岷江上游雜谷腦河流域河谷斷面的土壤孔隙與貯水特征

閆嬋娟，王 青，劉傳秀

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010）

土壤的貯水能力是森林植被水文生態(tài)效應(yīng)研究的重要內(nèi)容。通過對區(qū)域土壤貯水特征的測定分析，可以了解和評價河谷斷面不同土壤層的水土保持和涵養(yǎng)水源的功能［1］。土壤水是植物吸收水分的主要來源。土壤吸持貯水能力是土壤孔隙狀況和土壤顆粒組成的綜合反映，同時也是森林涵養(yǎng)水源、保持水土能力、調(diào)節(jié)地表水與地下水的重要指標之一。土壤的貯水性能是生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容，其中河谷南北側(cè)的貯水差異對生態(tài)建設(shè)進程具有指導(dǎo)意義。通過對河谷南北側(cè)土壤貯水特征的測定分析，可以了解河谷斷面兩側(cè)土壤的不同貯水能力。近年來，對土壤水分的研究主要集中在不同植被類型與土壤水分動態(tài)變化等方面［2-6］，尤其在不同植被類型對土壤物理性質(zhì)影響方面研究較多［7-10］，而對河谷斷面的水分差異研究相對較少。雜谷腦河流域是岷江上游典型的干旱河谷區(qū)，近年來，干旱河谷呈擴大趨勢［11］，主要是長期以來人們對當?shù)赝恋刭Y源的不合理利用和對森林植被的嚴重破壞，從而造成了當?shù)厣鷳B(tài)具有低閾值生態(tài)安全、高風險生態(tài)退化的特征，其中生態(tài)恢復(fù)和退耕還林還草的主要限制因子有土壤水分虧缺，此外，坡向、坡位等地形因子以及土壤特性、地表植被情況等對土壤含水量空間分布也有重要影響［12］。雜谷腦河流域自退耕還林還草政策實施以來，限于河谷斷面土壤的不同貯水能力，對河谷斷面土壤貯水能力的水分研究分析將為生態(tài)恢復(fù)和退耕還林還草措施的布局選擇提供合理建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雜谷腦河流域是岷江上游的重要支流之一，位于四川盆地西部邊緣地區(qū)。本研究選取雜谷腦河流域理縣的三寨村（河谷南側(cè)）和九子村（河谷北側(cè)）為典型研究區(qū)域。兩地分別位于河谷兩側(cè)，經(jīng)緯度位置分別為31°33′56″N、103°21′43″E和31°35′16″N、103°20′8″E，平均海拔在2 300 m和2 600 m左右；據(jù)理縣氣象站多年資料統(tǒng)計，該區(qū)年均溫12℃，年降水量596 mm，年蒸發(fā)量1 580 mm，為降水量的2.6倍，降水主要集中在5～9月，屬山地季風氣候；植被類型豐富，以干旱河谷灌叢為主［13］；區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，地勢西高東低，地勢陡峻，高差懸殊，復(fù)雜的地貌使雜谷腦河流域的生態(tài)十分脆弱；土壤類型多樣，主要以旱生灌木草叢植被下發(fā)育的山地燥褐土為主［13］，受河谷南北側(cè)降水蒸發(fā)及地形差異的影響，河谷南北側(cè)土壤水分差異較大。

1.2 樣品采集

選取三寨村和九子村作為雜谷腦河流域典型的河谷斷面，因兩地同為生態(tài)林區(qū)，為了更好地了解土壤水分的變化趨勢，分別在三寨村和九子村生態(tài)林區(qū)的不同海拔不同深度進行取樣。三寨和九子生態(tài)林區(qū)的植被有灌叢和松樹等，為保持單一變量因素，采樣點均圍繞兩地松樹展開。其中，沿采樣點海拔而上，圍繞松樹的分布，三寨村按每50 m進行采樣，九子村由于受采樣地域限制按每20 m進行采樣，即選取三寨村（海拔2 200～2 380 m）和九子村（海拔2 565～2 625 m）以及附近荒地（背景值）進行比較。

采用蛇形布點法沿土壤剖面垂直縱深布點采樣，分5個層次，采樣深度共75 cm，各個層次分別為 0～15、15～30、30～45、45～60、60～75 cm，所有采樣均設(shè)3次重復(fù)，進行混合，共計120個混合樣，置于密封袋保存。每個層次的采樣分別用環(huán)刀法測定土壤容重和土壤孔隙度，采樣時間為2016年9月下旬至10月中旬。

1.3 研究方法

使用Arcgis 10.2進行區(qū)域圖的圖形制作和輸出，采用SPSS 20對土壤物理性質(zhì)進行單因素方差分析和相關(guān)性檢驗，并用Excel對結(jié)果進行表征。

土壤持水量測定：將裝有濕土的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋，放入平底盆（或盤）中，注入并保持盆中水層的高度至環(huán)刀上沿為止，使其吸水達12 h（質(zhì)地粘重的土壤放置時間可稍長），此時環(huán)刀土壤中所有非毛管空隙及毛管空隙都充滿了水分，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量，即可算出最大持水量。

將上述稱量后的環(huán)刀，去掉底蓋，放置在鋪有干砂的平底盤中2 h，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但環(huán)刀中土壤的毛細管仍充滿水分，蓋上底蓋，立即稱量，即可算出毛管持水量。

再將上述稱量后的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，繼續(xù)放置在鋪有干砂的平底盤中，保持一定時間，此時環(huán)刀中土壤的水分為毛管懸著水，蓋上上、下底蓋，立即稱量，即可算出最小持水量。

式中，m′代表環(huán)刀內(nèi)干土的重量，g；m″代表浸潤12 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量，g；m″′代表在干砂上擱置2 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量，g；m″″代表在干砂上擱置24 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量，g。

土壤孔隙度測定：

非毛管孔隙度（%）= 0.1 ×〔最大持水量（g/kg）- 毛管持水量（g/kg）〕× 土壤密度（mg/m3）× 水的密度（mg/m3）

毛管孔隙度（%）= 0.1 × 毛管持水量（g/kg）× 土壤密度（mg/m3）× 水的密度（mg/m3）

總毛管孔隙度 = 非毛管孔隙度（%）+ 毛管孔隙度（%）

利用土壤孔隙度計算土層厚度的土壤貯水量：

式中，Wc、Wnc、Wt分別為土壤吸持貯水量、滯留貯水量和總貯水量（mm），Pc、Pnc、Pt分別為土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度（%），h為土層深度（cm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 河谷斷面土壤容重比較分析

土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標，是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)之一。結(jié)合已有研究表明，土壤容重與土壤的松緊程度、土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)以及降雨強度有關(guān)［14］，在一定程度上反映了土壤的孔隙狀況和貯水能力［15］。土壤容重小意味著土壤疏松多孔，保水透水性強；土壤容重大則表明土壤緊實板結(jié)，透水性差。不同坡向的土壤，其土壤容重存在較大差別。就坡向而言，土壤容重的大小反映了不同坡向?qū)ν寥揽紫稜顩r和保水透水能力的作用程度。

由圖1可知，隨著海拔高度的上升，在河谷南側(cè)，土壤容重從1.17 g/cm3增加到1.29 g/cm3；在河谷北側(cè)，土壤容重從1.48 g/cm3增加到1.5 g/cm3，因此，海拔越高，土壤容重越大，土壤容重隨海拔升高呈增加趨勢；方差分析結(jié)果表明，不同坡向的土壤容重差異達到極顯著水平。

圖1 土壤容重隨海拔的變化

生態(tài)林地和附近荒地間的土壤容重也有明顯差別，總的來說，荒地的土壤容重高于生態(tài)林地。此外，隨著土層深度的增加，土壤容重越來越大。由圖2可知，在河谷南側(cè)規(guī)律性比較明顯，土壤容重與土層深度呈正相關(guān)，而在河谷北側(cè)，0～45 cm土層深度內(nèi)，土壤容重呈上升趨勢，在45～75 cm內(nèi)則呈先減小后增加的趨勢。綜上，土壤容重河谷北側(cè)＞河谷南側(cè)。在河谷北側(cè)，土壤容重在0～75 cm土層深度內(nèi)均值為1.49 g/cm3，而河谷南側(cè)土壤容重均值為1.25 g/cm3，說明河谷北側(cè)的土壤緊實板結(jié)，透水性差，而河谷南側(cè)的土壤透水性好，保水透水性強，這些為河谷南北側(cè)的土壤貯水特征提供了基礎(chǔ)。

圖2 土壤容重隨土層深度的變化

由土壤容重河谷北側(cè)＞河谷南側(cè)的對比可知，由于河谷北側(cè)植被茂盛，存在大量的枯枝落葉，林下植被豐富，這些枯枝落葉經(jīng)分解回歸土壤，產(chǎn)生大量有機質(zhì)，其根系和枯落物使得土壤通透性更好，故土壤密實程度小，不易板結(jié)［16］。相對于河谷南側(cè)，河谷北側(cè)的大量微生物作用使枯枝落葉層能夠得到迅速分解，因此，河谷北側(cè)的土壤有機質(zhì)含量較多，從而使得土壤容重大于河谷南側(cè)。

2.2 河谷斷面土壤孔隙度比較分析

為了滿足植物生長對水、氣的需要，土壤應(yīng)當既能保蓄足夠的水分，又有適當?shù)耐庑?。土壤孔隙度的大小、?shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是評價土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標［17］。結(jié)構(gòu)性質(zhì)好土壤水分含量就高，反之亦然。土壤孔隙度分為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總毛管孔隙度。其中，毛管水占據(jù)的孔隙稱為毛管孔隙，而毛管水不能占據(jù)的大孔隙則稱為非毛管孔隙。前者是蓄水供水的，后者在平時則是通氣的［18］，更多的影響土壤的滲透能力和水分調(diào)節(jié)功能。非毛管孔隙度、毛管孔隙度保持一定的比例，既有利于土壤養(yǎng)分的積累、保存，又有利于有機質(zhì)的分解、釋放和速效養(yǎng)分的吸收、利用。土壤持水性能和水氣狀況主要取決于土壤的孔隙狀況，因此，土壤孔隙狀況的改善對提高土壤水分條件意義重大。土壤的孔隙結(jié)構(gòu)直接影響土壤的透氣性和持水保水性能，在生態(tài)恢復(fù)中起著舉足輕重的作用。

由圖3可知，非毛管孔隙度隨著海拔的升高，整體上呈下降趨勢，隨著土層深度的增大，非毛管孔隙度呈現(xiàn)下降—升高—下降的趨勢。其中，在45～60 cm土層呈升高趨勢，但升高幅度較小，大于30～45 cm和60～75 cm土層的孔隙，而低于15～30 cm土層的孔隙。從方差分析結(jié)果看，隨海拔高度的變化，非毛管孔隙度在河谷北側(cè)的差異顯著，隨土層深度的變化，非毛管孔隙度在河谷北側(cè)的差異極顯著。

圖3 河谷南、北側(cè)孔隙度隨海拔的變化

由圖4可知，毛管孔隙度與海拔高度呈正相關(guān)，與土層深度呈負相關(guān)。其中，在海拔2 605～2 625 m，土壤孔隙度最高，最大比海拔2 565～2 585 m處高9%。隨海拔高度的變化，毛管孔隙度在河谷北側(cè)的差異顯著。

圖4 河谷南、北側(cè)孔隙度隨土層深度的變化

總毛管孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度?？偯芸紫抖扰c海拔高度呈正相關(guān)，與土層深度呈負相關(guān)，30～60 cm土層深度內(nèi)變化不明顯。

另外，對比可知，非毛管孔隙度河谷北側(cè)＞河谷南側(cè)，毛管孔隙度和總毛管孔隙度河谷北側(cè)＜河谷南側(cè)。除此之外，不同海拔段的非毛管孔隙度在土壤表層（0～30 cm）差別較大，在土壤深層（30～60 cm）孔隙度差別較小。總的來說，從差異水平上看，孔隙度河谷南側(cè)＞河谷北側(cè)。

上述結(jié)果表明，與荒地相比，無論河谷南側(cè)還是河谷北側(cè)，生態(tài)林地的土壤孔隙度均多于荒地，說明生態(tài)林地較荒地有較好的保水和透水能力。其中，河谷南側(cè)的土壤孔隙數(shù)量明顯高于河谷北側(cè)，結(jié)合河谷斷面土壤容重的南北側(cè)差異，說明河谷南側(cè)的土壤持水貯水性能優(yōu)于河谷北側(cè)。

2.3 河谷斷面土壤貯水量比較分析

土壤貯水量是評價森林植被水分保持與水源涵養(yǎng)功能的重要指標，也是研究生態(tài)水文，特別是干旱半干旱地區(qū)地下水-土壤-植被過程形成的重要指標［19］，其大小反映了土壤貯存和調(diào)節(jié)水分的潛在能力的大?。?0］。前人在該方面有諸多研究［21-23］。在一定土壤厚度條件下，土壤貯水量取決于土壤孔隙大小及數(shù)量［24］，土壤貯存方式有兩種，即土壤吸持貯存和土壤滯留貯存，土壤吸持貯存和土壤滯留貯存兩者之和稱為土壤飽和貯存（或者土壤總貯存）。兩者具有不同的水文生態(tài)功能。吸持貯存是指水分在毛管孔隙中的貯存，其水分主要供給植物根系吸收、葉面蒸騰或土壤蒸發(fā)，不能參與徑流和地下水的形成，但能為植物生長提供必需的水肥條件，因而具有重要的植物生理生態(tài)功能；滯留貯存是土壤中自由重力水在非毛管孔隙（大孔隙）中的暫時貯存，為大雨或暴雨提供應(yīng)急的水分貯存，能夠有效地減少地表徑流，降雨停止后水分逐漸向深層下滲，使土壤水分不斷補充地下水或以壤中流的形式流入河網(wǎng)，因而具有較高的涵養(yǎng)水源功能［25］。

由表1可知，河谷南側(cè)的土壤貯水量明顯大于河谷北側(cè)。隨著海拔高度的上升，滯留貯水量呈下降趨勢，吸持貯水量和飽和貯水量呈升高趨勢，且飽和貯水量最低值均位于所選研究區(qū)的海拔最低處。生態(tài)林地的土壤貯水量明顯大于荒地。方差分析結(jié)果顯示，在河谷兩側(cè)，生態(tài)林地和荒地的飽和貯水量均有顯著差異。上述結(jié)果表明：（1）相較于荒地，生態(tài)林地的土壤貯水性能更好。例如，在河谷南側(cè)，灌叢地的滯留貯水量比荒地高出50%；在河谷北側(cè)，生態(tài)林地的滯留貯水量比荒地高出27%，河谷南側(cè)比河谷北側(cè)高出近1倍。（2）河谷南側(cè)的土壤貯水性能優(yōu)于河谷北側(cè)。這對于土壤吸收和減少地表徑流，提高土壤涵養(yǎng)水源性能和土壤抗侵蝕能力具有重要作用。（3）三寨村和九子村的土壤貯水量集中分布在380.71～332.70 mm之間，主要樹種為松樹，高于荒地灌叢生長所需的最低貯水量，即該地除松樹外，還可種植個別耐旱樹種，如針葉林種等。

由土壤容重、土壤孔隙度和土壤貯水量在不同土層深度和不同海拔的分析可知，隨著海拔高度的變化，雜谷腦河流域干旱河谷區(qū)退耕還林還草措施的開展需根據(jù)土壤貯水量遵循“自下而上逐步推進”原則，依據(jù)樹種的耐旱和非耐旱程度大小逐步進行生態(tài)恢復(fù)。

表1 河谷兩側(cè)土壤貯水量 （mm）

3 結(jié)論與討論

土壤水分對雜谷腦河流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)具有重要作用，土壤水分分布與立地條件即河谷南北兩側(cè)有密切聯(lián)系。通過對河谷南北兩側(cè)的土壤水分研究，為岷江上游雜谷腦河流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和退耕還林還草工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

本研究結(jié)果表明：土壤容重河谷南側(cè)＜河谷北側(cè)，表層（15～30 cm）變化幅度大，底層（60～75 cm）變化幅度小，隨土壤深度和海拔增加而減?。煌寥揽紫抖群庸饶蟼?cè)＞河谷北側(cè)，總體上高出7.3%，與土層和海拔呈負相關(guān)；土壤貯水量河谷南側(cè)＞河谷北側(cè)，與海拔呈正相關(guān)。

土壤水是植物吸收水分的主要來源。土壤吸持貯水能力是土壤孔隙狀況和土壤顆粒組成的綜合反映，同時也是森林涵養(yǎng)水源、保持水土能力、調(diào)節(jié)地表水與地下水的重要指標之一。雜谷腦河流域河谷兩側(cè)退耕還林的土壤總孔隙度變化范圍為45.21%～52.51%，這與我國大部分森林生態(tài)系統(tǒng)土壤孔隙（總孔隙度40%～60%）保持一致［26］。此外，本研究對岷江上游土壤水分的研究結(jié)果與唐香君等［14］的研究結(jié)果相當。

與荒地相比，植被的生長使土壤的物理水分性質(zhì)有了一定程度的改善，表現(xiàn)為土壤容重降低，土壤孔隙度和土壤貯水量增加。生態(tài)林地和荒地的土壤貯水量隨土層深度的增加而減小，垂直空間差異較明顯，表明生態(tài)林對土壤貯水能力垂直空間異質(zhì)性的影響還不明顯。

三寨村和九子村土壤貯水量分布分別為380.71、332.70 mm，高于荒地灌叢生長所需的最低貯水量，即該地除松樹外，還可種植個別耐旱樹種，如針葉林種等。

近10多年來，相關(guān)學(xué)者對岷江上游土壤水分和養(yǎng)分［27-28］等方面的研究成果顯著。土壤持水性能受多種生態(tài)因子的影響，與研究區(qū)域的立地條件、土地利用方式及人類活動等有關(guān)，是生態(tài)因子綜合作用的結(jié)果［29］。本研究主要從土壤的物理性質(zhì)方面對土壤水分做了初步研究，而影響土壤持水性的其他生態(tài)因子沒有涉及，在今后的研究中有待進一步加強。本研究僅對岷江上游雜谷腦河流域2016年的采樣數(shù)據(jù)進行了分析，缺少縱向的對比。如果能對研究區(qū)的土壤在空間和時間上保持擴展和連續(xù)，則可以對雜谷腦河流域的生態(tài)恢復(fù)和退耕還林還草措施的布局選擇提供更為合理的建議。

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