蘭州市南北兩山5種典型人工林土壤的滲透特性

劉小娥, 蘇世平, 李 毅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅, 蘭州 730070)

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，森林土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，該功能的85%以上由土壤層實(shí)現(xiàn)[1]。土壤滲透性是評(píng)價(jià)土壤入滲快慢的重要參數(shù)之一[2]，滲透性好，對(duì)降水及灌溉水的下滲速度和下滲量就多，可有效減少和減緩地表徑流。有研究表明，土壤滲透能力與土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)關(guān)系顯著或極顯著，與土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等化學(xué)性質(zhì)有直接或間接的關(guān)系[3]。也有研究表明，土壤滲透能力與林分立地條件和樹種組成以及土壤生物因子等有密切關(guān)系[4-6]。目前，有關(guān)不同立地、不同林分條件下土壤滲透能力的研究較多[1,4]，但所研究的林分林齡或立地條件不盡相同，可能不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)林分對(duì)土壤滲透特性的影響。因此，探討同一立地、相同起源條件下的同一林齡、不同樹種組成的林分土壤滲透能力，有助于揭示樹種對(duì)土壤改良的能力，可為特定區(qū)域人工林營(yíng)造時(shí)樹種選擇提供一定的理論依據(jù)。

甘肅省蘭州市南北兩山是蘭州市重要的生態(tài)屏障，由于地處黃土高原半干旱區(qū)，土壤貧瘠，保水能力差，導(dǎo)致植被天然恢復(fù)困難，在植被人工恢復(fù)過(guò)程中，大規(guī)模采用側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、新疆楊(Populusalbavarpyramidalis)作為該區(qū)域的主要造林樹種，所營(yíng)造的人工林在保持水土、涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著重要的作用。目前，對(duì)蘭州市南北兩山人工林的研究主要集中在樹種選擇[7-8]、群落結(jié)構(gòu)[9]、林分養(yǎng)分、水分、微生物等[10-11]方面，而對(duì)于土壤滲透性方面的研究?jī)H見對(duì)側(cè)柏林地土壤滲透性的研究[12]。因此，研究不同林分類型土壤滲透特性，揭示其滲透規(guī)律，探討影響林分滲透能力的主導(dǎo)因子，為該區(qū)域人工林營(yíng)建過(guò)程中樹種選擇及現(xiàn)有林分的撫育管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市南北兩山位于黃土高原丘陵區(qū)，年均降水量327.7 mm，年均蒸發(fā)量1 468 mm，年均氣溫9.1 ℃；氣候干旱，降水稀少，屬中溫帶半干旱區(qū)溫帶草原氣候[13]。南山東起榆中縣和平鎮(zhèn)營(yíng)盤水，西至西固區(qū)新城鄉(xiāng)新城橋，南至七里河區(qū)阿干鎮(zhèn)現(xiàn)子口；北山東起城關(guān)區(qū)青白石鄉(xiāng)張兒溝，西至西固區(qū)達(dá)川鄉(xiāng)達(dá)家溝，南臨黃河，北至蘭州中川機(jī)場(chǎng)，東西長(zhǎng)約60 km，南北寬約5～50 km。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取該區(qū)域面積較大、分布較廣的5種人工林進(jìn)行土壤滲透特性研究。各林分組成為：側(cè)柏林(Platycladusorientalis)，喬木層為側(cè)柏，林內(nèi)無(wú)其他喬木和灌木；刺槐林(Robiniapseudoacacia)，喬木層為刺槐，灌木層為極少量白榆(Ulmuspumila)幼苗和甘蒙檉柳(Tamarixaustromongolica)；新疆楊(Populusalbavarpyramidalis)林，喬木層為新疆楊，灌木層為少量紫穗槐(Amorphafruticosa)、檉柳(Tamarixchinensis)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinkii)和沙棗(Elaeagnusangustifolia)；新疆+楊刺槐混交林，喬木層由新疆楊和刺槐組成，樹種組成比例為5新疆楊+5刺槐(數(shù)量比例)，灌木層為少量檉柳和白榆幼苗；側(cè)柏+刺槐混交林，喬木層為側(cè)柏和刺槐組成，樹種組成比例為3側(cè)柏+7刺槐(數(shù)量比例)，灌木層為少量檸條錦雞兒、甘蒙檉柳和白榆。5種人工林基本情況見表1。

2019年8月，在蘭州市南北兩山選擇造林時(shí)間基本一致、土壤類型、坡向、坡位相同的5種人工林林分類型，每種林分類型選取3個(gè)海拔和林相基本一致的代表性林分，北山2個(gè)(為九州臺(tái)和徐家山)，南山1個(gè)(為大洼山)；每種林分類型設(shè)立3個(gè)10 m×10 m代表性樣地，調(diào)查林分樹種組成及生長(zhǎng)狀況(表1)。在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線方向隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m小樣方進(jìn)行土壤剖面挖掘，在挖好的剖面上，按照0—20，20—40，40—60 cm和60—80 cm土層深度，用100 cm3的環(huán)刀取原狀土，每土層3個(gè)重復(fù)，每種林分類型每土層總共取樣27個(gè)；將所取樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤滲透性測(cè)定。

表1 蘭州市南北兩山不同林分類型基本概況

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

采用雙環(huán)滲透法測(cè)定土壤入滲過(guò)程[14]。在室外用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)浸入水中12 h，然后將環(huán)刀取出，上面套上一個(gè)大小相似的空環(huán)刀，接口處先用膠布封好。往上面的空環(huán)刀中加水，水層厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時(shí)開始計(jì)時(shí)，之后隔1，2，3，4，5，6 min,…,測(cè)量并記錄一次通過(guò)土柱滲透出的水量。測(cè)定過(guò)程中要不斷將上面環(huán)刀水面加至原來(lái)高度，一直測(cè)到4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)滲出水量相等時(shí)為止。

初滲速率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間

平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間

穩(wěn)滲速率=單位時(shí)間內(nèi)滲透量穩(wěn)定后的滲透速率

滲透總量=前150 min鐘內(nèi)的滲透量

物理性質(zhì)：采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度；用烘干法測(cè)定土壤自然含水率?；瘜W(xué)性質(zhì)：土壤 pH值采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤全氮采用半微量開氏法測(cè)定；土壤無(wú)機(jī)氮采用KCl浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提比色法測(cè)定；土壤全鉀采用火焰光度法測(cè)定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度法測(cè)定。

1.4 土壤水分滲透過(guò)程模擬

結(jié)合前人研究結(jié)果[15-16]，本研究選取4個(gè)常用的土壤水分滲透模型對(duì)不同林分不同土壤層入滲過(guò)程進(jìn)行過(guò)擬合。Kostiakov模型為：y=αt-β，Horton模型為：y=α+βe-nt，Philip模型為：y=α+βt-1/2，通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋簓=α+βt-n。式中：y為入滲速率(mm·min-1)；t為入滲時(shí)間(min)；α，β，n為擬合參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析和土壤水分滲透過(guò)程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤滲透性能

水分的入滲過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的水文過(guò)程，土壤的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量是評(píng)價(jià)土壤水分入滲的重要指標(biāo)。在林地中，土壤水分入滲的快慢與林分類型、凋落物累積量、根系分布等因素有密切的關(guān)系[17-18]。

從圖1可以看出，土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量在不同林分類型之間均有較大的差異，初滲速率在0.26～4.07 mm/min之間，穩(wěn)滲速率在0.08～1.78 mm/min之間，平均滲透速率在0.09～2.20 mm/min之間，滲透總量在5.55～123.43 mm之間。0—80 cm土層，4個(gè)土壤滲透參數(shù)均表現(xiàn)為新疆楊+刺槐混交林>側(cè)柏+刺槐混交林>刺槐林>側(cè)柏林>新疆楊林，新疆楊+刺槐混交林的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量依此為2.32，0.89，1.14 mm/min及63.05 mm，分別是新疆楊林的3.80，2.34，2.85，2.69倍。4個(gè)土壤滲透參數(shù)在土層之間差異顯著，隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，0—20 cm土壤層的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量分別是60—80 cm的5.11，6.53，6.84，6.65倍。

為了綜合評(píng)價(jià)不同林分類型土壤滲透性能的差異，以土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量為指標(biāo)進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)(表2)，第1主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)98.08%，幾乎解釋了整個(gè)總方差，信息損失量很少。因子負(fù)荷量表明，第1主成分所有變量的正荷載相差不大，以滲透總量和平均滲透速率最高，分別為0.998 5，0.999 3，可以解釋為對(duì)土壤滲透能力總的量度，第一主成分方程為α=0.504 1α1+0.504 5α2+0.492 3α3+0.498 9α4(α1，α2，α3，α4為滲透總量、平均滲透速率、初滲速率、穩(wěn)滲速率經(jīng)過(guò)Z標(biāo)準(zhǔn)化的值)。

表2 土壤滲透性主成分分析

注：PO為側(cè)柏林； RP為刺槐林； PA為新疆楊林。下同。

根據(jù)第一主成分方程，計(jì)算蘭州市南北兩山5種林分不同土壤層的土壤滲透性能得分，并根據(jù)得分進(jìn)行排名(表3)。由表3可知，不同林分類型的土壤滲透性能隨著土層深度的增加而降低，各林分不同土壤層的土壤滲透性排序略有不同，但均表現(xiàn)為新疆楊+刺槐混交林的最好。從平均得分來(lái)看，新疆楊+刺槐混交林的土壤滲透性最佳，側(cè)柏+刺槐混交林次之，側(cè)柏林最小。

表3 蘭州市南北兩山5種不同類型林分林地土壤滲透性評(píng)價(jià)

2.2 不同林分土壤水分入滲過(guò)程模擬

采用Kostiakov方程，Horton方程，Philip方程和通用經(jīng)驗(yàn)方程4種模型對(duì)5種林分不同土壤層水分的入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個(gè)回歸模型的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平，但模型的擬合優(yōu)度存在差異(表4)。Kostiakov方程擬合優(yōu)度在0.611～0.995之間，平均值為0.898；Horton方程擬合優(yōu)度在0.951～0.996之間，平均值為0.981；Philip方程擬合優(yōu)度在0.785～0.996之間，平均值為0.949；通用經(jīng)驗(yàn)方程擬合優(yōu)度在0.888～0.997之間，平均值為0.977。從擬合優(yōu)度(R2)考慮，Horton方程擬合效果最好，通用經(jīng)驗(yàn)方程次之，Philip方程較差，Kostiakov方程最差。從擬合殘差看，通用經(jīng)驗(yàn)方程的殘差均值為0.183 4，Horton方程為0.334 0，Philip方程為0.343，Kostiakov方程為0.420，結(jié)合殘差和R2選出29個(gè)土壤水分入滲最優(yōu)模型，其中通用經(jīng)驗(yàn)方程和Horton方程各13個(gè)，各占總數(shù)的44.83%，Philip方程3個(gè)，Kostiakov方程0個(gè)。以上研究表明，通用經(jīng)驗(yàn)方程比較適合于描述本研究區(qū)5種人工林的土壤水分入滲過(guò)程。

表4 不同林分不同土層土壤入滲模型

2.3 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤滲透性能的影響

土壤的滲透性能與土壤的理化性質(zhì)存在相關(guān)性(表5)。土壤的滲透性與土壤初始含水率、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、無(wú)機(jī)氮呈極顯著正相關(guān)，與毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 土壤理化性質(zhì)與滲透性相關(guān)關(guān)系矩陣

根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果，選擇與土壤滲透性極顯著或顯著相關(guān)的8個(gè)因子進(jìn)行主成分分析(表6)，第1主成分貢獻(xiàn)率為94.07%，負(fù)荷量在0.954 0以上，其中土壤孔隙度、土壤容重和土壤有機(jī)質(zhì)在第1組分量分負(fù)荷度較大，表明與土壤滲透性顯著相關(guān)的土壤理化性質(zhì)的第1主成分表達(dá)了絕大多數(shù)信息，其方程為β=-0.361 9β1+ 0.359 5β2+ 0.362 6β3+ 0.347 8β4+ 0.321 9β5+ 0.359 2β6+ 0.355 3β7+ 0.358 5β8。

表6 8個(gè)土壤理化性質(zhì)參數(shù)主成分分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，將α解釋為土壤滲透性，將β解釋為土壤理化性質(zhì)主成分，將α定義為土壤滲透性綜合參數(shù)，β為土壤理化性質(zhì)參數(shù)，將滲透總量等4個(gè)土壤滲透參數(shù)以及土壤滲透性綜合參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化主成分得分為因變量，以為土壤理化性質(zhì)參數(shù)β為自變量進(jìn)行過(guò)回歸分析，得到他們之間的回歸方程(表7)。

表7 β與土壤滲透參數(shù)及α的回歸模型

3 討 論

(1) 通過(guò)對(duì)5種人工林林分土壤滲透特性研究表明，隨著土層深度的增加(0—80 cm)，土壤滲透性能呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。不同林分滲透能力不盡相同，表現(xiàn)為：新疆楊+刺槐混交林>側(cè)柏+刺槐混交林>刺槐林>側(cè)柏林>新疆楊林，混交林土壤的滲透性優(yōu)于純林。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因之一可能是混交林深根系與淺根系互補(bǔ)分布于土壤中，通過(guò)根系的生長(zhǎng)、凋亡，在土壤中形成了比較多的孔隙所致，因蘭州市南北兩山的刺槐絕大多數(shù)根系集中于0—120 cm層[19]、新疆楊80%以上的根系分布于0—40 cm層[20]和側(cè)柏根系主要分布在0—50 cm土層[21]；原因之二可能是與林分凋落物累積量有關(guān)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[22]，這種林分中，混交林枯落物累積量為35.15～47.01 t/hm2，而純林的累積量為13.5～26.34 t/hm2，較多的枯落物經(jīng)分解形成比較多的有機(jī)質(zhì)(10.14～11.67 g/kg)，而土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤滲透性存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[23]，其在降低土壤容重、增加孔隙度方面具有良好的作用[24]；原因之三可能與林分的郁閉程度和冠層厚度有關(guān)，混交林由于不同樹種樹冠層次不同，所構(gòu)成的林分冠層比純林的厚，郁閉度也比較高，比純林能有效降低林內(nèi)光照，增加林地濕度，增加土壤生物[25-26]。但本研究也發(fā)現(xiàn)，盡管側(cè)柏林地的郁閉度為0.85，在5種林分中屬最高，但是其土壤自然含水量低，這可能與其樹種類型有關(guān)，在相同郁閉度的情況下，側(cè)柏林分要比其他林分具有更高的冠層葉表面積，對(duì)降雨的截留也會(huì)更高，導(dǎo)致降落到林地的降雨量減少[27]。

(2) 本研究通過(guò)對(duì)涉及土壤理化性質(zhì)的13個(gè)因子進(jìn)行相關(guān)性分析表明，土壤初始含水率、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤容重與土壤的滲透性存在極顯著或顯著的相關(guān)關(guān)系，這與李建興等[28]、閆東鋒等[29]的研究結(jié)果一致，隨土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度的增加，降低土壤容重，土壤變得疏松多孔，提高了土壤中水分的縱向和橫向滲透，縮短了滲透時(shí)間，最終提高了土壤的滲透能力。

4 結(jié) 論

(1) 不同林分類型土壤滲透性隨土層深度(0—80 cm)的增加而降低。

(2) 不同林分類型土壤滲透性均表現(xiàn)為：新疆楊+刺槐混交林>側(cè)柏+刺槐混交林>刺槐林>側(cè)柏林>新疆楊林，混交林均大于純林。

(3) 通用經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)各林分土壤滲透性的擬合效果最好，比較適合于描述本研究區(qū)5種人工林土壤水分入滲過(guò)程。

(4) 篩選出能表征該區(qū)域土壤滲透性的主要土壤理化性質(zhì)參數(shù)依次為：總孔隙度、容重、初始含水率、有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)氮、全氮、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。