云南高原喀斯特山原紅壤退化中的表層土壤水分變異

程燕芳　王嘉學　許路艷等

摘要：山原紅壤是云南高原的一類特殊土壤，近年來退化嚴重，多年寸草不生的紅裸土景觀廣泛發育，表層土壤水分直接影響植物生長與退化山原紅壤的生態修復。為認識山原紅壤退化中的表層土壤水分變異規律，進而深入認識山原紅壤退化的機理、過程及效應提供科學依據，對不受耕作影響的不同覆被條件下的自然土壤表土進行水分分析。結果表明：隨著山原紅壤從有植被到無植被的演替，土壤的持水能力和供水能力明顯下降，均呈云南松林>火棘灌叢>草地>紅裸土的趨勢，與植被的劣向演替有很好的對應關系，持水能力及供水能力可以作為山原紅壤退化的辨識指標；土壤的滲透性呈云南松林>草地>紅裸土>火棘灌叢的趨勢，說明喬木林地能很好地改善山原紅壤的滲透性能。相關性分析結果表明，山原紅壤持水量與容重呈極顯著負相關，毛管持水量、有效水分含量、田間持水量與總孔隙度呈極顯著正相關，最大持水量與總孔隙度呈正相關。在云南高原喀斯特山原紅壤退化過程中，表層土壤水分變異顯著，要改善土壤水分條件，植被恢復特別是喬木林培育是關鍵。

關鍵詞：云南高原；喀斯特山原紅壤；土壤退化；持水能力；供水能力；滲透能力；水分變異

中圖分類號： S152.7文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0433-04

收稿日期：2014-12-30

基金項目：國家自然科學基金（編號：41061021）；云南省科技計劃（編號：2012CA024）。

作者簡介：程燕芳（1988—），女，河北邯鄲人，碩士，主要從事景觀流域過程研究。E-mail：chengyanfang123@126.com。

通信作者：王嘉學（1971—），男，云南富源人，博士，教授，碩士生導師，主要從事景觀流域過程與調控研究。E-mail：wjxynsd@163.com。地球關鍵帶是從植被冠層到地下含水層的部位[1]，維系地球生態系統功能和人類的生存。土壤作為連接大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的重要紐帶，在地球關鍵帶中扮演極為重要的角色[2]。土壤水分性能制約土壤對水的吸持、貯存和水分對植物的供給[3]，對地球系統過程具有重要作用[4]。表層土壤水分是退化生態系統結構的關鍵因子，影響整個生態系統的平衡[5]。因而，土壤水分變異一直是土壤學、生態學等研究的重要內容之一。已有研究表明，土壤與植物相互促進、相互制約、互為條件，植被破壞是土壤退化的主要根源，植被生態系統的退化導致土壤退化[6-13]。

云南高原喀斯特地區獨特地理環境下發育的山原紅壤有別于其他地區的紅壤，是在古紅土上發育的土壤類型[14]，面積約2.97萬 km2，是我國退化最為嚴重的土壤之一，局部地區甚至已成為多年裸露、與石漠化伴生的紅裸土景觀。表層土壤水分直接影響植物生長與退化山原紅壤的生態修復，本研究旨在探明山原紅壤退化中表層土壤水分的變異規律，為深入認識云南高原這一特殊地段關鍵帶過程，特別是山原紅壤退化的機理、過程及效應提供科學依據，并為退化山原紅壤植被恢復等提供參考。

1研究區概況

研究區的正確選擇是確保研究結果具有代表性和普遍意義的基本前提。為避免人為耕作干擾，選擇同一區域同一坡面不同覆被的自然土壤樣品，能更好地揭示山原紅壤退化中的表層土壤水分的變異規律，但云南高原喀斯特山原紅壤分布區地形復雜，因基巖裸露導致土壤、植被分布不連續，景觀破碎，同一坡面同時包含林地、灌叢、草地和裸地的地方比較少見。經過野外實地考察和室內遙感影像解譯，在認真分析基本滿足條件的14個樣地基礎上，選取山原紅壤發育典型、受人為影響較小的云南海田后山南西向坡面作為研究區。

研究區地處云南高原東部，烏蒙山脈中段、小江斷裂帶東側，屬低緯高原季風氣候，境內降水豐富，四季溫和，年均氣溫14 ℃左右，年均降水量在1 000～1 500 mm之間，雨熱同季，干濕分明。夏半年受西南季風和東南季風控制，溫暖濕潤；因位于昆明準靜止鋒西側，冬半年受熱帶大陸氣團控制，干燥少雨。區內為二疊紀淺海相灰巖，上覆山原紅壤，山頂及部分坡面石漠化嚴重，山腰、坡腳也多屬于中度或輕度石漠化狀態，部分耕地已因肥力嚴重退化而撂荒。自然植被主要以喬木林和灌草叢為主，成片分布的喬木為云南松，灌草叢主要是火棘，華山松、麻櫟、毛葉槲櫟、黑鎖梅、鐵仔、云南菠蘿櫟、野拔子、楊梅、金絲桃、野古草、龍須草、美麗胡枝子、金絲草等也有分布，但都不成片，缺乏代表性意義。

2樣品采集與研究方法

2.1樣地選擇

分別選擇云南松林、火棘灌叢、草地、裸地（紅裸土）典型地段作為具體研究樣地，因斑塊面積均較小，所以面積控制在1 m2 ，其基本情況見表1。

2.2樣品采集

于2013年9月進行野外樣品采集。在研究區選取典型的云南松林、火棘灌叢、草地和裸地（紅裸土）4種不同覆被條件下的山原紅壤進行表土樣品采集，使用GPS定位，選取代表1樣地基本情況

表性的樣地，每個土壤覆被類型的樣地各設置3個樣方（1 m×1 m） ，挖取土壤剖面，用容積100 cm3的環刀按照自然發生層取原狀土，分別按0～5、5～10、10～15、15～20 cm進行土壤樣品取樣，測定土壤的持水量和滲透性，每個樣地重復3次。每個樣方按對角線隨機選取5個樣點，用陶瓷工具采集0～20 cm土層土壤樣品，將同一樣方5個樣點的土壤樣品進行混合，質量控制在1.5～2.0 kg之間，用生物法測定土壤的凋萎含水量。

2.3研究方法

手工去除采集土壤中的雜物，放置陰涼處晾干，作風干、磨碎等處理。土樣測定參照LY/T1218—1999《森林土壤滲透率的測定》，采用環刀法測定土壤的最大持水量、毛管持水量、田間持水量、土壤滲透性和總孔隙度，用生物法測定土壤的穩定凋萎含水量。

土壤滲透在測定之前，把在室外用環刀取的原狀土帶回室內浸入水中，浸水時保持水面與環刀上口平齊，勿使水淹到環刀上口的土面。為了使不同溫度下所測得的K值便于比較，換算成10 ℃時的滲透系數（mm/min），具體換算公式如下：

K10=Kt0.7+0.03t 。

式中：K10是溫度為10 ℃時的滲透系數；Kt是溫度為t（℃）時的滲透系數；t為測定時水的溫度。

3結果與分析

3.1土壤的持水能力

土壤的最大持水量、毛管持水量和田間持水量能較好地反映出土壤的持水能力[15]。從不同覆被條件表層（0～20 cm）山原紅壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量的平均值（圖1）來看，均呈云南松林>火棘灌叢>草地>裸地的規律變化。在有植被到無植被的演替過程中，表層0～20 cm土壤的最大持水量、毛管持水量和田間持水量的持水能力明顯下降。云南松林的平均持水量最大，云南松林至火棘灌叢的最大持水量變化不大，而草地、紅裸土土壤的持水量明顯下降。紅裸土的最大持水量、毛管持水量、田間持水量僅分別相當于云南松林的59.38%、57.51%、53.41%。這種變化趨勢可能是由于云南松林和火棘灌叢有樹冠的遮擋，蒸騰作用不及草地和裸地強烈所致。

本研究區土樣與同為云貴高原喀斯特地區的貴州黑色石灰土持水能力的相關研究結果[16]相比，2類土壤持水量都呈現出明顯的林地>火棘灌叢>草地遞減趨勢。在植被類型層面，云南海田的松林、火棘灌叢和草地的田間持水量均高于貴州荔波縣或普定縣相對應的覆被類型。而林地山原紅壤最大持水量低于黑色石灰土，火棘灌叢和草地均高于黑色石灰土。裸地的最大持水量與田間持水量都低于有植被的山原紅壤和黑色石灰土（表2）。

不同深度、不同覆被山原紅壤表層（0～20 cm）土壤剖面的持水能力測定結果（圖2至圖4）表明，0～5 cm土層的最大持水量、毛管持水量、田間持水量均呈現出火棘灌叢>云南松林>草地>裸地的規律；而5～20 cm土層的裸地與草地相當，但遠低于松林和火棘灌叢。在0～5 cm土層，火棘灌叢持水量大于松林，而5 cm以下土層的火棘灌叢持水量小于松林，這可能與土壤表層的枯枝落葉覆蓋層及有機質組成有關。

總體而言，在同一土層深度，有植被土壤的持水能力比無植被土壤的好。在0～15cm的土層，無植被的紅裸土的持水

量呈上升趨勢，而0～10 cm有植被的土壤的持水能力呈降低的趨勢，說明0～10 cm有無植被山原紅壤變化明顯不同。不同深度土壤持水量的方差分析結果顯示，隨土層深度的變化，火棘灌叢和松林的持水量變化幅度較大，草地和紅裸土持水量的變化幅度相對較小，基本維持在400～600 g/kg之間。

3.2土壤的供水能力

土壤的供水能力是指在一定條件下，土壤對植物水分需求的供給能力，常以土壤有效含水量（AWC）衡量[17]。土壤有效含水量與土壤的抗干旱能力成正比，植物生長所需水分過量或不足都會對植物生長產生不利影響。由圖5可知，樣地土壤的有效含水量呈現出云南松林>火棘灌叢>草地>紅裸土的趨勢，隨著土壤從有植被到無植被的演替，有效含水量減少。云南松林的有效含水量最大，云南松林至火棘灌叢的有效含水量變化不大，而草地、紅裸土有效含水量基本相當。云南松林的有效含水量是紅裸土的 1.88 倍，有效含水量減少幅度較大，說明退化的山原紅壤供水能力明顯下降。

與同為云貴高原喀斯特地區的貴州黑色石灰土有效含水量[16]類似，即隨著植被的演替，有效含水量呈現出明顯的遞減趨勢。在植被類型層面，海田的云南松林有效含水量高于貴州荔波縣或普定縣，而火棘灌叢和草地有效含水量卻低于貴州荔波縣或普定縣。無植被的紅裸土有效含水量低于山原紅壤和黑色石灰土，說明有植被的土壤有效含水量明顯高于無植被的紅裸土（表3）。

3.3土壤的滲透能力

土壤水分的滲透性是土壤涵養水源的重要標志之一，對于研究和保持土壤水分具有重要的意義。云南高原為典型的喀斯特地區，降水量豐富且集中，不同覆被土壤的滲透性能不同，如果土壤的滲透性強，入滲率高，就能使較多的降水滲入到土壤中，使水分保持在土壤中，隨著土壤中容納的降水量增多，水分貯存量大，成為壤中流，而水分的進一步入滲，會形成地下徑流，入滲率高的土壤能有效減少地表徑流，利于涵養水源。由表4可知，4種不同覆被土壤表層（0～20 cm）的滲透系數K10從大到小依次為云南松林>草地>紅裸土>火棘灌叢，云南松林山原紅壤的滲透系數約是紅裸土的1.91倍，紅裸土的滲透系數較小，可能與紅裸土表層無植被生長及其結構性比較差有一定的關系。在干旱季節，土壤水分少，易板結、開裂，而紅裸土土壤黏性強，團聚結構差，遇到降水，具有收縮能力，能迅速改變紅裸土的孔隙狀況，導致紅裸土的穩滲速率低，滲透系數相對較低；火棘灌叢的滲透系數略小于紅裸土，其原因還有待進一步分析。

不同深度、不同覆被山原紅壤滲透系數測定結果（圖6）表明，滲漏系數在剖面上并未表現出明顯的遞增或遞減的趨勢，范圍在0.1～1.2之間。在0～5 cm的土層中，云南松林在10 ℃時的滲透系數小于火棘灌叢、草地和紅裸土；在5～10 cm土層中，云南松林則大于其他3種覆被類型的土壤；在10～20 cm土層中，云南松林和紅裸土滲透系數呈現出先減小再增大的趨勢，而火棘灌叢和草地都表現出先增大再減小的變化趨勢。

3.4相關性分析

4結論

在海田山原紅壤從有植被到無植被的演替過程中，表層土壤的持水能力和供水能力明顯下降，均呈“云南松林>火棘灌叢>草地>紅裸土”的趨勢，有植被土壤的持水能力和供水能力明顯高于無植被的紅裸土。如果按云貴高原植被劣向演替“喬木—灌叢—草地—裸地”的一般規律，海田山原紅壤的持水能力及供水能力的退化與之呈很好的對應關系，說明土壤持水能力、供水能力可以作為山原紅壤退化的辨識指標。土壤的持水量關系水分的保持和運動，是云南高原喀斯特地區生態恢復的重要依據。

山原紅壤為黏土類，4種不同覆被的表層山原紅壤滲透系數都較小，滲透能力差，滲透系數K10呈“云南松林>草地>紅裸土>火棘灌叢”的趨勢。其中，云南松林山原紅壤K10值遠高于其他3種覆被類型，說明喬木林地能很好地改善山原紅壤的滲透性能，加之其持水性能和供水性能均最佳，退化山原紅壤修復中應以種植喬木為主。

山原紅壤的水分參數與各項物理指標之間相關性表現為：持水量與土壤容重呈極顯著負相關；容重與有機質含量呈顯著負相關；毛管持水量、田間持水量和有效水分含量與總孔隙度呈極顯著正相關；最大持水量與總孔隙度呈正相關，其他水分參數與物理指標間的相關性不顯著。說明容重和孔隙度可以改善土壤的持水量能力，恢復植被生長，增加土壤的有機質含量，改善土壤的總孔隙度，改良土壤的水分性狀，對山原紅壤的修復具有重要意義。

參考文獻：

[1]Committee on Basic Research Opportunities in the Earth Sciences，Board on Earth Sciences and Resources，Environment and Resources Commission on Geosciences，et al. Basic research opportunities in earth science[M]. Washington DC：National Academy Press，2001.

[2]李小雁.干旱地區土壤-植被-水文耦合、響應與適應機制[J]. 中國科學：地球科學，2011，41（12）：1721-1730.

[3]鐘繼洪，譚軍，林蘭穩，等. 廣東丘陵紅壤土壤水分性能特征比較研究[J]. 水土保持學報，2009，23（6）：244-246，256.

[4]張繼光，陳洪松，蘇以榮，等. 喀斯特山區洼地表層土壤水分的時空變異[J]. 生態學報，2008，28（12）：6334-6343.

[5]張繼光，陳洪松，蘇以榮，等. 喀斯特山區坡面土壤水分變異特征及其與環境因子的關系[J]. 農業工程學報，2010，26（9）：87-93.

[6]周華坤，趙新全，周立，等. 青藏高原高寒草甸的植被退化與土壤退化特征研究[J]. 草業學報，2005，14（3）：31-40.

[7]周華坤，趙新全，溫軍，等. 黃河源區高寒草原的植被退化與土壤退化特征[J]. 草業學報，2012，21（5）：1-11.

[8]黃金. 云南石林喀斯特山地植被和土壤退化特征的研究[D]. 南京：南京林業大學，2009.

[9]王根緒，沈永平，錢鞠，等. 高寒草地植被覆蓋變化對土壤水分循環影響研究[J]. 冰川凍土，2003（6）：653-659.

[10]李英年，趙亮，徐世曉，等. 高寒矮嵩草草甸覆被動態變化對土壤氣候的影響分析[J]. 干旱區資源與環境，2005，19（增刊1）：125-129.

[11]楊勝天，王玉娟，溫志群，等. 典型喀斯特灌叢草坡類型區土壤水變化規律研究[J]. 水土保持通報，2007，27（4）：100-106.

[12]傅偉，陳洪松，王克林. 喀斯特坡地不同土地利用類型土壤水分差異性研究[J]. 中國生態農業學報，2007，15（5）：59-62.

[13]蘇玥，何丙輝，姚小華，等. 滇東喀斯特石漠化區不同植被恢復模式下土壤水分空間變異特征研究[J]. 西南師范大學學報：自然科學版，2008，33（1）：67-71.

[14]周樂福. 云南土壤分布的特點及地帶性規律[J]. 山地研究，1983，1（4）：31-38.

[15]劉暢，滿秀玲，劉文勇，等. 帽兒山地區主要林分類型土壤水分物理性質研究[J]. 哈爾濱師范大學：自然科學學報，2007，23（1）：86-89.

[16]黃代民，陳效民，李孝良，等. 西南喀斯特地區土壤水分變異性研究[J]. 中國農學通報，2010，26（13）：207-212.

[17]孫艷紅，張洪江，程金花，等. 縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養功能[J]. 水土保持學報，2006，20（2）：106-109.

[18]蔣太明. 貴州喀斯特山區黃壤水分動態及其影響因素[D]. 重慶：西南大學，2007.

[19]黃華蓉，冼麗鏵，劉小金，等. 廣東佛山10種改造林分的土壤持水性能初步研究[J]. 亞熱帶植物科學，2012，41（3）：65-68.

[20]孫麗靜，陳紅躍，方卓林，等. 佛山市風水林林地表層土壤持水特性研究[J]. 廣東林業科技，2007，23（1）：47-52，57.楊樂. 產表面活性劑解烴菌的篩選及其發酵條件優化[J]. 江蘇農業科學，2015，43（11：437-439.