哈尼梯田景觀水源林區土壤水分垂直變化與持水性能

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。因為該區無大中型水庫且干季基本無降雨，故地處梯田和村寨之上的水源林區所涵養的水是梯田在旱季主要的水源，是維護景觀穩定性的關鍵要素。因此，探討哈尼梯田景觀水源林區的水源涵養功能可為遺產的持續發展和生態建設提供科學參考。水源林區的水源涵養能力是植被和土壤共同作用的結果，與植被類型和蓋度、枯落物組成和現存量、土層厚度及土壤物理性質等密切相關，且土壤是水源涵養的主要載體，土壤水分及其持水性能是土壤水源涵養能力的集中體現［1－2］。有關土壤水分的研究主要集中在土壤水分的垂直變化［3］、季節動態變化［4］，土壤水分的有效性評價以及土壤持水能力和水源涵養功能等方面［5－6］。同時，有關植被、地形以及土壤質地等因子與土壤水分及其水源涵養能力的相關研究也已開展［7－11］。

綜上所述，水源林區土壤水源涵養能力主要受植被類型和土壤質地的影響。因此，本研究以地處紅河哈尼梯田核心區內的元陽縣全福莊梯田片區上游的水源林區為對象，以該區兩種優勢植被類型（原始森林和草地）下的土壤為研究對象，分析其水分特征和持水性能，并探討植被類型和土壤質地的影響，以期為該區水源涵養功能的進一步研究提供依據，為哈尼梯田景觀有效應對極端干旱氣候提供參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省紅河州元陽縣全福莊河流域（全福莊梯田片區）上游，距元陽縣城南沙28km。地理坐標為 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，屬紅河一級支流麻栗寨河的源頭區，山脊走向為北東—南西向，整個地勢南高北低，自南向北傾斜。該區域屬亞熱帶山地季風氣候，全年日照時數1 770.2h，年無霜日363d，年均溫14.19℃，雨量充沛，年降水量1 353.8mm，年蒸發量929.4mm，年均濕度90.3%。土壤多為黃壤、黃棕壤，土壤剖面發育完整。

1.2 樣地布設與土樣采集

在角媛梅等［12］對研究區內景觀格局特征分析及流域水文資源調查研究的基礎上，于2013年10月通過實地踏勘，在研究區選擇原始森林地和荒草地布設具有典型代表性的標準實驗樣地3塊〔樣地Ⅰ（林地），樣地Ⅱ（林地），樣地Ⅲ（草地）〕，樣地規格為20 m×20m。樣地情況詳見表1。

在每個樣地內代表性地段挖掘3個土壤剖面（深300cm），對應的土壤剖面為樣地Ⅰ1，Ⅰ2和Ⅰ3，樣地Ⅱ1，Ⅱ2和Ⅱ3，樣地Ⅲ1，Ⅲ2和Ⅲ3。采用 Theta－ProbeML2x土壤水分速測儀對各樣地土壤水分進行測定，測定深度為300cm，每10cm為一個測層，每層重復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行標定，精確到0.01%。按0—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm，100—120cm，120—140cm，140—160cm共8個層次用環刀取原狀土樣，每層取3個重復樣，用于測定毛管含水量、飽和含水量等。計算取每個樣地內3個土壤剖面水分數據均值為該樣地土壤含水量。

表1 水源區3個樣地的基本情況

1.3 分析方法與數據處理

采用ThetaProbeML2x土壤水分速測儀測定的各樣地0—300cm土層蓄水量計算公為：

式中：Wi——各樣地0—300cm 土層中各土層蓄水量（mm）；Qi——ThetaProbeML2x測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）。

采用中國生態系統研究網絡陸地生態系統水環境觀測規范［13－14］中的方法測定土壤含水量、土壤容重及土壤孔隙度。土壤持水量的計算公式為：

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 結果與分析

2.1 水源涵養林區土壤水分垂直變化特征

將3個樣地的土壤剖面水分數據進行統計。由圖1可以看出：（1）樣地Ⅰ土壤在0—300cm水分含量呈現上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩的波動變化。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，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。共出現兩個拐點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雜，但仍呈現上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩的波動趨勢。水分含量在0—50cm土層中逐漸上升，之后逐漸降低，在100cm處出現第1個拐點，即最低點9.47%，之后呈大幅上升，在170cm處出現第2個拐點33.83%，然后再次下降至第3個拐點14.43%（220 cm），之后小幅上升達21.40%（230cm），最后基本保持在18%左右，趨于平穩。（3）樣地Ⅲ土壤在0—300 cm土層水分含量呈現上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩的波動趨勢。0—30cm，土壤水分含量在隨土層增加逐漸增加，變幅小于2%，出現拐點42.80%（30cm）；30—140cm，土壤水分含量呈現逐漸降低，出現第2個拐點35.07%（140cm）；140—260 cm，土壤水分含量呈現小幅度的增加，出現第3個拐點45.30%（260cm）；260—300cm 土壤水分含量逐漸降低，最后趨于平穩。（4）根據土壤水分垂直變化類型劃分標準，3個樣地土壤在0—300cm水分垂直變化都為“雙峰”波動型，但樣地Ⅰ土壤、樣地Ⅲ土壤波動較弱，為“雙峰”弱波動型；而樣地Ⅱ土壤波動劇烈，為“雙峰”劇烈波動型。

圖1 水源區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，將兩剖面各發生層土壤水分數據進行統計。表2結果顯示：（1）在0—300cm的整個剖面上，土壤水分平均含量表現為：Ⅲ＞Ⅰ，且均值間差異顯著（p＜0.05），變異系數表現為：Ⅰ＞Ⅲ，即Ⅰ呈中度變異，Ⅲ為弱變異。因為草地植被群落結構單一，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構復雜，地表枯落物、植物根系的影響較大，導致其土壤水分變異較大；（2）兩剖面各發生層的土壤水分存在明顯差異。在0—60cm土層內的土壤水分變異與整個剖面相同，即土壤水分平均含量表現為：Ⅲ＞Ⅰ，且Ⅰ呈中度變異，Ⅲ為弱變異。在60—230cm土層內，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的母巖風化層，由于樣地Ⅰ為片麻巖風化物，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

根據樣地Ⅱ土壤的剖面發育及土壤質地組成狀況，對樣地Ⅰ土壤和Ⅱ土壤剖面水分數據進行統計分析（表3）。在0—300cm整個剖面土層內，平均水分含量表現為：Ⅰ（36.88%）＞Ⅱ（22.75%），且均值間差異顯著（p＜0.05）。樣地Ⅱ水分含量變異系數較大，變異較強。

兩剖面各發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土壤的變異系數較大，主要是由于地表植被群落結構復雜度及覆蓋度等差異干擾對淺層土壤水分含量造成擾動，導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38.38%。主要原因主要包括：（1）樣地Ⅰ質地為黏性壤土，結構緊實，粒級小，土壤持水性較好；而樣地Ⅱ質地是片麻巖強風化物，粉沙性質地，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，導致土壤含水量很低而且變異較大。140—170cm土層，樣地Ⅱ質地為黏性黃壤、結構緊實，而且因上層粉沙性風化物的持水性差，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則因質地變為黏壤和片麻巖風化物的膠結物，沙質成分逐漸增多，導致水分含量快速下降，加之受上一層“蓄水”效應的影響，使得這一土層形成了一個相對“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化物質地控制，所以維持在一個相對穩定狀態。

表3 水源區林地不同土壤質地類型下土壤水分

2.4 水源涵養林區3個樣地的土壤蓄水量

對3個樣地土壤蓄水量數據統計分析可知（表4），0—300cm土層內樣樣地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3個樣地土壤水分數據進行方差分析及多重比較得出，樣地Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ在0—300cm土層內蓄水量差異顯著（p＜0.05）。進一步對比樣地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影響，水資源供給矛盾日漸突顯的哈尼梯田遺產區，在注重對水源林區森林生態系統的保護以及實施“退耕還林”措施的同時，也應注重對草地生態系統的保護和恢復。草地生態系統同樣具有較強涵養水源、防止“土壤干化”的生態功能。對比分析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，植被類型和土壤質地影響土壤剖面水分分布狀況，土壤蓄水量受土壤質地影響較大。

2.5 水源涵養林區土壤持水性能分析

土壤是涵養水源的最重要場所，其持水能力是反映水源涵養功能的重要指標。對土壤持水性能指標計算結果（表5）可知，3個樣地土壤0—160cm最大總持水量表現為：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，表明土壤涵蓄潛力Ⅰ最好，Ⅲ次之，Ⅱ相對較差。毛管總持水量表現為：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，非毛管總持水量呈現出：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，調蓄能力較強。從樣地類型看，相同土層內，最大持水量除40—60cm，140—160cm兩層差異不顯著，其它層次內樣地間差異均顯著（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小；毛管持水量則是隨土層厚度增加呈遞增趨勢；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；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，但受到土壤質地因子的控制，因土壤質地差異而導致同土層毛管／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3個樣地土壤蓄水量

表5 水源區土壤基本物理性質及持水性能

3 結論

（1）對哈尼梯田水源涵養林區典型植被下0—300cm土層土壤水分垂直變化研究，結果顯示，3個樣地土壤水分垂直變異均呈現上升—下降—上升—下降，最后趨于平穩的波動趨勢，其拐點約在土層60，140和230cm附近。土壤水分運動的趨勢在拐點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表現為：林地Ⅰ土壤（19.08%）＞草地Ⅲ土壤（6.32%），且植被類型主要對0—60cm土層的土壤水分變異影響較大；粉沙性質地的林地Ⅱ土壤水分變異系數（30.81%）高于黏性壤土質地的林地Ⅰ土壤（19.08%）；土壤水分垂直變化主要受土壤質地和植被類型影響。

（3）水源林區3個樣地0—300cm土層蓄水量表現為：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，而沙性土壤質地的森林Ⅱ土壤蓄水能力較弱。

（4）采用ThetaProbeML2x土壤水分速測儀法統計得出水源林區3個樣地0—160cm土層蓄水量表現為：Ⅲ（629.18mm）＞Ⅰ（571.6mm）＞Ⅱ（370.68mm）；用環刀法測定的3個樣地持水性能的結果表現為：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土壤水分速測儀測定的土壤蓄水量與用環刀法測定的土壤毛管持水量結果相符，通常測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個指標來評價水源區土壤的水源涵養功能，最大持水量反映土壤涵蓄和調節水分的潛在能力，毛管持水量反映土壤保水能力的高低，維持土壤水分的動態平衡，非毛管持水量反映土壤調控地表水下滲、調節洪峰流量的能力小大。水源林區森林Ⅰ土壤、草地Ⅲ土壤涵蓄和調節水分能力較強，保水能力較高，能較好維持土壤水分動態平衡；森林Ⅱ土壤調蓄能力較強。

（6）眾所周知，環刀法是使用最廣泛的土壤持水性能的測定方法，但此法比較耗時耗力。本研究同時采用環刀法和土壤水分速測儀法對3個樣地持水量進行了測定，結果顯示使用ThetaProbeML2x土壤水分速測儀測定的土壤蓄水量與用環刀法測定的土壤毛管持水量結果相符，說明便捷的ThetaProbeML2x土壤水分速測儀可用來測定土壤持水量，能快速評價土壤持水性能的強弱。研究中兩種方法得到的實驗數據可以進行相互驗證，進行精度校正。另外，研究中發現，3個樣地的土壤水分垂直變化均為“雙峰”波動型，說明哈尼梯田水源林區土壤具有較好的水源涵養和水土保持的功能。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從降低型向波動型轉化，波動型向增長型轉化，所以未來應深入研究水源林區土壤垂直變化的年際和季節性變異，為哈尼梯田景觀的持續發展提供科學參考。

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