岷江上游雜谷腦河流域河谷斷面的土壤孔隙與貯水特征

閆嬋娟，王 青，劉傳秀

（西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

土壤的貯水能力是森林植被水文生態效應研究的重要內容。通過對區域土壤貯水特征的測定分析，可以了解和評價河谷斷面不同土壤層的水土保持和涵養水源的功能［1］。土壤水是植物吸收水分的主要來源。土壤吸持貯水能力是土壤孔隙狀況和土壤顆粒組成的綜合反映，同時也是森林涵養水源、保持水土能力、調節地表水與地下水的重要指標之一。土壤的貯水性能是生態建設的重要內容，其中河谷南北側的貯水差異對生態建設進程具有指導意義。通過對河谷南北側土壤貯水特征的測定分析，可以了解河谷斷面兩側土壤的不同貯水能力。近年來，對土壤水分的研究主要集中在不同植被類型與土壤水分動態變化等方面［2-6］，尤其在不同植被類型對土壤物理性質影響方面研究較多［7-10］，而對河谷斷面的水分差異研究相對較少。雜谷腦河流域是岷江上游典型的干旱河谷區，近年來，干旱河谷呈擴大趨勢［11］，主要是長期以來人們對當地土地資源的不合理利用和對森林植被的嚴重破壞，從而造成了當地生態具有低閾值生態安全、高風險生態退化的特征，其中生態恢復和退耕還林還草的主要限制因子有土壤水分虧缺，此外，坡向、坡位等地形因子以及土壤特性、地表植被情況等對土壤含水量空間分布也有重要影響［12］。雜谷腦河流域自退耕還林還草政策實施以來，限于河谷斷面土壤的不同貯水能力，對河谷斷面土壤貯水能力的水分研究分析將為生態恢復和退耕還林還草措施的布局選擇提供合理建議。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

雜谷腦河流域是岷江上游的重要支流之一，位于四川盆地西部邊緣地區。本研究選取雜谷腦河流域理縣的三寨村（河谷南側）和九子村（河谷北側）為典型研究區域。兩地分別位于河谷兩側，經緯度位置分別為31°33′56″N、103°21′43″E和31°35′16″N、103°20′8″E，平均海拔在2 300 m和2 600 m左右；據理縣氣象站多年資料統計，該區年均溫12℃，年降水量596 mm，年蒸發量1 580 mm，為降水量的2.6倍，降水主要集中在5～9月，屬山地季風氣候；植被類型豐富，以干旱河谷灌叢為主［13］；區內地貌類型復雜多樣，地勢西高東低，地勢陡峻，高差懸殊，復雜的地貌使雜谷腦河流域的生態十分脆弱；土壤類型多樣，主要以旱生灌木草叢植被下發育的山地燥褐土為主［13］，受河谷南北側降水蒸發及地形差異的影響，河谷南北側土壤水分差異較大。

1.2 樣品采集

選取三寨村和九子村作為雜谷腦河流域典型的河谷斷面，因兩地同為生態林區，為了更好地了解土壤水分的變化趨勢，分別在三寨村和九子村生態林區的不同海拔不同深度進行取樣。三寨和九子生態林區的植被有灌叢和松樹等，為保持單一變量因素，采樣點均圍繞兩地松樹展開。其中，沿采樣點海拔而上，圍繞松樹的分布，三寨村按每50 m進行采樣，九子村由于受采樣地域限制按每20 m進行采樣，即選取三寨村（海拔2 200～2 380 m）和九子村（海拔2 565～2 625 m）以及附近荒地（背景值）進行比較。

采用蛇形布點法沿土壤剖面垂直縱深布點采樣，分5個層次，采樣深度共75 cm，各個層次分別為 0～15、15～30、30～45、45～60、60～75 cm，所有采樣均設3次重復，進行混合，共計120個混合樣，置于密封袋保存。每個層次的采樣分別用環刀法測定土壤容重和土壤孔隙度，采樣時間為2016年9月下旬至10月中旬。

1.3 研究方法

使用Arcgis 10.2進行區域圖的圖形制作和輸出，采用SPSS 20對土壤物理性質進行單因素方差分析和相關性檢驗，并用Excel對結果進行表征。

土壤持水量測定：將裝有濕土的環刀，揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網眼的底蓋，放入平底盆（或盤）中，注入并保持盆中水層的高度至環刀上沿為止，使其吸水達12 h（質地粘重的土壤放置時間可稍長），此時環刀土壤中所有非毛管空隙及毛管空隙都充滿了水分，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量，即可算出最大持水量。

將上述稱量后的環刀，去掉底蓋，放置在鋪有干砂的平底盤中2 h，此時環刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但環刀中土壤的毛細管仍充滿水分，蓋上底蓋，立即稱量，即可算出毛管持水量。

再將上述稱量后的環刀，揭去上、下底蓋，繼續放置在鋪有干砂的平底盤中，保持一定時間，此時環刀中土壤的水分為毛管懸著水，蓋上上、下底蓋，立即稱量，即可算出最小持水量。

式中，m′代表環刀內干土的重量，g；m″代表浸潤12 h后環刀內濕土質量，g；m″′代表在干砂上擱置2 h后環刀內濕土質量，g；m″″代表在干砂上擱置24 h后環刀內濕土質量，g。

土壤孔隙度測定：

非毛管孔隙度（%）= 0.1 ×〔最大持水量（g/kg）- 毛管持水量（g/kg）〕× 土壤密度（mg/m3）× 水的密度（mg/m3）

毛管孔隙度（%）= 0.1 × 毛管持水量（g/kg）× 土壤密度（mg/m3）× 水的密度（mg/m3）

總毛管孔隙度 = 非毛管孔隙度（%）+ 毛管孔隙度（%）

利用土壤孔隙度計算土層厚度的土壤貯水量：

式中，Wc、Wnc、Wt分別為土壤吸持貯水量、滯留貯水量和總貯水量（mm），Pc、Pnc、Pt分別為土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度（%），h為土層深度（cm）。

2 結果與分析

2.1 河谷斷面土壤容重比較分析

土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標，是表征土壤質量的重要參數之一。結合已有研究表明，土壤容重與土壤的松緊程度、土壤質地、結構以及降雨強度有關［14］，在一定程度上反映了土壤的孔隙狀況和貯水能力［15］。土壤容重小意味著土壤疏松多孔，保水透水性強；土壤容重大則表明土壤緊實板結，透水性差。不同坡向的土壤，其土壤容重存在較大差別。就坡向而言，土壤容重的大小反映了不同坡向對土壤孔隙狀況和保水透水能力的作用程度。

由圖1可知，隨著海拔高度的上升，在河谷南側，土壤容重從1.17 g/cm3增加到1.29 g/cm3；在河谷北側，土壤容重從1.48 g/cm3增加到1.5 g/cm3，因此，海拔越高，土壤容重越大，土壤容重隨海拔升高呈增加趨勢；方差分析結果表明，不同坡向的土壤容重差異達到極顯著水平。

圖1 土壤容重隨海拔的變化

生態林地和附近荒地間的土壤容重也有明顯差別，總的來說，荒地的土壤容重高于生態林地。此外，隨著土層深度的增加，土壤容重越來越大。由圖2可知，在河谷南側規律性比較明顯，土壤容重與土層深度呈正相關，而在河谷北側，0～45 cm土層深度內，土壤容重呈上升趨勢，在45～75 cm內則呈先減小后增加的趨勢。綜上，土壤容重河谷北側＞河谷南側。在河谷北側，土壤容重在0～75 cm土層深度內均值為1.49 g/cm3，而河谷南側土壤容重均值為1.25 g/cm3，說明河谷北側的土壤緊實板結，透水性差，而河谷南側的土壤透水性好，保水透水性強，這些為河谷南北側的土壤貯水特征提供了基礎。

圖2 土壤容重隨土層深度的變化

由土壤容重河谷北側＞河谷南側的對比可知，由于河谷北側植被茂盛，存在大量的枯枝落葉，林下植被豐富，這些枯枝落葉經分解回歸土壤，產生大量有機質，其根系和枯落物使得土壤通透性更好，故土壤密實程度小，不易板結［16］。相對于河谷南側，河谷北側的大量微生物作用使枯枝落葉層能夠得到迅速分解，因此，河谷北側的土壤有機質含量較多，從而使得土壤容重大于河谷南側。

2.2 河谷斷面土壤孔隙度比較分析

為了滿足植物生長對水、氣的需要，土壤應當既能保蓄足夠的水分，又有適當的通氣性。土壤孔隙度的大小、數量及分配是土壤物理性質的基礎，也是評價土壤結構特征的重要指標［17］。結構性質好土壤水分含量就高，反之亦然。土壤孔隙度分為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總毛管孔隙度。其中，毛管水占據的孔隙稱為毛管孔隙，而毛管水不能占據的大孔隙則稱為非毛管孔隙。前者是蓄水供水的，后者在平時則是通氣的［18］，更多的影響土壤的滲透能力和水分調節功能。非毛管孔隙度、毛管孔隙度保持一定的比例，既有利于土壤養分的積累、保存，又有利于有機質的分解、釋放和速效養分的吸收、利用。土壤持水性能和水氣狀況主要取決于土壤的孔隙狀況，因此，土壤孔隙狀況的改善對提高土壤水分條件意義重大。土壤的孔隙結構直接影響土壤的透氣性和持水保水性能，在生態恢復中起著舉足輕重的作用。

由圖3可知，非毛管孔隙度隨著海拔的升高，整體上呈下降趨勢，隨著土層深度的增大，非毛管孔隙度呈現下降—升高—下降的趨勢。其中，在45～60 cm土層呈升高趨勢，但升高幅度較小，大于30～45 cm和60～75 cm土層的孔隙，而低于15～30 cm土層的孔隙。從方差分析結果看，隨海拔高度的變化，非毛管孔隙度在河谷北側的差異顯著，隨土層深度的變化，非毛管孔隙度在河谷北側的差異極顯著。

圖3 河谷南、北側孔隙度隨海拔的變化

由圖4可知，毛管孔隙度與海拔高度呈正相關，與土層深度呈負相關。其中，在海拔2 605～2 625 m，土壤孔隙度最高，最大比海拔2 565～2 585 m處高9%。隨海拔高度的變化，毛管孔隙度在河谷北側的差異顯著。

圖4 河谷南、北側孔隙度隨土層深度的變化

總毛管孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度。總毛管孔隙度與海拔高度呈正相關，與土層深度呈負相關，30～60 cm土層深度內變化不明顯。

另外，對比可知，非毛管孔隙度河谷北側＞河谷南側，毛管孔隙度和總毛管孔隙度河谷北側＜河谷南側。除此之外，不同海拔段的非毛管孔隙度在土壤表層（0～30 cm）差別較大，在土壤深層（30～60 cm）孔隙度差別較小。總的來說，從差異水平上看，孔隙度河谷南側＞河谷北側。

上述結果表明，與荒地相比，無論河谷南側還是河谷北側，生態林地的土壤孔隙度均多于荒地，說明生態林地較荒地有較好的保水和透水能力。其中，河谷南側的土壤孔隙數量明顯高于河谷北側，結合河谷斷面土壤容重的南北側差異，說明河谷南側的土壤持水貯水性能優于河谷北側。

2.3 河谷斷面土壤貯水量比較分析

土壤貯水量是評價森林植被水分保持與水源涵養功能的重要指標，也是研究生態水文，特別是干旱半干旱地區地下水-土壤-植被過程形成的重要指標［19］，其大小反映了土壤貯存和調節水分的潛在能力的大小［20］。前人在該方面有諸多研究［21-23］。在一定土壤厚度條件下，土壤貯水量取決于土壤孔隙大小及數量［24］，土壤貯存方式有兩種，即土壤吸持貯存和土壤滯留貯存，土壤吸持貯存和土壤滯留貯存兩者之和稱為土壤飽和貯存（或者土壤總貯存）。兩者具有不同的水文生態功能。吸持貯存是指水分在毛管孔隙中的貯存，其水分主要供給植物根系吸收、葉面蒸騰或土壤蒸發，不能參與徑流和地下水的形成，但能為植物生長提供必需的水肥條件，因而具有重要的植物生理生態功能；滯留貯存是土壤中自由重力水在非毛管孔隙（大孔隙）中的暫時貯存，為大雨或暴雨提供應急的水分貯存，能夠有效地減少地表徑流，降雨停止后水分逐漸向深層下滲，使土壤水分不斷補充地下水或以壤中流的形式流入河網，因而具有較高的涵養水源功能［25］。

由表1可知，河谷南側的土壤貯水量明顯大于河谷北側。隨著海拔高度的上升，滯留貯水量呈下降趨勢，吸持貯水量和飽和貯水量呈升高趨勢，且飽和貯水量最低值均位于所選研究區的海拔最低處。生態林地的土壤貯水量明顯大于荒地。方差分析結果顯示，在河谷兩側，生態林地和荒地的飽和貯水量均有顯著差異。上述結果表明：（1）相較于荒地，生態林地的土壤貯水性能更好。例如，在河谷南側，灌叢地的滯留貯水量比荒地高出50%；在河谷北側，生態林地的滯留貯水量比荒地高出27%，河谷南側比河谷北側高出近1倍。（2）河谷南側的土壤貯水性能優于河谷北側。這對于土壤吸收和減少地表徑流，提高土壤涵養水源性能和土壤抗侵蝕能力具有重要作用。（3）三寨村和九子村的土壤貯水量集中分布在380.71～332.70 mm之間，主要樹種為松樹，高于荒地灌叢生長所需的最低貯水量，即該地除松樹外，還可種植個別耐旱樹種，如針葉林種等。

由土壤容重、土壤孔隙度和土壤貯水量在不同土層深度和不同海拔的分析可知，隨著海拔高度的變化，雜谷腦河流域干旱河谷區退耕還林還草措施的開展需根據土壤貯水量遵循“自下而上逐步推進”原則，依據樹種的耐旱和非耐旱程度大小逐步進行生態恢復。

表1 河谷兩側土壤貯水量 （mm）

3 結論與討論

土壤水分對雜谷腦河流域的農業生產和生態修復具有重要作用，土壤水分分布與立地條件即河谷南北兩側有密切聯系。通過對河谷南北兩側的土壤水分研究，為岷江上游雜谷腦河流域的農業生產和退耕還林還草工作提供有力的數據支撐。

本研究結果表明：土壤容重河谷南側＜河谷北側，表層（15～30 cm）變化幅度大，底層（60～75 cm）變化幅度小，隨土壤深度和海拔增加而減小；土壤孔隙度河谷南側＞河谷北側，總體上高出7.3%，與土層和海拔呈負相關；土壤貯水量河谷南側＞河谷北側，與海拔呈正相關。

土壤水是植物吸收水分的主要來源。土壤吸持貯水能力是土壤孔隙狀況和土壤顆粒組成的綜合反映，同時也是森林涵養水源、保持水土能力、調節地表水與地下水的重要指標之一。雜谷腦河流域河谷兩側退耕還林的土壤總孔隙度變化范圍為45.21%～52.51%，這與我國大部分森林生態系統土壤孔隙（總孔隙度40%～60%）保持一致［26］。此外，本研究對岷江上游土壤水分的研究結果與唐香君等［14］的研究結果相當。

與荒地相比，植被的生長使土壤的物理水分性質有了一定程度的改善，表現為土壤容重降低，土壤孔隙度和土壤貯水量增加。生態林地和荒地的土壤貯水量隨土層深度的增加而減小，垂直空間差異較明顯，表明生態林對土壤貯水能力垂直空間異質性的影響還不明顯。

三寨村和九子村土壤貯水量分布分別為380.71、332.70 mm，高于荒地灌叢生長所需的最低貯水量，即該地除松樹外，還可種植個別耐旱樹種，如針葉林種等。

近10多年來，相關學者對岷江上游土壤水分和養分［27-28］等方面的研究成果顯著。土壤持水性能受多種生態因子的影響，與研究區域的立地條件、土地利用方式及人類活動等有關，是生態因子綜合作用的結果［29］。本研究主要從土壤的物理性質方面對土壤水分做了初步研究，而影響土壤持水性的其他生態因子沒有涉及，在今后的研究中有待進一步加強。本研究僅對岷江上游雜谷腦河流域2016年的采樣數據進行了分析，缺少縱向的對比。如果能對研究區的土壤在空間和時間上保持擴展和連續，則可以對雜谷腦河流域的生態恢復和退耕還林還草措施的布局選擇提供更為合理的建議。

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