祁连山排露沟流域典型植被土壤水文功能及增贮潜力评价

张鑫，牛赟,3，王立，王顺利，敬文茂

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000； 3.淮阴师范学院城市与环境学院，江苏 淮安 223300)

随着人类生产生活水平的发展和提高，水资源的需求增大，使人们越来越关注土壤水的开发和利用。许多组织、国家都十分重视对土壤水资源的利用和研究，特别是在干旱半干旱地区，自然环境在维持自身平衡需水的同时，人类需水的增长造成了自然环境的超量付出。干旱区的生态恢复与植被建设均受到水分的严重制约，生态用水和土壤水分植被承载力的研究均为实现地区可持续发展的重要一环[1,2]。土壤是联系森林植被和水分的枢纽，具有时间和空间上变化的特点，这种空间差异性可以帮助我们了解土壤、植被以及水资源的关系[3]。通常可以根据土壤物理性质来评价土壤通气、持水、贮水以及保水等水源涵养能力[4,5]。不同植被类型条件下的土壤水资源问题一直是土壤学和生态学领域研究的热点，评价和预测流域土壤水资源是流域水平衡和水循环的重要组成部分，也是流域水资源综合管理的主要内容[6-9]。本文通过对不同时空尺度的三种典型植被类型的土壤物理性质、水文功能及增贮潜力评价分析，为多尺度全方位研究祁连山区不同植被类型土壤水资源利用和评价提供理论基础。

1 试验区概况

祁连山位于甘肃西部与青海东北部，是我国西北地区著名的山系之一，具有典型的高寒干旱半干旱气候特征。年均气温在-0.6～2.0 ℃，年均降雨量在300～600 mm，降雨主要集中在6—9月。植被类型、气候特征和土壤类型具有明显的垂直梯度。祁连山植被类型中山区分布乔木林，灌丛林；亚高山区主要为灌丛草原；海拔3 700 m以上主要是冻土、常年积雪以及现代冰川[10]。土壤类型随着海拔的升高依次是：山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土和高山寒漠土[11]。

试验在祁连山中段西水林区进行，属于大陆性高寒半湿润山地森林草原气候，年均蒸发量在1 200 mm左右，积温200～1 130 ℃，相对湿度50%～70%，主要土壤类型为山地森林灰褐土、亚高山灌丛草甸土以及山地栗钙土三个类型，整体表现为土层薄、质地粗，粉沙块多；成土母质主要是泥炭岩、砾岩、紫红色沙页岩等[3]。植被类型主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)和高山灌丛林，以及阳坡草地。高山灌丛林优势种有箭叶锦鸡儿(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、金露梅(Poteneillafruticosa)、鲜黄小檗(Berberisdiaphana)、甘青锦鸡儿(Caraganatangutica)等。阳坡草地主要优势种有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、黑穗薹(Carexatrata)和针茅(Stipasp.)等[12]。

2 监测与计算方法

2.1 固定样地的布设

试验区选择在祁连山中段西水林区排露沟流域，位于100°17′—18′ E，38°32′—33′ N，海拔范围2 640～3 796 m。选择不同植被类型固定土壤样地进行取样，青海云杉林土壤样地按海拔梯度选在2 700～3 300 m处，样地大小为20 m×20 m；高山灌丛林土壤样地按海拔梯度选在3 300～3 700 m处，样方大小为5 m×5 m；阳坡草地土壤样方按海拔梯度选在2 700～2 900 m海拔处，固定样地大小10 m×10 m。在固定样地取大小为1 m×1 m的样方进行取样。青海云杉林、高山灌丛林、阳坡草地土壤样方取样数量分别为15、10和10个，总计35个。

2.2 土壤样品的采集及处理

2017年7—8月采集土壤样品，9月进行样品处理及数据采集。土壤样品参照《森林生态系统定位研究方法》中的森林土壤定位研究方法进行采集[13，14]，青海云杉林土壤和阳坡草地土壤采集0～10、10～20、20～40和40～60cm土样，高山灌丛林土壤采集0～10、10～20、20～40 cm土样，每个土层3个重复，各土层采样时于中部采集。土壤样品带回室内采用环刀法分析，测定土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田间持水量、土壤贮水量等指标[15]。

得到的数据利用Excel 2003进行数据整理以及计算，用SPSS 13.0数据分析软件进行方差分析。土壤水资源增贮潜力计算公式可表示为：

Wt=10 000×P1×h

(1)

Wo=10 000×P2×h

(2)

Wi=Wo/Wt×100%

(3)

式中:Wt为土壤最大贮水量(t•hm-2)，P1为土壤总孔隙度(%)，h为土壤厚度(m)，Wo为土壤有效贮水量(t•hm-2)，P2为土壤非毛管孔隙度(%)，Wi为土壤水资源增贮潜力。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质特征

从表1可以看出，研究区不同植被类型条件下，土壤总孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度均表现为高山灌丛林土壤>青海云杉林土壤>阳坡草地土壤；土壤容重则表现为青海云杉林>高山灌丛林>阳坡草地。

3.1.1 土壤容重特征 阳坡草地在0～60 cm土壤容重变化范围为0.96～1.10 g•cm-3，平均为1.05 g•cm-3，随着土层深度的增加呈现减少的趋势；青海云杉林、高山灌丛林土壤容重变化范围为0.40～0.74 g•cm-3、0.45～0.57 g•cm-3，平均为0.59和0.51 g•cm-3，均随着土层深度的增加呈现增加的趋势，研究区不同植被类型平均容重为0.72 g•cm-3。这是因为青海云杉林和高山灌丛林土壤表层有常年积累的枯落物，这些枯落物分解增加土壤有机质含量，改善土壤理化性质，加上青海云杉林和高山灌丛林地下部分强大的根系网络，使得土质疏松，表层土壤容重小于下层土壤，而阳坡草地表层土壤因为放牧牲畜踩踏等使得草地土壤紧实，容重大于下层土壤。容重差异性分析结果显示，0～40 cm青海云杉林土壤和高山灌丛林土壤都与阳坡草地土壤存在显著性差异(P<0.05)，而青海云杉林和高山灌丛林间差异性不显著(P>0.05)。

表1 祁连山区三种典型植被土壤物理性质特征

注：同一行不同小写字母表示同一土壤深度各项指标差异显著(P<0.05)。

3.1.2 土壤孔隙度特征 由表1可以看出：高山灌丛林、青海云杉林和阳坡草地土壤总孔隙度分别为74.63、77.09和59.39%，研究区变化范围为57.61%～80.76%，平均为70.37%。随着土壤深度的增加青海云杉林和高山灌丛林总孔隙度逐渐减小，阳坡草地则逐渐增大，这是因为青海云杉林和高山灌丛林有机质大量积累在表层土壤里，因此下层土壤总孔隙度比表层土壤小，而阳坡草地表层土壤的破坏程度高于下层土壤，下层土壤总孔隙度较大。土壤总孔隙度青海云杉林土壤和高山灌丛林土壤与阳坡草地土壤间存在显著性差异(P<0.05)；毛管孔隙度高山灌丛林最大，为54.80%，变化范围为46.18%～56.37%，平均为52.75%。毛管孔隙度在10～20 cm土层青海云杉林、高山灌丛林土壤与阳坡草地土壤间差异性显著(P<0.05)，20～40 cm处高山灌丛林土壤与青海云杉林、阳坡草地土壤间差异不显著(P>0.05)；非毛管孔隙度高山灌丛林土壤最大，达到22.30%，变化范围为8.68%～26.71%，平均为17.63%。在0～40 cm土层青海云杉林土壤和高山灌丛林土壤随着深度的增加而减小，阳坡草地土壤在40～60 cm土层达到最大，为11.55%，非毛管孔隙度在0～20 cm土层青海云杉林土壤和高山灌丛林土壤间差异性不显著(P>0.05)，20～40cm土层三者间差异性显著(P<0.05)。

3.2 土壤水文功能特征

表2 祁连山三种典型植被土壤水文功能特征

注：同一行不同小写字母表示同一土壤深度各项指标差异显著(P<0.05)。

从表2可以看出，研究区土壤最大持水量、田间持水量和毛管持水量变化范围分别为50.28%～198.91%、42.15%～137.32%和37.03%～172.08%，平均值分别为116.26%、87.57%和98.01%。高山灌丛林土壤的各项水文功能明显高于青海云杉林土壤和阳坡草地土壤。高山灌丛林土壤的最大持水量范围是129.81%～198.91%，0～10 cm处最大，平均值也是高山灌丛林最大，为162.23%。随着土壤深度的增加，青海云杉林和高山灌丛林土壤最大持水量逐渐减小，而阳坡草地则逐渐增大。最大持水量青海云杉林土壤、高山灌丛林土壤均与阳坡草地土壤表现显著性差异(P<0.05),这是因为青海云杉林和高山灌丛林生长状况良好，土壤中根系发达，并覆盖有腐殖质，土壤质地优良，而阳坡草地由于长期破坏，地表径流引起的水土流失严重，土壤理化性质较差，最大持水量较小。随着土壤深度的增加，高山灌丛林土壤田间持水量和毛管持水量表现出和最大持水量相同的规律，其变化范围分别为91.63%～133.84%和121.78%～172.08%，平均值分别为112.66%和146.87%。青海云杉林土壤田间持水量在0～10 cm土层比高山灌丛林大了2.6%，其余各层均是高山灌丛林高于青海云杉林。青海云杉林、高山灌丛林、阳坡草地3种植被类型土壤蓄水量分别为1 245.22、1 847.38和978.18 t•hm-2，高山灌丛林的土壤贮水量最大。

3.3 土壤水资源增贮潜力评价

土壤对于水分的增贮潜力的高低主要取决于土壤厚度和土壤非毛管孔隙度的数量[16]。如图1所示，0～10 cm土层土壤水资源增贮潜力表现为青海云杉林>高山灌丛林>阳坡草地，这主要是由于青海云杉林表层土壤有大量分解、半分解枯枝落叶层，草本植物和苔藓层以及其本身强大的根系网，加强了水资源截留和土壤持水能力以及土壤水资源增贮潜力；在10～20 cm土层土壤水资源增贮潜力表现为高山灌丛林土壤>青海云杉林土壤>阳坡草地土壤；高山灌丛林的土壤水资源增贮潜力比青海云杉林高了6.42%，造成这一结果的主要原因是随着土壤深度的增加，青海云杉林对于土壤物理性质及水资源增贮潜力的影响变弱，使得高山灌丛林相对低矮而又茂密的枝叶、表层土壤的枯枝落叶以及错综复杂的根系网对于土壤水资源增贮潜力的影响突出。在20～40 cm土层高山灌丛林土壤水资源增贮潜力比青海云杉林高了29.57%。阳坡草地土壤在0～40 cm土层土壤水资源增贮潜力逐渐减小，40～60 cm又开始增大。总体来看，土壤水资源增贮潜力大小顺序为：高山灌丛林土壤(28.69%)>青海云杉林土壤(26.84%)>阳坡草地土壤(17.28%)。祁连山排露沟流域灌丛林主要分布在高海拔地区，由于灌丛林土壤强大的水资源增贮潜力以及土壤入渗能力，不但减小了由于降雨及高山融雪、冻土消融等形成的地表径流，有效地截断自上而下的水土流失，而且形成了可供植被利用的土壤下层径流水资源，缓解了低海拔地区植被缺水季水资源短缺问题。因此高山灌丛林对于祁连山生态水文及水土保持方面具有巨大作用。

图1 祁连山区三种典型植被土壤水资源增贮潜力特征

4 讨论

不同的植被会通过自身特征改变林地土壤的物理性质，从而影响土壤的水文功能[17,18]。本研究所测土壤最大持水量、毛管持水量较王顺利[3]等的研究结果偏大，可能是研究区封山育林限牧，生态水文功能恢复及研究时段降雨所致。土壤物理性质和水文功能以及土壤水资源增贮潜力最优的是高山灌丛林，高山灌丛林之所以优于高大的青海云杉林主要是由于高山灌丛林的枝叶密集，树冠离地表近，虽然矮小却有效地截留了降雨，高密度的枝叶有效地降低了由于雨滴溅落对土壤孔隙堵塞所形成的影响。牛赟[19]等研究表明，灌丛林郁闭度大，更接近地面，影响了区域风速风向，同时也有效地阻挡了强烈的阳光照射，减少了土壤水蒸发。其自身生长耗水量也较小，因此形成了高山灌丛林良好的水资源增贮潜力。也有研究表明，灌丛林常能在一定时间里独立的维持相对稳定的状态[20]，更加充分地说明了灌丛林在生态系统中的重要作用。结合牛赟等[21]通过水资源管理修复植被以及通过植被生长状况来评估水资源利用的研究，多方位掌握祁连山植被土壤与水分的关系，以及一系列重大生态工程对于土地水源涵养功能和增贮潜力的改善[22]，以灌丛林为主，合理地调整祁连山森林生态系统群落结构，加强干旱半干旱区植被建设，对祁连山森林生态系统保护、水土保持、水资源建设与开发具有举足轻重的作用。

5 结论

通过分析青海云杉林，高山灌丛林和阳坡草地三种典型植被土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度以及土壤水资源增贮潜力，旨在为排露沟流域不同植被类型土壤水资源利用和评价提供理论基础。结果表明：0～60 cm土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度变化范围分别为57.61%～80.76%、46.18%～56.37%和8.68%～26.71%，平均值分别为70.37%、52.75%和17.63%；土壤最大持水量、田间持水量和毛管持水量变化范围分别为50.28%～198.91%、42.15%～137.32%和37.03%～172.08% ，平均值分别为116.26%、87.57%和98.01%；青海云杉林、高山灌丛林、阳坡草地3种植被类型土壤蓄水量分别为1 245.22 t•hm-2、1 847.38 t•hm-2和978.18 t•hm-2；土壤水资源增贮潜力表现为高山灌丛林>青海云杉林>阳坡草地，其值分别为28.69%、26.84%和17.28%。

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