陳三雄, 沈 義

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司, 廣州 510610; 2.江蘇泗陽水利建筑安裝工程公司, 江蘇 泗陽 223700)

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黃浦江源頭區(qū)主要植被類型土壤入滲特征及模擬分析

陳三雄1, 沈 義2

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司, 廣州 510610; 2.江蘇泗陽水利建筑安裝工程公司, 江蘇 泗陽 223700)

采用“雙環(huán)法”測定了黃浦江源頭區(qū)不同植被類型土壤滲透過程，并應(yīng)用考斯恰可夫公式、霍頓公式、菲利浦公式和通用經(jīng)驗(yàn)公式4種常用入滲模型進(jìn)行了擬合分析。結(jié)果表明：(1) 落闊林土壤平均滲透率最高，達(dá)828.93 mm/h，分別是松林、草地、茶園、灌木林、毛竹林、常闊林、裸露地的1.27，1.38，1.48，1.48，1.88，2.04，3.76倍；松林、草地、茶園、灌木林之間，灌木林、毛竹林、常闊林之間滲透性差異不顯著；裸露地平均滲透率最低，在5%水平下裸露地平均滲透速率顯著低于落葉闊葉林、松林等林(草)地平均滲透速率。各林地土壤的滲透能力之間有差異，但都要強(qiáng)于裸露地，表明森林植被能有效改善土壤的滲透能力。(2) 對(duì)8種不同樣地土壤的典型入滲過程進(jìn)行擬合的結(jié)果表明，考斯恰可夫公式和菲利浦公式擬合理想，以考斯恰可夫公式擬合最佳，而霍頓公式、通用經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測點(diǎn)擬合較差。

土壤入滲; 入滲模型; 雙環(huán)法; 植被類型

土壤入滲是指降雨落到地面上的雨水從土壤表面滲入土壤形成土壤水的過程，是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵一環(huán)[1]。土壤滲透性是描述土壤入滲快慢的極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一。已有研究表明，在其他條件相同的情況下，徑流對(duì)土壤的侵蝕能力，除流速外，主要取決于地表徑流量的多少，而徑流量的多少與土壤透水性能關(guān)系密切[2-3]。土壤滲透性能越好，地表徑流就會(huì)越少，土壤的流失量也會(huì)相應(yīng)減少。近年來，許多專家建議將“增加土壤入滲、就地?cái)r蓄降雨徑流”作為防治土壤侵蝕的戰(zhàn)略決策[4-5]。因此，土壤對(duì)降水的滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因素之一[6]，是土壤水文效應(yīng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[7]，同時(shí)也是實(shí)施水土保持規(guī)劃時(shí)必須認(rèn)真考慮的因素。

黃浦江是上海重要的水源地，被譽(yù)為上海的“母親河”。黃浦江發(fā)源于浙江省安吉縣龍王山。安吉縣地處浙江省西北部，是一個(gè)自然資源豐富的山區(qū)特色縣，也是我國著名的十大竹鄉(xiāng)之一。本文對(duì)黃浦江源頭區(qū)——浙江省安吉縣主要植被類型土壤滲透性進(jìn)行了研究，以期為當(dāng)?shù)赝寥狼治g防治措施的采取提供可靠依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在浙江省安吉縣。安吉縣地處浙江省西北部，位于東經(jīng)119°53′—119°14′，北緯30°52′—30°23′，總面積1 886 km2，其中丘陵山地940.05 km2，占總面積的49.84%。位于北亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫15℃，極端最高氣溫40.8℃，極端最低氣溫-17.4℃，年平均降雨量1 350 mm，≥10℃的積溫為4 934.1℃，無霜期226 d。安吉屬中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶青岡、苦櫧植被區(qū)，天然植被有青岡、苦櫧常綠闊葉林、馬尾松、針闊混交林、竹林以及灌叢植被。人工植被有國外松林、馬尾松林、杉木、濕地松及經(jīng)濟(jì)林。安吉有林地面積109 875.2 hm2。絕大部分森林分布于低山丘陵地帶，土壤主要是發(fā)育于酸性巖漿巖和沉積巖的紅壤土類。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

試驗(yàn)地位于安吉縣龍王山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，選擇有代表性的植被類型：毛竹林、灌木林、落葉闊葉林(簡稱落闊林)、濕地松、火炬松林(簡稱松林)、青岡—苦櫧常綠闊葉林(簡稱常闊林)、茶園和草地(表1)。每種類型各設(shè)樣地3塊，裸露地設(shè)為對(duì)照。各樣地土壤、氣侯等條件基本一致，所在區(qū)域由于管護(hù)到位，人為干擾少，植被保存較好。

表1 樣地基本情況

2.2 土壤滲透性測定

在各種植被類型樣地內(nèi)選擇典型地段(離道路、橋梁、林緣較遠(yuǎn)，人為干擾較少的地方)，設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，采用“雙環(huán)法”測定土壤滲透性能。雙環(huán)外環(huán)直徑60 cm，內(nèi)環(huán)30 cm。在樣地內(nèi)坡面局部相對(duì)平坦地點(diǎn)(或略加平整，盡可能少擾動(dòng)表層土壤)，用木錘將內(nèi)環(huán)、外環(huán)按照同一圓心打入土中，入土深度10 cm。將測針固定在內(nèi)環(huán)迎光處，以測針針尖為固定標(biāo)志，對(duì)內(nèi)外環(huán)加水，保持內(nèi)外環(huán)水面大致相等。每隔一段時(shí)間間隔觀察內(nèi)環(huán)水位，并加水至針尖，記

錄內(nèi)環(huán)加水量，直至單位時(shí)間內(nèi)加水量趨于穩(wěn)定。

2.3 土壤入滲模型

合適的入滲模型是研究土壤滲透規(guī)律、評(píng)價(jià)森林植被保持水土及涵養(yǎng)水源功能的重要手段。多年來，世界各國學(xué)者對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制和過程進(jìn)行了大量的研究，通過確定某些參數(shù)與土壤特征之間的關(guān)系，建立土壤入滲模型。較為常用的模型有考斯恰可夫(Koctakob)公式、霍頓(Horton)公式、菲利浦(Philip)公式和通用經(jīng)驗(yàn)公式等[8-11]。各模型表達(dá)式及參數(shù)見表2。

表2 4種常用入滲模型一覽表

2.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel，SAS軟件進(jìn)行處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樣地土壤滲透性

各樣地土壤不同時(shí)刻實(shí)測滲透速率見圖1。為探討各樣地土壤滲透速率的差異性，對(duì)各樣地土壤滲透速率進(jìn)行方差分析，在5%水平下，Prob>F概率為0.000 1，表明各樣地土壤滲透性存在顯著差異，這主要是因?yàn)楦鳂拥刂杏绊懲寥罎B透性的主導(dǎo)因素如容重、有機(jī)質(zhì)、總孔隙度有所不同。為進(jìn)一步分析差異來源，進(jìn)行多重比較，結(jié)果見表3。可知，落闊林土壤滲透性與其他7種樣地有顯著差異，落闊林在前180 min內(nèi)的平均滲透速率最高，達(dá)828.93 mm/h，分別是松林、草地、茶園、灌木林、毛竹林、常闊林、裸露地的1.27，1.38，1.48，1.48，1.88，2.04，3.76倍；松林、草地、茶園、灌木林、毛竹林、常闊林在前180 min內(nèi)的平均滲透速率分別為654.13，601.61，560.29，559.78，439.88，405.94 mm/h，松林、草地、茶園、灌木林之間，灌木林、毛竹林、常闊林之間差異不顯著；裸露地在前180 min內(nèi)的平均滲透速率為220.20 mm/h，在5%水平下裸露地平均滲透速率顯著低于落闊林、松林等林(草)地平均滲透速率。

3.2 不同樣地土壤入滲過程的擬合

采用考斯恰可夫(Koctakob)公式、霍頓(Horton)公式、菲利浦(Philip)公式和通用經(jīng)驗(yàn)公式4種入滲模型，

分別對(duì)8種不同土地利用類型土壤的入滲過程利用SAS軟件進(jìn)行擬合分析，模型參數(shù)及擬合結(jié)果見表4。

圖1 各樣地土壤滲透過程

樣地類型平均值/(mm·h-1)樣本數(shù)組別落闊林828.9312A松林654.1312B草地601.6112B茶園560.2912B灌木林559.7812BC毛竹林439.8812C常闊林405.9412C裸露地220.2012D

表4 入滲模型參數(shù)擬合結(jié)果

由表4可知，不同土地利用類型土壤考斯恰可夫入滲公式參數(shù)a變化范圍為929.63～2 898.51，最小值出現(xiàn)在裸露地上，最大值出現(xiàn)在落闊林上；b變化在0.216 3～0.397 7，它反映了入滲速率的遞減情況，b值越大，入滲速率隨時(shí)間遞減越快，可以看出，茶園、裸露地入滲速率減小較快，灌木林地減小較慢。霍頓公式擬合結(jié)果表明，穩(wěn)滲率fc變化在121.47～437.02，最大值出現(xiàn)在落闊林上，最小值出現(xiàn)在裸露地上；K值變化在0.020 2～0.045 3，裸露地、茶園、常闊林地入滲速率減少較快，落闊林、灌木林地入滲速率減少較慢；f0-fc變化在687.59～2 528.49，裸露地的入滲率最小，而落闊林、茶園、松林表現(xiàn)出較強(qiáng)的入滲性能。在通用經(jīng)驗(yàn)式中，a1實(shí)際上相當(dāng)于穩(wěn)滲率，a1值最大的是落闊林，其次為草地和灌木林，最小的為裸露地。菲利普公式擬合結(jié)果表明，A值變化在1 671.3～5 899.9，其最小值出現(xiàn)在裸露地，最大值出現(xiàn)在落闊林地。

3.3 不同樣地土壤入滲模型擬合程度評(píng)價(jià)

為了表述上述4種入滲公式與實(shí)測值之間的擬合程度，將不同試驗(yàn)地入滲公式的擬合值與實(shí)測值進(jìn)行比較(圖2)。由圖2可以看出，入滲初期，滲透速率變化較為劇烈，然后逐步趨于平緩，最后達(dá)到穩(wěn)定，趨向一個(gè)恒定值。這一過程大致可以將土壤入滲過程分為瞬變階段(0～15 min)，入滲漸變階段(15～120 min)以及入滲穩(wěn)定階段(120 min以后)。根據(jù)圖中所示，把擬合程度分為好(用++表示)、較好(用+表示)、差(用-表示)3個(gè)等級(jí)來進(jìn)行定性評(píng)價(jià)[12]，結(jié)果見表5。從表5中可以看出，在瞬變階段與漸變階段，考斯恰可夫公式和菲利浦公式擬合較好，而霍頓公式、通用經(jīng)驗(yàn)公式擬合不理想；在穩(wěn)定階段，考斯恰可夫公式、霍頓公式、菲利浦公式、通用經(jīng)驗(yàn)公式4個(gè)公式與實(shí)測點(diǎn)都擬合較好。

圖2 各樣地4種入滲模型擬合比較

樣地類型考斯恰可夫公式瞬變階段漸變階段穩(wěn)定階段霍頓公式瞬變階段漸變階段穩(wěn)定階段菲利浦公式瞬變階段漸變階段穩(wěn)定階段通用經(jīng)驗(yàn)公式瞬變階段漸變階段穩(wěn)定階段毛竹林++++++--+++++++--+松林++++--+++++--+常闊林++++++--+++++++--+茶園++++++--++++++++-+++灌木林++++++++++++++++-+++落闊林++++++++++++++++-+++草地++++++++++++++++-+++裸露地++++--++++++++--++

注：++表示擬合程度好，+表示擬合程度較好，-表示擬合程度差。

另外，由表4可知，8個(gè)樣地土壤入滲考斯恰可夫公式擬合因子決定系數(shù)R2為0.877 8～0.994 5，模型精度檢驗(yàn)概率Prob>F為0.000 1；菲利浦公式擬合因子決定系數(shù)R2為0.779 0～0.982 4，模型精度檢驗(yàn)概率Prob>F為0.000 1；霍頓公式擬合因子決定系數(shù)R2為0.614 8～0.866 4，模型精度檢驗(yàn)概率Prob>F為0.000 1；通用經(jīng)驗(yàn)公式擬合因子決定系數(shù)R2在0.381 9～0.579 4之間，模型精度檢驗(yàn)概率Prob>F為0.000 2～0.042 7。綜合4個(gè)入滲模型參數(shù)擬合結(jié)果中的因子決定系數(shù)R2，模型精度檢驗(yàn)概率Prob>F及圖2，考斯恰可夫公式和菲利浦公式擬合理想，以考斯恰可夫公式擬合最佳，而霍頓公式、通用經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測點(diǎn)擬合較差。

4 結(jié) 論

(1) 落闊林土壤平均滲透率最高，達(dá)828.93 mm/h，分別是松林、草地、茶園、灌木林、毛竹林、常闊林、裸露地的1.27，1.38，1.48，1.48，1.88，2.04，3.76倍；松林、草地、茶園、灌木林之間，灌木林、毛竹林、常闊林之間滲透性差異不顯著；裸露地平均滲透率最低，在5%水平下裸露地平均滲透速率顯著低于落葉闊葉林、松林等林(草)地平均滲透速率。這主要是因?yàn)楦鳂拥刂杏绊懲寥罎B透性的主導(dǎo)因素如容重、有機(jī)質(zhì)、總孔隙度有所不同。落闊林地有機(jī)質(zhì)豐富，根系發(fā)達(dá)，土壤通透性好，滲透能力極強(qiáng)。裸露地土壤較緊實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)較差，土壤通透性不佳，滲透能力弱。各林地土壤的滲透能力之間有差異，但都要強(qiáng)于裸露地，表明森林植被能有效改善土壤的滲透能力。

(2) 對(duì)8種不同樣地土壤的典型入滲過程進(jìn)行擬合的結(jié)果表明，考斯恰可夫公式和菲利浦公式擬合理想，以考斯恰可夫公式擬合最佳，而霍頓公式、通用經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測點(diǎn)擬合較差。

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Simulation Analysis on Soil Infiltration Characteristics Under Main Vegetation Types in Huangpu River Source Region

CHEN Sanxiong1, SHEN Yi2

(1.PearlRiverWaterPlanningSurveyandDesignCo.,Ltd.,Guangzhou510610,China; 2.JiangsuSiyangWaterConservancyConstructionandInstallationEngineeringCompany,Siyang,Jiangsu223700,China)

Soil infiltration characteristics under main vegetation types in the source region of Huangpu River were studied by using method of ‘double rings’. Four widely used infiltration models such as Koctakob formula， Horton formula, Philip formula and general empirical formula were used to fit and analyze infiltration patterns. The results showed that: (1) soil infiltration of deciduous broad-leaved forest has the highest permeability, reaching 828.93 mm/h, and has ratios of 1.27, 1.38, 1.48, 1.48, 1.88, 2.04, and 3.76 to pine, grass, tea, shrubbery, bamboo forest, evergreen forest, and bare ground, respectively. Among the other forest types, permeability doesn′t differ between shrubs, bamboo forest, and evergreen forest, while bare ground has the lowest permeability lower than deciduous broad leaf, pine and other forest (grass) under 5% significant level, the soil infiltration capacities of all forest types are better than bare ground, indicating that the forest vegetation can effectively improve soil infiltration capacity; (2) fitting the infiltration processes of eight soil under different vegetation types indicated that Koctakob formula was the best model, followed by Philip formula, Horton formula and general empirical equation.

soil infiltration; infiltration model; double rings method; vegetation types

2016-03-02

2016-03-12

上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(2002-8)

陳三雄(1976—),男,湖北黃岡人,博士,高級(jí)工程師,主要從事礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)、南方水土流失治理技術(shù)研究。E-mail:chinacsx409@126.com

S152.7

A

1005-3409(2016)06-0059-05