滇東石漠化地區(qū)不同植被模式土壤滲透性研究

趙洋毅，段 旭

（1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，昆明650224）

喀斯特是一種具有特殊的物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)和功能的生態(tài)系統(tǒng)，其特征是生態(tài)敏感度高，抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，森林植被遭受破壞后，極易造成水土流失，基巖裸露［1］。而且，喀斯特地表成土速率慢，土層瘠薄，產(chǎn)生地表徑流后極易發(fā)生土壤侵蝕，植被破壞后恢復(fù)困難，進(jìn)而發(fā)生石漠化，這將對環(huán)境造成極大破壞［2］，因此控制喀斯特地區(qū)土壤地表徑流量對防止石漠化發(fā)生具有一定的影響［3］。土壤入滲是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，土壤滲透性是描述土壤入滲快慢極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一，同時(shí)也是影響土壤侵蝕的重要因素之一［4－5］。已有結(jié)果表明［6－9］，土壤滲透性能越好，地表徑流就越小，地表流失量也會相應(yīng)地減少，對土壤水土保持影響極大。許多專家建議將“增加土壤入滲，就地?cái)r蓄降雨徑流”作為防治土壤侵蝕的戰(zhàn)略決策［10］。針對喀斯特石漠化特殊的環(huán)境，石漠化己經(jīng)成為制約中國西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題，研究不同植被恢復(fù)模式下土壤的滲透性規(guī)律對探討產(chǎn)流機(jī)制和水土保持作用具有重要意義。文中通過對滇東曲靖市分布的中輕度石漠化地區(qū)所進(jìn)行的不同植被恢復(fù)治理模式的土壤入滲的研究，探討了不同模式下土壤入滲的變化規(guī)律，以便為當(dāng)?shù)赝寥狼治g防治，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和石漠化治理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省東部曲靖市（103°52′E，25°45′N），海拔1 150～2 750m，具有山地季風(fēng)半濕潤氣候特征，年平均氣溫13.5℃，年均降水量1 300mm，年平均蒸發(fā)量831.3mm年均日照1 820h。土壤類型主要為紅、黃壤土為主，植被屬于北亞熱帶中山常綠針闊混交林帶。

研究區(qū)為云南省典型的喀斯特地貌分布區(qū)，石漠化土地較多，水土流失嚴(yán)重，石漠化面積占全區(qū)的17.23%，占全區(qū)喀斯特地貌面積的27.45%。其中，輕度石漠化占全區(qū)面積的10.04%，中度占16.51%，強(qiáng)度占1.84%，極強(qiáng)度占0.94%。試驗(yàn)區(qū)選取滇東高原典型石漠化地段，區(qū)域內(nèi)主要以中輕度石漠化為主，以4種植被恢復(fù)方式進(jìn)行治理，分別為針闊混交林［云南松（Pinus yunnanensis）×華山松（Pinus armandii）×麻櫟（Quercus acutissima）］、針葉林（華山松）、闊葉林（麻櫟）及灌草植被［椴葉山麻桿（Alchornea tiliifolia）、鹽膚木（Rhus chinensis）、白茅（Imperata cylinarica）、飛機(jī)草（Eupatorium odoratum）等］模式，各植被治理模式基本概況見表1。

表1 不同模式樣地及土壤基本概況

1.2 研究方法

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)海拔、坡度相近的典型地段選取4種不同植被恢復(fù)模式的林地，并以裸地作為對照地開展試驗(yàn)研究。2013年8月，分別在各樣地選定典型地段以5點(diǎn)法按照0—20，20—40cm采集土壤樣品，分裝后將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨過篩，進(jìn)行分析。土壤容重采用環(huán)刀法；土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法，土壤含水量采用烘干法［11］。各模式下土壤基本性質(zhì)狀況如表1。

土壤滲透性測定采用環(huán)刀法［11］。各指標(biāo)計(jì)算的方法為：初滲率＝最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量／入滲時(shí)間，本研究取最初入滲時(shí)間為2min；平均滲透速率＝達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量／達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率；因所有土樣滲透速率在60min前已達(dá)穩(wěn)定，為了便于比較，滲透總量統(tǒng)一取前60min內(nèi)的滲透量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模式樣地土壤滲透時(shí)間變化特征

水分入滲過程是一個(gè)復(fù)雜的水文過程，不同林地類型的土壤滲透性存在很大差別［12－15］。

圖1為各樣地的每個(gè)土層不同時(shí)刻實(shí)測滲透速率動態(tài)變化過程。可以看出：各樣地土壤滲透速率的變化趨勢基本一致，在滲透初期速率較高，隨著時(shí)間的推移而下降，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著土壤深度的增加，各樣地土壤滲透性差異則愈不顯著。

根據(jù)土壤水分滲透曲線可將滲透率大致可分為3個(gè)階段：瞬變階段、漸變階段和穩(wěn)定階段。瞬變階段發(fā)生在滲透的初期為入滲過程的初始階段，一般在滲透開始的10～20min內(nèi)，各樣地不同深度土壤入滲速率隨時(shí)間的下降速率均表現(xiàn)為0—20cm土層下降較快，而20—40cm土層變化較慢，這與下層土壤較上層土壤更為緊實(shí)，而使得下層土壤阻隔水分下移有關(guān)。土壤滲透漸變階段主要發(fā)生在10～30min左右。滲透的穩(wěn)定階段主要發(fā)生在30～40min以后。

圖1 不同模式下土壤各層滲透速率隨時(shí)間的變化

2.2 不同模式樣地土壤滲透性

圖2表示不同模式樣地土壤滲透性比較?？梢钥闯觯?種不同植被治理模式下土壤的滲透性能存在較大差異。各植被治理模式土壤滲透性指標(biāo)均好于對照裸地。從各樣地0—20cm土層來看，以針闊混交林模式的初滲率最大，為3.8mm／min，灌草植被模式的土壤穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量要優(yōu)于其它模式，分別為3.1，4.7mm／min和282.89 ml，針闊混交林模式次之，而針葉林模式下土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量分別為2.7，1.5，2.7mm／min和163.88ml，與其它3種治理模式對比來看其土壤的滲透性相對較差，但要好于無治理措施的裸露地；從20—40cm土層來看，以針葉林模式的土壤滲透性各項(xiàng)指標(biāo)為最大，初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量分別為2.4，1.5，2.6mm／min和153.02ml，其次分別為針闊混交林模式、闊葉林模式和灌草模式，裸地最差。

圖2 不同模式樣地土壤滲透性比較

從各植被治理模式對土壤垂直結(jié)構(gòu)的滲透性能影響來看，各樣地土壤入滲性能均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而較小，其中以灌草植被模式下土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量各指標(biāo)減小幅度最大，20—40cm土層較0—20cm土層各指標(biāo)分別減少60.23%，73.55%，70.51%，70.51%；針闊混交林模式下土壤滲透性各指標(biāo)變化幅度最小，分別為10.69%，3.42%，6.63%，6.63%?？梢钥闯觯嗖葜脖荒Ｊ较卤韺油寥罎B透性雖然較好，但由于植被根系較喬林總量較少，對下層土壤結(jié)構(gòu)改良則不如喬木林模式效果好。裸地由于無植被覆蓋，土壤容重較大，土壤緊實(shí)，從表層到下層整體滲透性均較差且變化不大。

對土壤滲透性能（初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率及60min滲透總量）進(jìn)行雙因素（植被治理模式，土壤層次）方差分析（表2），結(jié)果表明：不同模式下不同土壤層次入滲能力差異顯著（P＝0.003和P＝0.046），植被治理方式的不同對土壤滲透性的影響程度要更大。各模式的0—20cm層土壤滲透性能較20—40cm土層好，這可能是由于地表存在植被覆蓋，能夠?yàn)橥寥捞峁└S富的枯落物，有機(jī)物質(zhì)歸還量大，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，容重小，而下層土壤容重大，土壤致密緊實(shí)，導(dǎo)致入滲性能較差。總體而言，通過植被治理恢復(fù)的喀斯特石漠化地區(qū)土壤滲透性能均高于裸地，喬林模式對于提高土壤滲透性效果顯著。但根據(jù)實(shí)際來看，喀斯特石漠化地區(qū)土壤存在土層薄，分布破碎，土壤水分含量較少的情況，對于中強(qiáng)度以上石漠化的情況，可以采用灌草結(jié)合的方式進(jìn)行治理。

表2 土壤滲透性能的方差分析

2.3 不同模式樣地土壤滲透性過程擬合

有關(guān)土壤水分入滲的數(shù)學(xué)模型有許多，包括純經(jīng)驗(yàn)公式和半理論、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Green-Ampt公式、Philip公式、Kostiakov經(jīng)驗(yàn)公式和Horton方程等［13，15］。本文結(jié)合前人研究成果，選用4個(gè)概念較為明確、可靠又常用的土壤水分入滲模型對各林分不同層次土壤入滲過程進(jìn)行模擬：

（1）Kostiakov 公 式：f（t）＝at－b。式 中：f（t）——入滲速率；t——入滲時(shí)間；a、b——擬合參數(shù)。

（2）Horton公式：f（t）＝fc＋（fo－fc）e－βt。式中：fo和fc分——初滲率和穩(wěn)滲率；β——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

（3）Philip公式：f（t）＝0.5St－1／2＋A。式中：S——吸著率（cm／min0.5）；A——穩(wěn)滲速率。

（4）通用經(jīng)驗(yàn)公式：f（t）＝a＋bt－k。式中：a、b——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；k——擬合參數(shù)。

表3 不同模式不同層次土壤入滲模型

結(jié)果表明（表3）：各林分不同層次水分入滲2個(gè)回歸模型均達(dá)極顯著或顯著相關(guān)，但模型的擬合優(yōu)度存在差異。比較4種入滲模型的相關(guān)系數(shù)（R2）可以看出，其中 Kostiakov方程擬合優(yōu)度為0.880～0.985，Horton方程擬合優(yōu)度為0.551～0.842，Philip方程擬合優(yōu)度為0.733～0.976，通用經(jīng)驗(yàn)方程擬合優(yōu)度為0.903～0.987。在36個(gè)土壤水分入滲最優(yōu)模型中，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程均有10個(gè)，占總數(shù)的55.6%，Philip方程8個(gè)，占總數(shù)的22.2%，而Horton方程只有1個(gè)，僅占總數(shù)的2.8%，表明在這4種模擬土壤水分入滲過程的方程中，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程效果最佳，Horton方程效果最差，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程是比較適用于本研究區(qū)域不同植被治理模式土壤入滲特征的模型描述和入滲過程的預(yù)測。

3 討論與結(jié)論

不同林地土壤土壤水分滲透曲線為瞬變階段、漸變階段和穩(wěn)定階段，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果大致相似［9－10］，但本文研究發(fā)現(xiàn)在喀斯特石漠化地區(qū)3個(gè)變化階段的時(shí)間變化較快，各樣地不同深度土壤入滲速率隨時(shí)間的下降速率均表現(xiàn)為0—20cm土層下降較快，而20—40cm土層變化較慢，且上下兩層土壤滲透速率差異較大，這可能是喀斯特環(huán)境內(nèi)土層薄，植被對表層土壤改良效果更為顯著有關(guān)。

關(guān)于不同林型對土壤滲透性影響的研究已有報(bào)道［8－9，12，14－17］，但對石漠化治理關(guān)于土壤入滲的研究缺較少，本文研究得出不同植被模式治理下，土壤滲透性各個(gè)模式對土壤滲透性存在極顯著性影響，喬林模式對于提高土壤滲透性效果顯著，表明通過合理搭配鄉(xiāng)土樹種進(jìn)行治理石漠化對提高土壤入滲能力可行。但根據(jù)實(shí)際來看，喀斯特石漠化地區(qū)土壤存在土層薄，分布破碎，土壤水分含量較少的情況，對于中強(qiáng)度以上石漠化的情況，需選擇適當(dāng)?shù)闹参镞M(jìn)行恢復(fù)，以利于保持喀斯特環(huán)境土壤水分總量和防止土壤退化。

通過對滇東喀斯特石漠化地區(qū)4種不同植被治理模式樣地（以裸地為對照）的土壤滲透性分析得出，各植被治理模式土壤滲透性指標(biāo)均好于對照裸地。0—20cm土層以針闊混交林模式的初滲率最大，灌草植被模式的土壤穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60min滲透總量要優(yōu)于其它模式，針闊混交林模式次之，針葉林模式較其它3種治理模式其土壤的滲透性較差，但要好于無治理措施的裸露地；20—40cm以針葉林模式的土壤滲透性各項(xiàng)指標(biāo)為最大，其次分別為針闊混交林模式、闊葉林模式和灌草模式，裸地最差。

各植被恢復(fù)模式土壤入滲性能均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而較小，其中以灌草植被模式下土壤滲透性各指標(biāo)減小幅度最大；針闊混交林模式下土壤滲透性各指標(biāo)變化幅度最小。灌草植被模式下表層土壤滲透性能雖然較好，但由于植被根系較喬林總量較少，對下層土壤結(jié)構(gòu)改良則不如喬林模式效果好。裸地?zé)o植被覆蓋，土壤緊實(shí)，從表層到下層整體滲透性均較差且變化不大。不同模式及不同土壤層次入滲能力差異顯著（P＝0.003和P＝0.046），植被治理方式的不同對土壤滲透性的影響程度更大。

土壤入滲過程擬合結(jié)果表明：在4種模擬土壤水分入滲過程的方程中，Kostiakov方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程擬合效果最佳，Philip方程擬合效果次之，Horton方程效果最差。Kostiakov方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程是比較適用于本研究區(qū)域不同植被治理模式土壤入滲特征的模型描述和入滲過程的預(yù)測。

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