王 姣，彭圣軍，劉 穎，胡 強(qiáng)，虞 慧

（1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，南昌330029）

上堡梯田位于江西省崇義縣境內(nèi)，坐落在海拔2 061.3 m的齊云山山脈中，距今已有800 余年歷史。梯田規(guī)模連片區(qū)總面積達(dá)2 044 hm2，核心區(qū)位于上堡鄉(xiāng)，面積為1 491 hm2，占總面積的73%［1，2］。上堡梯田區(qū)無塘無庫，卻有源源不斷的水流，其灌溉功能延續(xù)至今，得益于梯田上方的森林土壤系統(tǒng)這一“天然綠色水庫”。涵養(yǎng)水源是森林土壤系統(tǒng)的重要功能之一，森林土壤系統(tǒng)依次通過林冠層、枯落物層和土壤層等3 個作用層對水資源進(jìn)行調(diào)配蓄存。其中枯落物層和土壤層作為林分涵養(yǎng)水源的主體，其持水量約占林分水源涵養(yǎng)能力的85%［3-5］。當(dāng)前已有學(xué)者對梯田區(qū)森林土壤涵養(yǎng)水源能力進(jìn)行了研究，主要集中在云南哈尼梯田、湖南紫鵲界梯田和廣西龍勝梯田等［6-8］。為探究上堡梯田區(qū)森林土壤涵養(yǎng)水源能力，選取梯田上方的森林土壤樣地為研究對象，通過現(xiàn)場取樣和室內(nèi)實驗，對試驗區(qū)的森林枯落物持水性能、土壤物理性質(zhì)及持水性能等指標(biāo)進(jìn)行了研究分析，成果可為評價森林生態(tài)水文功能和揭示梯田自流灌溉水源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

上堡梯田地處東經(jīng)113°55′～114°38′、北緯25°24′～25°54′，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。該地區(qū)年平均氣溫17.2 ℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-8 ℃；年平均降雨量1 627 mm，雨量充沛［9］。土壤主要以黃泥土、灰泥土為主，土壤較肥沃。區(qū)域植被覆蓋率高達(dá)85%，植物種類繁多，有杉木、羅漢松、毛竹等，雜生各種蕨類植物和苔蘚植物。

由于梯田區(qū)客家人對土地精細(xì)耕作、開墾灌溉，在最大限度利用土地、山水和人力，完整保存山上的風(fēng)水林、竹林，并從林中獲得滋潤作物的水源，使得上堡梯田由高到低形成了森林—村落—梯田—水系的整體空間格局。

2 研究方法

2.1 樣地選取

在研究區(qū)內(nèi)沿海拔高度根據(jù)林分類型選取了4 個20 m×20 m的試驗樣地，調(diào)查記錄各樣地的林分類型、經(jīng)緯度、海拔高度、坡位等基本信息。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 The basic situation of plots

2.2 樣品采集與分析

在每個樣地挖掘好的土壤剖面內(nèi)，按0～20、20～40、40～60 cm 這3 個層次用環(huán)刀取原狀土樣，分析測定土壤容重、孔隙度、含水率和土壤滲透性能等物理性質(zhì)，每層取3 個重復(fù)樣。土壤容重和孔隙度測定采用環(huán)刀法，土壤含水率測定采用恒溫箱烘干法［10，11］。土壤容重和孔隙度計算公式如下：

式中：ρt為土壤容重，g/cm3；G為環(huán)刀內(nèi)原狀土樣重，g；V為環(huán)刀容積，cm3；w為原狀土質(zhì)量含水率，%；φ、φ1、φ2為總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，%；ρs為土壤比重；Gz為吸水3 h后環(huán)刀土樣總重，g；Gh為環(huán)刀重，g；Gs為環(huán)刀內(nèi)干土重，g。

土壤通氣孔隙度是指氣體填充土壤孔隙的體積比例，一般定義為＞50 μm的孔隙度［12，13］。其計算公式為：

式中：P為土壤通氣孔隙度，%；ρw為水的密度，g/cm-3；其余符號意義同前。

土壤持水量計算公式如下：

式中：Qz、Q1、Q2分別為土壤飽和持水量、毛管持水量和非毛管持水量，t/hm2；d為土層厚度，m；其余符號意義同前。

土壤滲透性能一般采用野外原位雙環(huán)法測定。雙環(huán)的內(nèi)環(huán)、外環(huán)直徑分別為28、54 cm，高均為25 cm。土壤初滲速率以開始1 min時的入滲速率為標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)滲率采用以下公式計算［14］：

式中：Rs為10 ℃標(biāo)準(zhǔn)水溫時土壤的入滲速率，mm/min；Δh為某一Δt時段水桶讀數(shù)差值，mm；Δt為時段，min；T為某時段的平均水溫，℃。

3 結(jié)果與分析

3.1 梯田區(qū)森林土壤物理性質(zhì)

土壤容重一定程度上反映了土壤的孔隙狀況和松緊程度，其大小與自身形成過程及植被、氣候等密切相關(guān)。土壤容重及孔隙狀況則直接影響土壤的蓄水及滲透性能。根據(jù)現(xiàn)場采集的土壤樣品，通過室內(nèi)實驗及相關(guān)計算，得到梯田各林分樣地土壤物理性質(zhì)，見表2。

由表2可知，上堡梯田區(qū)森林土壤不同土層土壤的容重變化情況為：0～20 cm 土層土壤容重1.06～1.24 g/cm3，20～40 cm 土層土壤容重1.28～1.52 g/cm3，40～60 cm 土層土壤容重為1.33～1.57 g/cm3。據(jù)此可以看出，土壤容重基本上是隨著土層的深度的增加而增大，即表層土壤較為疏松，深層土壤則較為緊密。這主要是由于表層土壤易受外界環(huán)境影響，水流的沖刷及枯落物腐爛分解后形成的腐殖質(zhì)與黏粒結(jié)合形成微團(tuán)聚體，都使表層土體變得疏松透水。深層土壤由于有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤的團(tuán)聚性就弱，其增強(qiáng)了深層土壤的緊實度。土壤容重是影響土壤涵養(yǎng)水源能力的一個重要因素［15，16］，通常來說，土壤容水能力隨容重增大而遞減。

土壤孔隙度反映了土壤的通透性程度，是決定土壤涵養(yǎng)水源能力的一個最關(guān)鍵的指標(biāo)。對森林生態(tài)系統(tǒng)而言，毛管孔隙度的大小體現(xiàn)了森林植被吸持水分以保證自身生長發(fā)育的能力，而非毛管孔隙度的大小則體現(xiàn)了森林植被蓄存水分涵養(yǎng)水源及削減洪水的能力。從表2可以看出，土壤孔隙度整體上是隨著土層深度的增加而遞減，其中0～20 cm 土層土壤毛管孔隙度為37.14%～43.53%，非毛管孔隙度為3.97%～17.17%；20～40 cm 土層土壤毛管孔隙度為21.98%～39.62%，非毛管孔隙度為0.13%～11.58%；40～60 cm 土層土壤毛管孔隙度為33.81%～38.28%，非毛管孔隙度為0.18%～5.31%。從土壤孔隙度隨土層深度的變化規(guī)律來看，也說明了表層土壤疏松而多孔，深層土壤密實而少隙。各試驗樣地的毛管孔隙度差別不大，平均值為34.15%～38.94%，整體上呈現(xiàn)出高海拔土壤毛管孔隙度要大于低海拔土壤毛管孔隙度，各試驗樣地土壤毛管孔隙度均值大小排序為Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。各試驗樣地土壤總孔隙度平均值為39.43%～45.92%，由于土壤毛管孔隙度占總孔隙度比例達(dá)70%以上，占比較大，因此各試驗樣地土壤總孔隙度的變化規(guī)律情況與毛管孔隙度基本一致。

土壤通氣孔隙度與土壤總孔隙度、土壤容重及土壤含水率關(guān)系緊密。土壤總孔隙度大，且土壤容重和含水率小，則其通氣孔隙度大，通氣孔隙發(fā)達(dá)的土壤可接納較多的雨水，不致造成地表徑流。表2結(jié)果顯示，0～20 cm 土層土壤通氣孔隙度為3.68%～17.17%，20～40 cm 土層土壤通氣孔隙度為0.25%～10.17%，40～60 cm 土層土壤通氣孔隙度為0.10%～5.06%。說明上堡梯田區(qū)森林土壤表層土壤通氣孔隙度要遠(yuǎn)大于深層土壤，表層土壤通氣性要遠(yuǎn)好于深層土壤。各試驗樣地土壤通氣孔隙度差異明顯，樣地Ⅱ土壤通氣孔隙度最大，平均值為10.83%；樣地Ⅰ土壤通氣孔隙度最小，平均值為1.57%。樣地Ⅱ林分類型為毛竹林，毛竹林地枯落物含量普遍較高，這使得毛竹林地表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量較高，增強(qiáng)了微生物分解活動，從而提高了毛竹林地土壤的通氣性。

表2 梯田區(qū)森林土壤物理特性表Tab.2 Physical properties of terraced forest soil

3.2 梯田區(qū)森林土壤持水能力

結(jié)合土壤孔隙度計算結(jié)果，經(jīng)公式（6）～（8）計算得到梯田區(qū)森林土壤的持水能力，見表3。

表3 梯田區(qū)森林土壤持水性能表Tab.3 Water holding capacity of terraced forest soil

林地土壤持水能力是評價森林涵養(yǎng)水源功能的一個重要指標(biāo)，其大小與土壤孔隙度及土壤層厚度有關(guān)。不同林地土壤孔隙度存在差異，林地的蓄水能力也就不同。由表3可知，從土壤飽和持水量的均值來看，不同林分類型、不同海拔高度的土壤蓄水能力不同，其大小順序為Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ，樣地Ⅱ的最大蓄水能力是樣地Ⅰ的1.16 倍，說明試驗區(qū)毛竹林地的最大蓄水能力要大于杉木林地。土壤有效持水量的大小則取決于土壤非毛管孔隙度的大小，一般將非毛管持水量即有效持水量作為評價土壤實際涵養(yǎng)水源能力的基本標(biāo)準(zhǔn)［3，17］。根據(jù)表3，試驗樣地土壤有效持水量的均值大小順序為Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅲ，樣地Ⅱ的有效蓄水能力是樣地Ⅲ的5.56 倍，仍然反映了竹林地土壤的有效蓄水能力相對要強(qiáng)。60 cm 的土層中，土壤有效持水量的大小順序為Ⅱ（664.80 t/hm2）＞Ⅳ（380.00 t/hm2）＞Ⅰ（316.80 t/hm2）＞Ⅲ（119.60 t/hm2），即毛竹林地土壤的有效蓄水能力遠(yuǎn)大于杉木林地。

3.3 梯田區(qū)森林土壤滲透性能

土壤的滲透能力一定程度上起著調(diào)節(jié)地面徑流量的作用，也是反映森林土壤水源涵養(yǎng)作用的一個重要指標(biāo)。表4列出了各試驗樣地土壤初滲率和穩(wěn)滲率的值。

表4 各樣地土壤樣品的滲透能力 mm/minTab.4 Penetration ability of plots’soil

從表4可以看出，土壤的初滲率和穩(wěn)滲率整體上隨土層深度的增加而減小，表明各樣地土壤滲透性能隨土層深度的增加而減弱，這與森林對土壤的改良作用隨土壤深度的增加而逐漸衰減有關(guān)。同時各樣地表層土壤的初滲率和穩(wěn)滲率差異較大，深層土壤的初滲率和穩(wěn)滲率差異不明顯，如0～20 cm 土層土壤的初滲率范圍為8.56～22.32 mm/min，40～60 cm 土層土壤的穩(wěn)滲率范圍為0.02～0.04 mm/min。從表層土壤滲透速率來看，各樣地土壤的初滲率和穩(wěn)滲率大小排序為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。

4 結(jié) 論

（1）土壤容重隨土層深度增加，其值為1.06～1.576 g/cm3，呈現(xiàn)出隨土層深度的增加而增大的變化規(guī)律；土壤孔隙度及通氣孔隙度隨土層深度增加，其值分別為54.31%～36.12%、17.17%～0.10%，呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加而減小的規(guī)律。其反映出研究區(qū)表層土壤疏松多孔，涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)，而深層土壤較為密實，涵養(yǎng)水源能力較弱。

（2）樣地Ⅱ的最大蓄水能力平均值為918.33 t/hm2、有效蓄水能力平均值為221.60 t/hm2，是各試驗樣地中最大的，特別是其有效蓄水能力是樣地Ⅲ（平均值為39.87 t/hm2）的5.56 倍，說明毛竹林地涵養(yǎng)水源能力較強(qiáng)。因此，在今后的林分布設(shè)和改造工作中，應(yīng)強(qiáng)化對毛竹林的種植和保護(hù)，以提高區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力。

（3）土壤入滲速率的大小也反映了土壤涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)弱，研究區(qū)土壤的初滲率和穩(wěn)滲率均呈現(xiàn)出隨土層深度的增加而減小的變化規(guī)律，說明表層土壤涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)于深層土壤。研究區(qū)各樣地表層土壤（0～20 cm 深度）的初滲率和穩(wěn)滲率變化范圍分別為8.56～22.32、0.11～2.10 mm/min，差異較大；深層土壤（40～60 cm 深度）的初滲率和穩(wěn)滲率變化范圍分別為3.20～4.11、0.02～0.04 mm/min，差異較小。

（4）森林植被和土壤是影響森林水文生態(tài)功能的重要因素，擁有良好的森林生態(tài)系統(tǒng)和深厚的土壤，能顯著增強(qiáng)區(qū)域水文生態(tài)功能和效益。因此，要維持上堡梯田的可持續(xù)發(fā)展，需要保護(hù)和發(fā)展其良好的森林生態(tài)系統(tǒng)，踐行綠水青山就是金山銀山的生態(tài)理念。 □