哈尼梯田水源區不同景觀類型土壤水分的入滲特性及影響因子

劉澄靜, 角媛梅, 高 璇, 劉 歆, 申恩孟

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500; 2.瀘西縣瀘源普通高級中學, 云南 紅河 652400)

在以自然降水為主要補給水源的地區，本地降雨入滲是使水源區獲得充足水源的重要水文過程。在目前極端氣候事件頻發造成水資源緊缺的情況下，關于入滲的理論和實踐乃是保護水源地、發展節水型農業的重要依據之一[1]。土壤圈處于大氣圈、生物圈、巖石圈的交界面，是植被賴以生存的最主要載體，也是水循環的主要中轉站，通過蒸發與入滲作用，將大氣降水、地表徑流和地下徑流緊密的聯系在一起，具有重要的生態水文功能[2-4]。一個地區土壤的生態水文功能主要體現在土壤入滲性能和持水能力上，入滲性能是土壤涵養水源能力強弱的關鍵因素，它反映了土壤的調蓄能力，是評價土壤層水文功能的重要指標和模擬流域水文過程的重要參數之一[5-6]。國內外很多學者對土壤入滲做過大量研究，不但確立了土壤入滲速率的測定方法[7-8]和許多描述水分向土壤中入滲的數學模型(公式)[9-10]，而且對土壤水分入滲的影響因素作了詳細記錄。土壤水分入滲的測定方法很多，主要有注水法、水文法、人工降雨法等。其中，以注水法(雙環法、環刀法、圓盤入滲儀法、Hood入滲儀法等)最為常用[11]。但是，影響土壤水分入滲的因素極為復雜，自然含水率、土壤孔隙度、容重、土壤質地、土地利用類型、土壤微生物和動物活動狀況，以及枯落物持水性能、人為因素等都會對土壤水分入滲產生影響。其中，土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性質的重要參數，兩者能反映土壤的透水性、通氣性和根系延展時所受阻力的大小[12-13]，所以是影響土壤入滲性能的主要因素。

水是哈尼梯田農業系統的命脈，是區域內物質生活的依托[14]。以降水為主要補給源的梯田水源區地處陰冷的中高山地區，山間溪流水塘密布，全年均有長流水現象，是山腰居住區、下半山梯田區和低山河流湖泊的孕育之地，是天然的“綠色水庫”，更是維系著哈尼族生存與文明以及哈尼梯田世界文化景觀遺產存續的根基所在，因此，對哈尼梯田水源區的保護刻不容緩。目前，對哈尼梯田的研究主要集中在梯田文化產生與發展、獨特的景觀格局等方面，對水源區土壤的水文狀況、土壤理化性質以及水土保持的研究相對較少。本文擬以哈尼梯田核心區全福莊河流域的不同景觀類型土壤水分入滲特性為研究對象，通過德國UTG公司生產的Hood IL-2700型土壤水分入滲儀測定不同景觀類型的土壤入滲狀況，分析區域內土壤的物理性質、枯落物持水性能、人為活動等因素對土壤水分入滲過程的影響，揭示不同景觀類型土壤涵養水源功能的差異，為哈尼梯田開發與保護以及遺產的可持續發展提供參考。

1 研究區概況

研究區位于云南省南部的紅河哈尼族彝族自治州元陽縣中部全福莊河流域上游，距元陽縣城南沙28 km，23°05′20″—23°07′20″N，103°43′20″—103°47′30″E。地處哀牢山脈南段余脈的蒙自、元江高原盆地峽谷區，屬紅河一級支流麻栗寨河的源頭區的全福莊河扇形流域上游，山脊走向為北東—南西向，整個地勢南高北低，自南向北傾斜，海拔在1 477～2 261 m，面積約13.92 km2。該區域屬亞熱帶山地季風氣候，雨量充沛，年降水量1 353.8 mm，蒸發量929.4 mm，相對濕度90.3%，全年日照時數1 770.2 h，年無霜日363 d，年均溫14.19 ℃。區內植被主要分布有中山濕性常綠闊葉、針葉林和南亞熱帶常綠闊葉苔蘚林，原生植被主要以青岡(Cyclobalanopsisglauca)、木荷(Schimasuperba)、榿木(Alnuscremastogyne)、山茶(Camelliajaponica)為主，已毀壞地區出現次生植被，農作物包括玉米、蕎麥、土豆和稻谷。區內受不同風化作用和成土過程影響，發育有紅壤、黃壤、黃棕壤、棕壤、紫色土、石灰土和水稻土等多種土壤類型，此外，流域一下的河谷地區還發育有磚紅壤、燥紅壤，土壤具有明顯的垂直分布特征。研究區土地利用齊全，主要有原始林地(原始森林、古樹原始林)、草地(荒草地、蕨草地)、人工林、茶園、耕地等土地利用類型，其中原始森林和荒草地占總面積比例80%左右。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及樣品采集

根據土地利用現狀分類國家標準及研究區實際情況在全福莊流域選擇草地(蕨草地、荒草地)，林地(原始林、次生林、人工林)，耕地(旱地)，園地(茶園)4種土地利用類型中的7個樣地，并在每個樣地中選擇3個樣點進行實地試驗觀測，記錄其位置、地形、坡度坡向、植被和土壤類型等因子(表1)。用Hood IL-2700土壤水分入滲儀測定每個試驗點的土壤水分入滲情況，用環刀和鋁盒采集原狀土進行物理性質分析，自封袋采集枯落物進行枯落物持水性能分析。

表1 研究區樣地詳細信息

2.2 試驗方法及數據處理

2.2.1 土壤水分入滲測定 于2014年3月，在研究區使用Hood IL-2700土壤水分入滲儀測定每個試驗點的土壤水分入滲情況。Hood IL-2700土壤水分入滲儀由儲水管、連接管、鋼圈、水罩、數據采集器等組成，試驗時，要在比較平坦的地方安裝鋼圈，把鋼圈的一部分壓入土壤，安裝地若有植被，最好把植被切割至約5 mm高；將水罩放入鋼圈內，水罩與鋼圈之間用直徑小于2 mm的飽和濕沙密封；給U型管注水至零刻度線，關閉所有閥門并連接管路，之后給內外管注水，內管水面要略高于外管水面，在內管中插入調壓管；吸氣球與調壓管調節水罩中間水柱高度和U型管的液面高度差值，該差值是Hood水罩中施加在土壤表層的壓力值；連接數據采集器，數據便會自動記錄到數據采集器中來。室內采用LOG_UGT軟件，將數據由采集器導入計算機，使用Excel，SPSS和Graph軟件進行數據處理和圖表制作，最終得出土壤的初始入滲、穩定入滲率、滲透系數和穩滲歷時4個土壤入滲特性指標。

土壤初始入滲率(mm/min)：指土壤入滲初期，單位時間內地表單位面積土壤的入滲水量[15]。Hood入滲儀的土壤初始入滲率計算公式為：

(1)

式中：f0——土壤初始入滲率(mm/min)；q0——入滲開始3 min的實測累積入滲量(mm)；t0=3 min。

土壤穩定入滲率(mm/min)：入滲后期水流較為穩定時的入滲速率，它等于或接近飽和導水率[15]。Hood入滲儀的土壤穩定入滲率計算公式為：

(2)

式中：fs——10℃標準水溫時土壤入滲速率(mm/min)； Δh——某一時段Δt供水桶讀數差值(mm)； Δt——時段(min)；T——某時段的平均水溫(℃)；f——橫切面面積指數，即儲水管截面積與入滲面積之比，小Hood罩為0.313，大Hood罩為1.56。

土壤滲透系數(cm/s)：在單位水壓梯度下，通過垂直于水流方向的單位土壤截面積的水流速度，又稱土壤飽和導水率[16]。Hood入滲儀的土壤滲透系數(土壤飽和導水率)計算公式為：

(3)

α=(h1，h2<3)

(4)

式中：Ks——穩定入滲率(mm/min)；h——壓力值(cm)；r——圓形入滲面半徑(cm)；α——與土壤結構和毛管吸力有關的因子。

土壤穩滲歷時，是指土壤層全部飽和時，入滲不再隨入滲歷時的延長而變化所需要的時間[17]。

2.2.2 土壤物理性質測定 于2014年2月在區域內布置標準樣地，采用環刀法對每個樣地分點分層(每個樣地選擇3個采樣點，每個采樣點分0—20，20—40，40—60 cm共3層)取樣，室內測定容重、孔隙度、自然含水率等土壤物理指標。

土壤容重的計算：

(5)

式中：d——土壤容重(g/cm3)；M1——環刀質量(g)；M2——環刀和干土的質量(g)；V——環刀容積(cm3)。

自然含水率的計算：

(6)

式中：θ——自然含水率(%)；M1——鋁盒加濕土重(g)；M2——鋁盒加干土重(g)；M3——鋁盒重量(g)。

孔隙度的計算：

(7)

(8)

(9)

式中：Pt——總孔隙度(%)；Pc——毛管孔隙度(%)；Pu——非毛管孔隙度(%)；W2——土壤飽和重(g)；W3——排出重力水后土壤重量(g)；W4——土壤干重(g)；v——環刀體積(cm3)。

2.2.3 枯落物持水性能測定 將枯落物風干稱重后置于清水中浸泡24 h，取出待樣品無重力水滴落時稱重，用以測量其最大持水率與最大持水量。

最大持水率的計算：

(10)

式中：P——最大持水率(%)；X1——枯落物風干重(g)；X2——浸水24 h枯落物濕重(g)。

最大持水量的計算：

W=W1×P

(11)

式中：W——最大持水量(g)；W1——枯落物重量(g)；P——最大持水率(%)。

3 結果與分析

3.1 景觀類型對土壤入滲特性的影響

3.1.1 不同景觀類型土壤入滲特性的差異 利用入滲儀對哈尼梯田水源區全福莊流域不同景觀類型土壤的入滲性能進行測定，并將各土地利用類型下各樣地值進行平均，得到初始入滲率、穩定入滲率、滲透系數3個特征值(表2)。從這3個特征上看，各景觀類型土壤的初始入滲率、穩定入滲率存在較大的差異。各個特征值的最大值均分布在園地上，最小值則分布在耕地上，且園地的特征值明顯的大于其他樣地值。這說明受人類活動影響強烈的園地和耕地土壤結構與其他自然樣地或人類影響較小樣地之間存在差異。從土地利用類型土壤初始入滲率、穩定入滲率、滲透系數3個特征值來看，研究區土壤入滲特性呈現出：園地>草地>林地>耕地的特點，其中林地和草地特征值較為接近，耕地和園地相差較大。

表2 哈尼梯田水源區不同景觀類型土壤入滲特性

從不同類型景觀上看，林地和草地兩種帶有植被的景觀類型土壤入滲特性基本相似，其中初始入滲率僅相差0.05 mm/min穩定入滲率相差0.23 mm/min，滲透系數則差0.27 cm/s，穩滲歷時差0.18 h；而測試時沒有植被，且未翻耕的耕地的土壤入滲特性則要明顯小于帶有植被的2個景觀類型，也要明顯小于已經翻耕的園地。一般認為，初始入滲率越大，下滲能力越強，反之，初始入滲率越小，下滲能力越弱；穩定入滲率越高，則下滲強度越大，土壤入滲性能越好；而滲透系數的變化趨勢與穩定入滲率的變化大體一致，而滲透系數代表著水體通過土壤孔隙骨架的難易程度，是代表土壤滲透性強弱的定量指標之一。因此，在去除有人類活動翻耕影響的園地類型景觀之后，其余的3種類型景觀的入滲特性出穩滲歷時外，則呈現出：草地>林地>耕地的情況。

3.1.2 同一景觀類型內土壤入滲特性差異 在同一景觀類型內的多個樣點間的土壤入滲特性也存在差異(表3)，在森林類型景觀內，共有原始林、次生林和人工林3種樣地類型，其中，人工林的土壤入滲特性要明顯的比原始林和次生林差，森林景觀類型的入滲特性整體上則為：次生林>原始林>人工林。而在草地類型景觀內，有荒草地和蕨草地2個樣地，兩者的初始入滲率和穩滲歷時基本一致，但穩定入滲率、滲透系數則為草地大于蕨草地。

表3 哈尼梯田水源區同一景觀類型內土壤入滲特性

3.2 枯落物對土壤入滲特性的影響

3.2.1 不同景觀類型枯落物對土壤入滲特性的影響 枯落物是植被地面以上部分器官枯死脫落后堆積而成的半分解凋落物，能增加土壤有機質、改善土壤結構，具有涵養水源的功能，對土壤水分的入滲性能也有較大的影響[18]。不同景觀類型內土壤入滲性能差異較大，可能與不同景觀內枯落物差異有關。如表4所示，研究區4種景觀類型中，除園地和耕地無枯落物外，其余2種景觀類型枯落物均較多，持水率較大，儲水性能較好。從枯落物厚度來看，森林景觀類型要明顯厚于草地景觀類型，因此其枯落物總量和最大持水量也要高于草地，但最大持水率則是草地要大于森林。說明，草地景觀類型要比森林景觀類型的保水效率高，但由于枯落物量的限制，其持水量要小于森林景觀類型。

表4 哈尼梯田水源區不同景觀類型枯落物持水性能

3.2.2 同一景觀類型枯落物對土壤入滲特性的影響 在同一景觀類型內(表5)，森林景觀類型的3個樣地中，人工林的枯落物厚度、總量及其最大持水率、持水量均最小，而原始林、次生林的枯落物厚度、總量及其最大持水率、持水量均較高，3個樣地的枯落物持水性能呈現出：原始林>次生林>人工林的情況。在草地景觀類型的2個樣地中，荒草地和蕨草地的枯落物厚度、持水性指標基本一致，也呈現出枯落物厚度大，枯落物總量多，最大持水量大的特征。從整體上看，在森林和草地2種景觀類型的5個樣地中，原始林的枯落物厚度最大，枯落物總量最多，最大持水量最高；荒草地則是最大持水率最高。這說明，枯落物總量、最大持水量與枯落物厚度存在明顯正相關關系，而最大持水率則與枯落物類型和結構、質地有關。

表5 哈尼梯田水源區同一景觀類型內枯落物持水性能

3.3 土壤物理性質對入滲的影響

3.3.1 不同景觀類型間土壤物理性質差異 土壤水分入滲是土體外部水分進入土壤的運動和再分配轉化的復雜過程，實質是水分在土壤內部空隙間不斷深入流動的過程[19]。因此，土壤水分入滲的速率主要取決于土壤孔隙度和容重的大小，也與土壤的自然含水率有一定的相關性[20-21]。土壤容重表示單位容積原狀土壤的質量(風干)，其大小主要由土壤孔隙度及土壤固體數量決定，總孔隙度越大，容重越小，土壤水分入滲速率與飽和導水率就越大，反之，總孔隙度越小，容重越大，土壤水分入滲速率與飽和導水率就越小，容重與總孔隙度呈負相關，與土壤水分入滲速率呈負相關，總孔隙度與土壤水分入滲速率呈正相關。由表6可知，研究區4種不同景觀類型間的各項土壤理化性質指標均存在差異。從最能影響水分入滲的土壤孔隙度和容重來看，森林、草地、耕低和園地4種景觀類型在3個深度上的總孔隙度差距不大，但受到人類活動影響的園地3個深度上的毛管孔隙度(48.81%，48.69%和46.55%)和耕地上的毛管孔隙度(41.94%，39.64%和38.61%)要高于自然環境下的森林和草地景觀類型，而非毛管孔隙度則小于森林和草地景觀類型，但是由于耕地沒有像園地一樣受到翻耕影響，所以毛管孔隙度沒有像園地那樣的明顯。在土壤容重方面，4種景觀類型不同深度上的容重也相差不大，但受人類活動影響的耕地和園地景觀類型要稍稍大于自然狀態下的森林和草地景觀。就自然含水率來看，從大到小依次為：森林>草地>園地>耕地，森林景觀類型最大達到36.27%，耕地類型景觀最小為25.07，即自然狀態下的森林和草地景觀類型的自然含水率要高于園地和耕地。

表6 哈尼梯田水源區不同景觀類型間土壤物理性質差異

3.3.2 不同景觀類型間土壤物理性質差異 由表7可知，在森林景觀類型內部人工林3個深度上的容重(1.14，1.12，1.18 g/cm3)，要大于原始林和次生林，因此人工林土壤的總孔隙度和自然含水率也相應的小于原始林和次生林，從整體上來看，森林景觀類型內部土壤物理性質存在差異，入滲能力呈現出原始林>次生林>人工林。從草地景觀類型內部來看，荒草地3個深度上的容重(1.08，1.11，1.18 g/cm3)要大于蕨草地，因此荒草地土壤的總孔隙度和自然含水率也要小于蕨草地。從研究區4種不同景觀類型的7個樣地來看，土壤容重和總孔隙度有顯著的差異，容重大小介于0.96～1.18 g/cm3，由大到小排列為：耕地>人工林>荒草地>園地>次生林>原始林>蕨草地，總孔隙度大小介于50.88%～63.60%，由大到小排列為：蕨草地>原始林>次生林>園地>草地>人工林>耕地。由此順序可以看出，除受人類活動干擾較嚴重的園地土壤外，其余樣地土壤的容重和總孔隙度呈反比。

表7 哈尼梯田水源區同一景觀類型內部土壤物理性質差異

3.4 影響土壤入滲關鍵因素的相關性分析

除自然因素外，人為因素如耕種、灌溉等對土壤水分入滲也會產生較大的影響。研究區4種景觀類型中，茶園入滲試驗時其表土層受人工翻松不久，且園內除茶樹外很少有其他植被，無枯落物，表層土體結構破壞嚴重，表土層極為疏松，其中有較大的土塊存在，土壤初始入滲率、穩定入滲率、滲透系數均最大。而耕地則為未經翻松的土豆地，土豆剛出苗不久，根系極少，表層土壤顆粒較細，有輕微結皮現象，表層土約10 cm以下土層板結，質地較硬，初始入滲率、穩定入滲率、滲透系數在4種景觀類型中均最小。這些人為擾動使得土壤入滲與土壤孔隙度、枯落物持水性的相關性分析不明顯。

在去掉這兩類景觀類型影響后可以看出(表8)，土壤滲透性能與枯落物最大持水率和最大持水量呈正相關，枯落物總量大，持水量大，土壤入滲性能強；森林景觀類型中的原始林，次生林枯落物層次厚，總量多，持水量大，土壤入滲性能強；而草地景觀以及人工林枯落物總量與持水量較小，入滲速率也隨之降低。

表8 哈尼梯田水源區土壤物理性質與土壤滲透性相關性分析

結合表2，表8可以看出，除園地之外，其余景觀類型的初始和穩定入滲速率、滲透系數與土壤容重呈負相關，與總孔隙度和毛管孔隙度呈正相關，與非毛管孔隙度呈負相關。園地因受人為因素影響較大，入滲速率、滲透系數高于其他景觀類型，與土壤容重、孔隙度的相關性不明顯。自然含水率對土壤水分的入滲有重要的影響，自然含水率過高會降低土壤的入滲性能，相同條件下，自然含水率越高，入滲速率越低；自然含水率越低，入滲速率越高。通過表7—8可以看出，區域內土壤的入滲特性與自然含水率呈負相關關系，初始入滲率與自然含水率的相關系數為-0.125，穩定入滲率與自然含水率的相關系數為-0.129。

4 結 論

(1) 從景觀類型來看，在排除人為干擾的園地類型景觀后研究區不同景觀類型土壤入滲性能由強到弱依次為：草地類型景觀>森林類型景觀>耕地類型景觀；在研究區同一景觀內部的入滲特性也存在差異，在森林景觀類型內部不同樣地的土壤入滲特性由強到弱依次為：原始林>次生林>人工林，在草地景觀類型內部則為：草地>蕨草地。

(2) 從不同景觀類型間枯落物特征來看，枯落物總量、最大持水量與枯落物厚度存在明顯正相關關系，而最大持水率則與枯落物類型和結構、質地有關，不同景觀類型中，枯落物厚度較大(3.63 cm)的森林景觀類型的枯落物總量41.16 t/hm2，最大持水量113.23 t/hm2，要明顯大于枯落物厚度為2.25 cm草地景觀的12.86，50.37 t/hm2；而草地景觀類型的最大持水率要比森林景觀大，則說明草地景觀類型枯落物的持水性要優于森林景觀類型。

(3) 從同一景觀類型內枯落物特征來看，枯落物總量、最大持水量與枯落物厚度同樣存在明顯正相關關系，草地景觀類型內2個樣地枯落物厚度相差不大(2，2.5 cm)，則其枯落物總量與最大持水率也相差不大；在森林景觀類型內部3個樣地枯落物厚度相差較大(5，4.2和1.7 cm)，其枯落物總量與最大持水率相差較大；從枯落物的持水性能上看：荒草地>蕨草地>原始林>次生林>人工林。

(4) 從不同景觀間的土壤物理性質來看，土壤容重和孔隙度是影響土壤入滲的重要因素，自然含水率的變化也與土壤容重和孔隙度有關。在不同景觀間，森林、草地、耕地和園地4種景觀類型在3個深度上的土壤容重和總孔隙度差距不大，但受到人類活動影響的園地和耕地上的毛管孔隙度要高于自然環境下的森林和草地景觀類型，土壤容重也呈現出人類影響景觀類型大于自然景觀類型的情況；自然含水率從大到小則依次為:森林>草地>園地>耕地，即自然狀態下的森林和草地景觀類型的自然含水率要高于園地和耕地。

(5) 從同一景觀類型內部的土壤物理性質來看，在森林景觀類型內人工林的土壤容重要大于原始林次生林，相應的人工林土壤總孔隙度和自然含水率也小于原始林和次生林；在草地景觀類型內荒草地的土壤容重要大于蕨草地，因此荒草地土壤的總孔隙度和自然含水率也要小于蕨草地。

(6) 從研究區4種不同景觀類型的7個樣地來看，在排除人為干擾后各景觀類型的入滲速率、飽和導水率與土壤容重呈負相關，與毛管孔隙度呈負相關，與非毛管孔隙度呈正相關。