遼西北風沙地不同植物群落土壤入滲特性

呂 剛，翟景軒，李葉鑫，王 磊，王韞策

(遼寧工程技術(shù)大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

科爾沁沙地是我國四大沙地之一，近一百多年來，隨著人口增加、農(nóng)田開墾、過度放牧，目前該區(qū)已經(jīng)成為我國土地沙漠化迅速發(fā)展的地區(qū)之一[1]。地處科爾沁沙地南緣的遼西北地區(qū)是遼寧省荒漠化最嚴重的地區(qū)之一，土壤類型主要為風沙土[2]，質(zhì)地疏松，土壤以大孔隙為主，毛管孔隙度所占比例較小，具有滲水快、保水能力差、水分消長迅速等特性，其中以0～20 cm土層更為顯著[3]。土壤入滲是水分從土壤表面進入土壤內(nèi)部的過程，它是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的一個重要環(huán)節(jié)[4]，是降雨或灌溉水再分配的重要過程，提高土壤入滲量是植被涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄徑流、防治水土流失的關(guān)鍵[5-6]。特別是在半干旱沙地地區(qū)降水稀少，水分消長迅速，土壤水分成為農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和植被恢復的主要限制因子[7]。因此，土壤水分對荒漠區(qū)生態(tài)水文以及對植被恢復至關(guān)重要[8]。阿拉木薩等[9]通過研究科爾沁沙地不同林齡人工小葉錦雞兒固沙植被降雨入滲，認為雨后短期內(nèi)流動沙丘淺層土壤中含水量高，后期有植被沙丘深層土壤含水量高。湯英等[10]采用雙環(huán)入滲試驗方法在古爾班通古特沙漠分別選取沙壟頂、沙壟間研究不同下墊面條件的沙漠土壤穩(wěn)定入滲速率的變化規(guī)律，認為植被穩(wěn)定入滲率在距樹干較近時最大，隨著距離的增加而呈放射狀迅速下降。原鵬飛等[11]研究毛烏素沙地降雨入滲的結(jié)果表明，降雨量大小對沙地的入滲深度、入滲速率影響顯著，并且不同下滲深度的水分在沙土中保存時間不同且沙區(qū)不同植被根系的垂直分布差異較大。魯瑞潔等[12]通過監(jiān)測青海湖湖東沙地3種類型沙丘的土壤水分和降雨情況，認為降雨量和土壤前期含水量相近時，入滲量隨降雨強度的增大而增加；降雨量和降雨強度相近的情況下，入滲量隨土壤前期含水量的增大而減小。

遼西北是阻止科爾沁沙地南下、防風固沙的前線，但目前針對遼西北風沙地不同植物群落土壤入滲特征研究較少。因此，研究遼西北風沙地不同植物群落土壤入滲特性，對于有效防治該區(qū)土地荒漠化，從土壤水分植被承載力的角度優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)具有重要意義。本文以遼西北風沙地為研究對象，采用野外雙環(huán)入滲法研究不同植物群落土壤入滲特征及其影響因素，篩選最優(yōu)入滲模型，并采用主成分分析評價了不同植物群落土壤入滲能力，以期為減少沙地水分快速流失、提高土壤蓄水能力提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于遼寧省風沙地利用改良研究所章古臺試驗基地內(nèi)，該研究基地位于遼寧省阜新市彰武縣境內(nèi)(E122°22′，N42°43′)。往北距內(nèi)蒙古哲里木盟科左后旗甘旗卡鎮(zhèn)30 km，往南距彰武縣城40 km。自然區(qū)域?qū)儆诳茽柷呱车貣|南部邊緣，是西遼河平原的邊緣地帶，海拔高度345.1 m。年平均氣溫6.82℃，極端最低氣溫-33.4℃，極端最高氣溫43.2℃，平均氣溫變化幅度在4.9℃～6.7℃，平均空氣濕度60.4%，年降水量450 mm左右，年均蒸發(fā)量為1 590 mm，為降水的3.2倍，全年降水量的69.6%集中在6、7、8三個月，全年平均風速3.33 m·s-1，風速大于3 m·s-1的日數(shù)平均為160 d，風速大于10 m·s-1的日數(shù)為10 d，而起風沙的風速5 m·s-1全年達240多次。無霜期145～150 d，是典型的北方風沙半干旱地區(qū)?；赝寥缹儆陲L沙土[13]，植被屬內(nèi)蒙古植被區(qū)系西遼河小區(qū)，以抗旱性較強的沙生植物為主。代表性植物有色木(Acermono)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、家榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Arnemiacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。綜合考慮植被類型、地形狀況，在試驗地選取4種植物群落作為研究對象，分別為喬木林地(樟子松)、灌木林地(山杏)、人工草地和荒草地。樣地基本情況見表1。

表1 各樣地的基本概況Table 1 Basic overview of various places

2 研究方法

2.1 野外雙環(huán)入滲試驗

在不同植物群落內(nèi)選取比較平整的地段，將內(nèi)、外環(huán)同時垂直砸入土壤中10 cm(本試驗使用的雙環(huán)規(guī)格為：內(nèi)環(huán)直徑5 cm，外環(huán)直徑8.5 cm，環(huán)高20 cm)，開始測定的時候向雙環(huán)的內(nèi)、外環(huán)中注水并使水面保持在10 cm的高度，利用醫(yī)用注射器隨時往內(nèi)環(huán)內(nèi)注水，以此保持內(nèi)環(huán)外環(huán)水位一定。并用馬氏瓶往外環(huán)中注水，保證外環(huán)的水面高度保持與內(nèi)環(huán)相同。試驗開始后分別在1、3、6、11、16、21、26、31、36、41 min記錄注射器內(nèi)所消耗的水量。每種植物群落樣地內(nèi)設(shè)3次重復。

式中，V為沙地某一時刻土壤入滲率(mm·min-1)；Qn為第n次測定時間內(nèi)的加水量(ml)；S為內(nèi)環(huán)橫截面積(cm2)；Tn為第n次測定時間間隔(min)。

本試驗選取土壤的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、16 min入滲率和累計入滲量為評價土壤水分入滲的基本指標。初始入滲率=最初入滲時段內(nèi)滲透量÷入滲時間，本試驗初始入滲時間為1 min；穩(wěn)定入滲率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率；16 min入滲率為第16 min瞬時入滲速率；累計入滲量為前41 min內(nèi)的滲透總量。

2.2 土壤物理性質(zhì)測定

在每種植物群落樣地各取3個環(huán)刀樣品(高和直徑均5 cm的鋼環(huán)刀)和3個鋁盒樣品，利用環(huán)刀和鋁盒采集樣品后立即用膠布和塑料口袋密封，以防止土壤水分蒸發(fā)。帶回實驗室內(nèi)立即測定土壤初始含水率、土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水量、機械組成等指標(機械組成采用國際標準，砂粒為0.02～2 mm，粉粒為0.002～0.02 mm，粘粒為<0.002 mm)。試驗方法詳見文獻[14]。土壤物理性質(zhì)見表2。

表2 土壤物理性質(zhì)Table 2 Soil physical property

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤入滲特征

土壤滲透性是土壤極為重要的物理特征參數(shù)之一，滲透性能的好壞直接關(guān)系到地表產(chǎn)生徑流量的多少[15]。

由圖1可知，不同植物群落樣地的土壤初始入滲率依次為荒草地(16.82 mm·min-1)>人工草地(6.88 mm·min-1)>灌木林地(5.61 mm·min-1)>喬木林地(4.59 mm·min-1)。因為研究地為風沙地，土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤中物理性砂粒(>0.01 mm)是絕對優(yōu)勢組成成分，土壤持水時間短，保水能力差，荒草地土壤結(jié)構(gòu)尤為松散，較其他植物群落初始入滲率大。喬木林地對沙地土壤有一定改良作用，其表面枯枝落葉和根系對水分有一定截留、儲蓄作用，所以喬木林地土壤初始入滲率最小。沙地土壤初始入滲率最大，隨后土壤入滲率下降趨勢趨于緩慢且存在一定程度的波動。各樣地16 min入滲率為荒草地(13.25 mm·min-1)>人工草地(3.60 mm·min-1)>灌木林地(3.11 mm·min-1)>喬木林地(1.53 mm·min-1)，與初始入滲率相比分別降低21.2%、47.8%、44.6%和66.7%。這是由于隨著土壤含水率的增加，水分將土壤顆粒間隙占據(jù)，使得土壤水飽和度增大，降低土壤入滲率。土壤穩(wěn)定入滲率為荒草地(11.87 mm·min-1)>人工草地(3.57 mm·min-1)>灌木林地(2.80 mm·min-1)>喬木林地(1.43 mm·min-1)，與初始入滲率相比分別降低29.4%、48.1%、50.0%和68.8%。發(fā)現(xiàn)喬木林地初始入滲率到穩(wěn)定入滲率變化最大，荒草地變化最小，這是因為喬木林地對土壤進行改良，土壤質(zhì)地變好，土壤的蓄水能力增強。土壤累計入滲量表現(xiàn)為荒草地(955 ml)>人工草地(290 ml)>灌木林地(225.5 ml)>喬木林地(123.5 ml)。通過方差分析可知各樣地初始入滲率、16 min入滲率有顯著差異(P<0.05)，喬木林地、人工草地、荒草地的穩(wěn)定入滲率、累計入滲量有顯著差異(P<0.05)，人工草地和灌木林地無顯著性差異(P>0.05)。

圖1 土壤入滲特征值Fig. 1 Soil infiltration characteristics

3.2 土壤水分入滲影響因素

不同植物群落的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累計入滲量的差異與土壤質(zhì)地、土壤容重和孔隙度、土壤初始含水率等有關(guān)[16]。由表3可知，初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累計入滲量與毛管孔隙度呈顯著負相關(guān)，這說明風沙地區(qū)土壤的毛管孔隙度對土壤入滲能力有顯著的影響，但相關(guān)研究表明，非毛管孔隙度決定著土壤滲透能力的強弱，與之呈極顯著關(guān)系[17]。研究區(qū)土壤的毛管孔隙度較其他植物群落小、非毛管孔隙度大，且風沙地土壤結(jié)構(gòu)較其他土壤持水、蓄水能力弱。土壤的毛管孔隙度決定土壤的持水性，所以該地區(qū)土壤水分滲漏量大。初始入滲率、穩(wěn)定入滲率與累計入滲量、飽和含水量、土壤中粉粒含量呈負相關(guān)，與初始含水率、容重、非毛管孔隙度、粘粒和砂粒呈正相關(guān)，但未達顯著水平。

表3 土壤入滲性能與水分物理性質(zhì)的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of soil infiltration

注：*表示在5%水平下相關(guān)性顯著。Note：* stands for significant correlation at 0.05 level.

3.3 土壤入滲速率的擬合模型

由于土壤的入滲速度是隨時間遞減的一個過程，土壤初始入滲速度通常很大，而土壤穩(wěn)定入滲速度則較小，不同植物群落下不同入滲方程對土壤入滲的衰退階段和穩(wěn)定入滲階段擬合的效果可能不同，這就有必要對入滲方程在入滲的不同階段進行進一步的對比分析?；诖?，采用Kostiakov模型(模型1)、Horton模型(模型2)、Philip模型(模型3)和G-P綜合模型(模型4)對風沙地不同樣地土壤水分入滲過程進行擬合，比較不同模型的擬合優(yōu)度(表4)，繪制實測數(shù)據(jù)與模型計算值的關(guān)系曲線(圖2)。

由表4可知，不同植物群落的土壤入滲過程的回歸模型的擬合優(yōu)度存在差異，大小依次為Horton模型> G-P綜合模型> Philip模型>Kastiakov模型。Horton模型的決定系數(shù)為0.836～0.994，平均為0.948；G-P綜合模型擬合的決定系數(shù)為0.730～0.988，平均為0.896；Philip模型的決定系數(shù)為0.730～0.974，平均為0.893；Kastiakov模型擬合的決定系數(shù)為0.772～0.95，平均為0.868。各個樣地的最優(yōu)模型的決定系數(shù)在0.730～0.994之間，其中 Horton模型占3個，表明Horton模型較Kastiakov模型、Philip模型、G-P綜合模型更能全面反映遼西北風沙地土壤入滲的實際情況，且Horton模型可以更好地模擬和預測風沙地的入滲過程和入滲能力。

表4 土壤入滲模型擬合參數(shù)Table 4 Parameters of soil infiltration model

利用Horton綜合模型(f(t)=fc+(f0-fc)e-kt，式中：f(t)為入滲速率；t為入滲時間；f0，f0-fc，k為由試驗數(shù)據(jù)擬合的參數(shù))擬合了風沙地不同植物群落土壤水分入滲過程，并得到了相應(yīng)的模型參數(shù)。由表4可以看出，Horton綜合模型的決定系數(shù)在0.836～0.994之間，表明風沙地不同植物群落土壤入滲速率和時間符合冪函數(shù)方程。其中fc值在1.396～7.05之間，f0-fc值在3.829～8.811之間，k值在0.03～0.763之間。其大小和初始含水量相關(guān)，能較好反映土壤初始含水率的變化情況。

圖2 風沙地各樣地實測曲線與擬合曲線Fig. 2 Measured curves and calculated curves of sandy land

將實測數(shù)據(jù)與模型計算值進行對比，分別計算入滲率的絕對誤差和相對誤差，具體見表5。由表5可知，Kastiakov模型、Horton模型、Philip模型、G-P綜合模型的絕對誤差變化范圍分別為1.78～7.63、0.55～6.61、0.66～9.83、0.66～9.83 mm·min-1，相對誤差的變化范圍為51.32%～101.51 %、15.71%～68.61 %、19.07%～83.28%、19.07%～83.28%。對比4個模型可知，Horton模型、Philip模型G-P綜合模型的相對誤差較小，更接近風沙地土壤入滲的實測過程；結(jié)合圖2可知，Horton模型的擬合曲線接近實測入滲曲線。因此，結(jié)合風沙地各個樣地土壤入滲模型擬合優(yōu)度和實測入滲曲線與計算曲線的誤差，認為Horton模型更符合風沙地土壤入滲的實際過程，可以很好地模擬其入滲過程并進行預測。

表5 實測入滲率與模型計算值的絕對誤差和相對誤差Table 5 Absolute error and relative error of the measured infiltration rate and the calculated value

3.4 土壤水分入滲能力評價

表6 土壤水分入滲能力的PCA分析Table 6 PCA analysis of soil infiltration capacity

為了更好地比較各植物群落土壤入滲能力的強弱，通過得出的主成分方程，計算各植物群落土壤滲透能力得分。從表7可以看出，風沙地土壤入滲能力強弱排序依次為荒草地>人工草地>灌木林地>喬木林地。這是因為風沙地土壤持水時間短，保水能力差。植物根系和枯枝落葉對土壤有一定的改良作用，風沙地荒草土壤腐殖質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)性差，人工草地、灌木林地、喬木林地根系較多，對土壤有一定改良作用，且喬木林地地表枯枝落葉較多，對水分有一定攔截。所以土壤入滲能力表現(xiàn)為荒草地最強、喬木林地最弱。

表7 土壤入滲能力評價Table 7 Evaluation of soil infiltration capacity

4 討 論

風沙土具有結(jié)構(gòu)松散，組成相對單一(以細砂為主)等特點，土壤以大孔隙占主要比例，毛管孔隙所占比例較少，滲水快，保水能力低[3]。研究風沙地不同植物群落土壤入滲特性，可以為減少風沙地水分快速流失、提高土壤蓄水能力提供科學依據(jù)。風沙地土壤入滲率在不同土地類型下變化規(guī)律較其他土壤相比有所不同，蔣定生等[18]通過對黃土區(qū)不同植物群落土壤入滲能力分析，得出喬木林地穩(wěn)定入滲率>天然草地或人工草地。莫斌等[19]通過對紫色土區(qū)不同植物群落土壤入滲能力分析，得出初滲速率和平均入滲率大小基本表現(xiàn)為林地>坡耕地>草地，穩(wěn)滲速率則為坡耕地>林地>草地。與本文得出結(jié)果不同，這是因為風沙地土壤毛管孔隙度較小，非毛管孔隙度較其他類型土壤大，土壤透水能力強。風沙地不同植物群落的土壤入滲特征值存在一定差異。相關(guān)研究表明[20]毛烏素沙地0～10 cm土層入滲特征值均表現(xiàn)為：無植被沙地>有植被沙地。這與本文結(jié)果一致，這是因為風沙土土壤質(zhì)地不好，土壤孔隙度較大，導致土壤持水時間短，保水能力差。有植被沙地根系蓄水能力增強，對沙地土壤有一定改良效果。因此，0～10 cm土層入滲特征值表現(xiàn)為無植被沙地>有植被沙地。在今后應(yīng)加強風沙地蓄水保水能力等方面的研究。

5 結(jié) 論

1)遼西北風沙地不同植物群落的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、16 min瞬時入滲率、穩(wěn)定入滲率和累計入滲量等土壤入滲特征值均表現(xiàn)為荒草地>人工草地>灌木林地>喬木林地，不同植物群落之間土壤入滲特征值的差異與土壤質(zhì)地、土壤容重和孔隙度、土壤初始含水率等有關(guān)。

2)風沙地不同植物群落土壤的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累計入滲量與毛管孔隙度呈顯著負相關(guān)，與飽和含水量、粉粒含量呈負相關(guān)，與土壤初始含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、砂粒、粘粒含量呈正相關(guān)，但未達顯著水平。

3)風沙地植物群落土壤的入滲過程的回歸模型的擬合優(yōu)度存在差異，其擬合優(yōu)度依次為Horton模型(0.948)>G-P綜合模型 (0.896)>Philip模型(0.893)>Kastiakov模型(0.868)，表明Horton模型較符合風沙地土壤入滲的實際情況

4)主成分分析表明土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、16 min入滲率和累積入滲量4個指標對土壤入滲能力的累積貢獻率達到99.976 %，不同植物群落土壤的入滲能力排序：荒草地>人工草地>灌木林地>喬木林地。