沿海基巖質海岸防護林主要林分類型土壤滲透特性研究

應松康，張曉勉，高智慧，高洪娣，陳賢田，柳方考，宋緒忠，岳春雷，李賀鵬

（1. 浙江省舟山市普陀區農林局，浙江 普陀 316100；2. 南京林業大學，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；4. 浙江省林業生態管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三門縣林業特產局，浙江 三門 317100，）

土壤入滲是指水分進入土壤形成土壤水的過程，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互轉化過程中的一個重要環節[1]。土壤滲透性是描述土壤入滲快慢極為重要的土壤物理特征參數之一。到達林地表面的降水，除很小一部分成為地表徑流以外，其中大部分滲入到土壤中，成為土壤貯水和地下徑流，從而表現出林地涵養水源和保持水土的功能[2]。已有研究表明，在其它條件相同情況下，土壤滲透性能越好，地表徑流越少，土壤的流失量也相應減少[3]。沿海巖質海岸由于長期受到鹽風、臺風暴雨的襲擊，土壤貧瘠，水土流失嚴重。沿海防護林建設對于保持水土、減小土壤侵蝕有重要作用。本文通過對浙江省沿海防護林主要林分類型土壤滲透性的研究，為沿海防護林建設和沿海地區水土流失治理提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于浙江省三門縣浬浦鎮草頭村，該區屬典型的亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫 16.2℃，降水量l 628.8 mm，但季節分配不均，夏秋降水量占全年的71.9%，冬季僅占9.4%，暴雨多集中于6-8月，且常受臺風影響。土壤母巖大多為花崗巖和凝灰巖，地帶性土壤為紅壤。土層厚度中等，含石量高，質地輕粘，干燥時疏松多孔，pH4.7 ~ 6.5，呈酸性或強酸性反應。該區典型的森林植被屬中亞熱帶常綠闊葉林，現大多為次生群落或人工林取代，樹種較為單一，主要樹種有馬尾松（Pinus massoniana）、濕地松（P. elliottii）、木荷（Schima superba）等[4]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及樣品采集

在研究區內選擇6種有代表性的沿海防護林林分類型作為研究對象，并選擇無林地作對照。1號樣地為北江蕘花（Wikstroemia monnula）—檵木（Loropetalum chinense）混交林，為經人工促進措施下植被恢復的試驗地，植被均為灌木，平均高約1.3 m，其它灌木零星分布著胡頹子（Elaeagnus pungens）、野梧桐（Mallotus japonicus）和海州常山（Clerodendrum trichotomum），草本主要為芒萁（Dicranopteris dichotoma），植被覆蓋度較高。此樣地海拔為20 m，坡度15°，西北坡向，人工干擾極小；2號樣地為化香（Platycarya strobilacea）純林，同為經人工促進措施下植被恢復的試驗地，化香成高大灌木狀，平均高約3 m，其它灌木零星分布著云實和木臘樹，草本主要為芒萁和菝葜，灌草層蓋度小，此樣地海拔為24 m，坡度30°，正南坡向，人工干擾極小；3號樣地為濕地松純林，分布有喬木、灌木和草本植物，植被覆蓋率較高，喬木全為濕地松，灌木零星分布著胡頹子、牡荊、豆腐柴和野梧桐，草本主要為芒萁和海金沙，蓋度約60%。此樣地海拔為31 m，坡度15°，西南坡向，人工干擾一般；4號樣地為楓香（Liquidambar formosana）純林，分布有喬木、灌木和草本植物，植被覆蓋率較高，喬木全為楓香，灌木零星分布著油桐（Vernicia fordii）、牡荊（Vitex negundo var. cannabifolia）、鼠李（Rhamnus davurica）和楤木（Aralia chinensis），草本主要為麥冬（Ophiopogon japonicus）、藎草（Arthraxon hispidus）、馬蘭（Kalimeris indica）和海金沙（Lygodium japonicum），蓋度約60%。此樣地海拔為64 m，坡度20°，正西坡向，人工干擾小；5號樣地為濕地松木荷混交林，分布有喬木、灌木和草本植物，喬木全為濕地松和木荷，灌木零星分布著野薔薇和牡荊，草本主要為芒萁，灌草層蓋度小。此樣地海拔為48 m，坡度18°，東南坡向，人工干擾一般；6號樣地為濕地松楓香混交林，分布有喬木、灌木和草本植物，喬木全為濕地松和楓香，灌木零星分布著茅莓（Rubus parvifolius）和黃檀（Dalbergia hupeana），草本主要為芒萁，灌草層蓋度小。此樣地海拔為54 m，坡度25°，西南坡向，人工干擾一般；7號無林地對照選擇徑流場，坡度20°，正南坡向，基本無植被覆蓋。

7種林分類型區分別設置20 m×20 m的標準樣地進行調查。在每一種林分內的典型地段挖土壤剖面，分0 ~20 cm、> 20 ~ 40 cm兩個層次進行采樣。每層取3個土樣進行室內理化性質分析。每層用環刀（φ61.8 mm、高40 mm）采3個土樣進行室內滲透性試驗，共計取各類土樣84個。

2.2 樣品分析

對于進行理化性質測定的土壤樣品進行風干、過篩，分別測定土壤理化性質。土壤滲透性采用TST-55型土壤滲透儀進行測定。有機質測定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法[5]。土壤容重測定采用環刀法[6]。土壤持水性能的測定采用環刀法[7]。

圖1 不同林分類型土壤滲透過程Figure 1 Soil infiltration process under different forest types

表1 不同林分土壤入滲模型Table 1 Soil infiltration model for different forest types

3 結果與分析

3.1 不同林分類型土壤滲透過程

水分入滲過程是一個復雜的水文過程，與降水地表徑流、表土結構、容重和土壤含水量等因素密切相關，不同土地利用類型的土壤滲透性存在很大差別[8]。研究區7種林分類型表層（0 ~ 20 cm）土壤的滲透過程列于圖1。從圖1可以看出不同林分類型土壤的入滲過程具有大體相同的變化規律，可以將土壤入滲過程分為：入滲瞬變階段、入滲漸變階段以及入滲穩定階段[9]。

分析不同林分類型土壤入滲過程曲線可以看出，7種林分類型土壤的入滲過程大體都符合卡斯恰可夫公式y = ax-b。表1列出了不同林分類型入滲過程按卡斯恰可夫公式擬合的結果和擬合優度。擬合優度在0.824 ~ 0.977，表明擬合效果較好。

3.2 不同林分類型滲透性與土壤理化性質的關系

在研究土壤入滲時，經常采用的4個指標是最初入滲速率（初滲率）、平均滲透速率、最終入滲速率（穩滲率）和滲透總量[10]。本文分別以反映土壤滲透性的指標：初滲率（Y1）、平均滲透速率（Y2）、穩滲率（Y3）和滲透總量（Y4）與反映土壤理化性質的指標：容

重（X1）、總空隙度（X2）、非毛管空隙度（X3）、有機質含量（X4）、pH值（X5）、毛管空隙度（X6）、毛管持水量（X7）進行相關性分析，結果見表2。

由表2 可以看出，Y1、Y2、Y3和Y4與X1、X2、X3、X4相關性顯著。表明土壤非毛管孔隙度、總孔隙度越大，有機質含量越高，土壤的持水能力越強，土壤的滲透性越好。土壤容重與土壤滲透性呈顯著負相關，表明土壤容重越大，土壤的滲透性越差。

對土壤滲透性與容重、總空隙度、非毛管空隙度、有機質含量之間的顯著相關關系可以解釋為：土壤孔隙特別是非毛管孔隙因孔隙直徑大，有利于土壤通氣透水。在降雨和灌溉過程中，土壤水分的滲透量及滲透速度主要決定于非毛管孔隙及總孔隙度的大小[11]。孔隙度大，結構良好，質地疏松的土壤，降雨后，大量的地表徑流被變成緩慢流動的土壤徑流，滲透到土壤中的水分絕大部分因重力作用經過非毛管孔隙下滲到土壤下層。森林能有效地影響土壤的物理性狀，改善土壤結構，增加土壤的非毛管孔隙度，提高土壤的入滲性能，從而提高土壤的蓄水量，很好地起到蓄水作用[12]。土壤容重是對土壤物質組成、結構密實程度的綜合反映[12]，對于同一土質（土壤的礦物成份、顆粒組成及土壤結構基本一致），土壤容重越大，土體的結構就越密實，土體中孔隙含量少，土體顆粒間距小，從而影響土壤的滲透性能[13]。土壤中有機質含量豐富，有利于提高土壤的結構性，增加土壤的滲透性能。

為了進一步研究土壤滲透性與土壤理化性質的關系，分別以Y1、Y2、Y3和Y4為因變量，X1、X2、X3、X4為自變量進行回歸分析，得到回歸方程：

表2 土壤理化性質與土壤滲透性相關分析Table 2 Correlation analysis on soil physical and chemical properties withsoil infiltration

以上回歸方程表明在浙江沿海基巖質海岸防護林中，土壤初滲率、平均滲透速率、穩滲率、滲透總量與土壤容重、總空隙度、非毛管空隙度、有機質含量這4個土壤理化性質指標之間具有顯著的線性函數關系。

3.3 不同林分類型土壤滲透性能評價

為了對不同林分類型土壤滲透性能進行綜合評價和分類，以土壤Y1、Y2、Y3、Y44個指標為自變量對不同林分類型土壤的滲透性運用SAS軟件進行聚類分析，結果見圖2。

由聚類分析可以看出，7種不同的林分類型土壤滲透性可以分為3類。其中，北江蕘花檵木林歸為一類，屬于滲透性能最強級，濕地松木荷混交林、濕地松楓香混交林、化香純林、濕地松純林歸為一類，屬于土壤滲透性較強級；楓香、無林地屬于土壤滲透性較弱級。對于楓香純林的歸類原因，可認為楓香純林造林地土壤板結嚴重，土壤容重特別大，土體緊密，孔隙度很低，導致土壤滲透性能較差。北江蕘花檵木林經人工促進植被恢復，土壤表層養分富集，有機質含量、全氮、水解性氮、全磷含量均比其它樣地及對照地高土壤容重相對最小，總孔隙度和毛管持水量較大。所以其土壤滲透性能最強。

圖2 不同林分類型土壤滲透性能聚類圖Figure 2 Cluster analysis on soil infiltration under different forest types

4 結論與討論

（1）不同林分類型土壤入滲過程大致分為：入滲瞬變階段、入滲漸變階段以及入滲穩定階段。7種林分類型土壤入滲過程曲線按卡斯恰可夫公式Y = aX-b擬合后，擬合優度為0.824 ~ 0.977，達到極顯著相關，表明可以運用卡斯恰可夫模型模擬該地區林分土壤水分入滲過程。

（2）土壤理化性質對土壤滲透性有重要影響。經相關分析表明：初滲率、平均滲透速率、穩滲率和滲透總量與容重、總空隙度、非毛管空隙度、有機質含量相關性顯著，其中與土壤容重負相關。土壤孔隙特別是非毛管孔隙因孔隙直徑大有利于土壤土壤水分下滲。土壤有機質含量越高，土壤結構性越好，土壤滲透性越強。土壤容重越大，土體的結構就越密實，土體中孔隙含量少，土體顆粒間距小，從而影響土壤的滲透性能。

（3）建立的回歸方程表明，浙江沿海基巖質海岸防護林土壤初滲率、平均滲透速率、穩滲率、滲透總量與土壤容重、總空隙度、非毛管空隙度、有機質含量這4個土壤理化性質指標之間具有顯著的線性函數關系，可以使用這些回歸模型預測土壤初滲率、平均滲透速率、穩滲率和滲透總量，為土壤滲透性的研究提供重要依據。

（4）對不同林分類型土壤滲透性能進行綜合評價和分類結果表明，北江蕘花檵木林的土壤滲透性能最強；濕地松木荷混交林、濕地松楓香混交林、化香純林、濕地松純林的土壤滲透性較強；楓香純林、無林地的土壤滲透性較弱。

（5）通過適當的人工促進措施，能有效改善巖質海岸植被區土壤的水、肥、氣、熱等條件，改良土壤結構，增加保水保肥能力，提高土壤肥力，有效地控制水土流失。本文只是對沿海基巖質海岸防護林不同林分土壤滲透性進行了初步研究，為了對沿海基巖質海岸防護林在防止水土流失、保持水土方面進行深入綜合研究，我們將在以后的研究中引入其他水土保持指標和更多土壤理化性質指標進行深入研究。

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