川西高寒山地灌丛草甸土壤水文效应特征

《应用与环境生物学报》ChinJApplEnvironBiolDoi:10.19675/ki.1006-687x.2020.04029收稿日期Received:2020-4-13接受日期Accepted:2020-05-29四川省科技厅重点项目“川西折多山高寒生态脆弱区植被恢复与重建技术研究”（2015FZ0022）和四川省高校水土保持与荒漠化防治重点实验室建设项目资助SupportedbyThekeyprojectofSichuanProvincialScienceandTechnologyDepartment"ResearchonVegetationRestorationandReconstructionTechnologyintheFragileMountainAlpineEcologicalFragileRegioninWesternSichuan"(2015FZ0022)andSichuanKeyLaboratoryConstructionProjectofSoilandWaterConservationandDesertificationControl**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:gyb@)川西高寒山地灌丛草甸土壤水文效应特征吕宸1宫渊波1**龚伟1车明轩1许蔓菁1康成芳1,2吴强31四川农业大学林学院，成都6111302甘肃省生态环境工程评估中心，兰州7300003泸州市水务局，泸州646000摘要土壤入渗和持蓄水分的水文功能是森林保持水土、涵养水源的基础。为揭示不同海拔和坡向土壤理化性质及水文效应的差异，选择折多山高寒山地灌丛草甸土壤为研究对象，测定土壤基本物理性质、持蓄水性能和入渗性能。结果表明：（1）坡向和海拔对土壤物理性质的影响主要作用于淋溶层；土壤容重总体表现为淀积层>淋溶层，半阴坡>半阳坡，最大为4000m半阴坡（1.21g/cm3），最小为4000m半阳坡（0.77g/cm3），土壤总孔隙度则表现出相反规律。（2）土壤自然贮水量、最大持水量、毛管持水量和最小持水量表现为淋溶层>淀积层，土壤涵蓄降雨量和有效涵蓄量表现为半阴坡<半阳坡；土壤最大持水量、毛管持水量、涵蓄降雨量和有效涵蓄量均表现为4000m半阳坡淋溶层最高，分别为1336（±24.66）、1016（±14.14）、710（±26.98）和390（±14.14）t/hm2。（3）土壤初渗速率和稳渗速率总体表现为淋溶层>淀积层，半阴坡<半阳坡；土壤渗滤系数K10最大为4200m半阳坡淋溶层（7.41mm/min），最小为4000m半阴坡淀积层（0.57mm/min）。可见，不同海拔和坡向间土壤物理性质及水文功能有明显分异特征，土石混合介质土壤水文功能研究可能是今后该地区土壤水文的研究重点。关键词灌丛草甸；土壤物理性质；持水性能；入渗性能CharacteristicsofSoilHydrologicalEffectsofAlpineShrubMeadowinWesternSichuanLVChen1,GONGYuanbo1**,GONGWei1,CHEMingxuan1,XUManjing1,KANGChengfang1,2,WUQiang31CollegeofForestry,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China2Gansu

Appraisal

Center

for

Eco-Environment

&

Engineering,Lanzhou730000,China3LuzhouWaterConservancy,Luzhou646000,ChinaAbstractThehydrologicalfunctionsofsoilinfiltrationandwaterretentionarethefoundationofforestwaterandsoilconservation.Inordertoinvestigatethedifferencesofsoilphysicalandchemicalpropertiesandhydrologicaleffectsunderdifferentaltitudesandslopesaspects,thealpineshrubmeadowsoilwaschosenastheresearchobjectinZheduoMountain.Soilbasicphysicalproperties,waterholdingcapacityandinfiltrationperformancewerestudied.Resultsshowed(1)Theinfluenceofslopeaspectandaltitudeonsoilphysicalpropertieswasmainlyaffectedonleachedlayer.Thesoilbulkdensityweregenerallygreaterinsedimentlayerandsemi-shadyaspectthanleachinglayerandsemi-sunnyaspect,Themaximumis4000msemi-shadyslope(1.21g/cm3),theminimumis4000msemi-sunnyslope(0.77g/cm3),whereasthetotalsoilporosityshowedtheoppositepattern.(2)Thenaturalsoilwaterstoragecapacity,maximumwaterholdingcapacity,capillarywaterholdingcapacity,andminimumwaterholdingcapacityweregreaterinleachinglayerthaninsedimentarylayer,whilesoilstoragerainfallandeffectivestoragecapacitywerehigherinsemi-sunnyaspectthaninsemi-shadyaspect;Soilmaximumwaterholdingcapacity,capillarywaterholdingcapacity,cumulatedrainfallandeffectivecumulatedstoragecapacitywerehighestinleachedlayeratsemi-sunnyaspectunder4000m,was1336(±24.66)、1016(±14.14)、710(±26.98)and390(±14.14)t/hm2.(3)Theinitialsoilinfiltrationrateandsteadyinfiltrationrateweregenerallygreaterinleachinglayerandsemi-sunnyslopethansedimentarylayerandsemi-shadyslope;ThesoilinfiltrationcoefficientK10isamaximumof4200msemi-slopeleachinglayer(7.41mm/min)andaminimumof4000msemi-shadyslopesedimentlayer(0.57mm/min).Itcouldbeseenthattherewereobviousdifferentiationofsoilphysicalpropertiesandhydrologicalfunctionsunderdifferentaltitudesandslopeaspects,Theresearchonsoilhydrologicalfunctionofsoil-rockmixedmediamaybethefocusoffutureresearchonsoilhydrologyinthisarea.Keywordsshrubmeadow;soilphysicalproperties;waterholdingcapacity;infiltrationperformance土壤层作为森林水文系统的重要组成部分，其不仅截水量可占到森林生态系统同期截水量的50%以上，而且在保水、蓄水等功能中也发挥着巨大的作用，是森林涵养水源的主体[1-2]。土壤层的水源涵养功能主要体现在其入渗性能和持水性能，受容重、孔隙度、有机质含量和颗粒组成状况等理化性质影响较大[3-4]。通常情况下，水热状况、地形差异、成土母质和植被状况等都会改变土壤的物理性质[5]。山地土壤受各种环境因素的影响，其物理性质在不同海拔和坡向上呈现出明显的分异特征，这也造成了土壤蓄水、保水能力有明显的差别[6-7]。而就分布于较高海拔的高山灌丛草甸生态系统而言，由于其特殊的生境条件，海坡和坡向不仅会直接造成土壤物理性质的差异从而影响土壤的水文效应，而且也会通过影响植被的生长及组成情况和气候条件等间接引起土壤水文效应的变化[8-9]。但受自然条件及学科等限制，已有对灌丛草甸的研究往往着眼于草甸品质及土壤养分等，而对高山灌丛草甸土壤的水源涵养功能研究较少[10]。长江上游地区拥有的水资源量在全流域和全国占重要位置，是长江水资源保护的核心地区[11]。川西高寒山地位于长江上游和青藏高原东缘，地形地貌复杂，垂直高差悬殊大[12]，区域内江河湖泊众多，雅砻江、岷江、嘉陵江、金沙江等都分布其中，是我国长江地区重要的水源涵养区和江河发源地，对整个长江流域的生态环境和气候变化都有着不可忽视的意义[13-14]。然而，受自然因素和人为活动的影响，作为川西高寒山地主要水源涵养植被类型之一的灌丛草甸已呈现出明显的退化现象，这直接导致了土壤层水源涵养功能的明显下降，成为长江上游泥沙的主要来源之一[15-16]。因此，本文以川西高寒山地灌丛草甸土壤为研究对象，分析不同海拔和坡向土壤持水及入渗性能的空间差异，对认识该地区土壤水源涵养功能现状及保障长江中下游地区的生态安全等均具有重要意义。1材料与方法1.1研究区概况研究区位于四川省康定市折多山（101°44′—101°51′E，30°00′—30°08′N）。折多山是大渡河及雅砻江流域的交错地带，最高海拔达4962m。折多山是亚寒带季风气候与高原大陆性气候的交揉区，年日照时间2000—2500h以上，年平均气温8℃以下，年平均降水量1600mm，降水主要集中在5—9月。坡面以草本植物为主，低处谷地以木本植物为主，研究区主要土壤种类有山地暗棕壤、山地灰化土和高山草甸土。1.2样地设置与样品采集于2018年7月在康定县折多山进行土壤样品的采集。利用GPS获取海拔高度及地理坐标，从海拔3800m开始，海拔每上升200m设置1个海拔梯度，共3个海拔梯度，分别为3800m，4000m，4200m。每个海拔梯度分半阴坡（NE）和半阳坡（SW）2个坡向。根据3个海拔梯度2个坡向共设置了6个大样地，考虑到采样所带来的误差，每个大样地选取了3个20m×20m的标准样地作为样地重复。每个样地土壤样品的采集采用五点采样法确定位置，去除表层凋落物，挖掘土壤剖面，根据土壤发生层次分淋溶层（0—20cm左右，含腐殖质层）、淀积层（20—40cm左右）的土壤厚度，在每层的中心位置，依垂直方向使用环刀各采集1个土壤样品带回实验室测定。具体各样地基本情况见表1。表1样地基本情况Table1Basicsituationofplot采样点Samplingpoint海拔altitude（h/m）坡向Slopedirection坡度slope（°）土壤类型Soiltype主要植被MainvegetationⅠ号4200NE62°31高山草甸土Alpinemeadowsoil草原杜鹃、隐蕊杜鹃、委陵菜、绵毛水苏、紫菀Rhododendrontelmateium,R.

intricatum,Potentilla

chinensis,Stachyslanata,Aster

tataricusⅡ号4200SW234°14高山草甸土Alpinemeadowsoil草原杜鹃、委陵菜、绵毛水苏R.telmateium,P.

chinensis,S.lanataⅢ号4000NE59°25高山草甸土Alpinemeadowsoil杜鹃、海桐、金露梅、小檗、卷耳、茅莓、长梗蓼R.

simsii,Pittosporumtobira,Potentilla

fruticosa,Berberisthunbergii,Cerastium

arvense,Rubus

parvifolius,Polygonum

calostachyumⅣ号4000SW239°19高山草甸土Alpinemeadowsoil杜鹃、委陵菜、金露梅、长梗蓼R.

simsii,Potentilla

chinensis,P.

fruticosa,P.

calostachyumⅤ号3800NE64°25高山草甸土（漂灰化）Alpinemeadowsoil（Graysoil）杜鹃、高山柏、云杉、冷杉、小檗、高山蔷薇R.

simsii,Sabina

squamata,Picea

asperata,Abies

fabri,B.thunbergii,RosatransmorrisonensisⅥ号3800SW241°39高山草甸土Alpinemeadowsoil高山柏、杜鹃、小檗、委陵菜、狼毒S.

squamata,R.

simsii,B.thunbergii,P.

chinensis,Stellerachamaejasme1.3指标测定及计算方法1.3.1土壤容重测定采用烘干法测定土壤容重，将充满土壤的环刀放入恒温烘箱，105℃烘干至恒重[17]。（1）1.3.2土壤孔隙度及持水量测定土壤孔隙度及持水量采用换到发测定，首先将充满土壤的环刀揭去上盖后，在有孔一侧垫上1层滤纸，放入平底容器，并向容器中加入略低于环刀口的水分，吸水至少12h后称重，将称重后的环刀（有孔垫滤纸一侧向下）放入装满石英砂的干燥托盘两小时后再次称重[17]。（2）（3）（4）（5）（6）式中：Wh表示涵蓄降雨量（t/hm2）；Wd表示最大持水量（t/hm2）；Wz表示自然贮水量（t/hm2）；Wy表示有效含蓄量（t/hm2）；Wm表示毛管持水量（t/hm2）。1.3.2土壤渗透率测定土壤渗透率采用双环刀法测定[17]；（7）（8）式中：10为cm转化为mm的系数；Kt为温度为t（℃）时的土壤渗透率（mm/min）；Q为稳定入渗率（cm3/min）；L为环刀高度（cm）；H为压力水头（cm）；S为环刀横切面积（cm2）；K10为10℃时的渗透系数（mm/min）；t为水的温度（℃）。1.4数据分析采用Excel2010和SPSS20.0软件对数据进行统计、拟合和分析。采用单因素（One-wayANVOA）和最小显著差异法（LSD）比较不同海拔土壤水文物理性质指标的差异，独立样本T检验（Independent-SamplesT）比较不同坡向和土层土壤水文物理性质指标的差异，Pearson检验法进行相关性分析。表中数据为平均值±标准差。2结果与分析2.1不同海拔和坡向土壤水文物理性质从图1可知，淋溶层土壤容重最大为4200m半阴坡（1.05g/cm3），最小为4000m半阳坡（0.77g/cm3）；淀积层土壤容重最大为4000m半阴坡（1.21g/cm3），最小为4200m半阳坡（1.05g/cm3）。在同一海拔和坡向，土壤容重在垂直方向上的变化规律是一致的，均表现出淀积层>淋溶层的规律，不同土层间土壤容重有极显著差异（P<0.001），其中淀积层土壤在不同坡向间有显著差异（P<0.05）。从图1的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可以看出，淋溶层土壤非毛管孔隙度最大为3800m半阴坡（20.74%），最小为3800m半阳坡（14.97%）；土壤毛管孔隙度最大为4000m半阳坡（50.80%），最小为4200m半阳坡（41.27%）；土壤总孔隙度最大为4000m半阳坡（66.8%），最小为3800m半阳坡（57.80%）。淀积层土壤非毛管孔隙度最大为4200m半阴坡（21.14%），最小为4000m半阴坡（8.70%）；土壤毛管孔隙度最大为4200m半阳坡（42.13%）最小为4200m半阴坡（30.4%）。土壤总孔隙度最大为4200m半阳坡（55.60%），最小为4000m半阴坡（49.07%）；其中不同海拔土壤毛管孔隙度表现出极显著差异（P<0.001）。土壤毛管孔隙度与总孔隙度的大小总体上表现为土层越深其值越小，这与容重随土层深度的变化规律刚好相反；非毛管孔隙度的大小随土层深度的变化趋势不明显。土壤毛管孔隙度及总孔隙度在不同土层间有极显著差异（P<0.001），非毛管孔隙度无显著差异（P>0.05）。图1不同坡向和海拔土壤物理性质特征。不同大写字母表示同一土层和坡向不同海拔差异性显著（P<0.05）；不同小写字母表示同一土层和海拔不同坡向差异性显著（P<0.05）；***表示同一海拔和坡向不同土层差异极显著（P<0.001）；NE表示半阴坡，SE表示半阳坡。Fig.1Characteristicsofsoilphysicalpropertiesatdifferentslopedirectionsandelevations.Differentcapitallettersindicatethatthesamesoillayerandslopedirectionaresignificantlydifferentatdifferentelevations(P<0.05);differentlowercaselettersindicatethesamesoillayerandelevationatdifferentslopedirectionsaresignificantlydifferent(P<0.05);***indicatesthatthedifferenceinsoillayersatthesamealtitudeandaspectisverysignificant(P<0.001);NEmeanshalfshade,andSEmeanshalfshade.2.2不同海拔和坡向土壤持蓄水性能土壤的自然贮水量对土壤的蓄水性能及抗蚀性等有极大的影响，如果土壤的自然贮水量较高，那么即使是低强度的降雨也可能产生地表径流[18]。从表2可知，除3800m半阳坡外，土壤自然含水量均表现为淋溶层>淀积层。淋溶层土壤自然含水量最大为4000m半阴坡（872.67t/hm2），最小为3800m半阳坡（509.33t/hm2）。淀积层土壤自然含水量最大为3800m半阳坡（558.67t/hm2），最小为3800m半阴坡（464.67t/hm2）。不同海拔土壤自然含水量无明显变化规律，但均表现出显著差异（P<0.05）。淋溶层土壤自然含水量在不同坡向均呈现出半阴坡>半阳坡的趋势，且有显著差异（P<0.05）。土壤的最大持水量皆表现出淋溶层>淀积层的规律；土壤最大持水量最大为4000m半阳坡淋溶层（1336t/hm2），最小为4000m半阴坡（981.33t/hm2）；土壤最大持水量在不同海拔之间差异显著（P<0.05）；除3800m海拔淋溶层外，土壤最大持水量都表现出半阴坡<半阳坡的规律。土壤毛管持水量总体表现为淋溶层>淀积层；除半阳坡淀积层外，土壤毛管持水量均随海拔的升高呈现出先增加后减小的趋势；不同海拔土壤毛管持水量在相同的坡向和土层均表现出显著差异（P<0.05）；不同坡向土壤毛管持水量无明显变化趋势，但淀积层不同坡向土壤毛管持水量之间差异显著（P<0.05）。土壤最小持水量除4200m半阳坡外均表现为淋溶层>淀积层。半阳坡淀积层土壤最小持水量随海拔的升高呈现出先减小后增加的趋势，其余土壤最小持水量均随海拔的升高呈现出先增加后减小的趋势。不同海拔土壤最小持水量在相同的坡向和土层均表现出显著差异（P<0.05）。土壤涵蓄降雨量最大为4000m半阳坡淋溶层，最小为4000m半阴坡淋溶层（430t/hm2）；土壤涵蓄降雨量在不同海拔均表现出显著差异（P<0.05）；除3800m海拔淀积层外，土壤涵蓄降雨量均表现出半阴坡<半阳坡的规律；其中除4200m海拔淀积层外，土壤涵蓄降雨量在不同坡向之间均有显著差异（P<0.05）。土壤有效涵蓄量在4000m半阳坡淋溶层（390t/hm2）表现出最大值，4200m半阴坡淀积层（90.67t/hm2）呈现出最小值；尽管土壤有效涵蓄量在不同海拔间无明显规律，但却表现出显著差异（P<0.05）；除4000m海拔淀积层外，土壤有效涵蓄量均表现出半阴坡小于半阳坡的规律，其中除3800m海拔淀积层外，土壤有效涵蓄量不同坡向之间均有显著差异（P<0.05）。表2土壤持蓄水性能的空间分布特征Table2Distributioncharacteristicsofsoilhydrologicalperformance海拔altitude（h/m）坡向Aspect土层Soillayer自然贮水量Naturalwaterstorage(t/hm2)最大持水量Maximumwatercapacity(t/hm2)毛管持水量Capillarywaterholdingcapacity(t/hm2)最小持水量Minimumwaterholdingcapacity(t/hm2)涵蓄降雨量Conservationrainfall(t/hm2)有效涵蓄量Effectivereserve(t/hm2)4200NEL668.67±25.32Aa1198.67±13.60Aa857.33±19.75Aa566.67±23.23Aa530.00±23.04Aa188.67±23.91AaD520.67±23.63Aa1030.67±6.18Aa611.33±17.91Aa304.67±20.42Ab509.00±21.6ABa90.67±8.38AbSWL554.67±4.11Ab1200.67±29.95Aa825.33±22.88Aa530.67±31.85Aa645.00±25.92Ab270.67±25.42AbD527.33±22.23Aa1112.00±25.14Ab842.67±29.63Ab554.00±12.96Aa584.67±33.64Aa315.33±30.35Aa4000NEL872.67±14.08Ba1302.67±16.76Ba991.33±10.50Ba707.33±17.91Ba430.00±2.38Ba118.67±24.46BaD517.00±25.14Aa981.33±19.96Ba807.33±14.82Ba544.00±32.54Ba463.33±22.29Aa289.33±28.39BaSWL626.00±24.29Bb1336.00±24.66Ba1016.00±14.14Ba663.33±19.34Ba710.00±26.98Bb390.00±14.14BbD471.33±20.81Ba1042.67±26.04Ba669.33±27.78Bb345.33±4.99Bb571.33±6.6ABb198.00±29.98Bb3800NEL717.33±14.64Ca1270.67±19.07Ba856.00±15.75Aa540.67±19.48Aa553.33±32.01Aa138.67±13.89ABaD464.67±14.82Ba1024.00±19.60Aa644.00±21.42Aa338.67±17.46Aa559.33±30.91Ba179.33±19.07CaSWL509.33±11.81Cb1156.00±9.93Ab856.67±21.00Aa554.67±10.87Aa646.67±10.87Ab347.33±28.11BbD558.67±13.89Ab1045.33±26.55Ba762.67±9.84Cb474.00±16.57Cb486.67±12.68Bb204.00±23.55Ba不同大写字母表示同一坡向和土层不同海拔差异性显著（P<0.05），不同小写字母表示同一海拔和土层不同坡向差异性显著（P<0.05）；NE表示半阴坡，SE表示半阳坡；土层L表示淋溶层，D表示淀积层。Differentcapitallettersindicatethatthesameslopedirectionandsoillayeraresignificantlydifferentatdifferentelevations(P<0.05),anddifferentlowercaselettersindicatethesamealtitudeandsoillayerdifferentslopedirectionsaresignificantlydifferent(P<0.05);NEmeanshalfshade,andSEmeanshalfshade;SoillayerLrepresentstheleachinglayer,Drepresentsthedepositedlayer.2.3不同海拔和坡向土壤渗透性能由图2可知，对土壤水分入渗过程进行分析，发现在0-10min左右，土壤入渗曲线的下降幅度最大，这说明在该时间段土壤的入渗速率较大且变化较快；在30min左右，所有入渗曲线基本不在变化，说明土壤入渗速率基本达到稳定状态。且在0-10min左右，淋溶层土壤入渗速率大小顺序为：4200m半阳坡>3800m半阴坡>3800m半阳坡>4000m半阳坡>4200m半阴坡>4000m半阴坡，这说明当降雨发生后的短期内，海拔4200m半阳坡的表层土壤雨水入渗速度最快，这将极大的延缓地表径流的产生，而海拔4000m半阴坡相对来说更容易产生地表径流。图2不同海拔和坡向土壤入渗曲线。NE表示半阴坡，SE表示半阳坡。Fig.2Soilinfiltrationcurvesatdifferentaltitudesandslopes.NEmeanshalfshade,andSEmeanshalfshade.对土壤入渗速率和入渗时间的关系进行曲线拟合，发现土壤渗透速率和时间之间呈幂函数关系，关系式为：f=ktn；式中：f为土壤入渗速率（mmmin-1），t为时间（min），k为方程系数，n为指数，具体拟合的渗透方程见表3。表3土壤渗透速率及渗透模型Table3SoilPermeabilityRateandPermeabilityModel海拔altitude(h/m)坡向Aspect土层Soillayer初渗速率Initialinfiltrationrate(R/mmmin-1)稳渗速率Stabilizationrate(R/mmmin-1)渗滤系数K10Infiltrationcoefficient(R/mmmin-1)渗透方程Permeationequation相关系数Correlationcoefficient(R2)4200NEL10.594.871.68f=9.4504t-0.1730.941D4.932.720.94f=4.1227t-0.1130.811SWL33.1621.497.41f=29.707t-0.0870.815D7.084.101.41f=6.6292t-0.1240.9584000NEL8.912.981.03f=8.3243t-0.2660.959D2.291.650.57f=2.0458t-0.0600.738SWL13.538.632.98f=12.683t-0.1000.944D7.073.811.31f=6.7542t-0.1490.9503800NEL16.2110.523.63f=15.425t-0.1010.924D17.289.893.41f=16.841t-0.1360.951SWL21.1610.313.56f=14.003t-0.0790.931D10.698.472.92f=17.967t-0.1830.988NE表示半阴坡，SE表示半阳坡；土层L表示淋溶层，D表示淀积层。NEmeanshalfshade,andSEmeanshalfshade;SoillayerLrepresentstheleachinglayer,Drepresentsthedepositedlayer.由表3可知，除3800m半阴坡外，所有土壤初渗速率均表现为淋溶层>淀积层；而稳渗速率均表现为淋溶层大于淀积层。在相同坡向和土层，土壤初渗速率随海拔高度的增加均表现出先减小后增加的趋势。而对不同坡向土壤的初渗速率进行比较，发现除3800m海拔淀积层外，其余皆表现为半阴坡<半阳坡。2.4土壤物理性质与水文效应相关性分析表4土壤物理性质与水文效应特征相关性分析Table4Correlationanalysisofsoilphysicalpropertiesandhydrologicaleffects容重Bulkdensity毛管孔隙度Capillaryporosity非毛管孔隙度Non-capillaryporosity总孔隙度Totalporosity自然贮水量Naturalwaterstorage最大持水量Maximumwatercapacity毛管持水量Capillarywaterholdingcapacity最小持水量Minimumwaterholdingcapacity涵蓄降雨量Conservationrainfall有效涵蓄量Effectivereserve初渗速率Initialinfiltrationrate稳渗速率Stabilizationrate容重Bulkdensity1毛管孔隙度Capillaryporosity-0.3881非毛管孔隙度Non-capillaryporosity-0.299-0.2811总孔隙度Totalporosity-0.681*0.185-0.261自然贮水量Naturalwaterstorage0.3590.185-0.26-0.0831最大持水量Maximumwatercapacity-0.4920.647*0.126-0.128-0.1281毛管持水量Capillarywaterholdingcapacity-0.4300.944**-0.2940.1580.1580.770*1最小持水量Minimumwaterholdingcapacity-0.619*0.925**-0.376-0.027-0.0270.649*0.944**1涵蓄降雨量Conservationrainfall-0.184-0.0990.0380.882**0.882**-0.057-0.088-0.3311有效涵蓄量Effectivereserve0.3590.185-0.294-0.775*0.501*-0.1280.158-0.027-0.0881初渗速率Initialinfiltrationrate0.027-0.522*0.1880.3590.359-0.492-0.573*-0.619*0.508*-0.573*1稳渗速率Stabilizationrate0.090-0.4790.303-0.2860.341-0.637*-0.529*-0.609*0.558*0.3410.967**1*表示P<0.05；**表示P<0.01。*P<0.05;**P<0.01.由表4相关性分析可知，土壤容重与总孔隙度和最小持水量呈显著负相关；毛管孔隙度与最大持水量呈显著正相关，与毛管持水量和最小持水量呈极显著正相关，与初渗速率呈显著负相关；总孔隙度与涵蓄降雨量呈极显著正相关，与有效涵蓄量呈显著负相关；自然贮水量与涵蓄降雨量呈极显著正相关，与有效涵蓄量呈显著正相关；最大持水量与毛管持水量和最小持水量呈显著正相关，与稳渗速率呈显著负相关；毛管持水量与最小持水量呈极显著正相关，与初渗速率和稳渗速率呈显著负相关；最小持水量与初渗速率和稳渗速率呈显著负相关；涵蓄降雨量与初渗速率和稳渗速率呈显著正相关；有效涵蓄量与初渗速率呈显著负相关；初渗速率与稳渗速率呈极显著正相关。3讨论3.1土壤物理性质特征及其影响因素土壤物理性质是反映土壤水文功能的重要参数，物理性状的好坏决定着土壤的持水及渗透能力[4,19]。在高山灌丛草甸生态系统，土壤的物理性状受地形地貌、成土母质、植被情况和气候条件的影响较大[20]。本研究中，容重与总孔隙度基本呈相反的变化。土壤容重在垂直方向上的变化均表现出淀积层>淋溶层的规律，土壤总孔隙度则随着土层深度的加深而减小，原因可能是淋溶层土壤有机质含量高，植物根系发达，土壤动物活动频繁，孔隙度高，土壤较为疏松，而淀积层土壤植物根系很少能够到达，土壤动物也相对较少，加之土壤接近母质层，土壤发育不完全，石砾含量较多，因此土壤容重较大，孔隙度也较低，这与樊博等人的研究结果[21]相似。而三个海拔表层土壤容重在4000m半阳坡处最小，总孔隙度在4000m半阳坡处最大。结合样地植被类型来看，可能是4000m半阳坡以杜鹃为主，且杜鹃的密度高于其它样地，发达的根系导致了土壤孔性结构较好，这与Moreno-delasHeras等人的研究结果[22]相似。此外，在高海拔地区，土壤孔性除了受植物根系影响外，还受气候的影响较大，半阳坡的冷热交替作用剧烈，使土壤具有较为疏松的结构[23]。在这些因素的共同作用下，土壤的物理性质具有极强的空间异质性。3.2土壤持蓄水能力特征及其影响因素土壤持水性能与土壤的孔隙状况密切相关，非毛管孔隙在吸水后将水分快速运移下渗，而毛管孔隙水运动速度较慢，可以长时间保存[24]。在本研究中，表层土壤的最大持水量均是大于深层土壤的，且最大持水量、毛管持水量和最小持水量等的变化与土壤的容重和孔隙度等有明显的相关关系，这与高强伟等的研究结果[25]有相似性。这也不难理解，土壤的容重和孔隙度本身就是影响其持水能力的重要因素，一般来说，孔隙度大的土壤能够容纳的水分要高于孔隙度小的土壤。淋溶层土壤的自然含水量和最大持水量都大于淀积层，但半阴坡自然含水量大于半阳坡，半阴坡因其光照强度低，水分的直接蒸发作用和植物的蒸腾作用等都要低于半阳坡，而最大含水量却是半阳坡大于半阴坡，李小英等也得出相似的结论[26]。土壤有效涵蓄量在海拔和土层上没有明显的规律，在坡向间基本表现出半阴坡<半阳坡的规律。这可能是因为有效涵蓄量不仅受土壤毛管持水量的影响，还受自然含水量的影响，在多重因素的影响下，有效涵蓄量并没有表现出明显的变化规律。3.3土壤渗透性能特征及其影响因素土壤入渗指的是水分渗入到土壤当中从而转化为土壤水的过程，入渗的强度和过程影响着水分在土壤中的转化和蓄积[27]。在本研究中，土壤入渗发生前期，淋溶层土壤入渗速率最大为4200m半阳坡，最小为4000m半阴坡，淋溶层土壤因为和降雨直接接触，因此该层土壤的入渗速率在很大程度上决定了土壤整体的渗透性，也是地表径流产生的决定性条件；因此当降雨发生后的短期内，海拔4200m半阳坡的土壤将会渗入及储蓄更多的水分，而海拔4000m半阴坡的土壤由于渗入速度慢，相对来说更容易产生地表径流，这一结果与土壤孔隙在该区域内的空间分布特征有显著的相关性，与程欢等人的研究结果[28]一致。在本研究中，土壤的入渗速率和入渗时间之间呈幂函数关系，淋溶层土壤初渗速率和稳渗速率均大于淀积层，这可能是由于淋溶层植被根系、土壤动物、微生物等活动较多，因此土壤相对疏松，而良好的孔隙结构有利于土壤水分的入渗，这与Rachman等和朱美壮等的研究结果[29-30]相似。毛管孔隙度和初渗速率呈显著负相关，这与水在毛管孔隙和非毛管孔隙中下渗速率的差异有极大关系。在本研究中，初渗速率与稳渗速率都与土壤容重呈正相关关系，这与大多数研究的结果不一致，这可能是由于研究区的土壤发育年限短，土壤中混合有风化程度低的碎石，因此土壤入渗除了受孔隙度的影响外，还与其特殊的土石混合介质有关，碎石的存在除了增加土壤容重外，也会利于水分在土壤中的入渗[31]。4结论（1）研究区土壤的基本理化性质在空间分布上有着显著的异质性，其中不同土层土壤之间理化性质的差异尤为明显；而海拔和坡向对土壤理化性质的影响则主要作用于淋溶层，对淀积层的影响较少；土壤容重在0.77~1.21g/cm3之间波动，总孔隙度在49.07%~66.8%之间波动。（2）土壤最大持水量呈现出淋溶层大于淀积层，半阴坡小于半阳坡的规律；有效涵蓄量呈现出半阴坡小于半阳坡的规律；土壤自然含水量及最小持水量表现为4000m半阴坡最高；土壤最大持水量、毛管持水量、涵蓄降雨量和有效涵蓄量均表现为4000m半阳坡淋溶层最高。（3）土壤初渗速率和稳渗速率表现为淋溶层高于淀积层；土壤初渗速率随海拔高度的增加均表现出先减小后增加的趋势，在不同坡向表现为半阴坡<半阳坡；土壤渗滤系数K10在0.57~7.41mm/min之间波动。本研究中不同海拔和坡向间土壤物理性质及水文功能有着明显分异特征，综合来看4000m半阳坡水源涵养功能最佳。但高寒山地灌丛草甸生态系统土壤层存在大量粗骨质石砾，会影响土壤水源涵养功能的评价，因此今后可借鉴土石混合介质土壤水文功能研究方法对该生态系统水源涵养功能进一步研究。此外，植物生物多样性的变化是引起不同海拔和坡向土壤物理性质变化的重要因素之一，尽管本研究对不同样地的植被种类进行了调查，但仍需系统的研究植物生物多样性与土壤水源涵养功能之间的关系。参考文献PiaydaA,DubbertM,SiegwolfR,CuntzM.,WernerC.Quantificationofdynamicsoil-vegetationfeedbacksfollowinganisotopicallylabelledprecipitationpulse[J].Biogeosciences,2017,14(9):2293-2306TomasV,MichalD,JaromirD,JanaV,MiroslavT.MacroscopicModelingofPlantWaterUptakeinaForestStandInvolvingRoot-MediatedSoilWaterRedistribution[J].VadoseZoneJ,2013,12(1):1-12GanM,JiaYH,ShaoMA,GuoCJ,LiTC.Permanentgullyincreasestheheterogeneityofsoilwaterretentioncapacityacrossaslope-gullysystem[J].AgrEcosystEnviron,2019,272:206-217Ghanbarian-AlavijehB;LiaghatA,GenuchtenMTV.Estimationofthevangenuchtensoilwaterretentionpropertiesfromsoiltexturaldata[J].Pedosphere,2010,20(4):456-465张晓霞,杨宗儒,查同刚,张志强,王高敏,朱聿申,吕志远.晋西黄土区退耕还林22年后林地土壤物理性质的变化[J].生态学报,2017,37(2):416-424[ZhangXX,YangZR,ZhaTG,ZhangZQ,WangGM,ZhuLS,LvZY.Changesinthephysicalpropertiesofsoilinforestlandsafter22yearsundertheinfluenceoftheconversionofcroplandintofarmlandprojectinloessregion,westernshanxiprovince[J].ActaEcolSin,2017,37(2):416-424]ShwethaP,VarijaK.Soilwaterretentioncurvefromsaturatedhydraulicconductivityforsandyloamandloamysandtexturedsoils[J].AqtcPrcd,2015(4):1142-1149李向富,刘目兴,易军,吴四平,杨叶,娄淑兰.三峡山地不同垂直带土壤层的水文功能及其影响因子[J].长江流域资源与环境,2018,27(08):1809-1818[LiXF,LiuMX,YiJ,WuSP,YangYP,LouSL.Soilhydrologicalfunctionofdifferentaltitudinalhillslopesofthethreegorgesmountainanditsimpactfactors[J].ResourEnvironYangtzeBasin,2018,27(08):1809-1818]ZhuQ,NieXF,ZhouXB,LiaoKH,LiHP.Soilmoistureresponsetorainfallatdifferenttopographicpositionsalongamixedland-usehillslope[J].Catena,2014,119:61-70QuWJ,ChenL,WangL,WangX,SongNP,YangXG.LocalsoilhydrologicaleffectsofnebkhacreationinadegradedartificialCaraganashrubland[J].EcolEng,2019,131:27-33DemirelK,KavdRY.Effectofsoilwaterretentionbarriersonturfgrassgrowthandsoilwatercontent[J].IrrigationSci,2013,31(4):689-700SuB,HuangJ,ZengX,GaoC,JiangT.Impactsofclimatechangeonstreamflowintheupperyangtzeriverbasin[J].

ClimChange,

141(3):533-546李炳元,潘保田,程维明,韩嘉福,齐德利,朱澈.中国地貌区划新论[J].地理学报,2013,68(03):291-306[LiBY,PanBT,ChengWM,HanJF,QiDL,ZhuC.ResearchongeomorphologicalregionalizationofChina[J].ActaGeogrSin,2013,68(03):291-306]JunX,MiaoLW.RunoffChangesandDistributedHydrologicSimulationintheUpperReachesofYangtzeRiver[J].ResSci,2008,30(7):962-967HouJ,YeA,YouJ,MaF,DuanQ.AnestimateofhumanandnaturalcontributionstochangesinwaterresourcesintheupperreachesoftheMinjiangRiver[J].SciTotalEnviron,2018,635(1):901-912康成芳,宫渊波,车明轩,许蔓菁,吕宸,刘韩.川西高寒山地灌丛草甸不同海拔土壤有机碳矿化的季节动态[J].生态学报,2020,40(04):1367-1375[KangCF,GongYB,CheMX,XuMJ,LvC,LiuH.Seasonaldynamicsofsoilorganiccarbonmineralizationforalpineshrubmeadowatdifferentelevations,westernSichuan[J].ActaEcolSin,2020,40(04):1367-1375]WuTN,WuGL,WangD,ShiZH.Soil-hydrologicalpropertiesresponsetograzingexclusioninasteppegrasslandoftheLoessPlateau[J].Environertecs,2014,71(2):745-752张万儒,杨光滢,屠星南.森林土壤分析方法[M].北京:中国标准出版社,2000[ZhangWR,YangGY,TuXN.ForestSoilAnalysisMethod[M].Beijing:ChinaStandardPress,2000]程欢,程一伦,宫渊波,熊仕臣,张亚贝,刘江山,刘良松,吴强,孙超.川西北高山/亚高山区6种典型土壤类型水文效应[J].应用与环境生物学报,2019,25(02):225-231[ChengH,ChengYL,GongYB,XiongSC,ZhangYB,LiuJS,LiuLS,WuQ,SuC.HydrologicaleffectofsixsoiltypesinnorthwesternSichuanalpineandsubalpinemountains[J].ChinJApplEnvironBiol,2019,25(02):225-231]李宗超,胡霞.小叶锦鸡儿灌丛化对退化沙质草地土壤孔隙特征的影响[J].土壤学报,2015,52(01):242-248[LiZC,HuX.Effectsofshrub(caraganamicrophyllalam)encroachmentonsoilporosityofdegradedsandygrassland[J].ActaPedolSin,,2015,52(01):242-248]王军德,王根绪,陈玲.高寒草甸土壤水分的影响因子及其空间变异研究[J].冰川冻土,2006,28(03):428-433[WangJD,WangGX,ChenL.Impactfactorstosoilmoistureofalpinemeadowandtheirspatialheterogeneity[J].JGlaciolGeocryol,2006,28(03):428-433]樊博,林丽,曹广民,柯浔,李以康,杜岩功,郭小伟,李茜,钱大文,兰玉婷,周春丽.不同演替状态下高寒草甸土壤物理性质与植物根系的相互关系[J].生态学报,2020,2(07):1-10[FanB,LinL,CaoGM,KeX,LiYK,DuYG,GuoXW,LiQ,QianDW,LanYT,ZhouCL.Rwlationshipbetweenplantrootsandphysicalsoilpropertiseinalpinemeadowsatdifferentdegradationstages[J].ActaEcolSin,2020,2(07):1-10]Moreno-delasHerasM,Merino-MartínL,NicolauJM.Effectofvegetationcoveronthehydrologyofreclaimedminingsoilsundermediterranean-continentalclimate[J].Catena,2009,77(01):39-47BrykM,KołodziejB,Słowinska-JurkiewiczA,Jaroszuk-SierocinskaM.Evaluationofsoilstructureandphysicalpropertiesinflfluencedbyweatherconditionsduringautumn-winter-springseason[J].SoilTillRes,2017,170(7):66-76ŠimanskýV,PollákováN,JonczakJ.IsBetterMinimumthanStandardMouldboardPloughingTillagefromViewpointofthePore-SizeDistributionandSoilWaterRetentionCharacteristicChanges?[J].NephronClinPract,2016,49(3):17-26.高强伟,代斌,罗承德,刘丽,HYPERLINK"/kns/popup/knetsearchNew.aspx?sdb=CJFQ&sfield=%e4%bd%9c%e8%80%85&skey=%e9%a9%ac%e4%b8