广西龙脊梯田区森林类型对土壤水力特性的影响

王 醒, 方荣杰, 张帅普, 黄 卉, 黄 朗, 吴忠军

(1.桂林理工大学, 广西环境污染控制理论与技术重点实验室, 广西 桂林 541004; 2.桂林理工大学, 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心, 广西 桂林 541004; 3.桂林理工大学, 旅游与风景园林学院, 广西 桂林 541004)

森林具有保持水土、涵养水源等重要功能，其水文调节是通过植被冠层、枯落物层和土壤层等主要层次对降水的拦截和吸收发挥作用，使降水重新分配和充分贮蓄而起到强大的水源涵养功能，在调节气候、维持生态平衡等方面具有重要作用[1-2]。其中，土壤层是植被赖以生存的基础，是森林涵养水源的主体，能减少水土流失、增加降雨入渗量，是天然的地下水库[3-4]。而土壤水力性质作为土壤保持水分和传导水分的决定因素对土壤持水和渗透水特性的影响则决定了土壤保水效果及其水文效应，进而影响植被对土壤水分的吸收和土壤—植物—大气系统中的水循环[5-6]。因此，研究森林土壤水力特性对区域生态环境保护和水资源管理具有重要意义。土壤水力特性通常由土壤水分特征曲线、饱和导水率等水力参数来描述，是许多与灌溉、排水、水分运动和土壤中溶质运移相关的研究和应用都需要确定的土壤指标，受地形、气候、土地利用方式等诸多因素影响，尤其不同土地利用方式对土壤容重、土壤质地、有机质含量等因子的改变必使土壤水力特性发生变化[7-8]。国内外学者针对不同土地利用方式对土壤水力特性的影响进行了大量研究。Olorunfemi等[9]通过比较农田、种植农业和天然林土壤水力特性发现，天然林比农田和种植地具有更高的持水能力。Owuor等[10]通过对天然林与其改造所形成的农业用地土壤水力特性进行研究发现，天然森林向农业用地的转化后，土壤水力性质显著退化、土壤持水能力降低。纪月等[11]通过比较不同退耕年限下土壤水力特性发现，随着退耕年限的增加，土壤理化性质逐渐接近天然林，土壤持水性能得到很大改善。土壤水力特性是活跃和变化的，人类活动、环境条件的变化会显著影响土壤水力特性，不同土地利用方式下土壤水力特性仍需要进一步研究。

广西壮族自治区龙脊梯田是人类宝贵的农业文化遗产，也是中国西南具有代表性的水梯田之一，更是山地水土保持的典范，具有“森林、村庄、梯田、溪流(河流)”四度同构的生态系统[12]。梯田区域无塘无库，处于山顶的森林系统通过拦截降水并涵养在土壤中，形成源源不断的水流，是梯田灌溉的重要源头。近些年来，随着区域旅游业的快速发展，游客日益增多，部分用于农田灌溉的山涧流水被引为生活用水，加上一些水资源的不合理利用等因素，导致部分梯田撂荒、田块崩塌严重，给生态景观造成极大压力和一定的破坏，生态服务功能下降。虽然管理部门采取了一定的生态保护措施，将部分梯田退耕种植人工林，生态环境发生了显著变化，但在追求更大经济效益的同时，对诸多生态环境问题的解决仍是一项巨大挑战。森林水文效应及其对区域水资源平衡的影响已引起社会各界的关注[13-14]，但不同森林类型土壤水力性质的研究相对较少。混交林、竹林、杉木林是广西龙脊梯田区典型的森林类型，其中杉木林是由梯田退耕而来，为了增加土壤入渗、防止水土流失，下垫面土壤仍保留梯田原本的梯式结构。因此，本文以这3种不同森林类型和梯田为研究对象，从土壤基本物理性质、饱和导水率及水分特征曲线等方面综合分析广西龙脊梯田不同森林类型土壤水力特性差异，了解区域不同森林土壤保水、蓄水及渗透性能，以期为龙脊梯田生态环境修复和建设及水土资源管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

龙脊梯田位于广西桂林市龙胜各族自治县龙脊镇平安村龙脊山，位于东经109°32′—110°14′，北纬25°35′—26°17′。地处中亚热带季风气候区，夏季呈东南风，冬季多西北风，风力一般1～3级。气候受季风影响，四季分明，年平均气温14.4～16.9 ℃，最热月(7月)平均气温25.4 ℃，最高气温32 ℃，最冷月(1月)平均气温7.1 ℃，最低气温-6 ℃。年降雨量1 600～1 700 mm，雨量丰沛，且主要集中在5—9月，年均日照时数1 225.7 h，平均无霜期290 d。区域海拔300～1 900 m，最大坡度达50°，地形特征独特，空间结构主要由森林、村寨及梯田组成，是典型自然—人工复合生态系统，土壤类型以红壤土、黄壤土及黄棕壤土为主，森林系统植被长势良好，覆盖率达75.6%以上，为区域水资源提供强大的保育功能，主要包含竹林、杉木林、混交林等水源涵养林类型，其中竹林主要优势种有毛竹(Phyllostachysedulis)、檵木(Loropetalumchinense)，杉木林主要优势种有杉木(Cunninghamialanceolata)，混交林优势种则主要有杉木、马尾松(Pinusmassoniana)、毛竹、檵木等。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 本研究选定竹林、杉木林、混交林、梯田为研究对象，采样时间为2019年7月、2021年5月。各林地选择2个10 m×10 m标准样地，各标准样地内取3个1 m×1 m小样方，而梯田土壤比较均匀，因此选择两个梯田，每个梯田内取两个0.6 m×0.6 m小样方进行采样，用环刀(体积为100 cm3)采集10，20，40，60 cm深度的原状土，每个深度取3个重复样，带回实验室以测定土壤物理特性。同时，调查不同林地植被种类及生长特征，记录植被胸径、树高及经纬度、海拔、坡向、坡度等因子特征(表1)。

表1 样地概况

1.2.2 样品处理及测定 土壤孔隙度、饱和含水率和田间含水量均采用环刀法测定，容重采用烘干法测定。土壤颗粒机械组成、饱和导水率测定分别采用马尔文3000激光粒度仪、马氏瓶恒定水头法。土壤质地划分采用国际制土壤质地分类标准来确定。土壤水分特征曲线采用美国SOIL MOISTURE EQUIPMENT CORP生产的压力膜仪进行测定，先将环刀放入水中浸泡(24 h)至土壤饱和，然后在压力膜仪中进行压力值为30，60，100，300，500，700，1 000，1 300 kPa的土壤脱湿试验。

1.2.3 土壤水分特征曲线拟合模型 本研究采用应用较广泛且具有较高拟合精度和普适性的Van-Genuchten拟合方程[15-17]来模拟土壤水分特征曲线，其方程表达式为：

(1)

式中：θ为土壤体积含水率(cm3/cm3);θr为残余含水率;θs为饱和含水率;h为土壤吸力(cm或Pa);α是进气吸力相关的参数;m,n为形状参数,与土壤孔径分布有关,m= 1-1/n(n>1)。为了适应RETC软件对土壤水分特征曲线的拟合单位,压力膜仪表盘压力单位bar(100 kPa)按100 kPa=1 020 cm水柱换算为单位cm。

1.2.4 数据处理 采用Origin 2018绘制相应图表及拟合土壤水分特征曲线，并采用US Salinity Laboratory(美国盐改中心)开发的RECT软件求解土壤水分特征曲线方程的参数值。采用SPSS软件计算土壤水力参数之间的Pearson相关系数。

2 结果与分析

2.1 土壤基本物理性质

表2展示了各样地不同深度土壤基本物理性质。基于土壤颗粒机械组成，各样地土壤质地划分均为粉砂质壤土。不同层次粉粒、砂粒含量差异不显著(p>0.05)，但各层次土壤黏粒含量差异随梯田、混交林、杉木林、竹林逐渐明显。随土层深度的增加，竹林、混交林及梯田样地土壤黏粒含量呈增加趋势，其中竹林60 cm深度土壤黏粒含量较10 cm深度显著增高了10.06%；杉木林土壤黏粒含量变化相反。

梯田土壤容重随土层深度的增加而增大，而竹林、混交林、杉木林土壤容重呈先减小后增加的趋势，最小值分别出现在20，20，40 cm；竹林和梯田下层(40，60 cm)土壤容重显著大于上层(10，20 cm)，杉木林、混交林各土层的土壤容重差异不明显。总体而言，梯田平均土壤容重(1.34 g/cm3)最大，其次是竹林(1.17 g/cm3)，杉木林(1.12 g/cm3)与混交林(1.09 g/cm3)平均土壤容重大小相当且较小。随土层深度的增加，竹林、混交林、梯田样地土壤孔隙度(毛细孔隙度、总孔隙度)、田间持水量呈先增加后减小的趋势，与土壤容重的变化趋势相反；竹林、梯田上层(10，20 cm)土壤孔隙度和持水量均显著大于下层(40，60 cm)，而杉木林、混交林各土层孔隙度和田间持水量差异不明显。孔隙度和田间持水量均值均表现为：混交林>杉木林>竹林>梯田；其中，混交林、杉木林、竹林样地平均总孔隙度分别高达55.52%，54.68%，54.67%，分别比梯田高出6.15%，5.32%，5.31%。

竹林、杉木林、混交林土壤饱和导水率均随土层深度的增加呈先增后减小的变化趋势，最大值出现在中层深度(20，40 cm)，其中竹林最大土壤饱和导水率高达7.58×10-2cm/min，而梯田饱和导水率随土层深度的增加而减小，梯田土层深度达40 cm后土壤饱和导水率显著降低，透水能力极差，在较短时间内可以作为隔水层。平均饱和导水率随梯田、混交林、杉木林、竹林依次增大，分别为：3.63×10-2，2.50×10-2，1.84×10-2，0.37×10-2cm/min，林地饱和导水率比梯田高达5倍以上。

表2 广西龙脊梯田不同样地土壤基本物理性质

2.2 土壤水分特征曲线

土壤质地、容重、孔隙特征等土壤物理性质对水分运移有直接影响，进而影响土壤水分特征曲线的变化规律，导致残余含水率(θr)、饱和含水率(θs)、进气值相关参数(α)、形状系数(n)等拟合水力参数呈现不一样的变化特征。表3展示了Van-Genuchten方程拟合土壤水分特征曲线的决定系数及拟合参数。各样地土壤水分特征曲线拟合效果较好，相关系数均达0.95以上，拟合参数具有一定差异。林地(竹林、杉木林、混交林)θr较梯田变化波动大，林地、梯田θr变化范围分别为0.000 1～0.313 5 cm3/cm3，0～0.000 8 cm3/cm3，θr平均值随梯田、竹林、杉木林、混交林依次增大。饱和含水率θs随深度的增加而减小，均值表现为：杉木林>混交林>竹林>梯田，杉木林与混交林θs相近。各样地进气值相关参数α，形状系数n变化相对稳定且各土层差异不明显。

图1展示了各样地不同土层的土壤水分特征曲线。不同样地各土层土壤含水率随土壤基质吸力的变化具有不同程度的变化特征。随着土壤基质吸力增加，在0～1 020 cm吸力段，土壤含水率急剧降低，释水能力强；而在1 020～13 260 cm吸力段，土壤含水率降低从缓慢逐渐趋于平缓，释水性能变弱。

土壤基质吸力变化引起不同土层土壤含水率变化差异明显。在相同土壤基质吸力条件下，竹林不同土层深度土壤体积含水率整体呈现：10 cm>60 cm>40 cm>20 cm；杉木林不同土层深度土壤体积含水率整体呈现：40 cm>60 cm>20 cm>10 cm，在0～1 020 cm吸力段，随土层深度的增大，土壤体积含水率整体呈增加趋势，且10，20，60 cm含水率变化趋势较相近，而随着吸力值增大，20，40，60 cm的含水率变化逐渐相近；混交林不同土层深度土壤体积含水率呈现：20 cm>10 cm>40 cm>60 cm，随土层深度的增大土壤体积含水率整体呈减小趋势；梯田不同土层深度土壤体积含水率变化具有明显的分层特征，随吸力值的增大，上层(10，20 cm)土壤体积含水率明显高于下层(40，60 cm)。总体上，在同等土壤基质吸力条件下，混交林与杉木林土壤体积含水率大小相当，两者均大于竹林，且明显大于梯田下层(40，60 cm)土壤。

表3 广西龙脊梯田区土壤水分特征曲线Van-Genuchten模型的拟合参数

图1 广西龙脊梯田区不同样地土壤水分特征曲线

2.3 相关性分析

表4展示了土壤水力参数与土壤基本物理性质的相关性。土壤容重均与田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度呈极显著负相关(p<0.01)；饱和导水率与土壤容重呈显著负相关(p<0.05)，与毛管孔隙度、总孔隙度呈显著正相关。土壤水分特征曲线拟合参数θs与土壤容重、孔隙度(毛管孔隙度、总孔隙度)分别呈极显著负、正相关；α与毛管孔隙度、总孔隙度均呈显著正相关；n与土壤物理性质无显著关系，但与θr，α相互影响，与θr，α分别呈极显著正相关、显著负相关。

表4 广西龙脊梯田区土壤水力参数与土壤基本物理性质的相关性分析

3 讨 论

土壤水力特性主要受土壤结构、容重、土壤质地等因素的影响，与区域气候、地形、植被类型等变化密切相关。土壤作为森林生态系统的主体，不同森林类型因植被根系大小及其分布、枯落物分解、壤中微生物活动等差异而具有不同土壤理化特性，导致土壤水力特性差异明显[18]。本研究结果表明，由混交林与梯田退耕还林而来的杉木林具有相似的土壤物理性质，两者各层次土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量差异不明显；而竹林与梯田下层(40，60 cm)土壤容重均显著大于上层(10，20 cm)，孔隙度、田间持水量变化相反。这可能与竹林土壤黏粒在深层聚集相关，枯落物的分解、壤中微生物活动等均有利于林地土壤大孔隙的发育，有助于土壤黏粒在大孔隙中随土壤水分的入渗而向深处富集，使得下层土壤颗粒较细、黏度大且紧实，土壤容重较大，土壤孔隙度、持水量相应减小[19-20]。

饱和导水率与土壤容重呈显著负相关，与毛管孔隙度、总孔隙度呈显著正相关，说明饱和导水率受土壤容重、孔隙度的影响较大。本研究发现，平均土壤饱和导水率表现为：竹林>杉木林>混交林>梯田，说明竹林土壤渗性能力最强，其次是杉木林和混交林，梯田土壤渗性能力最弱；其中，林地土壤渗透能力在中层(20，40 cm)最强，梯田土壤渗透能力在表层(10 cm)最强且在土层深度达40 cm后显著降低，这是由于各林地中层土壤中植被根系密度大且穿插土壤的深度深、土壤微生物活跃等，使土壤结构疏松多孔，土壤容重小、孔隙度大，而有利于土壤水分入渗，故土壤渗透能力强[21]，而农田耕作能使表层土破碎和疏松，但下层土壤由于受到长期挤压和剪切力的作用而变得密实，形成致密的犁板，导致农田比林地拥有更低的土壤导水率[5]，与Owuor等[10]研究结果一致。同时，也说明梯田退耕还林能够改善土壤孔隙结构，特别是深层土壤结构的改善最为明显，有利于提高土壤渗透能力。

土壤水分特征曲线能反映土壤的持水性能，受土壤质地、容重、孔隙度等因素的影响，土壤水分特征曲线拟合参数θs与土壤容重、孔隙度(毛管孔隙度、总孔隙度)分别呈极显著负、正相关，α与毛管孔隙度、总孔隙度均呈显著正相关，即土壤容重越小，土壤结构越疏松，孔隙度越大，θs，α越大，土壤持水性增强[22-23]。不同土壤结构使水分在土壤中运动时受到的阻力不同，导致不同样地土壤水分运移特征往往具有明显差异，当土壤吸力很小时，土壤保留的水分取决于土壤孔隙结构，水分因重力作用易从大孔隙中排出，土壤水分下降速度快，不利于植被根系吸收，而随土壤吸力的增大，土壤毛细力、颗粒吸附力逐渐起决定作用，水分从小孔隙中释出较困难，与土壤颗粒大小和矿物成分密切相关[24]。通过对比不同样地各层次土壤持水性发现，梯田上层(10，20 cm)土壤持水性显著高于下层(40，60 cm)；竹林、杉木林、混交林各层次土壤持水性差异不明显，但竹林、混交林上层土壤持水性高于下层，而杉木林下层土壤持水性高于上层，这可能与杉木林被种植于梯田田面且保持土壤原本的梯式结构相关，梯形土面有助于重力水从上阶梯土面向下阶梯土面渗流，缩短了径流路径，增加了土壤入渗[25]，优化土壤环境，保证植物的正常生长，增加植被在土壤中的根系分布，进而有利于下层土壤性质的改善。冯天骄等[26]对黄土丘陵区不同整地措施影响下土壤水力特性的研究发现，坡改梯整地方式相比于自然坡面具有更高的土壤持水性能和供水能力。这说明梯式整地与人工林种植相结合能够极大改善土壤结构，增强土壤渗透性和持水性，有利于防止水土流失，对生态恢复和保护具有重要意义。

总体上，广西龙脊梯田区混交林与杉木林土壤持水性相近，且均强于竹林，梯田最弱。从区域生态保护、水源涵养功能角度出发，竹林土壤剖面虽具有较强的渗透性能，但土壤持水性比杉木林和混交林差，不利于保育水资源，混交林与杉木林更能提升区域水源涵养功能。

4 结 论

(1) 广西龙脊梯田土壤质地为粉砂质壤土，各土层土壤黏粒差异明显，粉粒和砂粒差异不显著。杉木林和混交林各层次土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量差异性不显著，竹林与梯田下层土壤容重显著大于上层，而上层土壤毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量下层；土壤容重总体呈现：梯田>竹林>杉木林>混交林，土壤毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量变化相反。土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度是影响土壤渗透性能和持水性能的关键因素。林地土壤渗透能力较强，为梯田土壤渗透能力5倍以上。

(2) 随土壤基质吸力的增加，土壤含水率呈逐渐下降趋势，在0～1 020 cm吸力段内下降迅速，而在1 020～13 260 cm吸力段内下降速度逐渐减慢。不同样地在相同土壤吸力下，竹林、混交林、梯田上层土壤持水能力较强，杉木林下层土壤持水能力较强。混交林和杉木林土壤持水能力相近且均大于竹林，梯田土壤持水能力最弱。