祁連山排露溝流域典型植被土壤水文功能及增貯潛力評價

張鑫，牛赟,3，王立，王順利，敬文茂

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000； 3.淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

隨著人類生產(chǎn)生活水平的發(fā)展和提高，水資源的需求增大，使人們越來越關(guān)注土壤水的開發(fā)和利用。許多組織、國家都十分重視對土壤水資源的利用和研究，特別是在干旱半干旱地區(qū)，自然環(huán)境在維持自身平衡需水的同時，人類需水的增長造成了自然環(huán)境的超量付出。干旱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與植被建設(shè)均受到水分的嚴重制約，生態(tài)用水和土壤水分植被承載力的研究均為實現(xiàn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)[1,2]。土壤是聯(lián)系森林植被和水分的樞紐，具有時間和空間上變化的特點，這種空間差異性可以幫助我們了解土壤、植被以及水資源的關(guān)系[3]。通?？梢愿鶕?jù)土壤物理性質(zhì)來評價土壤通氣、持水、貯水以及保水等水源涵養(yǎng)能力[4,5]。不同植被類型條件下的土壤水資源問題一直是土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點，評價和預(yù)測流域土壤水資源是流域水平衡和水循環(huán)的重要組成部分，也是流域水資源綜合管理的主要內(nèi)容[6-9]。本文通過對不同時空尺度的三種典型植被類型的土壤物理性質(zhì)、水文功能及增貯潛力評價分析，為多尺度全方位研究祁連山區(qū)不同植被類型土壤水資源利用和評價提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗區(qū)概況

祁連山位于甘肅西部與青海東北部，是我國西北地區(qū)著名的山系之一，具有典型的高寒干旱半干旱氣候特征。年均氣溫在-0.6～2.0 ℃，年均降雨量在300～600 mm，降雨主要集中在6—9月。植被類型、氣候特征和土壤類型具有明顯的垂直梯度。祁連山植被類型中山區(qū)分布喬木林，灌叢林；亞高山區(qū)主要為灌叢草原；海拔3 700 m以上主要是凍土、常年積雪以及現(xiàn)代冰川[10]。土壤類型隨著海拔的升高依次是：山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土和高山寒漠土[11]。

試驗在祁連山中段西水林區(qū)進行，屬于大陸性高寒半濕潤山地森林草原氣候，年均蒸發(fā)量在1 200 mm左右，積溫200～1 130 ℃，相對濕度50%～70%，主要土壤類型為山地森林灰褐土、亞高山灌叢草甸土以及山地栗鈣土三個類型，整體表現(xiàn)為土層薄、質(zhì)地粗，粉沙塊多；成土母質(zhì)主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等[3]。植被類型主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)和高山灌叢林，以及陽坡草地。高山灌叢林優(yōu)勢種有箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、金露梅(Poteneillafruticosa)、鮮黃小檗(Berberisdiaphana)、甘青錦雞兒(Caraganatangutica)等。陽坡草地主要優(yōu)勢種有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、黑穗薹(Carexatrata)和針茅(Stipasp.)等[12]。

2 監(jiān)測與計算方法

2.1 固定樣地的布設(shè)

試驗區(qū)選擇在祁連山中段西水林區(qū)排露溝流域，位于100°17′—18′ E，38°32′—33′ N，海拔范圍2 640～3 796 m。選擇不同植被類型固定土壤樣地進行取樣，青海云杉林土壤樣地按海拔梯度選在2 700～3 300 m處，樣地大小為20 m×20 m；高山灌叢林土壤樣地按海拔梯度選在3 300～3 700 m處，樣方大小為5 m×5 m；陽坡草地土壤樣方按海拔梯度選在2 700～2 900 m海拔處，固定樣地大小10 m×10 m。在固定樣地取大小為1 m×1 m的樣方進行取樣。青海云杉林、高山灌叢林、陽坡草地土壤樣方取樣數(shù)量分別為15、10和10個，總計35個。

2.2 土壤樣品的采集及處理

2017年7—8月采集土壤樣品，9月進行樣品處理及數(shù)據(jù)采集。土壤樣品參照《森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究方法》中的森林土壤定位研究方法進行采集[13，14]，青海云杉林土壤和陽坡草地土壤采集0～10、10～20、20～40和40～60cm土樣，高山灌叢林土壤采集0～10、10～20、20～40 cm土樣，每個土層3個重復(fù)，各土層采樣時于中部采集。土壤樣品帶回室內(nèi)采用環(huán)刀法分析，測定土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田間持水量、土壤貯水量等指標[15]。

得到的數(shù)據(jù)利用Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理以及計算，用SPSS 13.0數(shù)據(jù)分析軟件進行方差分析。土壤水資源增貯潛力計算公式可表示為：

Wt=10 000×P1×h

(1)

Wo=10 000×P2×h

(2)

Wi=Wo/Wt×100%

(3)

式中:Wt為土壤最大貯水量(t?hm-2)，P1為土壤總孔隙度(%)，h為土壤厚度(m)，Wo為土壤有效貯水量(t?hm-2)，P2為土壤非毛管孔隙度(%)，Wi為土壤水資源增貯潛力。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)特征

從表1可以看出，研究區(qū)不同植被類型條件下，土壤總孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度均表現(xiàn)為高山灌叢林土壤>青海云杉林土壤>陽坡草地土壤；土壤容重則表現(xiàn)為青海云杉林>高山灌叢林>陽坡草地。

3.1.1 土壤容重特征 陽坡草地在0～60 cm土壤容重變化范圍為0.96～1.10 g?cm-3，平均為1.05 g?cm-3，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢；青海云杉林、高山灌叢林土壤容重變化范圍為0.40～0.74 g?cm-3、0.45～0.57 g?cm-3，平均為0.59和0.51 g?cm-3，均隨著土層深度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，研究區(qū)不同植被類型平均容重為0.72 g?cm-3。這是因為青海云杉林和高山灌叢林土壤表層有常年積累的枯落物，這些枯落物分解增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)，加上青海云杉林和高山灌叢林地下部分強大的根系網(wǎng)絡(luò)，使得土質(zhì)疏松，表層土壤容重小于下層土壤，而陽坡草地表層土壤因為放牧牲畜踩踏等使得草地土壤緊實，容重大于下層土壤。容重差異性分析結(jié)果顯示，0～40 cm青海云杉林土壤和高山灌叢林土壤都與陽坡草地土壤存在顯著性差異(P<0.05)，而青海云杉林和高山灌叢林間差異性不顯著(P>0.05)。

表1 祁連山區(qū)三種典型植被土壤物理性質(zhì)特征

注：同一行不同小寫字母表示同一土壤深度各項指標差異顯著(P<0.05)。

3.1.2 土壤孔隙度特征 由表1可以看出：高山灌叢林、青海云杉林和陽坡草地土壤總孔隙度分別為74.63、77.09和59.39%，研究區(qū)變化范圍為57.61%～80.76%，平均為70.37%。隨著土壤深度的增加青海云杉林和高山灌叢林總孔隙度逐漸減小，陽坡草地則逐漸增大，這是因為青海云杉林和高山灌叢林有機質(zhì)大量積累在表層土壤里，因此下層土壤總孔隙度比表層土壤小，而陽坡草地表層土壤的破壞程度高于下層土壤，下層土壤總孔隙度較大。土壤總孔隙度青海云杉林土壤和高山灌叢林土壤與陽坡草地土壤間存在顯著性差異(P<0.05)；毛管孔隙度高山灌叢林最大，為54.80%，變化范圍為46.18%～56.37%，平均為52.75%。毛管孔隙度在10～20 cm土層青海云杉林、高山灌叢林土壤與陽坡草地土壤間差異性顯著(P<0.05)，20～40 cm處高山灌叢林土壤與青海云杉林、陽坡草地土壤間差異不顯著(P>0.05)；非毛管孔隙度高山灌叢林土壤最大，達到22.30%，變化范圍為8.68%～26.71%，平均為17.63%。在0～40 cm土層青海云杉林土壤和高山灌叢林土壤隨著深度的增加而減小，陽坡草地土壤在40～60 cm土層達到最大，為11.55%，非毛管孔隙度在0～20 cm土層青海云杉林土壤和高山灌叢林土壤間差異性不顯著(P>0.05)，20～40cm土層三者間差異性顯著(P<0.05)。

3.2 土壤水文功能特征

表2 祁連山三種典型植被土壤水文功能特征

注：同一行不同小寫字母表示同一土壤深度各項指標差異顯著(P<0.05)。

從表2可以看出，研究區(qū)土壤最大持水量、田間持水量和毛管持水量變化范圍分別為50.28%～198.91%、42.15%～137.32%和37.03%～172.08%，平均值分別為116.26%、87.57%和98.01%。高山灌叢林土壤的各項水文功能明顯高于青海云杉林土壤和陽坡草地土壤。高山灌叢林土壤的最大持水量范圍是129.81%～198.91%，0～10 cm處最大，平均值也是高山灌叢林最大，為162.23%。隨著土壤深度的增加，青海云杉林和高山灌叢林土壤最大持水量逐漸減小，而陽坡草地則逐漸增大。最大持水量青海云杉林土壤、高山灌叢林土壤均與陽坡草地土壤表現(xiàn)顯著性差異(P<0.05),這是因為青海云杉林和高山灌叢林生長狀況良好，土壤中根系發(fā)達，并覆蓋有腐殖質(zhì)，土壤質(zhì)地優(yōu)良，而陽坡草地由于長期破壞，地表徑流引起的水土流失嚴重，土壤理化性質(zhì)較差，最大持水量較小。隨著土壤深度的增加，高山灌叢林土壤田間持水量和毛管持水量表現(xiàn)出和最大持水量相同的規(guī)律，其變化范圍分別為91.63%～133.84%和121.78%～172.08%，平均值分別為112.66%和146.87%。青海云杉林土壤田間持水量在0～10 cm土層比高山灌叢林大了2.6%，其余各層均是高山灌叢林高于青海云杉林。青海云杉林、高山灌叢林、陽坡草地3種植被類型土壤蓄水量分別為1 245.22、1 847.38和978.18 t?hm-2，高山灌叢林的土壤貯水量最大。

3.3 土壤水資源增貯潛力評價

土壤對于水分的增貯潛力的高低主要取決于土壤厚度和土壤非毛管孔隙度的數(shù)量[16]。如圖1所示，0～10 cm土層土壤水資源增貯潛力表現(xiàn)為青海云杉林>高山灌叢林>陽坡草地，這主要是由于青海云杉林表層土壤有大量分解、半分解枯枝落葉層，草本植物和苔蘚層以及其本身強大的根系網(wǎng)，加強了水資源截留和土壤持水能力以及土壤水資源增貯潛力；在10～20 cm土層土壤水資源增貯潛力表現(xiàn)為高山灌叢林土壤>青海云杉林土壤>陽坡草地土壤；高山灌叢林的土壤水資源增貯潛力比青海云杉林高了6.42%，造成這一結(jié)果的主要原因是隨著土壤深度的增加，青海云杉林對于土壤物理性質(zhì)及水資源增貯潛力的影響變?nèi)?，使得高山灌叢林相對低矮而又茂密的枝葉、表層土壤的枯枝落葉以及錯綜復(fù)雜的根系網(wǎng)對于土壤水資源增貯潛力的影響突出。在20～40 cm土層高山灌叢林土壤水資源增貯潛力比青海云杉林高了29.57%。陽坡草地土壤在0～40 cm土層土壤水資源增貯潛力逐漸減小，40～60 cm又開始增大?？傮w來看，土壤水資源增貯潛力大小順序為：高山灌叢林土壤(28.69%)>青海云杉林土壤(26.84%)>陽坡草地土壤(17.28%)。祁連山排露溝流域灌叢林主要分布在高海拔地區(qū)，由于灌叢林土壤強大的水資源增貯潛力以及土壤入滲能力，不但減小了由于降雨及高山融雪、凍土消融等形成的地表徑流，有效地截斷自上而下的水土流失，而且形成了可供植被利用的土壤下層徑流水資源，緩解了低海拔地區(qū)植被缺水季水資源短缺問題。因此高山灌叢林對于祁連山生態(tài)水文及水土保持方面具有巨大作用。

圖1 祁連山區(qū)三種典型植被土壤水資源增貯潛力特征

4 討論

不同的植被會通過自身特征改變林地土壤的物理性質(zhì)，從而影響土壤的水文功能[17,18]。本研究所測土壤最大持水量、毛管持水量較王順利[3]等的研究結(jié)果偏大，可能是研究區(qū)封山育林限牧，生態(tài)水文功能恢復(fù)及研究時段降雨所致。土壤物理性質(zhì)和水文功能以及土壤水資源增貯潛力最優(yōu)的是高山灌叢林，高山灌叢林之所以優(yōu)于高大的青海云杉林主要是由于高山灌叢林的枝葉密集，樹冠離地表近，雖然矮小卻有效地截留了降雨，高密度的枝葉有效地降低了由于雨滴濺落對土壤孔隙堵塞所形成的影響。牛赟[19]等研究表明，灌叢林郁閉度大，更接近地面，影響了區(qū)域風(fēng)速風(fēng)向，同時也有效地阻擋了強烈的陽光照射，減少了土壤水蒸發(fā)。其自身生長耗水量也較小，因此形成了高山灌叢林良好的水資源增貯潛力。也有研究表明，灌叢林常能在一定時間里獨立的維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)[20]，更加充分地說明了灌叢林在生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用。結(jié)合牛赟等[21]通過水資源管理修復(fù)植被以及通過植被生長狀況來評估水資源利用的研究，多方位掌握祁連山植被土壤與水分的關(guān)系，以及一系列重大生態(tài)工程對于土地水源涵養(yǎng)功能和增貯潛力的改善[22]，以灌叢林為主，合理地調(diào)整祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)，加強干旱半干旱區(qū)植被建設(shè)，對祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)保護、水土保持、水資源建設(shè)與開發(fā)具有舉足輕重的作用。

5 結(jié)論

通過分析青海云杉林，高山灌叢林和陽坡草地三種典型植被土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度以及土壤水資源增貯潛力，旨在為排露溝流域不同植被類型土壤水資源利用和評價提供理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明：0～60 cm土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度變化范圍分別為57.61%～80.76%、46.18%～56.37%和8.68%～26.71%，平均值分別為70.37%、52.75%和17.63%；土壤最大持水量、田間持水量和毛管持水量變化范圍分別為50.28%～198.91%、42.15%～137.32%和37.03%～172.08% ，平均值分別為116.26%、87.57%和98.01%；青海云杉林、高山灌叢林、陽坡草地3種植被類型土壤蓄水量分別為1 245.22 t?hm-2、1 847.38 t?hm-2和978.18 t?hm-2；土壤水資源增貯潛力表現(xiàn)為高山灌叢林>青海云杉林>陽坡草地，其值分別為28.69%、26.84%和17.28%。

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