劉小娥, 蘇世平, 李 毅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅, 蘭州 730070)

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，森林土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，該功能的85%以上由土壤層實(shí)現(xiàn)[1]。土壤滲透性是評(píng)價(jià)土壤入滲快慢的重要參數(shù)之一[2]，滲透性好，對(duì)降水及灌溉水的下滲速度和下滲量就多，可有效減少和減緩地表徑流。有研究表明，土壤滲透能力與土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)關(guān)系顯著或極顯著，與土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等化學(xué)性質(zhì)有直接或間接的關(guān)系[3]。也有研究表明，土壤滲透能力與林分立地條件和樹(shù)種組成以及土壤生物因子等有密切關(guān)系[4-6]。目前，有關(guān)不同立地、不同林分條件下土壤滲透能力的研究較多[1,4]，但所研究的林分林齡或立地條件不盡相同，可能不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)林分對(duì)土壤滲透特性的影響。因此，探討同一立地、相同起源條件下的同一林齡、不同樹(shù)種組成的林分土壤滲透能力，有助于揭示樹(shù)種對(duì)土壤改良的能力，可為特定區(qū)域人工林營(yíng)造時(shí)樹(shù)種選擇提供一定的理論依據(jù)。

甘肅省蘭州市南北兩山是蘭州市重要的生態(tài)屏障，由于地處黃土高原半干旱區(qū)，土壤貧瘠，保水能力差，導(dǎo)致植被天然恢復(fù)困難，在植被人工恢復(fù)過(guò)程中，大規(guī)模采用側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、新疆楊(Populusalbavarpyramidalis)作為該區(qū)域的主要造林樹(shù)種，所營(yíng)造的人工林在保持水土、涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著重要的作用。目前，對(duì)蘭州市南北兩山人工林的研究主要集中在樹(shù)種選擇[7-8]、群落結(jié)構(gòu)[9]、林分養(yǎng)分、水分、微生物等[10-11]方面，而對(duì)于土壤滲透性方面的研究?jī)H見(jiàn)對(duì)側(cè)柏林地土壤滲透性的研究[12]。因此，研究不同林分類型土壤滲透特性，揭示其滲透規(guī)律，探討影響林分滲透能力的主導(dǎo)因子，為該區(qū)域人工林營(yíng)建過(guò)程中樹(shù)種選擇及現(xiàn)有林分的撫育管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市南北兩山位于黃土高原丘陵區(qū)，年均降水量327.7 mm，年均蒸發(fā)量1 468 mm，年均氣溫9.1 ℃；氣候干旱，降水稀少，屬中溫帶半干旱區(qū)溫帶草原氣候[13]。南山東起榆中縣和平鎮(zhèn)營(yíng)盤(pán)水，西至西固區(qū)新城鄉(xiāng)新城橋，南至七里河區(qū)阿干鎮(zhèn)現(xiàn)子口；北山東起城關(guān)區(qū)青白石鄉(xiāng)張兒溝，西至西固區(qū)達(dá)川鄉(xiāng)達(dá)家溝，南臨黃河，北至蘭州中川機(jī)場(chǎng)，東西長(zhǎng)約60 km，南北寬約5～50 km。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取該區(qū)域面積較大、分布較廣的5種人工林進(jìn)行土壤滲透特性研究。各林分組成為：側(cè)柏林(Platycladusorientalis)，喬木層為側(cè)柏，林內(nèi)無(wú)其他喬木和灌木；刺槐林(Robiniapseudoacacia)，喬木層為刺槐，灌木層為極少量白榆(Ulmuspumila)幼苗和甘蒙檉柳(Tamarixaustromongolica)；新疆楊(Populusalbavarpyramidalis)林，喬木層為新疆楊，灌木層為少量紫穗槐(Amorphafruticosa)、檉柳(Tamarixchinensis)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinkii)和沙棗(Elaeagnusangustifolia)；新疆+楊刺槐混交林，喬木層由新疆楊和刺槐組成，樹(shù)種組成比例為5新疆楊+5刺槐(數(shù)量比例)，灌木層為少量檉柳和白榆幼苗；側(cè)柏+刺槐混交林，喬木層為側(cè)柏和刺槐組成，樹(shù)種組成比例為3側(cè)柏+7刺槐(數(shù)量比例)，灌木層為少量檸條錦雞兒、甘蒙檉柳和白榆。5種人工林基本情況見(jiàn)表1。

2019年8月，在蘭州市南北兩山選擇造林時(shí)間基本一致、土壤類型、坡向、坡位相同的5種人工林林分類型，每種林分類型選取3個(gè)海拔和林相基本一致的代表性林分，北山2個(gè)(為九州臺(tái)和徐家山)，南山1個(gè)(為大洼山)；每種林分類型設(shè)立3個(gè)10 m×10 m代表性樣地，調(diào)查林分樹(shù)種組成及生長(zhǎng)狀況(表1)。在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線方向隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m小樣方進(jìn)行土壤剖面挖掘，在挖好的剖面上，按照0—20，20—40，40—60 cm和60—80 cm土層深度，用100 cm3的環(huán)刀取原狀土，每土層3個(gè)重復(fù)，每種林分類型每土層總共取樣27個(gè)；將所取樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤滲透性測(cè)定。

表1 蘭州市南北兩山不同林分類型基本概況

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

采用雙環(huán)滲透法測(cè)定土壤入滲過(guò)程[14]。在室外用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)浸入水中12 h，然后將環(huán)刀取出，上面套上一個(gè)大小相似的空環(huán)刀，接口處先用膠布封好。往上面的空環(huán)刀中加水，水層厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，之后隔1，2，3，4，5，6 min,…,測(cè)量并記錄一次通過(guò)土柱滲透出的水量。測(cè)定過(guò)程中要不斷將上面環(huán)刀水面加至原來(lái)高度，一直測(cè)到4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)滲出水量相等時(shí)為止。

初滲速率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間

平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間

穩(wěn)滲速率=單位時(shí)間內(nèi)滲透量穩(wěn)定后的滲透速率

滲透總量=前150 min鐘內(nèi)的滲透量

物理性質(zhì)：采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度；用烘干法測(cè)定土壤自然含水率?；瘜W(xué)性質(zhì)：土壤 pH值采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤全氮采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定；土壤無(wú)機(jī)氮采用KCl浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提比色法測(cè)定；土壤全鉀采用火焰光度法測(cè)定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度法測(cè)定。

1.4 土壤水分滲透過(guò)程模擬

結(jié)合前人研究結(jié)果[15-16]，本研究選取4個(gè)常用的土壤水分滲透模型對(duì)不同林分不同土壤層入滲過(guò)程進(jìn)行過(guò)擬合。Kostiakov模型為：y=αt-β，Horton模型為：y=α+βe-nt，Philip模型為：y=α+βt-1/2，通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋簓=α+βt-n。式中：y為入滲速率(mm·min-1)；t為入滲時(shí)間(min)；α，β，n為擬合參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析和土壤水分滲透過(guò)程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤滲透性能

水分的入滲過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的水文過(guò)程，土壤的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量是評(píng)價(jià)土壤水分入滲的重要指標(biāo)。在林地中，土壤水分入滲的快慢與林分類型、凋落物累積量、根系分布等因素有密切的關(guān)系[17-18]。

從圖1可以看出，土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量在不同林分類型之間均有較大的差異，初滲速率在0.26～4.07 mm/min之間，穩(wěn)滲速率在0.08～1.78 mm/min之間，平均滲透速率在0.09～2.20 mm/min之間，滲透總量在5.55～123.43 mm之間。0—80 cm土層，4個(gè)土壤滲透參數(shù)均表現(xiàn)為新疆楊+刺槐混交林>側(cè)柏+刺槐混交林>刺槐林>側(cè)柏林>新疆楊林，新疆楊+刺槐混交林的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量依此為2.32，0.89，1.14 mm/min及63.05 mm，分別是新疆楊林的3.80，2.34，2.85，2.69倍。4個(gè)土壤滲透參數(shù)在土層之間差異顯著，隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，0—20 cm土壤層的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量分別是60—80 cm的5.11，6.53，6.84，6.65倍。

為了綜合評(píng)價(jià)不同林分類型土壤滲透性能的差異，以土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量為指標(biāo)進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)(表2)，第1主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)98.08%，幾乎解釋了整個(gè)總方差，信息損失量很少。因子負(fù)荷量表明，第1主成分所有變量的正荷載相差不大，以滲透總量和平均滲透速率最高，分別為0.998 5，0.999 3，可以解釋為對(duì)土壤滲透能力總的量度，第一主成分方程為α=0.504 1α1+0.504 5α2+0.492 3α3+0.498 9α4(α1，α2，α3，α4為滲透總量、平均滲透速率、初滲速率、穩(wěn)滲速率經(jīng)過(guò)Z標(biāo)準(zhǔn)化的值)。

表2 土壤滲透性主成分分析

注：PO為側(cè)柏林； RP為刺槐林； PA為新疆楊林。下同。

根據(jù)第一主成分方程，計(jì)算蘭州市南北兩山5種林分不同土壤層的土壤滲透性能得分，并根據(jù)得分進(jìn)行排名(表3)。由表3可知，不同林分類型的土壤滲透性能隨著土層深度的增加而降低，各林分不同土壤層的土壤滲透性排序略有不同，但均表現(xiàn)為新疆楊+刺槐混交林的最好。從平均得分來(lái)看，新疆楊+刺槐混交林的土壤滲透性最佳，側(cè)柏+刺槐混交林次之，側(cè)柏林最小。

表3 蘭州市南北兩山5種不同類型林分林地土壤滲透性評(píng)價(jià)

2.2 不同林分土壤水分入滲過(guò)程模擬

采用Kostiakov方程，Horton方程，Philip方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程4種模型對(duì)5種林分不同土壤層水分的入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個(gè)回歸模型的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平，但模型的擬合優(yōu)度存在差異(表4)。Kostiakov方程擬合優(yōu)度在0.611～0.995之間，平均值為0.898；Horton方程擬合優(yōu)度在0.951～0.996之間，平均值為0.981；Philip方程擬合優(yōu)度在0.785～0.996之間，平均值為0.949；通用經(jīng)驗(yàn)方程擬合優(yōu)度在0.888～0.997之間，平均值為0.977。從擬合優(yōu)度(R2)考慮，Horton方程擬合效果最好，通用經(jīng)驗(yàn)方程次之，Philip方程較差，Kostiakov方程最差。從擬合殘差看，通用經(jīng)驗(yàn)方程的殘差均值為0.183 4，Horton方程為0.334 0，Philip方程為0.343，Kostiakov方程為0.420，結(jié)合殘差和R2選出29個(gè)土壤水分入滲最優(yōu)模型，其中通用經(jīng)驗(yàn)方程和Horton方程各13個(gè)，各占總數(shù)的44.83%，Philip方程3個(gè)，Kostiakov方程0個(gè)。以上研究表明，通用經(jīng)驗(yàn)方程比較適合于描述本研究區(qū)5種人工林的土壤水分入滲過(guò)程。

表4 不同林分不同土層土壤入滲模型

2.3 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤滲透性能的影響

土壤的滲透性能與土壤的理化性質(zhì)存在相關(guān)性(表5)。土壤的滲透性與土壤初始含水率、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、無(wú)機(jī)氮呈極顯著正相關(guān)，與毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 土壤理化性質(zhì)與滲透性相關(guān)關(guān)系矩陣

根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果，選擇與土壤滲透性極顯著或顯著相關(guān)的8個(gè)因子進(jìn)行主成分分析(表6)，第1主成分貢獻(xiàn)率為94.07%，負(fù)荷量在0.954 0以上，其中土壤孔隙度、土壤容重和土壤有機(jī)質(zhì)在第1組分量分負(fù)荷度較大，表明與土壤滲透性顯著相關(guān)的土壤理化性質(zhì)的第1主成分表達(dá)了絕大多數(shù)信息，其方程為β=-0.361 9β1+ 0.359 5β2+ 0.362 6β3+ 0.347 8β4+ 0.321 9β5+ 0.359 2β6+ 0.355 3β7+ 0.358 5β8。

表6 8個(gè)土壤理化性質(zhì)參數(shù)主成分分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，將α解釋為土壤滲透性，將β解釋為土壤理化性質(zhì)主成分，將α定義為土壤滲透性綜合參數(shù)，β為土壤理化性質(zhì)參數(shù)，將滲透總量等4個(gè)土壤滲透參數(shù)以及土壤滲透性綜合參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化主成分得分為因變量，以為土壤理化性質(zhì)參數(shù)β為自變量進(jìn)行過(guò)回歸分析，得到他們之間的回歸方程(表7)。

表7 β與土壤滲透參數(shù)及α的回歸模型

3 討 論

(1) 通過(guò)對(duì)5種人工林林分土壤滲透特性研究表明，隨著土層深度的增加(0—80 cm)，土壤滲透性能呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。不同林分滲透能力不盡相同，表現(xiàn)為：新疆楊+刺槐混交林>側(cè)柏+刺槐混交林>刺槐林>側(cè)柏林>新疆楊林，混交林土壤的滲透性優(yōu)于純林。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因之一可能是混交林深根系與淺根系互補(bǔ)分布于土壤中，通過(guò)根系的生長(zhǎng)、凋亡，在土壤中形成了比較多的孔隙所致，因蘭州市南北兩山的刺槐絕大多數(shù)根系集中于0—120 cm層[19]、新疆楊80%以上的根系分布于0—40 cm層[20]和側(cè)柏根系主要分布在0—50 cm土層[21]；原因之二可能是與林分凋落物累積量有關(guān)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[22]，這種林分中，混交林枯落物累積量為35.15～47.01 t/hm2，而純林的累積量為13.5～26.34 t/hm2，較多的枯落物經(jīng)分解形成比較多的有機(jī)質(zhì)(10.14～11.67 g/kg)，而土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤滲透性存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[23]，其在降低土壤容重、增加孔隙度方面具有良好的作用[24]；原因之三可能與林分的郁閉程度和冠層厚度有關(guān)，混交林由于不同樹(shù)種樹(shù)冠層次不同，所構(gòu)成的林分冠層比純林的厚，郁閉度也比較高，比純林能有效降低林內(nèi)光照，增加林地濕度，增加土壤生物[25-26]。但本研究也發(fā)現(xiàn)，盡管側(cè)柏林地的郁閉度為0.85，在5種林分中屬最高，但是其土壤自然含水量低，這可能與其樹(shù)種類型有關(guān)，在相同郁閉度的情況下，側(cè)柏林分要比其他林分具有更高的冠層葉表面積，對(duì)降雨的截留也會(huì)更高，導(dǎo)致降落到林地的降雨量減少[27]。

(2) 本研究通過(guò)對(duì)涉及土壤理化性質(zhì)的13個(gè)因子進(jìn)行相關(guān)性分析表明，土壤初始含水率、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤容重與土壤的滲透性存在極顯著或顯著的相關(guān)關(guān)系，這與李建興等[28]、閆東鋒等[29]的研究結(jié)果一致，隨土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度的增加，降低土壤容重，土壤變得疏松多孔，提高了土壤中水分的縱向和橫向滲透，縮短了滲透時(shí)間，最終提高了土壤的滲透能力。

4 結(jié) 論

(1) 不同林分類型土壤滲透性隨土層深度(0—80 cm)的增加而降低。

(2) 不同林分類型土壤滲透性均表現(xiàn)為：新疆楊+刺槐混交林>側(cè)柏+刺槐混交林>刺槐林>側(cè)柏林>新疆楊林，混交林均大于純林。

(3) 通用經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)各林分土壤滲透性的擬合效果最好，比較適合于描述本研究區(qū)5種人工林土壤水分入滲過(guò)程。

(4) 篩選出能表征該區(qū)域土壤滲透性的主要土壤理化性質(zhì)參數(shù)依次為：總孔隙度、容重、初始含水率、有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)氮、全氮、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。