凋落物在紫鹊界梯田自流灌溉体系中的作用机理

徐义军 李桂元 程冬兵

摘要：

为了进一步揭示林区凋落物在梯田自流灌溉体系中的作用机理，在紫鹊界梯田区内选取8块样地，测定了凋落物储量、吸水释水特性及土壤的理化性质，并建立了相关关系，结果表明：① 不同样地持水性及释水性均不同;② 凋落物可吸收自身质量的2～4倍水分，同时林区土壤的各项物理指标及化学指标均优于荒坡;③ 通过相关分析发现，凋落物的释水特性对部分土壤理化性质存在极显著或显著相关关系。因此，凋落物不仅可以保护地表，还能通过持续的吸水及释水，避免水土流失，补充土壤水分，同时起到改良土壤和涵养水源的作用。

关 键 词：

凋落物; 自流灌溉体系; 吸水性; 释水性; 土壤理化性质; 涵养水源; 紫鹊界梯田

中图法分类号： TV93;S27

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.013

0 引 言

據相关资料报道，紫鹊界梯田初垦于秦汉时期，距今已有2 200～2 300 a的历史[1]。紫鹊界梯田气势宏伟，山高坡陡，大面积种植水稻，山上无任何蓄水储水等灌溉水利设施，即使干旱气候也能实现自流灌溉，因此紫鹊界梯田的水源来源、储存形式、供给方式及运移转化规律吸引了众多学者的研究。其中，李桂元等[1]通过对紫鹊界梯田研究区的水文气象观测、水文地质勘探、地下水位动态监测等方式，提出了“等坡位地下蓄水库”及双线性自主调蓄理论，据此建立模型，从宏观角度深刻地揭露了古梯田原生态自流灌溉机理;许志方等[2]从历史发展、人文特色等角度分析紫鹊界梯田的由来;许文盛[3]、彭圣军[4]等以气候、地质地貌、人为活动等因素对紫鹊界古梯田自流灌溉体系影响进行了探究。甘德欣等[5]对“自流灌溉机理”在梯田的灾害防御机制和效益分析方面的影响做出分析，认为紫鹊界梯田通过“隐形水库”充分发挥集雨功能，其传统耕作方式维护梯田结构，有效防止灾害发生;段兴凤等[6]通过分析梯田区森林土壤容重、孔隙度、土壤持水率等物理指标与土壤水源涵养功能的相关性，进一步分析梯田的灌溉机理。本文在紫鹊界梯田林区选取8块样地，通过测定土壤理化性质及相应的林下枯落物水分特性，探讨其在古梯田自流灌溉体系中的作用机理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

紫鹊界梯田位于湖南省新化县西部山区的水车镇，介于东经110°52′～111°01′，北纬27°40′～27°45′。梯田总面积约0.67万hm2，集中于紫鹊界周边的核心景区面积达0.38万hm2。紫鹊界梯田土壤属花岗岩分化发育的红壤、黄壤和山地草甸土。土壤的垂直地带性分布明显，均为砂性质地，海拔800 m以下的地区基本为红壤，800 m以上区域基本为黄壤。紫鹊界梯田区森林植被覆盖率达60%以上，山顶、山腰及山脚植被种类均不同。植物种类繁多，总体上从林冠至地下依次可分为4层：一层为松、柏、枫等乔木，二层为山茶、紫荆等灌木，三层为蕨草和落叶，四层为树、草之根。紫鹊界梯田景区属中亚热带季风气候区，年平均气温为13.7 ℃，最高气温39.0 ℃，最低气温-5.0 ℃;年降水量为1 650～1 700 mm;年均日照1 488 h。

样地选择在紫鹊界区域中上部，此区域林区植被种类较全面，且土壤类型均为黄棕壤，并且为了避免气候因素对实验的影响，选取了海拔较为接近的8个具有代表性的样地，分别为金龙村后山杉林1、金龙村后山杉林2、金龙村后山荒坡、金龙村后山竹林、上游观测站林区、演艺中心后栗林、演艺中心旁荒坡、演艺中心旁梯田，样地基本情况如表1所列。

1.2 研究方法

2011年6月和12月分2次在以上样地上取样，每个样地设置100 cm×100 cm的样方5个，收集样方内的全部枯枝落叶，记录各凋落物层的厚度，并分别测定其鲜质量，然后将凋落物装入塑料袋密封后带回实验室。将带回实验室的凋落物放入80 ℃的烘箱内烘干至恒重，以测得各群落凋落物的储量。在烘干并混合均匀后的各群落凋落物中取部分样品称量，把样品装入尼龙网袋（网孔直径约1 mm），扎好袋口，称重;然后将装有凋落物的尼龙网袋分别浸入清水中10.0 min，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，24.0 h后捞起，静置于空气中约5.0 min，待凋落物不滴水时称重（湿重）。当称完浸泡24.0 h样品的湿重后，再将装有此样品的尼龙网袋依次静置于空气中释水10.0 min，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，24.0 h（室温23 ℃，空气湿度24%），测出各时刻样品在空气中释水后的湿重，最后将释水24.0 h后的样品放入80 ℃的烘箱内烘干，然后称重。对任一群落的凋落物，上述实验重复3次，取平均值。

凋落物的测定指标有凋落物的持水率、吸水速率、释水率及释水速率[6]，计算方法如下：

式中：Lt表示t时刻凋落物持水率，%;Mt表示凋落物浸泡t时段后的湿重（含尼龙网袋重），g;Mn表示尼龙网袋重，g;Md表示凋落物干重，g。

式中：Wt表示凋落物在t时刻的吸水速率，g/（g·h）;Lt1、Lt分别表示t1和t（>t1）时刻凋落物的持水率，%;Δt表示t1和t时刻之间的时间差，h。

式中：Rt表示凋落物在t时刻的释水率，%;M24表示凋落物浸泡24 h后的湿重（含尼龙网袋重），g;Mtr表示凋落物释水t时段后的湿重（含尼龙网袋重），g。

式中：Vrt表示凋落物在t时刻的释水速率，g/（g·h）;Rt1、Rt分别表示t1和t（>t1）时刻凋落物的释水率，%。

用环刀及土钻采集0～20 cm和20～40 cm土样，测得土壤理化性质。土壤物理指标及化学指标采用常规分析方法测定[7]：土壤容重、孔隙度采用环刀法;全氮采用全自动凯氏定氮法测定;全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法;全钾采用电热板消解法;水解氮采用碱解扩散法;速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法;速效钾采用火焰分光光度计法;有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;土壤pH值采用pH计测定（水土比2.5∶1.0）。

2 结果分析

2.1 凋落物持水特性

由图1可知，在同一浸泡时刻，各群落凋落物吸水速率的大小顺序为：竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林。各群落凋落物在经历相同的浸泡时间后，持水率大小顺序为：竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林。对于不同的群落而言，由于凋落物具有的纤维组织不同[8]，导致各凋落物持水能力有所差异，因此，在相同的浸泡时间，不同群落凋落物的持水率相异。当浸泡时间达到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，与段兴风等人的研究结果较为一致[9]。林地持水量包含了枯枝落叶层持水量和林下土壤层持水量。林下凋落物的水源涵养能力也受到凋落物的厚度影响，即受林分类型、林龄、气候及立地条件等多元因素的影响[8]。

2.2 凋落物释水特性

凋落物释水性是其进行水资源调配的关键，表现为凋落物的释水过程，主要取决于释水率和释水速率两个参数。由图2可知：在释水初期，释水速率均较大，随着释水时间的延长，释水速率快速下降;当释水达到24 h时，各凋落物的释水速率依次为杉林>竹林>栗林>草地>竹杉林，各群落凋落物的释水率依次为杉林>竹林>栗林>草地>竹杉林，基本上与释水速率的顺序一致。结合凋落物持水特性研究结果，说明各凋落物的持水能力与其释水能力并不一致，进而仅用表征凋落物持水特性的水源涵养能力的强弱并不能全面反映其水资源调配能力的大小。

2.3 土壤理化性质分析

2.3.1 土壤物理性质分析

由图3可知，所有样地的土壤容重均有从表层向深层逐渐增加的趋势，相同土层深度不同樣地土壤容重无显著差异。不同样地土壤孔隙度差异显著（p<0.05），林区土壤的总孔隙度和毛管孔隙度均大致呈现出大于荒坡地的特征，这与前人研究结果基本一致[7]。由于紫鹊界梯田林区土壤表面凋落物丰富，而乔灌草等凋落物富含灰分元素，所形成的腐殖质和钙是基本的胶结物[10]，进而土粒易胶结而形成有良好结构的土壤，增加了土壤的孔隙度，从而增强了土壤的持水和通透能力。

通过土壤机械组成的测定，上层土壤质地较黏着，非毛管孔隙和毛管含水率均呈现上层大于下层的状态，说明上层土壤较为疏松，既不影响持水，又不影响水分下渗;下层土壤砂粒含量较多，黏着力低于上层土壤，大空隙较多，有利于渗透下来的水沿大空隙向下补充地下水。凋落物的释水率及释水速率良好，因此大气降水可以迅速地通过凋落物层抵达土壤，被土壤吸收利用。研究表明：在相同的土壤理化特征条件下，土壤渗透性能越好，形成的地表径流越少，相应水土流失量越少[11]。因上层土壤黏粒比例较大，毛管孔隙发达，毛管持水量和最大持水量均高于深层土壤[12]，大气降水从地表土壤向地下补充时，易存储较多的悬着水，容易产生地表蒸发，由于凋落物层覆盖地表土壤，能有效减少陆面蒸发，增加土壤水利用率，在一定程度上保障水循环的通畅性。

2.3.2 土壤化学性质分析

由于土壤的化学性质受其所在环境中植被种类、组成结构、林下植被及凋落物数量、质量等因素的影响，因此对土壤的化学性质进行分析是深入了解土壤环境的基础。

由图4可知：相同土层不同样地pH值、有机碳、全氮、全磷、全钾差异性均未达到显著水平，水解氮、速效磷、速效钾等速效养分差异显著（p<0.05）。随土层深度的增加，土壤中有机质、全氮、水解氮、速效磷、速效钾含量逐渐递减，全磷含量变化不明显，而全钾含量的变化无明显规律。对于有机质、氮素、钾素而言，

林区的含量高于荒坡区;对于速效磷而言，荒坡区的含量高于林区;对于全磷而言，林区与荒坡区的含量差异不大。造成不同土地利用方式下土壤养分产生差异的原因有多种，包括土壤质地差异、人为干扰、土壤侵蚀等。凋落物的覆盖也是引起差异的重要原因，凋落物层不仅具有阻滞径流、拦截泥沙的功能，还可以均衡土壤水热条件。均衡适宜的水热条件，有利于提高土壤中微生物的代谢活性[13]，因此土壤有机质、全氮、水解氮、全钾、速效钾含量均比荒坡区高。林区土壤速效磷含量比荒坡区稍低，可能与不同植被对养分的选择吸收特性不同有关[14-15]。

2.4 凋落物水分特性与土壤理化性质相关性分析

为了进一步厘清地表凋落物对土壤理化性质的影响，对凋落物水分特性及土壤理化性质各个指标进行相关性分析。分析发现，凋落物的持水率及吸水速率与土壤理化性质无显著相关关系。释水率与毛管孔隙度呈极显著正相关，与非毛管孔隙度、速效磷呈极显著负相关，与毛管含水率、速效钾呈显著相关关系。释水速率与毛管孔隙度、毛管含水率均为极显著正相关关系，与非毛管孔隙度呈极显著负相关，与水解氮呈显著正相关，与速效磷为显著负相关关系（见表2）。

分析发现：不同样地全氮、全磷、全钾等养分因子之间差异性未达到显著性水平，而水解氮、速效磷、速效钾等速效养分因子差异显著。通过查阅降雨资料发现，紫鹊界梯田区降雨分布在2～10月（平均≥100 mm），充足的降雨会导致凋落物层持续分解，以此来增加土壤养分，从而促进林地养分的良性循环，因此各个样地全效养分差异不显著。而凋落物的释水率与释水速率与林下土壤的水解氮、速效磷、速效钾有着显著的相关关系，这是引起差异性的重要原因之一。

3 结 论

（1） 不同凋落物持水性与释水性均不同，这与凋落物本身特征有关，不同林下凋落物种类不同，纤维组织不同。

（2） 丰富的凋落物有利于增加土壤中的胶结物质，改良土壤理化性质，同时具有良好的持水效应，其持水率可达自身质量的2～4倍，具有优良的涵养水源的功能。

（3） 通過相关分析发现，凋落物的持水率、吸水速率与土壤理化性质的相关关系未达到显著水平。释水率、释水速率与毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管含水率、水解氮、速效磷、速效钾存在显著或极显著相关关系。

参考文献：

[1] 许志方，聂芳容，张硕辅，等.湖南紫鹊界梯田自流灌溉体系[J].中国农村水利水电，2006（4）：73-74，77.

[2] 李桂元，刘思妍，罗利顺.紫鹊界古梯田原生态自流灌溉机理研究[J].人民长江，2016，47（24）：26-31.

[3] 彭圣军，王姣，刘颖，等.稻作梯田自流灌溉系统的组成及其管理[J].中国农村水利水电，2019（11）：81-84.

[4] 许文盛，尤伟，李亚龙，等.紫鹊界梯田原生态自流灌溉的环境因素探析[J].长江科学院院报，2011，28（10）：69-74.

[5] 甘德欣，龙岳林，黄璜，等.山地梯田景观的灾害防御机制与效益分析：以紫鹊界梯田为例[J].自然灾害学报，2006（6）：106-108.

[6] 郭辉，董希斌，蒙宽宏，等.小兴安岭低质林采伐改造后枯落物持水特性变化分析[J].林业科学，2010，46（6）：146-153.

[7] 鲍士旦.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业出版社，2005.

[8] 宝虎，赵鹏武，周梅，等.大兴安岭南段典型天然林枯枝落叶层及土壤层持水特性研究[J].干旱区资源与环境，2020，34（2）：175-181.

[9] 段兴凤，宋维峰，曾洵，等.湖南紫鹊界梯田区森林土壤涵养水源功能初步研究[J].水土保持研究，2011，18（1）：157-160，165.

[10] 王子龙，胡斐南，赵勇钢，等.土壤胶结物质分布特征及其对黄土大团聚体稳定性的影响[J].水土保持学报，2016，30（5）：331-336.

[11] ROMANOWICZ A A，VANCLOOSTERM M，ROUNSEVLLM M，et al.Sensitivity of the SWAT mode to the soil and land use data parametrisation：a case study in Thyle Catchment，Belgium[J].Ecological Modelling，2005，187（2）：27-39.

[12] 段兴凤，宋维峰，曾珣，等.湖南紫鹊界梯田区森林改良土壤作用研究[J].水土保持研究，2010，17（6）：123-126，132.

[13] 银莲.凋落物对森林土壤CO2气体排放的影响及其与施氮和水热条件的交互作用[D].南京：南京信息工程大学，2015.

[14] EVRENDILEK F，CELIK I，KILIC S.Changes in soil organic carbon and other physical soil properties along adjacent Mediterranean forest，grassland，and cropland ecosystems in Turkey[J].Journal of Arid Environments，2004，59（4）：743-752.

[15] COBERNA M，SCHEZ J，PASCUAL J A，et al.Surface and subsurface organic carbon，microbial biomass and activity in a forest soil sequence[J].Soil Biology and Biochemistry，2006，38（8）：2233-2243.

（编辑：谢玲娴）

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