陜北生態(tài)退耕區(qū)植被群落土壤貯水量與入滲特性

鄭江坤，魏天興，陳致富，趙 健，夏 菁，朱文德

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083）

植被水文生態(tài)功能對調(diào)節(jié)洪水和干旱、減弱并防止土壤侵蝕具有重要作用，可通過土壤貯水量和入滲性能來表征［1］。土壤貯水量作為評價植被水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)和水文參數(shù)，其大小與土壤厚度、土壤孔隙狀況密切相關(guān)［2］。土壤水分入滲性能與土壤持水量、土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)等土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)，同時受植被類型、林分結(jié)構(gòu)、植物群落生物量、坡向、坡度及坡位等立地因子的制約［3］。

以往研究缺乏對不同植被層間系統(tǒng)和深入研究且缺乏重復(fù)檢驗。本文以退耕還林示范縣吳起縣為研究對象，對縣城周邊典型生態(tài)退耕區(qū)植被群落土壤貯水量和入滲率進(jìn)行比較研究，對一些分布面積較廣的植被采取多樣本取平均值法進(jìn)行分析，增加了數(shù)據(jù)的可信度。并對影響草地群落土壤入滲性能的諸多因素進(jìn)行了因子分析，以期找出影響入滲的主導(dǎo)因子，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)退耕模式的選擇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于延安市西北部的吳起縣縣城周邊，主要包括合家溝、柴溝、政府溝和勝利山等地。全面實施退耕還林（草）工程以來，植被類型較為復(fù)雜，喬木林包括人工栽植的油松、側(cè)柏、山杏、河北楊、小葉楊等和天然次生的刺槐、杜梨等；灌木林主要包括片狀分布的沙棘和零星分布的檸條；該地區(qū)分布面積最大的是自然封育和人為干擾下的草本群落。

2 研究方法

2.1 樣地選擇和植被調(diào)查

選取樣地19塊，標(biāo)準(zhǔn)為20 m×20 m，鑒于實驗?zāi)康模粚Σ荼具M(jìn)行群落調(diào)查，在草本樣地中均勻設(shè)置4個1 m×1 m的樣方，重點調(diào)查草本植物種類、密度、多度和高度，調(diào)查于2008年7－8月完成。

2.2 土壤入滲性能的測定及貯水量計算

本文采用經(jīng)過改進(jìn)的土壤入滲過程測定儀，通過公式H＝0.19635×h×cosa換算下滲深度，其中H為下滲深度，h為實驗變化水位，a為坡度。開始測定時前90 s每10 s記錄1次，以后每30 s記錄一次，隨機(jī)記錄10次左右，再往后每1 min記錄一次，直到出現(xiàn)5～6個數(shù)值基本相同，即達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)。

表1 各調(diào)查樣地基本情況表

在一定土壤厚度條件下，土壤貯水量取決于土壤孔隙大小及數(shù)量，由于黃土土層深厚，為便于比較，僅計算1 m土層深度的貯水量。土壤貯水方式可分為毛管孔隙的吸持貯存和非毛管孔隙的滯留貯存2種，二者所持水量之和即為土壤飽和貯水量［4］。貯水量與入滲特性公式為：

式中：Wc——土壤水分最大吸持貯水量 （mm）；Wn——最大滯留貯水量（mm）；Wt——飽和貯水量（mm）；Pc——毛管孔隙度（%）；Pn——非毛管孔隙度（%）；h——計算土層深度（m）。

2.3 環(huán)境因子測定

在每個入滲點附近，用地質(zhì)羅盤儀和海拔儀分別記下坡度、坡向、海拔，用TRASP表示坡向指數(shù)［5］；根據(jù)取樣的位置記下坡位，坡位按照溝底、溝坡、梁峁坡、梁峁頂分別賦值1，2，3，4；土壤含水率用土鉆分層取土烘干法測得，容重和毛管孔隙度分別用環(huán)刀法和環(huán)刀浸透法測得［6］，為了使數(shù)據(jù)更具代表性，在每個入滲點附近重復(fù)取樣3次，深度為1 m，分為0－20，20－40，40－60，60－80，80－100 cm共5層，每層分別取土樣3個，以各指標(biāo)平均值做為環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

應(yīng)用Excel進(jìn)行統(tǒng)計、比較、分析，應(yīng)用SPSS 13.0軟件進(jìn)行主成分分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤貯水量與入滲率

為了便于比較，把19塊樣地共分成6種土地利用類型。其中，農(nóng)地即為樣地1；草地包括2～11共10個樣地；灌木林地包括12～14共3塊樣地；針葉林地即為樣地15和16；闊葉林地即樣地17和18；針闊混交林地為樣地19。

圖1 不同土地利用類型貯水量和入滲率

由圖1可以看出，不同土地利用類型之間土壤貯水量差異不太明顯，而入滲率差異較為顯著。各土地利用類型土壤飽和貯水量與穩(wěn)滲率分別表現(xiàn)為：農(nóng)地＞針闊混交林地＞灌木林地＞草地＞針葉林地＞闊葉林地，農(nóng)地＞草地＞灌木林地＞闊葉林地＞針闊混交林地＞針葉林地。滯留貯水量和飽和貯水量之間變化趨勢基本相同，而吸持貯水量和飽和貯水量之間的相關(guān)性不大；初滲率和穩(wěn)滲率之間變化趨勢基本相同，穩(wěn)滲率較初滲率變化較為和緩。

盡管該區(qū)退耕時間較長，植被變化明顯，但植被對土壤理化性質(zhì)變化的影響不明顯，但對土壤入滲性能影響較大，故而各土地利用類型之間表現(xiàn)出上述變化。農(nóng)地由于經(jīng)過人為翻耕，土壤較為疏松，非毛管孔隙度較大，表現(xiàn)為滯留貯水量大。針闊混交林地由于根系密度大，且土壤有機(jī)質(zhì)含量多，致使土壤中黏粒所占的比例增加，使得該土壤非毛管孔隙度和毛管孔隙度均較大，表現(xiàn)為飽和貯水量較大。針葉林地和闊葉林地樹種較為單一，由于該地水分條件限制，生長狀況較差，再加上該地純林下人為活動較多，致使大量枯枝落葉層遭受破壞，導(dǎo)致土壤較為貧瘠，貯水量明顯下降。草地和灌木林地的貯水量居中。

農(nóng)地中種植的蕎麥生長良好，加上常年使用有機(jī)肥對其改良，土壤通透性較好，表現(xiàn)為初滲率和穩(wěn)滲率均為最高。針葉林由于生長緩慢，且枯枝落葉富含單寧等物質(zhì)，影響凋落物的分解速率，并在土壤內(nèi)部形成土壤菌絲網(wǎng)層，透水性差，阻礙土壤入滲，因而初滲率和穩(wěn)滲率均較??；其它土地利用類型的入滲率則居于兩者之間。

3.2 不同地貌部位間土壤貯水量與入滲率

由于植被類型對土壤理化性質(zhì)和入滲性能均有影響，為此只對10個草本樣地的土壤水文特征進(jìn)行分析，該地區(qū)隸屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，地貌特征較為明顯，主要包括梁（峁）頂（樣地2、7和9），梁（峁）坡（樣地3、6和10），溝坡（樣地5、8和11）和溝底（樣地4）4種地貌類型（圖2）。

圖2 不同地貌類型間貯水量和入滲率

溝底受徑流沖刷影響較大，土壤顆粒較粗，非毛管孔隙度大，表現(xiàn)為滯留貯水量很大，達(dá)到149.60 mm，但由于黏粒物質(zhì)不豐富，毛管孔隙度很小，土壤飽和貯水量最小，僅為583.13 mm。其它地貌部位貯水量較大，且滯留貯水量和吸持貯水量較為接近。溝底土壤含水率大，故而初滲率表現(xiàn)為最小，這和王輝［7］等的研究結(jié)果較吻合，而溝坡坡度較大，土壤側(cè)滲嚴(yán)重，垂直入滲減弱，導(dǎo)致穩(wěn)滲率最小。

3.3 不同坡向間土壤貯水量與入滲率

只對10個草本樣地分不同坡向進(jìn)行比較分析，原因同3.2。共分為4種坡向，分別為：陰坡（樣地2、4、7和9），半陰坡（樣地5和6），半陽坡（樣地3和11），陽坡（樣地8和10），求平均值進(jìn)行比較。

坡向影響光照，而光照對土壤水分、植被生長狀況進(jìn)而對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。由圖3可知，陽坡的貯水量最小，初滲率最大，這主要是因為陽坡土壤較為干燥，植被狀況較差，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤根系較少，從而毛管孔隙度和非毛管孔隙度均較小，表現(xiàn)為貯水量小，同時陽坡土壤最干燥，在入滲開始階段，水分迅速滲入土壤，初滲率最大；半陽坡植被狀況較差，土壤毛管孔隙度小，且土壤較之陽坡濕潤，初滲率和穩(wěn)滲率最?。▓D3）。

圖3 不同坡向間土壤貯水量和入滲率

3.4 土壤入滲影響因子主成分分析

土壤入滲能力大小與植被、土壤以及地形等多種因素有關(guān)，從中篩選出的主導(dǎo)影響因子對于掌握土壤入滲規(guī)律、調(diào)控土壤入滲性能具有重要意義?？紤]到可比性僅對草本樣地分析。確定12個影響因子，包括海拔（x1）、坡度（x2）、坡向（x3）及坡位（x4）4 個微地形因子，蓋度（x5）、株均高（x6）及群落密度（x7）3個植被特征因子，土壤有機(jī)質(zhì)含量（x8）、土壤含水率（x9）、土壤容重（x10）、毛管孔隙度（x11）、非毛管孔隙度（x12）等5個土壤因子。經(jīng)分析得各主成分特征向量、特征根、方差貢獻(xiàn)率及方差累積貢獻(xiàn)率（表2）。

前4個主成分的累積貢獻(xiàn)率為85.189%，故可用這4個成分來代替12個原始因子。根據(jù)主成分中各因子的相關(guān)系數(shù)，得到影響4個主成分的因子分別命名為坡度－坡向、株均高－容重、群落密度和海拔。

坡度對入滲的影響明顯，隨著坡度的增大，土壤側(cè)滲能力變大，而垂直入滲能力變小；坡向直接影響光照，從而影響土壤的濕潤度和生物的光合作用，進(jìn)而影響植物生長及土壤的滲透性能。容重直接影響土壤孔隙度，株均高是草本植物的種類和土壤肥力的反映，這兩者構(gòu)成影響第2主成分的主要因子，群落密度和海拔也不同程度影響土壤入滲性能。而坡位、蓋度、有機(jī)質(zhì)、含水率及毛管孔隙度等因子對土壤入滲性能的影響則較小。

表2 入選主成分的特征向量、特征根及貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

水文生態(tài)功能與土地利用類型、地貌部位、坡向等方面關(guān)系密切，總體來看，土壤貯水能力變化不太顯著，而入滲性能變化較為顯著。該區(qū)土壤水分入滲性能與坡度、坡向、株均高、容重、非毛管孔隙度、群落密度、海拔等因子密切相關(guān)，而與坡位、蓋度、有機(jī)質(zhì)、土壤含水率、毛管孔隙度等因子關(guān)系甚微。

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