不同土地利用類型對城市水源地的涵養(yǎng)能力分析

崔松云，李顯鴻，胡俊波，丁 冉，鄒嘉福

(云南省水文水資源局昆明分局，昆明 650106)

0 引 言

城市水源地是一個特殊的水環(huán)境，是一個城市生存和發(fā)展的必要條件，保護城市水源地已成了決定城市未來發(fā)展的關(guān)鍵，而西南地區(qū)的城市水源地，尤其是以高原盆地地貌為主的云南城市水源地，其生態(tài)系統(tǒng)所受的影響并未得到太多的關(guān)注[1,2]。2009年以來，西南地區(qū)氣候發(fā)生了嚴重劇烈的變化，如氣溫持續(xù)上升，降水量減少，冰川消融加速，河川徑流增加，洪澇、旱災頻發(fā)[3]，特別是地處滇中的昆明市，遭遇連續(xù)5年特大干旱，城市供水安全受到嚴重威脅。

目前，國內(nèi)關(guān)于水源地的研究主要集中于水源地環(huán)境保護、水質(zhì)評價、重金屬污染和富營養(yǎng)化方面[4]，而土地利用類型對水源涵養(yǎng)方面的研究相對較少。因此，了解水源地不同土地利用類型對氣候變化的響應(yīng)及其水源涵養(yǎng)功能，對制定有效的干旱應(yīng)對措施和水源地保護策略都具有重要的指導意義。本文以昆明城市重要供水水源地松華壩水庫流域為典型研究區(qū)域，針對不同土地利用類型的土壤層對水源涵養(yǎng)能力進行探討，定量分析不同土地利用類型對水源地的涵養(yǎng)能力，以期為水源地保護策略的制定提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 土壤理化特性分析方法

土壤層是水源涵養(yǎng)效應(yīng)的第三層，保存著85%以上的降水，水分自地表沿著毛管孔隙和非毛管孔隙下滲，一部分供植物吸收和地表蒸發(fā)，一部分則可以貯存于土壤庫中或形成地下徑流匯入溪流或進入地下水，因而土壤層稱為大氣降水的“蓄存庫”和“調(diào)節(jié)器”[5]。通過對典型區(qū)不同土地利用類型條件下的土壤理化特性進行分析，認識土壤層對水源地的涵養(yǎng)原理。

經(jīng)實地查勘，在松華壩水源區(qū)內(nèi)選擇了5種具有代表性的土地利用類型，分別為板栗林(A1)、岡櫟林(A2)、圣誕樹人工林(A3)、混交林(云南松、岡櫟林)(A4)和撂荒地(A5)。利用GPS打點記錄采樣位置，分別在每種土地利用類型中設(shè)置1塊20 m×20 m的樣地，采用剖面法在各個樣地坡面的上部、中部、下部選擇三個剖面，用環(huán)刀在剖面上按照0～20，20～40，40～60 cm垂直分層采樣，每層重復采樣3個，用于土壤物理性質(zhì)測定，各樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本特征Tab.1 Basic features of sample lands

土壤物理性質(zhì)的測定：按照張萬儒方法[6]測定土壤容重、孔隙度等物理特征，按照南土所方法[7]測定土壤自然含水量和飽和含水量，水層厚度、涵蓄降雨量和有效涵蓄量參照趙筱青方法[8]計算，各計算公式如下。

(1)毛管蓄水量和非毛管蓄水量：

Wc=10 000Pc·h

(1)

Wo=10 000Po·h

(2)

式中：Wc為毛管蓄水量，t/hm2；Wo為非毛管蓄水量，t/hm2；Pc為土壤毛管孔隙度，%；Po為土壤非毛管孔隙度，%；h為土壤厚度，m。

(2)水層厚度：

l=d·w

(3)

式中：l為水層厚度，m；d為土層深度，m；w為土壤自然含水量，%。

(3)涵蓄降水量：

PT=W-l

(4)

式中：PT為涵蓄降水量，m；W為總蓄水量，m。

(4)有效涵蓄量：

WT=Wc-l

(5)

式中：WT為有效涵蓄量，m。

土壤化學性質(zhì)測定：采用X射線熒光光譜法測定土壤全磷、全鉀含量，采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定有機質(zhì)含量。在加熱的條件下，用過量的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機碳，多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，以樣品和空白消耗重鉻酸鉀的差值計算出有機碳量。因該方法與干燒法對比只能氧化90%的有機碳，因此，將測得的有機碳乘以校正系數(shù)1.1，再乘以常數(shù)1.724(按土壤有機質(zhì)平均含碳58%計算)，即為土壤有機質(zhì)含量，其計算公式為：

(6)

式中：S為土壤有機質(zhì)含量，%；V0為空白試驗所消耗硫酸亞鐵銨標準溶液體積，mL；V為試樣測定所消耗硫酸亞鐵銨標準溶液體積，mL；c為硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度，mol/L；0.003為1/4碳原子的毫摩爾質(zhì)量，g；1.724為由有機碳換算成有機質(zhì)的系數(shù)；1.10為氧化校正系數(shù)；m為風干試樣的質(zhì)量，g；1 000為換算成每千克含量。

1.2 不同土地利用類型對水源涵養(yǎng)功能評價方法

1.2.1 水源涵養(yǎng)因子的隸屬度

土地利用類型對水源涵養(yǎng)功能評價指標不盡一致，原因是不同的人對水源涵養(yǎng)功能的理解不同而有所差異。本文主要以土壤容重、自然含水量、飽和含水量、有效涵蓄量、涵蓄降水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管蓄水量、非毛管蓄水量、全磷含量、全鉀含量和有機質(zhì)含量，地形因子中的坡度等作為不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能指示因子。

由于描述各土地利用植被水源涵養(yǎng)功能指標的量綱及其函數(shù)關(guān)系不一樣，不同的指標不具直接的可比性，因此，需要通過隸屬度函數(shù)對以上指標進行標準化?，F(xiàn)采取劉世梁方法[9]，運用升型分布函數(shù)[式(7)]與降型分布函數(shù)[式(8)]來確定各因子隸屬度值，其中采用降型分布函數(shù)計算土壤容重與坡度，其余指標均用升型分布函數(shù)計算。

Qi=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(7)

Qi=(ximin-xi)/(ximax-ximin)

(8)

式中：Qi為水源涵養(yǎng)因子的隸屬度值；xi為第i項水源涵養(yǎng)因子值；ximax和ximin分別為第i項水源涵養(yǎng)因子的最大值和最小值。

1.2.2 指標權(quán)重確定方法

采用熵值法[10]確定水源地不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能各指標的權(quán)重。一般地，熵值法將評價對象集記為{Ai}(i=1，2，…，m)，用于評價的指標評價集記為{Xj}(j=1，2，…，n)，用xij表示第i個方案第j個指標的原始值，計算公式如下：

將xij做正向化處理，計算第j個指標第i個方案所占的比例pij：

(9)

第j個指標的熵值ej：

(10)

式中：k為調(diào)節(jié)系數(shù)，k=1/ln(m)。

第j個指標的差異系數(shù)gj：

gj=1-ei(j=1,2,…,n)

(11)

第j個指標的權(quán)重系數(shù)ωj：

(12)

1.2.3 水源涵養(yǎng)能力相對優(yōu)異性量化評價模型

通過熵值的衍生，可以把土地利用類型在水源涵養(yǎng)功能中的多維信息進行量化與綜合，計算出基于熵值的水源涵養(yǎng)能力相對優(yōu)異性量化評價得分值：

G=∑ωjQi

(13)

式中：Qi為某種土地利用類型水源涵養(yǎng)功能評價指標原始數(shù)據(jù)的歸一化值；ωi為指標熵值確定的權(quán)重；G為某種土地利用類型對水源涵養(yǎng)能力的總得分。

水源涵養(yǎng)功能受多維要素的影響，任何單一指標無法客觀、全面的評價水源涵養(yǎng)能力，水源涵養(yǎng)能力相對優(yōu)異性量化評價模型可綜合考慮水源涵養(yǎng)功能的多種影響因素，對客觀評價不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)功能具有指示意義。

2 松華壩水源區(qū)不同土地利用類型對水源的涵養(yǎng)能力分析

2.1 典型區(qū)土壤理化特征分析

2.1.1 土壤物理特征

土壤物理性質(zhì)主要指土層厚度、容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度等指標。

土地利用類型的不同，表層枯落物儲量及其構(gòu)成和樹木根系的生長發(fā)育差異，造成了土壤物理性質(zhì)上差異[11]。根據(jù)上述方法，測定松華壩水源區(qū)不同土地利用類型各層次土壤物理特征指標，具體見表2。

表2 松華壩流域不同土地利用類型各層次土壤物理特征Tab.2 Physical features of different soil layers from various land use types in Songhuaba watershed

由表2可知，不同土地利用類型的土壤總孔隙度均呈自地表向下逐漸減少的趨勢，各土地利用類型土壤毛管孔隙度均值排序為：混交林>撂荒地>岡櫟林>圣誕樹人工林>板栗林；土地利用類型的土壤蓄水能力主要取決于土壤非毛管孔隙，在調(diào)節(jié)水分方面具有更重要的作用，各土地利用類型非毛管孔隙度均值的排序為：圣誕樹人工林>岡櫟林>板栗林>撂荒地>混交林。不同土地利用類型土壤平均容重與土壤孔隙度在0～60 cm土層內(nèi)，土壤容重平均值的排序為：板栗林=撂荒地>圣誕樹人工林>岡櫟林>混交林。產(chǎn)生這種變化的原因主要是隨著土層深度的增加，土壤有機質(zhì)含量逐漸減少，受淋溶特性的影響，土壤黏粒和粉粒的比例隨著土層深度的增加而逐漸變大，砂粒比例逐漸變小，從而降低了土壤孔隙度，使土壤變得緊實。不同土地利用類型土壤容重、土壤孔隙度的變化見圖1。

圖1 不同土地利用類型土壤平均容重、土壤孔隙度分布圖Fig.1 Distribution map of average soil bulk density and soil porosity from various land use types

2.1.2 土壤蓄水性能特征

土地利用類型的土壤蓄水量是反映土地利用對涵養(yǎng)水源能力的重要指標之一。從保水能力看，毛管空隙中的水分可以長時間保持在土壤中，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)。從土壤蓄水能力看，非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲，更有利于涵養(yǎng)水源[12]。不同土地利用類型的根系發(fā)育、樹種組成、土地利用類型發(fā)育、土地利用類型水平及垂直結(jié)構(gòu)不一樣，造成土壤孔隙和非毛管孔隙的不同，土地利用類型的蓄水能力也不一樣。根據(jù)前述方法，測定并計算松華壩水源區(qū)不同土地利用類型情況下的土壤蓄水量，具體見表3。

從表3分析結(jié)果可知，單一土地利用類型，各土壤層總蓄水量有隨著土層加深而逐漸下降的趨勢。不同土地利用類型，0～60 cm土層總蓄水量最大為圣誕樹人工林(2 852.83 t/hm2)，最小為板栗林(2 709.00 t/hm2)，其排序為：圣誕樹人工林>混交林>岡櫟林>撂荒地>板栗林；不同土地利用類型非毛管蓄水量均值排序為：圣誕樹人工林>岡櫟林>板栗林>撂荒地>混交林；不同土地利用類型毛管蓄水量均值排序為：混交林>撂荒地>岡櫟林>圣誕樹人工林>板栗林。土壤蓄水量、土壤涵蓄量變化與土地利用類型的關(guān)系見圖2。

表3 松華壩流域不同土地利用類型土壤蓄水情況Tab.3 Soil water storage status from various land use types in Songhuaba watershed

圖2 不同土地利用類型土壤蓄水量、土壤涵蓄量變化過程Fig.2 Changing process of soil water storage and effective water conservation amount from various land use types

從表3分析結(jié)果還可知，毛管蓄水量僅在撂荒地中隨土層深度增加而減小，在其他類型中同一土地利用類型各土層無明顯規(guī)律性變化；板栗林與混交林均為40～60 cm毛管蓄水量最大，0～20 cm次之，20～40 cm毛管蓄水量最低；岡櫟林0～20 cm土層毛管蓄水量最高，40～60 cm次之，20～40 cm毛管蓄水量最低；圣誕樹人工林0～20 cm土層毛管蓄水量最高，其余兩層基本相同。板栗林、圣誕樹人工林和混交林在3個土層深度非毛管蓄水量均為20～40 cm最高，0～20 cm次之，40～60 cm最低，但20～40 cm與0～20 cm非毛管蓄水量相差不大；岡櫟林與撂荒地非毛管蓄水量有隨著土層加深而減小的趨勢。

2.1.3 土壤涵蓄量特征

土壤的蓄水性能與水層厚度密切相關(guān)，當土壤濕度很大時，土壤的蓄水量就會減少，即使降水量很小，也會產(chǎn)生地表徑流，因此把總蓄水量與水層厚度之差作為衡量土壤涵蓄降水量的指標[13]，松華壩水源區(qū)的飽和蓄水量以毛管蓄水量為主，毛管蓄水量與水層厚度之差反映供植物利用的潛在土壤有效蓄水，稱其為有效涵蓄量[14]。

從不同土地利用類型中土壤蓄水量與土壤涵蓄量的變化(圖2)可知，不同土地利用類型有效涵蓄量均值排序為：混交林>撂荒地>板栗林>圣誕樹人工>岡櫟林；5種土地利用類型涵蓄降水量均是隨著土層加深而減小，其排序為：混交林>圣誕樹人工林>板栗林>撂荒地>岡櫟林。結(jié)果表明，有效涵蓄量的變化與含蓄降水量的變化是一致的。有效涵蓄量在同一土地利用類型各土層中具有一定的規(guī)律性，岡櫟林、圣誕樹人工林和撂荒地有效涵蓄量隨著土層加深而減小；混交林0～20 cm土層有效涵蓄量最大，20～40 cm與40～60 cm土層有效涵蓄量基本相等；板栗林0～20 cm有效涵蓄量最大，40～60 cm次之，20～40 cm有效涵蓄量最小；涵蓄降水量在同一土地利用類型各土層中有明顯的規(guī)律性變化，與有效涵蓄量一致，而且3種土地利用類型土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均表現(xiàn)為0～20 cm最大，這表明了土壤上層在水分入滲、涵蓄降水能力及供給植物有效水分等方面均好于土壤下層。

2.1.4 土壤化學特征

有機質(zhì)、土壤全鉀和全磷是土壤肥力的重要指標，其含量的增多能改良土壤性質(zhì)，降低土壤容重，消除土壤的板結(jié)性狀，促進團?；Y(jié)構(gòu)，提高土壤的保水能力和透氣性能，故以有機質(zhì)、土壤全鉀和全磷作為評價不同土地利用類型對水源涵養(yǎng)性能的化學指標。根據(jù)前述各指標測定方法，對松華壩流域不同土地利用類型的土壤全磷、全鉀、有機質(zhì)含量進行測定，并繪制變化相關(guān)圖，見圖3、圖4。

圖3 不同土地利用類型土壤磷含量和鉀含量變化過程Fig.3 Changing process of soil phosphorus and potassium content from various land use types

圖4 不同土地地利用類型土壤有機質(zhì)含量變化過程Fig.4 Changing process of soil organic matter content from various land use types

從圖3可看出，松華壩水源區(qū)5種土地利用類型土壤磷含量和鉀含量均值變化并不一致，5種土地利用類型磷含量均值排序為：板栗林>撂荒地>圣誕樹人工林>混交林>岡櫟林；土壤鉀含量均值排序為：混交林>撂荒地>板栗林>岡櫟林>圣誕樹人工林。不同的土地利用類型郁閉度，枯落物的組成、成分、特性、質(zhì)地、分解程度，土壤發(fā)育、根系發(fā)育都會造成土壤全鉀和全磷的變化。

從圖4可看出，松華壩水源區(qū)5種不同土地利用類型土壤有機質(zhì)均值排序為：板栗林>岡櫟林>圣誕樹人工林>混交林>撂荒地，板栗林0～60 cm土壤有機質(zhì)均值最大(1.67 g/kg)，最小為撂荒地(0.51 g/kg)。在自然狀態(tài)下，有機質(zhì)的輸入主要源于土地利用凋落物，土壤有機質(zhì)的量作為土壤肥力的一項重要指標，對土壤的物理、化學和生物性質(zhì)都有著深刻的影響。土壤有機質(zhì)含量的增加，一方面改善了土壤結(jié)構(gòu)，使孔隙度增加；另一方面改變了土壤的膠體狀況，使土壤吸附作用增強。這兩方面的作用都有利于土壤水分的保持，從而使土壤含水量增加[15]。板栗林落葉相對較多，形成豐富的有機質(zhì)輸入；撂荒地幾乎沒有落葉，有機質(zhì)輸入較少，本次不同土地利用化學特征分析結(jié)果符合這種客觀物理事實。

2.2 不同土地利用類型對水源的涵養(yǎng)功能評價

水源的涵養(yǎng)功能評價需要通過如下四個主要步驟實現(xiàn)：①構(gòu)建指標體系；②指標標準化處理；③確定各指標權(quán)重；④利用公式(13)開展不同土地利用類型對水源的涵養(yǎng)功能評價。其中，評價指標包括土壤含磷量、土壤含鉀量、自然含水量等，具體步驟及結(jié)果如下。

2.2.1 指標分類

根據(jù)前述分析的松華壩水源區(qū)土壤理化特征指標，結(jié)合評價模型、水源涵養(yǎng)因子隸屬度，選取對水源涵養(yǎng)功能評價敏感度較好的指標，具體見表4。

2.2.2 指標標準化

將5種不同土地利用類型植物群落和評價指標看成一個有5個評價方案和13個評價指標組成的評價系統(tǒng)，構(gòu)成指標實際矩陣X=(xij)29×6，通過前述隸屬度函數(shù)[式(7)、式(8)]對以上指標進行標準化，并計算指標評價值矩陣為Y=(yij)29×6，結(jié)果見表5。

2.2.3 指標權(quán)重確定

根據(jù)水源區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，按照綜合性、主導性、科學性和可操作性原則，選擇了能夠反映研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能基本內(nèi)涵的指標，構(gòu)成具有3個層次結(jié)構(gòu)的土地利用植被水源涵養(yǎng)功能性指標體系，采用熵值法[式(9)～(12)]計算各指標權(quán)重，結(jié)果見表6。

表4 松華壩水源區(qū)不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能評價指標值Tab.4 Value of evaluation indexes for water source conservation capacity from various land use types in Songhuaba water source area

表5 松華壩水源區(qū)不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能評價指標標準化矩陣Tab.5 Normalized matrix of evaluation indexes for water source conservation capacity from various land use types in Songhuaba water source area

表6 松華壩水源區(qū)不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能評價指標權(quán)重Tab.6 Weight of evaluation indexes for water source conservation capacity from various land use types in Songhuaba water source area

2.2.4 不同土地利用類型對水源涵養(yǎng)的能力評價得分

根據(jù)水源涵養(yǎng)能力相對優(yōu)異性量化評價模型[式(13)]，計算各種土地利用類型土壤層對水源涵養(yǎng)能力的總得分，結(jié)果見表7。

表7 松華壩水源區(qū)不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能評價得分Tab.7 Scores of evaluation indexes for water source conservation capacity from various land use types in Songhuaba water source area

根據(jù)表7評價結(jié)果，得出不同土地利用類型土壤層對水源涵養(yǎng)能力的得分排序為：圣誕樹人工林>混交林>岡櫟林>板栗林>撂荒地。表明松華壩水源區(qū)不同土地利用類型中，圣誕樹人工林對水源的涵養(yǎng)能力最好，撂荒地對水源的涵養(yǎng)能力最差。以上分析結(jié)果與實際情況相符，圣誕樹的水土保持能力、水源涵養(yǎng)和改良土壤能力最強；而撂荒地由于缺少植被，致使其對水源的涵養(yǎng)能力較差。

3 結(jié) 語

通過分析，得出如下結(jié)論。

(1)在典型區(qū)選擇的5種具有代表性的不同土地類型(板栗林、岡櫟林、圣誕樹人工林、混交林和撂荒地)樣地中，隨著土層的加深，土壤容重也隨著增大，0～60 cm土層容重均值最大為板栗林和撂荒地(1.45 g/cm3)，最小為混交林(1.40 g/cm3)，依次為板栗林=撂荒地>圣誕樹人工林>岡櫟林>混交林；土壤總孔隙度均值最大為圣誕樹人工林(47.55%)，最小為板栗林(45.15%)，依次為圣誕樹人工林>混交林>岡櫟林>撂荒地>板栗林；土壤容重均值趨勢與總孔隙度變化趨勢相反。

(2)從單一土地利用類型看，各層土壤總蓄水量呈隨著土層加深逐漸下降的趨勢；毛管蓄水量無明顯規(guī)律性變化，非毛管蓄水量具有一定的規(guī)律性。

(3)從不同土地利用類型看，0～60 cm土層總蓄水量最大為圣誕樹人工林(2 852.83 t/hm2)，最小為板栗林(2 709.00 t/hm2)，依次為圣誕樹人工林>混交林>岡櫟林>撂荒地>板栗林；非毛管蓄水量均值排序為圣誕樹人工林>岡櫟林>板栗林>撂荒地>混交林；毛管蓄水量均值排序為混交林>撂荒地>岡櫟林>圣誕樹人工林>板栗林。

(4)不同土地利用類型土壤涵蓄降水量變化與有效涵蓄量是一致的，而且3種土地利用類型土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均表現(xiàn)為0～20 cm最大，表明土壤上層在水分入滲、涵蓄降水能力及供給植物有效水分等方面均好于土壤下層。

(5)不同土地利用類型土壤磷含量、鉀含量、有機質(zhì)含量均值排序有所差異。

(6)不同土地利用類型土壤層水源涵養(yǎng)能力得分排序為圣誕樹人工林>混交林>岡櫟林>板栗林>撂荒地。表明不同土地利用類型中，圣誕樹人工林對水源的涵養(yǎng)能力最好，撂荒地對水源的涵養(yǎng)能力最差。

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