喀斯特地區(qū)植被恢復過程中土壤滲透性能及其影響因素

王佩將，戴全厚，丁貴杰，程富東

(貴州大學林學院，550025，貴陽)

喀斯特地區(qū)植被恢復過程中土壤滲透性能及其影響因素

王佩將，戴全厚?，丁貴杰，程富東

(貴州大學林學院，550025，貴陽)

采用空間代替時間的方法，選取喀斯特地區(qū)大灣小流域不同植被恢復階段樣地和不同經(jīng)果幼林樣地，以烤煙坡耕地和柳杉人工林作為對照，研究喀斯特地區(qū)植被恢復過程中的土壤滲透性能及其影響因素。結(jié)果表明：1)土壤滲透性能由高到低的順序為李樹+金銀花＞刺梨+獼猴桃＞李樹+刺梨＞棗樹+玉米，喬木疏林＞灌木林＞灌草＞喬灌過渡林＞草坡＞柳杉人工林;2)烤煙坡耕地土壤平均入滲速率與穩(wěn)定入滲速率均次于喬木疏林地，烤煙坡耕地土壤入滲性能較好;3)考斯恰柯夫方程是比較適宜于描述喀斯特地區(qū)植被恢復階段土壤入滲特征的模型;Philip模型和Horton模型對經(jīng)果幼林的土壤滲透性能模擬效果較好，Horton模型的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率與實測值較為接近，適宜于描述喀斯特地區(qū)的土壤入滲過程;4)土壤的滲透性能與＞0.05mm砂粒質(zhì)量含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.01);土壤滲透性能的影響因素主要是土壤＞0.05mm砂粒質(zhì)量含量和0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量。

土壤入滲;植被恢復;經(jīng)果幼林;土壤理化性質(zhì);喀斯特

西南喀斯特山區(qū)是水土流失較為嚴重的地區(qū)之一。嚴重的水土流失和脆弱的生態(tài)環(huán)境嚴重制約著當?shù)亟?jīng)濟社會的發(fā)展。防治水土流失的關(guān)鍵在于消除或者減弱地表徑流，而土壤水分入滲規(guī)律是探討地表徑流產(chǎn)生的前提和基礎，對明確地表徑流的調(diào)節(jié)機制及土壤侵蝕防治具有十分重要的意義［1］。許多研究結(jié)果［2-3］表明，土壤的滲透性能越好，地表徑流就越少，土壤的侵蝕量也會相應地減少。因此，在降雨量豐富且時間集中的西南喀斯特地區(qū)，研究土壤的滲透性能對于削減地表徑流，減少水土流失具有重要的意義［4］。到目前為止，國內(nèi)外對土壤入滲的研究較多，劉目興等［5］研究了土壤初始含水量與入滲的關(guān)系，A.J.Franzluebbers［6］研究了土壤有機質(zhì)與入滲的關(guān)系，L.D.Machiwa等［7］研究了土壤入滲的空間異質(zhì)性，H.Kato等［8］利用人工降雨方法研究了蒙古牧區(qū)草地的入滲特征，但對喀斯特地區(qū)土壤的滲透性能的研究相對較少。陳明珠等［9］研究了土體成因及礦物成分對喀斯特土體滲透性的影響，劉建偉等［10］利用盤式入滲儀研究了喀斯特洼地菜地和玉米(Zeamays)地的土壤入滲性能，張治偉等［11］研究了巖溶草地、灌叢地、果園、旱地的土壤入滲性能及其影響因素，劉麗紅等［12］研究發(fā)現(xiàn)，巖溶槽谷區(qū)旱地比荒地和林地的土壤滲透性能好。這些研究主要是對喀斯特山區(qū)不同土地利用方式土壤入滲性能的研究，對喀斯特地區(qū)植被恢復過程中的土壤入滲性能演變研究較少。筆者以喀斯特典型小流域——大灣小流域為研究對象，研究其不同植被恢復階段和不同類型經(jīng)果幼林的土壤水分入滲特征，探討土壤理化性質(zhì)對入滲性能的影響，以期為該區(qū)生態(tài)重建及植被恢復提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)市大方縣南部羊場鎮(zhèn)境內(nèi)的大灣小流域，屬長江流域烏江水系白布河支流。地理坐標為 E 105°37'12″～105°44'51″，N 27°07'31″～27°02'34″，最高海拔 1 697m，最低海拔 1 304m，平均海拔1 500m，相對高差393m，屬典型的低中山丘陵地貌，出露地層多為碳酸鹽類石灰?guī)r，其地帶性土壤主要為石灰?guī)r、砂頁巖風化形成的黃壤，占土地面積的98.6%。氣候為中亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫12.8℃，多年平均降雨量1 118mm，降雨多集中于7—9月，約占全年降雨量的81.4%。原生植被多被嚴重破壞，現(xiàn)存都為次生林，喬木多為麻櫟(Quercus acutissima)、崖櫻桃(Cerasus scopulorum)、香椿(Toona sinensis)、化香(Platycarya strobilacea)等，灌木多為異葉鼠李(Rhamnus hetrophylla)、金絲桃(Hypericum bellum)、馬桑(Coriaria nepalensis)等，草本層多為白茅(Imperata cylindrica)、金茅(Eulalia speciosa)、芒(Saccharum arundinaceum)等。流域土地總面積2 144.31 hm2，其中坡耕地面積937.15 hm2，經(jīng)果林面積 36.36 hm2，林地面積436.21 hm2(其中有林地 109.02 hm2，灌木林地253.86 hm2，疏幼林地73.33 hm2)，荒山荒坡面積55.60 hm2。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)存植被、土地利用方式等特點，運用時空替代法選擇具有代表性的不同植被恢復階段的5個樣地(草坡CP，灌草GC，灌木林GM，喬灌過渡林QG，喬木疏林QS)，并選取了4個不同經(jīng)果幼林樣地(棗(Ziziphusmontana)樹 +玉米 ZY，李(Prunus salicina)樹+金銀花(Lonicera japonica)LJ，李樹+刺梨(Rosa kweichowensis)LC，刺梨+獼猴桃(Actinidia deliciosa)CM，這些樣地原為坡耕地，果樹栽培3年，取樣時玉米已經(jīng)種植)，以及坡耕地(烤煙(Nicotiana tabacum)地PG，取樣時已經(jīng)種植)樣地1個和人工林(10年生柳杉(Cryptomeria fortunei)人工林RG)樣地1個。樣地大小均為20m×20m。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Tab．1 Basic information of the sampling plots

2.2 土壤樣品的采集

在每塊樣地內(nèi)，按S形選取6點，用環(huán)刀采集表層原狀土樣，用來測定土壤密度、總孔隙度及田間持水量，并用鋁飯盒取表層原狀土以測定水穩(wěn)性團聚體。另外用土鉆采集表層(0～15 cm)土壤樣品，帶回實驗室風干后進行土壤理化性質(zhì)分析。樣地土壤基本理化性質(zhì)見表2。

2.3 樣品分析

土壤密度、總孔隙度、田間持水量等物理性質(zhì)的測定采用環(huán)刀法(LY/T 1215—1999)。土壤機械組成的測定采用比重計法，水穩(wěn)性團聚體采用干-濕篩法，有機質(zhì)質(zhì)量含量的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法。

土壤滲透性采用滲透筒法(LY/T 1218—1999)測定，滲透筒規(guī)格為44.16 cm2×20 cm，取土深度為10 cm。土壤入滲能力的定量表示常常借助于土壤入滲速率，即最初入滲速率、最后入滲速率以及入滲開始后經(jīng)單位時間的入滲速率。各指標的計算方法為：

式中：v0為初始入滲速率，mm/min;W0為最初入滲時段內(nèi)滲透量，mm;t0為最初入滲時間，min，取最初入滲時間為2min;vc為穩(wěn)定入滲速率，即單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率，mm/min;Wc為滲透達到穩(wěn)定時的滲透量;tc為滲透達到穩(wěn)定時所需的時間;v平為平均入滲速率，mm/min;W總為從開始入滲到穩(wěn)定入滲時的滲透總量，mm;t總為從開始入滲到穩(wěn)定入滲時總的時間，min。

選擇考斯恰柯夫、Philip、Horton 3種土壤水分入滲模型對各樣地的土壤入滲過程進行模擬。模型方程如下。

考斯恰柯夫經(jīng)驗模型

式中：v為入滲速率，mm/min;t為入滲時間，min;a與n是常數(shù)。

Philip模型

式中s和b為與入滲特性有關(guān)的常數(shù)。

Horton模型

式中k為常數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)運用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計及分析。

表2 樣地土壤基本理化性質(zhì)Tab．2 Soil physical and chemical properties of the sampling plots

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤入滲過程與特征

各樣地土壤入滲過程曲線(圖1)表明：土壤初始入滲速率較高，而后逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定;但不同植被恢復階段、不同經(jīng)果幼林類型之間存在差異。草坡(CP)和灌草(GC)的土壤入滲速率隨時間的變化比較平緩，灌木林(GM)、喬木疏林(QS)和烤煙坡耕地(PG)的入滲速率隨時間的變化較快。

圖1 各樣地土壤入滲過程曲線Fig．1 Soil infilitration curves of the sampling plots

各樣地土壤入滲指標見表3?？芍?，不同經(jīng)果幼林、植被恢復階段的土壤入滲特征差異比較明顯。不同經(jīng)果幼林的初始入滲速率由大到小順序為刺梨+獼猴桃(CM)＞李樹+金銀花(LJ)＞棗樹+玉米(ZY)＞李樹+刺梨(LC);而穩(wěn)定入滲速率由大到小的順序為李樹+金銀花(LJ)＞刺梨+獼猴桃(CM)＞李樹+刺梨(LC)＞棗樹+玉米(ZY)，平均入滲速率由大到小的順序為李樹+金銀花(LJ)＞刺梨+獼猴桃(CM)＞李樹+刺梨(LC)＞棗樹+玉米(ZY)。有研究表明，平均入滲速率能較好地表征土壤的滲透性能［13］;而土壤穩(wěn)定入滲速率與土壤的飽和導水率相等或接近，常被用作定量描述土壤滲透能力的綜合指標［14］?？梢?，李樹+金銀花(LJ)和刺梨+獼猴桃(CM)這2種模式的土壤滲透性能較好。不同植被恢復階段的初始入滲速率由大到小順序為喬木疏林(QS)＞灌木(GM)＞灌草(GC)＞喬灌過渡林(QG)＞柳杉人工林(RG)＞草坡(CP)，穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率由大到小的順序均為喬木疏林(QS)＞灌木(GM)＞灌草(GC)＞喬灌過渡林(QG)＞草坡(CP)＞柳杉人工林(RG)?？梢姡瑔棠臼枇?QS)的土壤入滲性能最好，柳杉人工林(RG)的入滲性能最差。所有地類中，烤煙坡耕地(PG)土壤初始入滲速率最大，穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率也都較大(僅次于喬木疏林(QS))，土壤滲透性能較好。從植被恢復過程中土壤入滲特征的變化可知，坡耕地退耕后，隨著植被的演替，土壤的滲透性能會先變差，再逐漸變好。

由表2和表3可知，喬木疏林(QS)的有機質(zhì)質(zhì)量含量和1～0.5mm砂粒質(zhì)量含量最高，＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量含量也較高，說明喬木疏林(QS)的土壤較疏松，質(zhì)地較輕，顆粒粒間空隙較大，有利于水分下滲，因而，喬木疏林(QS)土壤入滲性能較好。柳杉人工林(RG)土壤有機質(zhì)、砂粒質(zhì)量含量和＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量含量均較低，其土壤入滲性能較差。坡耕地(PG)經(jīng)常受人為擾動，種植的作物很少返還給土壤，土壤有機質(zhì)質(zhì)量含量較低，且是土壤侵蝕的主要發(fā)源地，土壤中較細顆粒被徑流搬運，剩余較大的顆粒，土壤逐漸砂化，是造成坡耕地入滲速率較大的主要原因。4種經(jīng)果幼林中，李樹+金銀花(LJ)和刺梨+獼猴桃(CM)的土壤入滲性能較好，可能是因為這2種經(jīng)果林地的土壤砂粒質(zhì)量質(zhì)量較高，土壤較疏松，使得土壤的入滲速率較大。

3.2 土壤入滲模型擬合

土壤水分入滲是個復雜的物理過程，是地表水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。土壤水分入滲是徑流計算和評價水土保持效益的重要指標，而合適的入滲模型是研究水源保護林保水功能的重要手段［15］。有關(guān)土壤水分入滲的數(shù)學模型很多，包括純經(jīng)驗模型和半理論、半經(jīng)驗模型，如Green-Ampt模型、Philip模型、考斯恰柯夫模型、Horton模型、方正三模型等［16］。

表3 不同樣地土壤入滲特征指標Tab．3 Characteristics indices soil infiltration of the sampling plots mm/min

選擇常用的考斯恰柯夫模型、Philip模型和Horton模型對不同土地利用類型土壤入滲過程進行擬合的結(jié)果見表4。

表4 不同入滲模型對土壤入滲過程的擬合結(jié)果Tab．4 Simulated results of the sampling plots by using soil infiltrationmodels

3個模型對各土地利用類型土壤入滲過程的擬合判定系數(shù)都超過0.85，可知3種模型均能較好地描述土壤入滲速率隨時間的變化關(guān)系。比較不同入滲模型的R2可知，擬合效果較好的考斯恰柯夫模型有4個，Horton模型有4個，Philip模型有3個。對于植被不同恢復階段的土壤入滲擬合效果，考斯恰柯夫模型比Philip模型和Horton模型更好;對于4種經(jīng)果幼林，Philip模型和Horton模型各有2個R2較大;Philip模型對烤煙坡耕地(PG)土壤入滲過程的擬合效果較好，考斯恰柯夫模型對柳杉人工林(RG)土壤入滲過程的擬合效果較好。

考斯恰柯夫模型是經(jīng)驗模型，而Philip模型是在水分運動基本方程式的基礎上經(jīng)簡化推導出來的，比考斯恰柯夫模型多一個參數(shù)，可以認為是考斯恰柯夫模型的改進式［17］。Philip模型和Horton模型是物理模型。Philip模型中的參數(shù)b是土壤穩(wěn)定入滲速率，s是反映土壤入滲能力大小的有效指標，其值越大，入滲能力越強，反之相反［18］。將 Philip模型表達式和表4中Philip模型的擬合結(jié)果對比可以看出，烤煙坡耕地(PG)的s值最大為35.31，入滲能力最強，灌木林(GM)和刺梨+獼猴桃(CM)地次之，李樹+刺梨(LC)地和草坡(CP)的土壤入滲能力較弱。

Horton模型中包括了初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率，初始含水量決定了曲線的坡度，初始含水量越低，入滲初期曲線變化越陡。由Philip模型和Horton模型擬合所得的穩(wěn)定入滲速率與實測值比較可知，Horton模型的穩(wěn)定入滲速率與實測值較為接近，而且Horton模型的初始入滲速率也和實測值相差不大，說明Horton模型比較適宜于描述本研究區(qū)土壤的入滲過程。

3.3 土壤理化性質(zhì)對滲透性的影響

土壤入滲能力的大小主要取決于土壤機械組成、土壤含水量、有機質(zhì)、土壤含鹽量、水穩(wěn)性團粒含量、土壤密度等［19-20］。土壤穩(wěn)定入滲速率隨著＞0.25mm的水穩(wěn)性團粒質(zhì)量含量的增加而增加，隨土壤密度的增大而減小。土壤砂粒質(zhì)量含量越高，黏粒質(zhì)量含量越低，越利于水分下滲［21］。由表5可以看出：1～0.05mm砂粒質(zhì)量含量與3個土壤滲透性能指標呈正相關(guān)，且均達到顯著水平(P＜0.05);＞0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量和3個土壤滲透性能指標呈負相關(guān)，均達到極顯著水平(P＜0.01);總孔隙度、田間持水量、＜0.001mm黏粒質(zhì)量含量、有機質(zhì)質(zhì)量含量、＞0.25mm水穩(wěn)性團粒質(zhì)量含量與土壤滲透性能呈正相關(guān)，但相關(guān)性均未達顯著水平;＜0.01mm物理性黏粒質(zhì)量含量、土壤密度與3個土壤滲透性能指標呈負相關(guān)，相關(guān)性均未達顯著水平。結(jié)合表2和表3也可以看出，滲透性能較好的樣地1～0.05mm砂粒質(zhì)量含量較高，0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量較低。由此可知，坡耕地退耕后，隨著植被的逐漸恢復，土壤的滲透性能逐漸變好，所以，在喀斯特地區(qū)，退耕還林可以減少地表徑流量，從而減少水土流失。

表5 土壤理化性質(zhì)與滲透性的相關(guān)系數(shù)Tab．5 Correlation coefficients between soil infiltration capacity and soil physical and chemical properties

土壤總孔隙度越大，越有利于水分下滲。王國梁等［22］通過研究黃土丘陵溝壑區(qū)的植被恢復對土壤穩(wěn)定入滲的影響發(fā)現(xiàn)，土壤總孔隙度與穩(wěn)定入滲速率存在極顯著的相關(guān)關(guān)系。田間持水量、土壤有機質(zhì)質(zhì)量含量也與土壤滲透性能密切相關(guān)［23-25］。本研究中，土壤總孔隙度、田間持水量和土壤有機質(zhì)質(zhì)量含量與土壤滲透性能呈正相關(guān)關(guān)系，但均未達到顯著水平。

土壤水分入滲是一個復雜的過程，受很多因素的影響。為了更加明確土壤理化性質(zhì)對土壤滲透速率的影響作用，進一步應用逐步回歸分析法以篩選影響土壤滲透速率的主導因素。對初始入滲速率Y1(mm/min)，穩(wěn)定入滲速率Y2(mm/min)，平均入滲速率Y3(mm/min)，土壤密度(g/cm3)X1，總孔隙度X2(%)、田間持水量X3(%)、1～0.05mm砂粒質(zhì)量含量X4(%)，0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量X5(%)、＜0.001黏粒質(zhì)量含量X6(%)、＜0.01物理性黏粒質(zhì)量含量X7(%)、＞0.25mm水穩(wěn)性團粒質(zhì)量含量X8(%)、有機質(zhì)質(zhì)量含量X9(%)做逐步回歸分析，自變量取舍標準為顯著性水平α=0.05，得到回歸方程如下：

可知，1～0.05mm砂粒質(zhì)量含量與 ＜0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量是影響土壤滲透性能的主導因素。

4 結(jié)論

1)在不同土地利用類型中，烤煙坡耕地土壤的入滲性能較好。

2)在喀斯特地區(qū)，實施灌草坡的封育和喬灌搭配式的生態(tài)恢復措施，可以有效地增加土壤水分入滲，減少地表徑流。

3)考斯恰柯夫、Philip、Horton3種模型都可以很好地描述土壤入滲速率隨時間的變化?？妓骨】路蛉霛B模型對柳杉人工林和植被恢復不同階段的土壤入滲過程擬合效果較好，Philip模型對烤煙坡耕地和李樹+刺梨、刺梨+獼猴桃2種經(jīng)果幼林的土壤入滲擬合效果較好，Horton模型對棗樹+玉米、李樹+金銀花的入滲過程擬合效果較好。Horton模型適于描述本研究區(qū)的土壤入滲過程。

4)土壤滲透性能與土壤0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量和1～0.05mm砂粒質(zhì)量含量密切相關(guān)，可根據(jù)其相關(guān)關(guān)系構(gòu)建線性方程定量描述土壤水分的滲透速率。

在實驗中得到貴州大學農(nóng)學院卜通達與凌邦元老師的指導，在此表示感謝。

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Infiltration characteristics of soil and its affecting factors in the process of vegetation recovery in Karst region

Wang Peijiang，Dai Quanhou，Ding Guijie，Cheng Fudong
(Forest Department of Guizhou University，550025，Guiyang，China)

Effectmechanism of vegetation recovery on soil infiltration capability could provide scientific bases for soil and water conservation in Karst region.Compared withNicotiana tabacumfarmland andCryptomeria fortuneiplantation，this study selected different vegetation restoration stages and different young economic fruit forests as subject.Interchangeable space-timemethod were employed to study soil infiltration characteristic and its affecting factors.The results showed that：1)soil infiltration capability was given as the sequence ofPrunus salicinaintercropped withLonicera japonica＞Rosa kweichowensisintercropped withActinidia deliciosa＞Prunus salicinaintercropped withRosa kweichowensis＞Ziziphusmontanaintercropped withZeamays，and thin arbor forest＞shrub＞shrub and grass＞arbor and shrub＞grassland＞plantation forest.2)TheNicotiana tabacumfarmland had better soil infiltration capability as a result of itsmean infiltration and steady infiltration rate were only lower than thin arbor forest.3)Infiltration process was performed well by Kostialovmodel for different vegetation restoration stages in this region.However，to young fruit forests soil，Philip or Hortonmodels could give better performance.Initial soil infiltration rate and steady infiltration rate simulated by Hortonmodel were similar to themeasured values.So Horton infiltrationmodel was the bestmodel to describe soil infiltration process in the study region.4)There were significant positive correlation between sand concentration(1-0.05mm in diameter)and soil infiltration(P＜0.05).Soil infiltration were obviously negatively related to silt concentration(0.05-0.001mm in diameter)(P＜0.01).Sand concentration(1-0.05mm in diameter)and silt concentration(0.05-0.001mm in diameter)weremain affecting factors to soil infiltration.

soil infiltration;vegetation restoration;young economic fruit forests;physical and chemical properties of soil;Karst

2012-03-04

2012-07-23

國家自然科學基金“喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及過程研究”(41061029);國家“十一五”科技支撐計劃“水土流失治理評價體系及預警系統(tǒng)構(gòu)建”(2007BAD53B002);貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)計劃“喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失特征及過程研究”(黔科合人字［2011］13號);國家“十二五”科技支撐計劃“草海濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2011BAC02B02)

王佩將(1985—)，男，碩士研究生。主要研究方向：恢復生態(tài)。E-mail：peipei164@163.com

?責任作者簡介：戴全厚(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持與生態(tài)恢復重建。E-mail：qhdai river@163.com

(責任編輯：宋如華)