黃土高原不同植被類型土壤入滲特征研究

魏瑤瑤，王 俊，張永旺，2*，鄭 恩，楊敏拓，王欣泉

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；2.陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延安大學(xué))，陜西 延安 716000)

土壤水分入滲是指雨水由地表滲入地下，繼而形成土壤水的過程。土壤入滲性能是土壤主要的物理性質(zhì)之一，在降水、地表水、土壤水以及地下水的轉(zhuǎn)化過程中擔(dān)當(dāng)重要角色，是降雨后水分循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，有效地反映了林分涵養(yǎng)水源的能力[1，2]，因此，研究土壤入滲性能在區(qū)域土壤侵蝕防治以及水土保持措施制定等方面有重要意義。土壤的入滲性能越好，相應(yīng)地表徑流量越少，產(chǎn)生土壤侵蝕的可能性越小[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]。

黃土高原是我國乃至世界上生態(tài)環(huán)境最敏感的地區(qū)，造成這一問題的主要原因是嚴(yán)重的水土流失。而造成水土流失最為嚴(yán)重的原因是植被的大面積退化以及長期不合理的土地利用。因此，退耕植樹造林是黃土高原改善生態(tài)環(huán)境最主要的措施，植被通過枯枝落葉分解形成的有機(jī)質(zhì)能很好的改善土壤狀況，根系間也會(huì)產(chǎn)生很多孔隙可以吸收存儲(chǔ)水分，提高土壤滲透性能[6]。已有研究表明植被恢復(fù)對土壤水分入滲有很大影響[7]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對土壤入滲進(jìn)行了大量研究，主要集中在降雨[8]、植被[9，10]、土壤條件[11]、土地利用方式[12]等方面對土壤入滲性能的影響。但關(guān)于黃土高原中部子午嶺地段不同植被類型下土壤入滲特征的研究還鮮未可見，因此，本文研究了子午嶺6種常見的植被類型下土壤入滲特征及其影響因素，以探討該地區(qū)的土壤入滲機(jī)制，為該區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省慶陽市合水縣子午嶺地段連家砭林場，地理坐標(biāo)為108°10′-109°18′E，35°03′-36°37N′。是典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年均降雨量587 mm，主要集中在6-9月份，年平均溫度10℃，無霜期112～140 d。土壤為原生或次生黃土，土壤pH介于7.92與8.31之間。該區(qū)森林的主要自然植被為針葉林和闊葉林，在子午嶺林區(qū)，山楊(PopulusdavidianaDode)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)為主要先鋒樹種；狼牙刺(Sophoradavidii(Franch.)Skeels)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、黃刺玫(RosaxanthinaLindl)等為主要的灌木樹種；白羊草(Bothriochloaischaemun(Linn.)Keng)、苔草(CarexlanceolataBoott)、長芒草(StipabungeanaTrin)等為主要的草本植物。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

對黃土高原子午嶺地區(qū)林地類型通過查閱文獻(xiàn)與實(shí)地考察確定了以下6種可作為當(dāng)?shù)氐湫腿郝浯聿⒁源藶檠芯繉ο螅汉ψ尤郝?、白羊草群落、沙棘林群落、山楊林群落、山楊與遼東櫟混交林和遼東櫟林群落調(diào)查樣地基本信息(表1)。在每個(gè)群落設(shè)樣方5個(gè)，設(shè)喬木樣方為20 m×20 m，灌木樣方為5 m×5 m，草地樣方為2 m×2 m，共設(shè)樣方30個(gè)。本研究的野外調(diào)查和取樣的時(shí)間為2020年7月到8月。在每個(gè)樣地選擇5個(gè)取樣點(diǎn)，每樣點(diǎn)5個(gè)重復(fù)，用規(guī)格100 cm3的環(huán)刀取0～50 cm剖面的原狀土(每10 cm取一次樣)測定土壤容重、毛管孔隙度和入滲速率，同時(shí)每層用鋁盒采適量土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤含水率[13]。

表1 樣地基本信息

2.2 入滲試驗(yàn)方法

采用環(huán)刀法[14]進(jìn)行入滲量的測定，再將各時(shí)間段的入滲量帶入公式得出相應(yīng)入滲速率。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2010軟件對測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析及作圖，利用SPSS22.0軟件進(jìn)行土壤入滲特性與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤含水率、容重和毛管孔隙度

土壤容重是指在自然狀況下單位容積土體的質(zhì)量，可以反映土壤通氣性和透水性[15]。通過表2可以看出，在植被生長過程中，土壤物理性質(zhì)呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。土壤容重大體趨勢上隨著土層加深而增大，其中胡枝子群落土壤容重最大，為1.3 g/cm3；其次為白羊草群落，為1.23 g/cm3；再次為遼東櫟林和沙棘林，為1.17 g/cm3；山楊和遼東櫟混交林土壤容重最小，為1.08 g/cm3。同一地區(qū)由于植被類型不同，地表枯落物類型及覆蓋程度不相同，土壤有機(jī)質(zhì)含量以及根系發(fā)育狀況也不同，使得土壤容重差異顯著。

土壤水分是影響植被生長的重要因素之一，土壤含水率是指單位體積內(nèi)土壤絕對含水量。觀察表2可知，除表層土壤外，土壤含水率均隨土層加深而增大，其中土壤含水率最大的是山楊林群落，其次分別為白羊草群落、胡枝子群落、遼東櫟林群落、沙棘林群落，土壤含水率最小的是山楊遼東櫟混交林群落。同一地區(qū)降雨量相同，但不同植被類型植被生長狀況存在差異，土壤性質(zhì)有所不同，使得土壤含水率存在一定差異。

土壤毛管孔隙度主要反映植物吸持水分供其正常生理活動(dòng)的能力[16]。由表2可知，土壤毛管孔隙度隨土層加深沒有普遍規(guī)律。其中山楊林群落毛管孔隙度最大，其次為沙棘林、胡枝子、遼東櫟林、山楊遼東櫟混交林群落，毛管孔隙度最小的是白羊草群落。由于不同植被類型覆蓋下土壤顆粒組成不同，使得毛管孔隙度存在一定差異。

表2 不同植被類型土壤物理性質(zhì)

綜上可知，山楊林群落土壤容重最小，含水量最大，毛管孔隙度也較大，說明山楊林土壤質(zhì)地疏松，含水量豐富，土壤性質(zhì)最佳。

3.2 不同植被類型土壤入滲性能

3.2.1 不同植被類型土壤入滲過程

土壤入滲過程是水分在自身重力與引力的雙重因素的影響下從地表到土壤的連續(xù)過程，既是了解土壤水分運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，也是考察其入滲性能必不可少的條件[17]。由圖1可知，不同植被類型土壤入滲的變化曲線基本類似，土壤入滲過程可以分為三個(gè)階段：入滲速率瞬變階段、漸變階段、穩(wěn)定階段[18，19]。(1)入滲速率瞬變階段(0～4 min)，土壤滲透速率變化極大，主要是由于入滲初始是土壤浸潤階段，水分在重力因素影響下形成水壓，使下滲鋒面快速延伸，入滲速率迅速下降。不同植被類型滲透速率為：山楊林>白羊草>遼東櫟>山楊遼東櫟混交林>胡枝子>沙棘，初滲速率依次為：10.60、8.57、7.16、5.30、3.98、3.60 mm/min；(2)漸變階段(5～50 min)，此階段為毛管孔隙填充過程，滲透速率持續(xù)降低，但降幅在緩慢減小，至20 min開始，遼東櫟林與山楊遼東櫟混交林入滲速率基本一致；(3)穩(wěn)定階段(51～66 min)，此時(shí)土壤孔隙中水分已經(jīng)達(dá)到飽和，各樣地土壤入滲速率基本趨于恒定，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)。6種植被土壤穩(wěn)滲速率為：山楊林>白羊草>山楊遼東櫟混交林>遼東櫟>沙棘>胡枝子，值為：6.45、5.35、3.99、3.72、3.38、2.34 mm/min。

圖1 不同植被類型土壤入滲速率

3.2.2 不同植被類型土壤入滲指標(biāo)

初滲速率和穩(wěn)滲速率是探究土壤入滲性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。6種不同植被類型的土壤入滲指標(biāo)如表3所示，植被類型不同入滲速率有一定差異，胡枝子、白羊草、遼東櫟、山楊、沙棘、山楊遼東櫟混交林的初滲速率依次為：3.98、8.57、7.16、10.61、3.59、5.30 mm/min，穩(wěn)滲速率依次為：2.34、5.35、3.72、6.45、3.38、3.99 mm/min?？煽闯龀鯘B速率在3.59～10.61 mm/min之間，穩(wěn)滲速率在2.34～6.45 mm/min之間，其中山楊林群落的初滲速率和穩(wěn)滲速率最高，沙棘林群落的初滲速率最低，胡枝子群落的穩(wěn)滲速率最低。在6種不同植被類型中，白羊草群落、遼東櫟群落和山楊遼東櫟混交林群落的初滲速率和穩(wěn)滲速率顯著相關(guān)，其余群落不顯著。累積入滲量的范圍在4157.8～10794.6 mm之間，山楊林群落的累積入滲量最高，胡枝子群落的累積入滲量最低。穩(wěn)滲時(shí)間40～60 min。分析不同植被類型的土壤入滲指標(biāo)，不難得出山楊林群落的土壤入滲性能最好，這與上述土壤物理性質(zhì)分析得出的結(jié)論相同。

表3 不同植被類型土壤入滲特征指標(biāo)

3.3 土壤物理性質(zhì)土壤入滲的相關(guān)分析

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、土壤有機(jī)質(zhì)含量等[20]。由表4知，土壤容重與入滲速率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與穩(wěn)滲時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)不顯著，與累積入滲量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)橥寥廊葜卦酱?，土壤密度越大，土壤質(zhì)地越堅(jiān)實(shí)，通氣性越差，滲透性越弱，相反容重越小，滲透性越好。土壤含水率與初滲速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，即含水率越大，初滲速率越小。眾所周知，對土壤入滲產(chǎn)生重要影響的因素是土壤水勢梯度和水力傳導(dǎo)度，而土壤含水量與入滲水流濕潤區(qū)的平均勢梯度有相關(guān)性[14]。隨著土壤含水量的增大，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。但是穩(wěn)滲速率與土壤含水量的關(guān)系沒有初滲速率顯著，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)滲速率時(shí)，土壤中的含水量已飽和，入滲速率基本達(dá)到穩(wěn)定。含水率與累積入滲量呈極顯著正相關(guān)，含水率越高累積入滲量越大。毛管孔隙度與入滲速率均呈顯著負(fù)相關(guān)，且初始入滲速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，即毛管孔隙度越大入滲速率越小。這是因?yàn)槊芸紫抖仍酱?，土壤間孔徑越小，土壤保水性越強(qiáng)，水分入滲越緩慢。累積入滲量與毛管孔隙度也呈顯著負(fù)相關(guān)，毛管孔隙度越大累積入滲量越小。穩(wěn)滲時(shí)間與含水率、毛管孔隙度均呈不顯著負(fù)相關(guān)。

表4 土壤入滲指標(biāo)與土壤物理性質(zhì)相關(guān)分析

4 結(jié)論

(1)本文通過測定了黃土高原子午嶺地區(qū)6種不同植被類型的土壤物理性質(zhì)得知，土壤容重大體趨勢上隨著土層加深而增大，其中山楊林和山楊遼東櫟混交林的土壤容重最??；除表層土壤外，土壤含水率均隨土層加深而增大，其中土壤含水率最大的是山楊林；土壤毛管孔隙度隨土層加深沒有普遍規(guī)律，其中山楊林毛管孔隙度最大。綜上可知，山楊林土壤容重最小，含水率最大，毛管孔隙度也較大，說明山楊林土壤質(zhì)地疏松，含水量豐富，土壤物理性質(zhì)最佳。

(2)6種不同植被類型的土壤入滲研究結(jié)果顯示，不同植被類型土壤入滲的變化曲線基本類似，但由于植被類型不同，土壤物理性質(zhì)有所不同，致使入滲速率存在一定差異，其中山楊林的初滲速率、穩(wěn)滲速率、累積入滲量均最大，穩(wěn)滲時(shí)間較長，土壤入滲性能是6個(gè)樣地中最好的，涵養(yǎng)水源的能力也最好。

(3)通過對不同植被類型土壤入滲指標(biāo)與土壤物理性質(zhì)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度與入滲速率均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度與入滲速率均密切相關(guān)。

本研究綜合以上結(jié)果可知，在黃土高原子午嶺地區(qū)山楊林群落的土壤物理性質(zhì)、土壤入滲性能均最好，林分涵養(yǎng)水源的能力最佳，可以作為該區(qū)改善生態(tài)環(huán)境的主要保護(hù)樹種，并且可以通過改善土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度等物理性質(zhì)來改善該區(qū)的土壤質(zhì)地，以進(jìn)一步提高土壤含蓄水分的能力，以加強(qiáng)子午嶺林區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)。