張君玉，程金花，呂湘海，張友焱，王彬儼，5，孫 龍，6

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2.北京良鄉(xiāng)藍(lán)鑫水利工程設(shè)計所，北京 102488；3.中國國際工程咨詢公司，北京 100044；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091；5.中國科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；6.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤重要的水力參數(shù)之一［1］。坡面近地表土壤水分條件對徑流形成和侵蝕發(fā)生有重要的影響［2］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤飽和導(dǎo)水率的研究有了一定的成果，Helalia［3］認(rèn)為，田間土壤入滲土壤的有效孔隙度與飽和導(dǎo)水速率之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，蔣定生等［4］研究認(rèn)為，隨土壤深度的增加，土壤入滲能力急劇下降，土壤入滲能力與表層土壤容重關(guān)系密切，在滲透率較大的坡面上，入滲速率與坡度成反比關(guān)系。袁建平等［5］研究認(rèn)為，土地利用方式不同，坡面土壤穩(wěn)滲速率存在較大差異。趙西寧等［6］研究發(fā)現(xiàn)，坡面耕作措施可有效地提高土壤入滲速率，延緩坡面徑流，是控制坡耕地水土流失的有效措施。

在黃土丘陵區(qū)，植被是影響土壤性質(zhì)最積極的因素［7］，特別是土壤密度，飽和導(dǎo)水率等土壤物理性質(zhì)。合理的植被措施的實施可以有效改善土壤水力特性［8］。本研究針對晉西黃土丘陵區(qū)多級生物防護體系中，林地、農(nóng)地、地埂、荒地4種土地利用方式下的土壤，研究其表層飽和導(dǎo)水率的影響因素，為提出適于該區(qū)坡面水土保持生物防護技術(shù)體系和生物防護技術(shù)措施優(yōu)化配置模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省中陽縣的車鳴峪林場，屬黃河流域典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，東經(jīng)111°04′—111°21′、北緯37°03′—37°20′。該區(qū)屬暖溫帶亞干旱區(qū)，具明顯的大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為500～550mm，降雨集中在7—9月份（占全年降水量的70%以上），平均蒸發(fā)量為1019 .7mm，年平均氣溫6℃，極端最高氣溫35.6℃（1994年6月16日），極端最低氣溫－24.3℃（1980年1月30日），無霜期125～150d，≥10℃年積溫為2500 ～3000 ℃。土壤以褐土居多，其次是棕壤，發(fā)育差、水土流失嚴(yán)重。植被區(qū)劃上屬于森林草原灌叢植被區(qū)。多級生物防護體系是指針對坡耕地所處的不同地貌部位及其對阻控水土流失的要求與差異，形成坡面頂部和坡面上部集流防止擊濺侵蝕和面蝕，坡面中部防蝕保土、坡面中下部蓄水?dāng)r土、溝道防止下切侵蝕和重力侵蝕的防護體系。晉西黃土丘陵區(qū)多級生物防護體系可以歸納為，一級生物防護是坡上林地防護，大部分為人工林，現(xiàn)有樹種少，林地大部分是疏林地，林分穩(wěn)定性差；二級生物防護是坡中梯田農(nóng)耕地及生物地埂防護，農(nóng)作物的間作模式非常多；三級生物防護是指坡底林地灌木防護，黃土區(qū)侵蝕情況非常嚴(yán)重，溝底形態(tài)各異，有平坦地勢地區(qū)也被種植農(nóng)作物，大部分為荒地裸地，自然生長小喬木、小灌木和各類草本。研究區(qū)環(huán)境因子詳見表1。

表1 研究區(qū)環(huán)境因子

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集與理化性質(zhì)測定 在每塊樣地的坡上、坡中和坡下隨機布設(shè)3個土壤采樣點，開挖土壤剖面，按照0—20cm，20—40cm分2層進行土樣采集（環(huán)刀192.42cm3，規(guī)格直徑7cm，高5cm）。室內(nèi)測定土壤的物理化學(xué)性質(zhì)［9］。土壤顆粒組成采用簡易比重計法，并參照國際制來劃分土壤質(zhì)地類型。采用環(huán)刀浸透法測定土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。采用人工篩分法測定土壤結(jié)構(gòu)。經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過篩后，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。

1.2.2 飽和導(dǎo)水率的測定 采用定水頭飽和導(dǎo)水率測定法測定［10］，測定裝置如圖1所示。首先使用ST－70A型滲透儀專用環(huán)刀（高3.85cm，直徑6.15 cm）在樣地取土，然后在室內(nèi)靠近水源處安裝ST－70A型土壤水分滲透儀，以馬氏瓶控制定水頭，水頭高度23.1cm，安裝完畢后放水開始滲透。前3min每隔10s測定水分出流體積，接下來2min每隔30s測定水分出流體積，此后每5min測定水分出流體積至穩(wěn)定為止。

根據(jù)下式可計算土壤飽和導(dǎo)水率Ks:

式中:H——進水口的水頭高度（cm）；V——出水口水分出流量（ml）；t——水分出流時間（s）；L——土柱長度（cm）；A——土樣橫截面積（cm2）。

各樣地的試驗在不同溫度下進行，為了使溫度條件對所測得的飽和導(dǎo)水率的值影響降低，按公式（2）將試驗測得對應(yīng)溫度為t℃下的飽和導(dǎo)水率換算成10℃時的飽和導(dǎo)水率K10。

式中:K10——溫度為10℃時的飽和導(dǎo)水率（mm·min－1）；Kt——溫度為t℃時的飽和導(dǎo)水率（mm／min）。

圖1 定水頭法測定土壤飽和導(dǎo)水率裝置

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用單因素方差分析（one－way ANOVA）進行顯著性分析，并在差異顯著時進行多重比較（p＜0.05，LSD，t檢驗）。以用Pearson相關(guān)系數(shù)和Spearman秩相關(guān)系分析法分析土壤因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)性［11－12］。應(yīng)用多元逐步回歸對飽和導(dǎo)水率與土壤物理因子的關(guān)系進行分析，比較各因子的作用大小。實驗數(shù)據(jù)采用Excel，Sigma plot 12.0和SPSS 20.0統(tǒng)計軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 飽和導(dǎo)水率實驗結(jié)果

土壤不同層次、不同土地利用方式以及不同樣地的平均飽和導(dǎo)水率分別如圖2—4所示。由圖中可以看出:（1）在4種土地利用方式下，淺層土壤相比于更深層土壤，均表現(xiàn)出較高的飽和導(dǎo)水率；（2）對于同一土壤層次而言，林地土壤的飽和導(dǎo)水率最大，地埂和農(nóng)地土壤次之，荒地土壤最?。唬?）林地土壤的飽和導(dǎo)水率在不同土層間的差異較大，而地埂和農(nóng)地土壤的這一差異并不十分明顯，荒地土壤的這一差異則更?。唬?）而農(nóng)地中不同的作物種植模式下的數(shù)值差異較大，典型的4種間作方式相比較，蘋果玉米的間作方式對土壤飽和導(dǎo)水率的響應(yīng)值比較大，另外地埂類型下混合地埂的土壤表層Ks數(shù)值相對較大，單一植物地埂次之。

圖2 土壤不同層次平均飽和導(dǎo)水率

圖3 不同土地利用方式下土壤平均飽和導(dǎo)水率

圖4 不同土地利用方式下土壤各層次飽和導(dǎo)水率

2.2 飽和導(dǎo)水率與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

2.2.1 飽和導(dǎo)水率與土壤物理因子的關(guān)系 相關(guān)分析表明，土壤飽和導(dǎo)水率與各土壤物理因子之間有不同程度的相關(guān)性［13］，受土壤有效孔隙分布、容重、質(zhì)地以及有機質(zhì)含量等因素的影響［14］。受因子間相互影響的作用，簡單的相關(guān)系數(shù)往往不能正確反映它們之間的關(guān)系。為了篩選出影響飽和導(dǎo)水率變化的相對重要的因子，以飽和導(dǎo)水率為因變量，選取土壤容重、初始含水率、干篩＜0.25mm砂粒含量、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度等7個指標(biāo)作為預(yù)測變量，采用數(shù)理統(tǒng)計方法進行多項逐步回歸，擬合結(jié)果為:

式中:Y——飽和導(dǎo)水率（mm／min）；X1——非毛管孔隙度（%）；X2——容重（g／cm3）；X3——＞0.25 mm水穩(wěn)性顆粒含量（%）。df＝71，R2＝0.840，sig.＜0.001，表明方程達(dá)到顯著水平，該多元線性回歸結(jié)果表明非毛管孔隙度、土壤容重和＜0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量是影響飽和導(dǎo)水率的主要因子。

非毛管孔隙又稱大孔隙，主要是土壤中直徑大于0.1mm的孔隙?；貧w分析表明非毛管孔隙度是影響土壤飽和導(dǎo)水率最顯著的因素，二者成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.62。其原因在于，大孔隙是因土壤顆粒大、排列疏松而形成，其數(shù)量取決于土壤的結(jié)構(gòu)性。大孔隙經(jīng)常充滿空氣，僅在重力水大量存在時才有水分填充，不具有持水能力，一般而言，較多的大孔隙能使土壤通氣、透水。

土壤容重是單位體積自然狀態(tài)下土壤的干重。容重越小土壤結(jié)構(gòu)就越松，水分就可以更流暢地沿土壤層次延垂直方向向下運動，對這種水分的垂直運動土壤起到的攔截作用減弱，從而提高了土壤水分入滲速率，也提高了土壤飽和導(dǎo)水速率。通過數(shù)據(jù)分析表明，土壤容重與飽和導(dǎo)水率成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0.532。

水穩(wěn)性團聚體是抗水力分散的土壤團聚體，持水性能良好，水分不易通過，水穩(wěn)性團聚體（＞0.25 mm）的含量越高越容易持水，導(dǎo)致水分入滲速率降低，從而降低了土壤飽和導(dǎo)水率。通過數(shù)據(jù)分析表明，土壤容重與飽和導(dǎo)水率成顯著的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為－0.526。

通常情況下土壤的初始含水率越小，水分入滲的速率就越大，但是隨著時間的推移，其對最終達(dá)到穩(wěn)滲的速率影響不大，所以在對飽和導(dǎo)水率與初始含水率做相關(guān)分析時，不能得出顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤的初始含水率對入滲的過程有重要的影響。

一般來說，土壤質(zhì)地越粗，水分滲透特性越強。通過對研究地砂土、粉土、壤土的飽和導(dǎo)水率分析，可以看出不同土壤質(zhì)地的飽和導(dǎo)水率排序為:砂土＞粉土＞壤土。

2.2.2 飽和導(dǎo)水率與土壤有機質(zhì)的關(guān)系 土壤中形成的和外部加入的所有動、植物殘體不同分解階段的各種產(chǎn)物和合成產(chǎn)物的總稱，是土壤固相部分的重要組成成分。對土壤飽和導(dǎo)水率與有機質(zhì)做Pearson相關(guān)性檢驗，飽和導(dǎo)水率的大小與有機質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，分析可能的原因在于，一是有機質(zhì)的增加可以改善土壤的通氣透水性能，改變土壤的容重、孔隙度，使水分更易入滲；二是有機質(zhì)的增加可以改變土壤顆粒組成，通過有機大分子膠結(jié)土壤顆粒，使土壤大顆粒含量增加、顆粒間孔隙增大，使水分更易入滲，從而提高土壤飽和導(dǎo)水率，所以說土壤的有機質(zhì)含量通過影響飽和導(dǎo)水率的物理性質(zhì)而成為影響的根本動力。

2.3 不同土地利用方式對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

由圖2可以看出，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因與土壤表層隨深度增加土壤的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了變化，隨土壤深度增加，土壤容重增加，土壤孔隙度減少，土壤有機質(zhì)含量下降；分析圖3可知，林地的淺層土壤的飽和導(dǎo)水率最高，可能的原因是它有枯枝落葉層，枯落物為腐殖化過程提供了充足的物質(zhì)來源，有機質(zhì)含量多，使總團聚體含量高，土壤變得松散，孔隙度增加，所以導(dǎo)水率最高。

不同土地利用方式土壤的飽和導(dǎo)水率、容重、非毛管孔隙度、＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量、有機質(zhì)含量的平均值如表2所示。有機質(zhì)含量排序為:林地＞地?。巨r(nóng)地＞荒地，容重大小順序為:荒地＞地?。巨r(nóng)地＞林地，非毛管孔隙度排序為:林地＞農(nóng)地＞荒地＞地埂，小于0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量排序為:荒地＞農(nóng)地＞地?。玖值兀部梢院苤庇^地看出土壤物理化學(xué)性質(zhì)通過數(shù)理統(tǒng)計分析得出的影響結(jié)果。

表2 不同土地利用方式土壤的飽和導(dǎo)水率及其影響因子

3 結(jié)論

（1）土壤飽和導(dǎo)水率隨深度增加而下降。各地類土壤飽和導(dǎo)水率大小表現(xiàn)為:林地＞地?。巨r(nóng)地；土壤飽和導(dǎo)水率與非毛管孔隙呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與＜0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤飽和導(dǎo)水率與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，有機質(zhì)可以改善土壤的通氣透水性能，改變土壤顆粒組成，有機質(zhì)含量還通過影響飽和導(dǎo)水率的物理性質(zhì)而成為影響的根本動力。

（2）土壤飽和導(dǎo)水率是表征土壤通透性的一個綜合指標(biāo)，通過對晉西黃土丘陵區(qū)多級生物防護體系下不同土地利用方式土壤飽和導(dǎo)水率的觀測和實驗，僅從這一指標(biāo)的幾個影響因子上來進行改良應(yīng)因地制宜地進行人工林的營建。一級防護中的林地營建應(yīng)該加強，而二級防護的坡耕地應(yīng)增加地埂植物籬的防護，三級防護中選擇溝底平坦肥沃的土地種植農(nóng)田，為減少荒地可選擇栽植人工灌木林或播撒草籽。不同的生物防護級別通過對植被分布配置的改變使土壤物理化學(xué)性質(zhì)得以改良。

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