松华坝水源地不同植被土壤特性及水源涵养功能

苗 武，史正涛，陈 骏，韦海波

（云南师范大学 旅游与地理科学学院，昆明650500）

水库水源地是云南高原盆地的主要饮用水供给源，是城市社会经济发展的命脉。随着社会经济的快速发展及全球气候变化，水资源变得异常紧缺，频频出现河流断流，水库缺水的情况，水资源供需矛盾较突出，保护城市水源地的重要性已提上了议案。松华坝水源区主要以大气降水补充水源，现主要有次生林、人工林、园地和耕地四种植被，区内下垫面变化对水资源的影响很大。森林是一个多功能的生态系统，在涵养水源方面作用巨大。目前，国内外学者对次生林不同林种，人工林不同林种，同种林中不同坡位、不同坡度森林水源涵养功能的差异，天然次生林和混交林水源涵养功能的对比等方面都进行了详细系统的研究［1－4］。李红等［5］、王志强［6］对不同 植被土 壤 的 贮水性能也进行了研究。但对低纬度高海拔区域水源地相关方面的研究还不多见。本文从高原盆地城市水源地次生林地、人工林地、园地、耕地四种植被土壤特性着手，研究各因素变化对水源涵养能力的影响和不同植被土壤的水源涵养功能的差异，分析森林植被转变为耕地、园地和人工林的过程中，土壤特性的改变及水源涵养能力的变化。以期为高原盆地城市水源地脆弱性诊断研究提供科学的数据和理论依据，为水源地水源涵养功能修复提供策略。

1 研究区概况

松华坝水源区是昆明市最重要的饮用水源地，位于昆明市主城区东北部13 k m处，地处东经102°45′—102°59′，北纬25°08′—25°27′。流域面积为 629.8 k m2，主要河流有牧羊河和冷水河，多年平均径流量为8 900万k m3。全区以浅切割的中山山地为主体，分布有面积不大的河谷阶地、断陷盆地、溶蚀洼地。整个地势由东北向西南逐渐倾斜，境内海拔2 840～1 917 m，相对高差923 m［7］。气候属中亚热带季风气候，年均温15℃，多年平均降雨量900 mm。土壤以红壤为主，分布有少部分的黄棕壤、棕壤和水稻土。流域内总林地达378.16 k m2，约占土地总面积的60.2%，亚热带针叶林是区内的主要森林植被，以云南松林为主，此外还有以滇石栎为主的常绿阔叶林、以栓皮栎、旱冬瓜为主的落叶阔叶林，灌木林和华山松林也有少量分布。人工林主要有华山松林、云南松林、旱冬瓜以及圣诞树林等。园地面积68.86 k m2，约占10.9%；耕地面积50.43 k m2，约占8%［8］。库区内有白邑、阿子营、大哨、双哨、小河、龙泉等7个镇267个自然村小组，共18 326户、75 145人。

2 研究方法

2.1 样本采集

选择次生林地、人工林地、耕地、园地四种植被类型，设置9组样地，每组样地中对每种植被类型各挖取土壤剖面一个，共对36个土壤剖面进行采样研究，每个采样点的各标准地立地条件（包括坡度、微地形、土壤类型等）相对一致。各剖面以相同的方法分别进行采样。每个土壤剖面挖成1.5 m×1 m×0.8 m的长方形土壤剖面，用环刀法［9］分别按0—20，20—40，40—60 c m共3个土壤层次采取自然状态土样，每层重复3次，用于测定土壤容重、孔隙度等。同时每层采取铝盒样品和散样样品，用于测定土壤含水量、有机质和其他土壤特性及临时备用。

2.2 土壤各项指标测定

利用烘干法测定土壤含水量；采用环刀法测定土壤容重、孔隙度和饱和含水量；采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法测定土壤有机质含量；采用土壤非毛管孔隙度、总孔隙度和土壤层厚度计算土壤蓄水量。

即：土壤的非毛管孔隙贮水量

式中：V非——土壤的非毛管孔隙贮水量（t／h m2）；P非——非毛管孔隙度（%）；D——土层深度（m）。

土壤的最大贮水量

式中：V——土壤的最大贮水量（t／h m2）；P——土壤的总毛管孔隙度（%）；D——土层深度（m），本文按0.6 m 计算［10］。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型下的土壤物理性质

土壤的物理性质直接影响着土壤的水源涵养功能，尤其是土壤容重和孔隙度。土壤容重的大小与土壤紧实致密情况密切相关，在一定程度上能够反映土壤的孔隙状况和贮水能力。土壤容重较低，意味着土壤越疏松、孔隙较多，水源涵养和水土保持能力较高；反之亦然。而土壤孔隙度的大小决定着土壤的通气状况和积水能力，对生物的生长有着重要作用。一般把总孔隙度中的非毛管贮水称为有效贮水量，非毛管孔隙度大，涵养水源的效益高，反之则低［11－12］。

从样品各指标测定的数据来看（表1—2），次生林地、人工林地、园地和耕地四种植被下土壤的自然含水量均表现为随着土层深度的增加而逐渐增高，0—60 c m的平均含水量从大到小的顺序为：次生林＞耕地＞园地＞人工林，次生林高达38.16%，人工林仅为11.81%。土壤的饱和含水量大体表现为0—20 c m最大，0—40 c m最小，0—60 c m的平均值从大到小的顺序为：耕地＞次生林＞园地＞人工林。土壤的容重均表现为随着土层深度的增加而逐渐增大，0—60 c m的平均值从大到小的顺序为：人工林＞园地＞耕地＞次生林，分别为1.69，1.41，1.23，1.14 g／c m3。土壤的总孔隙度则与容重相反，次生林最大，人工林最小，分别为57.06%，53.46%，48.25%和36.40%。土壤的非毛管孔隙度也表现为随土层深度的增加而逐渐降低，0—60 c m的平均值从大到小的顺序为：次生林地＞耕地＞园地＞人工林，分别为16.02%，13.40%，9.06%和8.41%。

综上分析可知，次生林植被下有利于土壤涵养水源的相关物理特性最好，耕地次之，人工林地最差。

3.2 不同植被类型下的土壤有机质含量

土壤有机质是土壤中最重要的组成成分之一，其含量的高低在一定程度上反映了地上植被的发育状况。其可改善土壤结构、降低土壤容重、增加土壤孔隙度，对土壤的水源涵养功能产生作用。

由表1—2可见，四种植被下土壤的有机质含量均表现为随着土层深度的增加而递减，其中0—20 c m土层中递减的幅度较小，40—60 c m土层递减的幅度很大。在0—20 c m土层中次生林的有机质含量明显高于其他三种，比次高的人工林高34.9%，比最低的耕地高74.4%。在0—60 c m的整个土层中有机质的平均值从大到小的顺序为：次生林＞耕地＞园地＞人工林，分别为0.90%，0.86%，0.83和0.59%。综上分析可知，次生林植被下土壤的有机质含量最高，耕地和园地的相对较少，人工林地最差。

表1 不同植被土壤各指标

表2 0－60 c m土壤各指标的平均值

3.3 不同植被类型下的土壤贮水能力

土壤的贮水量是土壤水源涵养功能的直接数据表现。土壤的有效贮水量是土壤中非毛管孔隙或大孔隙中在下大雨时贮存的水分，能够减少地表径流，向深层下渗，补充地下水，参与径流循环系统。最大贮水量则包含有效贮水量和毛管持水量，后者主要供给植物根系吸收，叶面蒸腾和蒸发，是植物正常生长和生态功能的保证。土壤有效贮水量和最大贮水量是评价土壤水源涵养功能的最终指标。

从表3、图1—2可知，不同植被土壤的有效贮水量和最大贮水量均表现出随着土层深度的增加而逐渐递减的趋势，但递减的幅度各不相同，同种植被下在不同的土层中递减的幅度也有差异。不同植被在0—60 c m土层内的有效贮水量和最大贮水量从大到小的顺序均表现为：次生林＞耕地＞园地＞人工林，有效贮水量分别为961.00，803.80，543.60 t／h m2和504.60 t／h m2，最 大 贮 水 量 分 别 为 3 423.80，3 207.60，2 895.20 t／h m2和2 216.40 t／h m2。次生林地土壤的有效贮水量要比人工林地高出90.56%，最大贮水量高出54.48%；耕地土壤的有效贮水量要比人工林地高出59.29%，最大贮水量高出44.72%；园地土壤的有效贮水量要比人工林地高出7.73%，最大贮水量高出30.63%；次生林地土壤的有效贮水量要比耕地高出19.56%，最大贮水量高出6.74%；次生林地土壤的有效贮水量要比园地高出76.78%，最大贮水量高出20.54%；耕地土壤的有效贮水量要比园地高出47.87%，最大贮水量高出10.79%。

表3 土壤贮水量（0－60 c m）

图1 不同植被0－60 c m土层内土壤有效贮水量

图2 不同植被0－60 c m土层内土壤最大贮水量

上述结果表明：（1）4种植被下有效贮水量和最大贮水量从大到小的顺序均表现为：次生林＞耕地＞园地＞人工林。（2）从次生林、耕地转变为人工林的过程中土壤的有效贮水量和最大贮水量变化幅度都很大，次生林转变为园地的过程中变化次之，次生林转变为耕地和园地转变为人工林地的过程中变化较小。

4 讨论

不同的植被，上层林冠、地表的枯落物以及土壤根系发达程度有所差异，土壤的物理性质和有机质含量各不相同，从而导致土壤的水源涵养效益有很大差距［13－14］。梁超等［15］认为，植被群落也会影响到土壤水分含量的变化，并对这方面进行了详细的研究。邹俊亮等［16］则研究了不同植被和土壤类型下土壤水分剖面的分异，发现同一土壤类型下植被类型的不同主要对深层土壤水分的垂直分布产生影响，得出农地和草地下的土壤水分状况好于灌木和乔木。

结合前人的研究，本文分析得知，次生林的土壤物理特性、有机质含量、有效贮水量和最大贮水量均表现为最好，耕地次之，人工林地表现最差，这与梁超等［15］的研究结果相吻合，但与邹俊亮等［16］研究的结果有所差异。对以上规律进行综合分析：次生林植被良好，高大的树冠可涵养、调节水源和减少下垫面蒸发，丰富的枯落物和发达的根系使得土壤的有机质多，土质疏松，容重小，孔隙度大，有效贮水量和最大贮水量也最高。耕地和园地的各指标优于人工林的原因完全是人为因素的干扰。农业中的“中耕保墒”很好地解释了这两种植被土壤各指标良好。人为的耕种、松土、施粪等都在很大程度上影响着这两种植被的水源涵养能力。人工林各项指标较差的原因是因为树苗较小，覆盖度低，不仅发挥不了森林系统的功能，还强有力地吸取土壤的养分和水分供其快速生长，是典型的强有力的植物抽水机。加之林下有机质少，土质密实，容重大，孔隙度小，有效贮水量和最大贮水量都很低。

流域内林地约占土地总面积的60.2%，加之从次生林转变为人工林的过程中土壤的贮水量变化幅度大，次生林转变为园地的过程中变化次之的特点可以得知，这两种植被的转变是流域内水源涵养功能变化的主因。园地转变为人工林地的过程中土壤贮水量变化较小，它在一定程度上也影响着水源涵养能力。耕地约占8%，所占的比例相对较小，加之耕地变率较小及在与其他植被的转变过程中变化幅度不大，总体来说对整个区域内水源涵养功能的影响不大。

上述结果表明，次生林地的土壤水源涵养功能最好，人工林地的最差；次生林转变为人工林、园地的植被变化过程是水源地水源涵养功能变化的主因。证实了把人工林和园地恢复成次生林是改善水源地水源涵养功能的有效途径和正确抉择，全面地肯定了相关单位在水源区所做的恢复林地的有关工作。

5 结论

（1）4种植被土壤的容重均表现为随着土层深度的增加而逐渐增大，0—60 c m的平均值从大到小的顺序为人工林＞园地＞耕地＞次生林，分别为1.69，1.41，1.23，1.14 g／c m3。土壤的非毛管孔隙度和总孔隙度则与容重相反，表现为随土层深度的增加而逐渐降 低，0—60 c m 的 平 均 值 分 别 为16.02%，13.40%，9.06%，8.41% 和 57.06%，53.46%，48.25%，36.40%。土壤的有机质含量均表现为随着土层深度的增加而递减，40—60 c m土层递减的幅度很大，0—20 c m土层中次生林的土壤有机质含量明显高于其他3种，0—60 c m的平均值从大到小的顺序为次生林＞耕地＞园地＞人工林，分别0.90%，0.86%，0.83%和0.59%。

总体而言，次生林植被下有利于土壤涵养水源的相关物理特性最好，耕地次之，人工林地最差。次生林植被土壤的有机质含量最高，耕地和园地的相对较低，人工林地最低。

（2）4种植被的有效贮水量和最大贮水量从大到小的依次均表现为：次生林＞耕地＞园地＞人工林。从次生林、耕地转变为人工林的过程中土壤的有效贮水量和最大贮水量变化幅度都很大，次生林转变为园地的过程中变化次之，次生林转变为耕地和园地转变为人工林地的过程中变化较小。

（3）次生林地的水源涵养功能最好，人工林地最差；次生林转变为人工林、园地的植被变化过程是水源地水源涵养功能变化的主因；目前把人工林和园地恢复成次生林是改善水源地水源涵养功能的有效途径和正确抉择。

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