有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對森林土壤水分入滲過程的影響及其模擬

李婧，張洪江?，程金花，常丹東

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.水利部水土保持監(jiān)測中心，100055，北京)

有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對森林土壤水分入滲過程的影響及其模擬

李婧1，張洪江1?，程金花1，常丹東2

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.水利部水土保持監(jiān)測中心，100055，北京)

為了探討三峽庫區(qū)不同森林植物群落土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤水分入滲的關(guān)系，將森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為獨(dú)立變量，引入土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Horton土壤水分入滲模型進(jìn)行修正。結(jié)果表明：1)不同森林植被群落類型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，表現(xiàn)為闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林＞喬灌混交林;2)初滲速率、初滲速率和穩(wěn)滲速率的差分別與土壤下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性相關(guān)關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)，Horton模型經(jīng)引入土壤有機(jī)碳指標(biāo)后，新模型的入滲速率與入滲量模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)明顯提高，模擬結(jié)果更逼近實(shí)測值。研究結(jié)果為同類地區(qū)森林土壤水分入滲過程預(yù)測與模擬提供了一種新方法。

土壤有機(jī)碳;質(zhì)量分?jǐn)?shù);土壤水分入滲;模型

土壤水分入滲是水循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是地面水轉(zhuǎn)化為可被植物吸收利用的土壤水的途徑之一，決定著地表水轉(zhuǎn)換為土壤水的速度、數(shù)量、效率和分布等。對土壤水分入滲問題開展研究不僅有助于促進(jìn)土壤水分入滲和遷移基礎(chǔ)理論研究的發(fā)展，而且可為綜合評價(jià)地表水、地下水資源、合理確定農(nóng)田灌溉技術(shù)參數(shù)等提供科學(xué)依據(jù)。

影響土壤水分入滲的影響因子很多。過去，研究者［1-10］大多圍繞土壤物理參數(shù)中的土壤質(zhì)地、土壤密度、土壤含水量及土壤結(jié)構(gòu)對土壤入滲特性的影響開展研究。也有少數(shù)研究者［11-12］認(rèn)為影響土壤穩(wěn)定入滲率的因子除土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度外，還有土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。目前，關(guān)于土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤水分入滲影響程度等的研究，正式報(bào)道還比較少。

土壤有機(jī)質(zhì)是指通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動植物殘?bào)w和微生物體的合稱，其中的碳即為土壤有機(jī)碳(SOC)。有機(jī)碳能夠影響土壤吸附陽離子的能力、土壤肥力、土壤孔隙度、微團(tuán)聚體形成［13-15］，進(jìn)而對土壤水分入滲產(chǎn)生一定影響。森林土壤有機(jī)碳主要來源于森林植被凋落物的分解和淋溶，是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，能為土壤水文特性等提供非常重要的信息［16］。因此，筆者探討三峽庫區(qū)不同森林植物群落土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤水分入滲的關(guān)系，引入土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)參數(shù)對Horton土壤水分入滲模型進(jìn)行修正，為更加準(zhǔn)確地預(yù)測與模擬土壤水分入滲過程提供新方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶四面山中部，地處三峽庫區(qū)尾部，重慶市西南江津區(qū)南部，地理位置為E106°17'～106°30'，N28°31'～ 28°43'，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，多年平均氣溫13.7℃，無霜期為285 d，年均降雨量1 522.3mm，最大日降雨量160.5mm，雨季集中在5—9月，占年平均降雨總量的62.17%。

四面山地勢南高北低、坡度較大，海拔500～1 700m，具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，森林總覆蓋率95.41%。研究區(qū)位于海拔1 150～1 200m，針葉樹種主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeria fortunei)等;闊葉樹種主要有石櫟(Lithocarpus glabra)、栲樹(Castanopsis fargesii)、樟(Cinnamomum camphora)、楓香樹(Liquidambar formosana)、槲櫟(Quercus aliena)、麻櫟(Quercus acutissima)等;灌木主要有杜鵑花(Rhododendron simsii)、細(xì)枝柃(Eurga loquaiana)、腺萼馬銀花(Rhododendron bachii)等。

四面山土壤由白堊紀(jì)夾關(guān)組磚紅色長石石英砂巖夾磚紅、紫紅粉砂巖等風(fēng)化殘積物、坡積物和沖積物發(fā)育而成。主要的森林土壤類型為黃壤、黃棕壤和紫色土等，土層厚度一般在70 cm左右。土壤呈微酸性，pH值在4.0～6.1之間。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及布設(shè)

樣地選擇以經(jīng)營措施和土壤類型的一致性為前提，并充分考慮母質(zhì)、海拔、坡向、坡度等自然條件狀況。綜合土壤、植被類型、地形狀況、坡向、海拔等因素，在重慶市四面山的張家山林區(qū)設(shè)置20m×20m的林地土壤入滲試驗(yàn)樣地共4塊，分別是以石櫟、栲樹、城口榿葉樹為主的闊葉混交林(S1)，以杉木和馬尾松為主的針葉混交林(S2)，以杉木、楓香為主的針闊混交林(S3)，以栲樹、細(xì)枝柃等為主的喬灌混交林(S4)。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況Tab．1 Basic information of standard land of forest stands

所選樣地的土壤類型為紫色砂質(zhì)頁巖發(fā)育的山地黃壤和黃棕壤。該類土壤鹽基交換量較低、粗有機(jī)質(zhì)積累度較高、氮素轉(zhuǎn)化率低、黏粒含量較少、土壤保水保肥能力差。樣地土壤性質(zhì)見表2。

2.2 土樣采集與有機(jī)碳測定

沿每塊樣地坡面的上部、中部和下部隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面，按表層(土層1)0～20 cm、中層(土層2)20～40 cm和下層(土層3)40～60 cm 3個(gè)層次，用高4 cm、直徑9 cm的取土環(huán)刀取原狀土樣，每層4個(gè)重復(fù)，共采集48個(gè)土樣，用于土壤有機(jī)碳分析。采用稀釋熱—重鉻酸鉀容量法對土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定［17］。

2.3 土壤水分入滲速率測定

采用雙環(huán)法進(jìn)行土壤水分入滲速率的測定，每塊樣地試驗(yàn)3次。雙環(huán)入滲儀外環(huán)直徑為22 cm，內(nèi)環(huán)直徑為10.5 cm，內(nèi)、外環(huán)高度均為25 cm。實(shí)驗(yàn)過程中內(nèi)、外環(huán)打入土壤的深度均為10 cm，保持內(nèi)外環(huán)5 cm的入滲水頭均勻供水，記錄相應(yīng)時(shí)間內(nèi)環(huán)的水分入滲量，達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)為止。實(shí)驗(yàn)過程中水溫變化保持為20.8～21.5℃，土壤含水量為15.83% ～18.76%;因此，水分溫度與土壤含水量對土壤入滲的影響可忽略不計(jì)。

表2 樣地土壤性質(zhì)Tab．2 Selected soil properties of the experimental site

2.4 土壤水分入滲過程模擬修正

2.4.1 入滲模型選擇 20世紀(jì)初以來，許多描述土壤水分入滲過程的模型被提出，常用的主要有Horton 模 型［18］、Philip 模 型［19-21］、Kostiakov 模型［22-23］。Kostiakov模型是最為簡單的入滲模型，Philip模型是在水分運(yùn)動基本方程式基礎(chǔ)上經(jīng)簡化推導(dǎo)得出的模型，具有一定物理基礎(chǔ)，相比Kostiakov模型多了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，可認(rèn)為是對其的改進(jìn)式。Horton模型屬于純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝?jīng)比較，采用Horton模型用于模擬計(jì)算。

2.4.2 入滲模型修正 將土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為影響因子引入土壤水分入滲模型，利用SPSS、Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與選定的土壤水分入滲模型進(jìn)行修正。運(yùn)用修正后的土壤水分入滲模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳分布特征

通過對土樣有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳在不同林地存在明顯的空間分布變異(表3)。

表3 樣地不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．3 Soil organic carbon content of different sorts g/kg

1)森林植物群落類型對土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少有較為明顯的作用。各森林植物群落類型土壤有機(jī)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為S1＞S3＞S2＞S4。闊葉混交林的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，均值為21.72 g/kg;針闊混交林次之，相比闊葉混交林低3.01 g/kg，相比針葉混交林高3.97 g/kg;喬灌混交林最低為14.43 g/kg。

2)不同森林植物群落類型表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異。喬灌混交林表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于其他3種林地。其中，闊葉混交林、針葉混交林和針闊混交林表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大，表現(xiàn)為S1＞S3＞S2，平均值為47.76±0.98 g/kg。而喬灌混交林表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯小于上述3種林地，約為其他混交林表層土壤有機(jī)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的63%。

3)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度的增加呈減小趨勢。20～40 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對0～20 cm明顯降低。0～20 cm土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與40～60 cm土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比最大可達(dá)24.77，最小為6.59。這是因?yàn)榱值刂幸欢ê穸鹊目萋湮锒逊e在林地表面，給表層土壤提供了大量的有機(jī)質(zhì)來源。而有機(jī)質(zhì)能夠在一定的土壤環(huán)境中通過理化作用分解轉(zhuǎn)化，有機(jī)質(zhì)分解快則土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，有機(jī)質(zhì)分解慢則土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高［24-26］。因此表層土壤未分解的有機(jī)質(zhì)較多則有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，而位于深土層的土壤有機(jī)質(zhì)來源少且土壤中的有機(jī)質(zhì)在不斷分解，所以有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

3.2 土壤水分入滲過程分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，樣地一般需200min才能達(dá)到穩(wěn)定入滲，4塊樣地的入滲過程有一定差異性。初滲速率表現(xiàn)為S1＞S2＞S3＞S4，這與其林下0～20 cm表層土壤飽和導(dǎo)水率的變化(除喬灌混交林外)趨勢基本一致。達(dá)到穩(wěn)滲速率時(shí)，下滲速度為喬灌混交林最大，闊葉混交林次之，針葉混交林和針闊混交林依次變小。喬灌混交林穩(wěn)滲速率最大的原因是該森林植物群落類型的土壤密度較小，總孔隙度高，土壤中存在較豐富的孔隙，土體在一定土水勢下較多水分的空間相對較大。樣地土壤水分入滲過程見表4。

表4 土壤水分入滲過程Tab．4 Soil water infiltration process

3.3 入滲速率對有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)

3.3.1 初滲速率 研究表明，初滲速率與下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系(表4)。下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林地初滲速率變化趨勢一致，為S1＞S2＞S3＞S4。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的闊葉混交林的初滲速率達(dá)到4.9 cm/min，是其他林地類型樣地的1.5倍以上。下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的以灌木為主的喬灌混交林的初滲速率也最慢，僅 1.95 cm/min。

3.3.2 穩(wěn)滲速率 通過分析發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)滲速率本身與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系并不十分顯著，但初滲速率和穩(wěn)滲速率的差(y)與土壤下層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x)呈線性相關(guān)關(guān)系y=0.667x+0.333。而初滲速率和穩(wěn)滲速率的差與達(dá)到穩(wěn)滲速率的時(shí)間的比值為入滲速率變化率。這說明，下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與入滲速率變化率有一定的關(guān)系，下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少能夠反映出土壤水分入滲速率隨時(shí)間的變化能力。

3.3.3 入滲過程 土壤水分入滲過程中，在未達(dá)到土壤穩(wěn)滲速率前，土壤入滲速率均表現(xiàn)為隨時(shí)間的增加而減小;但是，入滲速率并不是勻速變化的，在初期入滲速率表現(xiàn)為S1＞S2＞S3＞S4。在入滲約25min后針闊混交林下土壤入滲速率突然減小，低于灌混交林樣地，成為最小。入滲約55min時(shí)，入滲速率的排序變?yōu)镾1＞S4＞S2＞S3。入滲約80min時(shí)，喬灌混交林成為幾塊林地中入滲速率最大的樣地，其他幾塊樣地入滲速率大小排序不變。

有研究表明土壤有機(jī)碳能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，有機(jī)質(zhì)能夠提供土壤團(tuán)粒膠結(jié)物質(zhì)，使土粒團(tuán)聚，增加土壤團(tuán)聚體數(shù)量和大小，改變土壤物理結(jié)構(gòu)，使土壤更為松散，為土壤裂隙的發(fā)育提供了基本條件［27-28］。以灌木為主的喬灌混交林土層2的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于其他林地的土層2的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這可能會形成一定數(shù)量的孔隙群。并且土層間有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化相對較小，土層間孔隙數(shù)量相對穩(wěn)定，孔隙的連續(xù)性好，這保證了以喬灌混交林的入滲速率變化相對穩(wěn)定。而其他林地土層2的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少78%以上，變幅較大，大大減少了土壤團(tuán)聚體和聯(lián)通孔隙的數(shù)量。在土壤含水量迅速提高、土水勢減小的條件下，除喬灌混交林外其他林地入滲速率都有大幅降低。

4 土壤水分入滲模型模擬與修正

采用Horton模型進(jìn)行土壤水分入滲模擬，該模型具體形式為

式中：it為t時(shí)刻(s)的入滲速率，mm/s;i0為初滲速率，mm/s;ic為穩(wěn)滲速率，mm/s;k為參數(shù)。

將一定初滲速率、穩(wěn)滲速率、滲流時(shí)間以及率定的參數(shù)k值代入Horton模型，可模擬出特定條件下的土壤水分入滲過程。經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)段的實(shí)測入滲過程與模型模擬的入滲過程有一定差異，特別是單位時(shí)段累積入滲量差異更大。采用SPSS軟件對4種樣地入滲速率和入滲量進(jìn)行實(shí)測值與模型模擬值的相關(guān)分析。結(jié)果表明，雖然在入滲速率方面實(shí)測值與模型模擬值呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性，二者的相關(guān)系數(shù)S1、S2、S3和S4分別為0.950、0.951、0.933、0.921，但入滲量的實(shí)測值與模型模擬值波動較大，二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.905、0.628、0.756、0.898。

為考證森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤水分入滲速率相關(guān)關(guān)系，將土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為影響因子引入Horton模型，利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，模擬出修正的土壤水分入滲模型

式中WSOC為下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg。

采用修正后的土壤水分入滲模型進(jìn)行土壤入滲速率與時(shí)間關(guān)系模擬，并于Horton模擬值和實(shí)測值進(jìn)行對比。結(jié)果表明，修正后的Horton模型與原Horton模型相比，能模擬出更為接近實(shí)測值的土壤水分入滲過程。實(shí)測、Horton模型與修正模型比較如圖1所示。

對土壤水分的時(shí)刻入滲速率模型模擬值與實(shí)測值進(jìn)行回歸分析，引入土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行模型修訂后入滲速率模型模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)為0.968、0.972、0.961、0.970。對比 4 種樣地 Horton入滲模型入滲速率模擬值與試驗(yàn)實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)(表5)發(fā)現(xiàn)，引入土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)后模型的擬合度有了較大幅度的改善。

對土壤水分時(shí)段入滲量的模型模擬值與實(shí)測值進(jìn)行回歸分析，得出引入土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行模型修訂后模型模擬值與實(shí)測入滲量的相關(guān)系數(shù)S1、S2、S3 和 S4 分別為 0.941、0.827、0.905、0.940。對比4種樣地Horton入滲模型入滲量模擬值與試驗(yàn)實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)(表6)發(fā)現(xiàn)，引入土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)后模型的擬合度有了較大幅度的改善。

5 結(jié)論與討論

1)同一樣地內(nèi)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土壤中并非均勻分布，一般表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，隨著土層深度增加有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞減。

2)不同森林植被群落類型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值略有不同，表現(xiàn)為闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林，但三者相近。喬灌混交林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。

3)不同森林植被群落土壤水分入滲速率隨時(shí)間的增加而遞減，但不同群落土壤的遞減速率不同，這與土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有密切關(guān)系。

4)Horton模型經(jīng)引入下層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)后，模型不需率定參數(shù)，且其結(jié)果更逼近實(shí)測值，在一定程度上為土壤水分入滲過程預(yù)測與模擬提供了一個(gè)更為準(zhǔn)確有效的方法。

圖1 4種林地土壤水分入滲過程模擬Fig．1 Soil water infiltration process simulation of 4 plots in the forest

表5 土壤水分入滲速率回歸分析Tab．5 Regression analysis of soil water infiltration rate

表6 土壤水分入滲量回歸分析Tab．6 Regression analysisof soil water infiltration content

對有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤水分入滲過程分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤水分入滲過程間有顯著相關(guān)性，并可根據(jù)該關(guān)系構(gòu)建模型進(jìn)行定量描述;但受試驗(yàn)時(shí)間和條件所限，本研究將其設(shè)定為獨(dú)立變量進(jìn)行探索性研究，以期為土壤水分入滲的研究思路、方法提供微薄貢獻(xiàn)。

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Forest soil water infiltration process influenced by soil organic carbonmass fraction and itsmodel simulation

Li Jing1，Zhang Hongjiang1，Cheng Jinhua1，Chang Dandong2
(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing;
2.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resources，RPC，100055，Beijing：China)

In order to probe into the process between soil organic carbonmass fraction(SOCMF)and soil water infiltration in different forest plant communities，the forest SOCMF was drown into Hortonmodel as independence variable，which is amended with it.The results showed that the SOCMF was distinct in different forest plant communities.It was the largest in broad leavedmixed forest，and then followed bymixed coniferous and broad leaved forest，coniferousmixed forest，andmixed arbor and shrub forest.Both the initial infiltration rate and the difference between the initial infiltration rate and steady infiltration rate have linear relationship with SOCMF.After Hortonmodel amended，there is a great agreement between simulations andmeasurements.The study provided a newmethod to forecast and simulate forest soil water infiltration process in the similar regions.

soil organic carbon;mass fraction;soil water infiltration;model

2012-02-22

2012-04-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“三峽庫區(qū)優(yōu)先流影響土壤養(yǎng)分流失機(jī)制研究”(30900866)

李婧(1980—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持與森林水文。E-mail：lijinga126@126.com

?責(zé)任作者簡介：張洪江(1955—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：土壤侵蝕與流域管理。E-mail：zhanghj@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯：程 云)