內蒙古黃土丘陵區4種檸條林土壤水分入滲特征

江 磊，秦富倉*，曾令建，趙 琦，宋秀敏，王立宇，史芮嘉

(1. 內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2. 鄂爾多斯市林業和草原事業發展中心，內蒙古 鄂爾多斯 017010；3. 鄂爾多斯市水利事業發展中心，內蒙古 鄂爾多斯 017001)

森林土壤的入滲特征和含水率變化受到許多因素的影響，而直接影響因素是土壤孔隙，影響土壤孔隙狀況的因素包括土壤質地、林分類型、林齡等因素[1-3]。在同一地區，同一土壤剖面，林齡相近的條件下，不同林分類型對林下土壤結構的影響主要是根系、枯落物和林下動物活動對土壤孔隙度及養分進行了有效的改善[4]。黃土丘陵區是世界上土壤侵蝕最嚴重的地區之一，合理的植被布局和樹種選擇對該地區植被恢復建設意義重大。內蒙古黃土丘陵區主要水土保持林中灌木林以檸條(Caragana korshinskiiKom.)為主，研究表明，單一的種植結構和粗放管理，隨著林齡的增長，土壤水分越來越成為限制人工檸條林生長的主要因素。為了合理利用水資源，采取多樣配置，如山楊(Populus davidianaDode) × 檸條、山杏(Armeniaca sibirica(L.) Lam) × 檸條和油松(Pinus tabuliformisCarr.) × 檸條，這些混交林在該地區發揮著防風固沙，減少地表徑流和沖刷、涵養水源的作用[5]。但這些檸條混交林也同樣存在粗放管理，生長狀況差、蓄水保土能力差異較大的問題。對于黃土丘陵區檸條林的研究，多數學者針對檸條純林的不同密度和林齡進行水分動態研究，如張文文[6]探討了不同密度檸條生長情況和土壤的水分特征，單一的檸條林種植過密，吸收水分較多且生長不良，種植稀疏則覆蓋度低，土壤裸露容易被雨水沖刷。梁海濱等[7]探討了不同林齡的檸條林土壤水分變化特點，隨著林齡增大則水分狀況變差。而混交模式的檸條林土壤水分入滲情況和水分變化特點還鮮有報道。

本研究采用單環土柱法[8]進行入滲，觀察4種檸條林土壤水分入滲特征及水分狀況。土柱使用定制的較厚的透明 PVC 管，根據10～15 a植被根系在土層中的分布特征、天然降水入滲平均深度及土壤理化性質差異[9]，采用0～60 cm原狀土，考慮當地自然降水或灌溉的積水及土柱的高度，確定了5、10、20 mm 3種供水頭進行對比，測定4種檸條林土壤水分入滲特征并分析土壤理化性質對入滲特征和土壤實際含水率的影響，以期了解不同檸條林土壤結構狀況、養分特征和水分入滲特征，為該地區合理造林及植被恢復提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區選取在內蒙古清水河縣韭菜莊鄉境內，39°43′～40°01′ N，111°45′～112°6′ E，海 拔1461 ～1791 m，總面積 501.28 km2。屬于內蒙古高原與黃土高原交接處，是典型的黃土丘陵區。地處中溫帶，屬半干旱典型的大陸性氣候，年平均降水量413.8 mm。黃土覆蓋較厚，土壤類型主要為栗褐土。主要人工林植被有油松(Pinus tabuliformisCarr.)、山 楊(Populus davidianaDode )、檸 條(Caragana korshinskiiKom.)、山杏(Armeniaca sibirica(L.) Lam)，草本植物有冷蒿(Artemisia frigidaWilld.)、賴草(Leymus secalinus(Georgi) Tzvel.)、長芒草(Stipa bungeanaTrin.)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、針 茅(Stipa capillataL.)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum(L.) Moq.)、早熟禾(Poa annuaL.)等。

1.2 樣地選取及實驗方法

2021年8 月在試驗區選取立地類型較一致、海拔在1600 m左右，林齡都為13～15 a的檸條、山楊 × 檸條、山杏 × 檸條、油松 × 檸條為研究對象。每種林地選擇長勢良好，地形平坦，近似正方形的面積約400 m2樣地3片，共計12片樣地，樣地基本情況見表1。樣地內采用5點取樣法，取樣時將表層雜草、未分解的枯落物除去后，挖土壤剖面(1.0 m × 1.0 m)。土壤理化性質采用環刀、鋁盒、塑封袋，每20 cm一層采集3層土樣。土壤粒徑分布測定采用馬爾文 3000 激光粒度分析儀，用王國梁等[10]計算方法計算土壤分形維數。環刀、鋁盒法測定土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、初始含水率，采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定測有機質含量[11]。

表1 樣地概況Table 1 Sample plot overview

土壤入滲和含水率測定采用單環土柱法。土柱為定制的高80 cm，直徑15 cm的圓柱形透明PVC硬管，硬管壁有3個小孔，與底座分開的帶有水龍頭的基座。研究區石礫較少，直接向下取原狀土柱。在原來土壤理化性質取樣點附近將表層雜草除去后，將管壁抹上一層凡士林防止形成大孔隙流，將土柱輕砸進土中，并摳去土柱周圍的土，將土柱取出后，填上直徑5 mm左右的石礫后將底座安裝，在土柱上方放入鐵絲網和孔板，防止水的擊濺。將3個水分探頭分層插入土柱中，并連接HOBO儀器。馬氏瓶直徑15 cm、高40 cm，保證連續供水，中途不加入水。濕潤鋒觀察與測定時，為水平視角下與土柱刻度線垂直的濕潤界面，開始前10 min由于入滲速度較快，濕潤鋒遷移速度快，由相機拍攝濕潤鋒前進過程，之后每隔5 min記錄1次，1 h后10 min記錄1次。

1.3 數據處理

土壤體積分形維數Dv采用美國土壤粒徑分級制度：黏粒(< 2 μm)、粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2000 μm)計算。計算公式（1）[10]：

入滲率f采用 Kostiakov 公式[12]，對各時段入滲率計算后進行模型擬合，公式（2）：

式中，f為入滲率(mm·min-1)；a為常數；t為時間(min)。

濕潤鋒前進速率M計算公式3：

式中：Hs為濕潤鋒通過的土層深度(mm)；Δt為時段(min)。

土壤飽和含水率和田間持水率均由HOBO水分記錄儀得出，數據和繪圖采用Excel 2010和Spss 23軟件。

2 結果與分析

2.1 不同林地土壤理化性質差異

不同林地土壤理化性質差異見表2，土壤理化性質隨土層深度變化差異性逐漸變小。表層(0～20 cm)土壤的理化性質差異最大。檸條表層土壤密度最大在1.32～1.36 g·cm-3之間，山杏 ×檸條最小在1.18～1.22 g·cm-3之間，油松 × 檸條、山楊 × 檸條土壤密度差異較小。山杏 × 檸條和山楊 × 檸條的土壤毛管孔隙度較大，在45.62 %～52.49 %之間。土壤非毛管孔隙度：山杏 × 檸條(6.21%～8.71 %) > 山楊 × 檸條(4.02%～6.26 %) >油松 × 檸條(1.76%～3.05 %)、檸條(2.02%～3.44 %)。從前3種物理性質來看，檸條純林表層土壤緊實，通透性較差，3種混交檸條林地土壤疏松多孔，山杏 × 檸條的土壤孔隙狀況最好。土壤初始含水率在同時監測，地理環境一致的條件下，山楊 × 檸條的3層土壤的含水率均較高，山杏 ×檸條在0～20 cm土層的含水率與山楊 × 檸條相當。土壤體積分形維數是反映土壤顆粒分布重要指標[13]，不同林地的土壤體積分形維數在2.2819～2.4090之間，粉砂粒較多，黏粒較少，在同一土層差異不顯著，說明4種林地的土壤質地相似。4種林地的有機質含量都集中在0～20 cm的土層，山楊 × 檸條(11.72～21.3 g·kg-1) > 山杏 × 檸條(5.52～11.5 g·kg-1)、油松 × 檸條(7.93～14.7 g·kg-1) >檸條(3.00～9.58 g·kg-1)，20 cm以下土層，山楊 ×檸條有機質含量最多，其余林地差異不顯著。說明4種林地土壤理化性質差異較大的分別為土壤密度、孔隙度和有機質。

表2 不同林地土壤理化性質Table 2 Physical and chemical properties of soil in different woodlands

2.2 不同林地的土壤入滲特性

2.2.1 初始入滲率、穩定入滲率、累計入滲量 用3種不同的供水頭壓力作為對比，不同供水頭會對初始入滲率有一定影響，供水頭壓力越大，初始入滲率會加強[14]。由于前1 min入滲率受供水頭影響較大，因此取開始2 min的入滲率為初始入滲率，穩定入滲率為入滲曲線平穩時的平均入滲率。在確定的入滲時間下，用 Kostiakov 公式保留初始入滲率和穩定入滲率將中間入滲率較散亂的點擬合后得到的入滲曲線(圖1)，曲線均接近模型中的系數1/2，相關系數均大于0.8。由圖1可知，在3種供水頭壓力下，初始入滲率5 mm、10 mm供水頭差異較小，但與20 mm供水頭差異較大，而穩定入滲率、累計入滲量相同林地的差異不顯著。初始入滲率均值依次為：山杏 × 檸條(8.6 mm·min-1)、山楊 × 檸條(5.6 mm·min-1)、油松 × 檸條(4.80 mm·min-1)、檸條(3.16 mm·min-1)。判斷到達穩定入滲的狀態為入滲曲線一直趨于平緩的時為穩定入滲，4種林地中，山杏 × 檸條穩定入滲率最高，均值為1.05 mm·min-1；檸條林地的穩定入滲率最小，均值為0.53 mm·min-1；山楊 × 檸條0.76 mm·min-1、油松 × 檸條0.73 mm·min-1，2種林地穩定入滲率差異較?。粐鴥韧庋芯恳话惆?0 min累計入滲量作為衡量土壤入滲性能的指標，但本研究中30 min水分僅僅滲入到10 cm左右土層，而180 min前土壤理化性質差異較大，5 h時，除檸條外，其余林地水分基本滲入底層，能代表整個土層的情況。3種供水頭下30 min，3 h，5 h累計入滲量均值依次為：山杏 × 檸條(82.24 mm，241.40 mm，279.83 mm)、山楊 × 檸條(58.95 mm，173.25 mm，255.65 mm)、油松 × 檸條(53.58 mm，161.83 mm，243.03 mm)、檸 條(36.31 mm，117.44 mm，178.64 mm)。根據4種林地的初始入滲率、穩定入滲率、累計入滲量來看，山杏 ×檸條的入滲能力最強。

圖1 不同林地土壤入滲速率Fig. 1 Soil infiltration rate of different woodlands

2.2.2 不同林地入滲期間濕潤鋒變化規律 濕潤鋒指土壤下滲過程中，土壤被濕潤的部位與干土層形成的明顯的交界面。濕潤鋒轉移過程是土壤水分入滲的特征之一，反映了灌溉或降水量是否滿足要求，同時也反映了土壤對水的吸附能力和土壤的理化性質[15]。由圖2可知，不同林地濕潤鋒前進到60 cm土層深度所用時間在4～6 h之間。3種供水頭下不同林地濕潤鋒速率都是減小，直到濕潤鋒消失。不同供水頭對前期短時間的濕潤鋒前進速率有一定影響，但3種供水頭下整個濕潤鋒前進速度差異不明顯。不同林地濕潤鋒平均用時：山杏 ×檸條最快240 min，山楊 × 檸條270 min，油松 ×檸條和檸條都在300 min以上。4種林地的濕潤鋒前進速率均值：山杏 × 檸條(2.5 mm·min-1) > 山楊 ×檸條(2.2 mm·min-1) > 油松 × 檸條(2.0 mm·min-1) >檸條(1.9 mm·min-1)。不同林地表層土壤的前進速率最快，差異最大，0～20 cm土層的平均值：山杏 ×檸條(6.1 mm·min-1) > 山楊 × 檸條(4.1 mm·min-1) >油松 × 檸條(3.9 mm·min-1) > 檸條(3.4 mm·min-1)；在單環土柱中，濕潤鋒濕潤面積及前進速度可以直接判斷土壤入滲強度，因此山杏 × 檸條土壤的入滲強度最大，而檸條林下土壤入滲強度最小。

圖2 不同林地濕潤鋒前進過程Fig. 2 Advancing process of wetting front in different woodlands

2.2.3 不同林地土壤水分狀況 利用HOBO水分探頭記錄3種供水頭壓力下土壤飽和含水率及田間持水率實際值(圖3)。土壤飽和含水率為底座出水供水頭與入供水頭的流量相等時達到穩定的HOBO讀數，田間持水率為模擬室外田間狀態下排水良好的土壤，土柱下方有砂石保證土壤排水良好并將土柱移至室外，為停止供水頭2 d的HOBO讀數。土壤體積含水率的變化是對入滲的響應，指土壤中水分占有的體積和土壤總體積的比值，比值越高，說明土壤中的孔隙占有和儲存的水分越多，飽和含水率說明土壤所能容納水分的多少，田間持水率說明土壤能穩定保持的最高含水量[16]。入滲前的天然狀態下，0～60 cm土層土壤初始含水率與鋁盒測量的數據較一致(P ＜ 0.05)，說明受到天氣影響較小；入滲過程中，土層從上到下依次達到飽和，入滲結束土壤水分達到飽和后，停止供水頭，非毛管孔隙中的水分及重力水向下運動，由上到下土壤水分迅速下降，一段時間后達到田間持水率，土壤飽和含水率、田間持水率山杏 × 檸條較大，各層土壤飽和含水率都在27 %以上，田間持水率在21 %以上；檸條純林較小，各層土壤飽和含水率都小于29 %，田間持水率在19 %以下。而山楊 ×檸條和油松 × 檸條差異較小。說明山杏 × 檸條林地土壤的保水能力、涵養水源能力強，檸條純林最弱。

圖3 不同林地土壤飽和含水率及田間持水率Fig. 3 Soil saturated moisture content and field water holding capacity in different woodlands

2.3 不同林地土壤水分入滲特征與土壤理化性質的關系

不同林地土壤入滲特性與土壤理化性質相關關系見表3，初始入滲率、穩定入滲率、累計入滲量、濕潤鋒前進速率、土壤飽和含水率、田間持水率都與土壤密度呈顯著負相關，與毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈顯著正相關，與初始含水率、土壤體積分形維數及有機質沒有形成顯著相關性。說明土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度是影響研究區土壤入滲的主要因素。

表3 不同林地土壤入滲特性與土壤理化性質的關系Table 3 Relationship between soil infiltration characteristics and soil physical and chemical properties in different woodlands

3 討論

3.1 影響4種林地入滲能力的因素

不同林地土壤體積分形維數差異不顯著，表明研究區土壤質地相似，4種林地中有2種林地具有相似的土壤前期含水率，排除了由于土壤本身質地差異及前期含水率影響導致入滲結果差異。研究結果表明，土壤密度和孔隙度是影響研究區入滲的主要因素。4種林地通過改變林下土壤密度和孔隙度而影響入滲率和水分狀況。不同林地的表層土壤密度、孔隙度差異顯著，但隨著土壤深度變化這種差異逐漸減小。毛管孔隙度反映土壤貯水能力，毛管孔隙中的水易于被植物吸收；非毛管孔隙能快速吸收雨水，減少地面徑流，反映土壤通氣性、透水性和涵養水源能力[17]。4種林地中，山杏 × 檸條林地土壤密度最小、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均較大，說明山杏 × 檸條對表層土壤孔隙度改善更好，土壤越疏松多孔而導致其入滲能力強、土壤飽和含水率、田間持水率高。4種林地入滲能力表現為山杏 × 檸條 > 山楊 × 檸條 > 油松 × 檸條 > 檸條，混交林有明顯提高土壤孔隙、貯水量和土壤入滲率的作用[18]。檸條純林與3種混交林相比，一是檸條純林的枯落物明顯較少(表1)，而枯落物覆蓋量越大，土壤入滲速率明顯較大[19]；二是混交林根系結構復雜，在挖取土壤剖面時發現混交林土壤有明顯根孔，其中山杏 × 檸條土壤的根孔最明顯，因為2種灌木的主要根系比喬木分布較淺；三是混交林地下動物活動較多，如動物巢穴等，山杏 ×檸條混交林由于山杏可供動物取食，這可能是導致其動物活動明顯較多的原因；四是由于研究區屬于農牧交錯區，會不時有牛羊踩進低矮的檸條純林的情況，導致土壤更緊實。而3種混交林中，表層草本植物覆蓋依次為山杏 × 檸條、山楊 × 檸條、油松 × 檸條，如冷蒿、沙蓬等(表1)，這些草本植物根系發達，在土壤中穿插、分割等作用增加了土壤中大孔隙，改善了土壤滲透能力[20]。而山楊 × 檸條與油松 × 檸條相比，草本植物覆蓋度、枯落物覆蓋量均是山楊 × 檸條較高，因此其入滲率較高。

3.2 未顯著影響4種林地入滲能力的因素

實測數據表明在同時段測定土壤初始含水率前提下，山杏 × 檸條、山楊 × 檸條的表層土壤初始含水率差異不顯著且都較高，油松 × 檸條和檸條表層土壤初始含水率差異不顯著且低于前2種林地，李平[21]對黃土高原植被類型的入滲特征研究表明，入滲率與初始含水率呈負相關，而本研究前期含水率對入滲率沒有形成顯著相關，是因為取樣時間為距上次降雨后連續10個晴朗日取土，土壤水分蒸發導致4種林地初始含水率都偏小。山杏 ×檸條、山楊 × 檸條的表層土壤初始含水率高，說明兩者的土壤保水率高，這是由于兩者地表枯落物較多，導致水分蒸散減弱。土壤質地主要取決于成土母質類型，有相對的穩定性，是影響入滲的因素之一[22]。4種林地除檸條純林表層土壤體積分形較小外，其余林地土壤質地差異不顯著，雖然植被恢復過程中其枯落物、植被下的動物、微生物活動會增加土壤黏粒、團聚體，但這4種林地的林齡較小，對土壤質地影響較小，當林齡增大后有待進一步研究。而檸條表層土層土壤體積分形維數較小的原因是檸條林地抵抗水力侵蝕、風蝕的能力較弱，地表細小顆粒被帶走，而剩下較粗的土壤顆粒。在4種林地有機質差異較大的條件下，土壤入滲率、水分狀況與有機質沒有形成顯著相關，這是由于4種林地雖然差異顯著，但有機質水平處于土壤養分分級中的最低水平，而在粉砂土地區，有機質分解速度較快。用5 ，10 ，20 mm供水頭對比入滲后發現，5 mm供水頭與10 mm供水頭初始入滲率、前期濕潤鋒速率及差異較小，但與20 mm供水頭差異較大，2種供水頭差異較小的原因可能是土柱上有防止水的擊濺和土壤塌陷的過濾網造成[12]。

4 結論

（1）研究區4種林地土壤密度、孔隙度、有機質在土壤理化性質中差異較大，其中山杏 × 檸條土壤密度最小，毛管孔隙度、非毛管孔隙度均最大；山楊 × 檸條有機質含量最大；檸條土壤密度最大而有機質含量最小。

（2）以初始入滲率、穩定入滲率、累計入滲量、濕潤鋒前進速率來判斷入滲能力，以入滲后土壤飽和含水量、模擬田間持水率來判斷保水能力，研究區4種林地入滲能力表現為：山杏 × 檸條 >山楊 × 檸條 > 油松 × 檸條 > 檸條，保水能力表現為山杏 × 檸條 > 山楊 × 檸條、油松 × 檸條 > 檸條。

（3）隨著供水頭增加會使初始入滲率、前期濕潤鋒前進速率增強，前期累計入滲量增加：5 mm供水頭與10 mm供水頭差異較小，但兩者與20 mm供水頭差異較顯著，但不會改變穩定入滲率及土體最終的累計入滲量。

（4）研究區4種林地由于不同的枯落物覆蓋率，林下植被覆蓋量、根系分布層次、動物活動程度，影響林下土壤密度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度，導致入滲能力及保水能力的差異。山杏 × 檸條配置能顯著改善土壤孔隙和密度，能更好發揮保水固土功能。