金沙江流域典型森林土壤水分入滲特征試驗研究

劉芝芹，郎南軍，，彭明俊，溫紹龍，李甜江，吳云飛

（1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650093；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650224；3.云南省林業(yè)科學(xué)院，云南 昆明650204）

土壤水分入滲是地表徑流和地下徑流之間分配降水或其它形式地面供水的過程，對水分循環(huán)和土壤流失過程具有十分明顯的作用［1］，研究土壤水分入滲特性是探討流域產(chǎn)流機(jī)制的基礎(chǔ)和前提，確定不同森林類型土壤水分入滲參數(shù)及評價土壤水分入滲能力對于探討流域水文過程的調(diào)節(jié)機(jī)制具有十分重要的意義［2］。我國已經(jīng)在黃土高原、三峽庫區(qū)江南紅壤區(qū)和紫色土區(qū)開展了大量土壤水分入滲的研究工作，取得了豐富的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。趙鵬宇等［3］在黃土丘陵區(qū)對不同土地利用方式的土壤入滲規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明植被覆蓋地平均入滲率是刈割地的1.2倍，是翻耕地的2.0倍；楊海龍等［4］通過對三峽庫區(qū)森林流域土壤滲透性能的研究表明土壤入滲速率回歸方程表現(xiàn)為乘冪形式，相關(guān)性較好；傅斌等［5］利用人工模擬降雨研究了坡度、降雨、耕作方式對紫色土坡耕地入滲過程的影響表明雨強(qiáng)對入滲過程有重要影響。但目前在我國云貴高原金沙江流域土壤入滲性能的研究較少。而云貴高原金沙江流域土層薄，土壤透水能力強(qiáng)，蓄水能力差，雨季降水入滲補(bǔ)給是土壤水資源的唯一來源，但由于干濕季降水的不均勻分布，造成季節(jié)性干旱。因此分析土壤的特性及其水分入滲特征對于研究該地區(qū)流域產(chǎn)流機(jī)制，水分運(yùn)移過程以及水土資源協(xié)調(diào)管理具有重要意義。本研究以云貴高原金沙江流域5種不同森林類型的土壤滲透性能進(jìn)行了研究，以闡明云貴高原金沙江小流域土壤入滲的變化特征和規(guī)律，為該地區(qū)植樹造林和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與試驗方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地選擇在云南省曲靖市會澤縣的金鐘鎮(zhèn)，地理位置為26°27′N，103°24′E。研究區(qū)域設(shè)在全國生態(tài)林業(yè)工程功能觀測網(wǎng)絡(luò)一級監(jiān)測站頭塘小流域內(nèi)。屬金沙江一級支流牛欄江流域，為中山山地地貌，海拔1 950～2 600m。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)山地氣候，干濕季明顯。年均氣溫12.7℃，最冷月為1月，平均氣溫4.6℃；最熱月為7月，平均氣溫19.1℃。年均降水量822.1mm，雨季降水約占90%，年蒸發(fā)量1 861.9mm，為降水量的2.3倍。母巖以紫色砂頁巖為主，另有少量的玄武巖，主要土壤類型有紫色土、紅壤和棕壤。在金沙江頭塘小流域的天然次生林中，共有維管束植物137種，隸屬于63科，121屬。在流域內(nèi)選擇華山松（Pinus armandii）、水冬瓜（Aluns cremastogyne）、滇楊（Populus yunnanensis）、圣誕樹（Acacia dealbata）純林4種典型森林及林外荒坡地土壤作為調(diào)查研究對象。

1.2 試驗設(shè)計

2013年1—3月選擇該區(qū)域內(nèi)有代表性的4種森林類型及荒坡地（對照）作為觀測點(diǎn)。不同森林的林分類型不同，其樹木生長狀況，林內(nèi)的水熱光合條件，林下枯落物等都有所不同，這些因素都對土壤的孔隙度有著直接影響，同時林木根系以及腐爛的腐殖質(zhì)對土壤質(zhì)地也會產(chǎn)生一定影響，而地表覆蓋能有效減弱水流對土壤的擾動。分別調(diào)查4種不同森林類型和荒坡地樣地的基本情況，同時測定不同森林類型的土壤物理性質(zhì)及土壤入滲速率，分析不同森林類型土壤水分入滲特征。試驗前對觀測點(diǎn)預(yù)先進(jìn)行人工灑水以消除土壤前期含水量對入滲的影響，然后持續(xù)測定不同森林類型的土壤含水量，當(dāng)土壤含水量接近設(shè)計含水量時，開始試驗。觀測點(diǎn)均選在坡度大約為10°～20°的坡地，4種不同森林類型和荒坡地樣地的基本情況詳見表1。

表1 不同森林類型概況

1.3 測定項目及計算方法

采用烘干法測定土壤含水量，采用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)［6］；采用雙環(huán)法測定土壤水分入滲情況，并采用定量加水記時法測定入滲速率并繪制入滲能力曲線。數(shù)據(jù)與圖表均采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 13.0以及Excel處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性狀對土壤穩(wěn)滲率的影響

土壤孔隙是土壤養(yǎng)分、水分和空氣以及微生物、植物根系等的通道或貯存庫，它直接反映了整個土體的結(jié)構(gòu)狀況，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。由5種不同森林土壤物理性狀的測定結(jié)果可知（表2），不同森林類型土壤0—60cm毛管孔隙度均值為42.56%～51.25%，其中以華山松林最大，為荒坡地的1.2倍，其由大到小的順序為：華山松林＞滇楊林＞圣誕樹林＞水冬瓜林＞荒坡地；不同森林類型的土壤總孔隙度和毛管孔隙度隨土層厚度的增加而逐漸減小。各類森林土壤的總孔隙度均比荒坡地高，5種土壤平均總孔隙度的大小順序為：華山松林＞滇楊林＞圣誕樹林＞水冬瓜林＞荒坡地，表明森林的土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)要優(yōu)于荒坡地。

土壤容重反映土壤在單位體積內(nèi)排列的松緊程度，容重減小時土壤總孔隙度及大孔隙量相應(yīng)的增大，土壤入滲速率增大；容重增大時，土壤入滲速率隨之減小。由表2可以看出，5種不同地類的土壤容重隨著土層厚度的增大亦逐漸增大。5種不同森林土壤平均容重的大小依次為：荒坡地＞水冬瓜林＞圣誕樹林＞滇楊林＞華山松林。將不同土壤容重與土壤穩(wěn)滲率進(jìn)行擬合分析，擬合結(jié)果表明，土壤容重與穩(wěn)滲率呈顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系（R2＝0.924 3）。這與王紀(jì)杰等［7］在對桉樹人工林土壤滲透性能及其影響因子進(jìn)行研究的結(jié)論相一致，不同土層土壤滲透性隨土層加深而降低。

表2 5種森林類型不同土層的土壤物理性狀

2.2 不同森林類型的入滲速率比較

入滲是降雨落到地面進(jìn)入土壤形成土壤水的過程，是降雨轉(zhuǎn)化為徑流的一個重要的中間環(huán)節(jié)。土壤入滲是土壤非常重要的物理特征參數(shù)之一，入透性能的好壞直接關(guān)系到地表徑流量的多少，土壤入透性能越好，地表徑流量就會越少，土壤的流失量也會相應(yīng)減少［8］。初滲率和穩(wěn)滲率是反映土壤入滲能力最直接的指標(biāo)。研究區(qū)各森林類型土壤的入滲性能詳見表3。從表3可以看出，華山松林前120min平均入滲速率（2.42mm／min）較滇楊林（2.16mm／min）、圣誕樹林（2.11mm／min）、水冬瓜林（1.23mm／min）、荒坡地（0.78mm／min）分別高出1.12，1.15，1.97和3.10倍；不同森林類型的穩(wěn)滲率也表現(xiàn)出同樣的趨勢。從研究結(jié)果可知，平均入滲率和穩(wěn)滲率均表現(xiàn)為：華山松林地＞滇楊林地＞圣誕樹林地＞水冬瓜林地＞荒坡地，這與張治偉［9］在巖溶坡地不同利用類型土壤入滲性能的研究中得出的結(jié)論一致，不同森林類型對土壤入滲性能影響較大。同時表明有林地土壤的物理性狀和結(jié)構(gòu)要優(yōu)于無林地，由此證明了植被在改良土壤上的重要作用［10－11］。森林林地由于其地上植被蓋度較大，土壤表層積累的枯枝落葉形成的腐殖質(zhì)以及表層土壤所聚集的植物根系對土壤均有巨大的改良作用，通過對土壤的結(jié)構(gòu)改善而有利于土壤水分的迅速下滲。土地利用方式影響著土壤水分入滲，已有研究也指出，未受干擾的自然土壤有機(jī)質(zhì)較高，入滲速率高［12］。荒坡地由于人畜踐踏，土壤孔隙率很小，水分入滲很少，故其土壤的物理性狀得不到改良，導(dǎo)致滲透性能不及有林地，其初始入滲速率僅為3.02mm／min。不同森林類型由林分組成不同，其生物特性也不同，因而土壤入滲規(guī)律有一定的差異，總體來看針葉林的土壤入滲能力要明顯高于闊葉林。

表3 不同森林類型土壤水分入滲狀況 mm／min

2.3 不同森林類型土壤水分入滲特征

水分滲入土壤是水分在分子力、毛管力和重力的綜合作用下在土壤中運(yùn)動的物理過程，入滲按土壤水分受力情況及運(yùn)行特征可分為3個階段：滲潤階段、滲漏階段和滲透階段［13］。在初始的滲潤階段，由于土壤含水量很低，土壤水分未能充滿土壤非毛管孔隙，土壤水分處于非飽和狀態(tài)，滲透速率變化劇烈，這個階段發(fā)生在滲透開始的0—5min內(nèi)；在滲漏階段，由于土壤含水量增加，下滲速度逐漸減小，滲透速率的變化過程較為平穩(wěn)，土壤水分主要受毛管力的作用繼續(xù)作不平穩(wěn)的流動，直到全部毛管孔隙充滿水分，這個階段持續(xù)60—80min左右；在滲透階段，土壤含水量達(dá)到田間持水量以上，水分主要在重力作用下作滲透運(yùn)動，最后下滲速度趨于穩(wěn)定。

圖1為4種森林及荒坡地土壤水分入滲率隨時間變化曲線。由圖1可以看出，其土壤水分入滲過程比較類似，隨時間延續(xù)，水分不斷進(jìn)入土壤，土壤水分容量減小，入滲速率逐漸降低。滇楊林地、圣誕樹林地、華山松林地、水冬瓜林地初期入滲速率較大，均達(dá)到5.88mm／min以上；3個階段表現(xiàn)的比較明顯，滲漏階段持續(xù)60—80min左右，到80—100min后土壤水分入滲進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段。

圖1 不同土地利用方式土壤入滲過程線

2.4 不同森林類型土壤水分入滲模擬

根據(jù)試驗具體情況，運(yùn)用3種模型近似模擬土壤入滲過程。

（1）Kostiakov入滲模型［14］

式中：f——t時刻的土壤入滲速率（mm／min）；t——入滲時間（min）；a，b——參數(shù)。

（2）Philip入滲模型［15］

式中：s——吸濕率（%）；fc——穩(wěn)定入滲速率（mm／min）。

（3）Horton入滲模型［16］：

式中：f0——初始入滲率（mm／ min）；t——時間，k——系數(shù)。

采用實測的土壤入滲過程數(shù)據(jù)與3種模型進(jìn)行擬合，得出了不同模型的模擬精度和參數(shù)估計值（表3）。Kostiakov入滲模型中a為經(jīng)驗入滲常數(shù)，即第一個單位時段內(nèi)的平均入滲速率，a值的大小主要受土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和非毛管孔隙度等的影響；b值的大小表示入滲速率隨時間減小的程度，b值越大，則入滲速率隨時間減小的程度越快。由表4可見，參數(shù)a，b的變化較有規(guī)律。參數(shù)a變化范圍在4.315～8.209之間，a在滇楊林最大，荒坡地最小，可以反映入滲初期的差異，與滇楊林初始入滲率最大，荒坡地初始入滲率最小的規(guī)律相一致；b在0.563～0.708之間變動，其中水冬瓜林和荒坡地比較接近，數(shù)值也最大，說明水冬瓜林和荒坡地土壤入滲速率隨時間減少最快，可能與濕潤狀態(tài)下土壤結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，與已有研究趨勢一致［9，17］。

表4 不同森林類型土壤水分入滲方程表達(dá)式

從表4中可以看出，不同的方程對于不同樹種林分土壤入滲過程的模擬精度有所差異，Philip模型和Horton模型均對華山松林和荒坡地的模擬精度較高（R2＞0.8），對滇楊林、圣誕樹林和水冬瓜林的模擬精度偏低；Kostiakov模型對5種森林類型的模擬精度都較高，R2值都超過或接近0.9。因此可以得出，研究區(qū)域的用雙環(huán)入滲法得出的土壤入滲過程用Kostiakov模型擬合的效果最佳，其次為Philip模型，而用Horton模型模擬的效果最差。Kostiakov模型能較好的模擬該流域各森林類型的土壤水分入滲過程。呂剛［18］的研究也表明，Kostiakov模型可以較好模擬老禿頂子自然保護(hù)區(qū)不同植被類型不同層次土壤入滲速率與時間的變化過程，劉麗紅等［19］在巖溶槽谷區(qū)不同土地利用方式土壤入滲規(guī)律的研究中也表明Kostiakov比Horton和Philip公式能更好地擬合不同土地利用類型的土壤入滲過程。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)不同森林類型的土壤總孔隙度和毛管孔隙度隨土層厚度的增加而逐漸減小；森林土壤的總孔隙度都比荒坡地的高，5種森林土壤平均總孔隙度的大小順序為：華山松林＞滇楊林＞圣誕樹林＞水冬瓜林＞荒坡地，表明森林的土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)要較荒坡地的好。

（2）5種森林的土壤容重隨著土層厚度的增大亦逐漸增大。其平均容重的大小依次為：荒坡地＞水冬瓜林＞圣誕樹林＞滇楊林＞華山松林。不同土層土壤滲透性隨土層加深而降低；水分入滲受土壤容重的影響，隨容重增加，穩(wěn)滲率降低，兩者呈現(xiàn)顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（3）不同森林類型其土壤水分入滲特征不同。不同森林類型土壤前120min平均入滲速率介于0.78～2.42mm／min之間，穩(wěn)滲率介于0.10～0.53 mm／min之間；華山松林平均入滲速率（2.42 mm／min）較滇楊林（2.16mm／min）、圣誕樹林（2.11 mm／min）、水冬瓜林（1.23mm／min）、荒坡地（0.78 mm／min）分別高出1.12，1.15，1.97和3.10倍；不同森林類型的穩(wěn)滲率也表現(xiàn)出同樣的趨勢，無論是平均入滲率還是穩(wěn)滲率均表現(xiàn)為：華山松林地＞滇楊林地＞圣誕樹林地＞水冬瓜林地＞荒坡地。金沙江流域是西南流域是典型的生態(tài)退化區(qū)，治理退化的生態(tài)環(huán)境對其經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著重要的意義。在進(jìn)行金沙江流域生態(tài)環(huán)境的治理時，營建人工林是一項有效的措施。

（4）土壤滲透初始的滲潤階段發(fā)生在滲透開始的前0—5min時段以內(nèi)；滲漏階段持續(xù)發(fā)生在滲透開始后的60—80min左右；在滲透階段，土壤含水量達(dá)到田間持水量以上，下滲速度趨于穩(wěn)定，該階段主要發(fā)生在入滲80min以后。

（5）研究區(qū)域用雙環(huán)入滲法得出的土壤入滲過程用Kostiakov模型擬合的效果最佳，其次為Philip和Horton模型。

［1］ 張洪江，王禮先.長江三峽花崗巖坡面土壤流失特性及其系統(tǒng)動力學(xué)仿真［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1997：34-36.

［2］ John D V.New linearized two-parameter infiltration equation for direct determination of conductivity and sorptivity［J］.Journal of Hydrology，2010，384（2）：1-13.

［3］ 趙鵬宇，徐學(xué)選，劉普靈.黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤入滲規(guī)律研究［J］.水土保持通報，2009，29（1）：40-44.

［4］ 楊海龍，朱金兆，畢利東.三峽庫區(qū)森林流域生態(tài)系統(tǒng)土壤滲透性能的研究［J］.水土保持學(xué)報，2003，17（3）：63-66.

［5］ 傅斌，王玉寬，朱波，等.紫色土坡耕地降雨入滲試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（7）：39-43.

［6］ 姜海燕，趙雨森，陳祥偉，等.大興安嶺嶺南幾種主要森林類型土壤水文功能研究［J］.水土保持學(xué)報，2007，21

（3）：149-153.

［7］ 王紀(jì)杰，俞元春，陳容.不同栽培代次、林齡的桉樹人工林土壤滲透性研究［J］.水土保持學(xué)報，2011，25（2）：78-84.

［8］ 陳洪松，邵明安.黃土坡地土壤水分運(yùn)動與轉(zhuǎn)化機(jī)理研究進(jìn)展［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（4）：513-520.

［9］ 張治偉，朱章雄，王燕，等.巖溶坡地不同利用類型土壤入滲性能及其影響因素［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（6）：71-77.

［10］ Liu Zhiqin，Lang Nanjun，Wang Keqin.Infiltration Characteristics Under Different Land Uses in Yuanmou Dry-Hot Valley Area［C］∥GCN ：Lecture Notes in Electrical Engineering.2013：567-572.

［11］ Su Ninghu.Theory of infiltration：Infiltration into swelling soils in a material coordinate［J］.Journal of Hydrology，2010，395（1）：103-108.

［12］ Jimenez C C，Tejedor M，Morillas G，et al.Infiltration rate in and soils：Effect of changes in vegetation cover（Tenerife Spain）［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2006，61（3）：153-158.

［13］ 王健，吳發(fā)啟，孟秦倩，等.不同利用類型土壤水分下滲特征試驗研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006，24（6）：159-163.

［14］ Kostiakov A N.On the dynamics of the coeffient of water percolation in soils and on the necessity of studying it from adynamic point of view for purposes of amelioration［J］.Soil Sci.，1932，97（1）：17-21.

［15］ Philip J R.The theory of infiltration about captivity and algebraic infiltration equations［J］.Soil Sci.，1957，84（4），257-264.

［16］ Horton R E.An approach toward a physical interpretation of in filtration capacity［J］.Soil Sci.，Soc.Am.Proc.，1940，5（3）：399-417.

［17］ 陳建剛，李啟軍，侯旭峰，等.媯水河流域不同植被覆蓋條件下土壤入滲及模型的比較分析［J］.中國水土保持科學(xué)，2004，2（3）：22-26.

［18］ 呂剛，張由松，祝業(yè)平.老禿頂子自然保護(hù)區(qū)不同森林類型土壤貯水與入滲特征研究［J］水土保持通報2011，31（1）：109-113.

［19］ 劉麗紅，蔣勇軍，王翱宇，等.巖溶槽谷區(qū)不同土地利用方式土壤入滲規(guī)律研究［J］.水土保持通報，2010，30（4）：51-57.