黃土高原溝壑區(qū)不同灌木林地土壤滲透性及其影響因素研究

劉鎧源，卞義寧，蔣志榮

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州 730070；2.平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所，平?jīng)?744000）

黃土高原溝壑區(qū)不同灌木林地土壤滲透性及其影響因素研究

劉鎧源1，2，卞義寧2，蔣志榮1※

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州 730070；2.平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所，平?jīng)?744000）

采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，選擇灌木標(biāo)準(zhǔn)樣地，開展茅莓、花葉丁香、山桃、金銀花等4種不同灌木林地在天然含水量條件下的土壤滲透性及其影響因子研究。結(jié)果表明：灌木植被具有明顯提高土壤滲透性的作用，相對(duì)于荒地而言，灌木林地土壤滲透性優(yōu)劣表現(xiàn)為：花葉丁香＞茅莓＞金銀花＞山桃＞荒地；初滲速率＞平均滲透速率＞穩(wěn)滲速率；土壤理化性質(zhì)顯著影響土壤滲透能力。

灌木林地 土壤滲透性 樹種

0 引言

隨著地殼運(yùn)動(dòng)、環(huán)境變遷、人類活動(dòng)等因素，黃土高原區(qū)水土流失、土地沙化日趨嚴(yán)重，經(jīng)流水長(zhǎng)期強(qiáng)烈侵蝕，形成了溝壑縱橫、梁、峁廣布的破碎地表。進(jìn)一步降低黃土高原抵御自然災(zāi)害能力，影響自然生態(tài)和諧的同時(shí)也制約了黃土高原地區(qū)的發(fā)展。針對(duì)黃土高原水土流失問題，先后實(shí)施了水土保持工程措施、植物措施、退耕還林還草等水土流失綜合治理措施。

土壤滲透是水文循環(huán)的重要過程，是土壤入滲快慢極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一，而黃土高原屬于超滲產(chǎn)流，灌木栽植又是治理黃土高原水土流失的重要植物措施，因此研究不同灌木覆蓋下土壤滲透性的特征及影響因素，對(duì)地面徑流量的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換及灌木樹種選擇具有重要意義。目前，有關(guān)土壤水分入滲的數(shù)學(xué)模型有種類較多，包括純經(jīng)驗(yàn)公式、半理論半經(jīng)驗(yàn)結(jié)合模型，如Green-Ampt公式、Horton公式和Smith-Parange入滲方程等[1]。

甘肅省平?jīng)鍪袥艽h中溝小流域是黃土高原地區(qū)水土保持、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及森林生態(tài)水文的重點(diǎn)試驗(yàn)、研究基地之一，在通過分析不同灌木林地的水土保持功能及作用的基礎(chǔ)上，本文以茅莓、花葉丁香、山桃、金銀花等4種灌木為研究對(duì)象，目的在于通過探討典型區(qū)域不同灌木林地土壤滲透性特征及其影響因素，建立數(shù)量關(guān)系，以求量化分析不同灌木覆蓋下林地生態(tài)系統(tǒng)水分傳輸過程生態(tài)學(xué)機(jī)制，為進(jìn)一步探討黃土高原地區(qū)土壤滲透水文模型的發(fā)展和參數(shù)提供基礎(chǔ)資料，并為典型區(qū)域不同立地植被條件下土壤水分承載力研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于涇川縣中溝小流域，海拔1 005～1 351 m，流域面積2.05 km2（107°27′E，35°12′N），屬溫帶半濕潤(rùn)易旱區(qū)，年均降水量552.6 mm，6－9月降水量約占全年總量的66%；年均氣溫10.7℃，極端最高氣溫 39.3℃，極端最低氣溫-24℃；年均風(fēng)速1.8 m/s；全年無霜期180 d左右；年日照 2 226 h；濕潤(rùn)度 0.81～1.04，干燥度0.96～1.23。植被類型屬森林-草原過渡帶，主要樹種有刺槐、楊樹、側(cè)柏等。灌木有山毛桃、沙棘、花葉丁香、檸條錦雞兒等，多為人工栽植。主要草本植物有草木樨、沙打旺和紅豆草等。流域內(nèi)主要土壤有黑壚土、黃綿土和紅粘土3種類型。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

上世紀(jì)80年代至今，筆者所在的甘肅省平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所對(duì)黃土高原區(qū)灌木樹種做了大量群落組成、水土保持作用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值調(diào)查等方面研究，本次在中溝小流域選擇標(biāo)準(zhǔn)樣地、3～5年生的茅莓、花葉丁香、山桃、金銀花等4種灌木林地及一塊同生境荒地，調(diào)查測(cè)算土壤容重、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、水解氮、速效鉀、等土壤理化性質(zhì)同，見表1。

表1 不同灌木林地土壤理化性質(zhì)

2.2 土壤滲透土壤測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)采用重絡(luò)酸鉀-外加熱法；土壤全氮采用半微量凱氏法；全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法；全鉀采用堿融-火焰光度計(jì)法；速效氮采用堿解擴(kuò)散法；有效磷采用NH4F-HCI侵提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用CH3COONH4浸提-火焰光度法[2]。

土壤滲透性測(cè)定采用雙環(huán)滲透儀。于室外溫度約10℃時(shí)，用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)浸入水中12 h（浸水時(shí)保持水面與環(huán)刀上口平齊，但勿使水淹到環(huán)刀口的土需）。到12 h時(shí)將環(huán)刀取出，去掉蓋子，上面套一空環(huán)刀，接口處先用膠布封好再用溶蠟粘合，嚴(yán)防從接口處漏水，然后將接合的環(huán)刀放到瓷漏斗上，下置一個(gè)空燒杯。上面的空環(huán)刀中加水，水面比環(huán)刀底1 mm，即水層厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時(shí)開始計(jì)時(shí)，以后每隔一定時(shí)間更換漏斗下面的燒杯，并分別量滲水量。每更換一次燒杯后要將上面的環(huán)刀水面加至原來高度。試驗(yàn)一般持續(xù)約60 min即開始穩(wěn)定。否則，一直延續(xù)到單位時(shí)間滲水量相等為止[3]。

各指標(biāo)計(jì)算方法：初滲率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間；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，因所有土壤滲透速率在50 min前已達(dá)穩(wěn)定，為便于比較，滲透總量統(tǒng)一取前60 min內(nèi)的滲透量[3-4]。

因黃土高原區(qū)降雨具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大的特征，本次試驗(yàn)采用在自然狀態(tài)下，不考慮前期土壤含水量、且每次試驗(yàn)均形成地表徑流，故采用Horton公式計(jì)算：

式中 f(t)為入滲速率，t為入滲時(shí)間，f0和fc分別為初滲率和穩(wěn)滲率，β為與土壤特性有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[4-6]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel2013、SPSS19.0進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的整理和處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同灌木覆蓋下土壤滲透性變化特征

在自然狀態(tài)下，土壤滲透能力主要受土壤物理性狀、土壤機(jī)械組成及地表植被類型等因子影響，其中主要受到土壤孔隙度的影響。土壤孔隙度越大，地表徑流入滲速度越快，在重力作用下很快下滲成為地下徑流，從而很快恢復(fù)土壤孔隙度的持水能力，如此形成循環(huán)，直到超滲，形成地表徑流。通過多次試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，60 min內(nèi)灌木對(duì)土壤滲透能力的影響主要集中在0～40 cm土層內(nèi)，因此，只對(duì)灌木林地0～40 cm土層土壤的滲透能力進(jìn)行研究，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看到，4種灌木林地土壤的初滲率、穩(wěn)滲率、入滲率、總滲透量均高于荒地；其中，花葉丁香林地的平均入滲速率最大，為5.25 mm/min，是荒地的 3.72倍，山桃林地的最小，為 3.12 mm/min，是荒地的2.21倍，花葉丁香林地的入滲率是山桃林地的1.68倍；從土壤入滲率來看，4種灌木林地的土壤滲透能力從大到小依次為：花葉丁香＞茅莓＞金銀花＞山桃。

經(jīng)分析，花葉丁香、茅莓、金銀花、山桃林地及荒地horton推估式分別是f(t)=3.681+11.589e(-0.049t)，(R2=0.969)；f(t)=4.3391+12.681e(-0.037t)，(R2=0.942)；f(t)=2.911+9.601e(-0058t)，(R2=0.917)；f(t)=3.138+ 10.729e(-0.039t)，(R2=0.954)；f(t)=1.407+6.388e(-0.120t)，(R2=0.983)。

圖1 不同灌木林地土壤滲透性

3.2 土壤滲透性與理化性質(zhì)的關(guān)系

對(duì)土壤容重、總孔隙度、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀、速效磷、水解氮、速效鉀等10類土壤理化性質(zhì)與初滲率、入滲率、穩(wěn)滲率、滲透量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，土壤滲透性與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、水解氮含量、速效磷含量顯著正相關(guān)。據(jù)分析，全磷、水解氮、速效磷是構(gòu)成有機(jī)物的重要元素，這些因子越高，則土壤腐根等有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤總孔隙度就越高，土壤容重就越小，可以很好解釋這些因子對(duì)土壤滲透性的影響。這說明土壤理化性質(zhì)顯著影響林地土壤滲透性能。

4 結(jié)論與討論

灌木林地可以很好的提高土壤的滲透性，灌木林地初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率、前60 min滲透總量4個(gè)指標(biāo)均高于荒地；土壤滲透性與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、水解氮、速效磷含量顯著正相關(guān)，與全氮含量、全鉀含量、速效鉀含量無顯著相關(guān)性。這與趙洋毅等在《渝北水源區(qū)水源涵養(yǎng)林構(gòu)建模式》一文中土壤理論性質(zhì)對(duì)滲透性的影響結(jié)論是一致的[7]。

黃土高原暴雨主要有兩類，一類是具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大特點(diǎn)的，本文探討的就是這種；一類是歷時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度更大，對(duì)于此類條件，表面土壤的滲透性就不能很好地反應(yīng)土壤滲透性與地表徑流的關(guān)系，此時(shí)用下層或者上、下層土壤結(jié)合分析土壤滲透性來評(píng)價(jià)土壤滲透性可能會(huì)更準(zhǔn)確，這一點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

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劉鎧源（1986-），男，漢族，甘肅平?jīng)鋈耍拭C農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院農(nóng)業(yè)推廣碩士，林學(xué)專業(yè)，主要從事水土保持工作。E-mail:362680819@qq.com

※通訊作者：蔣志榮（1959-），男，漢族，甘肅蘭州人，博士，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院教授。Email:jzhirong@ gsau.edu.cn