蘭州市南北兩山不同灌叢土壤滲透特性

蘇世平, 劉小娥, 李 毅

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

土壤是林木賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是森林水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮的重要場(chǎng)所，降水到達(dá)林地后，絕大部分以土壤水的形式儲(chǔ)存在土壤中供植物吸收利用，因此土壤水分滲透過程的快慢以及滲透能力的高低能嚴(yán)重影響土壤對(duì)水分的再分配[1]。土壤的理化性質(zhì)嚴(yán)重制約著土壤對(duì)降水的再分配，有研究表明[2]，土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)對(duì)土壤滲透能力影響顯著或極顯著，土壤有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素、鉀素等化學(xué)性質(zhì)也與土壤滲透能力有直接或間接關(guān)系。也有研究表明土壤的滲透能力與立地條件、土壤特性、林分樹種組成以及土壤生物因子有關(guān)[3-5]，目前有關(guān)土壤滲透特性研究多集中在土壤物理性質(zhì)對(duì)滲透能力的研究方面[3,6]，而對(duì)化學(xué)性質(zhì)和滲透性的關(guān)系研究中，多集中在有機(jī)質(zhì)含量方面[7]，而對(duì)氮、磷、鉀等化學(xué)性質(zhì)關(guān)注不夠。在土壤入滲過程研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了諸如菲利普(Phillip)、霍頓(Horton)、霍爾坦(Holtan)等著名的模型及經(jīng)驗(yàn)公式，定量的描述和模擬了土壤水分的入滲過程，但是，不同的林分及立地條件下，所得到的最佳模型各有不同，有人認(rèn)為Horton[8]模型最優(yōu)，也有人認(rèn)為Horton模型以及Kostiakov模型擬合精度不及Philip模型[9]，而楊海龍等通過對(duì)三峽庫(kù)區(qū)林地土壤入滲過程研究表明，Kostiakov模型能更好的描述林地土壤入滲過程[10]，造成這種不同結(jié)論的原因可能與研究區(qū)樹種組成和立地條件有關(guān)。因此，對(duì)相同立地條件下，起源、林齡相同的林分滲透特性以及其與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的研究，有助于揭示樹種在土壤滲透能力方面的改良能力，可為特定區(qū)域植被恢復(fù)時(shí)人工林營(yíng)造時(shí)樹種的選擇以及對(duì)現(xiàn)有林分改造時(shí)提供一定的參考依據(jù)。

蘭州市南北兩山位于黃土高原西端，屬半干旱區(qū)，干旱少雨，土壤瘠薄，保水能力差，降水后易發(fā)生徑流，造成水土流失，因此，自1926年進(jìn)行人工造林[11]，經(jīng)過80多年的人工植被恢復(fù)，目前，兩山基本被綠化，大面積的人工林在保持水土、減少地表徑流方面發(fā)揮著重要的作用。本文以蘭州市南北兩山不同類型灌叢為研究對(duì)象，對(duì)相同立地條件下，起源和林齡相同的人工灌叢的土壤滲透特性以及影響因子進(jìn)行研究，探討土壤理化性質(zhì)與土壤滲透性的關(guān)系，旨在揭示植被—土壤在相互作用過程中，不同林分土壤滲透特性及滲透規(guī)律，明確影響林分土壤水分滲透性能的主要因子，為蘭州市南北兩山今后在人工林營(yíng)建及現(xiàn)有林分撫育管理中，通過林學(xué)措施，改善林地滲透能力，最大限度地利用降水，增加林地土壤水分含量，促進(jìn)林分生長(zhǎng)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)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)，區(qū)內(nèi)氣候干旱，降水稀少，且降水多集中在秋季，年降水量327.7 mm，年蒸發(fā)量1 468 mm，年均氣溫9.1℃，屬于典型的中溫帶半干旱區(qū)溫帶草原氣候[12]，區(qū)內(nèi)天然植被稀少，以人工植被為主，主要灌木造林樹種為千頭柏(Platycladusorientaliscv.sieboldii)、紅砂(Reaumuriasoongorica)、檉柳(Tamarixchinensis)、紅花錦雞兒(Caraganarosea)、檸條(CaraganaKorshinskii)等耐旱樹種[13]。本研究選取該區(qū)域面積較大、分布較廣的4種人工灌叢行土壤滲透特性研究，樣地樹種組成及其他基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年8月在蘭州市南北兩山選擇造林時(shí)間基本一致、立地條件基本相同的4種類型人工灌叢(千頭柏、紅砂、紅花錦雞兒、檉柳)，每灌叢類型選取3個(gè)海拔、灌木密度基本一致的代表性灌叢，其中，北山兩個(gè)，為九州臺(tái)和徐家山，南山一個(gè)為大洼山，每灌叢設(shè)立10 m×10 m代表性樣地3個(gè)，調(diào)查各灌叢內(nèi)的植物種類(表1)，之后沿對(duì)角線方向在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)立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 cm，20—40 cm，40—60 cm，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)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤滲透性測(cè)定。

1.3 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

采用雙環(huán)刀法測(cè)定土壤入滲過程[14];初滲率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間;平均滲透速率=穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間;穩(wěn)滲率=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內(nèi)的滲透量;物理性質(zhì)：土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度采用雙環(huán)刀法測(cè)定；土壤自然含水率用烘干法測(cè)定。化學(xué)性質(zhì)：電位法測(cè)定土壤 pH；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氏法測(cè)定；土壤無機(jī)氮采用KCl浸提后用連續(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。以上方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進(jìn)行測(cè)定[15]。

1.4 土壤水分滲透過程模擬

結(jié)合前人研究結(jié)果[16-17]，本研究選取4個(gè)常用的土壤水分滲透模型對(duì)4種灌叢各土壤層水分入滲過程進(jìn)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閥=α+βt-n；式中：y為入滲速率(mm/min)；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)行相關(guān)性分析、主成分分析和水分滲透過程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌叢類型土壤滲透性能

土壤水分入滲過程是一個(gè)復(fù)雜的水文過程，受到林地生物因素和非生物因素的影響[18-19]，要提高林地的水土保持能力，最重要的措施是提高林地的土壤水分入滲能力，而土壤水分的初滲率、穩(wěn)滲率、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)。通過對(duì)蘭州市南北兩山4種不同類型灌叢土壤滲透參數(shù)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，4個(gè)土壤滲透參數(shù)在土層之間差異顯著，各灌叢類型隨土層深度的增加(0—80 cm)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖1)，初滲率在0.22～2.66 mm/min，穩(wěn)滲率在0.06～1.39 mm/min，平均滲透速率在0.06～1.53 mm/min之間，滲透總量在3.59～88.83 mm。0—20 cm土壤層的初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和滲透總量分別是60—80 cm的5.20，12.51，11.78，11.72倍。

土壤滲透性能在不同灌叢類型間差異較大，總體表現(xiàn)為紅花錦雞兒>紅砂>千頭柏>檉柳，其中，紅花錦雞兒的初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和滲透總量分別為1.46 mm/min，0.64 mm/min，0.75 mm/min和42.91 mm，分別是檉柳灌叢的2.27，1.98，2.07，2.05倍。

圖1 不同灌叢類型土壤滲透性

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)4種灌叢土壤滲透能力，對(duì)土壤滲透性相關(guān)的4個(gè)入滲參數(shù)進(jìn)行PCA(主成分)分析，以解釋他們對(duì)土壤滲透能力的貢獻(xiàn)。PCA分析結(jié)果表明(表2)，第一主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到99.64%，可以解釋整個(gè)方差，第一主成分因子正荷載量相差不大，以滲透總量和平均滲透速率最大，均為0.999 6，可以解釋為土壤入滲能力的量度，其次為平均初滲率和穩(wěn)滲率，表明滲透總量和平均滲透速率是影響土壤滲透性的關(guān)鍵因子。主成分方程為α=0.5025α1+0.5032α2+0.4930α3+0.5012α4(α1，α2，α3，α4為滲透總量、平均滲透速率、初滲率、穩(wěn)滲率經(jīng)過Z標(biāo)準(zhǔn)化的值)。

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)4個(gè)灌叢類型土壤水分的入滲能力，根據(jù)主成分分析結(jié)果，采用第一主成分方程對(duì)各灌叢各土層土壤滲透性能進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)得分進(jìn)行排序。盡管不同灌叢在同一土層排序高低有別，但紅花錦雞兒和紅砂灌叢均排在前兩名，平均得分排序?yàn)榧t花錦雞兒>紅砂>千頭柏>檉柳(表3)。

表2 土壤滲透性主成分分析

2.2 不同灌叢類型土壤水分入滲過程模擬

土壤入滲模型可以表征土壤水分入滲速率與入滲時(shí)間之間的變化規(guī)律，能定性或定量的評(píng)價(jià)土壤水分的入滲過程，是研究土壤滲透能力的重要手段[2]。本研究利用考斯加科夫(Kostiakov)等4個(gè)模型對(duì)蘭州市南北兩山4種灌叢0—80 cm各土壤層入滲速率與入滲時(shí)間的變化過程進(jìn)行擬合。4個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)R2介于0.784～0.997(表4)，相關(guān)性均達(dá)到了顯著水平，但不同模型平均擬合優(yōu)度存在變化，其中，Kostiakov方程擬合優(yōu)度為0.784～0.997，平均值為0.924；Horton方程擬合優(yōu)度為0.963～0.997，平均值為0.985，Philip方程擬合優(yōu)度為0.870～0.993，平均值為0.957，通用經(jīng)驗(yàn)方程擬合優(yōu)度為0.943～0.997，平均值為0.980，從擬合優(yōu)度(R2)考慮，Horton方程最佳，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0.219，Horton方程為0.193，Philip方程為0.304，Kostiakov方程為0.256，結(jié)合殘差和R2，以30%的入選率從64個(gè)擬合方程中選出19個(gè)土壤水分入滲最優(yōu)模型，其中Horton方程9個(gè)，通用經(jīng)驗(yàn)方程6個(gè)，Philip方程4個(gè)，Kostiakov方程0個(gè)，所以Horton模型方程比較適合于描述本研究區(qū)4種灌叢土壤水分入滲過程。

表3 不同灌叢類型林地土壤滲透性評(píng)價(jià)

表4 不同灌叢類型不同土層土壤入滲方程

2.3 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤滲透性能的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體，其理化性質(zhì)對(duì)土壤滲透性能存在直接或間接的影響，為了探索土壤滲透性能與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，對(duì)初滲率等4個(gè)滲透參數(shù)與土壤容重等13個(gè)理化參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，土壤的滲透性能與土壤容重等9個(gè)理化性質(zhì)存在相關(guān)性(表5)。其中，土壤滲透性與總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、無機(jī)氮、速效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)，與土壤初始含水率、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)。

選擇與土壤滲透性關(guān)系顯著或極顯著的9個(gè)土壤理化參數(shù)進(jìn)行主成分分析(表6)，結(jié)果表明，第一主成分貢獻(xiàn)率為68.046，為土壤容重、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、無機(jī)氮、速效磷、速效鉀7個(gè)因子，因子負(fù)荷量均在0.640 9以上，以土壤有機(jī)質(zhì)、土壤容重和總孔隙度最高，分別為0.984 2，-0.964 7，0.964 7；第二主成分為非毛管孔隙度，第三主成分為土壤初始含水率。其中第一主成分表達(dá)了絕大多數(shù)信息，與土壤滲透性關(guān)系極顯著，其成分方程為β=-0.3909β1+0.2429β2+0.3909β3+0.16138β4+0.3977β5+0.3719β6+0.3119β7+0.2590β8-0.3855β9(βi為各參數(shù)經(jīng)過Z標(biāo)準(zhǔn)化的值)。

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，以土壤理化性質(zhì)參數(shù)β為自變量進(jìn)行回歸分析，得到他們之間的回歸方程(表7)。

3 討 論

通過對(duì)蘭州市南北兩山4種典型灌叢土壤滲透特性研究表明，在研究土層深度范圍內(nèi)(0—80 cm)，各灌叢類型土壤滲透性隨土層深度的增加而降低，滲透性在灌叢類型間差異明顯，整體表現(xiàn)為紅花錦雞兒>紅砂>千頭柏>檉柳，PCA分析結(jié)果表明，同一灌叢在不同土層深度其滲透性排序不盡相同，但總體排序?yàn)榧t花錦雞兒>紅砂>千頭柏>檉柳。原因可能與紅花錦雞兒灌叢比較高的密度和郁閉度有關(guān)。高的密度能為林地提供更多的凋落物，凋落物分解形成有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)能改善林地的土壤結(jié)構(gòu)。高的郁閉度能有效減少林地水分蒸發(fā)，提高林地土壤含水量和林內(nèi)濕度，為土壤動(dòng)物和微生物的生長(zhǎng)和棲息提供有利的條件。而本研究中，千頭柏作為大灌木，盡管其密度和郁閉度相對(duì)比較高，但是由于其特殊的樹種生物學(xué)特性，導(dǎo)致其林地土壤滲透能力不高，這可能與側(cè)柏凋落物含油脂分解緩慢，鱗葉養(yǎng)分含量低、對(duì)林地有機(jī)質(zhì)返還數(shù)量有限[20]，林地自肥能力差有關(guān)[21]。也可能與千頭柏的樹冠結(jié)構(gòu)和葉型有關(guān)，在相同郁閉度的情況下，千頭柏林分要比其他林分具有更厚的冠層和葉表面積，對(duì)降水的截留量也會(huì)更高，導(dǎo)致降落到林地的降水量減少[22]，造成林地干燥，凋落物的分解緩慢，有機(jī)質(zhì)輸入減少，林地生物也少。有研究表明，森林通過凋落物來增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)在改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙，進(jìn)而提高土壤的水源涵養(yǎng)能力[7]。高的土壤有機(jī)質(zhì)含量，能為土壤動(dòng)物、微生物的生長(zhǎng)提供碳源，土壤生物的活動(dòng)，也能改善土壤結(jié)構(gòu)[23]。

表5 土壤理化性質(zhì)與滲透性相關(guān)關(guān)系矩陣

表6 9個(gè)土壤理化性質(zhì)參數(shù)主成分分析

表7 土壤滲透參數(shù)及α與β之間的回歸方程

本研究發(fā)現(xiàn)，在所測(cè)定的13個(gè)土壤理化性質(zhì)中，有8個(gè)因子與土壤的滲透性關(guān)系極顯著或顯著，表明土壤的理化性質(zhì)綜合作用于土壤的滲透能力，PCA分析表明，土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量以及總孔隙度對(duì)土壤滲透能力具有決定性的作用，屬于主導(dǎo)因子(因子負(fù)荷量均在0.967 4以上)，是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)具有疏松多孔、質(zhì)輕的特點(diǎn)[24-25]，土壤中有機(jī)質(zhì)含量如果高，則單位體積土壤的重量(土壤容重)相應(yīng)降低。土壤孔隙度升高，尤其是非毛管孔隙度升高，會(huì)導(dǎo)致土壤的透水滲水能力顯著增加。有研究表明，土壤的滲透性與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與總孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)[26-28]，也有研究表明，土壤中凋落物的增加，能夠增加結(jié)構(gòu)孔隙，促進(jìn)土壤非毛管孔隙的發(fā)育，而非毛管孔隙的增加有利于土壤水分的入滲[29]。

土壤入滲過程是一個(gè)復(fù)雜的水文過程，不能簡(jiǎn)單的以擬合優(yōu)度(R2)的大小來評(píng)判模型的好壞，需要結(jié)合擬合后的殘差以及各模型的參數(shù)意義來對(duì)模型做出綜合評(píng)價(jià)。通過綜合考慮R2以及擬合殘差，本研究在獲得的64個(gè)模型中選出19個(gè)最優(yōu)模型，其中Horton方程9個(gè)，通用經(jīng)驗(yàn)方程6個(gè)，這與吳長(zhǎng)文等[8]對(duì)北京市密云水庫(kù)周邊8種人工林土壤滲透性最優(yōu)擬合模型相似。

4 結(jié) 論

(1) 在0—80 cm土層范圍內(nèi)，各灌叢類型土壤滲透性隨土層深度的增加而降低，滲透性在灌叢間差異明顯，整體表現(xiàn)為紅花錦雞兒>紅砂>千頭柏>檉柳。

(2) 在所測(cè)定的13個(gè)土壤理化性質(zhì)中，有8個(gè)因子與土壤的滲透性關(guān)系極顯著或顯著，表明土壤的滲透能力受土壤理化性質(zhì)的綜合影響，其中土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量以及總孔隙度對(duì)土壤滲透能力具有決定性的作用，屬于主導(dǎo)因子(因子負(fù)荷量均在0.967 4以上)。

(3) Horton模型方程對(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)4種灌叢土壤水分入滲過程，通用經(jīng)驗(yàn)方程的擬合效果次之，Kostiakov方程最差。

(4) 通過對(duì)4個(gè)土壤滲透參數(shù)以及土壤滲透性綜合參數(shù)α與土壤理化性質(zhì)參數(shù)β進(jìn)行回歸發(fā)現(xiàn)，β與其他5個(gè)參數(shù)間存在線性關(guān)系，R2在0.697以上，表明土壤滲透性高低與土壤理化性質(zhì)的好壞有密切的關(guān)系。