上堡梯田区森林土壤水源涵养功能分析

王 姣，彭圣军，刘 颖，胡 强，虞 慧

（1.江西省水利科学研究院，南昌330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，南昌330029）

上堡梯田位于江西省崇义县境内，坐落在海拔2 061.3 m的齐云山山脉中，距今已有800 余年历史。梯田规模连片区总面积达2 044 hm2，核心区位于上堡乡，面积为1 491 hm2，占总面积的73%［1，2］。上堡梯田区无塘无库，却有源源不断的水流，其灌溉功能延续至今，得益于梯田上方的森林土壤系统这一“天然绿色水库”。涵养水源是森林土壤系统的重要功能之一，森林土壤系统依次通过林冠层、枯落物层和土壤层等3 个作用层对水资源进行调配蓄存。其中枯落物层和土壤层作为林分涵养水源的主体，其持水量约占林分水源涵养能力的85%［3-5］。当前已有学者对梯田区森林土壤涵养水源能力进行了研究，主要集中在云南哈尼梯田、湖南紫鹊界梯田和广西龙胜梯田等［6-8］。为探究上堡梯田区森林土壤涵养水源能力，选取梯田上方的森林土壤样地为研究对象，通过现场取样和室内实验，对试验区的森林枯落物持水性能、土壤物理性质及持水性能等指标进行了研究分析，成果可为评价森林生态水文功能和揭示梯田自流灌溉水源提供科学依据。

1 研究区概况

上堡梯田地处东经113°55′～114°38′、北纬25°24′～25°54′，属中亚热带季风湿润气候区。该地区年平均气温17.2 ℃，最高气温38 ℃，最低气温-8 ℃；年平均降雨量1 627 mm，雨量充沛［9］。土壤主要以黄泥土、灰泥土为主，土壤较肥沃。区域植被覆盖率高达85%，植物种类繁多，有杉木、罗汉松、毛竹等，杂生各种蕨类植物和苔藓植物。

由于梯田区客家人对土地精细耕作、开垦灌溉，在最大限度利用土地、山水和人力，完整保存山上的风水林、竹林，并从林中获得滋润作物的水源，使得上堡梯田由高到低形成了森林—村落—梯田—水系的整体空间格局。

2 研究方法

2.1 样地选取

在研究区内沿海拔高度根据林分类型选取了4 个20 m×20 m的试验样地，调查记录各样地的林分类型、经纬度、海拔高度、坡位等基本信息。各样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Tab.1 The basic situation of plots

2.2 样品采集与分析

在每个样地挖掘好的土壤剖面内，按0～20、20～40、40～60 cm 这3 个层次用环刀取原状土样，分析测定土壤容重、孔隙度、含水率和土壤渗透性能等物理性质，每层取3 个重复样。土壤容重和孔隙度测定采用环刀法，土壤含水率测定采用恒温箱烘干法［10，11］。土壤容重和孔隙度计算公式如下：

式中：ρt为土壤容重，g/cm3；G为环刀内原状土样重，g；V为环刀容积，cm3；w为原状土质量含水率，%；φ、φ1、φ2为总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，%；ρs为土壤比重；Gz为吸水3 h后环刀土样总重，g；Gh为环刀重，g；Gs为环刀内干土重，g。

土壤通气孔隙度是指气体填充土壤孔隙的体积比例，一般定义为＞50 μm的孔隙度［12，13］。其计算公式为：

式中：P为土壤通气孔隙度，%；ρw为水的密度，g/cm-3；其余符号意义同前。

土壤持水量计算公式如下：

式中：Qz、Q1、Q2分别为土壤饱和持水量、毛管持水量和非毛管持水量，t/hm2；d为土层厚度，m；其余符号意义同前。

土壤渗透性能一般采用野外原位双环法测定。双环的内环、外环直径分别为28、54 cm，高均为25 cm。土壤初渗速率以开始1 min时的入渗速率为标准，稳渗率采用以下公式计算［14］：

式中：Rs为10 ℃标准水温时土壤的入渗速率，mm/min；Δh为某一Δt时段水桶读数差值，mm；Δt为时段，min；T为某时段的平均水温，℃。

3 结果与分析

3.1 梯田区森林土壤物理性质

土壤容重一定程度上反映了土壤的孔隙状况和松紧程度，其大小与自身形成过程及植被、气候等密切相关。土壤容重及孔隙状况则直接影响土壤的蓄水及渗透性能。根据现场采集的土壤样品，通过室内实验及相关计算，得到梯田各林分样地土壤物理性质，见表2。

由表2可知，上堡梯田区森林土壤不同土层土壤的容重变化情况为：0～20 cm 土层土壤容重1.06～1.24 g/cm3，20～40 cm 土层土壤容重1.28～1.52 g/cm3，40～60 cm 土层土壤容重为1.33～1.57 g/cm3。据此可以看出，土壤容重基本上是随着土层的深度的增加而增大，即表层土壤较为疏松，深层土壤则较为紧密。这主要是由于表层土壤易受外界环境影响，水流的冲刷及枯落物腐烂分解后形成的腐殖质与黏粒结合形成微团聚体，都使表层土体变得疏松透水。深层土壤由于有机质含量较低，土壤的团聚性就弱，其增强了深层土壤的紧实度。土壤容重是影响土壤涵养水源能力的一个重要因素［15，16］，通常来说，土壤容水能力随容重增大而递减。

土壤孔隙度反映了土壤的通透性程度，是决定土壤涵养水源能力的一个最关键的指标。对森林生态系统而言，毛管孔隙度的大小体现了森林植被吸持水分以保证自身生长发育的能力，而非毛管孔隙度的大小则体现了森林植被蓄存水分涵养水源及削减洪水的能力。从表2可以看出，土壤孔隙度整体上是随着土层深度的增加而递减，其中0～20 cm 土层土壤毛管孔隙度为37.14%～43.53%，非毛管孔隙度为3.97%～17.17%；20～40 cm 土层土壤毛管孔隙度为21.98%～39.62%，非毛管孔隙度为0.13%～11.58%；40～60 cm 土层土壤毛管孔隙度为33.81%～38.28%，非毛管孔隙度为0.18%～5.31%。从土壤孔隙度随土层深度的变化规律来看，也说明了表层土壤疏松而多孔，深层土壤密实而少隙。各试验样地的毛管孔隙度差别不大，平均值为34.15%～38.94%，整体上呈现出高海拔土壤毛管孔隙度要大于低海拔土壤毛管孔隙度，各试验样地土壤毛管孔隙度均值大小排序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。各试验样地土壤总孔隙度平均值为39.43%～45.92%，由于土壤毛管孔隙度占总孔隙度比例达70%以上，占比较大，因此各试验样地土壤总孔隙度的变化规律情况与毛管孔隙度基本一致。

土壤通气孔隙度与土壤总孔隙度、土壤容重及土壤含水率关系紧密。土壤总孔隙度大，且土壤容重和含水率小，则其通气孔隙度大，通气孔隙发达的土壤可接纳较多的雨水，不致造成地表径流。表2结果显示，0～20 cm 土层土壤通气孔隙度为3.68%～17.17%，20～40 cm 土层土壤通气孔隙度为0.25%～10.17%，40～60 cm 土层土壤通气孔隙度为0.10%～5.06%。说明上堡梯田区森林土壤表层土壤通气孔隙度要远大于深层土壤，表层土壤通气性要远好于深层土壤。各试验样地土壤通气孔隙度差异明显，样地Ⅱ土壤通气孔隙度最大，平均值为10.83%；样地Ⅰ土壤通气孔隙度最小，平均值为1.57%。样地Ⅱ林分类型为毛竹林，毛竹林地枯落物含量普遍较高，这使得毛竹林地表层土壤的有机质含量较高，增强了微生物分解活动，从而提高了毛竹林地土壤的通气性。

表2 梯田区森林土壤物理特性表Tab.2 Physical properties of terraced forest soil

3.2 梯田区森林土壤持水能力

结合土壤孔隙度计算结果，经公式（6）～（8）计算得到梯田区森林土壤的持水能力，见表3。

表3 梯田区森林土壤持水性能表Tab.3 Water holding capacity of terraced forest soil

林地土壤持水能力是评价森林涵养水源功能的一个重要指标，其大小与土壤孔隙度及土壤层厚度有关。不同林地土壤孔隙度存在差异，林地的蓄水能力也就不同。由表3可知，从土壤饱和持水量的均值来看，不同林分类型、不同海拔高度的土壤蓄水能力不同，其大小顺序为Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ，样地Ⅱ的最大蓄水能力是样地Ⅰ的1.16 倍，说明试验区毛竹林地的最大蓄水能力要大于杉木林地。土壤有效持水量的大小则取决于土壤非毛管孔隙度的大小，一般将非毛管持水量即有效持水量作为评价土壤实际涵养水源能力的基本标准［3，17］。根据表3，试验样地土壤有效持水量的均值大小顺序为Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅲ，样地Ⅱ的有效蓄水能力是样地Ⅲ的5.56 倍，仍然反映了竹林地土壤的有效蓄水能力相对要强。60 cm 的土层中，土壤有效持水量的大小顺序为Ⅱ（664.80 t/hm2）＞Ⅳ（380.00 t/hm2）＞Ⅰ（316.80 t/hm2）＞Ⅲ（119.60 t/hm2），即毛竹林地土壤的有效蓄水能力远大于杉木林地。

3.3 梯田区森林土壤渗透性能

土壤的渗透能力一定程度上起着调节地面径流量的作用，也是反映森林土壤水源涵养作用的一个重要指标。表4列出了各试验样地土壤初渗率和稳渗率的值。

表4 各样地土壤样品的渗透能力 mm/minTab.4 Penetration ability of plots’soil

从表4可以看出，土壤的初渗率和稳渗率整体上随土层深度的增加而减小，表明各样地土壤渗透性能随土层深度的增加而减弱，这与森林对土壤的改良作用随土壤深度的增加而逐渐衰减有关。同时各样地表层土壤的初渗率和稳渗率差异较大，深层土壤的初渗率和稳渗率差异不明显，如0～20 cm 土层土壤的初渗率范围为8.56～22.32 mm/min，40～60 cm 土层土壤的稳渗率范围为0.02～0.04 mm/min。从表层土壤渗透速率来看，各样地土壤的初渗率和稳渗率大小排序为Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。

4 结 论

（1）土壤容重随土层深度增加，其值为1.06～1.576 g/cm3，呈现出随土层深度的增加而增大的变化规律；土壤孔隙度及通气孔隙度随土层深度增加，其值分别为54.31%～36.12%、17.17%～0.10%，呈现出随土壤深度的增加而减小的规律。其反映出研究区表层土壤疏松多孔，涵养水源能力强，而深层土壤较为密实，涵养水源能力较弱。

（2）样地Ⅱ的最大蓄水能力平均值为918.33 t/hm2、有效蓄水能力平均值为221.60 t/hm2，是各试验样地中最大的，特别是其有效蓄水能力是样地Ⅲ（平均值为39.87 t/hm2）的5.56 倍，说明毛竹林地涵养水源能力较强。因此，在今后的林分布设和改造工作中，应强化对毛竹林的种植和保护，以提高区域森林生态系统的水源涵养能力。

（3）土壤入渗速率的大小也反映了土壤涵养水源能力强弱，研究区土壤的初渗率和稳渗率均呈现出随土层深度的增加而减小的变化规律，说明表层土壤涵养水源能力强于深层土壤。研究区各样地表层土壤（0～20 cm 深度）的初渗率和稳渗率变化范围分别为8.56～22.32、0.11～2.10 mm/min，差异较大；深层土壤（40～60 cm 深度）的初渗率和稳渗率变化范围分别为3.20～4.11、0.02～0.04 mm/min，差异较小。

（4）森林植被和土壤是影响森林水文生态功能的重要因素，拥有良好的森林生态系统和深厚的土壤，能显著增强区域水文生态功能和效益。因此，要维持上堡梯田的可持续发展，需要保护和发展其良好的森林生态系统，践行绿水青山就是金山银山的生态理念。 □