伏牛山東麓不同植被恢復類型土壤入滲性能及產(chǎn)流預測

彭舜磊，梁亞紅，陳昌東，劉沛松，文禎中

（1.平頂山學院 低山丘陵區(qū)生態(tài)修復重點實驗室，河南 平頂山467000；2.平頂山學院 資源與環(huán)境科學學院，河南 平頂山467000）

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物理參數(shù)之一。土壤滲透性能愈好，地表徑流愈小，土壤的侵蝕量也就愈少［1－4］。探討不同植被恢復類型下土壤水分的入滲性能，對于研究坡面徑流的產(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［5－6］。土壤入滲性能與植被類型和土壤質(zhì)地、結構、地面坡度、土壤剖面含水量有關，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［7－9］。植被通過改善土壤結構，提高入滲率，促進降雨入滲，減少地表徑流［10－11］。目前，土壤入滲的研究主要關注土壤入滲過程與模擬以及土壤入滲的空間異質(zhì)性［3－4，6－7］。植被恢復對土壤入滲與產(chǎn)流的影響很大［3－4］，不同區(qū)域與不同植被恢復類型對土壤的入滲與產(chǎn)流的影響存在差異［6－7］。閆東鋒和楊喜田［8］對豫南典型林地土壤入滲特征及影響因素進行了分析；肖登攀等［1］對太行山不同地表類型降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律進行了研究，然而，不同植被恢復類型土壤入滲過程及其入滲產(chǎn)流機理研究尚待深入。

由于長期受到人類活動的干擾，伏牛山東麓原生自然植被幾乎破壞殆盡，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱［12］。自1999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，植被恢復效果顯著，森林覆蓋率顯著提高。在這一系列變化中，土壤的理化性質(zhì)包括入滲性能是否發(fā)生變化，是否能夠減少地表徑流？目前，針對這些問題，亟需進行探索和研究。本文以伏牛山東麓六種植被恢復類型為研究對象，通過對其土壤水分入滲過程的測定以及穩(wěn)滲率與不同重現(xiàn)期暴雨強度的比較，揭示不同植被恢復類型土壤入滲規(guī)律和地表徑流產(chǎn)生的可能性，以期為伏牛山區(qū)水土保持、植被恢復及生態(tài)環(huán)境建設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

選擇伏牛山東麓的魯山縣昭平臺庫區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛虮眮啛釒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，為全國暴雨中心之一。地貌屬低山丘陵區(qū)，巖性組成較為復雜，主要為花崗片麻巖、閃長片麻巖、大理石巖和片巖等，成土母質(zhì)為基巖風化殘積和坡積物，土壤類型為黃棕壤，質(zhì)地黏重，透水透氣性差，水土流失嚴重，土壤侵蝕模數(shù)4 979 t／k m2，年均土壤流失總量267.3 t［12］。自然植被類型是含有常綠成分的落葉闊葉林，常見樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis）、茅栗（Castanea seguinii ）、槲櫟（Quercus aline）、黃連木（Pistacia chinensis）、山合歡（Albizia kal kor a）、化香（Pl atycar ya str obil acea）等。由于長期的人類干擾，自然植被破壞嚴重，現(xiàn)存植被大都為次生林、次生灌叢和人工林。常見的人工林樹種為栓皮櫟、刺槐（Robinia pseudoacacia）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 于2012年7月，在魯山縣昭平臺庫區(qū)，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、側(cè)柏人工林、刺槐人工林、灌叢和裸地6個植被類型作為研究對象，在同一植被類型內(nèi)，分別設置3個20 m×20 m的樣地，對每個樣地進行森林植物群落調(diào)查，林齡通過生長錐測定，灌叢與裸地的年齡通過查閱營林檔案和走訪群眾確定，各樣地基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集 在每個樣地內(nèi)選擇具有代表性的樣點，去掉枯枝落葉層，隨機挖掘3個土壤剖面，每個土壤剖面，用環(huán)刀（5 c m）取0—10 c m的原狀土兩個，1個備測土壤容重，1個備測土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度等指標。同時，在樣點附近，去掉枯枝落葉層，用大土鉆（7.5 c m）取0—10 c m土層的土壤，放入自封袋中，備測土壤有機質(zhì)含量、細根生物量和水穩(wěn)性團聚體含量，每個樣地重復取樣3次。

1.2.3 指標測試方法 土壤入滲率測試采用雙環(huán)入滲法［13］，在內(nèi)環(huán)使土壤表層保持5 c m水層，直到滲出水量基本穩(wěn)定為止，記錄數(shù)據(jù)包括：初始入滲速率（前5 min平均入滲率）、各時段入滲率、穩(wěn)定入滲率、前60 min累計入滲量。

土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度的測定采用環(huán)刀法［14］；土壤有機質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法；水穩(wěn)性土壤團聚體用改進的Yoder濕篩法測定［14］。將野外取樣的根系沖洗陰干后，70℃恒溫下48 h烘干，稱其干質(zhì)量，細根生物量等于根系干質(zhì)量與取樣環(huán)刀橫截面面積的比值［15］。各植被類型土壤理化指標見表2。

表2 不同植被恢復類型土壤入滲特征參數(shù)

1.2.4 不同重現(xiàn)期暴雨歷時計算及產(chǎn)流可能性預測

根據(jù)魯山縣氣象局1953—2009年的降雨資料，按年最大值法選樣，用指數(shù)分布函數(shù)進行頻率擬合，得出重現(xiàn)期與降雨強度的關系，應用我國通用的設計暴雨公式通過最小二乘法得出暴雨歷時曲線。通過比較土壤穩(wěn)滲率與暴雨歷時曲線對應的10 min雨強，預測地表徑流發(fā)生的可能性［3］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤入滲和土壤各理化指標采用平均值，各土壤理化因子對土壤入滲參數(shù)的影響以及暴雨歷時曲線擬合所涉及的統(tǒng)計分析均通過SPSS 16.0統(tǒng)計軟件完成，運用Sig maPl ot 11.0軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型表層土壤入滲率比較

不同植被恢復類型的土壤入滲過程可分為3個階段。（1）瞬變階段（0—20 min）：各種植被類型滲透初期，土壤滲透率變化幅度較大；（2）漸變階段（20—40 min）：各植被類型的土壤滲透率逐漸變小；（3）穩(wěn)滲階段（40 min）：主要發(fā)生在40 min以后，入滲率趨于穩(wěn)定（圖1）。初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲總量在不同植被恢復類型中均呈現(xiàn)同樣的趨勢：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＞裸地。栓皮櫟次生林的初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲總量最高，分別為8.1 mm／min，4.8 mm／min和319.1 mm，分別是裸地對照的4.3倍，12倍和7.2倍（圖2）。

2.2 不同植被類型表層土壤入滲的影響因素

選取土壤容重（X1）、總孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、毛管孔隙度（X4）、有機質(zhì)質(zhì)量含量（X5）、細根生物量（X6）、水穩(wěn)性團聚體含量（X7）作為影響土壤入滲的因子，選取初始入滲率（Y1）、穩(wěn)滲率（Y2）、前60 min入滲量（Y3）作為表征土壤入滲特征的因子，進行相關性分析（表3），結果表明：土壤各入滲參數(shù)除與毛管孔隙度不相關外，與土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、細根生物量、水穩(wěn)性團聚體含量均顯著相關（p＜0.05），其中穩(wěn)滲率和前60 min入滲量與土壤容重和總孔隙度極顯著相關（p＜0.01）。為消除各影響因子之間的交互作用和多重共線現(xiàn)象，以3個土壤入滲指標分別作為因變量，7個影響土壤入滲的因子作為自變量，進行逐步回歸分析，得到土壤水分初滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲量的主導因子方程（表4），結果均達到了極顯著水平，說明總孔隙度和土壤容重是影響土壤入滲特征的主導因子。

圖1 不同植被恢復類型土壤入滲過程比較

圖2 不同植被恢復類型初滲率（Ki）、穩(wěn)滲率（Ks）和前60 min入滲量（C60 min）比較

表3 土壤入滲性能與影響因素相關系數(shù)

表4 土壤滲透性主導因子方程

2.3 不同植被類型土壤穩(wěn)滲率與不同重現(xiàn)期暴雨強度的關系

由圖3可知，栓皮櫟次生林土壤表層的穩(wěn)滲率最高，大于10 a一遇的暴雨10 min雨強，栓皮櫟人工林土壤表層的穩(wěn)滲率次之，大于1 a一遇的暴雨10 min雨強。其它植被類型表層土壤的穩(wěn)滲率較低，均低于1 a一遇的10 min暴雨雨強，很容易產(chǎn)生暴雨徑流。

圖3 不同植被類型表層土壤穩(wěn)滲率與不同重現(xiàn)期暴雨強度比較

3 結論與討論

3.1 不同植被恢復類型土壤入滲率差別較大

選擇初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲量作為表征土壤入滲特征的指標，不同植被恢復類型的入滲特征指標均呈現(xiàn)出同樣的趨勢：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＞裸地。土壤水分入滲是一個復雜的水文過程，與降雨地表徑流、表土結構、容重密切相關［16－17］，本研究表明：土壤各入滲參數(shù)除與毛管孔隙度不相關外，與土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、細根生物量、水穩(wěn)性團聚體含量均顯著相關（p＜0.05）。逐步回歸分析表明，土壤容重和總孔隙度是影響土壤入滲性能的主導因子。栓皮櫟次生林表層土壤受干擾小，根系發(fā)達，土壤有機質(zhì)、水穩(wěn)性團聚體含量、非毛管孔隙度高，有利于提高土壤總孔隙度，降低土壤容重，進而提高土壤 水 分 入 滲 性 能［6，9，18－20］。 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，土壤總孔隙度較高，土壤容重較低，因而入滲率相對較高，而側(cè)柏和刺槐人工林和灌叢林下植被組成簡單，根系不發(fā)達，總孔隙度小，土壤容重相對栓皮櫟次生林和人工林較高，所以入滲性能相對較低［18］。裸地土壤受人類干擾大，較為緊實、根系不發(fā)達、土壤團聚體和有機質(zhì)含量少，孔隙性差，因此入滲能力最低［7］。許多研究表明，土壤入滲率與土壤容重呈顯著負相 關［13，16－17］，與 本 研 究 的 結 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。

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—20 min）、漸變階段（20—40 min）和穩(wěn)定階段（40 min后）。瞬變階段土壤入滲速率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，水分主要在重力的作用下做滲透運動，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)［16］。以往研究中多采用穩(wěn)滲率來比較不同土地利用類型的土壤滲透性能，而忽視了初滲率［3－4］。如在一次降水，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 天然次生林與鄉(xiāng)土樹種人工林地表徑流量較其它植被類型小

很多學者通過降雨歷時曲線與穩(wěn)滲率的比較，預測地表徑流產(chǎn)生的可能性［3－4，11］。栓皮櫟次生林由于林下土壤受人為干擾較小，土壤容重較低，總孔隙度高，土壤團粒結構發(fā)育好，根系發(fā)達，有機質(zhì)含量高，所以入滲率最高，能抵御10 a一遇的暴雨，不容易產(chǎn)生地表徑流［3－4，11］；栓皮櫟人工林由于是鄉(xiāng)土樹種，林下植被豐富，對土壤的改善作用大于刺槐和側(cè)柏人工林，入滲率較高，所以能夠抵御1 a一遇的暴雨而很少產(chǎn)生地表徑流。而側(cè)柏、刺槐人工林和灌叢林下植被組成簡單，根系不發(fā)達，土壤滲透性與栓皮櫟次生林和人工林相比較差，低于1 a一遇的暴雨10 min雨強，易產(chǎn)生地表徑流。裸地受人為干擾最大，土壤緊實，入滲率最低，最容易產(chǎn)生地表徑流［6，13，17］。

在伏牛山東麓植被恢復建設中，應保護現(xiàn)有的天然次生林，其林下土壤具有較強的入滲能力。另外，在人工林恢復中，應首先選擇鄉(xiāng)土樹種，其林下可以吸引更多的鄉(xiāng)土植被定居，逐漸形成與自然植被相近的群落結構，促進林下土壤恢復，增加土壤入滲能力。

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