豫西低山丘陵區(qū)不同植被恢復類型表層土壤入滲規(guī)律

彭舜磊　陳昌東　劉沛松等

摘要：采用雙環(huán)入滲法研究了豫西低山丘陵區(qū)6種不同植被恢復類型表層土壤入滲規(guī)律的差異，并選擇Kostiakov公式、Horton公式和Philip公式對6種類型植被恢復土壤的入滲過程進行了模擬。結(jié)果表明：①不同植被恢復類型土壤的初滲率、穩(wěn)滲率、孔隙度和含水量均存在顯著差異（P<0.01），初滲率和穩(wěn)滲率均表現(xiàn)出栓皮櫟次生林>栓皮櫟人工林>刺槐人工林>側(cè)柏人工林>灌叢>荒草地的規(guī)律；②Philip公式對6種植被恢復類型土壤入滲過程的擬合精度最高，6種植被恢復類型土壤入滲過程呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，可分為瞬變階段（0～15 min）、漸變階段（15～30 min）和穩(wěn)定階段（30 min后）；③土壤的物理性質(zhì)影響入滲率，穩(wěn)滲率與土壤容重呈負相關(guān)，符合負指數(shù)曲線；林地由于土壤容重降低、孔隙度增加的緣故，其土壤入滲率明顯高于荒草地。運用封育天然次生林和鄉(xiāng)土樹種人工林進行植被恢復有利于提高土壤的入滲性能。

關(guān)鍵詞：低山丘陵區(qū)；土壤入滲； 土壤容重； 入滲模型；植被類型；豫西

中圖分類號：S714.7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1549-04

土壤入滲率是指單位時間、單位面積土壤表面入滲的水量，是描述土壤水分入滲快慢極為重要的土壤物理參數(shù)之一[1]。很多研究表明，土壤滲透性能愈好，地表徑流就愈小，土壤的侵蝕量也愈少[2-5]。因此，探討不同植被恢復類型下土壤水分的入滲性能，對于研究低山丘陵地區(qū)坡面徑流的產(chǎn)流機理、大氣-土壤-植被連續(xù)體（SPAC）中水分傳輸轉(zhuǎn)化過程具有重要意義[6，7]。近年來，許多學者建議將“增加土壤入滲能力，就地攔蓄降雨徑流”作為水土保持的重要戰(zhàn)略決策[6]。土壤入滲性能與植被類型和土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、地面坡度、土壤剖面含水量有關(guān)，并隨入滲時間的推移逐漸降低，最終趨于一個常數(shù)，即穩(wěn)定入滲率[8-10]。植被通過改善地表土壤結(jié)構(gòu)，促進降雨入滲、減少地表徑流[11，12]。

由于人類長期農(nóng)耕活動干擾，豫西低山丘陵地區(qū)原生植被幾乎破壞殆盡，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。該區(qū)域溝谷縱橫，水系發(fā)達，水庫較多，降雨集中，暴雨頻繁，地表徑流量與土壤流失量關(guān)系密切。自1998年以來，該區(qū)先后實施了大規(guī)模的天然林保護工程和退耕還林工程，植被恢復效果明顯，森林覆蓋率顯著提高，植被下墊面發(fā)生明顯變化。本研究以豫西低山丘陵地區(qū)6種不同的植被恢復模式為研究對象，通過對其表層土壤入滲率的測定與模擬，旨在揭示不同植被恢復類型土壤入滲規(guī)律，為低山丘陵地區(qū)水土保持、植被恢復及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科技支撐與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在豫西伏牛山東麓魯山縣低山丘陵地區(qū)，氣候?qū)儆诒眮啛釒蚺瘻貛н^渡區(qū)，年均氣溫14.7 ℃，年均降雨量1 000 mm，年蒸發(fā)量1 100 mm。土壤類型為黃棕壤，質(zhì)地粘重，透水透氣性差，水土流失嚴重，土壤侵蝕模數(shù)4 979 t/km2，年均土壤流失總量267.3 t/km2 [13]。地帶性植被是櫟屬落葉闊葉林，由于人類干擾，地帶性植被破壞嚴重，現(xiàn)存植被大都為次生林和人工林，主要植被類型有栓皮櫟次生林、栓皮櫟人工林、刺槐人工林、側(cè)柏人工林、灌叢和荒草地等。

1.2 方法

1.2.1 樣地設(shè)置 在庫區(qū)的西南坡分別選取坡度、坡向和海拔基本相同的栓皮櫟次生林、栓皮櫟人工林、刺槐人工林、側(cè)柏人工林、灌叢和荒草地6個植被恢復類型，在同一植被類型內(nèi)設(shè)置3個20 m ×20 m的樣地（表1），每個樣地隨機設(shè)取樣點3個，在每個取樣點除去土壤表面的枯枝落葉層，采用雙環(huán)入滲法測量0～10 cm的土壤入滲率[14]，然后用環(huán)刀取土樣備測土壤容重和總孔隙度，另外用土鉆取土樣備測土壤含水量。

1.2.2 土壤水分入滲指標測試與計算 土壤容重采用環(huán)刀法，總孔隙度通過土壤容重與土壤密度計算，土壤含水量采用烘干法（105 ℃，10 h）[15]。

1.2.3 土壤入滲模型 選擇3個著名的土壤入滲模型對不同植被恢復類型的土壤入滲過程進行模擬[12]，3個入滲模型公式如下：

1）Kostiakov公式：i=at-b

2）Horton公式：i=ic+（i0-ic）×e-βt

3）Philip公式：i=1/2×at-1/2+b

以上各式中：i為入滲率（mm/min）；i0為初滲率（mm/min）；ic為穩(wěn)滲率（mm/min）；t為入滲時間（min）；a，b，β，n為參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復類型表層土壤入滲率

由圖1可知，不同植被恢復類型的土壤入滲率存在較大差異，栓皮櫟次生林土壤入滲率最高，其次是栓皮櫟人工林，荒草地最低。入滲過程可分為3個階段：①瞬變階段（0～15 min）為滲透初期，各種植被類型土壤滲透率變化都很大；②漸變階段（15～30 min）為過渡階段，各植被類型的土壤滲透率逐漸變??；③穩(wěn)定階段（30 min后）的入滲率趨于穩(wěn)定（圖1）。各種植被類型土壤的初滲率和穩(wěn)滲率存在顯著差異，栓皮櫟次生林的土壤初滲率和穩(wěn)滲率分別為8.1和4.8 mm/min，顯著高于其他植被類型。在人工植被恢復模式中，栓皮櫟人工林土壤的初滲率和穩(wěn)滲率最高，土壤容重和總孔隙度也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律（表2，P<0.01）。

2.2 不同植被恢復類型表層土壤入滲過程模擬

分別采用Kostiakov、Horton和Philip公式對6種植被類型的土壤入滲過程進行模擬，各模型參數(shù)擬合值和相關(guān)系數(shù)如表3所示。3種入滲模型的擬合結(jié)果均較好，其中以Philip公式擬合的精度最高，相關(guān)系數(shù)均在0.93以上。

2.3 不同植被恢復類型土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的關(guān)系

由圖2可知，試驗區(qū)內(nèi)土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的相關(guān)性極顯著（P<0.01），其中，土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的關(guān)系符合負指數(shù)曲線，決定系數(shù)達到0.977 4。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同植被恢復類型表層土壤入滲規(guī)律

土壤孔隙度、含水量、初滲率、穩(wěn)滲率均表現(xiàn)出栓皮櫟次生林>栓皮櫟人工林>刺槐人工林>側(cè)柏人工林>灌叢>荒草地的規(guī)律， 而土壤容重表現(xiàn)出相反的規(guī)律。主要原因可能是次生林表層土壤受干擾小，枯枝落葉層較厚，根系發(fā)達，土壤有機質(zhì)含量高，土壤動物活動頻繁，所以土壤含水量、孔隙度和入滲率均最高，而土壤容重最小[7，10，16]。在人工林恢復模式中，鄉(xiāng)土樹種栓皮櫟人工林下植被相對豐富，根系發(fā)達，土壤通透性較好，所以入滲率相對較高，荒草地土壤結(jié)構(gòu)差，容重大，水土流失嚴重，入滲能力較其他植被類型弱[9]。

從土壤入滲的時間過程曲線分析，6種植被類型均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即入滲率的變化過程分為瞬變階段（0～15 min）、漸變階段（15～30 min）和穩(wěn)定階段（30 min后）。瞬變階段土壤入滲速率變化主要受土壤表面分子力的作用，入滲率與土壤初始含水量關(guān)系密切，漸變階段主要受土壤毛管力的作用；穩(wěn)定階段土壤水分已經(jīng)完全充滿土壤孔隙，水分主要在重力作用下做滲透運動，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)[1]。以往研究多采用穩(wěn)滲率比較不同土地利用類型的土壤滲透性能，而忽視初滲率[2，3]。在一次降水，特別是短歷時降水中，土壤初滲率越大，降水產(chǎn)生的地表徑流越少，土壤攔蓄降水的作用就越強，此時的初滲率則更能反映土壤的滲透性能。

3.2 不同植被恢復類型層土壤入滲過程模擬

多年來，許多學者對土壤水分運動機制和過程等進行了大量研究，并試圖通過確定某些參數(shù)與土壤特征之間的關(guān)系建立土壤水分入滲的數(shù)學模型。目前常用的入滲模型很多，大致分為兩類，一類是經(jīng)驗公式，如Kostiakov公式和Horton公式等；另一類是物理模型，其特征參數(shù)與土壤物理性質(zhì)間具有一定的關(guān)系，如Philip公式等[1]。本研究采用這3個著名的入滲模型對各植被類型土壤的入滲過程進行模擬。Philip公式比較適用于初始含水量較低、入滲時間不是很長的情況，本研究中6種植被土壤含水量的變化范圍為12.35%～19.04%，含水量較低，到達穩(wěn)滲的時間為30～40 min，入滲時間不長，滿足Philip公式條件，所以Philip公式模擬精度最高。Kostiakov公式和Horton公式在入滲時間超過2 h 后精度才會更高，但是在本研究中，2個模型的擬合效果也較好。Kostiakov公式中的參數(shù)a在6種植被類型的變化范圍為9.856～3.636，b的變化范圍在0.194～0.641，a為經(jīng)驗入滲系數(shù)，相當于第一個單位時段內(nèi)平均入滲速率，a值主要受土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和非毛管孔隙度等影響；b值大小表示入滲速率隨時間減小的程度，b值越大，則入滲速率隨時間減小的程度越快[9]。a的最小值和b的最大值均出現(xiàn)在荒草地，說明荒草地的入滲率最小且入滲率隨時間遞減最快。Horton公式中ic代表穩(wěn)滲率，栓皮櫟次生林的ic值最大，為4.800 mm/min，ic值從栓皮櫟次生林到荒草地依次降低。在Philip公式中，a值的變化范圍為6.345～16.024，最大值出現(xiàn)在栓皮櫟次生林，最小值出現(xiàn)在荒草地，該值的大小反映土壤入滲能力的大小。

3.3 不同植被恢復類型土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的關(guān)系

土壤水分入滲是一個復雜的水文過程，與降雨地表徑流、表土結(jié)構(gòu)、容重、土壤含水量關(guān)系密切[4，9，16，17]。很多研究表明，土壤入滲率與土壤容重呈顯著的負相關(guān)[15，17]，與本研究的結(jié)果一致。土壤容重越大，土壤越緊實，孔隙度越小，透水、透氣性越差，入滲率就越低[15]。荒草地由于植物稀疏，根系不發(fā)達，土壤結(jié)構(gòu)較差，土壤容重較大，所以入滲率較低。在灌叢地內(nèi)，由于木本植物較多，根系較荒草地發(fā)達，土壤的容重低于荒草地，故入滲率高于荒草地。栓皮櫟人工林由于是鄉(xiāng)土樹種，林下植被豐富，根系發(fā)達，有機質(zhì)豐富，對土壤的改善作用大于刺槐和側(cè)柏人工林，故林下土壤容重較低，入滲率較高。栓皮櫟次生林由于林下土壤受人為干擾較小，郁閉度高，具有豐厚的枯枝落葉層和有機質(zhì)，土壤發(fā)育和通透性較好，所以容重最低，入滲率也最高。

在低山丘陵地區(qū)植被恢復建設(shè)中，應該保護現(xiàn)有的天然次生林，其林下的土壤具有較強的水分入滲和水源涵養(yǎng)能力。另外，在人工林植被恢復中，應該首先選擇地帶性植被和鄉(xiāng)土樹種，其林下可以吸引更多的鄉(xiāng)土植被定居，并逐漸演替，形成與地帶性植被相近的群落結(jié)構(gòu)，促進林下土壤恢復，增加土壤的入滲與涵養(yǎng)水源的能力，同時土壤水分條件的改變也會促進植被的快速恢復。

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