哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)森林土壤水源涵養(yǎng)功能分析

白艷瑩, 閔慶文, 李 靜

(中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101)

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哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)森林土壤水源涵養(yǎng)功能分析

白艷瑩, 閔慶文, 李 靜

(中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101)

位于云南省哀牢山區(qū)紅河南岸的紅河哈尼稻作梯田系統(tǒng)是全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)之一，自上而下形成了垂直分布的“森林、村莊、梯田、河谷”四素同構(gòu)的良性原始農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)成功地抵御了多年的連續(xù)干旱。以哈尼梯田的核心區(qū)域撒馬壩梯田上方的典型森林為對(duì)象，對(duì)其土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，研究區(qū)平均土壤容重為1.09 g/cm3，總孔隙度為65.1%，非毛管孔隙度為18.7%，平均土壤蓄水容量達(dá)2 589 t/hm2，土壤滯留貯水量達(dá)739 t/hm2，表層土壤平均初滲率達(dá)13.57 mm/min，穩(wěn)滲率達(dá)7.22 mm/min，充分說(shuō)明了該區(qū)域的土壤水熱交換條件和土壤滲透性都十分良好。與我國(guó)其他區(qū)域森林相比，哈尼梯田森林具有很高的土壤水源涵養(yǎng)能力，是其適應(yīng)極端干旱氣候的重要保障，其模式可為我國(guó)適應(yīng)極端氣候變化減少農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失提供重要的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

紅河哈尼稻作梯田系統(tǒng); 全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn); 土壤; 水源涵養(yǎng); 極端干旱

近年來(lái)，在全球氣候變化的影響下，干旱等極端氣候事件發(fā)生的強(qiáng)度和頻率在許多地區(qū)均呈上升趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了人類(lèi)的生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。我國(guó)處于氣候變化敏感區(qū)域，受全球氣候變化影響顯著，極端干旱發(fā)生頻率正在不斷增加[4-5]。農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最直接、最脆弱的部門(mén)，據(jù)報(bào)道，我國(guó)平均每年因干旱損失糧食200億kg以上[6]，氣候變化導(dǎo)致的區(qū)域性干旱將成為我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)愈來(lái)愈嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[7]。我國(guó)西南地區(qū)在2009年秋至2010年春遭受了有氣象資料以來(lái)最嚴(yán)重的干旱，旱災(zāi)共造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)190億元[8]。然而，在位于云南省哈尼梯田卻擁有充足的水源保證生產(chǎn)和生活的需要，使得該地區(qū)成功地抵御了持續(xù)干旱,這一特異現(xiàn)象引起了科學(xué)家們的關(guān)注[8-11]。

哈尼梯田位于云南省哀牢山區(qū)紅河南岸，僅漢文字史料記載就有1 300多年的歷史，它是人與自然高度協(xié)調(diào)的良性循環(huán)的生態(tài)體系，也是可持續(xù)山地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的典范[12]。由于其特殊的自然和人文景觀，哈尼梯田于2010年6月14日被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織批準(zhǔn)為全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，2013年6月22日被聯(lián)合國(guó)教科文組織列入世界遺產(chǎn)名錄，2013年10月24日被國(guó)家林業(yè)局正式授牌為國(guó)家濕地公園。哈尼梯田自上而下的景觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“森林、村莊、梯田、河谷”四素同構(gòu)的垂直空間分布模式，是結(jié)構(gòu)合理、功能完備、價(jià)值多樣、自我調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。上方茂密的森林是哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)重要的水源地，形成無(wú)數(shù)的山泉、水潭、溪流，然后流入村莊和梯田，從而保障生活生產(chǎn)用水，形成了“山有多高，水有多高”的水源體系；村民居住在氣候溫和、冬暖夏涼的山腰地帶；而村子的下方開(kāi)墾層層梯田，既便于引水灌溉稻田，又利于從村里運(yùn)送人畜糞便施于田間。梯田是沿著等高線依山逐級(jí)建造的，做到了最少動(dòng)用土方和防止水土流失。哈尼梯田的森林具有巨大的貯水作用，饒碧玉等[13]的估算結(jié)果顯示在哈尼梯田灌區(qū)的供水水源中森林作為涵養(yǎng)水源全年為灌區(qū)供水約30%。森林土壤的非毛管孔隙可暫時(shí)儲(chǔ)存一部分重力水，不斷補(bǔ)給河流，增加枯水期流量，發(fā)揮其調(diào)蓄功能[14]，這對(duì)哈尼梯田區(qū)域適應(yīng)極端氣候至關(guān)重要。盡管?chē)?guó)內(nèi)一些學(xué)者針對(duì)哈尼梯田水資源利用開(kāi)展了初步研究，但對(duì)哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)森林土壤水源涵養(yǎng)功能的研究目前還比較缺乏。本研究選取哈尼梯田核心區(qū)域內(nèi)的撒馬壩梯田上方的典型森林土壤樣地，分析了與土壤水源涵養(yǎng)能力相關(guān)指標(biāo)，對(duì)其土壤貯水能力和滲透能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。土壤貯水能力在一定程度上反映了森林植被水源涵養(yǎng)和理水調(diào)洪的作用,其結(jié)果可為揭示哈尼梯田適應(yīng)極端干旱氣候的機(jī)制提供重要科學(xué)依據(jù)。

1　研究方法

1.1研究區(qū)概況

哈尼梯田廣泛分布在紅河、元陽(yáng)、綠春及金平四縣。其中紅河縣的梯田總面積達(dá)1萬(wàn)hm2之多，這些梯田各有特色，以撒瑪壩梯田最為突出。撒瑪壩梯田位于紅河縣中南部，寶華鄉(xiāng)東部，離鄉(xiāng)政府駐地2 km，距紅河縣城37 km，撒瑪壩梯田共有900多hm2，共有4 300多層梯田，位于海拔在600～1 880 m。撒瑪壩梯田最高處，是落孔尖山，海拔2 436 m。本研究選擇撒馬壩梯田和龍甲民俗特色村上方的森林為研究區(qū)域。

本研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候類(lèi)型，年平均氣溫11.9～18.9℃，最低氣溫6～9.7℃，最高氣溫17.2～19.5℃，≥10℃積溫4 013.6～5 142.9℃，年降雨量200～1 500 mm，年日照總時(shí)數(shù)1 780.4～2 049.4 h，年太陽(yáng)總輻射120.03～128.744 kJ/cm2，有效生理輻射60.649～64.026 kJ/cm2。由于該地區(qū)日照充足，降雨豐沛，水資源相對(duì)豐富，熱區(qū)資源優(yōu)勢(shì)明顯，為作物的生長(zhǎng)提供了有利條件，適宜種植水稻(OryzasativaL.)、玉米(ZeamaysL.)、甘蔗(SaccharumofficinarumL.)、木薯(ManihotesculentaCrantz)等農(nóng)作物。

1.2樣品采集與分析

2012年7月份，在研究區(qū)的森林內(nèi)沿海拔梯度選擇了9個(gè)典型10 m×10 m樣地，在每個(gè)樣地選擇了3個(gè)代表性的樣方挖掘土壤剖面，將腐殖質(zhì)層清除掉,用100 cm2環(huán)刀按0—10，10—20，20—40 cm的深度分層取5.1 cm深的原狀土，分析測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤滲透速度等指標(biāo)。土壤比重采用比重瓶法測(cè)定[15]，土壤含水量采用烘干法測(cè)定，土壤容重(ρb)、總孔隙度(φ)、毛管孔隙度(φ1)、非毛管孔隙度(φ2)均采用環(huán)刀法測(cè)定[16-17]。具體指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

φ2=φ-φ1

(4)

式中：ρb——土壤容重(g/cm3)；G——環(huán)刀內(nèi)濕樣重(g);V——環(huán)刀容積(cm3); θ——樣品含水量(%);ρs——土壤比重；Gt——吸水3h左右?guī)镰h(huán)刀重(g);Gh——環(huán)刀重(g);Gs——環(huán)刀內(nèi)干土重(g)。

土壤滲透速度的測(cè)定采用環(huán)刀法[18]。根據(jù)土壤滲透試驗(yàn)的結(jié)果，獲取土壤入滲特征參數(shù)初滲率和穩(wěn)滲率。初滲率為最初入滲時(shí)段內(nèi)的滲透量，本研究取最初入滲時(shí)間為1min；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率。

土壤蓄水容量(SWt,t/hm2)、有效蓄容(SWaw,t/hm2)、和毛管持水量(SWr,t/hm2)采取如下公式計(jì)算獲取：

SWt=10000×φ×d×ρw

(5)

SWaw=10000×φ2×d×ρw

(6)

SWr=10000×φ1×d×ρw

(7)

式中：d——土層厚度(m)；ρw——水比重(t/m3)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件進(jìn)行分析和處理。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤貯水能力

土壤在森林水分循環(huán)中起著重要的作用,其容重大小及孔隙狀況則直接影響到土壤的蓄水性能及滲透性等。土壤容重可反映土壤的孔隙狀況和松緊程度，其大小與降水、植被和土壤自身形成過(guò)程存在一定關(guān)系,是影響土壤環(huán)境水熱交換的重要指標(biāo)。分析結(jié)果(表1)顯示研究區(qū)9個(gè)樣地土壤容重均值為1.09g/cm3，變化范圍為0.91～1.2g/cm3。與其他區(qū)域相比較，土壤容重偏小，說(shuō)明研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)較高，土壤疏松，受到土壤侵蝕、人為干擾的影響小,水熱交換條件好。不同層次容重間差異不顯著。表層0—10cm土壤與次層10—20cm土壤容重差異很小，平均值分別為1.07，1.06g/cm3，低于底層土壤(20—40cm)的1.12g/cm3。統(tǒng)計(jì)分析顯示，土壤容重隨海拔的升高而降低(R2=0.380)。

土壤孔隙度是影響土壤水文學(xué)過(guò)程最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)而言，毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長(zhǎng)發(fā)育的能力；而非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滯留水分發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力。表2的分析結(jié)果表明，不同樣地不同層次總孔隙度變化較大,在58.9%～78.7%，平均值為65.1%。不同層次土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度差別不顯著，土壤毛管孔隙度的變化在41.0%～51.6%，平均值為46.4%，土壤非毛管孔隙度在14.6%～33.1%，平均值為18.7%。不同樣地不同層次土壤毛管孔隙度在總孔隙度的比例也有較大的變化，反映了土壤在空間和垂直尺度的異質(zhì)性。總的來(lái)說(shuō)，研究區(qū)土壤孔隙度很高，9個(gè)樣地總孔隙度平均值高達(dá)65.1%，且非毛管孔隙度在總孔隙度中所占比例較高(28.8%)。研究區(qū)森林保護(hù)較好，林地地表覆蓋大量枯枝落葉層增加了土壤有機(jī)質(zhì)，根系的穿插也使得土壤孔隙度顯著增加，而根系死亡留下的空隙和根系周?chē)纳锏幕顒?dòng)都增加了周?chē)寥赖姆敲芸紫叮偈雇寥佬纬闪己媒Y(jié)構(gòu)，使土壤孔隙度和通氣狀況變好。

表1　各個(gè)樣地土壤樣品的土壤容重　g/cm3

表2　研究區(qū)內(nèi)各個(gè)樣地土壤樣品的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度 　%

表3列出了40 cm土層土壤貯水能力指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。研究區(qū)不同樣地土壤厚度存在一定變化，40 cm的土層厚度屬于正常情況。計(jì)算結(jié)果顯示，平均土壤蓄水容量高達(dá)2 589 t/hm2,而與森林土壤涵養(yǎng)水源功能最密切的毛管持水量(土壤滯留貯水量)則高達(dá)739 t/hm2。一定土壤厚度條件下土壤的貯水能力則取決于暫時(shí)蓄存在非毛管孔隙中飽和土壤中的自由重力水。在哈尼梯田區(qū)域，森林與梯田(農(nóng)田)的覆蓋比例約為3∶1，在森林土壤發(fā)揮其最大涵養(yǎng)功能時(shí)，可為梯田提供相對(duì)于約220 mm的灌溉量(739×0.3 t/hm2=221.7 mm)，有效增加枯水期的徑流量，為哈尼梯田適應(yīng)干旱氣候提供了有力的保障。

2.2土壤滲透能力

土壤的滲透能力對(duì)地面徑流量的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換起著決定作用，是反映森林水源涵養(yǎng)作用的重要指標(biāo)。表4列出了反映土壤滲透能力相關(guān)指標(biāo)的分析結(jié)果。不同樣地不同層次土壤初滲率變化較大，從小于1到30 mm/min左右不等，隨土壤深度的增加而降低，在0—10,10—20,20—40 cm三個(gè)不同層次土壤初滲率平均值從13.57降為9.30，2.50 mm/min。表明研究區(qū)土壤滲透性能隨土壤深度的增加而減弱,其原因應(yīng)與森林對(duì)林地的改良作用隨土壤深度的增加而減弱密切相關(guān)。土壤穩(wěn)滲率變化情況與土壤初滲率相似，不同樣地不同層次土壤穩(wěn)滲率變化范圍為0.51～19.67 mm/min，三個(gè)土層平均值分別為7.22，4.03，1.81 mm/min。影響土壤入滲性能的因素眾多,其中土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)是影響土壤水分入滲的主導(dǎo)因素。該區(qū)域多為天然林，植被保護(hù)完好,林地枯落物儲(chǔ)量大,因而土壤滲透性能好。

表3　研究區(qū)各樣地土壤的蓄水容量、有效蓄容和毛管持水量　t/hm2

表4　研究區(qū)內(nèi)各個(gè)樣地土壤樣品的滲透能力

3　討 論

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)最主要的涵養(yǎng)水源的貯庫(kù)，其涵養(yǎng)水源的能力，主要取決于土壤和森林的綜合狀況，因而，在不同林型、樹(shù)種及發(fā)育土壤的氣候條件下觀測(cè)到的土壤水源涵養(yǎng)能力常有較大的差別[19-27]。

表5總結(jié)了文獻(xiàn)中一些關(guān)于森林土壤水源涵養(yǎng)能力分析的結(jié)果。總的來(lái)看，云南區(qū)域的森林較其他區(qū)域森林土壤水源涵養(yǎng)能力高，而本研究選取的紅河哈尼梯田森林，無(wú)論是其最大貯水量還是有效貯水量，都高于其他區(qū)域森林土壤貯水能力。這些研究結(jié)果從側(cè)面說(shuō)明了哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)越性和適應(yīng)極端干旱氣候的機(jī)制。

表5　不同森林樣地表層土壤水源涵養(yǎng)能力對(duì)比(0-20 cm)

長(zhǎng)期以來(lái),哈尼梯田區(qū)域形成了林—寨—田—河垂直分布的獨(dú)特生態(tài)景觀特征,系統(tǒng)中森林是梯田的“天然水庫(kù)”，是哀牢山梯田地區(qū)和周?chē)r(nóng)業(yè)穩(wěn)定高產(chǎn)的重要保障，對(duì)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性起到了至關(guān)重要的作用。本研究結(jié)果證實(shí)了哈尼梯田森林子系統(tǒng)土壤具有很高貯水能力和滲透能力,具有較小的土壤容重,土壤孔隙度和通氣狀況良好，森林系統(tǒng)可有效增加枯水期的徑流量，為哈尼梯田適應(yīng)干旱氣候提供了有力的保障。水資源短缺是世界上倍受關(guān)注的資源環(huán)境問(wèn)題之一，哈尼梯田系統(tǒng)的水資源利用和保護(hù)模式值得借鑒，同時(shí)，對(duì)于我國(guó)亞熱帶山地的農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用也具有重要的借鑒意義。

4　結(jié) 論

哈尼梯田是全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，上方茂密的森林在保障系統(tǒng)穩(wěn)定與適應(yīng)極端干旱氣候方面發(fā)揮著重要作用。針對(duì)哈尼梯田核心區(qū)域內(nèi)的撒馬壩梯田上方的典型森林土壤水源涵養(yǎng)能力分析的結(jié)果表明，該區(qū)域森林土壤具有良好的結(jié)構(gòu)，土壤容重為0.91～1.2 g/cm3，總孔隙度在58.9%～78.7%，非毛管孔隙度在14.6%～33.1%，土壤貯水能力高，平均土壤蓄水容量高達(dá)2 589 t/hm2，土壤滯留貯水量則高達(dá)739 t/hm2，土壤滲透性能好，表層土壤平均穩(wěn)滲率高達(dá)7.22 mm/min。不同森林樣地表層土壤水源涵養(yǎng)能力對(duì)比分析結(jié)果表明本研究選取的紅河哈尼梯田森林土壤貯水能力顯著高于其他區(qū)域區(qū)域森林土壤。研究結(jié)果為揭示哈尼梯田適應(yīng)極端干旱氣候的機(jī)制提供了重要科學(xué)依據(jù)。

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Water Conservation Function of Forest Soil in Honghe Hani Rice Terrace System

BAI Yanying, MIN Qingwen, LI Jing

(Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China)

Honghe Hani Rice Terraces System, located in the Ailao Mountain area and the south of Honghe River in Yunnan Province, is one of the Globally Important Agricultural Heritage Systems (GIAHS) sites. The vertical distribution of the Forest-Village-Terrace-River ecological landscape provides a well-functioning water conservation system, which makes it resist the continuous drought events successfully. The typical forest above the Samaba Terrace, core area of Honghe Hani Rice Terraces System, was taken as the study area. The soil water conservation functions of this area were analyzed and evaluated. The results show that the mean soil bulk density is 1.09 g/cm3, the total porosity is 65.1%, the non-capillary porosity is 18.7%, the average soil water storage capacity is 2 589 t/hm2, the retention storage capacity is 739 t/hm2, the average initial infiltration rate at the top layer is 13.57 mm/min, and the stable infiltration rate is 7.22 mm/min, which means that the condition for water and heat exchange is good, so does the soil permeability. Compared with the forests in other regions of China, Honghe Hani Rice Terraces System has significant soil water conservation ability, which guarantees its resilience to extreme drought events. This system can provide important experience to adapt to extreme climate change and reduce economic losses in agriculture.

Honghe Hani Rice Terrace System; Globally Important Agricultural Heritage Systems (GIAHS); soil; water conservation; extreme drought

2015-04-24

2015-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金“哈尼梯田適應(yīng)極端干旱的生態(tài)水文學(xué)機(jī)制研究”(31200376)

白艷瑩(1977—),女,河南南陽(yáng)市人,博士,助理研究員,主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn),傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)研究。E-mail:baiyy@igsnrr.ac.cn

閔慶文(1963—),男,江蘇徐州人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)研究。E-mail:minqw@igsnrr.ac.cn

S715.7

A

1005-3409(2016)02-0166-05