云南高原喀斯特山原紅壤退化中的表層土壤水分變異

程燕芳　王嘉學(xué)　許路艷等

摘要：山原紅壤是云南高原的一類特殊土壤，近年來(lái)退化嚴(yán)重，多年寸草不生的紅裸土景觀廣泛發(fā)育，表層土壤水分直接影響植物生長(zhǎng)與退化山原紅壤的生態(tài)修復(fù)。為認(rèn)識(shí)山原紅壤退化中的表層土壤水分變異規(guī)律，進(jìn)而深入認(rèn)識(shí)山原紅壤退化的機(jī)理、過(guò)程及效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)不受耕作影響的不同覆被條件下的自然土壤表土進(jìn)行水分分析。結(jié)果表明：隨著山原紅壤從有植被到無(wú)植被的演替，土壤的持水能力和供水能力明顯下降，均呈云南松林>火棘灌叢>草地>紅裸土的趨勢(shì)，與植被的劣向演替有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，持水能力及供水能力可以作為山原紅壤退化的辨識(shí)指標(biāo)；土壤的滲透性呈云南松林>草地>紅裸土>火棘灌叢的趨勢(shì)，說(shuō)明喬木林地能很好地改善山原紅壤的滲透性能。相關(guān)性分析結(jié)果表明，山原紅壤持水量與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，毛管持水量、有效水分含量、田間持水量與總孔隙度呈極顯著正相關(guān)，最大持水量與總孔隙度呈正相關(guān)。在云南高原喀斯特山原紅壤退化過(guò)程中，表層土壤水分變異顯著，要改善土壤水分條件，植被恢復(fù)特別是喬木林培育是關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：云南高原；喀斯特山原紅壤；土壤退化；持水能力；供水能力；滲透能力；水分變異

中圖分類號(hào)： S152.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0433-04

收稿日期：2014-12-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41061021）；云南省科技計(jì)劃（編號(hào)：2012CA024）。

作者簡(jiǎn)介：程燕芳（1988—），女，河北邯鄲人，碩士，主要從事景觀流域過(guò)程研究。E-mail：chengyanfang123@126.com。

通信作者：王嘉學(xué)（1971—），男，云南富源人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事景觀流域過(guò)程與調(diào)控研究。E-mail：wjxynsd@163.com。地球關(guān)鍵帶是從植被冠層到地下含水層的部位[1]，維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類的生存。土壤作為連接大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的重要紐帶，在地球關(guān)鍵帶中扮演極為重要的角色[2]。土壤水分性能制約土壤對(duì)水的吸持、貯存和水分對(duì)植物的供給[3]，對(duì)地球系統(tǒng)過(guò)程具有重要作用[4]。表層土壤水分是退化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子，影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡[5]。因而，土壤水分變異一直是土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等研究的重要內(nèi)容之一。已有研究表明，土壤與植物相互促進(jìn)、相互制約、互為條件，植被破壞是土壤退化的主要根源，植被生態(tài)系統(tǒng)的退化導(dǎo)致土壤退化[6-13]。

云南高原喀斯特地區(qū)獨(dú)特地理環(huán)境下發(fā)育的山原紅壤有別于其他地區(qū)的紅壤，是在古紅土上發(fā)育的土壤類型[14]，面積約2.97萬(wàn) km2，是我國(guó)退化最為嚴(yán)重的土壤之一，局部地區(qū)甚至已成為多年裸露、與石漠化伴生的紅裸土景觀。表層土壤水分直接影響植物生長(zhǎng)與退化山原紅壤的生態(tài)修復(fù)，本研究旨在探明山原紅壤退化中表層土壤水分的變異規(guī)律，為深入認(rèn)識(shí)云南高原這一特殊地段關(guān)鍵帶過(guò)程，特別是山原紅壤退化的機(jī)理、過(guò)程及效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)，并為退化山原紅壤植被恢復(fù)等提供參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)的正確選擇是確保研究結(jié)果具有代表性和普遍意義的基本前提。為避免人為耕作干擾，選擇同一區(qū)域同一坡面不同覆被的自然土壤樣品，能更好地揭示山原紅壤退化中的表層土壤水分的變異規(guī)律，但云南高原喀斯特山原紅壤分布區(qū)地形復(fù)雜，因基巖裸露導(dǎo)致土壤、植被分布不連續(xù)，景觀破碎，同一坡面同時(shí)包含林地、灌叢、草地和裸地的地方比較少見(jiàn)。經(jīng)過(guò)野外實(shí)地考察和室內(nèi)遙感影像解譯，在認(rèn)真分析基本滿足條件的14個(gè)樣地基礎(chǔ)上，選取山原紅壤發(fā)育典型、受人為影響較小的云南海田后山南西向坡面作為研究區(qū)。

研究區(qū)地處云南高原東部，烏蒙山脈中段、小江斷裂帶東側(cè)，屬低緯高原季風(fēng)氣候，境內(nèi)降水豐富，四季溫和，年均氣溫14 ℃左右，年均降水量在1 000～1 500 mm之間，雨熱同季，干濕分明。夏半年受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)控制，溫暖濕潤(rùn)；因位于昆明準(zhǔn)靜止鋒西側(cè)，冬半年受熱帶大陸氣團(tuán)控制，干燥少雨。區(qū)內(nèi)為二疊紀(jì)淺海相灰?guī)r，上覆山原紅壤，山頂及部分坡面石漠化嚴(yán)重，山腰、坡腳也多屬于中度或輕度石漠化狀態(tài)，部分耕地已因肥力嚴(yán)重退化而撂荒。自然植被主要以喬木林和灌草叢為主，成片分布的喬木為云南松，灌草叢主要是火棘，華山松、麻櫟、毛葉槲櫟、黑鎖梅、鐵仔、云南菠蘿櫟、野拔子、楊梅、金絲桃、野古草、龍須草、美麗胡枝子、金絲草等也有分布，但都不成片，缺乏代表性意義。

2樣品采集與研究方法

2.1樣地選擇

分別選擇云南松林、火棘灌叢、草地、裸地（紅裸土）典型地段作為具體研究樣地，因斑塊面積均較小，所以面積控制在1 m2 ，其基本情況見(jiàn)表1。

2.2樣品采集

于2013年9月進(jìn)行野外樣品采集。在研究區(qū)選取典型的云南松林、火棘灌叢、草地和裸地（紅裸土）4種不同覆被條件下的山原紅壤進(jìn)行表土樣品采集，使用GPS定位，選取代表1樣地基本情況

表性的樣地，每個(gè)土壤覆被類型的樣地各設(shè)置3個(gè)樣方（1 m×1 m） ，挖取土壤剖面，用容積100 cm3的環(huán)刀按照自然發(fā)生層取原狀土，分別按0～5、5～10、10～15、15～20 cm進(jìn)行土壤樣品取樣，測(cè)定土壤的持水量和滲透性，每個(gè)樣地重復(fù)3次。每個(gè)樣方按對(duì)角線隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)，用陶瓷工具采集0～20 cm土層土壤樣品，將同一樣方5個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品進(jìn)行混合，質(zhì)量控制在1.5～2.0 kg之間，用生物法測(cè)定土壤的凋萎含水量。

2.3研究方法

手工去除采集土壤中的雜物，放置陰涼處晾干，作風(fēng)干、磨碎等處理。土樣測(cè)定參照LY/T1218—1999《森林土壤滲透率的測(cè)定》，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤的最大持水量、毛管持水量、田間持水量、土壤滲透性和總孔隙度，用生物法測(cè)定土壤的穩(wěn)定凋萎含水量。

土壤滲透在測(cè)定之前，把在室外用環(huán)刀取的原狀土帶回室內(nèi)浸入水中，浸水時(shí)保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面。為了使不同溫度下所測(cè)得的K值便于比較，換算成10 ℃時(shí)的滲透系數(shù)（mm/min），具體換算公式如下：

K10=Kt0.7+0.03t 。

式中：K10是溫度為10 ℃時(shí)的滲透系數(shù)；Kt是溫度為t（℃）時(shí)的滲透系數(shù)；t為測(cè)定時(shí)水的溫度。

3結(jié)果與分析

3.1土壤的持水能力

土壤的最大持水量、毛管持水量和田間持水量能較好地反映出土壤的持水能力[15]。從不同覆被條件表層（0～20 cm）山原紅壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量的平均值（圖1）來(lái)看，均呈云南松林>火棘灌叢>草地>裸地的規(guī)律變化。在有植被到無(wú)植被的演替過(guò)程中，表層0～20 cm土壤的最大持水量、毛管持水量和田間持水量的持水能力明顯下降。云南松林的平均持水量最大，云南松林至火棘灌叢的最大持水量變化不大，而草地、紅裸土土壤的持水量明顯下降。紅裸土的最大持水量、毛管持水量、田間持水量?jī)H分別相當(dāng)于云南松林的59.38%、57.51%、53.41%。這種變化趨勢(shì)可能是由于云南松林和火棘灌叢有樹冠的遮擋，蒸騰作用不及草地和裸地強(qiáng)烈所致。

本研究區(qū)土樣與同為云貴高原喀斯特地區(qū)的貴州黑色石灰土持水能力的相關(guān)研究結(jié)果[16]相比，2類土壤持水量都呈現(xiàn)出明顯的林地>火棘灌叢>草地遞減趨勢(shì)。在植被類型層面，云南海田的松林、火棘灌叢和草地的田間持水量均高于貴州荔波縣或普定縣相對(duì)應(yīng)的覆被類型。而林地山原紅壤最大持水量低于黑色石灰土，火棘灌叢和草地均高于黑色石灰土。裸地的最大持水量與田間持水量都低于有植被的山原紅壤和黑色石灰土（表2）。

不同深度、不同覆被山原紅壤表層（0～20 cm）土壤剖面的持水能力測(cè)定結(jié)果（圖2至圖4）表明，0～5 cm土層的最大持水量、毛管持水量、田間持水量均呈現(xiàn)出火棘灌叢>云南松林>草地>裸地的規(guī)律；而5～20 cm土層的裸地與草地相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于松林和火棘灌叢。在0～5 cm土層，火棘灌叢持水量大于松林，而5 cm以下土層的火棘灌叢持水量小于松林，這可能與土壤表層的枯枝落葉覆蓋層及有機(jī)質(zhì)組成有關(guān)。

總體而言，在同一土層深度，有植被土壤的持水能力比無(wú)植被土壤的好。在0～15cm的土層，無(wú)植被的紅裸土的持水

量呈上升趨勢(shì)，而0～10 cm有植被的土壤的持水能力呈降低的趨勢(shì)，說(shuō)明0～10 cm有無(wú)植被山原紅壤變化明顯不同。不同深度土壤持水量的方差分析結(jié)果顯示，隨土層深度的變化，火棘灌叢和松林的持水量變化幅度較大，草地和紅裸土持水量的變化幅度相對(duì)較小，基本維持在400～600 g/kg之間。

3.2土壤的供水能力

土壤的供水能力是指在一定條件下，土壤對(duì)植物水分需求的供給能力，常以土壤有效含水量（AWC）衡量[17]。土壤有效含水量與土壤的抗干旱能力成正比，植物生長(zhǎng)所需水分過(guò)量或不足都會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。由圖5可知，樣地土壤的有效含水量呈現(xiàn)出云南松林>火棘灌叢>草地>紅裸土的趨勢(shì)，隨著土壤從有植被到無(wú)植被的演替，有效含水量減少。云南松林的有效含水量最大，云南松林至火棘灌叢的有效含水量變化不大，而草地、紅裸土有效含水量基本相當(dāng)。云南松林的有效含水量是紅裸土的 1.88 倍，有效含水量減少幅度較大，說(shuō)明退化的山原紅壤供水能力明顯下降。

與同為云貴高原喀斯特地區(qū)的貴州黑色石灰土有效含水量[16]類似，即隨著植被的演替，有效含水量呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)。在植被類型層面，海田的云南松林有效含水量高于貴州荔波縣或普定縣，而火棘灌叢和草地有效含水量卻低于貴州荔波縣或普定縣。無(wú)植被的紅裸土有效含水量低于山原紅壤和黑色石灰土，說(shuō)明有植被的土壤有效含水量明顯高于無(wú)植被的紅裸土（表3）。

3.3土壤的滲透能力

土壤水分的滲透性是土壤涵養(yǎng)水源的重要標(biāo)志之一，對(duì)于研究和保持土壤水分具有重要的意義。云南高原為典型的喀斯特地區(qū)，降水量豐富且集中，不同覆被土壤的滲透性能不同，如果土壤的滲透性強(qiáng)，入滲率高，就能使較多的降水滲入到土壤中，使水分保持在土壤中，隨著土壤中容納的降水量增多，水分貯存量大，成為壤中流，而水分的進(jìn)一步入滲，會(huì)形成地下徑流，入滲率高的土壤能有效減少地表徑流，利于涵養(yǎng)水源。由表4可知，4種不同覆被土壤表層（0～20 cm）的滲透系數(shù)K10從大到小依次為云南松林>草地>紅裸土>火棘灌叢，云南松林山原紅壤的滲透系數(shù)約是紅裸土的1.91倍，紅裸土的滲透系數(shù)較小，可能與紅裸土表層無(wú)植被生長(zhǎng)及其結(jié)構(gòu)性比較差有一定的關(guān)系。在干旱季節(jié)，土壤水分少，易板結(jié)、開裂，而紅裸土土壤黏性強(qiáng)，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)差，遇到降水，具有收縮能力，能迅速改變紅裸土的孔隙狀況，導(dǎo)致紅裸土的穩(wěn)滲速率低，滲透系數(shù)相對(duì)較低；火棘灌叢的滲透系數(shù)略小于紅裸土，其原因還有待進(jìn)一步分析。

不同深度、不同覆被山原紅壤滲透系數(shù)測(cè)定結(jié)果（圖6）表明，滲漏系數(shù)在剖面上并未表現(xiàn)出明顯的遞增或遞減的趨勢(shì)，范圍在0.1～1.2之間。在0～5 cm的土層中，云南松林在10 ℃時(shí)的滲透系數(shù)小于火棘灌叢、草地和紅裸土；在5～10 cm土層中，云南松林則大于其他3種覆被類型的土壤；在10～20 cm土層中，云南松林和紅裸土滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì)，而火棘灌叢和草地都表現(xiàn)出先增大再減小的變化趨勢(shì)。

3.4相關(guān)性分析

4結(jié)論

在海田山原紅壤從有植被到無(wú)植被的演替過(guò)程中，表層土壤的持水能力和供水能力明顯下降，均呈“云南松林>火棘灌叢>草地>紅裸土”的趨勢(shì)，有植被土壤的持水能力和供水能力明顯高于無(wú)植被的紅裸土。如果按云貴高原植被劣向演替“喬木—灌叢—草地—裸地”的一般規(guī)律，海田山原紅壤的持水能力及供水能力的退化與之呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明土壤持水能力、供水能力可以作為山原紅壤退化的辨識(shí)指標(biāo)。土壤的持水量關(guān)系水分的保持和運(yùn)動(dòng)，是云南高原喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的重要依據(jù)。

山原紅壤為黏土類，4種不同覆被的表層山原紅壤滲透系數(shù)都較小，滲透能力差，滲透系數(shù)K10呈“云南松林>草地>紅裸土>火棘灌叢”的趨勢(shì)。其中，云南松林山原紅壤K10值遠(yuǎn)高于其他3種覆被類型，說(shuō)明喬木林地能很好地改善山原紅壤的滲透性能，加之其持水性能和供水性能均最佳，退化山原紅壤修復(fù)中應(yīng)以種植喬木為主。

山原紅壤的水分參數(shù)與各項(xiàng)物理指標(biāo)之間相關(guān)性表現(xiàn)為：持水量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)；容重與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；毛管持水量、田間持水量和有效水分含量與總孔隙度呈極顯著正相關(guān)；最大持水量與總孔隙度呈正相關(guān)，其他水分參數(shù)與物理指標(biāo)間的相關(guān)性不顯著。說(shuō)明容重和孔隙度可以改善土壤的持水量能力，恢復(fù)植被生長(zhǎng)，增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤的總孔隙度，改良土壤的水分性狀，對(duì)山原紅壤的修復(fù)具有重要意義。

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