潮河源頭不同水源涵養(yǎng)林的土壤飽和導(dǎo)水率

尹 釗, 公 博, 師 忱, 史常青

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

土壤飽和導(dǎo)水率(saturated hydraulic conductivity，Ks)是土壤達(dá)到飽和時(shí)，單位水勢梯度下，通過單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]。它是表征土壤入滲能力的重要參數(shù)，反映土壤涵養(yǎng)水源和抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[2-3]，它不僅能反映地表積水或地表徑流在重力作用下的下滲狀況，還能反映多孔介質(zhì)對(duì)水體流動(dòng)過程中的阻礙作用[4-5]。土壤入滲能力與土壤理化性質(zhì)、初始含水量、地形狀況以及下墊面因素有著密切的聯(lián)系，這種飽和水流在土壤中的運(yùn)動(dòng)能力往往制約地表徑流的產(chǎn)生和發(fā)展[6]。

目前，許多學(xué)者都對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素和空間變異性做了大量的研究[7-9]。甘淼等[10]認(rèn)為黃土區(qū)坡溝系統(tǒng)密度和土壤飽和導(dǎo)水率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。孟晨等[11]研究并分析了鷲峰地區(qū)不同植被群落間土壤飽和導(dǎo)水率的特征。遲春明等[12]研究認(rèn)為土壤飽和導(dǎo)水率與有機(jī)質(zhì)含量極顯著負(fù)相關(guān)，與砂粒和粉粒含量分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。王子龍等[13]研究認(rèn)為退耕草地土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素主要有有機(jī)質(zhì)含量、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤密度和土壤機(jī)械組成等。梁向峰等[14]認(rèn)為子午嶺林區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率的主要影響因素是土壤密度、毛管孔隙度、>0.25 mm團(tuán)聚體含量和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。于冬雪等[15]認(rèn)為影響黃土區(qū)20～40 cm土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素是土壤黏粒含量、砂粒含量、密度、飽和含水量和土地利用。一些非飽和導(dǎo)水率的推測模型也需要事先測定飽和導(dǎo)水率進(jìn)行相關(guān)研究[16-18]。這些研究分析了不同地區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素，或僅通過相關(guān)分析得出土壤飽和導(dǎo)水率與土壤理化性質(zhì)的簡單關(guān)系，很少研究影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素。本試驗(yàn)選取土壤密度、有機(jī)質(zhì)、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤機(jī)械組成(黏粒、粉粒、砂粒)等7個(gè)土壤理化指標(biāo)作為分析對(duì)象，綜合分析土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素，篩選影響本地區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子，揭示水源涵養(yǎng)林不同林分類型對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響規(guī)律。

密云水庫是首都北京最大的飲用水源供應(yīng)地，而潮河是密云水庫的兩大入庫河流之一，但近些年來，潮河上游水源地多次出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。潮河發(fā)源于河北省豐寧縣境內(nèi)，經(jīng)灤平、古北口入北京市密云縣境，匯入密云水庫。為了增強(qiáng)潮河源頭的水源涵養(yǎng)能力，近幾年在豐寧縣境內(nèi)實(shí)施了大量植樹造林工程，旨在增強(qiáng)潮河源頭的水源涵養(yǎng)林能力，其中，京冀生態(tài)水源保護(hù)林工程是北京市、河北省政府為提高林地涵養(yǎng)水源能力，緩解首都水資源供需矛盾而啟動(dòng)的建設(shè)合作項(xiàng)目。水源涵養(yǎng)林栽植的主要目的在于保持水土和涵養(yǎng)水源，促進(jìn)地表降雨入滲進(jìn)入土壤，從而增大土壤的儲(chǔ)水量，而土壤飽和導(dǎo)水率是進(jìn)行地表徑流調(diào)節(jié)和水土流失防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，能夠在一定程度上科學(xué)評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)林的造林成效。目前，對(duì)于潮河源頭天然林和人工林林地研究已經(jīng)取得不少成果，但是還沒有當(dāng)?shù)氐湫腿斯ち滞寥里柡蛯?dǎo)水率的相關(guān)研究。筆者以豐寧縣境內(nèi)潮河源頭的水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)目前水源保護(hù)林的造林成效，研究分析不同水源涵養(yǎng)林的土壤飽和導(dǎo)水率特征以及影響土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子，為深入研究該地區(qū)林地土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供依據(jù)，也為京冀生態(tài)水源保護(hù)林建設(shè)合作提供更多的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省豐寧縣境內(nèi)的潮河源頭(E 116°15′～116°48′，N 41°21′～41°31′)，屬于冀北山地地貌類型。該地全年日照時(shí)間為2 826 h，年平均氣溫在6.6～8 ℃之間，無霜期為110～142 d，年平均降水量350～550 mm。該地區(qū)成土母質(zhì)以花崗巖、片麻巖和風(fēng)積沙為主，主要土壤類型為褐土和棕壤土。研究區(qū)的喬木樹種主要有油松(Pinustabuliformis)、落葉松(Larixgmelinii)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)；灌木物種主要有榛子(Corylusheterophylla)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)等；草本植物則以禾本科雜草為主。

2 研究方法

2.1 供試土壤與樣品采集

試驗(yàn)于2018年7—10月完成。在保證所選樣地立地條件基本一致的前提下，選取試驗(yàn)區(qū)5種生態(tài)水源保護(hù)林典型林分(油松×山杏混交林、側(cè)柏×山杏混交林、落葉松×油松混交林、油松純林、側(cè)柏純林)作為研究樣地，選取撂荒地為非林地對(duì)比。

在每種典型林地內(nèi)布設(shè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在樣地內(nèi)按照隨機(jī)分布和均勻布點(diǎn)的原則布設(shè)3個(gè)樣方進(jìn)行植被調(diào)查和土壤采集，其中喬木樣方20 m×20 m，灌木樣方5 m×5 m，草本樣方1 m×1 m，樣地基本情況見表1。每個(gè)樣方的采樣深度分3層(0～20、20～40、40～60 cm),每層取土樣2～3 kg，同時(shí)采用100 cm3的環(huán)刀在每一層取3個(gè)樣品，本次試驗(yàn)共采集原狀環(huán)刀土樣162個(gè)，環(huán)刀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室立即測定。采集的土樣在室內(nèi)進(jìn)行測定，土壤密度、孔隙度等用環(huán)刀法測定；土壤機(jī)械組成利用土壤粒徑分析儀測定砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)3個(gè)粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)[19]。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法測定[20]。

表1 樣地基本情況

2.2 土壤飽和導(dǎo)水率測定

土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測定各土層的飽和導(dǎo)水率。定水頭法是在測定過程中維持進(jìn)口端土層水頭不變的情況下測定土壤飽和導(dǎo)水率的方法[11]。

(1)

式中：Kt為溫度為t時(shí)的飽和導(dǎo)水率，mm/min；H為進(jìn)口端水頭，cm；V為水分出水量，mL；T為水分出流時(shí)間，min；L為土柱長度，cm；A為土柱橫截面積，cm2。

由于溫度對(duì)飽和導(dǎo)水率有影響，所以必須通過計(jì)算進(jìn)行校正，按式(1)換算成10 ℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率[12]：

(2)

式中K10為溫度為10 ℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率，mm/min。

數(shù)據(jù)采用(LSD)檢驗(yàn)，大小寫字母分別表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)。The data is checked by LSD. Upper and lower case letters indicate that the difference is extremely significant (P<0.01) and significant (P<0.05). 圖1 不同林分土壤飽和導(dǎo)水率特征Fig.1 Characteristics of soil saturated hydraulic conductivity in different forests

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 20.0軟件通過單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)不同水源林同一土層平均土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并在差異顯著性時(shí)進(jìn)行多重比較(P<0.05，LSD，t檢驗(yàn))。利用Origin 9.0軟件對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率與土壤理化性質(zhì)之間進(jìn)行回歸擬合；采用主成分分析法篩選影響土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水源林土壤飽和導(dǎo)水率差異

圖1是各林地、撂荒地不同土層深度的土壤飽和導(dǎo)水率，各林地土壤飽和導(dǎo)水率Ks隨著土壤深度的增加逐漸降低。0～20 cm土層的Ks是40～60 cm土層的2.4～4.3倍。在不同林地同一深度水平下，水源涵養(yǎng)林的Ks均大于撂荒地。其中，油松×山杏混交林、側(cè)柏×山杏混交林在0～20 cm土層的Ks分別達(dá)到1.808、1.715 mm/min，油松純林、側(cè)柏純林的Ks只有1.292、0.685 mm/min，表層土壤中Ks具體表現(xiàn)為針闊混交林>針葉混交林>針葉純林>撂荒地。在20～40 cm土層中，Ks的變化范圍為0.34～1.36 mm/min；在40～60 cm土層中，Ks的變化范圍為0.186～0.531 mm/min。不同林地平均Ks的大小為：油松×山杏混交林>側(cè)柏×山杏混交林>落葉松×油松混交林>油松純林>側(cè)柏純林>撂荒地。

各林分類型同一土層土壤飽和導(dǎo)水率之間的多重比較如圖1所示，可見在0～20 cm土層中，針闊混交林相對(duì)于針葉混交林、針葉純林呈極顯著差異，有林地相對(duì)于撂荒地之間呈極顯著差異；在20～40 cm土層中，側(cè)柏×山杏混交林相對(duì)與其他水源涵養(yǎng)林林分呈極顯著差異；在40～60 cm土層中，各水源林類型之間的差異并不顯著；在林地平均土壤飽和導(dǎo)水率中，林地相對(duì)于撂荒地的土壤飽和導(dǎo)水率呈顯著差異，針葉混交林相對(duì)于撂荒地呈極顯著差異，針闊混交林相對(duì)于其他林分類型呈極顯著差異。

3.2 土壤理化性質(zhì)與飽和導(dǎo)水率之間的關(guān)系

土壤理化性質(zhì)是土壤研究中非常重要的影響因素，不僅可以評(píng)價(jià)土壤質(zhì)地的養(yǎng)分特征，還能夠?qū)ν寥里柡蛯?dǎo)水率產(chǎn)生影響。各林地和撂荒地的土壤理化性質(zhì)見表2。從整體來看，各林分類型隨著土壤深度的增加，土壤密度逐漸增大。在所調(diào)查的林地和撂荒地中，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土壤深度的增加逐漸降低。油松×山杏混交林、側(cè)柏×山杏混交林的土壤毛管孔隙度在各林分類型中相對(duì)較高。油松×山杏混交林黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，撂荒地黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。表層土壤中砂粒較黏粒、粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，隨著土層深度的增加，黏粒和粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。

表2 不同林地土壤理化性質(zhì)特征

本試驗(yàn)中7種土壤理化指標(biāo)與Ks之間的關(guān)系如圖2所示，土壤密度與Ks呈指數(shù)函數(shù)遞減，決定系數(shù)為0.942；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Ks呈線性正相關(guān)，決定系數(shù)為0.741；土壤總孔隙度與Ks呈冪函數(shù)遞增，決定系數(shù)為0.51；土壤毛管孔隙度與Ks呈冪函數(shù)關(guān)系遞增，決定系數(shù)為0.815；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Ks呈指數(shù)函數(shù)遞增，決定系數(shù)為0.877；粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Ks呈冪函數(shù)遞增，決定系數(shù)為0.60；砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與飽和導(dǎo)水率呈冪函數(shù)遞增，決定系數(shù)為0.546。

3.3 影響土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子分析

相關(guān)分析中各變量間表現(xiàn)較好的相關(guān)性是進(jìn)行因子分析的前提。但是相關(guān)性分析不能完全反應(yīng)各個(gè)因子之間的關(guān)系，而因子分析可以解釋原始變量之間的關(guān)系。

由表3可見，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到88.83%，因此，可以綜合反映影響Ks的主導(dǎo)因子。其中，第1主成分特征值為3.878，對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為63.40%，即第1主成分可以解釋土壤理化性質(zhì)對(duì)Ks的影響的63.40%的情況。在第1主成分中，土壤密度、毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)負(fù)荷值明顯高于其他物理因子，說明這3種影響因子在第1主成分中占主要因素。第2主成分的特征值為2.041，方差的貢獻(xiàn)率為15.16%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的負(fù)荷值明顯高于其他物理因子，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占主要因素。

圖2 土壤飽和導(dǎo)水率與土壤理化因子函數(shù)擬合Fig.2 Fitting of soil saturated hydraulic conductivity with soil physical and chemical factors

表3 土壤理化性質(zhì)對(duì)飽和導(dǎo)水率影響的因子分析

第3主成分因子的特征值為0.929，方差貢獻(xiàn)率為10.27%，在第三主成分中總孔隙度、粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)所占負(fù)荷較高，由于方差累計(jì)貢獻(xiàn)率較低，所以對(duì)Ks的影響作用并不顯著。

4 討論

本試驗(yàn)中，土壤密度與Ks呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著土壤密度的增加，Ks率逐漸減小，這與梁向峰等[14]的研究結(jié)論一致，也有學(xué)者的研究表明Ks與密度呈顯著的一元二次多項(xiàng)式負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]，土壤密度反映了土壤堅(jiān)實(shí)度和孔隙度的大小，對(duì)土壤的通透性、滲透性、持水能力以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響[22]，土壤密度通過影響土壤的通透性間接影響土壤飽和導(dǎo)水率；土壤有機(jī)質(zhì)含量與Ks呈線性相關(guān)，這與劉宇等[23]的研究結(jié)論相似，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定作用的核心物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)對(duì)Ks的影響是通過改善土壤結(jié)構(gòu)、膠體狀況進(jìn)而起到調(diào)節(jié)水分的作用[24]；土壤毛管孔隙度也是影響Ks十分重要的一個(gè)物理量，水分通過土壤孔隙的過程中同時(shí)收到重力和毛管阻力的作用，當(dāng)水分的重力大于毛管阻力時(shí)，水分會(huì)向土壤入滲，而土壤孔隙越大，土壤顆粒之間的接觸就越松散，土壤毛管阻力越小[25]，所以，土壤孔隙度越大，土壤的通透性越強(qiáng)，土壤飽和導(dǎo)水率就越大；土壤中的黏粒、粉粒和砂粒反映的是土壤質(zhì)地狀況，土壤質(zhì)地的變化速度較慢。試驗(yàn)中，黏粒含量與Ks呈指數(shù)函數(shù)遞減，隨著黏粒含量的增加，土壤結(jié)構(gòu)更加緊密，Ks逐漸降低，并且降低趨勢逐漸減小，這與姚淑霞等[26]的研究結(jié)論近似；土壤中砂粒和粉粒含量越高，土壤孔隙越大，越有利于水分的入滲，但是也會(huì)加快土壤水分的蒸發(fā)。

試驗(yàn)中，土壤密度、毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)和黏粒含量為影響該地區(qū)林地土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素，這與劉宇等[23]研究影響晉西北丘陵區(qū)主要人工林土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素近似。此外，還有一些學(xué)者得出不同結(jié)論，姚淑霞等[26]認(rèn)為土壤硬度是影響科爾沁沙地土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素，科爾沁沙地和北方林地的土壤理化性質(zhì)差別較大，研究影響飽和導(dǎo)水率的因素也存在差異；孟晨等[11]在研究鷲峰地區(qū)不同植被群落土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率也有顯著影響，林分對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響需要較長時(shí)間才能顯現(xiàn)，考慮到研究地的林齡，沒有將土壤化學(xué)性質(zhì)納入本次研究范疇。

在5種水源涵養(yǎng)林林分類型中，油松×山杏混交林林地土壤Ks最高，這是因?yàn)樯叫幼鳛楫?dāng)?shù)刂饕炝謽浞N，滲透性好，涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)，這與公博等[27]的研究結(jié)論一致。齊特等[28]在研究冀北地區(qū)林地水源涵養(yǎng)能力時(shí)認(rèn)為山杏純林>油松×山杏混交林>油松純林，也在說明該地區(qū)山杏和油松具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)能力。水源涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱可能與植被根系有關(guān)，山杏屬于深根性樹種，生長快，根系發(fā)達(dá)，而油松屬于淺根性樹種，該類型混交林在改善林地土壤的通透性方面具有最優(yōu)效果。

5 結(jié)論

1)土壤理化性質(zhì)中，土壤密度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和毛管孔隙度是影響土壤飽和導(dǎo)水率最主要的因素，次重要因素是土壤黏粒含量，總孔隙度、粉粒含量和砂粒含量對(duì)土壤的影響不大。土壤飽和導(dǎo)水率與土壤密度、黏粒含量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與總孔隙度、毛管孔隙度、粉粒含量和砂粒含量呈冪函數(shù)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)含量呈線性關(guān)系。

2)土壤飽和導(dǎo)水率隨著土層深度的增加而降低，林分對(duì)于表層土壤的改良效果要好于深層土壤。與撂荒地相比，各林分的栽植對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的提高有明顯促進(jìn)作用，針闊混交林的提高作用大于針葉混交林，針葉混交林的提高作用大于針葉純林。

3)各林分土壤平均飽和導(dǎo)水率的大小為：油松×山杏混交林>側(cè)柏×山杏混交林>落葉松×油松混交林>油松純林>側(cè)柏純林>撂荒地。因此，為了恢復(fù)潮河源頭的生態(tài)系統(tǒng)，增加潮河的水流量，為密云水庫提供補(bǔ)給，今后京冀生態(tài)水源保護(hù)林工程建設(shè)中可優(yōu)選針闊混交林配置類型，尤其是油松×山杏混交林。