1 引言

　　城市水源地是一个特殊的水环境，是一个城市生存和发展的必要条件，保护城市水源地已成了决定城市未来发展的关键，而西南地区的城市水源地，尤其是以高原盆地地貌为主的云南城市水源地，其生态系统所受的影响并未得到太多的关注[1-2]。2009年以来，西南地区气候发生了严重剧烈的变化，如气温持续上升，降水量减少，冰川消融加速，河川径流增加，洪涝、旱灾频发[3]，特别是地处滇中的昆明市，遭遇连续5年特大干旱，城市供水安全受到严重威胁。

　　目前，国内关于水源地的研究主要集中于水源地环境保护、水质评价、重金属污染和富营养化方面[4]，而土地利用类型对水源涵养方面的研究相对较少。因此，了解水源地不同土地利用类型对气候变化的响应及其水源涵养功能，对制定有效的干旱应对措施和水源地保护策略都具有重要的指导意义。本文以昆明城市重要供水水资源地松华坝水库流域为典型研究区域，针对不同土地利用类型的土壤层对水源涵养能力进行探讨，定量分析不同土地利用类型对水源地的涵养能力，以期为水源地保护策略的制定提供科学依据。

　　2 研究方法

　　2.1 土壤理化特性分析方法

　　土壤层是水源涵养效应的第三层，保存着85%以上的降水，水分自地表沿着毛管孔隙和非毛管孔隙下渗，一部分供植物吸收和地表蒸发，一部分则可以贮存于土壤库中或形成地下径流汇入溪流或进入地下水，因而土壤层称为大气降水的“蓄存库”和“调节器”[5]。通过对典型区不同土地利用类型条件下的土壤理化特性进行分析，认识土壤层对水源地的涵养原理。

　　经实地查勘，在松华坝水源区内选择了5种具有代表性的土地利用类型，分别为板栗林（A1）、冈栎林（A2）、圣诞树人工林（A3）、混交林（云南松、冈栎林）（A4）和撂荒地（A5）。利用GPS打点记录采样所在位置，分别在每种土地利用类型中设置1块20m×20m的样地，采用剖面法在各个样地坡面的上部、中部、下部选择三个剖面，用环刀在剖面上按照0—20cm，20—40cm，40—60cm垂直分层采样，每层重复采样3个，用于土壤物理性质测定，各样地基本特征见表1。

　　表1  样地基本特征

　　土壤物理性质的测定：按照张万儒方法[6]测定土壤容重、孔隙度等物理特征，按照南土所方法[7]测定土壤自然含水量和饱和含水量，水层厚度、涵蓄降雨量和有效涵蓄量参照赵筱青方法^[8]计算，各计算公式如下：

　　（1）毛管蓄水量和非毛管蓄水量

　　                            （1）

　　                            （2）

　　式中，为毛管蓄水量(t/hm2)，为非毛管蓄水量(t/hm2)， 为土壤毛管孔隙度(%)，

　　为土壤非毛管孔隙度(%)；为土壤厚度(m)。

　　（2）水层厚度

　　                                 （3）

　　式中，为水层厚度(m)，为土层深度(m)，为土壤自然含水量(%)。

　　（3）涵蓄降水量

　　                              （4）

　　式中， 为涵蓄降水量(m)，为总蓄水量(m)。

　　（4）有效涵蓄量=毛管蓄水量—水层厚度

　　                             （5）

　　式中，为有效涵蓄量(m)

　　土壤化学性质测定：采用X射线荧光光谱法测定土壤全磷、全钾含量，采用油浴加热重铬酸钾氧化—容量法测定有机质含量。在加热的条件下，用过量的重铬酸钾—硫酸溶液氧化土壤有机碳，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，以样品和空白消耗重铬酸钾的差值计算出有机碳量。因该方法与干烧法对比只能氧化90%的有机碳，因此，将测得的有机碳乘以校正系数1.1，再乘以常数1.724（按土壤有机质平均含碳58%计算），即为土壤有机质含量，其计算公式为：

　　

             （6） 

　　式中，S为土壤有机质含量（%）；V0为空白试验所消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积（mL）；V为试样测定所消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积（mL）；c为硫酸亚铁铵标准溶液的浓度（mol·L-1）；0.003为1/4碳原子的毫摩尔质量（g）；1.724为由有机碳换算成有机质的系数；1.10为氧化校正系数；m—风干试样的质量（g）；1000—换算成每千克含量。

　　2.2 不同土地利用类型对水源涵养功能评价方法

　　2.2.1 水源涵养因子的隶属度

　　土地利用类型对水源涵养功能评价指标不尽一致，原因是不同的人对水源涵养功能的理解不同而有所差异。本文主要以土壤容重、自然含水量、饱和含水量、有效涵蓄量、涵蓄降水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管蓄水量、非毛管蓄水量、全磷含量、全钾含量和有机质含量，地形因子中的坡度等作为不同土地利用类型水源涵养功能指示因子。

　　由于描述各土地利用植被水源涵养功能指标的量纲及其函数关系不一样，不同的指标不具直接的可比性，因此，需要通过隶属度函数对以上指标进行标准化。现采取刘世梁方法[9]，运用升型分布函数（式7）与降型分布函数（式8）来确定各因子隶属度值，其中采用降型分布函数计算土壤容重与坡度，其余指标均用升型分布函数计算。

　　                                        （7）

　　                                        （8）

　　式中，为水源涵养因子的隶属度值，为第项水源涵养因子值，和分别为第项水源涵养因子的最大值和最小值。

　　2.2.2 指标权重确定方法

　　采用熵值法[10]确定水源地不同土地利用类型水源涵养功能各指标的权重。一般地，熵值法将评价对象集记为{Ai}（i=1，2，…，m），用于评价的指标评价集记为{Xj}（j=1，2，…，n），用xij表示第i个方案第j个指标的原始值，计算公式如下：

　　将xij做正向化处理，计算第j个指标第i个方案所占的比例pij：

　　                            （9）

　　第j个指标的熵值ej：

　　                       （10）

　　式中，k为调节系数，k=1/ln（m）。

　　第j个指标的差异系数gj：

　　                                    （11）

　　第j个指标的权重系数：

　　                               （12）

　　2.2.3 水源涵养能力相对优异性量化评价模型

　　通过熵值的衍生，可以把土地利用类型在水源涵养功能中的多维信息进行量化与综合，计算出基于熵值的水源涵养能力相对优异性量化评价得分值：

　　                                          （13）

　　式中，Qi为某种土地利用类型水源涵养功能评价指标原始数据的归一化值；为指标熵值确定的权重；G为某种土地利用类型对水源涵养能力的总得分。

　　水源涵养功能受多维要素的影响，任何单一指标无法客观、全面的评价水源涵养能力，水源涵养能力相对优异性量化评价模型可综合考虑水源涵养功能的多种影响因素，对客观评价不同土地利用类型的水源涵养功能具有指示意义。

　　3 松华坝水源区不同土地利用类型对水源的涵养能力分析

　　3.1 典型区土壤理化特征分析

　　3.1.1 土壤物理特征

　　土壤物理性质主要指土层厚度、容重、总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度等指标。

　　土地利用类型的不同，各土地利用类型表层枯落物储量及其构成和树木根系的生长发育差异，造成了土壤物理性质上差异[11]。根据上述方法，测定松华坝水源区不同土地利用类型各层次土壤物理特征指标，具体见表2。

　　表2  松华坝流域不同土地利用类型各层次土壤物理特征

　　由表2可知，不同土地利用类型的土壤总孔隙度均呈自地表向下逐渐减少的趋势，各土地利用类型土壤毛管孔隙度均值排序为：混交林＞撂荒地＞冈栎林＞圣诞树人工林＞板栗林；土地利用类型的土壤蓄水能力主要取决于土壤非毛管孔隙，在调节水分方面具有更重要的作用，各土地利用类型非毛管孔隙度均值的排序为：圣诞树人工林＞冈栎林＞板栗林＞撂荒地＞混交林。不同土地利用类型土壤平均容重与土壤孔隙度在0—60cm土层内，土壤容重平均值的排序为：板栗林=撂荒地＞圣诞树人工林＞冈栎林＞混交林。产生这种变化的原因主要是随着土层深度的增加，土壤有机质含量逐渐减少，受淋溶特性的影响，土壤粘粒和粉粒的比例随着土层深度的增加而逐渐变大，砂粒比例逐渐变小，从而降低了土壤孔隙度，使土壤变得紧实。不同土地利用类型土壤容重、土壤孔隙度的变化见图1。

　　图1  不同土地利用类型土壤平均容重、土壤孔隙度分布图

　　3.1.2 土壤蓄水性能特征

　　土地利用类型的土壤蓄水量是反映土地利用对涵养水源能力的重要指标之一。从保水能力看，毛管空隙中的水分可以长时间保持在土壤中，主要用于植物根系吸收和土壤蒸发。从土壤蓄水能力看，非毛管孔隙能较快容纳降水并及时下渗，更有利于涵养水源[12]。不同土地利用类型的根系发育、树种组成、土地利用类型发育、土地利用类型水平及垂直结构不一样，造成土壤孔隙和非毛管孔隙的不同，土地利用类型的蓄水能力也不一样。根据前述方法，测定并计算松华坝水源区不同土地利用类型情况下的土壤蓄水量，具体见表3。

　　表3   松华坝流域不同土地利用类型土壤蓄水情况

　　从表3分析结果可知，单一土地利用类型，各土壤层总蓄水量有随着土层加深而逐渐下降的趋势。不同土地利用类型，0—60cm土层总蓄水量最大为圣诞树人工林（2852.83t/hm2），最小为板栗林（2709.00t/hm2），其排序为：圣诞树人工林＞混交林＞冈栎林＞撂荒地＞板栗林；不同土地利用类型非毛管蓄水量均值排序为：圣诞树人工林＞冈栎林＞板栗林＞撂荒地＞混交林；不同土地利用类型毛管蓄水量均值排序为：混交林＞撂荒地＞冈栎林＞圣诞树人工林＞板栗林。土壤蓄水量、土壤涵蓄量变化与土地利用类型的关系见图2。

　　图2  不同土地利用类型土壤蓄水量、土壤涵蓄量变化过程

　　从表3分析结果还可知，毛管蓄水量仅在撂荒地中随土层深度增加而减小，在其它类型中同一土地利用类型各土层无明显规律性变化；板栗林与混交林均为40—60cm毛管蓄水量最大，0—20cm次之，20—40cm毛管蓄水量最低；冈栎林0—20cm土层毛管蓄水量最高，40—60cm次之，20—40cm毛管蓄水量最低；圣诞树人工林0—20cm土层毛管蓄水量最高，其余两层基本相同。板栗林、圣诞树人工林和混交林在3个土层深度非毛管蓄水量均为20—40cm最高，0—20cm次之，40—60cm最低，但20—40cm与0—20cm非毛管蓄水量相差不大；冈栎林与撂荒地非毛管蓄水量有随着土层加深而减小的趋势。

　　3.1.3 土壤涵蓄量特征

　　土壤的蓄水性能与水层厚度密切相关，当土壤湿度很大时，土壤的蓄水量就会减少，即使降水量很小，也会产生地表径流，因此把总蓄水量与水层厚度之差作为衡量土壤涵蓄降水量的指标[13]，松华坝水源区的饱和蓄水量以毛管蓄水量为主，毛管蓄水量与水层厚度之差反映供植物利用的潜在土壤有效蓄水，称其为有效涵蓄量[14]。

　　从不同土地利用类型中土壤蓄水量与土壤涵蓄量的变化（图2）可知，不同土地利用类型有效涵蓄量均值排序为：混交林＞撂荒地＞板栗林＞圣诞树人工＞冈栎林；5种土地利用类型涵蓄降水量均是随着土层加深而减小，其排序为：混交林＞圣诞树人工林＞板栗林＞撂荒地＞冈栎林。表明，有效涵蓄量的变化与含蓄降水量的变化是一致的。有效涵蓄量在同一土地利用类型各土层中具有一定的规律性，冈栎林、圣诞树人工林和撂荒地有效涵蓄量随着土层加深而减小；混交林0—20cm土层有效涵蓄量最大，20—40cm与40—60cm土层有效涵蓄量基本相等；板栗林0—20 cm有效涵蓄量最大，40—60cm次之，20—40cm有效涵蓄量最小；涵蓄降水量在同一土地利用类型各土层中有明显的规律性变化，研究区土壤涵蓄降水量变化与有效涵蓄量是一致的，而且3种土地利用类型土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均表现为0—20cm最大，这表明了土壤上层在水分入渗、涵蓄降水能力及供给植物有效水分等方面均好于土壤下层。

　　3.1.4 土壤化学特征

　　有机质、土壤全钾和全磷是土壤肥力的重要指标，其含量的增多能改良土壤性质，降低土壤容重，消除土壤的板结性状，促进团粒化结构，提高土壤的保水能力和透气性能，故以有机质、土壤全钾和全磷作为评价不同土地利用类型对水源涵养性能的化学指标。根据前述各指标测定方法，对松华坝流域不同土地利用类型的土壤全磷、全钾、有机质含量进行测定，并绘制变化相关图，见图3、图4。

　　图3  不同土地利用类型土壤磷含量和钾含量变化过程

　　图4  不同土地地利用类型土壤有机质含量变化过程

　　从图3可看出，松华坝水源区5种土地利用类型土壤磷含量和钾含量均值变化并不一致，5种土地利用类型磷含量均值排序为：板栗林＞撂荒地＞圣诞树人工林＞混交林＞冈栎林；土壤钾含量均值排序为：混交林＞撂荒地＞板栗林＞冈栎林＞圣诞树人工林。不同的土地利用类型郁闭度，枯落物的组成、成分、特性、质地、分解程度，土壤发育、根系发育都会造成土壤全钾和全磷的变化。

　　从图4可看出，松华坝水源区5种不同土地利用类型土壤有机质均值排序为：板栗林＞冈栎林＞圣诞树人工林＞混交林＞撂荒地，板栗林0—60cm土壤有机质均值最大（16.7g/kg），最小为撂荒地（5g/kg）。在自然状态下，有机质的输入主要源于土地利用凋落物，土壤有机质的量作为土壤肥力的一项重要指标，对土壤的物理、化学和生物性质都有着深刻的影响。土壤有机质含量的增加，一方面改善了土壤结构，使孔隙度增加；另一方面改变了土壤的胶体状况，使土壤吸附作用增强。这两方面的作用都有利于土壤水分的保持，从而使土壤含水量增加[15]。板栗林落叶相对较多，形成丰富的有机质输入；相对地，撂荒地，几乎没有落叶，有机质输入较少，本次不同土地利用化学特征分析结果符合这种客观物理事实。

　　3.2 不同土地利用类型对水源的涵养功能评价

　　    水源的涵养功能评价需要通过如下四个主要步骤实现：①构建指标体系；②指标标准化处理；③确定各指标权重；④利用公式（13）开展不同土地利用类型对水源的涵养功能评价。其中，评价指标包括土壤含磷量、土壤含钾量、自然含水量等，具体步骤及结果如下。

　　3.2.1 指标分类

　　根据前述分析的松华坝水源区土壤理化特征指标，结合评价模型、水源涵养因子隶属度，选取对水源涵养功能评价敏感度较好的指标，具体见表4。

　　表4  松华坝水源区不同土地利用类型水源涵养功能评价指标值

　　3.2.2 指标标准化

　　将5种不同土地利用类型植物群落和评价指标看成一个有5个评价方案和13个评价指标组成的评价系统，构成指标实际矩阵X=（xij）29×6，通过前述隶属度函数（式7、式8）对以上指标进行标准化，并计算指标评价值矩阵为Y=（yij）29×6，结果见表5。

　　表5  松华坝水源区不同土地利用类型水源涵养功能评价指标标准化矩阵

　　3.2.3 指标权重确定

　　根据水源区生态环境特征，按照综合性原则、主导型原则、科学性原则和可操作性原则，选择了能够反映研究区水源涵养功能基本内涵的指标，构成具有3个层次结构的土地利用植被水源涵养功能性指标体系，采用熵值法（式9～12）计算各指标权重，结果见表6。

　　表6  松华坝水源区不同土地利用类型水源涵养功能评价指标权重

　　3.2.4 不同土地利用类型对水源涵的养能力评价得分

　　根据水源涵养能力相对优异性量化评价模型（式13），各种土地利用类型土壤层对水源涵养能力的总得分，结果见表7。

　　表7  松华坝水源区不同土地利用类型水源涵养功能评价指标得分

　　根据表7评价得分结果，得出不同土地利用类型土壤层对水源涵养能力的得分排序为：圣诞树人工林＞混交林＞冈栎林＞板栗林＞撂荒地。表明松华坝水源区不同土地利用类型中，圣诞树人工林对水源的涵养能力最好，撂荒地对水源的涵养能力最差。以上分析结果与实际情况相符，圣诞树的水土保持能力、水源涵养和改良土壤能力最强；而撂荒地由于缺少植被，致使其对水源的涵养能力很差。

　　4 结论

　　通过分析，得出如下结论：

　　（1）在典型区选择的5种具有代表性的不同土地类型（板栗林、冈栎林、圣诞树人工林、混交林和撂荒地）样地中，随着土层的加深，土壤容重也随着增大，0-60cm土层容重均值最大为板栗林和撂荒地（1.45g/cm3），最小为混交林（1.40g/cm3），依次为板栗林=撂荒地＞圣诞树人工林＞冈栎林＞混交林；土壤总孔隙度均值最大为圣诞树人工林（47.55%），最小为板栗林（45.15%），依次为圣诞树人工林＞混交林＞冈栎林＞撂荒地＞板栗林；土壤容重均值趋势与总孔隙度变化趋势相反。

　　（2）从单一土地利用类型看，各层土壤总蓄水量呈随着土层的加深呈逐渐下降的趋势；毛管蓄水量无明显规律性变化，非毛管蓄水量具有一定的规律性。

　　（3）从不同土地利用类型看，0-60cm土层总蓄水量最大为圣诞树人工林（2852.83 t/hm2），最小为板栗林（2709.00 t/hm2），依次为圣诞树人工林＞混交林＞冈栎林＞撂荒地＞板栗林；非毛管蓄水量均值排序为圣诞树人工林＞冈栎林＞板栗林＞撂荒地＞混交林；毛管蓄水量均值排序为混交林＞撂荒地＞冈栎林＞圣诞树人工林＞板栗林。

　　（4）不同土地利用类型土壤涵蓄降水量变化与有效涵蓄量是一致的，而且3种土地利用类型土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均表现为0—20cm最大，表明了土壤上层在水分入渗、涵蓄降水能力及供给植物有效水分等方面均好于土壤下层。

　　（5）不同土地利用类型土壤磷含量均值、钾含量、有机质均值含量均值排序有所差异。

　　（6）不同土地利用类型土壤层水源涵养能力得分排序为圣诞树人工林＞混交林＞冈栎林＞板栗林＞撂荒地。表明不同土地利用类型中，圣诞树人工林对水源的涵养能力最好，撂荒地对水源的涵养能力最差。