蘭州市南北兩山5種典型人工林土壤的滲透特性

劉小娥, 蘇世平, 李 毅

(甘肅農業大學 林學院, 甘肅, 蘭州 730070)

水源涵養功能是森林生態系統的重要功能之一，森林土壤是森林涵養水源的主體，該功能的85%以上由土壤層實現[1]。土壤滲透性是評價土壤入滲快慢的重要參數之一[2]，滲透性好，對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、孔隙度等物理性質關系顯著或極顯著，與土壤有機質、氮、磷、鉀等化學性質有直接或間接的關系[3]。也有研究表明，土壤滲透能力與林分立地條件和樹種組成以及土壤生物因子等有密切關系[4-6]。目前，有關不同立地、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，可能不能準確評價林分對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、不同樹種組成的林分土壤滲透能力，有助于揭示樹種對土壤改良的能力，可為特定區域人工林營造時樹種選擇提供一定的理論依據。

甘肅省蘭州市南北兩山是蘭州市重要的生態屏障，由于地處黃土高原半干旱區，土壤貧瘠，保水能力差，導致植被天然恢復困難，在植被人工恢復過程中，大規模采用側柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、新疆楊(Populusalbavarpyramidalis)作為該區域的主要造林樹種，所營造的人工林在保持水土、涵養水源方面發揮著重要的作用。目前，對蘭州市南北兩山人工林的研究主要集中在樹種選擇[7-8]、群落結構[9]、林分養分、水分、微生物等[10-11]方面，而對于土壤滲透性方面的研究僅見對側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，揭示其滲透規律，探討影響林分滲透能力的主導因子，為該區域人工林營建過程中樹種選擇及現有林分的撫育管理提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

蘭州市南北兩山位于黃土高原丘陵區，年均降水量327.7 mm，年均蒸發量1 468 mm，年均氣溫9.1 ℃；氣候干旱，降水稀少，屬中溫帶半干旱區溫帶草原氣候[13]。南山東起榆中縣和平鎮營盤水，西至西固區新城鄉新城橋，南至七里河區阿干鎮現子口；北山東起城關區青白石鄉張兒溝，西至西固區達川鄉達家溝，南臨黃河，北至蘭州中川機場，東西長約60 km，南北寬約5～50 km。

1.2 試驗設計

本研究選取該區域面積較大、分布較廣的5種人工林進行土壤滲透特性研究。各林分組成為：側柏林(Platycladusorientalis)，喬木層為側柏，林內無其他喬木和灌木；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，樹種組成比例為5新疆楊+5刺槐(數量比例)，灌木層為少量檉柳和白榆幼苗；側柏+刺槐混交林，喬木層為側柏和刺槐組成，樹種組成比例為3側柏+7刺槐(數量比例)，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表1。

2019年8月，在蘭州市南北兩山選擇造林時間基本一致、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個海拔和林相基本一致的代表性林分，北山2個(為九州臺和徐家山)，南山1個(為大洼山)；每種林分類型設立3個10 m×10 m代表性樣地，調查林分樹種組成及生長狀況(表1)。在每個樣地內沿對角線方向隨機選取3個1 m×1 m小樣方進行土壤剖面挖掘，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的環刀取原狀土，每土層3個重復，每種林分類型每土層總共取樣27個；將所取樣品帶回實驗室進行土壤滲透性測定。

表1 蘭州市南北兩山不同林分類型基本概況

1.3 土壤理化性質測定

采用雙環滲透法測定土壤入滲過程[14]。在室外用環刀取原狀土，帶回室內浸入水中12 h，然后將環刀取出，上面套上一個大小相似的空環刀，接口處先用膠布封好。往上面的空環刀中加水，水層厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時開始計時，之后隔1，2，3，4，5，6 min,…,測量并記錄一次通過土柱滲透出的水量。測定過程中要不斷將上面環刀水面加至原來高度，一直測到4個單位時間內滲出水量相等時為止。

初滲速率=最初入滲時段內滲透量/入滲時間

平均滲透速率=達到穩滲時的滲透總量/達到穩滲時的時間

穩滲速率=單位時間內滲透量穩定后的滲透速率

滲透總量=前150 min鐘內的滲透量

物理性質：采用環刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度；用烘干法測定土壤自然含水率。化學性質：土壤 pH值采用電位法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用半微量開氏法測定；土壤無機氮采用KCl浸提，連續流動分析儀測定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提比色法測定；土壤全鉀采用火焰光度法測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度法測定。

1.4 土壤水分滲透過程模擬

結合前人研究結果[15-16]，本研究選取4個常用的土壤水分滲透模型對不同林分不同土壤層入滲過程進行過擬合。Kostiakov模型為：y=αt-β，Horton模型為：y=α+βe-nt，Philip模型為：y=α+βt-1/2，通用經驗模型為：y=α+βt-n。式中：y為入滲速率(mm·min-1)；t為入滲時間(min)；α，β，n為擬合參數。

1.5 數據處理

采用SPSS 17.0軟件進行主成分分析、相關性分析和土壤水分滲透過程擬合。

2 結果與分析

2.1 不同林分土壤滲透性能

水分的入滲過程是一個復雜的水文過程，土壤的初滲速率、穩滲速率、平均滲透速率和滲透總量是評價土壤水分入滲的重要指標。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系[17-18]。

從圖1可以看出，土壤初滲速率、穩滲速率、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個土壤滲透參數均表現為新疆楊+刺槐混交林>側柏+刺槐混交林>刺槐林>側柏林>新疆楊林，新疆楊+刺槐混交林的初滲速率、穩滲速率、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個土壤滲透參數在土層之間差異顯著，隨著土層深度的增加均呈現降低的趨勢，0—20 cm土壤層的初滲速率、穩滲速率、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。

為了綜合評價不同林分類型土壤滲透性能的差異，以土壤初滲速率、穩滲速率、平均滲透速率和滲透總量為指標進行主成分分析發現(表2)，第1主成分的方差累計貢獻率達98.08%，幾乎解釋了整個總方差，信息損失量很少。因子負荷量表明，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、穩滲速率經過Z標準化的值)。

表2 土壤滲透性主成分分析

注：PO為側柏林； RP為刺槐林； PA為新疆楊林。下同。

根據第一主成分方程，計算蘭州市南北兩山5種林分不同土壤層的土壤滲透性能得分，并根據得分進行排名(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，但均表現為新疆楊+刺槐混交林的最好。從平均得分來看，新疆楊+刺槐混交林的土壤滲透性最佳，側柏+刺槐混交林次之，側柏林最小。

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價

2.2 不同林分土壤水分入滲過程模擬

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

表4 不同林分不同土層土壤入滲模型

2.3 土壤理化性質對土壤滲透性能的影響

土壤的滲透性能與土壤的理化性質存在相關性(表5)。土壤的滲透性與土壤初始含水率、總孔隙度、有機質含量、全氮、無機氮呈極顯著正相關，與毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈顯著或極顯著正相關，與土壤容重呈極顯著負相關。

表5 土壤理化性質與滲透性相關關系矩陣

根據相關性分析的結果，選擇與土壤滲透性極顯著或顯著相關的8個因子進行主成分分析(表6)，第1主成分貢獻率為94.07%，負荷量在0.954 0以上，其中土壤孔隙度、土壤容重和土壤有機質在第1組分量分負荷度較大，表明與土壤滲透性顯著相關的土壤理化性質的第1主成分表達了絕大多數信息，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個土壤理化性質參數主成分分析

根據主成分分析結果，將α解釋為土壤滲透性，將β解釋為土壤理化性質主成分，將α定義為土壤滲透性綜合參數，β為土壤理化性質參數，將滲透總量等4個土壤滲透參數以及土壤滲透性綜合參數的標準化主成分得分為因變量，以為土壤理化性質參數β為自變量進行過回歸分析，得到他們之間的回歸方程(表7)。

表7 β與土壤滲透參數及α的回歸模型

3 討 論

(1) 通過對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)，土壤滲透性能呈現降低趨勢。不同林分滲透能力不盡相同，表現為：新疆楊+刺槐混交林>側柏+刺槐混交林>刺槐林>側柏林>新疆楊林，混交林土壤的滲透性優于純林。產生上述結果的原因之一可能是混交林深根系與淺根系互補分布于土壤中，通過根系的生長、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，相關研究發現[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，較多的枯落物經分解形成比較多的有機質(10.14～11.67 g/kg)，而土壤有機質含量和土壤滲透性存在極顯著正相關關系[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，混交林由于不同樹種樹冠層次不同，所構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光照，增加林地濕度，增加土壤生物[25-26]。但本研究也發現，盡管側柏林地的郁閉度為0.85，在5種林分中屬最高，但是其土壤自然含水量低，這可能與其樹種類型有關，在相同郁閉度的情況下，側柏林分要比其他林分具有更高的冠層葉表面積，對降雨的截留也會更高，導致降落到林地的降雨量減少[27]。

(2) 本研究通過對涉及土壤理化性質的13個因子進行相關性分析表明，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關系，這與李建興等[28]、閆東鋒等[29]的研究結果一致，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，縮短了滲透時間，最終提高了土壤的滲透能力。

4 結 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為：新疆楊+刺槐混交林>側柏+刺槐混交林>刺槐林>側柏林>新疆楊林，混交林均大于純林。

(3) 通用經驗方程對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5種人工林土壤水分入滲過程。

(4) 篩選出能表征該區域土壤滲透性的主要土壤理化性質參數依次為：總孔隙度、容重、初始含水率、有機質、無機氮、全氮、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。