湖南紫鹊界梯田区森林土壤涵养水源功能初步研究

段兴凤，宋维峰，曾 洵，高松奇

（1.西南林业大学 环境科学与工程系，昆明 650224；2.湖南新化县水保局，湖南 新化 417600；3.中国东方航空公司 云南分公司，昆明 650200）

紫鹊界梯田起源于秦汉，盛于唐宋，至今已有两千余年的历史［1］，是当今世界修筑最早的梯田之一。紫鹊界梯田区总面积115.5km2，从海拔500m的山坡向上有五百多级梯田，约4000 多公顷。这些梯田内无塘无库，无任何人工水利设施，全为天然自流灌溉，长久以来却能年年旱涝保收，这都源于梯田区上方茂密森林强大的水源涵养功能。森林土壤和植被具有良好的涵养水源功能，而紫鹊界梯田区森林土壤水源涵养功能更为突出。

分析探讨紫鹊界梯田区森林土壤物理性质与水源涵养功能，能更好地为梯田的可持续发展服务。本文对梯田区3块标准地及荒坡土壤物理性质与土壤持水量、枯落物持水率、土壤水分入渗进行研究，探讨它们的变化及其相互关系，为评价森林生态功能提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于湖南省新化县西南部水车镇金龙村林区（110°55′50.4″－110°55′50.8″E，27°41′26″－27°41′27.2″N）。本区属中低山丘陵地貌，海拔684～708m。气候属中亚热带季风气候，年平均气温为13.7℃，最高气温39℃，最低气温－5℃；年降雨量为1650 ～1700 mm；初霜一般在11月15日前后，终霜一般在翌年2月30日左右，年均无霜期为260d，年均日照1488 h。土壤为花岗岩风化发育的红壤，砂性质地，山地土壤剖面完整，土层厚度100cm以上。本区天然林生长茂密，植物种类繁多，主要乔木树种有楠竹（Phyllostachys pubescens）、杉木（Cunninghamia Lanceolata）等，杂生各种灌草本植物，草本植物以蕨类居多。

2 研究方法

2.1 样地及土壤剖面选择

在全面踏勘天然林群落基础上布设20m×20m标准地3块，调查各样地的海拔高度、坡度、坡位、坡向、坡形等立地因子，各样地基本情况见表1。在每块样地的代表性地段挖掘土壤剖面，并调查土壤因子。样地和土壤剖面按序号命名，分别为:1，2，3，荒坡为4。

表1 样地基本情况

2.2 样品采集

在挖掘好的土壤剖面内按0－20cm、20－40cm 2个层次用环刀取原状土样供物理性质分析，每层取3个重复样。在每块样地内土壤剖面附近分别收集枯落物，供枯落物持水率测定用。

2.3 样品分析

2.3.1 土壤基本物理性质的测定 土壤基本物理性质按常规分析方法测定［2－4］:土壤容重、孔隙度测定采用环刀法；土壤水分测定采用恒温箱烘干法。

2.3.2 土壤通气孔隙度的计算 计算公式为

式中:Q——土壤通气孔隙度（%）；P——总孔隙度（%）；w——自然含水率（%）；r——土壤容重（g／cm3）。

2.3.3 土壤持水量的计算 计算公式为

式中:V——土壤最大毛管持水量（t／hm2）；D——土层深度（m）；P——土壤总毛管孔隙度（%）。

2.3.4 枯落物持水率测定 采用浸泡法（一般浸泡24h）。

2.3.5 土壤渗透性能测定 在标准地土壤剖面附近，选择一块地面完好无裂缝，地下无洞穴的地方，采用野外原位双环法测定。双环内环直径28cm，高25 cm；外环直径54cm，高25cm。土壤稳渗速率用下式计算［5］

式中:RS——10℃标准水温时土壤的入渗速率（mm／min）；Δh——某一时段 Δt供水桶读数差值（mm）；Δt——时段（min）；T——某时段的平均水温（℃）。

2.4 数据的统计分析

数据采用EXCEL 2003和SPSS 11.5进行整理、分析。

3 结果与分析

3.1 紫鹊界梯田区森林土壤物理性质

根据样品分析和计算方法，在土层厚度为0－40 cm测得各土壤剖面的物理特性如表2。

表2 土壤物理特性表

通过测定，得出紫鹊界梯田区森林土壤各土层土壤容重的变幅为:0－20cm土层0.90～1.00g／cm3，20－40cm土层1.05～1.35g／cm3，其土壤容重随土层深度的增加而递增。0－20cm、20－40cm土层总孔隙度和毛管孔隙度分别为44.35%～46.13%、39.33%～43.09%和36.10%～40.70%、34.86%～41.75%，其土壤孔隙度随土层深度的增加而递减。该区土壤疏松，结构状况较好。土壤通气度与土壤总孔隙度、容重以及土壤含水量等有一定的相关关系，土壤孔隙度高，而土壤容重和含水量相对较小，则相对的土壤通气孔隙度亦高，表明其土壤的通气性能好。通过测定，得出紫鹊界梯田区森林土壤表层土壤通气性远远优于深层土壤，0－20cm土层土壤通气孔隙度（5.38%）要大于荒坡土壤（1.28%）。

利用其各土层土壤容重与荒坡土壤容重进行方差分析，森林土壤剖面1，2，3两两之间显著性概率sig.＝0.314～0.976＞0.05，而荒坡与土壤剖面之间sig.＝0.022～0.034＜0.05，即森林土壤剖面之间容重差异不显著，而荒坡与森林土壤剖面1，2，3均有显著差异，表明紫鹊界梯田区森林土壤较荒坡明显疏松。对土壤孔隙度、通气孔隙度等进行方差分析，也得出与土壤容重一致的结果。

3.2 紫鹊界梯田区森林土壤蓄水能力

林地蓄水量包括枯落物层蓄水量和土壤层蓄水量［6］。紫鹊界梯田区森林土壤持水量见表3。

表3 土壤持水性能表

由表3可知，紫鹊界梯田区森林土壤最大持水量平均值为860.50t／hm2，毛管持水量平均值为765.12 t／hm2，其持水量随土层深度的增加而递减。与荒坡比较，森林土壤平均最大持水量（902.00t／hm2）和平均毛管持水量（780.97t／hm2）均大于荒坡（764.60t／hm2和698.20t／hm2），由此可见，紫鹊界梯田区森林土壤具有很好的水源涵养功能。

利用其各土层土壤最大持水量与荒坡土壤进行方差分析，森林土壤剖面1，2，3两两之间显著性概率sig.＝0.617～0.976＞0.05，而荒坡与土壤剖面之间sig.＝0.042～0.050≤0.05，即森林土壤剖面之间土壤最大持水量差异不显著，而荒坡与森林土壤剖面1，2，3均有显著差异，表明紫鹊界梯田区森林土壤最大持水量较荒坡明显要大。

3.3 紫鹊界梯田区森林枯落物水源涵养功能

森林植被涵养水源和保持水土的作用，很重要的部分是借助林下地表的枯落物。枯落物不仅能很好地防止雨水直接冲刷地面，使土壤免遭雨滴直接击溅侵蚀；滞缓地表径流对土壤的冲刷［7］，而且自身也有很好的吸水率和吸水量，凋落物分解后，还能很好地起到改善土壤理化性质的作用。紫鹊界梯田区森林枯落物持水率见表4。

从表4可看出，紫鹊界梯田区天然林凋落物24h饱和持水率最大为450.03%，最小为288.13%，平均值365.48%。与不同竹林地枯落物层饱和持水率相比（186.66%～271.95%）［8－9］，明显要高；与不同杉木林地枯落物层饱和持水率相比（185.25%～370.48%）也要高［9－10］。

经测定，紫鹊界梯田区天然林凋落物浸水24h后分别为自身干物质重的3.88～5.50倍，其持水能力较高，对促进土壤养分循环起着重要的作用［11］。前20min浸水后重分别为自身干物质重的2.79～4.01倍，可见，紫鹊界梯田区凋落物持水量在前20 min～1h上升较快。

表4 紫鹊界梯田区森林枯落物持水能力

3.4 紫鹊界梯田区森林土壤水分入渗

土壤水分入渗作为森林植被的主要水文过程，是反映森林涵养水源功能的重要水文参数［12］。许明祥，杨海龙等人的研究表明:在土壤理化特性相同条件下，土壤渗透性能越好，地表径流越少，土壤的流失量也相应减少［13－14］，则水源涵养能力越强。紫鹊界梯田区森林土壤水分入渗情况见图1。

从图1可以看出，紫鹊界梯田区森林土壤初渗率（1.5min时入渗速率）（样地2为14.00mm／min，样地3为8.00mm／min，荒坡6.00mm／min）、稳渗率（样地2为0.18mm／min，样地3为0.14mm／min，荒坡0.07mm／min）和平均入渗率（样地2为5.25 mm／min，样地3为3.50mm／min，荒坡1.99mm／min）均高于荒坡，土壤渗透性能良好，涵养水源功能较强。

图1 紫鹊界梯田区森林与荒坡土壤水分入渗图

3.5 土壤物理性指标与涵养水源指标相关性分析

利用紫鹊界梯田区森林各土层土壤主要物理性指标与涵养水源指标进行相关分析，其相关系数r见表5。

表5 土壤各指标间的相关关系

涵养水源指标与土壤物理性指标关系密切，相关系数r较高。土壤持水量与土壤容重、孔隙度、通气孔隙度的相关系数都很高，即疏松、结构良好、孔隙多、通气良好的土壤持水量高。枯落物的持水率表面上与土壤物理性质关系不大，但土壤容重、孔隙度等通过影响土壤团聚体结构、林下微环境和枯落物的分解状况，进而影响枯落物蓄水性能。土壤渗透性能受林地土壤物理性质的影响，主要表现是土壤容重和通气孔隙度。林地土壤容重较小，土壤通透性能好，结构良好，质地疏松，降雨后，把大量的地表径流变成缓慢流动的土壤径流［15］，渗透到土壤中的水分绝大部分因重力作用经过非毛管孔隙下渗到土壤下层，提高入渗速率。

涵养水源指标之间也有一定相关性，尤其是枯落物饱和持水率与土壤入渗速率间相关系数r高达0.808，即枯落物层积累多，层次厚，分解快，分解较彻底，具有孔隙多、结构好的特点，枯落物蓄水性能强，土壤水分入渗快。枯枝落叶腐烂分解释放养分归还土壤，对土壤结构产生巨大影响，一方面枯枝落叶为土壤中的动物、微生物的活动提供食物（能量），其生物活动易在土体内产生孔隙；另一方面枯枝落叶腐烂分解后形成的腐殖质与黏粒结合形成微团聚体，使土体变得疏松透水，同时枯落物的存在和团粒结构的形成，提高了土壤表面的糙率，延缓径流，起到了增加入渗的功效［16］。

4 结论与讨论

（1）紫鹊界梯田区森林各土层土壤主要物理特性（土壤容重、孔隙度和通气孔隙度等）与土壤持水量、入渗速率均大于荒坡土壤，且通过方差分析可知其差异明显。

（2）通过相关分析，该区森林土壤涵养水源指标与物理性指标存在一定相关性。土壤持水量与土壤容重、孔隙度、通气孔隙度的相关系数都很高，即疏松、结构良好、孔隙多、通气良好的土壤持水量高。枯落物的持水率表面上与土壤物理性质关系不大，但土壤容重、孔隙度等通过影响土壤团聚体结构、林下微环境和枯落物的分解状况，进而影响枯落物蓄水性能。土壤渗透性能受林地土壤物理性质的影响，主要表现为土壤容重和通气孔隙度。林地土壤容重较小，土壤通透性能好，结构良好，质地疏松，降雨后，把大量的地表径流变成缓慢流动的土壤径流［15］，渗透到土壤中的水分绝大部分因重力作用经过非毛管孔隙下渗到土壤下层，提高入渗速率。

（3）森林水文生态功能主要靠森林和土壤共同结合起来发挥作用，只有同时具备良好的森林植被和深厚的土壤，才会具有较大的水文生态功能和较高的水文生态效益。紫鹊界梯田区的森林植被在改良其土壤的物理特性，提高土壤贮水能力，增强土壤涵养水源能力上都具有显著的生态功能。

［1］何丽芳.打造与哈尼梯田媲美的观光胜号:论湖南紫鹊界梯田文化资源的旅游开发［J］.农村经济与科技，2006（3）:39－40.

［2］中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海:科学技术出版社，1978.

［3］李峰，胡铁松，黄华金.SWAT模型的原理、结构及其应用研究［J］.中国农村水利水电，2008（3）:24－28.

［4］梁犁丽，汪党献，王芳.SWAT 模型及其应用进展研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2007，5（2）:125－131.

［5］Huisman J A，Breuer L，Fredr H G.Sensitivity of simulated hydrological fluxes towards changes in soil properties in response to land use change［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2004，29（11／12）:749－758.

［6］Romanowicz A A，Vancloosterm M，Rounsevellm M，et al.Sensitivity of the SWAT model to the soil and land use data parametrisation:a case study in the Thyle Catchment，Belgium［J］.Ecological Modelling，2005，187（2）:27－39.

［7］Klaus E，Lytz B，Hans－Georg F.Parameter uncertainty and the significance of simulated land use change effects［J］.Journal of Hydrology，2003，273（1）:164－176.

［8］Holvoet K，Van Griensven A，Seuntjens P，et al.Sensitivity analysis for hydrology and pesticide supply towards the river in SWAT［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2005，30（8）:518－526.

［9］宋艳华.SWAT模型辅助下的径流模拟与生态恢复水文响应研究:以陇西黄土高原华家岭南河流域为例［D］.兰州:兰州大学，2006.

［10］王鹏.基于SWAT模型的岔路河星星哨水库以上流域径流模拟［D］.长春:吉林大学，2007.

［11］许其功，席北斗，何连生，等.三峡库区大宁河流域非点源污染研究［J］.环境工程学报，2008，2（3）:299－303.

［12］张丽娟，秦富仓，岳永杰，等.SWAT模型灵敏性分析模块在云州水库流域的研究［J］.水土保持通报，2010，30（3）:122－127.

［13］Morris M D.Factorial sampling plans for preliminary computational experiments［J］.Technometrics，1991，33（2）:123－131.

［14］Romanowicz A A，Vanclooster M，Rounsevell M，et al.Sensitivity of the SWAT model to the soil and land use data parametrisation:a case study in the Thyle catchment，Belgium［J］.Ecological Modelling，2005，187（1）:27－39.

［15］范丽丽，沈珍瑶，刘瑞民，等.基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究［J］.水土保持通报，2008，28（4）:133－137.

［16］张雪松，郝芳华，杨志峰.基于SWAT模型的中尺度流域产流产沙模拟研究［J］.水土保持研究，2003，10（4）:38－42.

［17］王海龙，余新晓，武思宏，等.SWAT模型灵敏度分析模块在黄土高原典型流域的应用［J］.北京林业大学学报，2007，29（2）:238－242.

［18］Popov E G.Gidrologicheskie Prognozy （Hydrological Forecasts）［M］.Leningrad:Gidrometeoizdat，1979.

［19］庞靖鹏，刘昌明，徐宗学.基于SWAT模型的径流与土壤侵蚀过程模拟［J］.水土保持研究，2007，14（6:）88－93.