凋落物在紫鵲界梯田自流灌溉體系中的作用機(jī)理

徐義軍 李桂元 程冬兵

摘要：

為了進(jìn)一步揭示林區(qū)凋落物在梯田自流灌溉體系中的作用機(jī)理，在紫鵲界梯田區(qū)內(nèi)選取8塊樣地，測定了凋落物儲(chǔ)量、吸水釋水特性及土壤的理化性質(zhì)，并建立了相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明：① 不同樣地持水性及釋水性均不同;② 凋落物可吸收自身質(zhì)量的2～4倍水分，同時(shí)林區(qū)土壤的各項(xiàng)物理指標(biāo)及化學(xué)指標(biāo)均優(yōu)于荒坡;③ 通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，凋落物的釋水特性對部分土壤理化性質(zhì)存在極顯著或顯著相關(guān)關(guān)系。因此，凋落物不僅可以保護(hù)地表，還能通過持續(xù)的吸水及釋水，避免水土流失，補(bǔ)充土壤水分，同時(shí)起到改良土壤和涵養(yǎng)水源的作用。

關(guān) 鍵 詞：

凋落物; 自流灌溉體系; 吸水性; 釋水性; 土壤理化性質(zhì); 涵養(yǎng)水源; 紫鵲界梯田

中圖法分類號(hào)： TV93;S27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.013

0 引 言

據(jù)相關(guān)資料報(bào)道，紫鵲界梯田初墾于秦漢時(shí)期，距今已有2 200～2 300 a的歷史[1]。紫鵲界梯田氣勢宏偉，山高坡陡，大面積種植水稻，山上無任何蓄水儲(chǔ)水等灌溉水利設(shè)施，即使干旱氣候也能實(shí)現(xiàn)自流灌溉，因此紫鵲界梯田的水源來源、儲(chǔ)存形式、供給方式及運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律吸引了眾多學(xué)者的研究。其中，李桂元等[1]通過對紫鵲界梯田研究區(qū)的水文氣象觀測、水文地質(zhì)勘探、地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測等方式，提出了“等坡位地下蓄水庫”及雙線性自主調(diào)蓄理論，據(jù)此建立模型，從宏觀角度深刻地揭露了古梯田原生態(tài)自流灌溉機(jī)理;許志方等[2]從歷史發(fā)展、人文特色等角度分析紫鵲界梯田的由來;許文盛[3]、彭圣軍[4]等以氣候、地質(zhì)地貌、人為活動(dòng)等因素對紫鵲界古梯田自流灌溉體系影響進(jìn)行了探究。甘德欣等[5]對“自流灌溉機(jī)理”在梯田的災(zāi)害防御機(jī)制和效益分析方面的影響做出分析，認(rèn)為紫鵲界梯田通過“隱形水庫”充分發(fā)揮集雨功能，其傳統(tǒng)耕作方式維護(hù)梯田結(jié)構(gòu)，有效防止災(zāi)害發(fā)生;段興鳳等[6]通過分析梯田區(qū)森林土壤容重、孔隙度、土壤持水率等物理指標(biāo)與土壤水源涵養(yǎng)功能的相關(guān)性，進(jìn)一步分析梯田的灌溉機(jī)理。本文在紫鵲界梯田林區(qū)選取8塊樣地，通過測定土壤理化性質(zhì)及相應(yīng)的林下枯落物水分特性，探討其在古梯田自流灌溉體系中的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紫鵲界梯田位于湖南省新化縣西部山區(qū)的水車鎮(zhèn)，介于東經(jīng)110°52′～111°01′，北緯27°40′～27°45′。梯田總面積約0.67萬hm2，集中于紫鵲界周邊的核心景區(qū)面積達(dá)0.38萬hm2。紫鵲界梯田土壤屬花崗巖分化發(fā)育的紅壤、黃壤和山地草甸土。土壤的垂直地帶性分布明顯，均為砂性質(zhì)地，海拔800 m以下的地區(qū)基本為紅壤，800 m以上區(qū)域基本為黃壤。紫鵲界梯田區(qū)森林植被覆蓋率達(dá)60%以上，山頂、山腰及山腳植被種類均不同。植物種類繁多，總體上從林冠至地下依次可分為4層：一層為松、柏、楓等喬木，二層為山茶、紫荊等灌木，三層為蕨草和落葉，四層為樹、草之根。紫鵲界梯田景區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.7 ℃，最高氣溫39.0 ℃，最低氣溫-5.0 ℃;年降水量為1 650～1 700 mm;年均日照1 488 h。

樣地選擇在紫鵲界區(qū)域中上部，此區(qū)域林區(qū)植被種類較全面，且土壤類型均為黃棕壤，并且為了避免氣候因素對實(shí)驗(yàn)的影響，選取了海拔較為接近的8個(gè)具有代表性的樣地，分別為金龍村后山杉林1、金龍村后山杉林2、金龍村后山荒坡、金龍村后山竹林、上游觀測站林區(qū)、演藝中心后栗林、演藝中心旁荒坡、演藝中心旁梯田，樣地基本情況如表1所列。

1.2 研究方法

2011年6月和12月分2次在以上樣地上取樣，每個(gè)樣地設(shè)置100 cm×100 cm的樣方5個(gè)，收集樣方內(nèi)的全部枯枝落葉，記錄各凋落物層的厚度，并分別測定其鮮質(zhì)量，然后將凋落物裝入塑料袋密封后帶回實(shí)驗(yàn)室。將帶回實(shí)驗(yàn)室的凋落物放入80 ℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，以測得各群落凋落物的儲(chǔ)量。在烘干并混合均勻后的各群落凋落物中取部分樣品稱量，把樣品裝入尼龍網(wǎng)袋（網(wǎng)孔直徑約1 mm），扎好袋口，稱重;然后將裝有凋落物的尼龍網(wǎng)袋分別浸入清水中10.0 min，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，24.0 h后撈起，靜置于空氣中約5.0 min，待凋落物不滴水時(shí)稱重（濕重）。當(dāng)稱完浸泡24.0 h樣品的濕重后，再將裝有此樣品的尼龍網(wǎng)袋依次靜置于空氣中釋水10.0 min，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，24.0 h（室溫23 ℃，空氣濕度24%），測出各時(shí)刻樣品在空氣中釋水后的濕重，最后將釋水24.0 h后的樣品放入80 ℃的烘箱內(nèi)烘干，然后稱重。對任一群落的凋落物，上述實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

凋落物的測定指標(biāo)有凋落物的持水率、吸水速率、釋水率及釋水速率[6]，計(jì)算方法如下：

式中：Lt表示t時(shí)刻凋落物持水率，%;Mt表示凋落物浸泡t時(shí)段后的濕重（含尼龍網(wǎng)袋重），g;Mn表示尼龍網(wǎng)袋重，g;Md表示凋落物干重，g。

式中：Wt表示凋落物在t時(shí)刻的吸水速率，g/（g·h）;Lt1、Lt分別表示t1和t（>t1）時(shí)刻凋落物的持水率，%;Δt表示t1和t時(shí)刻之間的時(shí)間差，h。

式中：Rt表示凋落物在t時(shí)刻的釋水率，%;M24表示凋落物浸泡24 h后的濕重（含尼龍網(wǎng)袋重），g;Mtr表示凋落物釋水t時(shí)段后的濕重（含尼龍網(wǎng)袋重），g。

式中：Vrt表示凋落物在t時(shí)刻的釋水速率，g/（g·h）;Rt1、Rt分別表示t1和t（>t1）時(shí)刻凋落物的釋水率，%。

用環(huán)刀及土鉆采集0～20 cm和20～40 cm土樣，測得土壤理化性質(zhì)。土壤物理指標(biāo)及化學(xué)指標(biāo)采用常規(guī)分析方法測定[7]：土壤容重、孔隙度采用環(huán)刀法;全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮法測定;全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法;全鉀采用電熱板消解法;水解氮采用堿解擴(kuò)散法;速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法;速效鉀采用火焰分光光度計(jì)法;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤pH值采用pH計(jì)測定（水土比2.5∶1.0）。

2 結(jié)果分析

2.1 凋落物持水特性

由圖1可知，在同一浸泡時(shí)刻，各群落凋落物吸水速率的大小順序?yàn)椋褐裆剂?竹林>草地>杉林>栗林。各群落凋落物在經(jīng)歷相同的浸泡時(shí)間后，持水率大小順序?yàn)椋褐裆剂?竹林>草地>杉林>栗林。對于不同的群落而言，由于凋落物具有的纖維組織不同[8]，導(dǎo)致各凋落物持水能力有所差異，因此，在相同的浸泡時(shí)間，不同群落凋落物的持水率相異。當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到24 h，各群落凋落物的吸水速率依次是：竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林。各群落凋落物24 h的最大持水率，即最大持水量，依次是竹杉林>竹林>草地>杉林>栗林，與段興風(fēng)等人的研究結(jié)果較為一致[9]。林地持水量包含了枯枝落葉層持水量和林下土壤層持水量。林下凋落物的水源涵養(yǎng)能力也受到凋落物的厚度影響，即受林分類型、林齡、氣候及立地條件等多元因素的影響[8]。

2.2 凋落物釋水特性

凋落物釋水性是其進(jìn)行水資源調(diào)配的關(guān)鍵，表現(xiàn)為凋落物的釋水過程，主要取決于釋水率和釋水速率兩個(gè)參數(shù)。由圖2可知：在釋水初期，釋水速率均較大，隨著釋水時(shí)間的延長，釋水速率快速下降;當(dāng)釋水達(dá)到24 h時(shí)，各凋落物的釋水速率依次為杉林>竹林>栗林>草地>竹杉林，各群落凋落物的釋水率依次為杉林>竹林>栗林>草地>竹杉林，基本上與釋水速率的順序一致。結(jié)合凋落物持水特性研究結(jié)果，說明各凋落物的持水能力與其釋水能力并不一致，進(jìn)而僅用表征凋落物持水特性的水源涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱并不能全面反映其水資源調(diào)配能力的大小。

2.3 土壤理化性質(zhì)分析

2.3.1 土壤物理性質(zhì)分析

由圖3可知，所有樣地的土壤容重均有從表層向深層逐漸增加的趨勢，相同土層深度不同樣地土壤容重?zé)o顯著差異。不同樣地土壤孔隙度差異顯著（p<0.05），林區(qū)土壤的總孔隙度和毛管孔隙度均大致呈現(xiàn)出大于荒坡地的特征，這與前人研究結(jié)果基本一致[7]。由于紫鵲界梯田林區(qū)土壤表面凋落物豐富，而喬灌草等凋落物富含灰分元素，所形成的腐殖質(zhì)和鈣是基本的膠結(jié)物[10]，進(jìn)而土粒易膠結(jié)而形成有良好結(jié)構(gòu)的土壤，增加了土壤的孔隙度，從而增強(qiáng)了土壤的持水和通透能力。

通過土壤機(jī)械組成的測定，上層土壤質(zhì)地較黏著，非毛管孔隙和毛管含水率均呈現(xiàn)上層大于下層的狀態(tài)，說明上層土壤較為疏松，既不影響持水，又不影響水分下滲;下層土壤砂粒含量較多，黏著力低于上層土壤，大空隙較多，有利于滲透下來的水沿大空隙向下補(bǔ)充地下水。凋落物的釋水率及釋水速率良好，因此大氣降水可以迅速地通過凋落物層抵達(dá)土壤，被土壤吸收利用。研究表明：在相同的土壤理化特征條件下，土壤滲透性能越好，形成的地表徑流越少，相應(yīng)水土流失量越少[11]。因上層土壤黏粒比例較大，毛管孔隙發(fā)達(dá)，毛管持水量和最大持水量均高于深層土壤[12]，大氣降水從地表土壤向地下補(bǔ)充時(shí)，易存儲(chǔ)較多的懸著水，容易產(chǎn)生地表蒸發(fā)，由于凋落物層覆蓋地表土壤，能有效減少陸面蒸發(fā)，增加土壤水利用率，在一定程度上保障水循環(huán)的通暢性。

2.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

由于土壤的化學(xué)性質(zhì)受其所在環(huán)境中植被種類、組成結(jié)構(gòu)、林下植被及凋落物數(shù)量、質(zhì)量等因素的影響，因此對土壤的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析是深入了解土壤環(huán)境的基礎(chǔ)。

由圖4可知：相同土層不同樣地pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀差異性均未達(dá)到顯著水平，水解氮、速效磷、速效鉀等速效養(yǎng)分差異顯著（p<0.05）。隨土層深度的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效磷、速效鉀含量逐漸遞減，全磷含量變化不明顯，而全鉀含量的變化無明顯規(guī)律。對于有機(jī)質(zhì)、氮素、鉀素而言，

林區(qū)的含量高于荒坡區(qū);對于速效磷而言，荒坡區(qū)的含量高于林區(qū);對于全磷而言，林區(qū)與荒坡區(qū)的含量差異不大。造成不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分產(chǎn)生差異的原因有多種，包括土壤質(zhì)地差異、人為干擾、土壤侵蝕等。凋落物的覆蓋也是引起差異的重要原因，凋落物層不僅具有阻滯徑流、攔截泥沙的功能，還可以均衡土壤水熱條件。均衡適宜的水熱條件，有利于提高土壤中微生物的代謝活性[13]，因此土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全鉀、速效鉀含量均比荒坡區(qū)高。林區(qū)土壤速效磷含量比荒坡區(qū)稍低，可能與不同植被對養(yǎng)分的選擇吸收特性不同有關(guān)[14-15]。

2.4 凋落物水分特性與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步厘清地表凋落物對土壤理化性質(zhì)的影響，對凋落物水分特性及土壤理化性質(zhì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。分析發(fā)現(xiàn)，凋落物的持水率及吸水速率與土壤理化性質(zhì)無顯著相關(guān)關(guān)系。釋水率與毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與非毛管孔隙度、速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)，與毛管含水率、速效鉀呈顯著相關(guān)關(guān)系。釋水速率與毛管孔隙度、毛管含水率均為極顯著正相關(guān)關(guān)系，與非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與水解氮呈顯著正相關(guān)，與速效磷為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（見表2）。

分析發(fā)現(xiàn)：不同樣地全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分因子之間差異性未達(dá)到顯著性水平，而水解氮、速效磷、速效鉀等速效養(yǎng)分因子差異顯著。通過查閱降雨資料發(fā)現(xiàn)，紫鵲界梯田區(qū)降雨分布在2～10月（平均≥100 mm），充足的降雨會(huì)導(dǎo)致凋落物層持續(xù)分解，以此來增加土壤養(yǎng)分，從而促進(jìn)林地養(yǎng)分的良性循環(huán)，因此各個(gè)樣地全效養(yǎng)分差異不顯著。而凋落物的釋水率與釋水速率與林下土壤的水解氮、速效磷、速效鉀有著顯著的相關(guān)關(guān)系，這是引起差異性的重要原因之一。

3 結(jié) 論

（1） 不同凋落物持水性與釋水性均不同，這與凋落物本身特征有關(guān)，不同林下凋落物種類不同，纖維組織不同。

（2） 豐富的凋落物有利于增加土壤中的膠結(jié)物質(zhì)，改良土壤理化性質(zhì)，同時(shí)具有良好的持水效應(yīng)，其持水率可達(dá)自身質(zhì)量的2～4倍，具有優(yōu)良的涵養(yǎng)水源的功能。

（3） 通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，凋落物的持水率、吸水速率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平。釋水率、釋水速率與毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管含水率、水解氮、速效磷、速效鉀存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。

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（編輯：謝玲嫻）

Role of forest litter in artesian irrigation system of Ziquejie terraced fields

XU Yijun1，LI Guiyuan1，CHENG Dongbing2

（1.Hunan Institute of Water Resources and Hydropower Research，Changsha 410007，China; 2.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430015，China）

Abstract：

In order to further reveal the role of litter played in the terraced artesian irrigation system，8 plots were selected from purple magpie terraced fields and the relationship between litter reserves，water absorption and water release characteristics，and soil physical and chemical properties were built.The results show that：（1） the water absorption and water release of different plots were different.（2） Litter can absorb 2-4 times of water of its own mass，and the physical and chemical properties of the soil in the forest area were better than those in the barren slope.（3） Through correlation analysis，it was found that the water release characteristics of litter had significant correlation with the physical and chemical properties of some soils.Therefore，litter can not only protect the field surface，but also avoid soil erosion through continuous water absorption and water release，continuously replenish soil water，thus improving soil and water conservation

Key words：

litter;artesian irrigation system;water absorption;water release;soil physical and chemical properties;water conservation;Ziquejie terraced fields