永定河流域官廳水庫南岸典型林分土壤飽和導(dǎo)水率研究

張一璇,史常青,*,楊 浩,王占永, 趙廷寧,閆燁琛,安一喆

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083 2 北京市園林綠化局,北京 100013 3 河北省張家口市懷來縣林業(yè)和草原局,懷來 075400

土壤飽和導(dǎo)水率(soil saturated hydraulic conductivity,Kfs)是表征土壤通透性的一個綜合指標(biāo),即單位水勢梯度作用下通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]。飽和導(dǎo)水率越高,土壤通透性越好。土壤通透性的改善,不僅可以延緩降水形成的地表徑流,減少土壤侵蝕,還能使更多的降水更快的進入土壤內(nèi),起到涵養(yǎng)水源的作用。

據(jù)國內(nèi)外研究,影響土壤飽和導(dǎo)水率的因素主要有植被群落特征和土壤理化性質(zhì)。由于樹木根系生長具有樹種特異性,根系通過穿插、網(wǎng)絡(luò)及固結(jié)將土壤單粒粘結(jié)起來改變了土壤通透性[2-3],因此不同樹種的土壤飽和導(dǎo)水率不同。植物多樣性可以顯著增加土壤滲透能力,動態(tài)影響著土壤水文性質(zhì)[4]。據(jù)孟晨等人[5]研究,土壤導(dǎo)水性表現(xiàn)為混交林>純林>灌木林>草本>裸地。馬思文等人[6]對三峽庫區(qū)人工防護林研究后認為,針闊混交林的飽和導(dǎo)水率最大,其次是闊葉混交林、針葉混交林、針葉純林。飽和導(dǎo)水率由于土壤質(zhì)地、容重、孔隙分布以及有機質(zhì)等變量的影響而空間變異強烈[7-8]。梁向鋒等[9]認為子午嶺林區(qū)9種植被下土壤飽和導(dǎo)水率的主要影響因子是有機質(zhì)含量、容重、>0.25mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量、毛管孔隙度和粘粒含量;王子龍等[10]研究了退耕典型草地飽和導(dǎo)水率特征,認為水穩(wěn)性大團聚體含量和有機質(zhì)對飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生顯著正效應(yīng)。而遲春明等[11]對堿化鹽土的研究表明,土壤堿度、鹽度、結(jié)構(gòu)系數(shù)、團聚度與飽和導(dǎo)水率的相關(guān)性均無顯著統(tǒng)計學(xué)意義;張鼎華等[12]得出沙地土壤飽和導(dǎo)水率與土壤有機質(zhì)含量呈明顯的負相關(guān)關(guān)系;劉春利等[13]認為土壤飽和導(dǎo)水率的波峰對應(yīng)土壤含水量的波谷,表明飽和導(dǎo)水率大土壤就不易保持水分,相反,土壤容易保持土壤水分。由以上研究結(jié)論可知,不同地區(qū)影響飽和導(dǎo)水率的因素不同,主要圍繞在有機質(zhì)含量、容重、孔隙狀況和土壤粒徑分布等土壤理化性質(zhì)中,而且由于以上影響因素之間存在相互作用,導(dǎo)致各個因素對飽和導(dǎo)水率的影響十分復(fù)雜,具體地區(qū)應(yīng)該具體分析。目前對飽和導(dǎo)水率的研究多集中在不同沙地、草地、灘涂地和鹽堿地中[14-15],研究區(qū)多選在南方紅壤區(qū)、黃土高原區(qū)和喀斯特地區(qū)[16-18],對森林土壤和植物的研究較少。

永定河是北京的母親河,歷史上又名不定河,但近幾年多次出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。永定河流域涉及內(nèi)蒙、山西、河北、北京和天津等地,永定河上游支流有桑干河、洋河、大清河等,最后匯流于官廳水庫,因此,官廳水庫的水量在很大程度上決定了永定河的水量。為了解決永定河的斷流現(xiàn)象,近幾年在永定河上游地區(qū)實施了大量的以植樹造林為主的生態(tài)修復(fù)工程,其中,京冀生態(tài)水源保護林工程是北京市、河北省兩地政府為提高森林植被涵水、凈水能力,緩解首都水資源供需矛盾,促進區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展而啟動的建設(shè)合作項目。本文選取官廳水庫南岸的生態(tài)水源保護林為研究對象,分析不同林分飽和導(dǎo)水率的特征,通過與當(dāng)?shù)爻闪值膶Ρ?評價目前水源保護林的造林成效;研究土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素并根據(jù)因子得分排名得出土壤通透性最好的林分,科學(xué)評價水源保護林功能,從土壤方面提高永定河源頭的水源涵養(yǎng)能力,恢復(fù)永定河流域生態(tài)系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于張家口市懷來縣東南部(115°36′E—115°45′E,40°13′N—40°18′N)(圖1),官廳水庫南岸,最近處距離官廳水庫不足1 km,是對官廳水庫水質(zhì)水量影響最為直接的示范區(qū),生態(tài)區(qū)位極其重要。區(qū)域總面積達50 km2,最高海拔2292 m,最低海拔520 m。該區(qū)地處溫帶半干旱區(qū),屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同期,年均日照時數(shù)3027 h,全年無霜期149 d。年平均氣溫9.6℃,多年平均降水量390 mm。地貌形態(tài)主要有河川平原、丘陵和山地等類型,土壤類型為褐土,土壤質(zhì)地為砂壤土,研究區(qū)主要栽植側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、油松(PinustabuliformisCarr.)、山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam.)等苗木,灌木植被主要有榛子(CorylusheterophyllaFisch.)、繡線菊(SpiraeasalicifoliaL.)等,草本植被主要有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、委陵菜(PotentillachinensisSer.)等。

圖1 研究區(qū)位置圖 Fig.1 Map of study area

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇與土樣采集

2017年7月,在保證立地條件基本一致的前提下,選取示范區(qū)內(nèi)5種生態(tài)水源保護林典型林分(側(cè)柏純林、油松純林、側(cè)柏×山杏混交林、油松×山杏混交林、側(cè)柏×油松混交林)作為研究樣地并在附近選取立地條件相近的3種林分(側(cè)柏成林、油松成林、山杏成林)作為成林對比,選取荒草地作為非林地對比,樣地基本情況見表1。

在選取的樣地中布設(shè)20m×20m的樣方,進行林分調(diào)查,調(diào)查結(jié)果見表2。在樣方中按照均勻分布和隨機布點的原則設(shè)置3個采樣點(深60cm),進行土樣采集,采樣深度分為3層(0—20cm、20—40cm、40—60cm),每層均用環(huán)刀(環(huán)刀體積100cm3,直徑5cm,高5cm)取原狀土以及自封袋取樣,其中環(huán)刀取樣每層設(shè)置3個重復(fù),共采樣324個、其中環(huán)刀樣243個,所有樣品帶回實驗室立即進行測定。

表1 樣地基本信息

表2 樣方林分調(diào)查

1.2.2測定方法

土壤飽和導(dǎo)水率測定采用恒定水頭法,計算方法見公式(1),結(jié)果取平均值。

(1)

式中：Kfs為飽和導(dǎo)水率(mm/min);Q為時間t內(nèi)的出流量(ml);L為水流路徑的直線距離(cm);A為水流經(jīng)過的橫截面積(cm2);ΔH為滲流路徑始末斷面的總水頭差(cm);T為出流時間(min)。

土壤水分的運動與溫度有關(guān),為了便于統(tǒng)一對比,下文所列數(shù)據(jù)統(tǒng)一用標(biāo)準(zhǔn)溫度10℃時的飽和導(dǎo)水率表示,其他溫度下所測得的導(dǎo)水率要換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度下的導(dǎo)水率,具體換算方法采用哈贊公式(2)：

(2)

式中：K10為10℃時的飽和導(dǎo)水率(mm/min);Kt為t℃時的飽和導(dǎo)水率(mm/min);t為測量時的水溫(℃)。

土壤質(zhì)地采用吸管法測定,并參照國際制來劃分土壤質(zhì)地類型(砂粒：0.02—2 mm,粉粒：0.002—0.02 mm,粘粒：<0.002 mm);飽和含水量、容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測定;土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法來測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用origin軟件作圖,R語言3.3.1軟件對土壤飽和導(dǎo)水率進行單因素方差分析(One-way ANOVA)并利用TukeyHSD標(biāo)注差異顯著性;用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)研究不同林分類型和土壤深度對土壤理化性質(zhì)的影響;對飽和導(dǎo)水率和土壤理化性質(zhì)進行相關(guān)性分析和顯著性檢驗,并對所得矩陣按方差最大法旋轉(zhuǎn),用主成分法進行因子分析(R語言軟件對數(shù)據(jù)矩陣已做標(biāo)準(zhǔn)化處理),通過方差貢獻率劃出公共因子,在了解每個公共因子的具體含義后,采用回歸估計法計算樣本的綜合得分[19]。土壤理化性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進行相關(guān)性分析和因子分析時,均使用各參數(shù)指標(biāo)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同林分土壤飽和導(dǎo)水率特征

圖2是包括非林地在內(nèi)9種樣地(側(cè)柏純林、油松純林、側(cè)柏×山杏混交林、油松×山杏混交林、側(cè)柏×油松混交林、側(cè)柏成林、油松成林、山杏成林、荒草地)不同土層深度的土壤飽和導(dǎo)水率。首先從整體土壤分層來看,越深層的土壤,飽和導(dǎo)水率越小。0—20cm土層的飽和導(dǎo)水率是40—60cm土層的2.77—17.36倍。這是因為0—20cm土層有機質(zhì)含量高,土壤通透性好,隨著土壤深度的增加,土壤結(jié)構(gòu)較為緊實,總孔隙度逐漸減小,導(dǎo)致較深層次土壤的通氣透水能力較差[20]?？梢酝茢?植被對表層土壤通透性的改善大于深層土壤。

圖2 不同林分土壤飽和導(dǎo)水率Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity of different stands

按土層深度分析每一層不同林分的飽和導(dǎo)水率,由于林分整體的土壤通透性受飽和導(dǎo)水率數(shù)值最小的土層的影響,所以將40—60cm土層作為代表進行分析。在40—60cm土層,飽和導(dǎo)水率的范圍為0.02—1.98 mm/min,山杏成林的Kfs(1.98 mm/min)>油松成林的Kfs(1.2 mm/min)>側(cè)柏×山杏混交林的Kfs(0.91 mm/min)>油松×山杏混交林的Kfs(0.40 mm/min)>側(cè)柏成林的Kfs(0.26 mm/min)>側(cè)柏×油松混交林的Kfs(0.22 mm/min)>油松純林的Kfs(0.14 mm/min)>側(cè)柏純林的Kfs(0.11 mm/min)>荒草地的Kfs(0.02 mm/min)?？傮w可以看出,在生態(tài)水源保護林中,混交林的飽和導(dǎo)水率>純林的飽和導(dǎo)水率,混交林之間的飽和導(dǎo)水率相差不大,其中側(cè)柏×山杏混交林的飽和導(dǎo)水率最高。生態(tài)水源保護林與成林對比可知,混交林的飽和導(dǎo)水率已接近側(cè)柏成林,在40—60cm土層,側(cè)柏×山杏混交林和油松×山杏混交林的飽和導(dǎo)水率要大于側(cè)柏成林,側(cè)柏×山杏混交林的飽和導(dǎo)水率接近于油松成林。這是由于側(cè)柏屬于淺根性樹種,根系水平分布。在40—60cm土層,生長快、深根性的山杏根系更發(fā)達,因此與山杏混交的林分對土壤滲透性的改善能力更好。其次,生態(tài)水源保護林的飽和導(dǎo)水率遠遠大于非林地,說明生態(tài)水源保護林確實改良了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤通透性,目前水源保護林造林頗具成效。

2.2 土壤理化性質(zhì)對飽和導(dǎo)水率的影響

表3是9種樣地的雙因素重復(fù)測量方差分析結(jié)果,由結(jié)果可知,林分類型對飽和導(dǎo)水率、砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、飽和含水量、容重和有機質(zhì)含量均有極顯著影響,土壤深度對飽和導(dǎo)水率、粘粒含量、飽和含水量、容重和有機質(zhì)含量有極顯著影響,林分類型和土壤深度的交互作用對飽和導(dǎo)水率、粘粒含量、飽和含水量和有機質(zhì)含量有極顯著影響,對粉粒含量有顯著影響。這表明林分類型對土壤理化性質(zhì)的改變有顯著作用,一方面植被類型不同其根系結(jié)構(gòu)不同,根系通過穿插和根際生物活動改變了土壤團粒結(jié)構(gòu)和孔隙性;另一方面,林分樹種組成不同造成了林下動植物殘體和微生物分解后進入土壤中養(yǎng)分的差異。此外,隨著土壤深度增加,土壤理化性質(zhì)也會改變。土壤深度對粘粒含量有影響,而對砂礫含量與粉粒含量影響不明顯,說明同一林分土壤質(zhì)地有相對的穩(wěn)定性。

表3 不同林分土壤理化性質(zhì)雙因素重復(fù)測量方差分析

**表示在0.01水平上顯著相關(guān);*表示在0.05水平上顯著相關(guān)

以上土壤理化性質(zhì)的改變都可能造成飽和導(dǎo)水率的差異,為進一步探明土壤理化性質(zhì)中對飽和導(dǎo)水率起主導(dǎo)作用的因素,本文選取了土壤砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、飽和含水量、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有機質(zhì)含量8個與土壤飽和導(dǎo)水率有關(guān)的土壤理化性質(zhì)作為變量進行研究。首先用R語言統(tǒng)計軟件進行相關(guān)分析與顯著性檢驗,結(jié)果如表4,8個變量與飽和導(dǎo)水率的相關(guān)系數(shù)絕對值排序為：有機質(zhì)含量>飽和含水量>容重>非毛管孔隙度>粉粒含量>毛管孔隙度>粘粒含量>砂粒含量,飽和導(dǎo)水率與容重和粘粒含量成負相關(guān)關(guān)系,與其他變量成正相關(guān)關(guān)系,且飽和導(dǎo)水率與有機質(zhì)含量、飽和含水量和容重表現(xiàn)為極顯著相關(guān)關(guān)系。這與目前大部分研究結(jié)果一致[21- 22],一般而言粘粒含量越高的土壤孔隙越小[23],滲透能力越低。

表4 飽和導(dǎo)水率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析(n=243)

**表示在0.01水平上顯著相關(guān);*表示在0.05水平上顯著相關(guān)

表5 土壤理化性質(zhì)對飽和導(dǎo)水率影響的因子分析

相關(guān)性分析表明的是簡單自變量之間的相互關(guān)系,受因子間相互影響的作用,單純以相關(guān)系數(shù)往往不能正確反映它們之間的真正關(guān)系。因子分析是一種把多個變量化為少數(shù)幾個綜合變量的多變量分析方法,用有限個不可觀測的隱變量來解釋原始變量之間的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)分析中各變量間表現(xiàn)出較好的相關(guān)性是進行因子分析的前提,由表4可知,原變量適合進行因子分析。表5是將變量按方差最大法旋轉(zhuǎn)后,通過分析方差貢獻率劃出公共因子,并且計算各個變量在公因子中的負荷,得出每個變量在不同公因子中的作用大小。由旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣可以看出,公因子1的特征值為2.86,占全部方差的35.73%,公因子1在飽和含水量、容重和有機質(zhì)含量上的載荷值都很大,可視為反映土壤孔性的公共因子,其中以飽和含水量影響最大,容重次之;公因子2的特征值為2.31,占全部方差的28.83%,公因子2在砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量上的載荷值很大,可視為反映土壤質(zhì)地的因子;公因子3的特征值為1.58,占全部方差的19.71%,公因子3在非毛管孔隙度和毛管孔隙度上的載荷值很大,其對土壤飽和導(dǎo)水率的影響不大,可以忽略不計。前3個公因子累計方差貢獻率為84.27%,能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。飽和含水量反映了土壤總孔隙度和持水特性,容重反映了自然土壤孔隙性,有機質(zhì)含量促進了土壤結(jié)構(gòu)形成?？偪紫抖却?大小孔隙分配適當(dāng),團粒之間排列疏松,則土壤通透性好。因此飽和含水量、容重和有機質(zhì)含量是影響飽和導(dǎo)水率的最主要因素。土壤質(zhì)地主要是單個土粒的數(shù)量和級別分析,且變化速度緩慢,主要通過粘粒含量影響土壤孔隙,因此間接影響了飽和導(dǎo)水率。非毛管孔隙度和毛管孔隙度對飽和導(dǎo)水率影響較弱,可能是由于本區(qū)域的土壤質(zhì)地為砂壤土,持水孔隙不足,不同林分毛管孔隙占土壤體積的比例相差不大。

2.3 不同林分土壤通透性綜合評價

因子分析模型建立后,還有一個重要的作用是應(yīng)用因子分析模型去評價每個樣本在整個模型中的地位,即進行綜合評價。本文采用定水頭法測定土壤飽和導(dǎo)水率,但是野外取樣時不同測量點的測量結(jié)果會有差異,并且較大空間尺度上需要采集大量樣本。由于直接測量方法費時費力,國內(nèi)外眾多學(xué)者通過土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)間接獲取土壤水力參數(shù),即用土壤理化性質(zhì)參數(shù)來構(gòu)建估算土壤水力學(xué)參數(shù)。由此得到啟發(fā),評價不同林分土壤通透性可以利用因子分析模型中的因子得分排名,即以各因子的方差貢獻率為權(quán),由各因子的線性組合得到綜合評價指標(biāo)函數(shù)并計算綜合得分,根據(jù)得分排序得到不同林分土壤通透性高低的排名。結(jié)果如表6,可以得出生態(tài)水源保護林中土壤通透性的排序為：側(cè)柏×山杏混交林>油松×山杏混交林>側(cè)柏×油松混交林>油松純林>側(cè)柏純林,其中側(cè)柏×山杏混交林的土壤通透性要好于油松成林。

表6 不同林分土壤通透性綜合評價得分

3 結(jié)論

(1)土壤飽和導(dǎo)水率隨土層深度增加而減小,植被對表層土壤通透性的改善大于深層土壤。水源保護林中混交林的飽和導(dǎo)水率大于純林接近于成林,待水源保護林完全郁閉時會發(fā)揮比成林更好的水源涵養(yǎng)效果。與非林地對比可知,目前水源保護林對土壤通透性的改善優(yōu)勢明顯,造林頗具成效。

(2)林分類型對土壤理化性質(zhì)的改變有顯著作用,這是由于林分組成不同造成根系結(jié)構(gòu)、林下動植物殘體和微生物不同,進而導(dǎo)致了土壤團粒結(jié)構(gòu)、孔隙性和土壤養(yǎng)分的差異。土壤理化性質(zhì)中影響飽和導(dǎo)水率最主要的因素為飽和含水量、容重和有機質(zhì)含量;次重要因子為土壤砂粒、粉粒和粘粒含量,土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度對本區(qū)域飽和導(dǎo)水率影響不大。飽和導(dǎo)水率是評價水源保護林功能的重要指標(biāo),要從土壤方面提高林分的水源涵養(yǎng)能力,需要對其主要影響因子進行改良,通過深根性樹種和淺根性樹種搭配,提高根系對土壤空間的利用,從而改變土壤孔性;通過提高林分物種多樣性增加土壤有機質(zhì)含量來改善土壤結(jié)構(gòu)。

(3)從綜合因子得分排名來看,以側(cè)柏×山杏混交林的土壤通透性最好,油松×山杏混交林次之。為了恢復(fù)永定河流域的生態(tài)系統(tǒng),在源頭涵養(yǎng)水源,增加官廳水庫的流量,為永定河提供補給,日后京冀生態(tài)水源保護林工程可優(yōu)先考慮種植針闊混交林,尤其是側(cè)柏×山杏混交林。

(4)由于實驗條件和工程區(qū)所在位置的限制,本論文尚存在不足之處。在今后的研究中應(yīng)考慮年內(nèi)季節(jié)和年際變化對飽和導(dǎo)水率的影響,選取更大尺度的區(qū)域進行研究,使結(jié)論更具有信服力。