劉千紅，彭益軍，張 劍，羅定貴

(1.廣州市地質調查院，廣東 廣州510440;2廣州大學環(huán)境科學與工程學院，廣東 廣州510006)

土壤滲透能力是反映森林土壤水源涵養(yǎng)、理水調洪功能的重要指標[1－2]，多年來一直是土壤侵蝕與水資源分布研究的熱點。目前，國內外學者對土壤滲透性研究結果表明，土壤滲透性主要與植被類型、土壤結構、土壤質地、孔隙度、含水量、有機質含量、土壤養(yǎng)分含量、降雨強度等因子關系密切[3－5];植被類型不同，土壤滲透性不同，闊葉混交林滲透性極強，并好于松林和灌叢林，人工純林較差，裸露地最差[6];滲透性主要取決于土壤孔隙的數(shù)量和大小，特別是非毛管孔隙度[7]等等。

帽峰山位于廣州市東北部，坐落于白云區(qū)太和鎮(zhèn)與良田鎮(zhèn)交界處，是廣州市老八區(qū)的最高峰，森林覆蓋率大于95%，是廣州市的天然生態(tài)屏障，也是廣州市優(yōu)質礦泉水重要分布區(qū)，被國內礦泉水專家稱為‘軟黃金帶’，在涵養(yǎng)水源、保持水土、調節(jié)氣候、改善空氣質量等方面具有不可替代的作用。近年來，該地區(qū)森林植被得到了有效保護，森林生態(tài)功能有了顯著提高，但尚缺乏對森林恢復演替過程中不同森林類型土壤滲透性及變化趨勢的研究。

為此，以帽峰山典型小流域主要森林類型為對象，對不同林分下土壤滲透性以及理化性質進行調查與分析，探討森林更新演替過程中土壤滲透性及其主要影響因子，構建土壤滲透性與理化性質的線性回歸方程，為森林的持續(xù)經(jīng)營與最大程度發(fā)揮水源涵養(yǎng)和防治水土流失等有益的生態(tài)環(huán)境效益提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市帽峰山典型小流域地理位置為東經(jīng)113°22'5″～113°29'32″，北緯 23°16'9″～ 23°19'26″。距離廣州 市中心25 km，海拔最高為300 m，以低山為主;土壤類型以赤紅壤為主，成土母巖主要為花崗巖，含少量砂頁巖。土層厚度較深，平均超過1 m，有機質含量較高。土壤pH值為4.7～6.0，偏酸性;植被類型主要為南亞熱帶季風常綠闊葉林，主要有青岡林、竹林(毛竹與鳳尾竹)、桉樹林等;該地區(qū)屬南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫21.8℃，年平均降水量1 700 mm，降水集中分布在4－9月，占80%以上;年平均濕度為76% ，年日照時數(shù)為 1 820 h[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 布置采樣點與樣品采集

典型小流域主要森林類型有青岡林、毛竹、鳳尾竹、桉樹林，分布面積分別約為82%、3%、5%、10%。青岡林分布最廣，整個山坡均有分布，毛竹林主要分布在山坡下部的溪流邊附近，鳳尾竹林主要分布在山坡中、下部，桉樹林主要分布在山坡中、上部。分別對每種林地類型布置采樣點，青岡、毛竹、鳳尾竹、桉樹林地分別布置6、1、2、2個采樣點，每個采樣點取三個重復。剖面采樣方法:分0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三段，用環(huán)刀(200 cm3)采樣，送回室內分析土壤滲透系數(shù)、粒度組成、濕度、干容重、孔隙度以及根系平均直徑與密度。

1.2.2 土壤滲透性測定

采用改進環(huán)刀法測定土壤滲透系數(shù)，具體步驟為:

(1)在室外用環(huán)刀取原狀土樣，帶回室內浸入水中，浸泡8～12 h。浸水時要保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面。

(2)在預定時間將環(huán)刀取出，除去蓋子，在上面接上一個專用的透明白色塑料圓筒(接口處先用膠布封好，再用熔蠟粘合，嚴防從接口處漏水)，一面與供水瓶相連，另一面設有一個溢水口，目的是保持水位穩(wěn)定在溢水口的連續(xù)穩(wěn)定供水。然后將接合的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下面用100 ml燒杯承接滲出水。

(3)開啟供水瓶，向環(huán)刀上面的塑料圓筒穩(wěn)定供水，水層厚約5 cm。

(4)加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時用秒表計時，每隔5 min更換漏斗下的燒杯，并分別用100 ml或10 ml量筒計量滲出水量 Q1、Q2、Q3……Qn。

(5)實驗持續(xù)到單位時間出水量穩(wěn)定為止，一般持續(xù)時間約1 h左右。

(6)滲透系數(shù)計算

K=L/L+H×v

式中:K為滲透系數(shù)，m/s;L為環(huán)刀高度，m;H為環(huán)刀上水柱高度，m;v為土壤水流速，m/s;v=Q/S;Q為穩(wěn)定流量，m3/s，S為環(huán)刀截面積。

此外，根系平均直徑與密度的測定:利用測量完滲透系數(shù)的環(huán)刀中土樣，將其導入篩網(wǎng)上，用水沖洗，去掉泥土，然后人工統(tǒng)計根系平均直徑與數(shù)量。

1.2.3 滲透系數(shù)影響因子分析方法

(1)通過剖面三段樣品滲透系數(shù)測定結果的對比分析，說明剖面滲透系數(shù)的變化特征;

(2)采用相關分析與回歸分析方法研究滲透系數(shù)與孔隙度、干容重以及根系特征之間的關系。

2 結果與分析

2.1 土壤粒度分析與滲透性檢測結果

經(jīng)過檢測與統(tǒng)計整理得到各種主要森林土壤類型粒度組成見表1，滲透性及相關因子檢測結果見表2。

2.2 結果分析

2.2.1 剖面滲透性變化特點

(1)從表2、圖1中可見，各種林地類型土壤滲透系數(shù)在剖面上均表現(xiàn)出從上到下遞減的特點，毛竹、青岡、鳳尾竹、桉樹林的土壤剖面滲透系數(shù)變化范圍分別為為13.64～4.91、10.4 ～3.63、8.16 ～2.96、7.92 ～3.71 m/d。毛竹林表層土壤滲透性最大，其次為青岡林，鳳尾竹與桉樹林均在10 m/d以下。

表1 主要森林土壤類型粒度組成分析結果

圖1 主要森林土壤類型剖面滲透性

表2 主要森林土壤類型滲透性及相關因子分析結果

(2)剖面上，0～20 cm表土層與20～40、40～60 cm下部兩土層滲透系數(shù)差異較大，下部兩層滲透系數(shù)差異較小，因此，可將下部兩土層概化為一層，這樣土壤滲透性剖面劃分為兩個亞層，亞層滲透性統(tǒng)計結果見表1。下部亞層各種林地類型土壤滲透性差異不大，變化范圍為5.74～4.20 m/d。上部亞層滲透系數(shù)是下部亞層的1.89～2.42倍。

(3)按照面積加權平均方法統(tǒng)計得到典型小流域土壤滲透性平均變化特征，結果見表2，表層20 cm土層滲透性為10.21 m/d，下部亞層土層滲透性為 4.36 m/d。

2.2.2 土層滲透性與相關因子關系分析

采用相關分析方法計算得到土層滲透系數(shù)與孔隙度、干容重、根密度、根徑之間的相關系數(shù)，結果見表3。

(1)從表3可見，各種林地類型土壤滲透系數(shù)與孔隙度均呈正相關，與干容重呈負相關，與根密度呈正相關，與根徑關系相關性方向具有不確定性。Zhang Jianxin等研究毛竹根系對土壤滲透性影響表明:毛竹的鞭根系統(tǒng)主要集中在0～40 cm土層范圍內，細根生長及分解可以改善土壤的孔隙狀況，提高土壤的入滲性能[9]。

(2)以相關系數(shù)大于 0.9、0.8、0.7、0.7 以下作為衡量相關性很好、較好、一般、不好的標準，則從表中可見:對于毛竹林，孔隙度與滲透系數(shù)相關性很好，干容重、根徑與滲透系數(shù)相關性較好，根密度與滲透系數(shù)相關性不好;對于鳳尾竹林，干容重、根密度、根徑與滲透系數(shù)相關性很好，孔隙度與滲透系數(shù)相關性較好;對于桉樹林，根徑與滲透系數(shù)相關性較好，孔隙度與滲透系數(shù)相關性一般，干容重、根密度與滲透系數(shù)相關性不好;對于青岡林，孔隙度、根密度與滲透系數(shù)相關性很好，干容重與滲透系數(shù)相關性較好，根徑與滲透系數(shù)相關性不好。

總體而言，對于各種林地土壤類型，孔隙度與滲透系數(shù)表現(xiàn)出良好的相關性，沒有出現(xiàn)相關性不好的情況，這與研究區(qū)土壤主要為砂質土，粒徑分布較粗，土壤水主要以毛細水、重力水存在密切相關。

(3)進一步利用回歸分析，建立相關性很好的相關因子與滲透系數(shù)之間的回歸方程，結果見表4。

3 結語

采集帽峰山地區(qū)典型小流域主要林地類型(青岡林、毛竹林、鳳尾竹林、桉樹林)原狀土樣進行滲透系數(shù)及其相關因子實驗研究，結果表明:

1)各種林地類型土壤滲透系數(shù)在剖面上均表現(xiàn)出從上到下遞減的特點，毛竹林表層土壤滲透性最大，其次為青岡林，鳳尾竹與桉樹林均在10 m/d以下。剖面上，0～20 cm表土層與20～40、40～60 cm下部兩土層滲透系數(shù)差異較大，下部兩層滲透系數(shù)差異較小，可將下部兩土層合并為一層。這樣，土壤滲透性剖面可簡化為上、下兩個亞層，上部亞層滲透系數(shù)是下部亞層的1.89～2.42倍。

2)各種林地類型土壤滲透系數(shù)與孔隙度均呈正相關，與干容重呈負相關，與根密度呈正相關，與根徑關系相關性方向具有不確定性。不同林地類型土壤滲透系數(shù)與干容重、根密度、根徑之間的相關程度存在較大差異，但均表現(xiàn)出與孔隙度之間存在良好相關性。

表3 土層滲透性與相關因子關系分析

表4 滲透系數(shù)與相關性很好因子之間回歸方程

土壤滲透性受土壤的質地、結構、化學、生物等多種因素影響，且與測試方法密切相關[10－13]。研究區(qū)特殊地質與森林環(huán)境下土壤滲透性特征目前很少研究，本次在采集原狀樣實驗基礎上研究了主要林地類型土壤滲透性及與孔隙度、干容重、根密度、根徑之間的相關性，是一次新的嘗試，進一步探討滲透系數(shù)與其它全物理、化學以及生物因子之間的關系和機理是下一步努力的方向。

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