滇池流域不同植被覆蓋土壤的入滲特征及其影響因素

何苗苗， 劉芝芹， 王克勤， 雷祖團

(西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，昆明 650000)

土壤入滲作為影響地表徑流形成與發(fā)展的關(guān)鍵因素，直接參與水分在下墊面蓄滲和漫流階段，達到蓄滿和超滲的產(chǎn)流條件。探究土壤水分入滲性能是掌握流域內(nèi)徑流產(chǎn)生方式的先決條件，入滲性能強的土壤，可以保證較多的降水就地入滲，一方面減少地表徑流產(chǎn)生；另一方面，可形成地下徑流、壤中流，進而補給淺層地下水，有效防治水土流失。因此，研究土壤入滲特征、評價土壤入滲能力對防治水土流失、提升植被涵養(yǎng)水源能力有重要意義。

土壤入滲作為防治土壤水力、化學和混合侵蝕的前提和基礎(chǔ)，被越來越多的學者重視和研究。Rossi等研究植被和地形對土壤滲透深度的影響指出，植被斑塊內(nèi)的滲透深度是可變的，而滲透變異性由地形控制；宋愛云等對亞高山草甸土壤入滲性能研究得出，土壤穩(wěn)滲速率與土壤容重存在極顯著負相關(guān)關(guān)系，而與土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度以及單位面積的地上部分生物量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；陳娟等針對荒漠草原不同土壤入滲性能的研究指出，土壤結(jié)構(gòu)差異會引起入滲性能不同；劉芝芹等研究認為，在干熱河谷區(qū)，土壤入滲性能的重要影響因子為容重、有機質(zhì)及孔隙比例以及水穩(wěn)性團聚體。關(guān)于土壤入滲的研究多集中在干熱河谷區(qū)、紫色土丘陵區(qū)、黃土高原區(qū)，而鮮有針對高原湖泊流域，尤其是滇中高原區(qū)滇池流域典型植被覆蓋類型下土壤入滲性能的相關(guān)研究還非常缺乏。

已有研究表明，近30年來滇池水體富營養(yǎng)化異常嚴重，從1988—2002年，滇池流域的污染物產(chǎn)生量持續(xù)增加，滇池治理作為生態(tài)環(huán)境保護和水污染治理的重要工程，經(jīng)過20年的治理，流域內(nèi)點源污染控制成效顯著。來自于農(nóng)業(yè)面源污染和近年來城市擴張遷移的污染物輸出壓力仍十分巨大，林草植被恢復(fù)重建是滇池流域水土保持最積極有效的措施。不同植被覆蓋類型下林地土壤層通過降雨、下滲、地下徑流等過程對降雨過程進行再次分配，從而影響地表水資源分配，能有效控制面源污染。本文通過對滇池流域不同植被覆蓋類型下土壤入滲特性的分析和研究，闡明滇中高原滇池流域5種典型植被覆蓋類型下土壤水分入滲特性及影響因素，為該流域水體保護、面源污染防治和水土流失治理提供基礎(chǔ)研究；同時，為揭示該流域不同植被類型下的土壤層水文功能及土壤侵蝕防治提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池位于云南省昆明市西南部(102°37′—102°48′E，24°40′—25°02′N)，流域面積2 920 km，氣候?qū)賮啛釒Ц咴撅L氣候，冬半年氣候干燥溫涼，夏半年濕潤溫熱。雨季為5—10月，旱季為11月至翌年4月。年均降水量為1 000 mL，年均氣溫14.8 ℃，該區(qū)域季節(jié)性氣溫變幅較小，分布廣泛的植被類型為華山松+云南油杉混交林、旱冬瓜+麻櫟混交林、云南松純林、灌木林、桉樹人工林。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調(diào)查 于2020年10—12月到試驗區(qū)實地踏查，選定樣地，布設(shè)標準地。在滇池流域選擇華山松+云南油杉混交林、云南松純林、旱冬瓜+麻櫟混交林、桉樹人工林、灌木林5種典型植被覆蓋類型作為試驗樣地。考慮樣點分布的代表性，分別在各植被覆蓋類型樣地內(nèi)隨機布設(shè)3個樣方，樣地設(shè)置的具體尺寸為：華山松+云南油杉混交林、云南松純林、旱冬瓜+麻櫟混交林、桉樹人工林樣方為20 m×20 m，灌木林樣方為10 m×10 m，不同植被類型基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集與測定 分別在5種典型植被覆蓋林地的樣地上、中、下3個坡位選取較為平整地段，在已選取的每個平整地段對角線上均勻選取3個試驗樣點，用環(huán)刀法分層采集樣點原狀土，采樣深度為0—20，20—40，40—60 cm。將采集的土樣帶回室內(nèi)測定土壤容重和孔隙度，采用濕篩法對>5，>2，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體進行測定。采用重鉻酸鉀容量法對土壤有機質(zhì)進行測定。以上各測定量均設(shè)3次重復(fù)。土壤理化性質(zhì)見表2。

表1 不同植被覆蓋類型下試驗樣地概況

表2 不同植被類型下不同層次土壤理化性質(zhì)

選用雙環(huán)入滲儀法測定入滲速率，內(nèi)、外環(huán)直徑分別為15，32 cm，環(huán)高30 cm，厚度2 mm，將雙環(huán)壓入試驗樣點的土壤表面以下25 cm。試驗開始在外環(huán)加入適量的水防止水分溢出，向內(nèi)環(huán)注水用于測量土壤入滲過程，各樣點入滲達到穩(wěn)定入滲后結(jié)束試驗。初始入滲率為入滲開始1 min時的入滲速率；取30 min內(nèi)的入滲總量計算平均入滲速率；取前80 min內(nèi)的滲透量作為滲透總量。

1.2.3 土壤入滲模型 研究土壤水分入滲的數(shù)學模型有很多種類型，如Green-Ampt公式、Kostiakov公式、Philip公式和Horton方程等，本研究選用3個比較有代表性，準確度較高的土壤入滲水分模型來對5種不同植被覆蓋類型下的土壤水分入滲過程進行模擬。3種常見的土壤水分入滲模型為

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件進行統(tǒng)計和處理，SPSS 21.0軟件用于分析數(shù)據(jù)相關(guān)性和主成分以及對土壤入滲模型進行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋類型下土壤的入滲特征

2.1.1 土壤入滲過程 土壤入滲性能是影響水土流失發(fā)生與地表徑流產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。探究土壤入滲過程對減輕流域內(nèi)水土流失、提升植被涵養(yǎng)水源性能有重大作用。根據(jù)入滲時間與入滲速率點繪制出5種不同植被覆蓋類型下的土壤入滲過程，由圖1可知，5種樣地的土壤水分入滲過程都會經(jīng)歷土壤入滲速率的急速下降、緩慢下降和穩(wěn)定3個階段，第1階段(0～5 min)，土壤水分入滲處于濕潤階段，土壤水分運動由分子力作用主導(dǎo)，被土壤顆粒吸附后變成薄膜水，瞬時達到最大的入滲速率而后馬上急速下降。第2階段(5～50 min)，土壤水分轉(zhuǎn)入滲漏階段，水分在土壤孔隙中的運動受毛管力和重力的共同作用，入滲強度逐漸減小，入滲速率慢慢下降，直到水分充滿土壤孔隙，該階段結(jié)束。第3階段(50 min之后)，5種樣地的土壤水分均處于滲透階段，當水分充滿整個土壤孔隙，此時水分只在重力作用下運動，土壤水分入滲速率達到穩(wěn)定階段。其中，灌木林入滲速率到達穩(wěn)定狀態(tài)的所需時間最長，達48 min；華山松+云南油杉混交林入滲速率到達穩(wěn)定狀態(tài)所需時間最短，僅為24 min，說明華山松+云南油杉混交林土壤疏松，結(jié)構(gòu)良好，大小孔隙比例分配合理，有利于水分快速下滲。在80 min時，5種植被覆蓋類型下土壤入滲速率均達到穩(wěn)定，入滲速率最大的為華山松+云南油杉混交林，最小為桉樹人工林，說明在穩(wěn)定入滲階段，5種樣地中華山松+云南油杉混交林可以有效減少地表徑流的產(chǎn)生，防治土壤被沖刷。

圖1 不同植被類型下土壤入滲過程

2.1.2 土壤入滲特征 在探究土壤滲透性能時，初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率和滲透總量常被作為衡量指標。由表3可知，華山松+云南油杉混交林的初始入滲率和穩(wěn)定入滲速率最大，分別達到6.79，0.64 mm/min。華山松+云南油杉混交林初始入滲率是云南松純林、旱冬瓜+麻櫟混交林、桉樹人工林、灌木林的1.64，1.27，2.54，1.67倍，穩(wěn)定入滲速率是云南松純林、旱冬瓜+麻櫟混交林、桉樹人工林、灌木林的2.21，1.14，2.56，1.88倍。旱冬瓜+麻櫟混交林的平均入滲速率最大，為1.77 mm/min，分別是華山松+云南油杉混交林、云南松純林、桉樹人工林、灌木林的1.13，1.48，1.73，1.31倍；其滲透總量也最高，為5 600 mm，分別是華山松+云南油杉混交林、云南松純林、桉樹人工林、灌木林的1.17，2.1，2.55，1.3倍。

華山松+云南油杉混交林和旱冬瓜+麻櫟混交林的4個入滲指標均優(yōu)于云南松純林、桉樹人工林、灌木林，且華山松+云南油杉混交林和旱冬瓜+麻櫟混交林入滲能力明顯大于云南松純林，這與張莉的研究結(jié)果相一致，表明在該流域內(nèi)適當樹種混生對改善林分結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力具有較好促進作用，純林地由1種樹木組成，對光照、熱量、水分、養(yǎng)分條件消耗利用比較單一，且不能充分利用環(huán)境因子，當環(huán)境資源有限時，純林地種內(nèi)競爭加劇抑制生長，而混交林地將耐蔭樹種和喜光樹種、深根性樹種同淺根樹種相搭配可以有效利用光照資源和吸收水分營養(yǎng)。

對比華山松+云南油杉混交林和旱冬瓜+麻櫟混交林的入滲性能，華山松+云南油杉混交林平均入滲速率和滲透總量低于旱冬瓜+麻櫟混交林，但本文平均入滲速率是前30 min內(nèi)的，華山松+云南油杉混交林在24 min時已達到穩(wěn)定入滲速率，此時旱冬瓜+麻櫟混交林還并未達到穩(wěn)定入滲，且滲透總量的統(tǒng)計也是截止到80 min，華山松+云南油杉混交林的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均大于旱冬瓜+麻櫟混交林，當時間持續(xù)增加的時候，最后滲透總量也將會大于旱冬瓜+麻櫟混交林。綜合4個入滲指標來看，華山松+云南油杉混交林的入滲性能最優(yōu)，是由于在該流域內(nèi)其樹種組成搭配適宜、群落結(jié)構(gòu)得當、生態(tài)環(huán)境優(yōu)良、枯落物分解程度大，土壤有機質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他植被類型。桉樹人工林入滲性能最差，可能與桉樹根系分布較淺，且對土壤水肥條件需求較高，會大量吸收土壤上層水分及營養(yǎng)，造成淺層土壤養(yǎng)分的缺失有關(guān)，且其極強的吸水能力破壞流域內(nèi)土壤的結(jié)構(gòu)和水肥狀況，使得土壤易板結(jié)，影響水分下滲，不利于水土的保持與吸收。

2.1.3 土壤入滲模型擬合 由表4可知，3種模型的均值都達到0.950以上，在Kostiaskov模型中，值為1.968～4.886，其數(shù)值表征第1個單位時間內(nèi)的平均入滲速率，大小依次為灌木林>旱冬瓜+麻櫟混交林>華山松+云南油杉混交林>云南松純林>桉樹人工林，與實測的平均入滲速率大小情況不符。在Horton模型中，表征穩(wěn)定入滲率，為0.256～0.672，大小依次為旱冬瓜+麻櫟混交林>華山松+云南油杉混交林>灌木林>云南松純林>桉樹人工林，與實測穩(wěn)定入滲率大小情況不符。在Philip模型中，的變化為3.921～9.083，表征為土壤入滲能力的大小，值越大，表明土壤入滲性能越強，土壤吸濕率大小依次為華山松+云南油杉混交林>旱冬瓜+麻櫟混交林>灌木林>云南松純林>桉樹人工林，該結(jié)果與實測數(shù)據(jù)高度吻合。所以在該流域內(nèi)選用Philip公式模擬土壤入滲過程得出的結(jié)果貼近實際，最為精準。

表3 不同植被類型下土壤入滲特征指標

表4 土壤入滲模型的擬合參數(shù)

2.2 土壤入滲的影響因素

2.2.1 土壤入滲的相關(guān)性分析 由表5可知，土壤容重與初始入滲率、穩(wěn)定入滲速率、累積入滲量均呈負顯著相關(guān)(<0.05)，這與林代杰等研究結(jié)果一致。土壤容重越小，其土壤孔隙度比例和結(jié)構(gòu)、透氣透水越好。華山松+云南油杉混交林的容重是5種樣地中最小的，故其土壤結(jié)構(gòu)、土壤入滲性能較其他樣地更好。

土壤非毛管孔隙度與初始入滲速率呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與穩(wěn)定入滲速率呈顯著正相關(guān)(<0.05)，非毛管孔隙數(shù)量的多少是判斷土壤的通氣性能好壞的重要影響因子。華山松+云南油杉混交林的非毛管孔隙度是5種樣地中最大的，故其土壤的通氣性能優(yōu)于其他4種樣地。

土壤孔隙度和毛管孔隙度對初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、累積入滲總量均未達到顯著影響，對于毛管孔隙度而言，其與初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均為不顯著負相關(guān)，這與前人研究結(jié)果不一致，可能與該區(qū)域近年連續(xù)干旱，且采樣時間剛好處在旱季，水位接連下降，土壤含水量減少，流域內(nèi)長時間干旱使得土壤毛管孔隙度下降，使其對土壤入滲特征的影響甚微?？紫抖扰c3個入滲特征均呈不顯著正相關(guān)，孔隙度由毛管孔隙度和非毛管孔隙度共同影響，非毛管孔隙度與初始入滲率和穩(wěn)定入滲率呈顯著相關(guān)，毛管孔隙度卻與3個入滲特征均呈不顯著相關(guān)，所以，孔隙度整體與3個入滲特征相關(guān)性不高。

土壤有機質(zhì)與初始入滲速率呈顯著正相關(guān)(<0.05)。土壤有機質(zhì)可以通過間接作用影響土壤肥力，一方面有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程，分解出供作物生長和微生物生命活動所必需的能量；另一方面，土壤有機質(zhì)自身疏松多孔的結(jié)構(gòu)有助于土壤水分下滲吸收。華山松+云南油杉混交林土壤有機質(zhì)含量是云南松純林、旱冬瓜+麻櫟混交林、桉樹人工林、灌木林的1.65，1.33，1.9，1.23倍，故其土壤水分入滲性能最好。

>5 mm水穩(wěn)性團聚體和>2 mm水穩(wěn)性團聚體與初始入滲速率呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與穩(wěn)定入滲速率呈顯著正相關(guān)(<0.05)，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體與3個入滲特征值均呈正相關(guān)，但不顯著，與王珊珊等研究結(jié)果不一致。可能與不同地區(qū)不同地形土壤水穩(wěn)性團聚體結(jié)構(gòu)存在差異有關(guān)，水穩(wěn)性團聚體對于防止水土流失具有積極影響，增強土壤入滲性能。在該流域中>5 mm水穩(wěn)性團聚體和>2 mm水穩(wěn)性團聚體對土壤入滲性能貢獻率最大，華山松+云南油杉混交林的>5 mm水穩(wěn)性團聚體和>2 mm水穩(wěn)性團聚體含量明顯多于其他4種樣地，故其土壤抵抗侵蝕能力也最強。

表5 土壤入滲性能與影響因子相關(guān)性分析

2.2.2 影響因子主成分分析 對土壤入滲過程的影響因子進行主成分分析，KMO檢驗值為0.667(>0.5)，sig=0。前2個成分的特征值均>1，第1，2個主成分的特征值分別為4.049，2.361；前3個成分的累積貢獻率達到90.065%(>85%)，第1，2，3個主成分的方差貢獻率分別為50.618%，29.514%，9.932%，滿足主成分分析條件，故可以從前3個成分來表征對入滲性能的影響，提取這3個因子記作F1、F2、F3。

由表6可知，第1個主成分因子主要由>2，>5 mm水穩(wěn)性團聚體、容重、有機質(zhì)、非毛管孔隙度決定；第2個主成分因子主要由孔隙度、毛管孔隙度、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體決定；第3個主成分因子主要由>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體、非毛管孔隙度決定。根據(jù)分析主成分的方差貢獻率大小和比較各影響因子負荷量絕對值，影響土壤入滲的5個主要因子為>2，>5 mm水穩(wěn)性團聚體、容重、有機質(zhì)、非毛管孔隙度。該結(jié)果與相關(guān)性分析高度吻合，說明該流域內(nèi)土壤容重越小，有機質(zhì)含量越高，非毛管孔隙度越大，>2，>5 mm水穩(wěn)性團聚體含量越多，土壤入滲性能最好。5種樣地中華山松+云南油杉混交林土壤容重最小，>2，>5 mm團聚體含量最多，有機質(zhì)含量最高，非毛管孔隙度最大，是該流域控制水土流失，改善立地條件最理想的植被類型。

表6 影響因素主成分負荷矩陣

3 討 論

華山松+云南油杉混交林是5種植被覆蓋類型下林地土壤入滲性能最優(yōu)的，從樹種組成分析，華山松喜濕潤微耐干旱，不耐瘠薄。云南油杉喜暖耐干旱，耐水百濕，具有強陽性、抗旱、耐瘠薄。2種樹種對于光照、水分等資源的吸收利用極其互補。旱冬瓜+麻櫟混交林中，旱冬瓜和麻櫟2種樹種在光照上存在微弱競爭關(guān)系，并不是最優(yōu)的混交林種植模式。從郁閉度和樹齡來看，華山松+云南油杉混交林的郁閉度和樹齡均為最大，郁閉度的增加使得枯落物數(shù)目增多，微生物的分解作用也隨之增強，提高了土壤養(yǎng)分的可利用性。一般而言，樹齡越大，土壤中的樹木根系會越深越廣，從而為樹木成長獲取更多水分和營養(yǎng)，增強其土壤入滲性能。

模擬土壤入滲過程中，在該流域林地內(nèi)選用Philip模型擬合結(jié)果最為理想、精準。王佳坤在對砒砂巖土壤水分入滲特征及適用模型的研究中發(fā)現(xiàn)，Philip公式適用于土壤入滲歷時較短且適合積水入滲。在初始含水量均勻、積水條件下，Philip公式屬于均質(zhì)土壤一維入滲專屬模型公式。賴坡等在研究降雨入滲模型的研究方法中發(fā)現(xiàn)，Philip模型的適用性在初始含水量均勻且存在積水的均質(zhì)土地區(qū)比較實用，該流域土壤入滲測定就是在初始含水量均勻、積水條件下進行，且屬于均質(zhì)土，選用Philip模型可以較好地模擬土壤入滲過程。選用Horton模型擬合時需要考慮較多的外界因素，而自然土體結(jié)構(gòu)本身就有很多因素不可控制，而Kostiakov適合長歷時土壤入滲，所以，Kostiakov模型和Horton模型對該流域并不適用。

本文著重于研究不同植被覆蓋類型下土壤入滲性能的差異，雖然將0—60 cm土層劃分為3個層次，但是并沒有詳細分析不同土層土壤入滲性能的差異，只是取每個樣地0—60 cm土層的平均入滲性能進行比較，結(jié)論在短時間入滲過程和沒有遇到強降雨和持續(xù)長降雨的條件下適用，但遇到特殊天氣情況，選用平均入滲性能的方法就不夠全面且容易出現(xiàn)與實際不符的結(jié)果。在相關(guān)性分析時，該試驗是假定各樣地初始含水量相同的條件下進行的研究，未考慮到自然初始含水量的差異也會影響土壤入滲；另外，由于該流域從外界因素看，滇池屬于昆明城市下游，大量污水廢水排入其中。從自身因素看，滇池較為封閉，污水排入后沒有干凈水源交換，這2個因素導(dǎo)致滇池的污染物含量中已經(jīng)含有不少有機質(zhì)，下一步研究應(yīng)考慮土壤有機質(zhì)如氮、磷、鉀等具體元素對土壤入滲性能影響的研究，使得出的結(jié)果更加精準，更有利于滇池流域水體保護、面源污染防治和水土流失治理。

4 結(jié) 論

(1)華山松+云南油杉混交林與云南松純林、旱冬瓜+麻櫟混交林、桉樹人工林、灌木林相比，其土壤容重最小、有機質(zhì)含量最高、水穩(wěn)性團聚體最多、孔隙度和非毛管孔隙度比例明顯優(yōu)于其他林地。

(2)5種植被覆蓋類型下入滲性能有明顯差別，具體入滲性能表征為華山松+云南油杉混交林>旱冬瓜+麻櫟混交林>灌木林>云南松純林>桉樹人工林。

(3)利用3種回歸模型對5種典型植被類型覆蓋下林地土壤入滲過程的入滲速率與時間進行模擬，通過數(shù)據(jù)比對可知，Philip公式對滇池流域土壤入滲過程的擬合效果最佳。

(4)相關(guān)性分析表明，5種典型植被類型覆蓋下林地土壤入滲特征與土壤容重均呈顯著負相關(guān)(<0.05)，初始入滲速率與非毛管孔隙度、>5 mm水穩(wěn)性團聚體、>2 mm水穩(wěn)性團聚體均呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。主成分分析表明，土壤入滲的5個主要影響因子為>2 mm水穩(wěn)性團聚體、>5 mm水穩(wěn)性團聚體、容重、有機質(zhì)、非毛管孔隙度。