白龍江上游不同演替階段森林土壤入滲和持水特征

張金武，王 立

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

土壤水分入滲是降雨、地表水轉(zhuǎn)化成土壤水的重要過程，也是大氣降水入滲補(bǔ)給淺層地下水的唯一途徑[1]，它不僅可以反映土壤抗侵蝕能力，還可以作為森林涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)水分的重要指標(biāo)，也是影響地表徑流的重要因素[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對土壤入滲做了大量研究，并對入滲和土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，但對甘肅省白龍江流域不同演替階段土壤滲透的研究較少。因此，通過對該區(qū)域土壤性質(zhì)進(jìn)行研究，對了解該區(qū)域土壤持水性能、土壤滲透特征、及滲透與根系分布的關(guān)系有極為重要的意義。

不同演替階段土壤的理化性質(zhì)和植物根系含量有明顯差異，對土壤的入滲和持水性能就有不同程度的影響[3-4]。土壤質(zhì)地會影響累計入滲量和初始含水率之間的關(guān)系，土壤結(jié)構(gòu)不同必定會導(dǎo)致土壤儲水能力和入滲特性有所差異。大量研究表明,植被根系可以對土壤輸入有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，可以促進(jìn)土壤的入滲性能，改善土壤環(huán)境，使其蓄水保墑能力增強(qiáng)。姚淑霞等[5]對科爾沁不同沙地土壤飽和導(dǎo)水率比較研究中得出，不同植被類型的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、累計入滲量與土壤的含水率、土壤容重、孔隙度等有關(guān)；阿茹·蘇里坦等[6]對天山林區(qū)不同群落土壤入滲特征的研究得出，天然冷杉林的土壤入滲速率快慢與錯綜復(fù)雜的根系分布使得土壤松動有關(guān)；趙景波等[7]對青海湖邊土壤入滲的研究表明，草本植物根系發(fā)育越深土壤的穩(wěn)定入滲速率就越大；劉春利[8]等指出，不同演替階段的土壤類型對土壤容重、持水等性質(zhì)有不同的影響，對改變土壤中水分的分布規(guī)律也有所不同。因此可以看出，不同地理環(huán)境中影響土壤入滲和持水的主要限制因子也不同。本研究以白龍江沙區(qū)林場為研究區(qū)域，以研究區(qū)內(nèi)紅樺林、冷杉林、灌叢3種林分為研究對象，測定了土壤物理性狀的一些指標(biāo)，并對3種林分水分入滲和持水性能進(jìn)行了測定和分析，研究紅樺林、冷杉林、灌叢的土壤容重、持水量、孔隙度、滲透速率等指標(biāo)的差異性，以期為白龍江流域土壤滲透、持水等方面的研究提供理論依據(jù)。

白龍江林區(qū)沙灘林場是長江上游與黃河中游重要的水源涵養(yǎng)林和我國西北的綠色屏障，更是甘肅的綠色寶庫，但該區(qū)由于人為和地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響，導(dǎo)致其土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣?，F(xiàn)階段對白龍江土壤入滲特征的研究還非常不充足。白龍江林區(qū)沙灘林場不同演替階段的土壤入滲主要受哪些因素的影響，植物根系和土壤入滲之間存在什么樣的關(guān)系，哪種模型能夠更好的模擬該區(qū)的土壤滲透過程。這些問題都亟待解決，因此本研究采用雙環(huán)刀法，對白龍江上游土壤進(jìn)行分析，探討土壤容重、含水率、孔隙度、根系等之間的關(guān)系，并對比3種模型的模擬效果進(jìn)行比較，以期為精確評估白龍江上游不同林分水源涵養(yǎng)功能提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省白龍江插崗梁省級自然保護(hù)區(qū)管理局沙灘保護(hù)站(102°02′-104°22′E，33°34′-33°46′N)。該地地勢起伏大，高差懸殊，平均坡度為30°～35°，具有典型高山地形特征，屬于高山內(nèi)陸型氣候，年均氣溫4.3℃，極端高溫29.1℃，無霜期100 d。年均降水量1 023.1 mm，年蒸發(fā)量918.8 mm，林地經(jīng)營總面積3.1萬hm2，活力木總蓄積量207.8萬m3，森林覆蓋率為74.6%[9]，植被類型是以岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、青扦(Piceawilsonii)等為主的喬木林，灌木主要有勾兒茶(Berchemiasinica)、懸鉤子(Rubuspalmatus)、箭竹(Sinarundinarianitida)等。林下土壤類型以棕灰色灰化土、棕色森林土、褐色森林土為主。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

2019年8月，在研究區(qū)選擇紅樺林、冷杉林、灌叢為研究對象，對其林下土壤進(jìn)行水分入滲特征和持水性能的研究。各樣地的基本情況見表1。

2.2 土壤理化性質(zhì)及其性能測定

在不同演替階段的森林中選擇適合的樣地，取0～10、10～20、20～40 cm 3層土樣，每層使用100 cm3環(huán)刀取2份原狀土樣，1份做土壤滲透試驗，1份做土壤物理性質(zhì)的研究。為避免植物根系對環(huán)刀取土的影響，在每個取樣點(diǎn)挖60 cm深的土壤剖面，觀察剖面結(jié)構(gòu)，盡量避開粗根系的部分進(jìn)行取土，并在該取樣點(diǎn)附近挖20×20 cm，深40 cm的土塊根，對0～10、10～20、20～40 cm不同深度的土塊進(jìn)行分層，將分層后的土塊根帶回室內(nèi)洗去泥沙，并拭干水分，將其裝信封袋置于85℃的烘干箱內(nèi)烘至恒重，計算各層植物粗根(>5 mm)、中根(5 mm≥中根>2 mm)、細(xì)根(≤2 mm)的干質(zhì)量比。在室內(nèi)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、毛管持水量等指標(biāo)，每層取3個重復(fù)求均值并進(jìn)行記錄。

表1 樣地特征

此次試驗用雙環(huán)刀法對土壤入滲速率進(jìn)行測定。將采回的土樣浸泡在水中12 h，注意水面不能超過土柱，到測定時間后取掉上蓋，在上面反套1個空環(huán)刀，用膠帶固定，防止漏水，之后將環(huán)刀放在漏斗上，在漏斗下面接1個空的錐形瓶。準(zhǔn)備開始試驗，在上面的空環(huán)刀中加水，保持水面比環(huán)刀口低1 mm。當(dāng)?shù)?滴水滴到錐形瓶時開始計時，前3 min內(nèi)，每1 min換1次錐形瓶，并倒入量筒內(nèi)記錄下滲水的體積，此后隔5 min換1次錐形瓶。整個試驗的時間序列為1、2、3、5、10、15、20、30、40、60 min，分別記錄時間t1、t2、t3.......tn。在試驗過程中要不斷地向環(huán)刀內(nèi)加水，使環(huán)刀內(nèi)的水一直保持在5 cm的高度。當(dāng)3次更換錐形瓶入滲的水量基本相同時認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，停止本輪試驗。滲透速率處理方法：初滲速率=最初入滲時間段內(nèi)滲透總量/入滲時間；穩(wěn)滲速率=單位時間內(nèi)滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率；平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)定時的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時的時間。

2.3 土壤水分入滲模型

由于林地的水分運(yùn)動是非飽和水分運(yùn)動，所以想要嚴(yán)密的揭示林地土壤水分的運(yùn)動特征是比較困難的，因此需要依據(jù)模型來描述當(dāng)?shù)氐耐寥浪秩霛B特征，但是土壤水分入滲的模型比較多，例如Green-Ampt方程、Philip方程、Kostiakov經(jīng)驗公式、Horton公式、方正三通用經(jīng)驗公式及蔣定生經(jīng)驗公式等，本試驗選擇概念比較明確，使用方便的Philip方程、Kostiakov經(jīng)驗公式、Horton公式來模擬白龍江沙灘林場的土壤水分入滲過程。入滲模型分別是：

Kostiakov入滲模型[10]

I(t)=at-b

(1)

式中，I(t)為入滲率，mm·min-1；t為入滲時間，min；a和b為模型的參數(shù)。

Horton入滲模型[11]

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

(2)

式中，I(t)為入滲率，mm·min-1；Ii為初始入滲速率，mm·min-1；If為穩(wěn)定入滲速率，mm·min-1；B為模型的參數(shù)。

Philip入滲模型[12]

I(t)=A+Bt-0.5

(3)

式中,I(t)為入滲率，mm·min-1；t為入滲時間，min；A為穩(wěn)定入滲速率，mm·min-1；B為模型的參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel進(jìn)行，利用Spss和Origin2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、分析、檢驗并繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重和持水性能特征

從表2可以看出，隨著土層深度的增加,土壤容重有增大趨勢，并且灌叢的容重最大，紅樺林次之，冷杉林最小。3種林分的毛管孔隙基本都大于非毛管孔隙，隨著土層深度的增加，毛管孔隙度呈遞減趨勢，但灌叢毛管孔隙度在10～20 cm時最大，可能與該區(qū)域土壤本身的特殊性有關(guān)?？傮w來說，隨著土層深度的增加土壤容重與土壤孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤容重越小時，土壤孔隙度越大，在紅樺林中關(guān)系最為明顯。持水量有最大持水量>毛管持水量>最小持水量的關(guān)系，隨著土層深度的增加持水量有減小的趨勢，灌叢在10～20 cm時持水量最大。從圖2可以看出，土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、毛管持水量在灌叢、紅樺林、冷杉林中的差異性均顯著(P<0.05)，其中土壤容重灌叢最大，紅樺林次之，冷杉林最小，最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、毛管持水量冷杉林最大，紅樺林次之，灌叢最小；非毛管孔隙度在灌叢和紅樺林、冷杉林中差異性不顯著，冷杉林與紅樺林差異性顯著(P<0.05)。

3.2 土壤滲透特征

由表3可以看出，不同演替階段土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和滲透總量都有較大的差異性。隨著土層深度的增加，灌叢和紅樺林初滲速率有減小趨勢，冷杉林有增大趨勢；在0～10 cm土層上灌叢的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率、滲透總量均最大，冷杉林最小，在10～40 cm土層上紅樺林的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率均最大，冷杉林最小。從平均入滲速率可以看出，灌叢在0～10 cm土層上的平均滲透速率高于其他土層，紅樺林在10～20 cm土層的平均滲透速率最快。灌叢滲透總量在0～10 cm土層最大，20～40 cm土層最小，紅樺林和冷杉林在10～20 cm時最大?？傮w來說，在淺層土壤0～10 cm灌叢的滲透性能更好，在10～40 cm紅樺林的滲透性能更好。

表2 土壤密度特征統(tǒng)計

注：字母表示差異顯著性(P<0.05)。

表3 各土層土壤入滲速率對比分析

3.3 土壤入滲過程模擬

土壤入滲是一個隨時間遞減的過程，土壤的初始入滲速率很大，而土壤的穩(wěn)滲速率較小，不同演替階段森林土壤不同土層的入滲衰減特性用不同方程模擬的效果也各不相同。因此，采用Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型對各土層的土壤水分入滲過程進(jìn)行模擬。

由表4可以看出，Kostiakov方程擬合的參數(shù)a值介于2.21～6.83，其中灌叢0～10 cm土層的a值最大，這與灌叢在0～10 cm土壤初始入滲速率最大的規(guī)律是一致的。冷杉林0～40 cm土層內(nèi)a值均小于其他林種各層土壤，說明冷杉林中土壤的結(jié)構(gòu)條件差于其他2個林地。b值介于0.06～0.24，灌叢在0～40 cm土層內(nèi)b值較大，說明灌叢地土壤入滲速率隨時間遞減速率較快。Philip方程中B值在0.33～2.70，它一定程度上可以反映初始入滲速率的大小，B值最大值出現(xiàn)在灌叢0～10 cm土層上，這與實測灌叢0～10 cm土層初始入滲速率最大的結(jié)果相一致。

不同演替階段森林土壤不同土層的入滲過程擬合效果可以用回歸方程的判定系數(shù)R2表示，R2越大，則擬合的效果最好。從表4的擬合結(jié)果可以看出，Kostiakov模型的判定系數(shù)在0.26～0.86，冷杉林0～10 cm土層的判定系數(shù)最小；在Horton模型中，判定系數(shù)在0.22～0.77，判定系數(shù)總體較小，擬合效果較差；Philip模型判定系數(shù)在0.23～0.68，適宜性也較差?？傮w來看，Kostiakov模型擬合的效果較好，尤其對灌叢的模擬最好，能較好地模擬該區(qū)域的水分入滲特征。

3.4 根系生物量與土壤滲透、持水性能的關(guān)系

植物根系與土壤之間能夠形成較大的孔隙，使得微生物活動更加活躍，土壤孔隙不被堵塞，進(jìn)而對土壤滲透產(chǎn)生重要影響。從表5可以看出，粗根與土壤入滲速率、容重、非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且均未達(dá)到顯著水平，細(xì)根和中根與土壤入滲速率呈正相關(guān)關(guān)系，其中細(xì)根含量與容重、非毛管孔隙、排水能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，總根量與土壤入滲速率呈正相關(guān)，與容重、非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中粗根、中根、細(xì)根占比為24.23%、32.25%、43.52%。

表4 入滲模型中參數(shù)的回歸分析結(jié)果

表5 根系生物量與土壤滲透、持水性能相關(guān)分析

4 結(jié)論與討論

由于受多種因素影響，白龍江林區(qū)沙灘林場土壤性質(zhì)差異比較大，不同演替階段的土壤容重、孔隙度、持水量關(guān)系比較復(fù)雜。土壤容重作為評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可以反應(yīng)出土壤的緊實度、通氣性等性質(zhì)，密度越小土壤越疏松，通氣性越好，微生物活動比較活躍。孔隙度是土壤水分、養(yǎng)分、微生物、空氣等的儲存庫和活動的主要場所，孔隙度的大小對土壤持水能力、土壤透氣性、土壤微生物活動和植物根系生長所遇到的阻力有直接影響[13]，毛管孔隙中的水分可以直接提供給植物根系吸收或土壤蒸騰，毛管孔隙度越大土壤有效水的貯存容量就越大，可供植物根系利用的有效水分的比例就越大[14]，非毛管孔隙可以為土壤水分、養(yǎng)分提供通道和儲存空間[15]，也決定土壤滲透性能[16]?？梢钥闯?種林分土壤容重隨著土層深度的增加有增大趨勢，且灌叢土壤容重最大，這可能與灌叢下草本植物根系的分布有關(guān)，灌叢下面的草本植物有13種，明顯多于冷杉林和紅樺林，而草本植物的根系大多分布在0～10 cm的范圍內(nèi)，植物根系的生長對土壤緊實度有重要影響，使得該區(qū)域土壤容重大，通氣性差，毛管孔隙度小，但在10～20 cm處灌叢持水量、孔隙度都大于其他土層。持水量與孔隙度隨著土壤深度的增加有減小趨勢，與土壤容重呈反比關(guān)系，總體來說隨著土層深度的增加土壤容重和孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤容重越大孔隙度越小。滲透是土壤中的水分由表面向土壤中滲入的過程，土壤滲透性能決定著地表徑流的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換能力，滲透性能好的土壤不易形成地表徑流，抑制土壤沖刷和養(yǎng)分流失[17]，但影響此過程的因素有很多，如林分、土壤的物理性質(zhì)、枯落物等都對土壤滲透有較大影響。通過對紅樺林、冷杉林、灌叢的不同深度土層進(jìn)行土壤入滲研究，發(fā)現(xiàn)在較淺土層灌叢的土壤滲透速率優(yōu)于其他林分，其滲透速率為5.59 mm·min-1，在灌叢地有13種草本植物，植物覆蓋密度較大，這對雨水有很好的緩沖減壓作用，不會導(dǎo)致土壤空隙在短時間被堵塞。這與Li等[18]得出植被覆蓋對土壤入滲具有積極的促進(jìn)作用，與李坤等[19]得出草地土壤入滲與覆蓋率存在指數(shù)關(guān)系的結(jié)果極為相似，說明草本植物對土壤的改良和對雨水的緩沖對土壤水分入滲有積極作用。在較深土層紅樺林的入滲速率較快，可能與喬灌木根系的分布有關(guān)，但總體入滲速率具有初滲速率>平均入滲速率>穩(wěn)定入滲速率的特征，這符合土壤水分入滲是在分子力、毛管力和重力的綜合作用下在土壤中運(yùn)動的物理性質(zhì)[6]，土壤滲透性能的好壞是衡量水源涵養(yǎng)林涵養(yǎng)水源的重要標(biāo)志。

在對該地區(qū)不同演替階段土壤入滲進(jìn)行模擬研究的過程中，Kostiakov模型對灌叢、紅樺林、冷杉林水分入滲的模擬都比Philip模型和Horton模型好，尤其對灌叢土壤入滲的模擬最佳，R2為0.79。這與劉芝芹等[20]對金沙江流域森林土壤入滲特征的研究中得出的Kostiakov模型擬合的效果比Philip模型和Horton模型擬合的效果好有部分一致，與呂剛等[21]對遼西北風(fēng)沙地不同植物群落土壤入滲特性的研究中得出的Horton模型能夠較好的模擬當(dāng)?shù)氐耐寥浪秩霛B特征，也與徐勤學(xué)等[22]在喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果不一致。這可能與選擇區(qū)域的土壤類型不同有關(guān)，其滲透性也受很多因素的影響，例如土壤的石礫含量、枯落物、母巖等。因此，要以局部模擬對整個區(qū)域土壤入滲特征進(jìn)行描述不能一概而論，應(yīng)該分植被類型和土壤性質(zhì)才能更好地了解土壤入滲的特征。

森林由于演替階段不同，其土壤的理化性質(zhì)也有所差異，植物根系可以改變土壤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，對優(yōu)化和改良土壤有著不可替代的作用，土壤容重反映著土壤的緊實程度，對土壤入滲具有較大的影響，并且土壤容重越大，土壤的孔隙越小，通氣性就越差，土壤的入滲能力也就降低。土壤結(jié)構(gòu)以及腐殖質(zhì)的多少決定著毛管孔隙度的大小，尤其是非毛管孔隙對入滲的影響較大，這些性質(zhì)的變化與根系有密不可分的關(guān)系。本研究得出，粗根系與土壤容重、非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即粗根系含量越多，容重和非毛管孔隙度越小，導(dǎo)致其滲透速率也越小。有的學(xué)者認(rèn)為，土壤滲透性取決于非毛管空隙的質(zhì)和量的結(jié)論相一致[23]，細(xì)根和中根含量與毛管孔隙度和滲透速率呈正相關(guān)關(guān)系，與排水能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與阿茹·蘇里坦等[6]對天山林區(qū)不同群落土壤入滲特征的研究得出，天然冷杉林的土壤入滲速率快與錯綜復(fù)雜的根系分布使得土壤松動有關(guān)的結(jié)果有部分一致。