小隴山林區(qū)主要林地類型土壤入滲特征

劉小林，李惠萍，鄭子龍，高興紅，胡小林

(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，甘肅 天水 741022)

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小隴山林區(qū)主要林地類型土壤入滲特征

劉小林，李惠萍，鄭子龍，高興紅，胡小林

(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，甘肅 天水 741022)

【目的】選擇小隴山林區(qū)最適宜的涵養(yǎng)水源森林類型，減輕水土流失程度.【方法】采用環(huán)刀法對小隴山林區(qū)6種主要林地類型土壤入滲特征進(jìn)行研究.【結(jié)果】 6種主要林地土壤穩(wěn)滲率依次為：銳齒櫟林(6.52 mm/min)>闊葉混交林(5.30 mm/min) >油松林(4.89 mm/min) >華山松林(4.48 mm/min)>日本落葉松林(3.87 mm/min)>無林地(3.62 mm/min)；Kostiakov模型對土壤入滲過程的擬合精度比較高；同一林地類型土壤初始入滲率和穩(wěn)定入滲率都隨著土層深度的增加而減少；土壤初滲率與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤穩(wěn)滲率與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與非毛管孔隙度成極顯著正相關(guān).【結(jié)論】 闊葉林土壤入滲能力較強(qiáng)，可有效改善生態(tài)質(zhì)量.

小隴山林區(qū)；土壤入滲；入滲模型

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的主要場所.土壤入滲是自然界水循環(huán)系統(tǒng)中的一個重要部分，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過程中的一個重要環(huán)節(jié)[1-3].降水穿過林冠到達(dá)地表，其中大部分滲入到土壤中形成土壤水，小部分沿坡面流失形成地表徑流[4].進(jìn)入土壤的水分一部分存儲在土體中被植物吸收利用，另一部分則在土壤中流動形成壤中流，剩余部分將穿過土層成為地下水.土壤的滲透性能是重要的土壤水分物理性質(zhì)之一，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(yīng)地減少[5-6].小隴山林區(qū)是嘉陵江、渭河上中游地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)，隨著近年來小隴山林區(qū)天保工程、封山育林和荒山造林等森林保護(hù)和恢復(fù)工程的展開，使得小隴山林區(qū)植被覆蓋率大為提高，但森林生態(tài)質(zhì)量仍較低，林區(qū)水土流失情況較嚴(yán)重[7].本試驗(yàn)通過對小隴山主要林地土壤水分入滲特征的研究，揭示了植被對土壤水分入滲的影響，為森林資源的合理經(jīng)營和科學(xué)管理，以及水土保持綜合效益的分析提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于小隴山林業(yè)科學(xué)研究所生態(tài)定位站沙壩實(shí)驗(yàn)基地，隸屬天水市秦州區(qū)娘娘壩鎮(zhèn)李子園鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)E 105°54′，N 34°07′.海拔1 550～2 100 m，屬大陸性季風(fēng)氣候.總面積2 117.0 hm2，年均降水量757 mm；平均相對濕度78%；平均年蒸發(fā)量1 012.2 mm；≥10 ℃有效積溫2 480 ℃，年日照時數(shù)1 520～2 313 h，無霜期120～218 d[8-9].林分類型以銳齒櫟(Quercusalienavar．a(chǎn)cuteserrataMaxim．)為主的天然次生林、日本落葉松(Larixkaempferi(Lamb.)Carr.)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)人工林和油松(PinustabuliformisCarrière)人工林為主.境內(nèi)山體較低，地勢起伏小，平均坡度36°～40°，土壤以山地褐土和山地棕壤為主.

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 2013年對小隴山林區(qū)6種林地類型分別設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地兩塊，共計(jì)樣地12塊(表1).每塊樣地隨機(jī)選取3個土壤剖面進(jìn)行取樣調(diào)查.每個樣地土壤剖面按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm進(jìn)行土壤分層，每層用100 cm3的環(huán)刀取3個重復(fù)的原狀土樣，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)及土壤入滲試驗(yàn).同時用環(huán)刀法測定樣地土壤容重，即在挖取的土壤剖面上，采用已定容積為100 cm3的環(huán)刀，取原狀土樣.將土樣帶回室內(nèi)，在105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，待冷卻后稱其干質(zhì)量，計(jì)算土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量[10].

1.2.2 入滲試驗(yàn)方法 將裝有土樣的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下面承接有量杯，進(jìn)行土壤水分入滲速率測定試驗(yàn)，加水后自漏斗下端滴下第1滴水時開始計(jì)時，以后每隔1、2、3、4、…、nmin更換漏斗下面的量杯，并分別記錄滲出的水量(與間隔時間對應(yīng)為Q1、Q2、Q3、Q4、…、Qn).試驗(yàn)一般持續(xù)約1 h才開始穩(wěn)定.如果1 h后仍不穩(wěn)定，則需等到單位時間滲出水量相等為止[11].

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

Tab.1 Conditions of sample plot

標(biāo)準(zhǔn)地號林地類型坡度/(°)胸徑/cm郁閉度(蓋度)樹種組成平均樹高/m土壤類型1日本落葉松林1619.20.8日本落葉松16.1山地褐土2日本落葉松林2018.60.8日本落葉松16.0山地褐土3華山松林2128.30.8華山松林9.5山地褐土4華山松林1626.40.6華山松林9.3山地褐土5油松林3813.60.6油松、多毛櫻桃(Cerasuspolytricha(Koehne)YüetLi)10.2山地褐土6油松林3014.20.6油松、多毛櫻桃10.1山地褐土7銳齒櫟林3920.50.7銳齒櫟、油松8.0山地褐土8銳齒櫟林3219.60.7銳齒櫟、油松8.0山地褐土9闊葉混交林5013.40.8銳齒櫟、千金榆(Carpinuscordata)、四照花(Cronusjaponicavar.chinen-sis)9.8山地褐土10闊葉混交林3612.50.8銳齒櫟、千金榆、四照花9.6山地褐土11無林地200.7扁穗冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn)、羊胡子草(Carexrigescens)等-山地褐土12無林地200.7扁穗冰草、羊胡子草等-山地褐土

滲透速度：V(mm/min)=10×Qn/tn×S

式中，Q1，Q2，Q3，…，Qn為每次滲出水量；S為環(huán)刀的橫面積；10為單位換算系數(shù)；tn為每次滲透所間隔的時間.

1.2.3 土壤入滲模型 土壤水分入滲過程模型是研究土壤入滲的重要方法[12]，根據(jù)本試驗(yàn)的具體情況，采用以下3種模型進(jìn)行擬合.

Kostiakov 入滲模型:

f(t) =at-b

式中，f(t)為土壤入滲速率(mm/min)；t為入滲時間(min)；a，b為參數(shù).

Philip 入滲模型:

f(t) = 0.5St-1 /2+A

式中，A為穩(wěn)定入滲速率(mm/min)；S為參數(shù).

Horton 入滲模型:

f(t) =fc+ (fo-fc)e-kt

式中，fc、fo、k分別為穩(wěn)定入滲率、初始入滲率、常數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤入滲性能

2.1.1 不同林地土壤入滲性能 由圖1可以看出，不同林地類型土壤入滲過程的變化曲線較接近，土壤入滲過程基本分為：入滲瞬變階段、入滲漸變階段及入滲穩(wěn)定階段3個階段[13-14]，6種林地類型土壤滲透速度的大小順序?yàn)椋轰J齒櫟林>闊葉混交>油松>華山松>日本落葉松>無林地.土壤入滲性能的影響因子較多，并隨入滲時間的推移而逐漸降低[15-17].由表2可以看出，闊葉林比針葉林的入滲速率整體較大，無林地入滲速率最小.分析主要是因?yàn)殚熑~林地土壤凋落物層比較厚，腐爛程度較大，土壤有機(jī)質(zhì)豐富，植物根系較針葉林發(fā)達(dá)，從而土壤通透性好，滲透能力強(qiáng).

圖1 不同林地類型土壤的滲透速率測定結(jié)果Fig.1 The determination results of soil infiltration rate of different forest lands

2.1.2 不同林地類型土壤水分入滲模型擬合 通過不同林地類型土壤入滲數(shù)據(jù)及3種入滲模型對土壤入滲過程進(jìn)行擬合，得到6種林地土壤滲透模型參數(shù)與R2值(表3).由R2值可以看出，不同的模型對于不同林地類型土壤入滲過程的模擬精度有所差異，Philip模型對闊葉混交林和油松林模擬精度較高，Horton模型對銳齒櫟林的土壤水分入滲模擬精度較高，R2均大于0.8.Kostiakov模型的R2值都超過0.9，能夠更接近地模擬各林地土壤水分滲透實(shí)際過程，在本研究中具有良好的實(shí)用性.

表2 不同林地類型土壤滲透特性

Tab.2 Soil infiltration characteristics of different forest lands

林地類型初滲率/(mm·min-1)穩(wěn)滲率/(mm·min-1)總孔隙度/%銳齒櫟林125.866.5273.36闊葉混交林97.225.3063.17油松林86.424.8962.72華山松林57.074.4853.17日本落葉松林13.043.8750.42無林地11.413.6245.32

Kostiakov模型中參數(shù)a為經(jīng)驗(yàn)入滲常數(shù)，代表一個時間段內(nèi)的平均入滲速率，其大小主要受到土壤密度、土壤孔隙度和非毛管孔隙度等的影響；b值代表入滲速率隨時間變化的程度，b值越大，則入滲速率隨時間減少的程度越大[18].由表3可見，a，b兩個參數(shù)的變化較有規(guī)律.參數(shù)a變化范圍為2.886～6.243，b的范圍為0.239～0.646，a、b值的最大值均存在于銳齒櫟林，最小值均存在于無林地中.這與銳齒櫟林的滲速率最大，無林地的入滲速率最小的情況相一致.與前人的研究結(jié)果相同，劉芝芹等[19]在金沙江流域典型森林土壤水分入滲特征試驗(yàn)研究中也表明，采用Kostiakov模型擬合入滲過程效果最佳，呂剛等[20]在研究中也表明Kostiakov模型能夠較好地模擬老禿頂子自然保護(hù)區(qū)不同植被類型不同層次土壤入滲速率與時間的變化過程.

表3 不同林地土壤入滲模擬結(jié)果Tab.3 Simulated results of different forest lands by using soil infiltration models

2.1.3 同一林地類型不同深度土壤入滲性能 由圖2可以看出，在0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm闊葉混交林土壤初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率都隨著土壤深度增加而下降.分析其原因可能為隨土層深度的增加，土壤容重增大、總孔隙度減小，從而導(dǎo)致土壤初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率減小.

圖2 同一林地不同深度土壤入滲曲線Fig.2 The curve of soil infiltration in different depth of the same forest lands

2.2 土壤物理性狀與土壤入滲的關(guān)系

影響土壤入滲性能的主要因子有土壤組成結(jié)構(gòu)、土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率、地表結(jié)皮等.但土壤中各個物理因子會因?yàn)椴煌耐恋乩梅绞蕉l(fā)生較大的變化，從而使不同林分類型之間的土壤入滲性能存在較大的差異[21].具有較強(qiáng)入滲性能的土壤能有效地將大部分地表徑流下滲，轉(zhuǎn)變?yōu)槿乐辛魃踔恋叵滤?，從而減少水土流失.非毛管孔隙度與土壤入滲性能密切相關(guān)，其中土壤大孔隙結(jié)構(gòu)對土壤入滲性能影響較大，一般土壤大孔隙結(jié)構(gòu)都是由林木根系形成并隨著林木根系的腐朽，這些大孔隙在不斷增多.

土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率是土壤入滲過程中重要的兩個指標(biāo).本研究選取土壤密度、總孔隙度、非毛管孔隙度和土壤含水量等物理因子，用SPSS軟件對各因子與土壤水分入滲的兩個指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析.

2.2.1 土壤含水量與土壤初滲速率的關(guān)系 從表4可以看出，土壤初滲速率與土壤含水量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.眾所周知，土壤水勢梯度和水力傳導(dǎo)度是影響土壤入滲量的兩個重要因素，土壤含水量對土壤水分入滲能力的影響主要是入滲水流濕潤區(qū)的平均勢梯度方面的影響.水分入滲鋒面的土水勢隨著土壤含水量的增大而增高，則水分入滲鋒面與地表之間的平均勢梯度越小，即土壤入滲能力越低，水分初始入滲量越小.因此土壤含水量越高，土壤初滲能力越低.但是穩(wěn)滲速率與土壤含水量關(guān)系并不顯著，這是因?yàn)楫?dāng)達(dá)到穩(wěn)滲速率時，土壤中的含水量已飽和，入滲速率基本達(dá)到穩(wěn)定.

2.2.2 土壤孔隙度 土壤穩(wěn)滲速率和土壤孔隙度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)性并不如土壤非毛管孔隙度與土壤穩(wěn)滲速率之間的相關(guān)系數(shù)高，這是因?yàn)橥寥赖耐ㄍ感灾饕Q于孔徑超過0.02 mm的非毛管孔隙[22]，總孔隙度只能說明土壤孔隙數(shù)量，而不能反映土壤孔隙大小和分配狀況.非毛管孔隙越大，則地表徑流滲入土壤的速度越快，地表徑流轉(zhuǎn)化為土壤水的轉(zhuǎn)化率越大.滲透到土壤中的水分絕大部分因重力作用經(jīng)過非毛管孔隙下滲到土壤下層，林分能有效地影響土壤的物理性狀，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的非毛管孔隙，提高土壤的入滲性能，從而提高土壤的蓄水量，很好的起到蓄水作用[3].

表4 土壤入滲速率與各影響因子的相關(guān)分析Tab.4 Correlations between soil infiltration rate and different influencing factors

**表示當(dāng)P<0.01時極顯著相關(guān)；*表示當(dāng)P<0.05時顯著相關(guān)

2.2.3 土壤容重 土壤穩(wěn)滲速率與土壤容重呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.這是因?yàn)橥寥廊葜貙?shí)質(zhì)上是土壤緊實(shí)程度及氣相比例的間接反映.土壤水分的入滲是水分在土體里流動而不斷深入的過程，其速率主要受水流通道—土壤孔隙的影響，所以土壤容重對水分入滲必然會產(chǎn)生較大的影響.學(xué)者們對土壤容重對入滲能力的影響作了不少研究，一個基本的結(jié)論是：同一質(zhì)地的土壤，其水分入滲率會隨容重的增大而減小，因?yàn)殡S土壤容重的增加，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)喪失、土壤孔隙減小、土壤變得緊密堅(jiān)實(shí)，導(dǎo)致入滲能力降低[23].

3 結(jié)論

1) 小隴山林區(qū)6種主要林地類型的土壤滲透速率依次為：銳齒櫟>闊葉混交>油松>華山松>日本落葉松>無林地，闊葉林地的滲透速率大于針葉林地.各林地的滲透能力有差異，但都強(qiáng)于無林地.表明有林地的土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)都要比無林地的好.因此，闊葉林涵養(yǎng)水源的能力最強(qiáng)，可以有效地延緩地表徑流的產(chǎn)生，減少當(dāng)?shù)厮亮魇?，改善生態(tài)質(zhì)量.

2) 利用Kostiakov、Philip和Horton 3種入滲模型對小隴山林區(qū)6種主要林地土壤入滲進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，Kostiakov模型的R2值都超過0.9，并且Kostiakov模型中的參數(shù)a、b的最大值都存在于銳齒櫟林，最小值均存在于無林地中，這與銳齒櫟林的滲速率最大，無林地的入滲速率最小的情況相一致.所以Kostiakov模型能夠更接近地模擬各林分土壤水分滲透實(shí)際過程，在本研究中具有良好的實(shí)用性.

3) 小隴山林區(qū)6種主要林地類型的土壤初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率都隨著土壤深度增加而下降.由于隨著土層深度的增加，土壤容重增大、土體更加緊實(shí)，總孔隙度減小，從而導(dǎo)致土壤初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率減小.

4) 通過SPSS軟件分析小隴山林區(qū)6種主要林地土壤水分的初滲速率和穩(wěn)滲速率與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性.結(jié)果表明，土壤自然含水量與土壤初滲速率呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤穩(wěn)滲速率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與總孔隙度，尤其是非毛管孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系.不同林地類型的土壤穩(wěn)滲速率不同，銳齒櫟最大，無林地最小，闊葉林大于針葉林.所以闊葉林是最佳的水源涵養(yǎng)林.

影響森林土壤水分入滲的因子眾多，由于研究基礎(chǔ)比較薄弱，本研究未涉及到如林地坡位、坡向、土壤有機(jī)質(zhì)含量及植被根系等因素對土壤水分入滲產(chǎn)生的影響.經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料，林代杰等[23]在不同土地利用方式下土壤入滲特征及其影響因素中研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量越多，土壤團(tuán)聚體越多，孔隙度大，因此土壤入滲能力越強(qiáng)，土壤入滲能力與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)；閆東峰等[24]在豫南山區(qū)典型林地土壤入滲特征及影響因素分析中得出，土壤入滲能力與根表面積密度存在顯著的相關(guān)性.小隴山在土壤入滲特征與各因素之間關(guān)系的相關(guān)分析還不夠完善，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對此方面的研究.

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(責(zé)任編輯 趙曉倩)

Soil infiltration characteristics of main forest lands in Xiaolongshan Region

LIU Xiao-lin,LI Hui-ping,ZHENG Zi-long,GAO Xing-hong,HU Xiao-lin

(Xiaolongshan Institute of Forest Science and Technology，F(xiàn)orest Ecosystem Locational Research Station in Xiaolongshan,Tianshui 741020,China)

【Objective】 To choose the most suitable type of water conservation forest in Xiaolongshan region and reduce the soil and water loss. 【Method】 Soil infiltration characteristics of 6 forests were studied by double cutting ring method. 【Result】 The steady-state infiltration rate was in order ofQuercusalienavarvar.acuteserrata(6.52 mm/min),broadleaved mixed forest (5.30 mm/min),PinustabulaeFormis(4.89 mm/min),PinusarmandiiFranch(4.48 mm/min),Larixksrmpferi(3.87 mm/min),non-stocked land (3.62 mm/min).The fitting precision with Kostiakov's model was higher than with others. The first soil infiltration rate and the steady-state infiltration rate of the same forest land decreased with the increment of soil depth. Soil moisture content was found to have a negative correlation with the first soil infiltration rate. A negative correlation was observed between steady-state infiltration rate and soil bulk density,but a positive one between steady-state infiltration rate and non-capillary porosity. 【Conclusion】 The soil infiltration ability of broad-leaved is stronger,which can effectively improve the ecological quality.

Xiaolongshan Region;soil infiltration;infiltration model

劉小林(1965-)，男，本科，高級工程師，主要從事森林生態(tài)研究.E-mail：LiuxL99@163.com

李惠萍，女，碩士，工程師，主要從事森林水文研究.E-mail：249545627@qq.com

甘肅省天水市科技支撐項(xiàng)目“小隴山林區(qū)天然林保護(hù)工程生態(tài)效益監(jiān)測”.

2016-05-13；

2016-09-09

S 714

A

1003-4315(2016)06-0089-06