黃土高寒區典型植被類型土壤入滲特征及其影響因素

李 平,王冬梅,*,丁 聰,劉若莎,張 鵬,張琳琳

1 北京林業大學水土保持學院, 北京 100083 2 沃德蘭特(北京)生態環境技術研究院有限公司, 北京 100101

入滲性能是土壤的主要物理性質,對土壤調節徑流、涵養水源能力有重要作用,也是評價土壤侵蝕的重要指標,研究土壤入滲能力對防治水土流失、改造及恢復植被有重要意義[1]。研究發現土壤容重、孔隙狀況、顆粒組成、水穩性團聚體及有機質含量等都與土壤入滲能力密切相關[2- 6]。土壤理化性質是導致不同研究區域土壤滲透性能存在差異的主要因素之一,但不同研究區主導因子不同,如在青藏高原地區[5]容重、有機質、< 0.1 mm的微粒是影響土壤入滲的主要因素,而在巖溶坡地[2]則為毛管孔隙度和黏粒含量。同樣,不同土地利用類型的土壤入滲性能差異也與其土壤理化性質的差異具有很大相關性。一般來說林地豐富的根系活動導致其孔隙狀況優于草地、容重顯著低于草地從而具有良好的土壤滲透性[2,7-8],但風沙地[3]由于土質疏松、結構松散,荒草地入滲速率較大,林地對土壤的改良作用強于草地,使得土壤質地變好、非毛管孔隙度減少、蓄水能力增強,入滲速率較草地小,丁康等[9]發現長武塬邊坡地的側柏林地由于土壤黏粒含量低不利于形成團聚體且土壤密度較草地大,入滲性能較差；灌木林地地表植被較林地豐富,土質疏松,入滲性能優于林地[10]；與闊葉林相比,針葉林有機質含量高、孔隙較多,入滲能力較強[11]；梯田旱地土壤黏粒含量較高,有機質和孔隙度較低,入滲能力較灌木林地差[12]。此外學者對退耕年限[13-14]及演替進程[15]影響下土壤滲透性能的研究發現：隨種植年限的增加土壤理化性質得到改善,入滲性能逐漸提高；隨演替進展土壤飽和導水率顯著提高,植被演替到頂級群落土壤飽和導水率最高。可見不同研究區甚至同一研究區不同研究對象的土壤入滲特征及影響因素存在差異,但以上研究主要集中在比較不同植被類型、退耕年限、土壤類型的土壤滲透特征,對同一植被不同坡位下的研究缺乏。不同地形部位土壤微氣候的變化會導致土壤條件產生差異,從而影響植被的恢復進程與生長狀況[16]。坡位是重要的地形因子,對林地有機質、氮等養分及水熱狀況的分布有著重要影響[17],植被的多樣性、生物量等存在差異,從而導致不同坡位土壤容重、機械組成等性質發生變化,進而影響土壤的入滲特性。黃土高寒區位于青藏高原與黃土高原交界地帶,生態環境脆弱,是植被重建與生態退耕的重點區域。該地區太陽輻射強烈,不同坡位水熱條件差異明顯,導致植被生長也存在明顯差異,土壤水分是限制該區域植物生長和恢復的主要因子。為減輕水土流失、保護和改善生態環境,該地區2000年開始大規模實行退耕還林工程,水土流失得到極大改善,但在實施過程中不考慮土壤水分條件,在坡面由上至下多配置相同植被,可能會導致植被生長不良,無法充分發揮對環境的改善作用。研究典型植被類型在不同坡位下的土壤入滲特征及其主要影響因子可以更好地了解當前植被分布的合理性,為驗證典型植被攔蓄降雨、涵養水分能力提供數據支撐,為后續植被恢復與調整做出指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于青海省大通縣橋頭鎮安門灘小流域,地處黃土高原西部向青藏高原的過渡帶, 海拔高程2448—2562 m。屬高原大陸性氣候,降水少蒸發大,多年平均降水量506.5 mm,且主要集中在6—9月份,多年平均蒸發量1762.8 mm,最大蒸發量出現在4—6月,屬于典型的黃土高寒區小流域。主要樹種為2000年退耕后種植的青海云杉(Piceacrassifolia)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechii)、祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)、中國沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)等,主要草本植物有密生苔草(Carexcrebra)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserna)等。土壤類型為黃土母質上發育的山地棕褐土和栗鈣土。

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設與土樣采集

研究區位于青海省東部安門灘小流域,2000年進行退耕還林,行間距為3 m×2 m。2018年7月至8月,在流域內選取青海云杉林、華北落葉松林、祁連圓柏林3種典型植被類型設置樣地進行調查,并選擇荒草地作為對照(表1)。按照樣地海拔高度進行坡位分類,樣地實際海拔與坡頂海拔之比為小于1/3的定義為下坡位,1/3—2/3的為中坡位,大于2/3則為下坡位。針對每一種典型植被類型在不同坡位分別布設2個10 m×10 m的樣地進行每木檢尺,確保同一坡位各樣地保持在同一海拔高度上。

每個樣地沿任一對角線的三等分點處挖取2個60 cm深的土壤剖面,用環刀在垂直方向上每隔20 cm分層采集原狀土樣,每層3個重復,共360個樣品。同時,每個土壤剖面分層用“四分法”取擾動土500 g左右裝入布袋帶回室內自然風干,共120袋。

表1 樣地基本情況

1.2.2土壤理化性質測定

室內用定水頭法測定[8]土壤滲透速率；環刀法和烘干法測定土壤容重、土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；利用Mater Sizer 2000 激光顆粒分析儀測定土壤機械組成,并按國際制分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.02 mm)、砂粒(0.02—2 mm)；濕篩法測定>3 mm、3—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、0.25—0.1 mm、<0.1 mm各粒級的水穩性團聚體含量；重鉻酸鉀稀釋加熱法測定有機質含量。

1.3 數據分析

選取Kostiakov方程、Horton方程、通用經驗方程3種常用的模型,在SPSS 18.0中對不同植被類型的土壤入滲過程進行擬合,模型表達及參數意義見前人研究[4,12,18]。在SPSS中進行ANOVA方差分析、Duncan多重比較、Person相關分析,并利用多元回歸、通徑分析提取主導因子。在Origin 8.5中作圖。

2 結果與討論

2.1 不同植被類型土壤入滲特征

由圖1可知,青海云杉林地、華北落葉松林地、祁連圓柏林地、荒草地60 cm土層內穩滲速率均值分別為3.59、2.04、3.01、1.45 mm/min,存在顯著差異性,林地均顯著高于荒草地(P<0.01)。說明相較荒草地,林地具有顯著改善土壤結構,增加入滲的能力。通過比較3種與荒草地的基本理化性質發現(表2),林地容重小于荒草地,孔隙狀況優于荒草地,這是因為林地發達的根系、豐富的地表植被和枯枝落葉增加了土壤孔隙,提高了有機質含量,促進了團聚體的形成,對土壤的改善作用較荒草地顯著,從而提高了土壤的滲透性能[18]。這與姚淑霞等[19]研究結果相同,而徐學選等[9]在黃土高原研究發現退耕年限較短草地表層的飽和導水率大于林地。可能是由于研究區內人類活動劇烈,頻繁放牧,導致荒草地被踐踏、結構變緊密,入滲能力降低。

圖1 不同植被類型土壤入滲特征 Fig.1 Soil infiltration characteristics of different vegetation types不同小寫字母表示不同植被類型滲透性能差異顯著 (PPP>0.01

流域內不同坡位光照水分的再分配不均,制約植被的生長,也影響土壤理化性質的變化。由圖2可知,同一坡位3種林地滲透速率不存在顯著差異性(P>0.05),但仍存在上坡位和下坡位青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松,中坡位青海云杉>華北落葉松>祁連圓柏。這是由于上坡位、下坡位林地總孔隙度、毛管孔隙度表現為：青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松,容重表現為：華北落葉松>青海云杉>祁連圓柏；中坡位3種林地的土壤孔隙度不存在顯著差異(P>0.05),但華北落葉松林地總孔隙度、毛管孔隙度較小,容重顯著大于青海云杉林地、祁連圓柏林地,這是由于華北落葉松為落葉樹種,林下枯落物豐富,但地表植被缺乏,根系分布較少,導致土壤中孔隙較少,導水性能較差,加之林地內人類游憩活動頻繁,踐踏導致土壤容重較大。

3種林地在不同坡位間的土壤滲透速率不存在顯著差異(P>0.05),但仍表現出青海云杉林地、祁連圓柏林地初滲速率和穩滲速率及華北落葉松林地穩滲速率上坡位<中坡位<下坡位。這是由于研究區下坡位土壤水分條件較好,植被生長旺盛,有機質與水穩性團聚體質量分數較高,土壤結構良好,入滲能力較強(表2)。吳欽孝等[20]在黃土丘陵區發現由于降雨侵蝕產生的泥沙細顆粒沿坡面逐漸沉積,堵塞土壤孔隙,導致森林及荒坡草灌小流域沿坡面向下土壤的滲透速率減小；納磊等[21-22]在晉西黃土區研究發現由于不同坡位土壤水分條件的差異,導致下坡位植被生長較上坡位茂盛,同一植被類型均表現為下坡位土壤入滲速率較上坡位高。后者與本研究的結果一致,可能是由于研究區大規模進行退耕還林,人工整地使坡度減緩,泥沙顆粒沿坡面的沉積較弱,且研究區海拔較高、輻射強烈使得下坡位水分條件較中、上坡位好,植被生長茂盛,根系穿插導致土壤孔隙狀況良好,所以下坡位入滲速率較大。

圖2 不同坡位土壤入滲特征Fig.2 Soil infiltration characteristics at different slope positions不同小寫字母表示相同植被類型下不同坡位間滲透速率差異顯著 (PP<0.05

2.2 不同植被類型土壤入滲過程模擬

圖3表明土壤入滲速率隨時間推移逐漸減小,最終趨于穩定。除荒草地外,青海云杉林地、華北落葉松林地、祁連圓柏林地在入滲前期入滲速率有明顯的降低過程。除青海云杉林地中坡位和華北落葉松林地上坡位的土壤入滲速率在40 min左右達到穩定外,其他土壤的入滲速率均在15 min左右即達到穩定。各林地下坡位土壤的穩滲速率明顯高于上坡位和中坡位。將不同林地上、中、下坡位的土壤入滲速率(y)隨時間(t)的變化過程選取不同模型進行擬合,結果如表3所示：青海云杉林地中Horton 模型擬合R2最大介于0.862—0.918,通用經驗模型(R2介于0.614—0.839)擬合效果最差,3種模型對入滲性能最好的下坡位入滲過程的模擬擬合程度最好。華北落葉松林地中,Horton模型(0.827—0.910)擬合程度最好,與Kostiakov模型(0.853—0.899)擬程度的差異不大,通用經驗模型(0.702—0.785)擬合效果最差。對于祁連圓柏林地,3種模型擬合程度為Horton 模型(0.895—0.930)>Kostiakov模型(0.883—0.984)>通用經驗模型(0.756—0.982)。對荒草地入滲過程模擬效果是Kostiakov模型(0.938)>Horton模型(0.938)>通用經驗模型(0.830)。

表2 不同植被類型土壤物理化性質比較

圖3 坡面入滲速率隨時間變化Fig.3 The variation of infiltration rate with time on the slope-surface

表3 入滲模型模擬結果

y表示土壤入滲速率(mm/min),t表示自開始滲水后第tmin(min)

綜上所述,Horton模型對不同植被類型的土壤入滲過程模擬的擬合精度均在0.8以上；Kostiakov模型除青海云杉林地上坡位擬合精度稍差(0.727),其他部位均大于0.85,但在t趨向0和趨向正無窮時,穩滲速率趨向無窮大和0,不符合實際情況；通用經驗模型擬合精度較差,決定系數在0.614—0.982之間。這與劉目興等[1]在三峽庫區研究結果一致。對比不同林地模型的模擬效果發現,對祁連圓柏林地的擬合程度最高。劉潔等[23]在元謀干熱河谷研究發現通用經驗方程最適于描述該流域的土壤入滲過程,閆東峰等[18]發現Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型均適合丹江口水庫地區,李志等[24]在武功山研究則發現通用經驗模型更適合草甸土壤。說明不同研究區域、不同研究對象模型的適應性不同。

2.3 土壤水分入滲的影響因素

2.3.1土壤理化性質對入滲的影響

本研究選取與土壤結構密切相關的16個因子(表4)與土壤初滲速率、穩滲速率進行相關分析可以發現：

穩滲速率、初滲速率均與土壤容重呈極顯著負相關關系(P<0.01),與總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關關系(P<0.01)。容重是土壤的基本物理性質,它的大小間接反映了土壤的緊實程度、透氣透水能力[25]。容重越大土壤越緊實,則孔隙度隨之減少,土壤透氣透水能力下降,入滲速率減小[12]。土壤孔隙度、容重與土壤入滲能力對應較好,土壤容重小、孔隙度大的土壤入滲能力較強,由表1可知坡面向下林地土壤總孔隙、毛管孔隙度增大,容重減小,土壤滲透性能增強。

穩滲速率、初滲速率與>3 mm、>1 mm、>2 mm、>0.5 mm、>0.25 mm、>0.1 mm水穩性團聚體呈極顯著正相關關系(P<0.01),與<0.1 mm團聚體呈極顯著負相關關系(P<0.01),其中與>0.25 mm的團聚體相關性最高,表明入滲速率受>0.25 mm 團聚體的影響最大。土壤團聚體是反映土壤結構優劣的主要指標之一,良好的團聚結構對保持土壤水分、肥力有著重要作用進而促進植物生長根系發育。土壤團聚結構越好,其孔隙越多、持水性、通透性越好[9]。二者還與有機質呈極顯著正相關關系(P<0.01),相關系數較高(0.665、0.663)。土壤有機質對促進團粒結構的形成、維持土壤結構穩定有著重要作用,有機質含量越多,土壤團粒結構就越多,從而具有良好的透氣透水能力,促進土壤入滲[6]。

穩滲速率、初滲速率與土壤機械組成、土壤含水量均沒有顯著相關性(P>0.05)。與高嬋嬋等人研究結果相同[8]。

表4 土壤入滲性能與影響因子相關性分析

2.3.2影響土壤入滲性能主導因素篩選

在SPSS中對以上16個與土壤滲性性能密切相關的因子進行主成分分析,結果如表5所示。表5表明,16個因子可概括為4個獨立的主成分,累計貢獻率82.959%,可用來解釋對土入滲性能的影響。第1個主成分因子主要由水穩性團聚體決定,貢獻率為45.219%,>2 mm、>1 mm、>0.5 mm、>0.25 mm的水穩性團聚體有較高載荷,該類土壤有機質、水穩性團聚體含量高,同時有較高的非毛管孔隙度和總孔隙度；第2個主成分因子主要由土壤機械組成決定,方差貢獻率為18.599%,粘粒、粉粒含量高,砂粒含量極低(-0.966),三者載荷均較高；第3個主成分因子主要由土壤孔隙狀況決定,總孔隙度、毛管孔隙度、容重在第3主成分上載荷較高；第4個主成分因子主要由土壤含水量決定,載荷量為0.940。

表5 土壤水分入滲能力的PCA分析

選擇由主成分分析中載荷較高的11個因子共60組數據作為自變量分別和因變量穩滲速率(Y1)、初滲速率(Y2)進行多元逐步回歸,篩選出主要影響因子,經檢驗二者符合正態分布。結果顯示：

Y1=-3.391-4.767X1+7.890X2+13.693X3,R2=0.818,P<0.001

Y2=-18.393+10.196X2+69.626X3-42.721X4,R2=0.781,P<0.001

式中,X1：容重,X2：>0.25 mm團聚體,X3：總孔隙度,X4：毛管孔隙度

可知,影響穩滲速率的主要因子為容重、>0.25 mm團聚體、總孔隙度,影響初滲速率的主要因子為>0.25 mm團聚體、總孔隙度、毛管孔隙度。為了判斷已篩選的因子分別對穩滲速率和初滲速率的影響程度,進一步進行通徑分析。

由表6可知,初滲速率與相關因子的直接通徑系數絕對值大小為>0.25 mm團聚體質量分數<毛管孔隙度<總孔隙度,總孔隙度的直接通徑系數最大,為0.939,對初滲速率產生的直接正效應最強,說明總孔隙度越大,初滲速率越大；同時通過毛管孔隙度、>0.25 mm團聚體間接對初滲速率產生的負效應最弱(-0.178)。>0.25 mm團聚體對初滲速率的直接正效應最弱(0.404),其通過總孔隙度和毛管孔隙度對初滲速率的間接正效應較強(0.361)。毛管孔隙度對初滲速率有著極顯著的負向作用,可見土壤毛管孔隙度越多,初滲速率有減小趨勢；但毛管孔隙度與初滲速率呈極顯著正相關關系(0.544),這是毛管孔隙度對初滲速率直接效應(-0.446)受到總孔隙度間接正效應(0.846)綜合影響,導致毛管孔隙度對初滲速率的直接效應不能通過二者的相關系數大小顯示出來。通過計算決策系數可知,毛管孔隙度決策系數絕對值最大,且是負值,說明是初滲速率的主要限制因子。(Durbin Watson2.213,剩余通徑系數=0.468)

表6 土壤主要物理因子對土壤初滲速率的通徑系數

X2：>0.25 mm團聚體 >0.25 mm aggregate；X3：總孔隙度 Total porosity；X4：毛管孔隙度 Capillary porosity

由表7可知,>0.25 mm團聚體質量分數與總孔隙度對穩滲速率表現出極顯著的正向作用,說明二者對穩滲速率的增大有明顯的促進作用。容重對穩滲速率具有極顯著的負向作用,表明隨著容重增大穩滲速率有減小趨勢。>0.25 mm團聚體的直接通徑系數最大,為0.460,對穩滲速率產生的直接正效應最強,同時通過容重、總孔隙度間接對穩滲速率產生的正效應最弱(0.315)；總孔隙度對穩滲速率的直接正效應最弱(0.271),但其通過容重、>0.25 mm團聚體對穩滲速率的間接正效應最強(0.518)。容重對穩滲速率的直接負效應較弱(-0.323),通過>0.25 mm團聚體、總孔隙度間接對穩滲速率產生的負效應較強。由決策系數可知,>0.25 mm團聚體單獨作用排序第1,容重排序第2,總孔隙度排序第3,所以>0.25 mm水穩性團聚體是影響穩滲速率的主要決策因子。沿坡面向下,容重減小降低了土壤緊實度,提高總孔隙度和>0.25 mm水穩性團聚體含量,進而提高了土壤的穩滲速率[15]；總孔隙度、>0.25 mm水穩性團聚體含量沿坡面向下逐漸增大,土壤容重減小孔隙性提高,進而促進土壤入滲。(Durbin Watson 1.767,剩余通徑系數=0.426)

表7 土壤主要物理因子對土壤穩滲速率的通徑系數

X1：容重 Soil bulk density

通徑分析發現土壤物理因子與初滲速率、穩滲速率的剩余通徑系數較大,均在0.4以上,說明存在重要因素未考慮,如作物根系分布、根長密度、土壤生物等。研究表明根系作為植物的重要功能器官,它的構型及生長狀況反映了植被對環境的適應及對土壤的固持,改良了土壤的緊實度,強化了土壤的抗侵蝕能力,是水土流失防治的關鍵[26]。根系一方面在土壤中的穿插、分割等作用增加了土壤中的大孔隙,改善土壤滲透性能；另一方面根系的代謝還會產生有機化合物膠結土壤顆粒,促進團聚體的形成,進而影響土壤的滲透性能[27]。王國彬等[28]研究發現土壤有效孔隙度和根長密度是影響表層土壤穩定入滲的主要因子；王意錕等[29]發現土壤的滲透指標均隨根長密度的減少而變小；閆東鋒等[18]研究發現土壤的入滲速率與根長密度、根體積密度及根系生物量均存在顯著或極顯著的相關關系,相關系數均在0.85以上,且數量多、密度大的0.5—1 mm、1—2 mm徑級的根系改善土壤入滲性能的作用最強；徐少君等[30]發現根系的根長密度、根表面積密度越大,土壤抵抗水蝕的能力越強,且徑級越小的根系與土壤抗水蝕增強系數的相關性越大；王鑫皓等[31]研究發現傾斜根、垂直根影響土壤水分的縱向運動,數量越多土壤穩滲速率越大,水平根系能阻止水分下滲,數量越多穩滲速率越小。除根系在土壤中的纏繞串聯改善土壤理化性質外,土壤動物在土中的筑穴、挖掘、促進有機物分解等活動也進一步了改善土壤理化性質,增強土壤通透性,進而影響土壤中水分入滲[29]。王意錕等[32]發現在毛竹林中土壤動物的數量會隨著土壤密度的增大而減少,土壤動物的優勢類群與土壤的有機質含量、pH、全N含量具有正相關關系。土壤入滲特征與多數大中型節肢動物、小型節肢動物的密度存在正相關關系,這些動物的減少不利于土壤水分入滲[29]。毛竹林的長期覆蓋會限制土壤動物活動,惡化土壤性質,減弱土壤入滲,最終導致林地退化[29]。微生物是土壤動物的食物來源,它們的生物量及活性會因動物取食而提高[33]。土壤微生物作為土壤生態系統重要的組分之一,參與眾多土壤過程,土壤酶活性作為生物催化劑,具有重要作用。研究發現土壤滲透特性指標與細菌、放線菌含量和蛋白酶、脲酶活性極顯著或顯著相關,初滲速率、平均滲透速率與多酚氧化酶活性顯著相關,說明土壤生物因子能夠改善土壤環境,加速土壤風化和養分循環,最終提高土壤滲透性能[34]。因試驗時間關系未對以上因子進行詳細調查,將在后續研究中進行完善。

3 結論

(1)不同植被類型的入滲速率存在顯著差異,初滲速率和穩滲速率均表現為青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松>荒草地；同一坡位三種植被類型滲透速率不存在顯著差異性,但仍表現出上坡位和下坡位青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松,中坡位青海云杉>華北落葉松>祁連圓柏；同一植被類型在不同坡位的土壤入滲不存在顯著差異,青海云杉林地、祁連圓柏林地土壤滲透性能及華北落葉松林地穩滲速率均表現為上坡位最差、下坡位最好,華北落葉松林地初滲速率在中坡位最大、下坡位最小.

(2)對不同坡位的3種林地及荒草地的入滲過程進行模擬,擬合精度最高的是Horton模型,均在0.8以上；Kostiakov模型除在青海云杉林地上坡位擬合精度稍差(0.727),其他部位均大于0.85；通用經驗模型擬合精度總體較差,決定系數在0.614—0.982之間,但對青海云杉林地和祁連圓柏林地的中、下坡位及荒草地的擬合精度較高。

(3)土壤入滲性能與孔隙狀況、水穩性團聚體質量分數、有機質含量均有極顯著正相關性,與容重呈極顯著負相關性。主成分分析結果表明影響因子可歸為4個主成分,分別為水穩性團聚體因子、土壤機械組成因子、土壤孔隙狀況因子、土壤水分因子,累計貢獻率為82.959%。多元分析可知影響初滲速率的主要因子為>0.25 mm團聚體、總孔隙度、毛管孔隙度,影響穩滲速率的主要因子為容重、>0.25 mm團聚體、總孔隙度。通徑分析可知,總孔隙度是影響初滲速率最主要的決策因素,而毛管孔隙度是主要的限制因子；>0.25 mm團聚體質量分數是影響穩滲速率的主要決策因素。二者的剩余通徑系數較大(0.468、0.426),說明滲透速率的影響因子還有部分未考慮。