太行山低山丘陵區(qū)不同水土保持林地土壤滲透性能及其影響因素研究

陳家林，郭二輝，楊果果，孔玉華，楊喜田

（河南農(nóng)業(yè)大學 林學院，河南 鄭州 450002）

太行山低山丘陵區(qū)不同水土保持林地土壤滲透性能及其影響因素研究

陳家林，郭二輝，楊果果，孔玉華，楊喜田

（河南農(nóng)業(yè)大學 林學院，河南 鄭州 450002）

為了探討太行山低山丘陵區(qū)不同水土保持林地土壤滲透性能及其影響因素，本文通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，分析了該區(qū)域3種30年生的側(cè)柏、刺槐和栓皮櫟水土保持林地土壤的入滲特征并進行綜合評價，同時進行入滲過程模擬及土壤入滲影響因素研究，結(jié)果表明：（1）3種水土保持林地土壤初滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲速率、前30min入滲量均大于相同土層裸地土壤入滲數(shù)值，同時也表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而降低，不同樣地0～20 cm土層土壤滲透速率均呈現(xiàn)側(cè)柏＞刺槐＞栓皮櫟＞裸地的趨勢。（2）不同樣地土壤滲透性能綜合評價結(jié)果為側(cè)柏（2.414）＞刺槐（-0.817）＞栓皮櫟（-1.169）＞裸地（-1.180）。（3）土壤入滲模型擬合結(jié)果表明Philip入滲模型對不同恢復階段土壤入滲過程擬合效果最好，Kostiakov入滲模型擬合效果次之，Horton入滲模型擬合效果最差，不適合用于描述該區(qū)域土壤入滲特征。（4）土壤滲透特性指標與土壤密度、非毛管孔隙度、總孔隙度、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、根質(zhì)量密度、根表面積密度、根體積密度、根平均直徑存在顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；土壤理化性質(zhì)指標和根系結(jié)構(gòu)指標中對土壤滲透性能產(chǎn)生影響作用最大的分別是總孔隙度和根表面積密度，典型相關(guān)負荷量分別為21.029和0.713。

土壤入滲；水土保持林；土壤理化性質(zhì)；根系結(jié)構(gòu)

土壤水分入滲過程和滲透性能影響著土壤對水分傳輸及再分配能力，進而對坡面地表徑流和土壤水分產(chǎn)生重要影響，是植被恢復過程中水文效應研究的重要指標[1-4]，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。土壤水分入滲規(guī)律探討是明確地表徑流產(chǎn)生機制的前提和基礎(chǔ)[5]，對水土流失防控及土壤侵蝕防治具有重要意義。目前，關(guān)于土壤滲透性能的研究多集中不同土地利用類型，不同植被恢復模式以及不同林分構(gòu)型土壤滲透性能比較方面[6-8]，然而在差異比較時往往忽視林齡不同而產(chǎn)生的土壤滲透能力的差異[9-10]，同時大多數(shù)研究對象中均涉及混交林[7-8]，種間互作因素無法排除，因此得到的結(jié)果往往說服力不強，對水土保持樹種選擇參考價值較小。關(guān)于水土保持林的研究多集中在不同的植被類型及其配置產(chǎn)生的減水減沙效果[11-12]，而對其水土保持效益發(fā)揮的機理關(guān)注較少。在影響因素方面，已有研究多涉及土壤質(zhì)地、土壤理化性質(zhì)、下墊面性質(zhì)等直接或間接因素[13-14]，較少探討根系結(jié)構(gòu)對土壤滲透特性的影響。影響因素的分析方法中，相關(guān)分析和主成分分析較為常見，鮮少應用典型相關(guān)分析法。

河南太行山低山丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，水土流失十分嚴重，經(jīng)過幾十年的水土保持林營建，該區(qū)域植被得到了不同程度的恢復。本研究選取該區(qū)域相同林齡的3種水土保持純林為研究對象，最大限度地排除干擾因素，對不同水土保持林地土壤入滲特征及過程進行研究并進行土壤入滲性能進行綜合評價，進而評價出優(yōu)良的水土保持樹種；同時利用相關(guān)分析和典型相關(guān)分析的研究方法探討土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)對土壤滲透性能的影響作用，為該地區(qū)植被恢復及水土流失防控等工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究樣地位于河南省濟源市境內(nèi)，隸屬于中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)（CFERN）的黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（35°01′N，112°28′E），平均海拔 410 m。研究區(qū)氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均溫度為13.1℃，年平均降水量641.7 mm，降水分布不均勻，多集中在6～9月，占全年降雨量的68.3%。研究區(qū)土壤主要為在花崗片麻巖的土壤母質(zhì)上發(fā)育而來的山地褐土，有效土壤厚度較薄且保肥保水能力差。研究區(qū)植被包括人工純林及闊葉林破壞后自然形成的次生灌草叢。喬木代表性樹種有側(cè)柏Platycladus orientalis、栓皮櫟Quercus variabilis和刺槐Robinia pseudoacacia等。天然植被灌木組成種類主要有：酸棗Ziziphus jujube、荊條Vitex negundo、胡枝子Lespedeza bicolor等。草本主要有：藎草Arthraxon hispidus，茵陳篙Artemisia capillaries，狗尾草Setaria viridis，野艾篙Artemisia lavandulaefolia等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

依據(jù)研究區(qū)實際情況，選取坡向、坡位一致的30 a生側(cè)柏、刺槐和栓皮櫟水土保持林為研究對象，以裸地為對照，每種人工林設(shè)3個樣地，裸地設(shè)2個樣地，共設(shè)置11塊樣地，進行常規(guī)的測樹學和森林生態(tài)學調(diào)查。不同水土保持林樣地基本情況見表1。

表1 不同樣地基本情況?Table 1 General situation of sample plots

2.2 樣品采集及分析

2015年7月，在每個樣地中選擇有代表性的樣點，清理地表凋落物后，隨機挖掘3個土壤剖面，用環(huán)刀分層取原狀土樣，每個剖面取2組土樣，1組用于測定土壤入滲性能，1組用于測定土壤密度等物理性質(zhì)；同時，采用S形布點分兩層采集土壤混合樣品用于化學性質(zhì)測定；在每個樣地中選擇位于4株林木的對角地帶的代表樣點3個，去除地表凋落物，采用大環(huán)刀（直徑7. 5 cm，高10 cm）分層挖取原狀土壤樣柱。所有樣品均分層取樣，每10 cm一層，林地取土深度為30 cm，裸地為20 cm。

土壤滲透特性的測定采用雙環(huán)刀入滲法[9]；土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度采用環(huán)刀法測定；土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤樣柱中的根系經(jīng)清洗后，采用WINRHIZO根系分析系統(tǒng)測定根系結(jié)構(gòu)指標，再將根系于70℃恒溫下烘干48 h后稱重測定生物量。不同水土保持林地各土層土壤理化性質(zhì)及根系結(jié)構(gòu)指標見表2。

表2 不同水土保持林地土壤理化性質(zhì)及根系結(jié)構(gòu)指標Table 2 Soil physical and chemical properties and root structures of different soil and water conservation forest lands

2.3 土壤入滲模型

建立土壤入滲模型是研究土壤入滲的有效方法，有關(guān)土壤入滲模型有多種，結(jié)合研究實際，選取以下3個模型對不同水土保持林地土壤入滲特征進行模擬。

Kostiakov 入滲模型：f(t)=at-b。

式中：f(t)為入滲速率，mm/min；t為入滲時間，min；a，b為擬合參數(shù)。

Philip入滲模型：f(t)=0.5St-1/2+A。

式中：A為穩(wěn)滲速率，mm/min；S為吸著率，cm/min0.5。

Horton入滲模型：f(t)=fc+(f0-fc)e-kt。

式中：f0和fc分別為初滲速率、穩(wěn)滲速率，mm/min；k為經(jīng)驗參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗不同林地土壤性質(zhì)是否有顯著差異（α=0.05）。當差異性顯著時，采取Turkey距離進行多重比較。通過SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析、主成分分析以及典型相關(guān)分析；采用Microsoft Excel進行圖表繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水土保持林地土壤入滲特征

3.1.1 土壤入滲過程及特征

土壤滲透性對地表徑流量的大小和速率具有直接影響作用，同時也對土壤侵蝕過程進行調(diào)控，是土壤水文生態(tài)功能的重要體現(xiàn)，也是土壤抗蝕特性的度量標準[15]。不同水土保持林各土層初滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲速率和前30 min滲透量見表3，各水土保持林地土壤不同時刻滲透速率見圖1。

由表3和圖1可以看出，不同水土保持林地土壤滲透速率具有相同的變化趨勢，初期滲透速率較高，隨著入滲時間的推移滲透速率逐漸下降，最終達到穩(wěn)滲狀態(tài)。3種水土保持林地土壤初滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲速率、前30min入滲量均大于相同土層裸地土壤入滲數(shù)值，同時也表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而降低，表明水土保持林的興建可有效改良土壤滲透性能，而改良作用隨土壤深度的增加而減弱。除刺槐林地20～30 cm土層土壤初滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲速率小于栓皮櫟林地20～30 cm土層土壤，不同水土保持林地同一土層土壤初滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲速率均表現(xiàn)為側(cè)柏＞刺槐＞栓皮櫟＞裸地。

表3 不同水土保持林土壤的滲透特性?Table 3 Soil infiltration characteristics of different soil and water conservation forest lands

圖1 不同水土保持林地土壤滲透特征Fig.1 Soil in filtration process of different soil and water conservation forest lands

3.1.2 土壤入滲過程擬合

土壤水分入滲是一個什么復雜的水文過程，土壤入滲過程模擬是研究這一物理過程的重要途徑。對不同水土保持林地、不同土層土壤的滲透數(shù)據(jù)依照選定的入滲模型進行過程模擬，得到結(jié)果見表4。由表4可知，Philip入滲模型的R2均值（0.891）最大，表明模型擬合值與本研究相應實測值之間的擬合程度較高，對不同水土保持林地土壤入滲過程擬合效果最好，Kostiakov入滲模型擬合效果次之， Horton入滲模型擬合效果最差，不適合用于描述該區(qū)域土壤入滲特征。

Kostiakov入滲模型中的參數(shù)a代表一個時間段內(nèi)平均入滲速率，b值的大小則反映土壤入滲速率遞減狀況，其值越大，表明入滲速率隨時間遞減的越快[16]。從表4可見，參數(shù)a的值在不同樣地中，均表現(xiàn)出隨土層深度增加而逐漸減小的趨勢；同時，同一土層中，不同樣地中參數(shù)a表現(xiàn)出側(cè)柏＞刺槐＞栓皮櫟＞裸地的趨勢，與實測得到的不同水土保持林地土壤入滲特性相吻合。3個土層參數(shù)b最大值均出現(xiàn)在裸地和栓皮櫟林20～30 cm土層，說明相應土壤入滲速率隨時間減少最快。

Philip入滲模型中參數(shù)S的大小反映土壤入滲速率的快慢。從表4可知，除栓皮櫟林20～30cm土層的S值外，不同樣地不同土層對應的S值均隨土層深度增大而減小，與前文土壤入滲性能隨土層深度變化規(guī)律較一致，也表明Philip入滲模型在本研究中具有較高的適配性。不同水土保持林中，Philip入滲模型反映出側(cè)柏林地的土壤入滲能力最強，3個土層的S值均為最大，分別為5.817、0.742和0.329。

表4 不同水土保持林土壤入滲模型擬合結(jié)果Table 4 Fitting effect of soil infiltration model of different soil and water conservation forest lands

3.1.3 土壤滲透性能綜合評價

為綜合評價不同水土保持林地土壤滲透性能，以初滲速率（α1）、平均入滲速率（α2）、穩(wěn)滲速率（α3）和前30 min入滲量（α4）為評定指標進行主成分分析，第1主成分的累積貢獻率高達99.48%，同時在第1主成分上的正荷載幾乎相等，主成分方程為α=0.495α1+0.501α2+0.496α3+0.501α4（αi為各指標的標準化值）可以作為土壤滲透性能的綜合度量。不同水土保持林地土壤滲透性能得分及排序見表5。

表5 不同水土保持林地土壤入滲性能評價Table 5 The evaluation table of soil infiltration capabilities of different soil and water conservation forest lands

由表5可以看出，不同水土保持林地土壤的滲透性能均隨土壤深度的增加而降低，雖不同土層土壤滲透排序略有差異，但在0～10層、10～20層，3種林地中均以側(cè)柏林地土壤滲透性能最好，以栓皮櫟林地最差，但均好于裸地。從綜合平均得分來看，各樣地土壤滲透性能依次為側(cè)柏＞刺槐＞栓皮櫟＞裸地。

3.2 土壤入滲影響因素

3.2.1 土壤入滲特征影響因素相關(guān)分析

為探討土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系，研究選取土壤理化性質(zhì)指標：土壤密度（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、總孔隙度（X4）、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（X5），根系結(jié)構(gòu)指標：根質(zhì)量密度（X6）、根長密度（X7）、根表面積密度（X8）、根體積密度（X9）、根平均直徑（X10）和表征土壤入滲性能指標：初滲速率（α1）、平均入滲速率（α2）、穩(wěn)滲速率（α3）和前30 min入滲量（α4）進行相關(guān)分析，結(jié)果詳見表6。

由表6可知，除土壤毛管孔隙度和根長密度外，其余指標均與初滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲速率和前30 min入滲量存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）的相關(guān)關(guān)系。土壤密度、總孔隙度是土壤疏松程度的重要度量，土壤密度越小，總孔隙度越大，土壤就越松散，滲透性能越強，這可能就是土壤密度與4個土壤滲透性能指標存在負相關(guān)關(guān)系而土壤孔隙度與滲透性能存在正相關(guān)關(guān)系的原因。土壤非毛管孔隙度反映的是土壤中水分滲透的主要通道，其導水能力遠遠大于毛管孔隙，直接關(guān)系到土壤滲透過程[17]，這與本研究得到的非毛管空隙度與土壤入滲指標存在正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果一致。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)與土壤滲透指標之間的極顯著（P＜0. 01）正相關(guān)關(guān)系，與多數(shù)研究結(jié)果一致[18-19]。土壤有機質(zhì)并通過改變土壤團聚狀態(tài)以及促進土壤孔隙的形成來間接發(fā)揮效用的[20]。

表6 土壤入滲性能與影響因素相關(guān)系數(shù)?Table 6 Correlation coefficients between soil infiltration capacity and influencing factors

根系結(jié)構(gòu)指標中根質(zhì)量密度、根表面積密度、根體積密度和根平均直徑均與土壤入滲特性能存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）的相關(guān)關(guān)系。植物根系與地上組織在地表連接處形成微型擋土柵可以阻止土壤顆粒搬運，同時受阻沉積的對土壤在地表形成微型型濾水土體[21]，能有效增加地表徑流入滲，直接增強土壤滲透性能；另外，由于根系的穿插、網(wǎng)絡(luò)及固結(jié)作用，能將土壤單粒粘結(jié)起來，改善了土壤的團粒結(jié)構(gòu)和孔隙性[22-23]，間接增加土壤入滲速率。

3.2.2 土壤入滲特征影響因素的典型相關(guān)分析

土壤入滲性能影響因素的相關(guān)分析中，僅僅得到土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)中的某些指標之間存在相關(guān)關(guān)系，缺乏詳盡的定量描述。本研究采用典型相關(guān)分析法對土壤入滲性能和影響因素之間的定量關(guān)系進行深入探討，結(jié)果詳見表7。

表7 土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)、土壤滲透特征典型相關(guān)分析結(jié)果Table 7 Results of canonical correlation analysis between soil physical and chemical properties, soil infiltration capacity and root structures

由表7得到，各典型變量組的典型相關(guān)系數(shù)分別為0.705，0.830，0.950，卡方檢驗表明，土壤滲透特性與土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)之間的典型相關(guān)關(guān)系呈極顯著水平（P＜0.01），但土壤理化性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)之間的典型相關(guān)關(guān)系未達到顯著水平。土壤理化性質(zhì)與土壤滲透性能之間的典型相關(guān)變量負荷系數(shù)可以看出，土壤理化指標對土壤滲透特性影響作用大小依次為總孔隙度（21.029）＞非毛管孔隙度（16.213）＞毛管孔隙度（12.170）＞有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（0.866）＞土壤密度（0.356），而對土壤理化性質(zhì)影響作用最大的是前30 min入滲量（22.557）；根系結(jié)構(gòu)指標與土壤滲透性能的典型相關(guān)關(guān)系反映出，根系結(jié)構(gòu)指標對土壤滲透特性影響作用呈現(xiàn)出根表面積密度（0.713）＞根長密度（0.386）＞根質(zhì)量密度（0.346）＞根平均直徑（0.186）＞根體積密度（0.106）的趨勢，土壤滲透性能指標中初滲速率（7.868）、前30 min入滲量（7.535）則對根系結(jié)構(gòu)指標產(chǎn)生顯著影響。

4 結(jié)論與討論

（1）為探討不同水土保持樹種對土壤滲透性能的改良作用，對太行山低山丘陵區(qū)3種典型的30年生水土保持林進行研究。結(jié)果表明：3種水土保持林能均不同程度提高了土壤滲透性能，其改良作用隨土壤深度的增加而減弱，致使土壤滲透性能隨土壤深度的增加而減弱[8]。對不同樣地土壤滲透性能進行綜合評價，得到各樣地土壤滲透性能依次為側(cè)柏（2.414）＞刺槐（-0.817）＞栓皮櫟（-1.169）＞裸地（-1.180），表明側(cè)柏對土壤滲透性能的改良作用優(yōu)于刺槐和栓皮櫟。今后在該區(qū)域進行水土保持林建制過程中，可選擇側(cè)柏作為先鋒樹種。

（2）土壤入滲性能與其影響因素相關(guān)分析表明，土壤入滲特性的4個指標均與土壤總孔隙度、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、根質(zhì)量密度、根表面積密度、根體積密度和根平均直徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。根據(jù)不同樣地土壤理化性質(zhì)研究結(jié)果，側(cè)柏樣地土壤總孔隙度、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、根質(zhì)量密度等理化性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)指標的數(shù)值均不同程度大于刺槐和栓皮櫟林地，因此產(chǎn)生較強的直接或間接改良土壤滲透性能的作用[21-24]，促使側(cè)柏林地土壤滲透性能最優(yōu)。

（3）土壤入滲模型擬合結(jié)果表明Philip入滲模型對不同恢復階段土壤入滲過程擬合效果最好，Kostiakov入滲模型擬合效果次之，Horton入滲模型擬合效果最差，不適合用于描述該區(qū)域土壤入滲特征。

（4）典型相關(guān)分析方法能將土壤入滲性能、土壤理化性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)指標進行類統(tǒng)一，可以從2者中提取的主成分，通過主成分的相關(guān)性來直觀反映2組變量的整體相關(guān)關(guān)系[17]，本研究中土壤入滲性能、土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)三者典型相關(guān)分析表明對土壤滲透能力影響最大的土壤理化性質(zhì)、根系結(jié)構(gòu)指標分別是總孔隙度、根表面密度，變量組負荷系數(shù)值分別為21.029和0.713。

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Characteristics and in fluencing factors of soil in filtration of different soil and water conservation forest lands in hilly region of Taihang Mountains

CHEN Jia-lin, GUO Er-hui, YANG Guo-guo, KONG Yu-hua, YANG Xi-tian
(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henan, China)

To analyze characteristics and influencing factors of soil infiltration of different soil and water conservation forest lands in hilly region of Taihang Mountains, three typical 30-year-old soil and water conservation forests (Platycladus orientalis,Robiniap seudoacaciaandQuercus variabilis) in this area were selected to study the soil infiltration characteristics and influencing factors,simulate the soil in filtration process and evaluate the soil permeability through field sampling and laboratory analysis. The results showed that: (1) Soil initial in filtration rate，average in filtration rate, stable in filtration rate and accumulated in filtration capacity of different soil and water conservation forest lands were higher than that in bare land in same soil layer，and decresed with increasing depth. The soil in filtration rate in 0-20 cm layer was in the order ofPlatycladus orientalis＞Robiniap seudoacacia＞Quercus variabilis＞ bare land. (2)Soil permeability values of different soil and water conservation forest lands were presented asPlatycladus orientalis(2.414)＞Robiniap seudoacacia(-0.817)＞Quercus variabilis(-1.169)＞ bare land(-1.180). (3) Simulated in filtration processes with Kostiakov and Philip models showed that the two fit better with the in filtration than Horton model. (4) There was a notable relationship (P＜0.05) between soil permeability index and soil bulk density, non-capillary porosity, total porosity, soil organic matter content, root weight density root surface area density, root volume density, root average diameter. For the soil in filtration capacity, the most important indicators of soil physical and chemical characteristics and root structure were total porosity and root surface area density, and the canonical correlation coef ficient of which were 21.029, 0.713 respectively.

soil in filtration; soil and water conservation forests; soil physical and chemical properties; root structure

S714.7

A

1673-923X(2016)10-0034-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.007

2016-01-03

國家自然科學基金“林木幼苗對切根的生理生態(tài)響應及根-冠互作機制”（31570613）；國家自然科學基金青年項目“河岸帶植被格局對土壤養(yǎng)分流失的‘源－匯’效應及其機理”（41401206）；河南省博士后科研基金“不同人工林構(gòu)型對土壤碳增匯與碳減排機理的研究”（201504）；科技創(chuàng)新杰出人才“切根對林木幼苗根-冠互作關(guān)系的影響”（154200510019）

陳家林，碩士研究生

楊喜田，博士，教授；E-mail：xitianyang@aliyun.com

陳家林，郭二輝，楊果果，等. 太行山低山丘陵區(qū)不同水土保持林地土壤滲透性能及其影響因素研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016, 36(10): 34-40.

[本文編校：吳 彬]