趙洋毅，段 旭

（1.西南林業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院，昆明650224；2.西南林業(yè)大學 林學院，昆明650224）

喀斯特是一種具有特殊的物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)和功能的生態(tài)系統(tǒng)，其特征是生態(tài)敏感度高，抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，森林植被遭受破壞后，極易造成水土流失，基巖裸露［1］。而且，喀斯特地表成土速率慢，土層瘠薄，產(chǎn)生地表徑流后極易發(fā)生土壤侵蝕，植被破壞后恢復困難，進而發(fā)生石漠化，這將對環(huán)境造成極大破壞［2］，因此控制喀斯特地區(qū)土壤地表徑流量對防止石漠化發(fā)生具有一定的影響［3］。土壤入滲是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，土壤滲透性是描述土壤入滲快慢極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一，同時也是影響土壤侵蝕的重要因素之一［4－5］。已有結(jié)果表明［6－9］，土壤滲透性能越好，地表徑流就越小，地表流失量也會相應地減少，對土壤水土保持影響極大。許多專家建議將“增加土壤入滲，就地攔蓄降雨徑流”作為防治土壤侵蝕的戰(zhàn)略決策［10］。針對喀斯特石漠化特殊的環(huán)境，石漠化己經(jīng)成為制約中國西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展最嚴重的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題，研究不同植被恢復模式下土壤的滲透性規(guī)律對探討產(chǎn)流機制和水土保持作用具有重要意義。文中通過對滇東曲靖市分布的中輕度石漠化地區(qū)所進行的不同植被恢復治理模式的土壤入滲的研究，探討了不同模式下土壤入滲的變化規(guī)律，以便為當?shù)赝寥狼治g防治，生態(tài)環(huán)境保護和石漠化治理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省東部曲靖市（103°52′E，25°45′N），海拔1 150～2 750m，具有山地季風半濕潤氣候特征，年平均氣溫13.5℃，年均降水量1 300mm，年平均蒸發(fā)量831.3mm年均日照1 820h。土壤類型主要為紅、黃壤土為主，植被屬于北亞熱帶中山常綠針闊混交林帶。

研究區(qū)為云南省典型的喀斯特地貌分布區(qū)，石漠化土地較多，水土流失嚴重，石漠化面積占全區(qū)的17.23%，占全區(qū)喀斯特地貌面積的27.45%。其中，輕度石漠化占全區(qū)面積的10.04%，中度占16.51%，強度占1.84%，極強度占0.94%。試驗區(qū)選取滇東高原典型石漠化地段，區(qū)域內(nèi)主要以中輕度石漠化為主，以4種植被恢復方式進行治理，分別為針闊混交林［云南松（Pinus yunnanensis）×華山松（Pinus armandii）×麻櫟（Quercus acutissima）］、針葉林（華山松）、闊葉林（麻櫟）及灌草植被［椴葉山麻桿（Alchornea tiliifolia）、鹽膚木（Rhus chinensis）、白茅（Imperata cylinarica）、飛機草（Eupatorium odoratum）等］模式，各植被治理模式基本概況見表1。

表1 不同模式樣地及土壤基本概況

1.2 研究方法

在試驗區(qū)內(nèi)海拔、坡度相近的典型地段選取4種不同植被恢復模式的林地，并以裸地作為對照地開展試驗研究。2013年8月，分別在各樣地選定典型地段以5點法按照0—20，20—40cm采集土壤樣品，分裝后將土樣帶回實驗室風干、研磨過篩，進行分析。土壤容重采用環(huán)刀法；土壤機械組成采用比重計法，土壤含水量采用烘干法［11］。各模式下土壤基本性質(zhì)狀況如表1。

土壤滲透性測定采用環(huán)刀法［11］。各指標計算的方法為：初滲率＝最初入滲時段內(nèi)滲透量／入滲時間，本研究取最初入滲時間為2min；平均滲透速率＝達穩(wěn)滲時的滲透總量／達穩(wěn)滲時的時間；穩(wěn)滲率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率；因所有土樣滲透速率在60min前已達穩(wěn)定，為了便于比較，滲透總量統(tǒng)一取前60min內(nèi)的滲透量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模式樣地土壤滲透時間變化特征

水分入滲過程是一個復雜的水文過程，不同林地類型的土壤滲透性存在很大差別［12－15］。

圖1為各樣地的每個土層不同時刻實測滲透速率動態(tài)變化過程?？梢钥闯觯焊鳂拥赝寥罎B透速率的變化趨勢基本一致，在滲透初期速率較高，隨著時間的推移而下降，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著土壤深度的增加，各樣地土壤滲透性差異則愈不顯著。

根據(jù)土壤水分滲透曲線可將滲透率大致可分為3個階段：瞬變階段、漸變階段和穩(wěn)定階段。瞬變階段發(fā)生在滲透的初期為入滲過程的初始階段，一般在滲透開始的10～20min內(nèi)，各樣地不同深度土壤入滲速率隨時間的下降速率均表現(xiàn)為0—20cm土層下降較快，而20—40cm土層變化較慢，這與下層土壤較上層土壤更為緊實，而使得下層土壤阻隔水分下移有關(guān)。土壤滲透漸變階段主要發(fā)生在10～30min左右。滲透的穩(wěn)定階段主要發(fā)生在30～40min以后。

圖1 不同模式下土壤各層滲透速率隨時間的變化

2.2 不同模式樣地土壤滲透性

圖2表示不同模式樣地土壤滲透性比較?？梢钥闯觯?種不同植被治理模式下土壤的滲透性能存在較大差異。各植被治理模式土壤滲透性指標均好于對照裸地。從各樣地0—20cm土層來看，以針闊混交林模式的初滲率最大，為3.8mm／min，灌草植被模式的土壤穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量要優(yōu)于其它模式，分別為3.1，4.7mm／min和282.89 ml，針闊混交林模式次之，而針葉林模式下土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量分別為2.7，1.5，2.7mm／min和163.88ml，與其它3種治理模式對比來看其土壤的滲透性相對較差，但要好于無治理措施的裸露地；從20—40cm土層來看，以針葉林模式的土壤滲透性各項指標為最大，初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量分別為2.4，1.5，2.6mm／min和153.02ml，其次分別為針闊混交林模式、闊葉林模式和灌草模式，裸地最差。

圖2 不同模式樣地土壤滲透性比較

從各植被治理模式對土壤垂直結(jié)構(gòu)的滲透性能影響來看，各樣地土壤入滲性能均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而較小，其中以灌草植被模式下土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量各指標減小幅度最大，20—40cm土層較0—20cm土層各指標分別減少60.23%，73.55%，70.51%，70.51%；針闊混交林模式下土壤滲透性各指標變化幅度最小，分別為10.69%，3.42%，6.63%，6.63%?？梢钥闯?，灌草植被模式下表層土壤滲透性雖然較好，但由于植被根系較喬林總量較少，對下層土壤結(jié)構(gòu)改良則不如喬木林模式效果好。裸地由于無植被覆蓋，土壤容重較大，土壤緊實，從表層到下層整體滲透性均較差且變化不大。

對土壤滲透性能（初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率及60min滲透總量）進行雙因素（植被治理模式，土壤層次）方差分析（表2），結(jié)果表明：不同模式下不同土壤層次入滲能力差異顯著（P＝0.003和P＝0.046），植被治理方式的不同對土壤滲透性的影響程度要更大。各模式的0—20cm層土壤滲透性能較20—40cm土層好，這可能是由于地表存在植被覆蓋，能夠為土壤提供更豐富的枯落物，有機物質(zhì)歸還量大，土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，容重小，而下層土壤容重大，土壤致密緊實，導致入滲性能較差?？傮w而言，通過植被治理恢復的喀斯特石漠化地區(qū)土壤滲透性能均高于裸地，喬林模式對于提高土壤滲透性效果顯著。但根據(jù)實際來看，喀斯特石漠化地區(qū)土壤存在土層薄，分布破碎，土壤水分含量較少的情況，對于中強度以上石漠化的情況，可以采用灌草結(jié)合的方式進行治理。

表2 土壤滲透性能的方差分析

2.3 不同模式樣地土壤滲透性過程擬合

有關(guān)土壤水分入滲的數(shù)學模型有許多，包括純經(jīng)驗公式和半理論、半經(jīng)驗模型，如Green-Ampt公式、Philip公式、Kostiakov經(jīng)驗公式和Horton方程等［13，15］。本文結(jié)合前人研究成果，選用4個概念較為明確、可靠又常用的土壤水分入滲模型對各林分不同層次土壤入滲過程進行模擬：

（1）Kostiakov 公 式：f（t）＝at－b。式 中：f（t）——入滲速率；t——入滲時間；a、b——擬合參數(shù)。

（2）Horton公式：f（t）＝fc＋（fo－fc）e－βt。式中：fo和fc分——初滲率和穩(wěn)滲率；β——經(jīng)驗參數(shù)。

（3）Philip公式：f（t）＝0.5St－1／2＋A。式中：S——吸著率（cm／min0.5）；A——穩(wěn)滲速率。

（4）通用經(jīng)驗公式：f（t）＝a＋bt－k。式中：a、b——經(jīng)驗參數(shù)；k——擬合參數(shù)。

表3 不同模式不同層次土壤入滲模型

結(jié)果表明（表3）：各林分不同層次水分入滲2個回歸模型均達極顯著或顯著相關(guān)，但模型的擬合優(yōu)度存在差異。比較4種入滲模型的相關(guān)系數(shù)（R2）可以看出，其中 Kostiakov方程擬合優(yōu)度為0.880～0.985，Horton方程擬合優(yōu)度為0.551～0.842，Philip方程擬合優(yōu)度為0.733～0.976，通用經(jīng)驗方程擬合優(yōu)度為0.903～0.987。在36個土壤水分入滲最優(yōu)模型中，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗方程均有10個，占總數(shù)的55.6%，Philip方程8個，占總數(shù)的22.2%，而Horton方程只有1個，僅占總數(shù)的2.8%，表明在這4種模擬土壤水分入滲過程的方程中，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗方程效果最佳，Horton方程效果最差，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗方程是比較適用于本研究區(qū)域不同植被治理模式土壤入滲特征的模型描述和入滲過程的預測。

3 討論與結(jié)論

不同林地土壤土壤水分滲透曲線為瞬變階段、漸變階段和穩(wěn)定階段，這與其他學者的研究結(jié)果大致相似［9－10］，但本文研究發(fā)現(xiàn)在喀斯特石漠化地區(qū)3個變化階段的時間變化較快，各樣地不同深度土壤入滲速率隨時間的下降速率均表現(xiàn)為0—20cm土層下降較快，而20—40cm土層變化較慢，且上下兩層土壤滲透速率差異較大，這可能是喀斯特環(huán)境內(nèi)土層薄，植被對表層土壤改良效果更為顯著有關(guān)。

關(guān)于不同林型對土壤滲透性影響的研究已有報道［8－9，12，14－17］，但對石漠化治理關(guān)于土壤入滲的研究缺較少，本文研究得出不同植被模式治理下，土壤滲透性各個模式對土壤滲透性存在極顯著性影響，喬林模式對于提高土壤滲透性效果顯著，表明通過合理搭配鄉(xiāng)土樹種進行治理石漠化對提高土壤入滲能力可行。但根據(jù)實際來看，喀斯特石漠化地區(qū)土壤存在土層薄，分布破碎，土壤水分含量較少的情況，對于中強度以上石漠化的情況，需選擇適當?shù)闹参镞M行恢復，以利于保持喀斯特環(huán)境土壤水分總量和防止土壤退化。

通過對滇東喀斯特石漠化地區(qū)4種不同植被治理模式樣地（以裸地為對照）的土壤滲透性分析得出，各植被治理模式土壤滲透性指標均好于對照裸地。0—20cm土層以針闊混交林模式的初滲率最大，灌草植被模式的土壤穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量要優(yōu)于其它模式，針闊混交林模式次之，針葉林模式較其它3種治理模式其土壤的滲透性較差，但要好于無治理措施的裸露地；20—40cm以針葉林模式的土壤滲透性各項指標為最大，其次分別為針闊混交林模式、闊葉林模式和灌草模式，裸地最差。

各植被恢復模式土壤入滲性能均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而較小，其中以灌草植被模式下土壤滲透性各指標減小幅度最大；針闊混交林模式下土壤滲透性各指標變化幅度最小。灌草植被模式下表層土壤滲透性能雖然較好，但由于植被根系較喬林總量較少，對下層土壤結(jié)構(gòu)改良則不如喬林模式效果好。裸地無植被覆蓋，土壤緊實，從表層到下層整體滲透性均較差且變化不大。不同模式及不同土壤層次入滲能力差異顯著（P＝0.003和P＝0.046），植被治理方式的不同對土壤滲透性的影響程度更大。

土壤入滲過程擬合結(jié)果表明：在4種模擬土壤水分入滲過程的方程中，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗方程擬合效果最佳，Philip方程擬合效果次之，Horton方程效果最差。Kostiakov方程和通用經(jīng)驗方程是比較適用于本研究區(qū)域不同植被治理模式土壤入滲特征的模型描述和入滲過程的預測。

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