松華壩水源地不同植被土壤特性及水源涵養功能

苗 武，史正濤，陳 駿，韋海波

（云南師范大學 旅游與地理科學學院，昆明650500）

水庫水源地是云南高原盆地的主要飲用水供給源，是城市社會經濟發展的命脈。隨著社會經濟的快速發展及全球氣候變化，水資源變得異常緊缺，頻頻出現河流斷流，水庫缺水的情況，水資源供需矛盾較突出，保護城市水源地的重要性已提上了議案。松華壩水源區主要以大氣降水補充水源，現主要有次生林、人工林、園地和耕地四種植被，區內下墊面變化對水資源的影響很大。森林是一個多功能的生態系統，在涵養水源方面作用巨大。目前，國內外學者對次生林不同林種，人工林不同林種，同種林中不同坡位、不同坡度森林水源涵養功能的差異，天然次生林和混交林水源涵養功能的對比等方面都進行了詳細系統的研究［1－4］。李紅等［5］、王志強［6］對不同 植被土 壤 的 貯水性能也進行了研究。但對低緯度高海拔區域水源地相關方面的研究還不多見。本文從高原盆地城市水源地次生林地、人工林地、園地、耕地四種植被土壤特性著手，研究各因素變化對水源涵養能力的影響和不同植被土壤的水源涵養功能的差異，分析森林植被轉變為耕地、園地和人工林的過程中，土壤特性的改變及水源涵養能力的變化。以期為高原盆地城市水源地脆弱性診斷研究提供科學的數據和理論依據，為水源地水源涵養功能修復提供策略。

1 研究區概況

松華壩水源區是昆明市最重要的飲用水源地，位于昆明市主城區東北部13 k m處，地處東經102°45′—102°59′，北緯25°08′—25°27′。流域面積為 629.8 k m2，主要河流有牧羊河和冷水河，多年平均徑流量為8 900萬k m3。全區以淺切割的中山山地為主體，分布有面積不大的河谷階地、斷陷盆地、溶蝕洼地。整個地勢由東北向西南逐漸傾斜，境內海拔2 840～1 917 m，相對高差923 m［7］。氣候屬中亞熱帶季風氣候，年均溫15℃，多年平均降雨量900 mm。土壤以紅壤為主，分布有少部分的黃棕壤、棕壤和水稻土。流域內總林地達378.16 k m2，約占土地總面積的60.2%，亞熱帶針葉林是區內的主要森林植被，以云南松林為主，此外還有以滇石櫟為主的常綠闊葉林、以栓皮櫟、旱冬瓜為主的落葉闊葉林，灌木林和華山松林也有少量分布。人工林主要有華山松林、云南松林、旱冬瓜以及圣誕樹林等。園地面積68.86 k m2，約占10.9%；耕地面積50.43 k m2，約占8%［8］。庫區內有白邑、阿子營、大哨、雙哨、小河、龍泉等7個鎮267個自然村小組，共18 326戶、75 145人。

2 研究方法

2.1 樣本采集

選擇次生林地、人工林地、耕地、園地四種植被類型，設置9組樣地，每組樣地中對每種植被類型各挖取土壤剖面一個，共對36個土壤剖面進行采樣研究，每個采樣點的各標準地立地條件（包括坡度、微地形、土壤類型等）相對一致。各剖面以相同的方法分別進行采樣。每個土壤剖面挖成1.5 m×1 m×0.8 m的長方形土壤剖面，用環刀法［9］分別按0—20，20—40，40—60 c m共3個土壤層次采取自然狀態土樣，每層重復3次，用于測定土壤容重、孔隙度等。同時每層采取鋁盒樣品和散樣樣品，用于測定土壤含水量、有機質和其他土壤特性及臨時備用。

2.2 土壤各項指標測定

利用烘干法測定土壤含水量；采用環刀法測定土壤容重、孔隙度和飽和含水量；采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機質含量；采用土壤非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤層厚度計算土壤蓄水量。

即：土壤的非毛管孔隙貯水量

式中：V非——土壤的非毛管孔隙貯水量（t／h m2）；P非——非毛管孔隙度（%）；D——土層深度（m）。

土壤的最大貯水量

式中：V——土壤的最大貯水量（t／h m2）；P——土壤的總毛管孔隙度（%）；D——土層深度（m），本文按0.6 m 計算［10］。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型下的土壤物理性質

土壤的物理性質直接影響著土壤的水源涵養功能，尤其是土壤容重和孔隙度。土壤容重的大小與土壤緊實致密情況密切相關，在一定程度上能夠反映土壤的孔隙狀況和貯水能力。土壤容重較低，意味著土壤越疏松、孔隙較多，水源涵養和水土保持能力較高；反之亦然。而土壤孔隙度的大小決定著土壤的通氣狀況和積水能力，對生物的生長有著重要作用。一般把總孔隙度中的非毛管貯水稱為有效貯水量，非毛管孔隙度大，涵養水源的效益高，反之則低［11－12］。

從樣品各指標測定的數據來看（表1—2），次生林地、人工林地、園地和耕地四種植被下土壤的自然含水量均表現為隨著土層深度的增加而逐漸增高，0—60 c m的平均含水量從大到小的順序為：次生林＞耕地＞園地＞人工林，次生林高達38.16%，人工林僅為11.81%。土壤的飽和含水量大體表現為0—20 c m最大，0—40 c m最小，0—60 c m的平均值從大到小的順序為：耕地＞次生林＞園地＞人工林。土壤的容重均表現為隨著土層深度的增加而逐漸增大，0—60 c m的平均值從大到小的順序為：人工林＞園地＞耕地＞次生林，分別為1.69，1.41，1.23，1.14 g／c m3。土壤的總孔隙度則與容重相反，次生林最大，人工林最小，分別為57.06%，53.46%，48.25%和36.40%。土壤的非毛管孔隙度也表現為隨土層深度的增加而逐漸降低，0—60 c m的平均值從大到小的順序為：次生林地＞耕地＞園地＞人工林，分別為16.02%，13.40%，9.06%和8.41%。

綜上分析可知，次生林植被下有利于土壤涵養水源的相關物理特性最好，耕地次之，人工林地最差。

3.2 不同植被類型下的土壤有機質含量

土壤有機質是土壤中最重要的組成成分之一，其含量的高低在一定程度上反映了地上植被的發育狀況。其可改善土壤結構、降低土壤容重、增加土壤孔隙度，對土壤的水源涵養功能產生作用。

由表1—2可見，四種植被下土壤的有機質含量均表現為隨著土層深度的增加而遞減，其中0—20 c m土層中遞減的幅度較小，40—60 c m土層遞減的幅度很大。在0—20 c m土層中次生林的有機質含量明顯高于其他三種，比次高的人工林高34.9%，比最低的耕地高74.4%。在0—60 c m的整個土層中有機質的平均值從大到小的順序為：次生林＞耕地＞園地＞人工林，分別為0.90%，0.86%，0.83和0.59%。綜上分析可知，次生林植被下土壤的有機質含量最高，耕地和園地的相對較少，人工林地最差。

表1 不同植被土壤各指標

表2 0－60 c m土壤各指標的平均值

3.3 不同植被類型下的土壤貯水能力

土壤的貯水量是土壤水源涵養功能的直接數據表現。土壤的有效貯水量是土壤中非毛管孔隙或大孔隙中在下大雨時貯存的水分，能夠減少地表徑流，向深層下滲，補充地下水，參與徑流循環系統。最大貯水量則包含有效貯水量和毛管持水量，后者主要供給植物根系吸收，葉面蒸騰和蒸發，是植物正常生長和生態功能的保證。土壤有效貯水量和最大貯水量是評價土壤水源涵養功能的最終指標。

從表3、圖1—2可知，不同植被土壤的有效貯水量和最大貯水量均表現出隨著土層深度的增加而逐漸遞減的趨勢，但遞減的幅度各不相同，同種植被下在不同的土層中遞減的幅度也有差異。不同植被在0—60 c m土層內的有效貯水量和最大貯水量從大到小的順序均表現為：次生林＞耕地＞園地＞人工林，有效貯水量分別為961.00，803.80，543.60 t／h m2和504.60 t／h m2，最 大 貯 水 量 分 別 為 3 423.80，3 207.60，2 895.20 t／h m2和2 216.40 t／h m2。次生林地土壤的有效貯水量要比人工林地高出90.56%，最大貯水量高出54.48%；耕地土壤的有效貯水量要比人工林地高出59.29%，最大貯水量高出44.72%；園地土壤的有效貯水量要比人工林地高出7.73%，最大貯水量高出30.63%；次生林地土壤的有效貯水量要比耕地高出19.56%，最大貯水量高出6.74%；次生林地土壤的有效貯水量要比園地高出76.78%，最大貯水量高出20.54%；耕地土壤的有效貯水量要比園地高出47.87%，最大貯水量高出10.79%。

表3 土壤貯水量（0－60 c m）

圖1 不同植被0－60 c m土層內土壤有效貯水量

圖2 不同植被0－60 c m土層內土壤最大貯水量

上述結果表明：（1）4種植被下有效貯水量和最大貯水量從大到小的順序均表現為：次生林＞耕地＞園地＞人工林。（2）從次生林、耕地轉變為人工林的過程中土壤的有效貯水量和最大貯水量變化幅度都很大，次生林轉變為園地的過程中變化次之，次生林轉變為耕地和園地轉變為人工林地的過程中變化較小。

4 討論

不同的植被，上層林冠、地表的枯落物以及土壤根系發達程度有所差異，土壤的物理性質和有機質含量各不相同，從而導致土壤的水源涵養效益有很大差距［13－14］。梁超等［15］認為，植被群落也會影響到土壤水分含量的變化，并對這方面進行了詳細的研究。鄒俊亮等［16］則研究了不同植被和土壤類型下土壤水分剖面的分異，發現同一土壤類型下植被類型的不同主要對深層土壤水分的垂直分布產生影響，得出農地和草地下的土壤水分狀況好于灌木和喬木。

結合前人的研究，本文分析得知，次生林的土壤物理特性、有機質含量、有效貯水量和最大貯水量均表現為最好，耕地次之，人工林地表現最差，這與梁超等［15］的研究結果相吻合，但與鄒俊亮等［16］研究的結果有所差異。對以上規律進行綜合分析：次生林植被良好，高大的樹冠可涵養、調節水源和減少下墊面蒸發，豐富的枯落物和發達的根系使得土壤的有機質多，土質疏松，容重小，孔隙度大，有效貯水量和最大貯水量也最高。耕地和園地的各指標優于人工林的原因完全是人為因素的干擾。農業中的“中耕保墑”很好地解釋了這兩種植被土壤各指標良好。人為的耕種、松土、施糞等都在很大程度上影響著這兩種植被的水源涵養能力。人工林各項指標較差的原因是因為樹苗較小，覆蓋度低，不僅發揮不了森林系統的功能，還強有力地吸取土壤的養分和水分供其快速生長，是典型的強有力的植物抽水機。加之林下有機質少，土質密實，容重大，孔隙度小，有效貯水量和最大貯水量都很低。

流域內林地約占土地總面積的60.2%，加之從次生林轉變為人工林的過程中土壤的貯水量變化幅度大，次生林轉變為園地的過程中變化次之的特點可以得知，這兩種植被的轉變是流域內水源涵養功能變化的主因。園地轉變為人工林地的過程中土壤貯水量變化較小，它在一定程度上也影響著水源涵養能力。耕地約占8%，所占的比例相對較小，加之耕地變率較小及在與其他植被的轉變過程中變化幅度不大，總體來說對整個區域內水源涵養功能的影響不大。

上述結果表明，次生林地的土壤水源涵養功能最好，人工林地的最差；次生林轉變為人工林、園地的植被變化過程是水源地水源涵養功能變化的主因。證實了把人工林和園地恢復成次生林是改善水源地水源涵養功能的有效途徑和正確抉擇，全面地肯定了相關單位在水源區所做的恢復林地的有關工作。

5 結論

（1）4種植被土壤的容重均表現為隨著土層深度的增加而逐漸增大，0—60 c m的平均值從大到小的順序為人工林＞園地＞耕地＞次生林，分別為1.69，1.41，1.23，1.14 g／c m3。土壤的非毛管孔隙度和總孔隙度則與容重相反，表現為隨土層深度的增加而逐漸降 低，0—60 c m 的 平 均 值 分 別 為16.02%，13.40%，9.06%，8.41% 和 57.06%，53.46%，48.25%，36.40%。土壤的有機質含量均表現為隨著土層深度的增加而遞減，40—60 c m土層遞減的幅度很大，0—20 c m土層中次生林的土壤有機質含量明顯高于其他3種，0—60 c m的平均值從大到小的順序為次生林＞耕地＞園地＞人工林，分別0.90%，0.86%，0.83%和0.59%。

總體而言，次生林植被下有利于土壤涵養水源的相關物理特性最好，耕地次之，人工林地最差。次生林植被土壤的有機質含量最高，耕地和園地的相對較低，人工林地最低。

（2）4種植被的有效貯水量和最大貯水量從大到小的依次均表現為：次生林＞耕地＞園地＞人工林。從次生林、耕地轉變為人工林的過程中土壤的有效貯水量和最大貯水量變化幅度都很大，次生林轉變為園地的過程中變化次之，次生林轉變為耕地和園地轉變為人工林地的過程中變化較小。

（3）次生林地的水源涵養功能最好，人工林地最差；次生林轉變為人工林、園地的植被變化過程是水源地水源涵養功能變化的主因；目前把人工林和園地恢復成次生林是改善水源地水源涵養功能的有效途徑和正確抉擇。

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