何文華,張洪江?,程金花,王賢

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京)

土壤入滲是指降水或灌溉水由地表進(jìn)入土壤形成土壤水的過程[1],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)[2],土壤的入滲過程和滲透能力對降雨過程再分配中地表徑流和土壤水分的產(chǎn)生和發(fā)展有較大的影響,選擇合適的土壤水分入滲模型可以科學(xué)地評價(jià)水源涵養(yǎng)林保水功能[3]。研究土壤的入滲能力以及儲水能力對了解森林的水文功能具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者對土壤儲水及入滲特性和入滲模型等方面已進(jìn)行了研究并取得了一定的研究成果[4-8],這些成果表明,不同地域的土壤結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致土壤儲水能力和入滲特性存在差異,其適用的土壤入滲模型也各不相同。目前,針對土壤的入滲特性和儲水能力的研究都局限在單次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之上,沒有形成持續(xù)性的對比研究,這樣導(dǎo)致對了解森林水文效應(yīng)變化缺乏理論基礎(chǔ)。重慶四面山地區(qū)2008年開始進(jìn)行人工林土壤入滲特性的研究,經(jīng)過5年的生長變化,人工林土壤入滲與儲水性能必然發(fā)生不同程度的變化,所以形成持續(xù)性的對比研究并揭示這種變化很有必要。筆者通過對比2013與2008年重慶四面山地區(qū)5種人工林的土壤特性和入滲能力,研究重慶四面山地區(qū)適用的土壤入滲模型以及在自然因素以及人為因素影響下5種人工林水文效應(yīng)的變化程度,以期對該地區(qū)適宜培育的人工林配置提供參考。

1 研究區(qū)概況

重慶四面山地理位置 E106°17′～106°30′,N28°31′～28°46′,海拔 900 ～1 500 m。 研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候,雨季集中在5—9月。多年平均氣溫13.7℃,8月平均氣溫最高為31.5℃,1月平均氣溫最低為-5.5℃。年均降雨量1 522.3 mm,日最大降雨量160.5 mm。降雨量隨海拔的變化存在較大的關(guān)系,呈現(xiàn)海拔每上升100 m降雨量遞增43.3 mm的趨勢。全年無霜期為285 d,年平均日照時間1 082.7 h。研究區(qū)屬典型丹霞地貌,土壤類型以黃棕壤、黃壤等為主,呈微酸性至酸性。研究區(qū)內(nèi)植被主要為典型的亞熱帶常綠針葉、闊葉林,兼有部分人工林。主要喬木樹種有馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、石櫟(Lithocarpus glaber)、棕葉狗尾草(Setaria palmifolia)、木荷(Schima superba)、福建柏(Fokienia hodginsii)、香樟(Cinnamomum camphora)、楓香(Liquidambar formosana)、紫花杜鵑(Rhododendron mariae)和楠竹(Phyllostachys pubescens)等樹種。林下灌草以胡枝子(Lespedeza bicolor)、繡線菊(Spiraea salicifolia L.)、寬葉苔草(Carex siderosticta)等為主。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

試驗(yàn)地選擇在重慶四面山張家山秦家溝林區(qū),根據(jù)初植密度以及生長時間選取5種人工林作為研究對象,選取的人工林具有較好的代表性。各林地標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1。

表1 5種樣地基本情況Tab.1 Basic situation of plots in five kinds of plantations

2.2 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置樣地5個,各樣地面積均為40 m×40 m。標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查主要包括喬木種類、郁閉度等指標(biāo),林冠郁閉度采用樣線法測定,每個樣地沿對角線等距離設(shè)置5個2 m×2 m的灌木樣方,同樣的方式設(shè)置5個草本樣方,記錄灌木和草本植物的種類、高度、蓋度和株數(shù)等指標(biāo)。

2.3 土壤物理性質(zhì)測定

在5個樣地內(nèi)沿對角線等距離選取3個樣本采集點(diǎn),每個采集點(diǎn)開挖深度60 cm的土壤剖面,將開挖的剖面分為3層進(jìn)行取樣,每層厚度20 cm。樣本采集為環(huán)刀法取樣,每層取2個土樣作為對照,同時采回土壤樣本測定土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)。采用烘箱烘干法測定土壤含水量,用環(huán)刀法測定土壤密度、毛管孔隙度和總孔隙度等土壤物理參數(shù)。

2.4 土壤入滲實(shí)驗(yàn)

采用雙環(huán)入滲法測定不同林分土壤入滲速率,包括土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率。實(shí)驗(yàn)操作時,將高度均為25 cm、直徑為10.5 cm和22 cm的內(nèi)外雙環(huán)測滲筒打進(jìn)土壤內(nèi)深度約5 cm處,實(shí)驗(yàn)過程中保持內(nèi)外環(huán)均勻供水,現(xiàn)場記錄相同的水分入滲量所用的時間,入滲速率不再發(fā)生變化時結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2.5 土壤水分入滲模擬

研究土壤水分入滲過程的模型有很多,現(xiàn)在普遍用到的是考斯加科夫模型(Kostiakov)、菲利普模型(Philip)和霍頓模型(Horton)[9]等。

1)考斯加科夫模型

式中:i為入滲速率,mm/min;t為入滲時間,min;M與n為擬合參數(shù)。

2)菲利普模型

式中s和A為與入滲特性相關(guān)的擬合參數(shù)。

3)霍頓模型

式中:i0為初滲速率,mm/min;ic為穩(wěn)滲速率,mm/min;k為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

2.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

所用數(shù)據(jù)來源于2008與2013年實(shí)驗(yàn)實(shí)測。首先將2013年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,得出土壤物理性狀、儲水特性的指標(biāo)值、土壤水分入滲速率指標(biāo)值及入滲模型的各類參數(shù)值,分析所得數(shù)據(jù);其次將2年的土壤儲水量、入滲速率以及適用入滲模型的相關(guān)系數(shù)再進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤孔隙與儲水特征

3.1.1 2013年土壤孔隙與儲水特征 將2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,所得每層的土壤孔隙度、土壤密度和土壤儲水量見表2?？梢钥闯?隨著土層深度的增加,土壤密度呈現(xiàn)增大的趨勢。這是由于不同林分枯落物儲量、分解狀況以及根系發(fā)育分布情況的不同造成的土壤物理性狀的差異。此結(jié)果與王云琦等[3]、王偉等[10]的土壤入滲研究的結(jié)果是一致的。5種林地的土壤儲水量都以毛管儲水量為主,所占飽和儲水量比例均超過了73%,非毛管孔隙使土壤水快速下滲形成的非毛管儲水量所占比例較小。

由表2可知,不同林地孔隙狀況不同,造成林地土壤儲水量的差異?；旖涣值娘柡蛢λ烤哂谏寄炯兞?5種人工林土壤飽和儲水量的大小順序?yàn)镽4＞R3＞R5＞R2＞R1,5種人工林中 R4、R3、R5飽和儲水量明顯高于R1。說明闊葉混交林與針闊混交林比單一林種林地有較強(qiáng)的持水能力。針葉混交林因枯落物儲量較小且葉片難以分解,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,團(tuán)聚體含量較低,對土壤的儲水能力改善效果不明顯。

4種人工混交林毛管儲水量均高于杉木純林,R3的毛管儲水量最高,為 878.76 mm,R3、R4、R2、R5相較 R1分別高36.94%、24.76%、15.24%和6.60%。這表明毛管儲水量最高的R3將下滲的部分水分在土壤中儲存起來的能力是最好的,能夠很好地滯緩地表徑流峰值,具有較好的土壤持水能力。

5種人工林中,R4土壤非毛管儲水量最大為265.58 mm,R2的土壤非毛管儲水量最低僅為111.60 mm,其中R3、R5的非毛管儲水量較明顯大于R1、R2。這表明闊葉混交林、針闊混交林能夠更快的將土壤水分下滲,闊葉混交林、針闊混交林淺層土壤質(zhì)地疏松,枯落物的分解能力更強(qiáng),有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,利于團(tuán)聚體的形成和根系的發(fā)育,有利于土壤的非毛管孔隙的形成,可以較好地使土壤水分下滲。

3.1.2 2008與2013年土壤儲水量對比 不同人工林60 cm土壤儲水量對比結(jié)果見圖1?？梢?2013年R1的土壤飽和儲水量較2008年有所減小,2013年R2、R3、R4、R5的土壤飽和儲水量較2008年均有提高。2013年R1較2008年減小11.76%,2013年R2、R3、R4、R5比2008年分別提高了19.24%、11.94%、17.98%和7.53%。根據(jù)樣地調(diào)查發(fā)現(xiàn),R1有過較大面積的間伐,間伐導(dǎo)致了林地儲水量的降低,其他4種林地的數(shù)據(jù)充分表明人工林生長期間對林地儲水能力有較好的改善作用。由圖1可以看出,2013年5種人工林的儲水能力的大小順序與2008年儲水能力大小順序基本相同,混交林的儲水量增加幅度都較大,R3與R4的土壤飽和儲水量在2008與2013年中均高于其他3種林地。說明R4和R3的土壤儲水能力最好,涵養(yǎng)水源的效果最佳。

表2 2013年土壤分層物理性狀及儲水特征Tab.2 Stratification of the soil physical properties and water storage characteristics in 2013

圖1 2008與2013年不同人工林60 cm土壤儲水量對比Fig.1 Comparison of soil water storage at 60 cm depth in different plantations in 2008 and 2013

3.2 土壤水分入滲特征

3.2.1 2013年土壤水分入滲特征 2013年不同林地土壤水分入滲速率見表3?？芍?5種人工林的初滲速率的大小順序是R5＞R3＞R2＞R4＞R1,造成初滲速率不同的主要原因是因?yàn)榉敲芸紫抖劝l(fā)育的不同,地下分布的根系以及微生物的活動形成的非毛管孔隙能使入滲初期的水分快速下滲。穩(wěn)滲速率的大小順序?yàn)镽5＞R4＞R3＞R2＞R1,平均入滲速率大小順序是R5＞R3＞R4＞R2＞R1。由此可以看出,R3、R4、R5等針闊、闊葉混交林的土壤水分入滲性能明顯優(yōu)于針葉林。說明闊葉林能夠較快速地使地表水下滲,林地具有更好的儲存水的能力,這樣能夠更好地調(diào)節(jié)徑流和涵養(yǎng)水源。

表3 不同林地土壤水分入滲速率Tab.3 Soil water infiltration rate in different kinds of plantations

3.2.2 2008與2013年土壤入滲速率對比 2年土壤水分入滲速率對比結(jié)果見圖2?？芍?2008與2013年5種人工林的土壤水分入滲速率大小順序基本保持一致,2013年的土壤水分初滲速率明顯大于2008年的初滲速率,其中R1較2008年增加了52.8%,R2、R3、R4和 R5分別增加了 115.8%、51.1%、15.9%和49.9%。對比2013與2008年5種人工林的穩(wěn)滲速率大小,發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)明顯變化。對比平均入滲速率可以發(fā)現(xiàn),除2013年R1比2008年有所減小外,其他林地都有不同程度的提高。通過對3種入滲速率的對比,說明5種人工林生長期間對土壤改良都起到了一定作用,都可以直接積極作用于土壤水分的入滲,尤其是木荷+石櫟闊葉混交林、木荷+杉木+馬尾松針闊混交林的改良效果最優(yōu)。

圖2 2008與2013年不同人工林土壤水分入滲速率對比Fig.2 Comparison of soil water infiltration rate in different kinds of plantation in 2008 and 2013

表4 5種林地土壤入滲模型參數(shù)與相關(guān)系數(shù)Tab.4 Parameters of soil water infiltration model for five kinds of plantations and the correlation coefficient_________

3.3 土壤水分入滲過程模擬

Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型是常用的模擬土壤水分入滲過程的模型,通過分析水分入滲數(shù)據(jù)可以得到土壤滲透模型的相關(guān)參數(shù)。將2013年土壤入滲數(shù)據(jù)代入3種入滲模型,求得的各類參數(shù)見表4。由相關(guān)系數(shù)R的大小可以看出,3種滲透模型中,Horton模型的相關(guān)系數(shù)平均值為0.951,在3種入滲模型中最大,可以判斷Horton模型對實(shí)測的入滲過程擬合程度最高。說明Horton模型的模擬更貼近本研究中土壤水分實(shí)際的入滲過程。這與王玉杰等[11]在重慶縉云山入滲適用模型研究的結(jié)果是相同的,這個結(jié)果對重慶地區(qū)的入滲適用模型可以提供一定的理論支撐。

將2008年土壤入滲數(shù)據(jù)代入3種入滲模型,得出3種入滲模型相關(guān)系數(shù),其中Kostiakov模型相關(guān)系數(shù)平均值為0.933,Philip模型相關(guān)系數(shù)平均值為0.841,Horton模型相關(guān)系數(shù)平均值最大為0.950,表明Horton模型對實(shí)測的入滲過程擬合的程度最高。對于2008和2013年的土壤水分入滲過程模擬,Horton模型的模擬效果都最接近實(shí)際的入滲過程。

4 結(jié)論

1)重慶四面山4種混交人工林土壤飽和儲水量都高于杉木純林,5種林地的儲水量均以毛管吸持水為主,5種林地均能較好地儲存土壤水;闊葉混交林使土壤水下滲形成滯留水的能力最強(qiáng);針闊混交林吸持下滲到土壤中的水分能力最強(qiáng);5種林地2013年的土壤飽和儲水量與2008年的飽和儲水量對比,除杉木純林飽和儲水量減小以外,其他4種林地飽和儲水量均有不同程度提高。

2)與2008年相比,2013年5種林地的土壤水分初滲速率都有較大的提高,人工林的生長對林地土壤有較好的改良作用,具體表現(xiàn)為改良土壤質(zhì)地、增加土壤孔隙度、增加土壤水分入滲速率、調(diào)節(jié)地表產(chǎn)流情況;5種人工林的土壤水分穩(wěn)滲率2013與2008年對比沒有出現(xiàn)明顯變化。

3)從土壤儲水和入滲性能來看,針闊混交林的水分涵養(yǎng)及調(diào)節(jié)作用優(yōu)于其他林分,其次是闊葉混交林和針葉混交林,針葉純林最差。

4)在重慶四面山地區(qū),Horton模型比Kostiakov模型及Philip模型模擬土壤水分入滲過程的效果更好,Horton模型有更好的適用性。

5)在重慶四面山地區(qū),如果沒有人為因素的影響,那么林地對土壤性質(zhì)的改良及對森林水文效應(yīng)的影響是有益的。