陳家林, 孔玉華, 裴 丙, 付夢(mèng)瑤, 郭二輝, 楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 鄭州 450002)

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太行山低山丘陵區(qū)不同植被類型土壤滲透特性及影響因素

陳家林, 孔玉華, 裴 丙, 付夢(mèng)瑤, 郭二輝, 楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 鄭州 450002)

為了探討太行山低山丘陵區(qū)不同植被恢復(fù)類型土壤水分入滲規(guī)律及影響因素，采用雙環(huán)刀入滲法和相關(guān)分析、典型相關(guān)分析方法，研究了該區(qū)域不同植被群落表層土壤的入滲特性，對(duì)土壤入滲過(guò)程進(jìn)行模擬，并深入探討了土壤入滲的影響因素。結(jié)果表明：(1) 從裸地、草地、灌草地、灌叢到喬灌林地，土壤滲透性能不斷增加；不同植被類型0—10 cm層土壤滲透速率大于10—20 cm層土壤滲透速率；土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率最大值均出現(xiàn)在側(cè)柏林地，分別為5.96 mm/min和4.76 mm/min。(2) 土壤入滲模型擬合結(jié)果表明Philip入滲模型對(duì)不同植被類型土壤入滲過(guò)程擬合效果最好，Kostiakov入滲模型擬合效果次之，Horton入滲模型擬合效果最差，不適合用于描述該區(qū)域土壤入滲特征。(3) 土壤滲透特性指標(biāo)與土壤容重、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根質(zhì)量密度、根體積密度、根平均直徑存在顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)；土壤理化性質(zhì)指標(biāo)和根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)中對(duì)土壤滲透性能產(chǎn)生影響作用最大的分別是總孔隙度和根平均直徑，典型相關(guān)負(fù)荷量分別為1.299，1.084。

土壤入滲; 植被類型; 土壤理化性質(zhì); 根系結(jié)構(gòu)

土壤水分入滲過(guò)程和滲透性能影響著土壤對(duì)水分傳輸及再分配能力，進(jìn)而對(duì)坡面地表徑流和土壤水分產(chǎn)生重要影響，是植被恢復(fù)過(guò)程中水文效應(yīng)研究的重要指標(biāo)[1-4]，土壤的滲透性能越好，地表徑流就越少，土壤的侵蝕量也會(huì)相應(yīng)地減少。土壤水分入滲規(guī)律探討是明確地表徑流產(chǎn)生機(jī)制的前提和基礎(chǔ)[5]，對(duì)水土流失防控及土壤侵蝕防治具有重要意義。不同植被類型由于物種組成、生物學(xué)特性和空間結(jié)構(gòu)的不同，其土壤水文效應(yīng)存在較大差異[6]，從而也反映出不同植被對(duì)土壤理化性狀的改良效果及不同生境下土壤層蓄水能力[7]。目前，關(guān)于不同植被類型土壤滲透性能的研究涉及紫色土區(qū)、黃土丘陵區(qū)等多種典型研究區(qū)[8-13]，結(jié)果具有明顯的地域特征且部分研究?jī)H僅止步于不同植被類型下土壤滲透性能差異性的層面，對(duì)土壤入滲的影響因素及影響機(jī)理探討較少。已有的影響因素研究中多涉及土壤質(zhì)地、土壤理化性質(zhì)、下墊面性質(zhì)等直接或間接因素[14-16]，較少探討根系結(jié)構(gòu)對(duì)土壤滲透特性的影響。影響因素的分析方法中，相關(guān)分析和主成分分析較為常見(jiàn)，鮮少應(yīng)用典型相關(guān)分析法。

河南太行山低山丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，水土流失十分嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)幾十年的生態(tài)重建，當(dāng)?shù)厝斯ぶ脖缓妥匀恢脖欢嫉玫搅艘欢ǔ潭鹊幕謴?fù)，同時(shí)，植被群落表層土壤入滲性能也隨之發(fā)生了改變。了解該區(qū)域植被恢復(fù)過(guò)程中土壤入滲性能變化及其演變機(jī)理，有助于在今后植被恢復(fù)工作中實(shí)施正向干擾，加快生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程。本文以該區(qū)域典型草本、灌木和喬木植物群落為研究對(duì)象，裸地作為參照，對(duì)不同植被類型土壤入滲特征及過(guò)程進(jìn)行研究，構(gòu)建土壤入滲模型，同時(shí)深入探討土壤理化性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)對(duì)土壤滲透性能的影響作用，為該地區(qū)植被恢復(fù)及水土流失防控等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省濟(jì)源市境內(nèi)，隸屬于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)的黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°01′N(xiāo)，112°28′E)，平均海拔410 m。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.1℃，全年日照時(shí)數(shù)為2 367.7 h，年平均降水量641.7 mm，降水分布不均勻，多集中在6—9月，占全年降雨量的68.3%。研究區(qū)土壤主要為在花崗片麻巖的土壤母質(zhì)上發(fā)育而來(lái)的山地褐土，有效土壤厚度較薄且保肥保水能力差。研究區(qū)植被包括人工純林及闊葉林破壞后自然形成的次生灌草叢。喬木代表性樹(shù)種有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和栓皮櫟(Quercusvariabilis)等。天然植被灌木組成種類主要有：酸棗(Ziziphusjujube)、荊條(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。草本主要有：藎草(Arthraxonhispidus)，茵陳篙(Artemisiacapillaries)、狗尾草(Setariaviridis)、野艾篙(Artemisialavandulaefolia)等。

2　材料與方法

2.1樣地選擇

依據(jù)研究區(qū)域植被特征，選擇坡度、坡向、坡位基本一致的不同植被類型的樣地：草地，酸棗灌叢，荊條灌叢，喬木林地，以裸地為對(duì)照，每種植被類型各選擇3個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，共設(shè)置15個(gè)樣地，各樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1　樣地基本情況

注:CK，CD，SZ，JT，CB分別表示裸地、草地、酸棗樣地、荊條樣地和側(cè)柏樣地，文中下同。

2.2樣品采集及分析

2015年7月，在每個(gè)樣地中選擇具有代表性的樣點(diǎn)，清理地表凋落物后，隨機(jī)挖掘3個(gè)土壤剖面，用環(huán)刀(直徑50.46 mm×高50 mm)分兩層(0—10 cm，10—20 cm)取原狀土樣，每個(gè)剖面取2組土樣，1組用于測(cè)定土壤入滲性能，1組用于測(cè)定土壤容重等物理性質(zhì)；同時(shí)，采用S形布點(diǎn)分兩層采集土壤混合樣品用于化學(xué)性質(zhì)測(cè)定；在每個(gè)樣地中選擇位于4株林木的對(duì)角地帶的代表樣點(diǎn)3個(gè)，去除地表凋落物，采用大環(huán)刀(直徑750 mm×高100 mm)分層挖取含根系的土壤樣柱，篩分后測(cè)定根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)。

土壤滲透特性(初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、前30 min累計(jì)入滲量)的測(cè)定采用雙環(huán)入滲法[11,17]；土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。土壤樣柱中的根系經(jīng)篩分清洗后，采用WINRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)定根體積密度、根表面積密度等指標(biāo)，再將根系于70℃恒溫下烘干48 h后稱重測(cè)定生物量。不同植被類型各土層土壤理化性質(zhì)及根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)見(jiàn)表2。

2.3土壤入滲模型

建立土壤入滲模型是研究土壤入滲的有效方法，有關(guān)土壤入滲模型有多種，結(jié)合研究實(shí)際，選取以下3個(gè)模型對(duì)不同植被類型土壤入滲特征進(jìn)行模擬。

(1) Kostiakov 入滲模型

f(t)=at-b

式中:f(t)為土壤入滲速率(mm/min)；t為入滲時(shí)間(min)；a，b為擬合參數(shù)。

(2) Philip入滲模型

f(t)=1/2St-1/2+A式中：A為穩(wěn)定入滲速率(mm/min)；S為土壤吸水率。

(3) Horton入滲模型

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt式中：fc，f0，k分別表示穩(wěn)定入滲率、初始入滲率、常數(shù)。

2.4數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同植被類型土壤性質(zhì)是否有顯著差異(α=0.05)。當(dāng)差異性顯著時(shí)，采取Turkey距離進(jìn)行多重比較。單因素方差分析和典型相關(guān)分析均通過(guò)SPSS 19.0軟件實(shí)現(xiàn)；采用Microsoft Excel進(jìn)行圖表繪制。

表2　不同植被類型土壤理化性質(zhì)及根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)

注:同列不同字母表示差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

3　結(jié)果與分析

3.1不同植被類型土壤入滲特征

3.1.1土壤入滲特征 土壤滲透性對(duì)地表徑流量的大小和速率具有直接調(diào)控作用，同時(shí)也對(duì)土壤侵蝕和化學(xué)物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)等過(guò)程產(chǎn)生重要影響，是土壤水文生態(tài)功能的重要體現(xiàn)，也是土壤抗侵蝕能力的度量標(biāo)準(zhǔn)[18-19]。不同植被類型各土層初滲速率(前6 min)、穩(wěn)滲速率和前30 min滲透量見(jiàn)表3，各植被類型不同時(shí)刻滲透速率見(jiàn)圖1。

表3　不同植被類型土壤的滲透特性

注:同列不同字母表示差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

由表3，圖1可以看出，不同植被類型土壤滲透速率具有相同的變化趨勢(shì)，初期滲透速率較高，隨著入滲時(shí)間的推移滲透速率逐漸下降，最終達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)，土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率最大值均出現(xiàn)在側(cè)柏樣地，分別為5.96 mm/min，4.76 mm/min。各植被類型土壤0—10 cm層土壤滲透速率大于10—20 cm層土壤滲透速率。不同植被類型的土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率和前30 min入滲量均有較大差異。不同土層土壤的初滲速率在不同植被類型中均呈現(xiàn)側(cè)柏>荊條>酸棗>草地>裸地的趨勢(shì)，表明植被恢復(fù)可改良土壤的入滲性能。除了酸棗樣地0—10 cm層土壤穩(wěn)滲速率大于荊條樣地土壤穩(wěn)滲速率外，其他樣地土壤穩(wěn)滲速率表現(xiàn)出與土壤初滲速率相同的趨勢(shì)。然而，酸棗樣地10—20 cm層土壤的穩(wěn)滲速率卻小于荊條樣地，這可能是由于灌草植被只改善了表層土壤的滲透條件，而對(duì)于較深層次的土壤改良作用沒(méi)有灌叢植被明顯。

3.1.2土壤入滲過(guò)程擬合土壤水分入滲是一個(gè)十分復(fù)雜的水文過(guò)程，土壤入滲過(guò)程模擬是研究這一物理過(guò)程的重要途徑。對(duì)不同植被類型、不同土層土壤的滲透數(shù)據(jù)依照選定的入滲模型進(jìn)行過(guò)程模擬，得到結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，Philip入滲模型的R2值(0.830)最大，表明模型擬合值與本研究相應(yīng)實(shí)測(cè)值之間的擬合程度較高，對(duì)不同植被類型土壤入滲過(guò)程擬合效果最好，Kostiakov入滲模型擬合效果次之，Horton入滲模型擬合效果最差，不適合用于描述該區(qū)域土壤入滲特征。

圖1　不同植被類型土壤滲透過(guò)程曲線

表4　不同植被類型土壤入滲模式擬合結(jié)果

Kostiakov入滲模型中的參數(shù)a代表一個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均入滲速率，b值的大小則反映土壤入滲速率遞減狀況，其值越大，表明入滲速率隨時(shí)間遞減的越快[20]。表4中，參數(shù)a的值在不同植被類型中，均表現(xiàn)出0—10 cm層大于10—20 cm層；同時(shí)，同一土層中，參數(shù)a變化規(guī)律與前文中不同植被類型土壤入滲特性相吻合。不同土層參數(shù)b最大值均出現(xiàn)在裸地，說(shuō)明裸地土壤入滲速率隨時(shí)間減少最快。

Philip入滲模型中的參數(shù)S是表征土壤入滲性能的有效指標(biāo)，其值越大，則反映出的土壤入滲速率越大。表4中，除酸棗樣地外，其他樣地0—10 cm層土壤入滲能力均大于10—20 cm層，與實(shí)際測(cè)定得到的土壤入滲性能一致，也表明Philip入滲模型在本研究中具有較高的適配性。不同植被類型中，側(cè)柏林地的土壤入滲能力最強(qiáng)，2個(gè)土層的S值均為最大，分別為5.817，0.742。

3.2土壤入滲性能影響因素

3.2.1土壤入滲性能影響因素相關(guān)分析為探討土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系，研究選取土壤理化性質(zhì)指標(biāo)：土壤容重(X1)、毛管孔隙度(X2)、非毛管孔隙度(X3)、總孔隙度(X4)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X5)，根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)：根質(zhì)量密度(X6)、根長(zhǎng)密度(X7)、根表面積密度(X8)、根體積密度(X9)、根平均直徑(X10)，表征土壤入滲性能指標(biāo)：初滲速率(X11)、穩(wěn)滲速率(X12)和前30 min入滲量(X13)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果詳見(jiàn)表5。

注:**表示在p<0.01水平上顯著相關(guān)，*表示在p<0.05水平上顯著相關(guān)。

由表5可知，除理化性質(zhì)指標(biāo)中土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及根系結(jié)構(gòu)中根長(zhǎng)密度、根表面積密度外，其余指標(biāo)均與土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率和前30 min入滲量存在顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)的的相關(guān)關(guān)系。土壤容重、總孔隙度是土壤疏松程度的重要度量，土壤容重越小，總孔隙度越大，土壤就越松散，滲透性能越強(qiáng)，這可能就是土壤容重與3個(gè)土壤滲透性能指標(biāo)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系而土壤孔隙度與滲透性能存在正相關(guān)關(guān)系的原因。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表征土壤入滲性能的三個(gè)指標(biāo)間均存在極顯著(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，則相應(yīng)土壤的入滲性能就越好，這與大多數(shù)的研究結(jié)果相一致[21-22]。土壤有機(jī)質(zhì)并不會(huì)直接影響土壤入滲性能，主要是靠土壤有機(jī)質(zhì)改變土壤團(tuán)聚體、促進(jìn)孔隙度的形成來(lái)間接發(fā)揮效用的[23]。

根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)中根質(zhì)量密度、根體積密度和根平均直徑均與土壤入滲性能存在顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)的相關(guān)關(guān)系。植物根系與地上組織在地表連接處形成微型擋土柵可以阻止土壤顆粒搬運(yùn)，同時(shí)受阻沉積的土壤在地表形成微型濾水土體[24]，能有效增加地表徑流入滲，直接增強(qiáng)土壤滲透性能；另外，由于根系的穿插、網(wǎng)絡(luò)及固結(jié)作用，能將土壤單粒粘結(jié)起來(lái)，改善了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和孔隙性[25]，間接提高土壤入滲速率。

3.2.2土壤入滲性能及其影響因素的典型相關(guān)分析從土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)分析中，僅僅得到土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)中的某些指標(biāo)之間存在相關(guān)關(guān)系，缺乏詳盡的定量描述。因此，本研究采用典型相關(guān)分析方法對(duì)土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系進(jìn)行探討，結(jié)果詳見(jiàn)表6。

從表6可知，3個(gè)典型變量組的典型相關(guān)系數(shù)分別為0.872，0.981，0.922，卡方檢驗(yàn)表明，土壤理化性質(zhì)與根系結(jié)構(gòu)兩者的典型相關(guān)關(guān)系顯著(p<0.05)，而土壤滲透特征與土壤理化性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)之間的典型相關(guān)關(guān)系呈極顯著水平(p<0.01)。

表6　土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)、土壤滲透性能典型相關(guān)分析結(jié)果

從土壤理化性質(zhì)與根系結(jié)構(gòu)典型相關(guān)變量負(fù)荷系數(shù)可知，對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響作用最大的根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)為根體積密度，負(fù)荷系數(shù)絕對(duì)值為2.644；對(duì)根系結(jié)構(gòu)影響最大的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)為土壤容重，負(fù)荷系數(shù)絕對(duì)值為1.790。土壤理化性質(zhì)與土壤滲透性能之間的典型相關(guān)變量負(fù)荷系數(shù)結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)指標(biāo)對(duì)土壤滲透特性影響作用大小依次為總孔隙度(1.299)>非毛管孔隙度(1.078)>有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.996)>毛管孔隙度(0.468)>土壤容重(0.415)，而對(duì)土壤理化性質(zhì)影響作用最大的是前30 min入滲量(10.737)；根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤滲透性能的典型相關(guān)關(guān)系反映出，根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)土壤滲透特性影響作用呈現(xiàn)出根平均直徑(1.084)>根表面積密度(0.384)>根體積密度(0.269)>根長(zhǎng)密度(0.125)>根質(zhì)量密度(0.037)的趨勢(shì)，土壤滲透性能指標(biāo)中前30 min入滲量(12.918)和穩(wěn)滲速率(9.404)則對(duì)根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)產(chǎn)生重要影響。

4　結(jié) 論

(1) 不同植被類型土壤滲透性能存在較大差異。相較于裸地，不同植被類型下土壤入滲性能均得到了不同程度提高。植被恢復(fù)過(guò)程中，喬灌植被的土壤入滲性能最好，土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率最大值分別為5.96 mm/min和4.76 mm/min。各植被類型中，土壤0—10 cm層土壤滲透速率均大于10—20 cm層土壤滲透速率。土壤入滲模型擬合結(jié)果表明Philip入滲模型對(duì)不同植被類型土壤入滲過(guò)程擬合效果最好，Kostiakov入滲模型擬合效果次之，Horton入滲模型擬合效果最差，不適合用于描述該區(qū)域土壤入滲特征。

(2) 表征土壤入滲性能的三個(gè)指標(biāo)均與根質(zhì)量密度、根體積密度存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根平均直徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。土壤容重與穩(wěn)滲速率之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與初滲速率和前30 min入滲量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

(3) 土壤入滲性能、土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)三者典型相關(guān)分析表明對(duì)土壤滲透能力影響最大的土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)分別是總孔隙度、根平均直徑，變量組負(fù)荷系數(shù)值分別為1.299，1.084。

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Characteristics and Influencing Factors of Soil Infiltration Under Different Vegetation Types in Hilly Region of Taihang Mountains

CHEN Jialin, KONG Yuhua, PEI Bing, FU Mengyao, GUO Erhui,YANG Xitian

(CollegeofForestry,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

To analyze characteristics and influencing factors of soil infiltration under different vegetation types in hilly region of Taihang Mountains, soil infiltration processes of different vegetation types were simulated to examine their characteristics and their influencing factors were also explored through double-ring method, correlation analysis and canonical correlation analysis. The results showed that: (1) soil infiltration capability increased in the order: bare-land

soil infiltration; vegetation restoration types; soil physical and chemical properties; root structure

2015-12-30

2016-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(31570613,41401206,41501331)

陳家林(1990—),男,河南南召人,碩士研究生,研究方向:水土保持與荒漠化治理。E-mail:chen1jia2lin@126.com

楊喜田(1965—),男,河南長(zhǎng)垣人,博士,教授,研究方向:水土保持與生態(tài)恢復(fù)。E-mail:xitianyang@aliyun.com

S714.7

A

1005-3409(2016)04-0060-06