凋落物在紫鵲界梯田自流灌溉體系中的作用機理

徐義軍 李桂元 程冬兵

摘要：

為了進一步揭示林區凋落物在梯田自流灌溉體系中的作用機理，在紫鵲界梯田區內選取8塊樣地，測定了凋落物儲量、吸水釋水特性及土壤的理化性質，并建立了相關關系，結果表明：① 不同樣地持水性及釋水性均不同;② 凋落物可吸收自身質量的2～4倍水分，同時林區土壤的各項物理指標及化學指標均優于荒坡;③ 通過相關分析發現，凋落物的釋水特性對部分土壤理化性質存在極顯著或顯著相關關系。因此，凋落物不僅可以保護地表，還能通過持續的吸水及釋水，避免水土流失，補充土壤水分，同時起到改良土壤和涵養水源的作用。

關 鍵 詞：

凋落物; 自流灌溉體系; 吸水性; 釋水性; 土壤理化性質; 涵養水源; 紫鵲界梯田

中圖法分類號： TV93;S27

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.013

0 引 言

據相關資料報道，紫鵲界梯田初墾于秦漢時期，距今已有2 200～2 300 a的歷史[1]。紫鵲界梯田氣勢宏偉，山高坡陡，大面積種植水稻，山上無任何蓄水儲水等灌溉水利設施，即使干旱氣候也能實現自流灌溉，因此紫鵲界梯田的水源來源、儲存形式、供給方式及運移轉化規律吸引了眾多學者的研究。其中，李桂元等[1]通過對紫鵲界梯田研究區的水文氣象觀測、水文地質勘探、地下水位動態監測等方式，提出了“等坡位地下蓄水庫”及雙線性自主調蓄理論，據此建立模型，從宏觀角度深刻地揭露了古梯田原生態自流灌溉機理;許志方等[2]從歷史發展、人文特色等角度分析紫鵲界梯田的由來;許文盛[3]、彭圣軍[4]等以氣候、地質地貌、人為活動等因素對紫鵲界古梯田自流灌溉體系影響進行了探究。甘德欣等[5]對“自流灌溉機理”在梯田的災害防御機制和效益分析方面的影響做出分析，認為紫鵲界梯田通過“隱形水庫”充分發揮集雨功能，其傳統耕作方式維護梯田結構，有效防止災害發生;段興鳳等[6]通過分析梯田區森林土壤容重、孔隙度、土壤持水率等物理指標與土壤水源涵養功能的相關性，進一步分析梯田的灌溉機理。本文在紫鵲界梯田林區選取8塊樣地，通過測定土壤理化性質及相應的林下枯落物水分特性，探討其在古梯田自流灌溉體系中的作用機理。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

紫鵲界梯田位于湖南省新化縣西部山區的水車鎮，介于東經110°52′～111°01′，北緯27°40′～27°45′。梯田總面積約0.67萬hm2，集中于紫鵲界周邊的核心景區面積達0.38萬hm2。紫鵲界梯田土壤屬花崗巖分化發育的紅壤、黃壤和山地草甸土。土壤的垂直地帶性分布明顯，均為砂性質地，海拔800 m以下的地區基本為紅壤，800 m以上區域基本為黃壤。紫鵲界梯田區森林植被覆蓋率達60%以上，山頂、山腰及山腳植被種類均不同。植物種類繁多，總體上從林冠至地下依次可分為4層：一層為松、柏、楓等喬木，二層為山茶、紫荊等灌木，三層為蕨草和落葉，四層為樹、草之根。紫鵲界梯田景區屬中亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為13.7 ℃，最高氣溫39.0 ℃，最低氣溫-5.0 ℃;年降水量為1 650～1 700 mm;年均日照1 488 h。

樣地選擇在紫鵲界區域中上部，此區域林區植被種類較全面，且土壤類型均為黃棕壤，并且為了避免氣候因素對實驗的影響，選取了海拔較為接近的8個具有代表性的樣地，分別為金龍村后山杉林1、金龍村后山杉林2、金龍村后山荒坡、金龍村后山竹林、上游觀測站林區、演藝中心后栗林、演藝中心旁荒坡、演藝中心旁梯田，樣地基本情況如表1所列。

1.2 研究方法

2011年6月和12月分2次在以上樣地上取樣，每個樣地設置100 cm×100 cm的樣方5個，收集樣方內的全部枯枝落葉，記錄各凋落物層的厚度，并分別測定其鮮質量，然后將凋落物裝入塑料袋密封后帶回實驗室。將帶回實驗室的凋落物放入80 ℃的烘箱內烘干至恒重，以測得各群落凋落物的儲量。在烘干并混合均勻后的各群落凋落物中取部分樣品稱量，把樣品裝入尼龍網袋（網孔直徑約1 mm），扎好袋口，稱重;然后將裝有凋落物的尼龍網袋分別浸入清水中10.0 min，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，24.0 h后撈起，靜置于空氣中約5.0 min，待凋落物不滴水時稱重（濕重）。當稱完浸泡24.0 h樣品的濕重后，再將裝有此樣品的尼龍網袋依次靜置于空氣中釋水10.0 min，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，24.0 h（室溫23 ℃，空氣濕度24%），測出各時刻樣品在空氣中釋水后的濕重，最后將釋水24.0 h后的樣品放入80 ℃的烘箱內烘干，然后稱重。對任一群落的凋落物，上述實驗重復3次，取平均值。

凋落物的測定指標有凋落物的持水率、吸水速率、釋水率及釋水速率[6]，計算方法如下：

式中：Lt表示t時刻凋落物持水率，%;Mt表示凋落物浸泡t時段后的濕重（含尼龍網袋重），g;Mn表示尼龍網袋重，g;Md表示凋落物干重，g。

式中：Wt表示凋落物在t時刻的吸水速率，g/（g·h）;Lt1、Lt分別表示t1和t（>t1）時刻凋落物的持水率，%;Δt表示t1和t時刻之間的時間差，h。

式中：Rt表示凋落物在t時刻的釋水率，%;M24表示凋落物浸泡24 h后的濕重（含尼龍網袋重），g;Mtr表示凋落物釋水t時段后的濕重（含尼龍網袋重），g。

式中：Vrt表示凋落物在t時刻的釋水速率，g/（g·h）;Rt1、Rt分別表示t1和t（>t1）時刻凋落物的釋水率，%。

用環刀及土鉆采集0～20 cm和20～40 cm土樣，測得土壤理化性質。土壤物理指標及化學指標采用常規分析方法測定[7]：土壤容重、孔隙度采用環刀法;全氮采用全自動凱氏定氮法測定;全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法;全鉀采用電熱板消解法;水解氮采用堿解擴散法;速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法;速效鉀采用火焰分光光度計法;有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤pH值采用pH計測定（水土比2.5∶1.0）。

2 結果分析

2.1 凋落物持水特性

由圖1可知，在同一浸泡時刻，各群落凋落物吸水速率的大小順序為：竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林。各群落凋落物在經歷相同的浸泡時間后，持水率大小順序為：竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林。對于不同的群落而言，由于凋落物具有的纖維組織不同[8]，導致各凋落物持水能力有所差異，因此，在相同的浸泡時間，不同群落凋落物的持水率相異。當浸泡時間達到24 h，各群落凋落物的吸水速率依次是：竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林。各群落凋落物24 h的最大持水率，即最大持水量，依次是竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林，與段興風等人的研究結果較為一致[9]。林地持水量包含了枯枝落葉層持水量和林下土壤層持水量。林下凋落物的水源涵養能力也受到凋落物的厚度影響，即受林分類型、林齡、氣候及立地條件等多元因素的影響[8]。

2.2 凋落物釋水特性

凋落物釋水性是其進行水資源調配的關鍵，表現為凋落物的釋水過程，主要取決于釋水率和釋水速率兩個參數。由圖2可知：在釋水初期，釋水速率均較大，隨著釋水時間的延長，釋水速率快速下降;當釋水達到24 h時，各凋落物的釋水速率依次為杉林>竹林>栗林>草地>竹杉林，各群落凋落物的釋水率依次為杉林>竹林>栗林>草地>竹杉林，基本上與釋水速率的順序一致。結合凋落物持水特性研究結果，說明各凋落物的持水能力與其釋水能力并不一致，進而僅用表征凋落物持水特性的水源涵養能力的強弱并不能全面反映其水資源調配能力的大小。

2.3 土壤理化性質分析

2.3.1 土壤物理性質分析

由圖3可知，所有樣地的土壤容重均有從表層向深層逐漸增加的趨勢，相同土層深度不同樣地土壤容重無顯著差異。不同樣地土壤孔隙度差異顯著（p<0.05），林區土壤的總孔隙度和毛管孔隙度均大致呈現出大于荒坡地的特征，這與前人研究結果基本一致[7]。由于紫鵲界梯田林區土壤表面凋落物豐富，而喬灌草等凋落物富含灰分元素，所形成的腐殖質和鈣是基本的膠結物[10]，進而土粒易膠結而形成有良好結構的土壤，增加了土壤的孔隙度，從而增強了土壤的持水和通透能力。

通過土壤機械組成的測定，上層土壤質地較黏著，非毛管孔隙和毛管含水率均呈現上層大于下層的狀態，說明上層土壤較為疏松，既不影響持水，又不影響水分下滲;下層土壤砂粒含量較多，黏著力低于上層土壤，大空隙較多，有利于滲透下來的水沿大空隙向下補充地下水。凋落物的釋水率及釋水速率良好，因此大氣降水可以迅速地通過凋落物層抵達土壤，被土壤吸收利用。研究表明：在相同的土壤理化特征條件下，土壤滲透性能越好，形成的地表徑流越少，相應水土流失量越少[11]。因上層土壤黏粒比例較大，毛管孔隙發達，毛管持水量和最大持水量均高于深層土壤[12]，大氣降水從地表土壤向地下補充時，易存儲較多的懸著水，容易產生地表蒸發，由于凋落物層覆蓋地表土壤，能有效減少陸面蒸發，增加土壤水利用率，在一定程度上保障水循環的通暢性。

2.3.2 土壤化學性質分析

由于土壤的化學性質受其所在環境中植被種類、組成結構、林下植被及凋落物數量、質量等因素的影響，因此對土壤的化學性質進行分析是深入了解土壤環境的基礎。

由圖4可知：相同土層不同樣地pH值、有機碳、全氮、全磷、全鉀差異性均未達到顯著水平，水解氮、速效磷、速效鉀等速效養分差異顯著（p<0.05）。隨土層深度的增加，土壤中有機質、全氮、水解氮、速效磷、速效鉀含量逐漸遞減，全磷含量變化不明顯，而全鉀含量的變化無明顯規律。對于有機質、氮素、鉀素而言，

林區的含量高于荒坡區;對于速效磷而言，荒坡區的含量高于林區;對于全磷而言，林區與荒坡區的含量差異不大。造成不同土地利用方式下土壤養分產生差異的原因有多種，包括土壤質地差異、人為干擾、土壤侵蝕等。凋落物的覆蓋也是引起差異的重要原因，凋落物層不僅具有阻滯徑流、攔截泥沙的功能，還可以均衡土壤水熱條件。均衡適宜的水熱條件，有利于提高土壤中微生物的代謝活性[13]，因此土壤有機質、全氮、水解氮、全鉀、速效鉀含量均比荒坡區高。林區土壤速效磷含量比荒坡區稍低，可能與不同植被對養分的選擇吸收特性不同有關[14-15]。

2.4 凋落物水分特性與土壤理化性質相關性分析

為了進一步厘清地表凋落物對土壤理化性質的影響，對凋落物水分特性及土壤理化性質各個指標進行相關性分析。分析發現，凋落物的持水率及吸水速率與土壤理化性質無顯著相關關系。釋水率與毛管孔隙度呈極顯著正相關，與非毛管孔隙度、速效磷呈極顯著負相關，與毛管含水率、速效鉀呈顯著相關關系。釋水速率與毛管孔隙度、毛管含水率均為極顯著正相關關系，與非毛管孔隙度呈極顯著負相關，與水解氮呈顯著正相關，與速效磷為顯著負相關關系（見表2）。

分析發現：不同樣地全氮、全磷、全鉀等養分因子之間差異性未達到顯著性水平，而水解氮、速效磷、速效鉀等速效養分因子差異顯著。通過查閱降雨資料發現，紫鵲界梯田區降雨分布在2～10月（平均≥100 mm），充足的降雨會導致凋落物層持續分解，以此來增加土壤養分，從而促進林地養分的良性循環，因此各個樣地全效養分差異不顯著。而凋落物的釋水率與釋水速率與林下土壤的水解氮、速效磷、速效鉀有著顯著的相關關系，這是引起差異性的重要原因之一。

3 結 論

（1） 不同凋落物持水性與釋水性均不同，這與凋落物本身特征有關，不同林下凋落物種類不同，纖維組織不同。

（2） 豐富的凋落物有利于增加土壤中的膠結物質，改良土壤理化性質，同時具有良好的持水效應，其持水率可達自身質量的2～4倍，具有優良的涵養水源的功能。

（3） 通過相關分析發現，凋落物的持水率、吸水速率與土壤理化性質的相關關系未達到顯著水平。釋水率、釋水速率與毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管含水率、水解氮、速效磷、速效鉀存在顯著或極顯著相關關系。

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（編輯：謝玲嫻）

Role of forest litter in artesian irrigation system of Ziquejie terraced fields

XU Yijun1，LI Guiyuan1，CHENG Dongbing2

（1.Hunan Institute of Water Resources and Hydropower Research，Changsha 410007，China; 2.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430015，China）

Abstract：

In order to further reveal the role of litter played in the terraced artesian irrigation system，8 plots were selected from purple magpie terraced fields and the relationship between litter reserves，water absorption and water release characteristics，and soil physical and chemical properties were built.The results show that：（1） the water absorption and water release of different plots were different.（2） Litter can absorb 2-4 times of water of its own mass，and the physical and chemical properties of the soil in the forest area were better than those in the barren slope.（3） Through correlation analysis，it was found that the water release characteristics of litter had significant correlation with the physical and chemical properties of some soils.Therefore，litter can not only protect the field surface，but also avoid soil erosion through continuous water absorption and water release，continuously replenish soil water，thus improving soil and water conservation

Key words：

litter;artesian irrigation system;water absorption;water release;soil physical and chemical properties;water conservation;Ziquejie terraced fields