三峽山地不同類型植被和坡位對土壤水文功能的影響

婁淑蘭,劉目興,3,*,易 軍,張海林,李向富,楊 葉,王秋月,黃建武,3

1 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室, 武漢 430079 2 華中師范大學城市與環境科學學院, 武漢 430079 3 華中師范大學可持續發展研究中心, 武漢 430079

涵養水源、保持水土是森林生態系統的主要生態功能之一,而其調水、蓄水和持水功能則主要通過土壤層完成[1-2]。土壤層調蓄降水的機制包括水分入滲和水分儲存,調蓄能力因土壤理化性質的差異而不同。對于森林土壤的水文功能,國內外已有大量研究,如不同森林類型土壤的物理性質、入滲能力和持水蓄水能力[3- 4],不同土地利用類型的土壤滲透和持水能力[5-6],坡面表層土壤含水量、容重和飽和導水率[7]以及地形坡位對土壤水分變化的影響等[8,9]。可見,森林生態系統的土壤理化性質和水文功能受到森林植被覆蓋和地形坡位的共同影響。

三峽庫區地處青藏高原與長江中下游平原的過渡帶,庫區95%以上為山地丘陵區[10],降水集中且多暴雨,水土流失問題十分嚴重。庫區內地勢起伏明顯,植被類型多樣,不同類型植被和坡位處的土壤理化性質差異顯著[11],進而影響土壤的入滲性能和水分儲存能力,呈現出不同的土壤水文功能[12]。余新曉等[13]在四川貢嘎山,王玉杰等[14]和成晨等[15]在重慶縉云山,劉目興等[16]在壩區不同類型的林地分別對長江中上游或庫區內主要森林類型土壤的水分入滲性能或持水能力進行了研究,李向富等[17]在三峽庫區不同海拔高度和王云琦等[18]在重慶縉云山分別對三峽庫區不同森林類型的土壤水文功能進行了綜合研究,發現不同森林類型的土壤入滲性能和持水能力不同,且與土壤理化性質的差異密切相關。然而,這些研究主要集中在某些植被類型影響下的土壤入滲性能或持水能力,對森林土壤水文功能的綜合研究較少。此外,地形作為影響山地土壤分布的重要因素,在當前三峽山地土壤水文功能的研究中需更多關注。因此,結合坡位和植被覆蓋進行綜合評價,才能解釋山地不同景觀部位土壤層水文功能的成因。本研究以長江三峽大老嶺山地為研究區,在常綠林地、落葉林地和草地等3種植被覆蓋下坡上、坡下共6個樣地采集原狀和擾動土壤樣品,測定其基本理化性質和水文功能指標,定量評價不同植被類型和坡位土壤入滲性能和持水能力等水文功能,并揭示其主要影響因子,為三峽山地水土流失防治提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖北省宜昌市大老嶺林區至夷陵區境內(30°00′13″N—31°28′30″N,100°51′8″E—111°39′30″E),海拔在1180—1310 m,地質基礎以酸性結晶巖為主。氣候屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,降水集中且多暴雨,年平均氣溫16.7℃,平均降水量1101.1 mm,平均蒸發量950 mm,≥10℃的積溫5403.7℃,無霜期283 d。由于長期人類活動干擾,該地段植被已鮮有原生常綠闊葉林,現多為馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook.)、鐵堅油杉(Keteleeriadavidiana(Bertr.) Beissn.)、栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)和板栗(Castaneamollissima)等[19]。

經野外調查,選取3種植被覆蓋差異較為明顯的坡地作為研究樣地,在每個坡地的上、下坡位均設置樣方進行植被調查。在常綠林地上、下坡各設置1個20 m ×20 m樣方,植被以馬尾松、杉木等常綠針葉樹種為主;落葉林坡地由于地形限制,共設置5個5 m×5 m樣方,植被以枹櫟、木姜子(LiseapungensHemsl.)等落葉小喬木為主;草地樣地是因營造防火帶砍伐林木而形成的次生草地,地形呈梯田狀,除坡上有少量灌木,坡地植被覆蓋均為草本植物。

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設與實驗土樣采集

野外實驗于2017年6—8月進行,經過多次樣點勘察確定6個研究樣地,分別是常綠林地、落葉林地、草地覆蓋下的坡上、坡下樣地。在各樣地分別選取典型地段進行土壤初步調查,挖掘土壤剖面。對每一土壤發生層進行土壤樣品采集,用容積為100 cm3的環刀采集原狀土樣,每個土壤分層取5或8個樣品,共采集240個環刀土樣。同時,在每個土壤分層采集10 cm × 10 cm× 10 cm的擾動土。將所有樣品帶回實驗室,測定土壤理化性質及水文功能。

1.2.2土壤理化性質與水分特征參數

(1)土壤理化性質的測定：將帶回實驗室的原狀土樣飽和以及擾動土樣風干處理后測定相關土壤理化性質,其中土壤機械組成采用吸管法測定,有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定[20],容重采用環刀法測定,各樣地土壤理化性質和部分結構特征測定結果見表1和表2。

圖1 研究區位圖及各樣點圖示Fig.1 Location of the study area and the representation of the sites

(2)土壤飽和導水率的測定：將原狀土樣飽和24 h后,使用土壤滲透率儀,采用定水頭法測定土壤飽和導水率Ks[20]。測定過程中,維持馬氏瓶進氣口內起泡點至滲透率儀出水口之間的距離H不變,測定總出流量和相應出流時間,計算Ks(圖2)。

(1)

式中,Ks為飽和導水率,cm/min;Q為出流量,cm3;L為樣品高度,即環刀長度,cm;A為樣品橫截面積,即環刀底面積,cm2;H為水頭差,cm;t為出流時間,min。

(3)土壤水分特征曲線的測定：將原狀土樣飽和,采用離心機法測定土壤水分特征曲線。首先測定土樣飽和時的土壤體積含水量,并記錄不同轉速離心實驗后土樣的含水量,根據轉速計算對應的離心力,最大為1 bar。將實驗結果在RETC軟件中利用van Genuchten模型進行擬合,繪制土壤水分特征曲線(圖3)。

(4)土壤孔隙度：土壤中毛管孔隙內的水分受毛管力作用可以長時間保存,持續供給植物生長發育,而非毛管孔隙是土壤重力水移動的主要通道,非毛管孔隙多的土壤水分下滲快,滲透性好,蓄水的功能差。在數值上,土壤總孔隙度等于土樣飽和時的土壤體積含水量,毛管孔隙度等于離心力0.1 bar時的土壤體積含水量[21],則非毛管孔隙度等于總孔隙度減去毛管孔隙度(表2)。

(5)土壤持水量和水分庫容的測定與計算：土壤飽和含水量(θs)、毛管持水量、田間持水量(θf)和凋萎含

表1 各樣地土壤基本理化性質

A、E、B、C分別為腐殖質層、淋溶層、淀積層和母質層

水量(θw)分別以環刀土在離心實驗0 bar、0.1 bar、0.33 bar和15 bar離心力下的土壤質量含水量表示[21-22]。其中,各土樣的毛管持水量、田間持水量均通過土樣的離心實驗測定,15 bar時的凋萎含水量則利用吸濕系數進行計算[20]：

θw=1.75×θh

(2)

式中,θh為吸濕系數。

表2 各樣地土壤結構特征(平均值±標準差)

土壤水分庫容是反映土壤蓄水能力的一項重要指標,可通過不同的土壤水分常數計算得到。本文選用飽和含水量、田間持水量和凋萎含水量來計算不同層次的土壤水分庫容。土壤總庫容為利用飽和含水量得到的土壤蓄水量,為土壤所能容納的水分總量。土壤死水庫容為利用凋萎含水量得到的土壤蓄水量,無法供植物利用且難以參與水分循環,從而不具備調蓄徑流的作用。利用田間持水量得到的水分庫容為土壤所能穩定保持的最大水分容量。興利庫容為田間持水量與凋萎含水量之差對應的土壤蓄水量,表征土壤長時間的蓄水量[23]。具體計算方法如下：

(3)

(4)

(5)

Wy=Wf-Wd

(6)

式中：Wt為某樣地土壤的總庫容(mm);Wf為田間持水量對應的庫容,相當于興利庫容和死水庫容之和;Wd為死水庫容;Wy為興利庫容;h為土層的厚度(cm);n為土層數。研究中各庫容參數以0—100 cm土層厚度計算。

采用Excel、SPSS 22軟件進行實驗數據的統計分析,用Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被覆蓋和坡位處土壤飽和導水率

三峽山地大老嶺研究區各樣地土壤飽和導水率總體均隨土壤深度增加波動降低,但各樣地之間差異明顯(圖2)。不同植被類型比較,常綠林地平均土壤飽和導水率為128.22 cm/d,遠大于落葉林地(57.83 cm/d)和草地(38.35 cm/d),分別為落葉林地和草地土壤飽和導水率的2.22倍和3.34倍,即常綠林地>落葉林地>草地,表明常綠林地土壤滲透速率高于落葉林地和草地。相同植被類型的不同坡位樣點比較,土壤飽和導水率均表現為坡上(99.27 cm/d)高于坡下(58.04 cm/d),只有落葉林地坡下土壤表層0—20 cm深度范圍內土壤飽和導水率(113.53—137.03 cm/d)大于坡上(73.62—100.81 cm/d)。這主要是因為落葉林地坡上土壤表層容重(1.13 g/cm3)大于坡下(0.77 g/cm3),土壤致密,不易透水。

由圖2中土壤飽和導水率標準差(直線長度),可見各樣地飽和導水率數據變異性差異明顯。綜合對比各樣地土壤飽和導水率,均表現為土壤表層變異性強于底層。植被類型上表現為常綠林地土壤飽和導水率變異性較強,落葉林地和草地較弱;相同植被類型不同坡位比較,坡上土壤飽和導水率變異性強于坡下。這是因為土壤表層植物根孔和動物蟲孔分布較多且不均勻,土壤孔隙分布不均,而隨著深度增加動植物影響均逐漸減弱,土壤孔隙減少,因而土壤表層滲透速率較快且變異性較大,而隨著深度增加滲透速率減慢,變異性減小。

圖2 各樣地土壤飽和導水率Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity in different sites

2.2 不同植被覆蓋和坡位處土壤水分特征曲線

RETC擬合結果顯示R2在0.95—0.99之間,相關系數高,實驗數據可信。各樣地土壤含水量隨著離心力的增加逐漸降低。在吸力值從0增加至0.1 bar時,土壤含水量迅速下降。不同植被類型比較,常綠林地土壤體積含水量平均下降幅度最大,為36.24%,分別為落葉林地(32.46%)和草地(23.20%)的1.12倍和1.56倍。其中,常綠林地腐殖質層土壤含水量從0.58 cm3/cm3下降至0.33 cm3/cm3,下降幅度為43.36%,高于落葉林地(39.96%)和草地(37.10%);樣地土壤淋溶層和淀積層的下降幅度以常綠林地最大,為23.31%—55.51%,落葉林地降幅其次(9.39%—52.87%),草地最小(9.20%—33.82%);各樣地母質層在0—0.1 bar吸力值段,除常綠林地坡上樣地下降幅度較大(48.87%),其余樣地下降幅度均較小(9.56%—36.95%)。相同植被類型不同坡位比較,坡上土壤體積含水量平均下降幅度為45.58%,為坡下(22.34%)的2.04倍。坡上腐殖質層平均土壤體積含水量從54.78 cm3/cm3下降至31.25 cm3/cm3,下降幅度為42.96%,高于坡下(37.57%);坡上淋溶層和淀積層平均土壤含水量下降幅度為46.12%—52.87%,高于坡下14.51%—22.62%。隨著吸力值的繼續增加,在0.1—1 bar吸力值段,土壤含水量緩慢降低。比較不同植被類型樣地,常綠林地土壤體積含水量平均下降幅度為27.04%,高于落葉林地(24.02%)和草地(21.65%)。相同植被類型不同坡位樣地比較,表現為坡上土壤體積含水量平均下降幅度(28.53%)高于坡下(22.38%)。

圖3 各樣地土壤水分特征曲線Fig.3 Soil water characteristic curves in different sites

在離心實驗的相同吸力值下,土壤體積含水量越高,下降幅度越小,表明其持水能力越強,反之越弱[24]。不同植被類型比較,吸力值相同時,3種植被類型下土壤體積含水量表現為草地>落葉林地>常綠林地,即草地土壤的持水能力最強,其次是落葉林地,常綠林地最弱;相同植被類型不同坡位比較,吸力值相同時,坡下土壤體積含水量普遍高于坡上,即坡下土壤的持水能力較強,坡上土壤較弱。

2.3 不同植被覆蓋和坡位處土壤持水性能參數和水分庫容

不同植被類型土壤的飽和含水量差異較小(45.28%—51.53%),但毛管持水量和田間持水量差異明顯。草地的毛管持水量和田間持水量為20.77%—50.39%,高于落葉林地(16.69%—48.08%)和常綠林地(12.64%—49.04%)。對于相同植被類型不同坡位樣地,坡下土壤的各持水量均值為40.18%,是坡上土壤(29.92%)的1.34倍。同一樣地的不同發生層比較,飽和含水量均表現為表層大于下層。各樣地土壤飽和含水量從腐殖質層到母質層的下降幅度介于25.73%—60.30%。毛管持水量和田間持水量隨土壤深度的增加波動變化,腐殖質層至淀積層基本逐漸減小,母質層略有增加。各樣地凋萎含水量隨深度波動變化,無明顯變化規律。

表3 各樣地土壤持水性能參數和水分庫容(平均值±標準差)

Wt：土壤總庫容 total storage capacity of soil；Wf：田間持水量對應的庫容 storage capacity corresponding to field water holding capacity；Wd：死水庫容 dead capacity；Wy：興利庫容 utilizable capacity of soil

不同樣點0—100 cm深度土壤庫容量差異較大。不同植被類型比較,表現為常綠林地的總蓄水量(Wt)最高,為506.49 mm,其次為草地(471.10 mm),落葉林地最小(430.74 mm)。由田間持水量計算得到的土壤水分庫容(Wf)為土壤能穩定保持的最大水分容量,3種植被類型從大到小依次為草地、常綠林地和落葉林地。兩水分庫容量相比,3種植被類型中由田間持水量得到的水分容量占總庫容的百分比以草地最大,為63.25%,高于落葉林地(60.75%)和常綠林地(55.00%)。各樣地死水庫容差異不大,在50.07%—66.59%范圍內,以落葉林地坡下最高、常綠林地坡下最低。而興利庫容則以常綠林坡下最高,落葉林坡上最低。相同植被類型不同坡位比較,坡上土壤各平均庫容量均小于坡下,其中坡下由田間持水量得到的水分庫容占總庫容的百分比為67.90%,為坡上(50.25%)的1.35倍。

綜合對比各樣地土壤持水性能參數和水分庫容,不同植被類型比較,草地的持水性能最強,更利于土壤保蓄水分,其次是落葉林地,最后是常綠林地。相同植被類型不同坡位比較,坡下土壤的持水性能強于坡上。

2.4 土壤理化性質對土壤水文功能的影響

土壤的入滲性能和持水能力取決于土壤質地、孔隙結構、有機質含量等土壤性質。對6個研究樣地土壤的飽和導水率、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量等土壤持水參數與總孔隙度、容重、有機質含量、砂粒、粉粒和粘粒含量等土壤理化性質參數分別進行了相關性分析。相關分析樣本量在40—200個,分析方法為雙變量相關分析,選擇Pearson簡單相關系數,采用雙尾檢驗法,顯著性水平α=0.01,分析結果如表4。飽和導水率與土壤總孔隙度、有機質含量呈顯著正相關(P<0.01),與容重呈顯著負相關(P<0.01)。飽和含水量、毛管持水量、田間持水量均與土壤總孔隙度、有機質含量和粉粒含量呈顯著正相關(P<0.01),與容重和砂粒含量呈顯著負相關(P<0.01)。

表4 各樣地土壤水文功能參數與土壤性質的相關分析

**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關

3 討論

3.1 不同植被覆蓋影響土壤水文功能的原因

研究區6個樣地空間距離較近,氣候特征差異小,土壤性質的差異主要源于樣地間植被覆蓋和坡位的不同。不同植被覆蓋由于根系生長發育差異影響土壤的機械組成,進而影響土壤孔隙結構和容重。同時,植被類型的差異還導致了林下枯落物的組成和分解狀況的差異,從而改變不同植被覆蓋土壤的有機質含量,劉敏等[25]在重慶縉云山的研究以及陳文靜等[26]在川西人工林的研究都發現了類似規律。樣地共包含3種植被類型,其中常綠林地人為干擾強度小,樹木種類復雜,植被茂密,土壤表層根系發育,土壤孔隙結構較好,非毛管孔隙度高,土壤容重小,有機質含量高;草地為人類營造防火帶而砍伐植被形成,人類活動作用較強,地形呈梯田狀,土壤孔隙結構較差,非毛管孔隙度低,土壤容重大,有機質含量低;落葉林地樹齡普遍較小,植被根系發育一般,與常綠林地和草地相比,孔隙結構一般,非毛管孔隙度、土壤容重和有機質含量均屬于中等。這與杞金華等人在哀牢山的研究結果相似,其指出植被較為發達的根系可有效改善森林土壤的孔隙結構[27]。

飽和導水率是表征土壤入滲性能的重要指標,飽和導水率越高,降雨過程中水分入滲越快,越不易形成地表徑流,從而減小土壤地表流失量[25,28]。研究區3種植被覆蓋下土壤飽和導水率大小依次為常綠林地>落葉林地>草地,各樣地飽和導水率隨深度增加波動降低。研究表明,飽和導水率受到土壤孔隙度、土壤容重、土壤機械組成等多種因素影響[29- 32]。其中常綠林地和落葉林地植被較為茂密,根系發達,導致土壤非毛管孔隙度高且容重小,水分更加便于入滲;而草地由于過去人類活動的影響,土壤緊實,孔隙度低,容重大,水分不易滲透。此外,由于土層越深,土壤有機質減少,土壤孔隙度也隨著土層的加深而減小,容重增大,因此土壤飽和導水率隨著土壤深度的增加波動降低。相關性分析結果表明,各樣地土壤飽和導水率主要受土壤總孔隙度、容重和有機質含量影響,表明土壤結構是影響山地土壤飽和導水率的主要因素,這與余新曉等[13]對長江上游亞高山暗針葉林土壤的水分入滲研究結果相一致。

土壤持水性能與土壤的孔隙狀況密切相關,非毛管孔隙在吸水后將水分快速運移下滲,而毛管孔隙水運動速度較慢,可以長時間保存[1,33]。研究區3種植被類型中,土壤非毛管孔隙度和毛管孔隙度大小相反,其中非毛管孔隙以常綠林地最高,草地最低,表明常綠林地土壤入滲速度快而持水性能差,草地土壤入滲速度慢而持水性能高。同一樣地隨著土壤深度增加,總孔隙度和非毛管孔隙度均逐漸減小,因此土壤入滲速度減慢而持水能力變強。水分庫容則更能直接地表現土壤的持水性能,雖然常綠林地的總庫容較大,但因為此時的庫容是土壤達到飽和時的瞬時貯水量,受重力作用影響水分會不斷向深層下滲;而田間持水量對應的水分庫容為土壤可穩定保持的最大水分容量,其中草地土壤可穩定保持的最大水分容量占總庫容的百分比最大,常綠林地最低。因此草地土壤更易于保蓄水分,而常綠林地更易于將水分傳遞至下層用以補充地下水和調控河川徑流,從而利于水源涵養[33]。山地土壤持水能力主要受土壤容重、孔隙度、有機質含量和顆粒組成等因素的影響[34-35]。相關分析結果表明,土壤飽和含水量、田間持水量和毛管持水量與總孔隙度、有機質含量和粉粒含量呈顯著正相關,與容重和砂粒含量呈顯著負相關。這是因為土壤容重越小,孔隙度越高,土壤持水量也就越多,這與以往對土壤含水量與容重的研究結果一致[7,36]。而與砂粒含量呈負相關、與粉粒含量呈正相關,是因為毛管持水量對應的土壤水分保持主要是依靠細小毛管的強毛管力和土壤顆粒的吸附力作用,而砂粒含量越高,土壤顆粒比表面積越小,對水分的吸持越少。

3.2 坡位影響土壤水文功能的原因

山地地形影響土壤的形成和發育,不同坡位的水、熱條件和侵蝕過程不同,土壤屬性存在差異。樣地坡上土壤非毛管孔隙度高,容重小,有機質含量高,這是因為坡上土壤在形成過程中受侵蝕較重,砂粒含量高,土壤質地粗;而坡下土壤長期接受上層堆積,土層厚且土壤顆粒較細,非毛管孔隙度低,容重大,有機質含量低。由于不同坡位土壤性質的不同,土壤飽和導水率也存在明顯差異,即坡上土壤的飽和導水率大于坡下土壤。這是因為坡上土壤質地較粗,導水能力強,土壤入滲速度快,而坡下土壤質地緊實,不易透水,入滲速度慢,這與李軍等[37]在冀北山地不同坡位油松林所獲取的結果一致。

由于坡上土壤的非毛管孔隙度高于坡下,因而坡上土壤入滲速率快而持水性能低,坡下土壤相反。6個樣地不同坡位土壤的水分庫容也具備相同特征,除了草地坡上土壤水分總庫容高于坡下,其余兩種植被類型均表現為坡下土壤水分總庫容大于坡上。這是因為草地坡下受人為除草活動影響,土壤緊實,孔隙度低,難以儲水,而坡上存在少量灌木,孔隙度高。同時坡下土壤可穩定保持的最大水分容量占總庫容的百分比均高于坡上,即坡下土壤的持水能力強于坡上。這與李奕等[38]和陳波等[39]分別在大興安嶺山地和冀北山地的研究結果相一致。

4 結論

對三峽山地不同植被類型和坡位6個樣地的研究結果表明,不同植被類型下土壤性質差異明顯,土壤非毛管孔隙度和有機質含量均表現為常綠林地>落葉林地>草地,容重表現為草地>落葉林地>常綠林地;坡位對土壤性質也有較大影響,表現為坡上土壤的非毛管孔隙度和有機質含量均高于坡下,容重呈現相反的趨勢。土壤飽和導水率在植被類型上表現為常綠林地最大,其次為落葉林地,草地最小;在坡位上表現為坡上>坡下。

不同樣地土壤持水性能差異明顯,草地土壤毛管持水量和田間持水量高于落葉林地和常綠林地。對于相同植被類型不同坡位樣地,坡下土壤毛管持水量、田間持水量和凋萎含水量均高于坡上。綜合土壤水分庫容,草地土壤持水性能最強,其次是落葉林地,最后是常綠林地;坡位上表現為坡下土壤的持水性能強于坡上。

三峽山地土壤性質與土壤水文功能密切相關,相關分析結果表明,飽和導水率與土壤總孔隙度、有機質含量呈顯著正相關(P<0.01),與容重呈顯著負相關(P<0.01)。飽和含水量、毛管持水量、田間持水量均與土壤總孔隙度、有機質含量和粉粒含量呈顯著正相關(P<0.01),與容重、砂粒含量呈顯著負相關(P<0.01)。