天山林區(qū)不同群落土壤水分入滲特性的對比分析與模擬

阿茹·蘇里坦,常順利,*,張毓?jié)?/p>

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 2 新疆林科院森林生態(tài)研究所, 烏魯木齊 830063

土壤水分入滲是降水、地表水、土壤水與地下水之間互相轉(zhuǎn)化過程的重要一環(huán)[1],也是大氣降水入滲補給淺層地下水的唯一途徑[2]。土壤入滲性能是土壤重要的物理性質(zhì),反映了土壤涵養(yǎng)水源和抗侵蝕的能力,是影響土壤侵蝕與地表徑流的重要因素[3]。林區(qū)土壤的質(zhì)地、容重、含水率、土壤孔隙度、鹽分含量等理化性質(zhì)受到群落類型變化等因素的影響,進(jìn)而對水分入滲過程產(chǎn)生不同程度的影響[4- 5]。土壤的水分入滲貫穿森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的整個環(huán)節(jié),對森林植被的水文生態(tài)構(gòu)成直接影響[6]。

不同群落類型土壤有機(jī)質(zhì)含量或肥力等土壤理化性質(zhì)有差異,對入滲性能就具有不同程度的影響[7- 8]。土壤累積入滲量與初始含水量之間的關(guān)系會受到土壤質(zhì)地的影響[9],不同的土壤結(jié)構(gòu)必定導(dǎo)致土壤儲水能力及入滲特性存在差異。關(guān)于初始含水率對入滲過程的影響,大多是假定在含水率分布均勻的前提下研究其對入滲速率的影響[10]。對入滲過程的定量描述與模擬迄今還沒得到統(tǒng)一和普遍適用,目前主流的土壤入滲模型有物理模型Green-Ampt模型和Phillip模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚄ostiakov模型和Horton模型[3]。因植被、土壤類型存在差異,不同區(qū)域適宜的擬合模型也不盡相同；而合適的土壤入滲模型則是實現(xiàn)水源護(hù)林保水功能的重要手段。環(huán)刀法是室內(nèi)監(jiān)測土壤入滲速率的常用實驗方法,同徑流—入流—產(chǎn)流法和雙環(huán)法相比較,更為簡便,同時更易監(jiān)控和觀測滲水后各階段的入滲特征及土壤結(jié)構(gòu)的變化[11]。

天山中山帶的雪嶺云杉森林是我國干旱區(qū)重要的水源涵養(yǎng)林區(qū),干旱區(qū)由于土壤發(fā)育過程受風(fēng)沙、放牧及河水泛濫淤積等多重因素的影響,導(dǎo)致其土壤復(fù)雜多樣[12]?，F(xiàn)階段對天山林區(qū)土壤入滲特性的了解還非常不充分。天山林區(qū)不同群落類型的土壤入滲特性是否存在差異,而其中哪些因素影響著天山林區(qū)土壤入滲過程,哪種模型能夠較好的模擬該區(qū)土壤入滲過程？這些基礎(chǔ)問題都尚未得到回答和解決。本文采用環(huán)刀法,分析天山中段北坡林區(qū)各群落類型土壤水分入滲性能的變化規(guī)律,探討土壤容重、含水率、土壤有機(jī)質(zhì)等基礎(chǔ)因素對土壤入滲過程的影響,對三種模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,以期能夠回答上述問題。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗選擇了中國森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站研究站(87°07′—87°28′ E,43°14′—43°26′ N)為試驗站點。地處天山北坡烏魯木齊縣板房溝林場,海拔1800—2800 m,具有溫帶大陸性氣候特征,年平均氣溫為2—3℃,年總輻射量達(dá)5.85×105J/cm2·a,年降水量400—600 mm,最大積雪深度為65 cm[13],該區(qū)植被類型以天山云杉(PiceaSchrenkiana)純林為主的溫帶針葉林,林緣、林窗及林下的喬木主要有密葉楊(Populustalassica)和天山花楸(Sorbustianschanica)、天山樺(Betulatianscha-nica)等,灌木主要有栒子(Cotoneastermelanocar-pus)、小檗(Berberisheteropoda)、薔薇(Rosaspino-sissima)、繡線菊(Spiraeahypericifolia)、方枝柏(Juniperuspseudosabina)、錦雞兒(Caraganaleucophloea)和忍冬(Lonicerahispida)等,林下土壤類型為山地灰褐色森林土[14]。試驗六種群落類型樣地基礎(chǔ)信息如表1所示。

表1 森林樣地特征

1.2 取樣與入滲監(jiān)測方法

在試驗區(qū)內(nèi),依據(jù)群落類型的不同,設(shè)立天然林、人工林、林窗草地、草地、林緣灌木林、山前灌木林六種森林土壤類型樣地,每種群落類型下布設(shè)兩個樣地,共計12塊試驗樣地。其中,天然林和人工林均為云杉林。每個樣地隨機(jī)選取3個土壤剖面進(jìn)行取樣調(diào)查,以0—20、20—40、40—60 cm分三層取土樣,每層使用環(huán)刀(100 cm3)取原狀土樣,帶回實驗室作為土壤理化性質(zhì)的測定與分析。采用烘干法測定土壤含水率,環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、毛管持水量等,重鉻酸鉀法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量[15],統(tǒng)計數(shù)據(jù)時每層取3個重復(fù)樣的均值。樣地基本理化性質(zhì)見表2。

表2 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)

此次試驗采用環(huán)刀法測定土壤的水分入滲速率。用環(huán)刀(高5.1 cm,體積100 cm3)分別取0—20、20—40、40—60 cm三層的自然狀態(tài)土樣至室內(nèi)。盡快取掉上下蓋,在環(huán)刀上方反套一個空環(huán)刀,嚴(yán)防接口處漏水,之后將粘合的環(huán)刀放到玻璃漏斗上,漏斗下方放置一個空燒杯。實驗開始之前向上部的空環(huán)刀加水,保持水面比上部的環(huán)刀口低1 mm,即水層厚度保持在5 cm。自水分穿透下部環(huán)刀,土壤開始向外滴出第一滴水的時刻開始試驗計時,前5 min內(nèi),每分鐘更換一次燒杯,并用量筒測量下滲水的體積。此后每隔5 min更換一次燒杯。即整個試驗過程中的時間序列為:1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、10 min、15 min、20 min……,分別記錄時間t1、t2、t3……tn。試驗過程中要及時向上部環(huán)刀內(nèi)加水,使上部的環(huán)刀水面一直保持在5 cm高度。試驗進(jìn)行到連續(xù)3次更換的燒杯內(nèi)水量相同時,可以視為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),并停止本輪試驗。每個樣地,土壤入滲過程重復(fù)測定三次。

入滲性能是用來描述土壤入滲快慢的土壤物理特征參數(shù),通常使用初始滲透速率、平均滲透速率、穩(wěn)定滲透速率和滲透總量4個入滲指標(biāo)進(jìn)行分析評價。其中初始滲透速率=最初入滲時段內(nèi)滲透量/入滲時間,本試驗取前3 min的平均入滲率作為初始滲透速率；平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)滲時的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲所用時間；穩(wěn)定入滲速率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率；滲透總量是一定時間內(nèi)的累計入滲總量。

1.3 入滲模型

林地坡面土壤水分入滲通常屬于非飽和水分運動,所以,即便是在最簡單邊界條件下,嚴(yán)密解析土壤水分運動基本方程十分困難。所以,依據(jù)模型是否具有明確的物理意義,將其分為兩類,一類是經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿鏚ostiakov模型,另一類物理模型有Horton方程和Philip入滲方程。入滲模型分別是：

(1)Kostiakov入滲模型[16]

I{t)=at-b

(1)

式中：I(t)為入滲率,mm/min；t為入滲時間,min；a和b為模型的參數(shù)。

(2)Horton入滲模型[17]

I{t)=If+(Ii-If)e-ct

(2)

式中：I(t)為入滲率,mm/min；Ii為初始入滲率,mm/min；If為穩(wěn)定入滲率,mm/min；c為模型的參數(shù)。

Step2:據(jù)待分割影像Z建立相似圖G=(V,E,W )，并計算標(biāo)準(zhǔn)Laplacians矩陣L=I-D-1W；

(3)Philip模型[18]

I{t)=A+Bt-0.5

(3)

式中,I(t)為入滲率(mm/min)；t為入滲時間(min)；A為穩(wěn)定入滲率(mm/min)；B為模型的參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 19.0和Origin 9.0進(jìn)行土壤入滲過程模擬與作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤入滲過程與特征

不同群落類型土壤入滲特征指標(biāo)如表3所示,不同群落類型的土壤入滲指標(biāo)大小均具一定差異。其中,天然林、人工林、林窗草地、草地、林緣灌木林、山前灌木林的初始滲透速率分別為9.00、2.63、3.96、3.58、5.41、2.67 mm/min；而穩(wěn)定入滲速率分別為5.12、2.19、1.95、1.40、1.70、0.85 mm/min；平均入滲速率分別為6.50、2.49、2.74、2.53、3.20、1.55 mm/min。天然林無論是初滲速率、穩(wěn)滲速率還是平均滲透速率都大于其他五種群落類型。人工林初滲速率最小,但是穩(wěn)定入滲率僅次于天然林。穩(wěn)滲速率、平均入滲速率和滲透總量的最小值均出現(xiàn)在山前灌木；天然林在相同時間內(nèi)的滲透總量是山前灌木滲透總量的4倍,而初滲速率是山前灌木林的3倍。

表3 不同群落類型土壤入滲特征指標(biāo)

圖1 不同群落類型土壤滲透過程曲線Fig.1 The soil infiltration process of different community type

土壤入滲速率隨時間變化過程如圖1所示。不同群落類型的土壤入滲過程有較大差異,但都表現(xiàn)出初滲速率>平均滲透速率>穩(wěn)滲速率的相同趨勢。六種不同群落類型的森林土壤,入滲開始初期滲透速率較高,而后隨著時間的推移,逐漸降低,最終穩(wěn)定在一個固定的水平上,即達(dá)到穩(wěn)定入滲階段。其中,天然林在整個實驗過程中的滲透速率整體明顯大于其他五種群落類型,且滲透速率隨時間遞減速率最快。而山前灌木林的滲透速率則明顯小于其他五種群落類型。

2.2 土壤入滲過程的擬合與對比分析

采用實測的土壤入滲數(shù)據(jù)與3種模型進(jìn)行擬合,得出了不同模型的模擬精度和參數(shù)估計值見表4。

表4 入滲模型中參數(shù)的回歸分析結(jié)果

R2為判定系數(shù)

由表4可以看出,不同的方程對于不同群落土壤入滲過程的模擬精度均有所差異。

Kostiakov入滲模型中,a為經(jīng)驗入滲常數(shù),即第一個單位時段內(nèi)的平均入滲速率,a值的大小主要受土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和非毛管孔隙度等多種因素的影響；b值的大小可以表明入滲速率隨時間減小的程度,b值越大,則入滲速率隨時間減小的程度越快。由表3可知,Kostiakov方程擬合的參數(shù)a值介于2.79與9.53之間,其中天然林的a值最大,與天然林初始入滲率最大的規(guī)律相一致。a值在人工林和山前灌木林均小于其他群落類型。b值在山前灌木林和林緣灌木林較大,說明山前灌木林和林緣灌木林入滲速率隨時間遞減速率較快。

Philip方程中A為穩(wěn)滲速率,將各處理A值帶入求得參數(shù)B,B值在0.04—1.228之間,它在一定程度上反映了初始入滲率的大小。B值最小出現(xiàn)在人工林中,這與表2實測人工林初始入滲率最小的結(jié)果相一致。

不同模型對入滲過程的擬合效果可以用回歸方程的判定系數(shù)R2表示,R2越大,則擬合效果越好。由表2 中擬合結(jié)果可以看出Kostiakov模型判定系數(shù)在0.48和0.97之間,人工林?jǐn)M合判定系數(shù)最小。在Horton模型中,判定系數(shù)除人工林與草地外,也都接近或者超過0.90；Philip模型判定系數(shù)介于0.57與0.86之間,適宜性較差。

2.3 入滲速率影響因子分析

土壤是多孔介質(zhì),當(dāng)水分在這其中運動時,入滲狀況必定會受到土壤孔隙度、初始含水量、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性等土壤物理和生物化學(xué)特性的影響[19- 20]。因此,表5在SPSS軟件中對土壤入滲特征與影響土壤入滲的直接和間接因素進(jìn)行了相關(guān)分析。

表5 土壤入滲速率與各影響因子的相關(guān)分析

*,**分別表示相關(guān)系數(shù)達(dá)0.05,0.01顯著水平

土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤入滲速率呈正相關(guān),且與初始入滲率達(dá)到顯著水平。土壤容重與土壤入滲能力呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。土壤毛管孔隙度與土壤入滲速率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且與初始入滲率和平均入滲率顯著負(fù)相關(guān)。土壤的含水率與入滲過程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),土壤初始含水量越大,則初始入滲率越低。也可以說,在土壤結(jié)構(gòu)相同的情況下,土壤入滲率與土壤含水量呈現(xiàn)反比關(guān)系,隨土壤含水量的增加而遞減,直至穩(wěn)定入滲。

3 討論與結(jié)論

3.1 入滲過程及影響因素分析

土壤水分滲入過程是水分在分子力、毛管力和重力的綜合作用下在土壤中運動的物理過程,入滲按土壤水分受力情況及運行特征可分為3個階段：滲潤階段、滲漏階段和滲透階段[21]。滲潤階段水分主要受分子力作用,被土壤顆粒吸附而形成薄膜水,對于干燥的土壤,該階段入滲率明顯大于其他階段；滲漏階段下滲水主要受到重力和毛細(xì)管引力,該階段土壤水主要在土壤顆粒間的孔隙移動,并開始充填孔隙,直至充滿水,此階段下滲速率迅速遞減；滲透階段土壤孔隙已被水充滿達(dá)到飽和,水分在重力作用下移動,屬于飽和水流運動,水分入滲率維持穩(wěn)定。這也就是不同群落類型的土壤入滲過程存在差異,但是都具有初滲速率>平均入滲速率>穩(wěn)定入滲速率的相同趨勢的原因。

在天山森林北坡六種不同群落類型土壤入滲性能研究過程中,由圖1和表3可知,天然林的四項入滲指標(biāo)(初始入滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和滲透總量)均大于其他五種群落類型。主要原因可能是天然云杉林的植被蓋度較大,錯綜分部的根系使板結(jié)的土壤產(chǎn)生松動,改善土壤結(jié)構(gòu),從而加快了土壤水分入滲的過程。同時,根系的衰亡將會為土壤提供有機(jī)質(zhì),促進(jìn)土壤中團(tuán)聚體的形成,進(jìn)而增強(qiáng)了土壤的滲透性。對青海湖周邊土壤入滲性能的研究結(jié)果表明,低草地的穩(wěn)定入滲速率明顯小于高草地,認(rèn)為高草地根系發(fā)育深度遠(yuǎn)大于低草地是造成這種現(xiàn)象的關(guān)鍵因素[22]。人工林的滲透性能較天然林低下的原因,除了其改善林地能力和生產(chǎn)力弱,種植密度過大的原因以外；也同本地的封山育林措施不到位有極大的關(guān)系。

一般認(rèn)為,土壤的表層初始入滲率與超滲產(chǎn)流密切相關(guān)[23],平均入滲速率則可較好的表征土壤的滲透性能[24]。土壤入滲速率高的群落類型,在緩解地表徑流產(chǎn)生、減少徑流產(chǎn)生的規(guī)模與縮減徑流持續(xù)時間等多方面效果顯著；同時,森林土壤發(fā)育程度越高,土壤物理條件越有優(yōu)勢,抗侵蝕能力越強(qiáng),是研究區(qū)最為穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)。所以可以斷言,天然林是該試驗區(qū)土壤發(fā)育程度最高,最為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

針對各種不同土壤類型的入滲規(guī)律進(jìn)行的模擬研究中,對不同模型的模擬精度評價不盡相同。Kostiakov入滲模型中,b值在山前灌木林最大,說明山前灌木林隨時間減少速率最快。這可能同潤濕階段下土壤結(jié)構(gòu)變化有關(guān)[25],對金沙江流域森林土壤入滲特征研究中[26],也得出Kostiakov模型擬合效果比Horton模型和Philip模型擬合效果好的結(jié)論。Kostiakov 模型是所有入滲公式中最簡單的,屬于經(jīng)驗性公式,適用于入滲率較高的情況。

群落類型不同的情況下,土壤理化特性也存在相應(yīng)差異,直接或間接影響著土壤入滲性能。土壤孔隙,尤其是非毛管孔隙的特性和數(shù)量對入滲的影響較大,而土壤的孔隙狀況又同土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和以及腐殖質(zhì)等基本性質(zhì)密切相關(guān)。土壤中的有機(jī)質(zhì)在礦化的過程中能夠釋放大量的營養(yǎng)物質(zhì),改善孔隙狀況從而間接影響土壤入滲性能。作為間接影響因子,通常認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)是通過促進(jìn)團(tuán)聚體的形成而間接影響土壤滲透性能[27]。

土壤容重是土壤緊實度與氣相比的間接反映,決定著土壤的緊實和松散程度。土壤入滲也可認(rèn)為是水分在土體孔隙管道內(nèi)流動并且不斷深入的過程,所以容重會對土壤水分入滲產(chǎn)生較大的影響。土壤容重越大,土壤孔隙越小,則通氣性越差,土壤入滲能力相應(yīng)的也就降低[28- 29]。由表2可知,天然林的容重明顯小于其他群落類型土壤容重,說明天然林土壤水分下滲能力較好,這與本文先前的論述一致。

土壤含水量對入滲率有兩方面的影響,一方面是入滲前土壤初始含水量對入滲率的影響,另一方面則是入滲過程中土壤含水量發(fā)生變化,會致使入滲率發(fā)生變化[30]。

研究不同森林群落植被與入滲產(chǎn)流之間的關(guān)系,大多是從土壤的理化性質(zhì)方面進(jìn)行參數(shù)比對來判定其土壤的入滲性能,但是對于不同群落植被作用下土壤入滲能力的演變過程及其規(guī)律缺少全面的的定量研究。特別是對于降雨機(jī)制下不同植被類型的坡面土壤水分運動及入滲速率變化的過程特征、水分再分配等多種過程還有待深入研究[31]。

3.2 結(jié)論

通過環(huán)刀法對天山林區(qū)天然林、人工林、林窗草地、草地、林緣灌木林、山前灌木林六種森林群落類型的土壤入滲過程進(jìn)行觀測,分析有機(jī)質(zhì)含量、毛管孔隙度、容重、土壤含水率對土壤入滲性能的影響,評價常用三種入滲模型的適宜性。

由分析可見,本研究區(qū)不同群落類型土壤土壤性質(zhì)與發(fā)育程度差異很大,森林水源涵養(yǎng)功能主要靠土壤與森林共同發(fā)揮作用,所以只有同時具備優(yōu)良的森林植被和深厚的土壤,長效且有效地改善土壤入滲性能,才能具有豐富的水文生態(tài)功能和較高的水文生態(tài)效益。