岷江上游杂谷脑河流域河谷断面的土壤孔隙与贮水特征

2018-06-15闫婵娟刘传秀

广东农业科学 2018年4期

闫婵娟，王青，刘传秀

（西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010）

土壤的贮水能力是森林植被水文生态效应研究的重要内容。通过对区域土壤贮水特征的测定分析，可以了解和评价河谷断面不同土壤层的水土保持和涵养水源的功能［1］。土壤水是植物吸收水分的主要来源。土壤吸持贮水能力是土壤孔隙状况和土壤颗粒组成的综合反映，同时也是森林涵养水源、保持水土能力、调节地表水与地下水的重要指标之一。土壤的贮水性能是生态建设的重要内容，其中河谷南北侧的贮水差异对生态建设进程具有指导意义。通过对河谷南北侧土壤贮水特征的测定分析，可以了解河谷断面两侧土壤的不同贮水能力。近年来，对土壤水分的研究主要集中在不同植被类型与土壤水分动态变化等方面［2-6］，尤其在不同植被类型对土壤物理性质影响方面研究较多［7-10］，而对河谷断面的水分差异研究相对较少。杂谷脑河流域是岷江上游典型的干旱河谷区，近年来，干旱河谷呈扩大趋势［11］，主要是长期以来人们对当地土地资源的不合理利用和对森林植被的严重破坏，从而造成了当地生态具有低阈值生态安全、高风险生态退化的特征，其中生态恢复和退耕还林还草的主要限制因子有土壤水分亏缺，此外，坡向、坡位等地形因子以及土壤特性、地表植被情况等对土壤含水量空间分布也有重要影响［12］。杂谷脑河流域自退耕还林还草政策实施以来，限于河谷断面土壤的不同贮水能力，对河谷断面土壤贮水能力的水分研究分析将为生态恢复和退耕还林还草措施的布局选择提供合理建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

杂谷脑河流域是岷江上游的重要支流之一，位于四川盆地西部边缘地区。本研究选取杂谷脑河流域理县的三寨村（河谷南侧）和九子村（河谷北侧）为典型研究区域。两地分别位于河谷两侧，经纬度位置分别为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；据理县气象站多年资料统计，该区年均温12℃，年降水量596 mm，年蒸发量1 580 mm，为降水量的2.6倍，降水主要集中在5～9月，属山地季风气候；植被类型丰富，以干旱河谷灌丛为主［13］；区内地貌类型复杂多样，地势西高东低，地势陡峻，高差悬殊，复杂的地貌使杂谷脑河流域的生态十分脆弱；土壤类型多样，主要以旱生灌木草丛植被下发育的山地燥褐土为主［13］，受河谷南北侧降水蒸发及地形差异的影响，河谷南北侧土壤水分差异较大。

1.2 样品采集

选取三寨村和九子村作为杂谷脑河流域典型的河谷断面，因两地同为生态林区，为了更好地了解土壤水分的变化趋势，分别在三寨村和九子村生态林区的不同海拔不同深度进行取样。三寨和九子生态林区的植被有灌丛和松树等，为保持单一变量因素，采样点均围绕两地松树展开。其中，沿采样点海拔而上，围绕松树的分布，三寨村按每50 m进行采样，九子村由于受采样地域限制按每20 m进行采样，即选取三寨村（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）进行比较。

采用蛇形布点法沿土壤剖面垂直纵深布点采样，分5个层次，采样深度共75 cm，各个层次分别为 0～15、15～30、30～45、45～60、60～75 cm，所有采样均设3次重复，进行混合，共计120个混合样，置于密封袋保存。每个层次的采样分别用环刀法测定土壤容重和土壤孔隙度，采样时间为2016年9月下旬至10月中旬。

1.3 研究方法

使用Arcgis 10.2进行区域图的图形制作和输出，采用SPSS 20对土壤物理性质进行单因素方差分析和相关性检验，并用Excel对结果进行表征。

土壤持水量测定：将装有湿土的环刀，揭去上、下底盖，仅留一垫有滤纸的带网眼的底盖，放入平底盆（或盘）中，注入并保持盆中水层的高度至环刀上沿为止，使其吸水达12 h（质地粘重的土壤放置时间可稍长），此时环刀土壤中所有非毛管空隙及毛管空隙都充满了水分，盖上上、下底盖，水平取出，立即称量，即可算出最大持水量。

将上述称量后的环刀，去掉底盖，放置在铺有干砂的平底盘中2 h，此时环刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但环刀中土壤的毛细管仍充满水分，盖上底盖，立即称量，即可算出毛管持水量。

再将上述称量后的环刀，揭去上、下底盖，继续放置在铺有干砂的平底盘中，保持一定时间，此时环刀中土壤的水分为毛管悬着水，盖上上、下底盖，立即称量，即可算出最小持水量。

式中，m′代表环刀内干土的重量，g；m″代表浸润12 h后环刀内湿土质量，g；m″′代表在干砂上搁置2 h后环刀内湿土质量，g；m″″代表在干砂上搁置24 h后环刀内湿土质量，g。

土壤孔隙度测定：

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）

总毛管孔隙度 = 非毛管孔隙度（%）+ 毛管孔隙度（%）

利用土壤孔隙度计算土层厚度的土壤贮水量：

式中，Wc、Wnc、Wt分别为土壤吸持贮水量、滞留贮水量和总贮水量（mm），Pc、Pnc、Pt分别为土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度（%），h为土层深度（cm）。

2 结果与分析

2.1 河谷断面土壤容重比较分析

土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，是表征土壤质量的重要参数之一。结合已有研究表明，土壤容重与土壤的松紧程度、土壤质地、结构以及降雨强度有关［14］，在一定程度上反映了土壤的孔隙状况和贮水能力［15］。土壤容重小意味着土壤疏松多孔，保水透水性强；土壤容重大则表明土壤紧实板结，透水性差。不同坡向的土壤，其土壤容重存在较大差别。就坡向而言，土壤容重的大小反映了不同坡向对土壤孔隙状况和保水透水能力的作用程度。

由图1可知，随着海拔高度的上升，在河谷南侧，土壤容重从1.17 g/cm3增加到1.29 g/cm3；在河谷北侧，土壤容重从1.48 g/cm3增加到1.5 g/cm3，因此，海拔越高，土壤容重越大，土壤容重随海拔升高呈增加趋势；方差分析结果表明，不同坡向的土壤容重差异达到极显著水平。

图1 土壤容重随海拔的变化

生态林地和附近荒地间的土壤容重也有明显差别，总的来说，荒地的土壤容重高于生态林地。此外，随着土层深度的增加，土壤容重越来越大。由图2可知，在河谷南侧规律性比较明显，土壤容重与土层深度呈正相关，而在河谷北侧，0～45 cm土层深度内，土壤容重呈上升趋势，在45～75 cm内则呈先减小后增加的趋势。综上，土壤容重河谷北侧＞河谷南侧。在河谷北侧，土壤容重在0～75 cm土层深度内均值为1.49 g/cm3，而河谷南侧土壤容重均值为1.25 g/cm3，说明河谷北侧的土壤紧实板结，透水性差，而河谷南侧的土壤透水性好，保水透水性强，这些为河谷南北侧的土壤贮水特征提供了基础。

图2 土壤容重随土层深度的变化

由土壤容重河谷北侧＞河谷南侧的对比可知，由于河谷北侧植被茂盛，存在大量的枯枝落叶，林下植被丰富，这些枯枝落叶经分解回归土壤，产生大量有机质，其根系和枯落物使得土壤通透性更好，故土壤密实程度小，不易板结［16］。相对于河谷南侧，河谷北侧的大量微生物作用使枯枝落叶层能够得到迅速分解，因此，河谷北侧的土壤有机质含量较多，从而使得土壤容重大于河谷南侧。

2.2 河谷断面土壤孔隙度比较分析

为了满足植物生长对水、气的需要，土壤应当既能保蓄足够的水分，又有适当的通气性。土壤孔隙度的大小、数量及分配是土壤物理性质的基础，也是评价土壤结构特征的重要指标［17］。结构性质好土壤水分含量就高，反之亦然。土壤孔隙度分为毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总毛管孔隙度。其中，毛管水占据的孔隙称为毛管孔隙，而毛管水不能占据的大孔隙则称为非毛管孔隙。前者是蓄水供水的，后者在平时则是通气的［18］，更多的影响土壤的渗透能力和水分调节功能。非毛管孔隙度、毛管孔隙度保持一定的比例，既有利于土壤养分的积累、保存，又有利于有机质的分解、释放和速效养分的吸收、利用。土壤持水性能和水气状况主要取决于土壤的孔隙状况，因此，土壤孔隙状况的改善对提高土壤水分条件意义重大。土壤的孔隙结构直接影响土壤的透气性和持水保水性能，在生态恢复中起着举足轻重的作用。

由图3可知，非毛管孔隙度随着海拔的升高，整体上呈下降趋势，随着土层深度的增大，非毛管孔隙度呈现下降—升高—下降的趋势。其中，在45～60 cm土层呈升高趋势，但升高幅度较小，大于30～45 cm和60～75 cm土层的孔隙，而低于15～30 cm土层的孔隙。从方差分析结果看，随海拔高度的变化，非毛管孔隙度在河谷北侧的差异显著，随土层深度的变化，非毛管孔隙度在河谷北侧的差异极显著。

图3 河谷南、北侧孔隙度随海拔的变化

由图4可知，毛管孔隙度与海拔高度呈正相关，与土层深度呈负相关。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处高9%。随海拔高度的变化，毛管孔隙度在河谷北侧的差异显著。

图4 河谷南、北侧孔隙度随土层深度的变化

总毛管孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度。总毛管孔隙度与海拔高度呈正相关，与土层深度呈负相关，30～60 cm土层深度内变化不明显。

另外，对比可知，非毛管孔隙度河谷北侧＞河谷南侧，毛管孔隙度和总毛管孔隙度河谷北侧＜河谷南侧。除此之外，不同海拔段的非毛管孔隙度在土壤表层（0～30 cm）差别较大，在土壤深层（30～60 cm）孔隙度差别较小。总的来说，从差异水平上看，孔隙度河谷南侧＞河谷北侧。

上述结果表明，与荒地相比，无论河谷南侧还是河谷北侧，生态林地的土壤孔隙度均多于荒地，说明生态林地较荒地有较好的保水和透水能力。其中，河谷南侧的土壤孔隙数量明显高于河谷北侧，结合河谷断面土壤容重的南北侧差异，说明河谷南侧的土壤持水贮水性能优于河谷北侧。

2.3 河谷断面土壤贮水量比较分析

土壤贮水量是评价森林植被水分保持与水源涵养功能的重要指标，也是研究生态水文，特别是干旱半干旱地区地下水-土壤-植被过程形成的重要指标［19］，其大小反映了土壤贮存和调节水分的潜在能力的大小［20］。前人在该方面有诸多研究［21-23］。在一定土壤厚度条件下，土壤贮水量取决于土壤孔隙大小及数量［24］，土壤贮存方式有两种，即土壤吸持贮存和土壤滞留贮存，土壤吸持贮存和土壤滞留贮存两者之和称为土壤饱和贮存（或者土壤总贮存）。两者具有不同的水文生态功能。吸持贮存是指水分在毛管孔隙中的贮存，其水分主要供给植物根系吸收、叶面蒸腾或土壤蒸发，不能参与径流和地下水的形成，但能为植物生长提供必需的水肥条件，因而具有重要的植物生理生态功能；滞留贮存是土壤中自由重力水在非毛管孔隙（大孔隙）中的暂时贮存，为大雨或暴雨提供应急的水分贮存，能够有效地减少地表径流，降雨停止后水分逐渐向深层下渗，使土壤水分不断补充地下水或以壤中流的形式流入河网，因而具有较高的涵养水源功能［25］。

由表1可知，河谷南侧的土壤贮水量明显大于河谷北侧。随着海拔高度的上升，滞留贮水量呈下降趋势，吸持贮水量和饱和贮水量呈升高趋势，且饱和贮水量最低值均位于所选研究区的海拔最低处。生态林地的土壤贮水量明显大于荒地。方差分析结果显示，在河谷两侧，生态林地和荒地的饱和贮水量均有显著差异。上述结果表明：（1）相较于荒地，生态林地的土壤贮水性能更好。例如，在河谷南侧，灌丛地的滞留贮水量比荒地高出50%；在河谷北侧，生态林地的滞留贮水量比荒地高出27%，河谷南侧比河谷北侧高出近1倍。（2）河谷南侧的土壤贮水性能优于河谷北侧。这对于土壤吸收和减少地表径流，提高土壤涵养水源性能和土壤抗侵蚀能力具有重要作用。（3）三寨村和九子村的土壤贮水量集中分布在380.71～332.70 mm之间，主要树种为松树，高于荒地灌丛生长所需的最低贮水量，即该地除松树外，还可种植个别耐旱树种，如针叶林种等。

由土壤容重、土壤孔隙度和土壤贮水量在不同土层深度和不同海拔的分析可知，随着海拔高度的变化，杂谷脑河流域干旱河谷区退耕还林还草措施的开展需根据土壤贮水量遵循“自下而上逐步推进”原则，依据树种的耐旱和非耐旱程度大小逐步进行生态恢复。

表1 河谷两侧土壤贮水量（mm）

3 结论与讨论

土壤水分对杂谷脑河流域的农业生产和生态修复具有重要作用，土壤水分分布与立地条件即河谷南北两侧有密切联系。通过对河谷南北两侧的土壤水分研究，为岷江上游杂谷脑河流域的农业生产和退耕还林还草工作提供有力的数据支撑。

本研究结果表明：土壤容重河谷南侧＜河谷北侧，表层（15～30 cm）变化幅度大，底层（60～75 cm）变化幅度小，随土壤深度和海拔增加而减小；土壤孔隙度河谷南侧＞河谷北侧，总体上高出7.3%，与土层和海拔呈负相关；土壤贮水量河谷南侧＞河谷北侧，与海拔呈正相关。

土壤水是植物吸收水分的主要来源。土壤吸持贮水能力是土壤孔隙状况和土壤颗粒组成的综合反映，同时也是森林涵养水源、保持水土能力、调节地表水与地下水的重要指标之一。杂谷脑河流域河谷两侧退耕还林的土壤总孔隙度变化范围为45.21%～52.51%，这与我国大部分森林生态系统土壤孔隙（总孔隙度40%～60%）保持一致［26］。此外，本研究对岷江上游土壤水分的研究结果与唐香君等［14］的研究结果相当。

与荒地相比，植被的生长使土壤的物理水分性质有了一定程度的改善，表现为土壤容重降低，土壤孔隙度和土壤贮水量增加。生态林地和荒地的土壤贮水量随土层深度的增加而减小，垂直空间差异较明显，表明生态林对土壤贮水能力垂直空间异质性的影响还不明显。

三寨村和九子村土壤贮水量分布分别为380.71、332.70 mm，高于荒地灌丛生长所需的最低贮水量，即该地除松树外，还可种植个别耐旱树种，如针叶林种等。

近10多年来，相关学者对岷江上游土壤水分和养分［27-28］等方面的研究成果显著。土壤持水性能受多种生态因子的影响，与研究区域的立地条件、土地利用方式及人类活动等有关，是生态因子综合作用的结果［29］。本研究主要从土壤的物理性质方面对土壤水分做了初步研究，而影响土壤持水性的其他生态因子没有涉及，在今后的研究中有待进一步加强。本研究仅对岷江上游杂谷脑河流域2016年的采样数据进行了分析，缺少纵向的对比。如果能对研究区的土壤在空间和时间上保持扩展和连续，则可以对杂谷脑河流域的生态恢复和退耕还林还草措施的布局选择提供更为合理的建议。

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