均表現(xiàn)為表層大于下層。各樣地土壤飽和含水量從腐殖質(zhì)層到母質(zhì)層的下降幅度介于25.73%—60.30%。毛管持水量和田間持水量隨土壤深度的增加波動(dòng)變化,腐殖質(zhì)層至淀積層基本逐漸減小,母質(zhì)層略有增加。各樣地凋萎含水量隨深度波動(dòng)變化,無明顯變化規(guī)律。

表3 各樣地土壤持水性能參數(shù)和水分庫容(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

Wt：土壤總庫容 total storage capacity of soil；Wf：田間持水量對應(yīng)的庫容 storage capacity corresponding to field water holding capacity；Wd：死水庫容 dead capacity；Wy：興利庫容 utilizable capacity of soil

不同樣點(diǎn)0—100 cm深度土壤庫容量差異較大。不同植被類型比較,表現(xiàn)為常綠林地的總蓄水量(Wt)最高,為506.49 mm,其次為草地(471.10 mm),落葉林地最小(430.74 mm)。由田間持水量計(jì)算得到的土壤水分庫容(Wf)為土壤能穩(wěn)定保持的最大水分容量,3種植被類型從大到小依次為草地、常綠林地和落葉林地。兩水分庫容量相比,3種植被類型中由田間持水量得到的水分容量占總庫容的百分比以草地最大,為63.25%,高于落葉林地(60.75%)和常綠林地(55.00%)。各樣地死水庫容差異不大,在50.07%—66.59%范圍內(nèi),以落葉林地坡下最高、常綠林地坡下最低。而興利庫容則以常綠林坡下最高,落葉林坡上最低。相同植被類型不同坡位比較,坡上土壤各平均庫容量均小于坡下,其中坡下由田間持水量得到的水分庫容占總庫容的百分比為67.90%,為坡上(50.25%)的1.35倍。

綜合對比各樣地土壤持水性能參數(shù)和水分庫容,不同植被類型比較,草地的持水性能最強(qiáng),更利于土壤保蓄水分,其次是落葉林地,最后是常綠林地。相同植被類型不同坡位比較,坡下土壤的持水性能強(qiáng)于坡上。

2.4 土壤理化性質(zhì)對土壤水文功能的影響

土壤的入滲性能和持水能力取決于土壤質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等土壤性質(zhì)。對6個(gè)研究樣地土壤的飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量等土壤持水參數(shù)與總孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)含量、砂粒、粉粒和粘粒含量等土壤理化性質(zhì)參數(shù)分別進(jìn)行了相關(guān)性分析。相關(guān)分析樣本量在40—200個(gè),分析方法為雙變量相關(guān)分析,選擇Pearson簡單相關(guān)系數(shù),采用雙尾檢驗(yàn)法,顯著性水平α=0.01,分析結(jié)果如表4。飽和導(dǎo)水率與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與容重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。飽和含水量、毛管持水量、田間持水量均與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和粉粒含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與容重和砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表4 各樣地土壤水文功能參數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)分析

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3 討論

3.1 不同植被覆蓋影響土壤水文功能的原因

研究區(qū)6個(gè)樣地空間距離較近,氣候特征差異小,土壤性質(zhì)的差異主要源于樣地間植被覆蓋和坡位的不同。不同植被覆蓋由于根系生長發(fā)育差異影響土壤的機(jī)械組成,進(jìn)而影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)和容重。同時(shí),植被類型的差異還導(dǎo)致了林下枯落物的組成和分解狀況的差異,從而改變不同植被覆蓋土壤的有機(jī)質(zhì)含量,劉敏等[25]在重慶縉云山的研究以及陳文靜等[26]在川西人工林的研究都發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律。樣地共包含3種植被類型,其中常綠林地人為干擾強(qiáng)度小,樹木種類復(fù)雜,植被茂密,土壤表層根系發(fā)育,土壤孔隙結(jié)構(gòu)較好,非毛管孔隙度高,土壤容重小,有機(jī)質(zhì)含量高;草地為人類營造防火帶而砍伐植被形成,人類活動(dòng)作用較強(qiáng),地形呈梯田狀,土壤孔隙結(jié)構(gòu)較差,非毛管孔隙度低,土壤容重大,有機(jī)質(zhì)含量低;落葉林地樹齡普遍較小,植被根系發(fā)育一般,與常綠林地和草地相比,孔隙結(jié)構(gòu)一般,非毛管孔隙度、土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量均屬于中等。這與杞金華等人在哀牢山的研究結(jié)果相似,其指出植被較為發(fā)達(dá)的根系可有效改善森林土壤的孔隙結(jié)構(gòu)[27]。

飽和導(dǎo)水率是表征土壤入滲性能的重要指標(biāo),飽和導(dǎo)水率越高,降雨過程中水分入滲越快,越不易形成地表徑流,從而減小土壤地表流失量[25,28]。研究區(qū)3種植被覆蓋下土壤飽和導(dǎo)水率大小依次為常綠林地>落葉林地>草地,各樣地飽和導(dǎo)水率隨深度增加波動(dòng)降低。研究表明,飽和導(dǎo)水率受到土壤孔隙度、土壤容重、土壤機(jī)械組成等多種因素影響[29- 32]。其中常綠林地和落葉林地植被較為茂密,根系發(fā)達(dá),導(dǎo)致土壤非毛管孔隙度高且容重小,水分更加便于入滲;而草地由于過去人類活動(dòng)的影響,土壤緊實(shí),孔隙度低,容重大,水分不易滲透。此外,由于土層越深,土壤有機(jī)質(zhì)減少,土壤孔隙度也隨著土層的加深而減小,容重增大,因此土壤飽和導(dǎo)水率隨著土壤深度的增加波動(dòng)降低。相關(guān)性分析結(jié)果表明,各樣地土壤飽和導(dǎo)水率主要受土壤總孔隙度、容重和有機(jī)質(zhì)含量影響,表明土壤結(jié)構(gòu)是影響山地土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素,這與余新曉等[13]對長江上游亞高山暗針葉林土壤的水分入滲研究結(jié)果相一致。

土壤持水性能與土壤的孔隙狀況密切相關(guān),非毛管孔隙在吸水后將水分快速運(yùn)移下滲,而毛管孔隙水運(yùn)動(dòng)速度較慢,可以長時(shí)間保存[1,33]。研究區(qū)3種植被類型中,土壤非毛管孔隙度和毛管孔隙度大小相反,其中非毛管孔隙以常綠林地最高,草地最低,表明常綠林地土壤入滲速度快而持水性能差,草地土壤入滲速度慢而持水性能高。同一樣地隨著土壤深度增加,總孔隙度和非毛管孔隙度均逐漸減小,因此土壤入滲速度減慢而持水能力變強(qiáng)。水分庫容則更能直接地表現(xiàn)土壤的持水性能,雖然常綠林地的總庫容較大,但因?yàn)榇藭r(shí)的庫容是土壤達(dá)到飽和時(shí)的瞬時(shí)貯水量,受重力作用影響水分會(huì)不斷向深層下滲;而田間持水量對應(yīng)的水分庫容為土壤可穩(wěn)定保持的最大水分容量,其中草地土壤可穩(wěn)定保持的最大水分容量占總庫容的百分比最大,常綠林地最低。因此草地土壤更易于保蓄水分,而常綠林地更易于將水分傳遞至下層用以補(bǔ)充地下水和調(diào)控河川徑流,從而利于水源涵養(yǎng)[33]。山地土壤持水能力主要受土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和顆粒組成等因素的影響[34-35]。相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤飽和含水量、田間持水量和毛管持水量與總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和粉粒含量呈顯著正相關(guān),與容重和砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)橥寥廊葜卦叫?孔隙度越高,土壤持水量也就越多,這與以往對土壤含水量與容重的研究結(jié)果一致[7,36]。而與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)、與粉粒含量呈正相關(guān),是因?yàn)槊艹炙繉?yīng)的土壤水分保持主要是依靠細(xì)小毛管的強(qiáng)毛管力和土壤顆粒的吸附力作用,而砂粒含量越高,土壤顆粒比表面積越小,對水分的吸持越少。

3.2 坡位影響土壤水文功能的原因

山地地形影響土壤的形成和發(fā)育,不同坡位的水、熱條件和侵蝕過程不同,土壤屬性存在差異。樣地坡上土壤非毛管孔隙度高,容重小,有機(jī)質(zhì)含量高,這是因?yàn)槠律贤寥涝谛纬蛇^程中受侵蝕較重,砂粒含量高,土壤質(zhì)地粗;而坡下土壤長期接受上層堆積,土層厚且土壤顆粒較細(xì),非毛管孔隙度低,容重大,有機(jī)質(zhì)含量低。由于不同坡位土壤性質(zhì)的不同,土壤飽和導(dǎo)水率也存在明顯差異,即坡上土壤的飽和導(dǎo)水率大于坡下土壤。這是因?yàn)槠律贤寥蕾|(zhì)地較粗,導(dǎo)水能力強(qiáng),土壤入滲速度快,而坡下土壤質(zhì)地緊實(shí),不易透水,入滲速度慢,這與李軍等[37]在冀北山地不同坡位油松林所獲取的結(jié)果一致。

由于坡上土壤的非毛管孔隙度高于坡下,因而坡上土壤入滲速率快而持水性能低,坡下土壤相反。6個(gè)樣地不同坡位土壤的水分庫容也具備相同特征,除了草地坡上土壤水分總庫容高于坡下,其余兩種植被類型均表現(xiàn)為坡下土壤水分總庫容大于坡上。這是因?yàn)椴莸仄孪率苋藶槌莼顒?dòng)影響,土壤緊實(shí),孔隙度低,難以儲(chǔ)水,而坡上存在少量灌木,孔隙度高。同時(shí)坡下土壤可穩(wěn)定保持的最大水分容量占總庫容的百分比均高于坡上,即坡下土壤的持水能力強(qiáng)于坡上。這與李奕等[38]和陳波等[39]分別在大興安嶺山地和冀北山地的研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

對三峽山地不同植被類型和坡位6個(gè)樣地的研究結(jié)果表明,不同植被類型下土壤性質(zhì)差異明顯,土壤非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為常綠林地>落葉林地>草地,容重表現(xiàn)為草地>落葉林地>常綠林地;坡位對土壤性質(zhì)也有較大影響,表現(xiàn)為坡上土壤的非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量均高于坡下,容重呈現(xiàn)相反的趨勢。土壤飽和導(dǎo)水率在植被類型上表現(xiàn)為常綠林地最大,其次為落葉林地,草地最小;在坡位上表現(xiàn)為坡上>坡下。

不同樣地土壤持水性能差異明顯,草地土壤毛管持水量和田間持水量高于落葉林地和常綠林地。對于相同植被類型不同坡位樣地,坡下土壤毛管持水量、田間持水量和凋萎含水量均高于坡上。綜合土壤水分庫容,草地土壤持水性能最強(qiáng),其次是落葉林地,最后是常綠林地;坡位上表現(xiàn)為坡下土壤的持水性能強(qiáng)于坡上。

三峽山地土壤性質(zhì)與土壤水文功能密切相關(guān),相關(guān)分析結(jié)果表明,飽和導(dǎo)水率與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與容重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。飽和含水量、毛管持水量、田間持水量均與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和粉粒含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與容重、砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。