黃土高原典型退耕草地植被特征對土壤入滲過程的影響

蔣忙舟

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

土壤入滲性能對于降水、蒸發(fā)、下滲、徑流等水文循環(huán)過程以及坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程有著重要的影響。土壤水分入滲過程往往受到植被特征和土壤性狀等多種因素的影響。植被地上部分可通過攔蓄降雨延緩產(chǎn)流，削弱降雨動能，抑制雨滴打擊造成的土壤孔隙堵塞，增加地表糙度、降低流速、增強(qiáng)入滲時間等方式來提高土壤入滲能力，植物根系則通過生長穿插分割土壤造成的土體裂隙來增強(qiáng)土壤入滲能力。植被也可通過改善土壤性狀來影響土壤入滲過程。植物生長過程中根系死亡及枯落物降解過程可降低土壤容重，增加土壤黏結(jié)力，提高土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，增加土壤孔隙，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤入滲能力。

黃土高原是我國生態(tài)安全屏障，也是世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。充分利用黃土入滲速率強(qiáng)，實(shí)施“攔蓄降雨，就地入滲”是該地區(qū)水土流失治理的重要措施。1999年“退耕還林(草)”工程的實(shí)施，植被得以顯著恢復(fù)，植被特征及其對土壤性狀的影響也發(fā)生顯著性變化，導(dǎo)致其對土壤入滲能力的影響也存在很大差異。然而植被恢復(fù)影響土壤入滲能力的相關(guān)研究多集中于土地利用類型差異，且多以生態(tài)系統(tǒng)為研究單元，植被演替過程中土壤入滲能力變化相關(guān)研究仍不系統(tǒng)，尤其是演替過程中典型物種對土壤入滲過程的影響相對薄弱?；诖耍狙芯窟x取黃土高原撂荒演替后期白羊草和鐵桿蒿草本植被，系統(tǒng)研究不同種植密度及其導(dǎo)致的植被特征和土壤性狀差異對土壤入滲過程的影響，量化初始產(chǎn)流時間、入滲速率和入滲量與植被特征及土壤性狀的相互關(guān)系，構(gòu)建基于植被特征及土壤性狀的典型草地土壤入滲量模擬方程，以期為揭示植物群落的水土保持功能、評價植物群落促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)效果提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)處理

選取黃土高原撂荒演替后期典型物種白羊草和鐵桿蒿，采用穴播種植的方式，按照5，10，15，20，25，30株/m種植密度進(jìn)行種植。經(jīng)過1個完整的生長季，采用網(wǎng)格法測定不同種植密度下白羊草和鐵桿蒿植被蓋度及其土壤生物結(jié)皮蓋度(表1)。

白羊草和鐵桿蒿均種植于土槽內(nèi)(長×寬×高為2 m×0.5 m×0.5 m)，每個種植密度設(shè)置2個重復(fù)，并設(shè)置1個裸地對照，共計26個土槽。種植前對土槽進(jìn)行填土，土壤容重控制在1.2 g/cm。土壤類型為黃綿土，取自延安市安塞區(qū)坡耕地表層0—40 cm。填土前將供試土壤過2 mm篩，去除草根和礫石。為保證土壤水分均勻下滲，土槽底部鋪10 cm細(xì)砂，并用紗布隔開土和砂。填土過程中，上部土壤分4層填裝，每層填土?xí)r鋪平、壓實(shí)，并在填裝下層土壤之前將表土打毛，消除土壤之間的分層現(xiàn)象，填土厚度為40 cm。

填土結(jié)束后按照預(yù)設(shè)種植密度種植白羊草和鐵桿蒿，種植方式為穴播。按種植密度將土槽劃分為不同大小的正方形格子進(jìn)行種植，在格子中心位置挖取0.2～0.3 cm深度的種穴進(jìn)行播種。種植結(jié)束后，將土槽放置于光照充足的地方，并定期灑水，為種子萌芽提供適宜水熱條件。

1.2 降雨入滲過程

采用人工模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行降雨入滲試驗(yàn)。降雨設(shè)備采用組合式噴頭，高度18 m，雨滴大小0.4～6.0 mm，降雨均勻度>80%，雨滴終點(diǎn)速度近似天然降雨。降雨強(qiáng)度設(shè)置為60 mm/h，降雨歷時60 min。降雨前試驗(yàn)土槽坡度調(diào)整為15°。降雨開始后，記錄初始產(chǎn)流時間，降雨過程中收集徑流泥沙，降雨前10 min每隔2 min收集1次徑流泥沙，后50 min每隔5 min收集1次徑流泥沙。降雨結(jié)束后采用袖珍式黏結(jié)力儀測定土壤黏結(jié)力，每個土槽重復(fù)6～9次；靜置3天后測定土壤容重(環(huán)刀法)，重復(fù)3次，并采集土壤混合樣用以測定土壤有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀外加熱氧化法)，最后挖取整個土槽植物根系測定根系生物量(水洗法，表1)。土壤理化性見表2。

表1 不同種植密度下植被特征的變化

表2 不同種植密度下土壤理化性狀的變化

1.3 土壤入滲參數(shù)指標(biāo)計算

土壤入滲速率和入滲總量均是表征土壤入滲性能的重要參數(shù)，可分別按公式(1)和公式(2)計算。

(1)

(2)

式中：為土壤入滲率(mm/min)；為降雨強(qiáng)度(mm/min)；為土槽坡度(°)；為降雨時間內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(kg)；為土槽面積(m)；為入滲歷時(min)；為累積入滲量(mm)。

Kostiakov土壤入滲模型能夠很好地擬合實(shí)測入滲過程，基于上述測定土壤入滲速率及對應(yīng)時間，可按公式(3)擬合出入滲系數(shù)()和衰減系數(shù)()，用以評估植被特征對土壤入滲過程的影響。

(3)

式中：為時刻的入滲速率(mm/min)；為第1時間單位末尾時的入滲速率(mm/min)；為入滲歷時(min)；為時刻的累積入滲量(mm)；、為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度下初始產(chǎn)流時間的變化

不同種植密度坡面初始產(chǎn)流時間存在顯著差異(圖1)。白羊草草地和鐵桿蒿草地不同種植密度下初始產(chǎn)流時間分別為0.76～5.74，0.87～2.08 s。對于白羊草草地，初始產(chǎn)流時間在最大種植密度(30株/m)時最大，是其他種植密度1.15～7.60倍；鐵桿蒿草地初始產(chǎn)流時間在種植密度25株/m時最大，是其他種植密度的1.04～2.40倍?？傮w而言，隨著種植密度的增加，白羊草草地和鐵桿蒿草地坡面初始產(chǎn)流時間均呈冪函數(shù)增加(≥0.84，<0.01，圖1a、圖1b)。由于植被類型的差異，白羊草草地和鐵桿蒿草地其初始產(chǎn)流時間也存在顯著差異。白羊草草地最大種植密度下初始產(chǎn)流時間是最小種植密度的7.6倍，鐵桿蒿草地最大種植密度初始產(chǎn)流時間是最小種植密度的2.4倍。這一結(jié)果表明，相對于鐵桿蒿草地，白羊草草地可顯著延長初始產(chǎn)流時間。當(dāng)種植密度≥25株/m時，白羊草草地初始產(chǎn)流時間隨種植密度依然表現(xiàn)為增加趨勢，而鐵桿蒿草地則趨于平穩(wěn)，甚至略有降低，這在一定程度上表明白羊草草地在延緩初始產(chǎn)流時間方面仍有潛力。除種植密度為5株/m時白羊草草地初始產(chǎn)流時間略低于鐵桿蒿草地外(12.71%)，其他種植密度下白羊草草地初始產(chǎn)流時間均不同程度高于鐵桿蒿草地，是其1.27～2.86倍。總體而言，白羊草草地不同種植密度可平均延緩初始產(chǎn)流時間1.42 s，是鐵桿蒿草地的1.78倍。

圖1 不同種植密度下白羊草草地和鐵桿蒿草地初始產(chǎn)流時間的變化

2.2 不同種植密度下坡面入滲過程

白羊草和鐵桿蒿草地土壤入滲速率均在降雨前10 min迅速減小，隨后減小幅度減緩，降雨30 min后趨于穩(wěn)定，即土壤穩(wěn)定入滲速率(圖2)。白羊草和鐵桿蒿草地降雨30 min后土壤穩(wěn)定入滲速率分別為0.45～0.82，0.34～0.60 mm/min，分別較降雨前10 min土壤平均入滲速率減少7.71%～16.98%和17.25%～25.37%。總體而言，土壤入滲速率隨降雨歷時的增加呈冪函數(shù)降低關(guān)系(0.219≤≤0.89，<0.01或<0.05)。在不同種植密度下，白羊草草地和鐵桿蒿草地土壤穩(wěn)定入滲速率和土壤平均入滲速率均在種植密度為20株/m時最大，分別為0.82，0.82 mm/min和0.67，0.60 mm/min。其中白羊草草地在種植密度為20株/m時土壤平均入滲速率和土壤穩(wěn)定入滲速率是其他種植密度的1.01～1.73，1.1～1.80倍；鐵桿蒿草地在種植密度為20株/m時土壤平均入滲速率和土壤穩(wěn)定入滲速率是其他種植密度的1.24～1.77，1.26～1.76倍；此外，白羊草草地和鐵桿蒿草地土壤穩(wěn)定入滲速率和土壤平均入滲速率均隨種植密度的增加呈增大趨勢，且白羊草草地土壤穩(wěn)定入滲速率和土壤平均入滲速率均與種植密度存在冪函數(shù)關(guān)系(≥0.71，<0.01，圖3)。由于植被類型的差異，白羊草草地和鐵桿蒿草地土壤入滲過程也存在顯著差異。白羊草草地土壤穩(wěn)定入滲率和土壤平均入滲速率在不同種植密度下均高于鐵桿蒿草地，其中土壤平均入滲速率是鐵桿蒿草地的1.16～1.70倍，土壤穩(wěn)定入滲速率是鐵桿蒿草地的1.27～1.79倍。

圖2 白羊草和鐵桿蒿草地土壤入滲速率隨降雨歷時的變化

圖3 種植密度與土壤平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率的關(guān)系

不同種植密度間入滲量總量存在顯著差異(圖4)。當(dāng)植被種植密度為20株/m時，白羊草草地和鐵桿蒿草地入滲總量均最大，分別為12.35，10.07 mm，是其他種植密度的1.04～1.74，1.25～1.77倍?？傮w而言，隨種植密度的增加，白羊草草地和鐵桿蒿草地入滲總量均呈增加趨勢，且可表示為種植密度的冪函數(shù)。受植被類型差異的影響，白羊草草地不同種植密度下土壤入滲總量顯著高于鐵桿蒿草地，是鐵桿蒿草地的1.16～1.70倍。

圖4 不同種植密度下土壤入滲總量的變化

2.3 植被特征及土壤性狀對土壤入滲過程的影響

種植密度可顯著影響植被特征及其土壤理化性狀，進(jìn)而對土壤入滲過程產(chǎn)生影響。對于白羊草草地和鐵桿蒿草地，初始產(chǎn)流時間均隨植被蓋度、根系生物量密度和土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加呈冪函數(shù)增加(≥0.18，<0.05)(圖5)；平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率及入滲總量均隨土壤有機(jī)質(zhì)含量增加呈顯著的冪函數(shù)增加(0.29≤≤0.74，<0.05)(圖6)。Kostiakov土壤入滲模型可用于非均質(zhì)土壤中入滲速率的模擬，基于公式(3)，通過輸入入滲時間及其對應(yīng)的土壤入滲速率，計算不同種植密度下白羊草草地和鐵桿草地入滲系數(shù)()和衰減系數(shù)()。白羊草草地入滲系數(shù)()和衰減系數(shù)()變化范圍分別為0.36～0.70 mm/min和0.26～0.31，鐵桿蒿草地則分別為0.33～0.67 mm/min和0.29～0.33(表3)。白羊草草地和鐵桿蒿草地入滲系數(shù)()和衰減系數(shù)()均與種植密度呈增加趨勢，但白羊草草地入滲系數(shù)()與種植密度存在冪函數(shù)關(guān)系；衰減系數(shù)()與生物結(jié)皮蓋度呈增加趨勢，但并不顯著(>0.05)。白羊草草地和鐵桿蒿草地入滲系數(shù)()均隨土壤容重的增加呈冪函數(shù)減小，隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加呈顯著的冪函數(shù)增大?？紤]到本研究中土壤容重變化范圍僅為1.20～1.24，容重對入滲系數(shù)()的影響并沒有統(tǒng)計學(xué)意義?？傮w而言，植被類型及種植密度對土壤入滲的影響可表征為植被特征和土壤性狀的函數(shù)關(guān)系。逐步回歸結(jié)果表明，土壤入滲量()可表征為根系生物量密度(RMD)和土壤有機(jī)質(zhì)(SOC)的擬合函數(shù)(公式(4))，其為0.66，NSE為0.65，擬合效果較好。

表3 土壤累積入滲量隨降雨歷時的擬合結(jié)果

圖5 植被蓋度、根系生物量密度及土壤有機(jī)質(zhì)與初始產(chǎn)流時間的函數(shù)關(guān)系

圖6 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤入滲性能參數(shù)的函數(shù)關(guān)系

=2.77×RMDSOC

(=0.663，NSE=0.653)

(4)

3 討 論

3.1 植被特征和土壤性狀差異對入滲過程的影響

不同種植密度導(dǎo)致植被特征和土壤性狀的差異是影響坡面土壤入滲過程的主要原因。對于初始產(chǎn)流時間而言，由于白羊草和鐵桿蒿的覆蓋，降雨后并未立即產(chǎn)流，存在不同程度的滯后。這主要是由于植被覆蓋攔蓄降雨、根系生長增加土壤孔隙度和改變土壤理化性狀所造成的。且隨著種植密度、覆蓋度、根系生物量密度和有機(jī)質(zhì)的增加，其延緩初始產(chǎn)流時間的作用增強(qiáng)，初始產(chǎn)流時間可表示為植被蓋度、根系生物量和有機(jī)質(zhì)的冪函數(shù)(0.95≥≥0.18，<0.05)。對于平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和入滲量總量而言，隨種植密度的增加整體呈增加趨勢。但當(dāng)種植密度為20株/m時，白羊草草地和鐵桿蒿草地平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和入滲量總量均最大，這主要是由于隨種植密度的增加，植物生長受到種間競爭影響，存在一定的水分和養(yǎng)分限制，從而導(dǎo)致植被生長趨于緩慢，這也在一定程度上說明對于不同種植密度導(dǎo)致的植被特征變化，其對土壤入滲的影響存在閾值或上限，當(dāng)種植密度過大時，土壤入滲性能趨于穩(wěn)定。

白羊草草地和鐵桿蒿草地平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、入滲量總量及入滲系數(shù)()均隨土壤有機(jī)質(zhì)的提高而增大，且存在顯著冪函數(shù)關(guān)系。這主要是由于有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而使土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，土壤孔隙進(jìn)一步增加，土壤入滲性能增強(qiáng)。作為Kostiakov土壤入滲方程中表征入滲衰減速率的指標(biāo)，其隨生物結(jié)皮蓋度的增加呈降低趨勢，很可能是由于生物結(jié)皮遇水膨脹后糙率增大，可降低流速從而加強(qiáng)土壤入滲，其加強(qiáng)作用與生物結(jié)皮組成有關(guān)。

3.2 植被類型對土壤入滲性能的影響

由于物種的不同，白羊草草地和鐵桿草地入滲過程也存在顯著差異。白羊草在不同種植密度下初始產(chǎn)流時間均在不同程度高于鐵桿蒿草地，其平均初始產(chǎn)流時間是鐵桿蒿的2.01倍。植物根系生長發(fā)育過程中通過穿插和擠壓土壤，增加土壤孔隙，從而提高入滲，延緩坡面產(chǎn)流；而相較于直根系鐵桿蒿而言，須根系白羊草根系大都集中分布于表層30 cm土層中，其根系生物量是鐵桿蒿的1.18倍，因而對坡面產(chǎn)流具有較強(qiáng)的延緩作用。

對于平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和總?cè)霛B量，白羊草草地土壤入滲能力均不同程度高于鐵桿蒿草地。一方面是由于白羊草根系集中分布于表層土壤導(dǎo)致的土壤孔隙度較高；另一方面，生物結(jié)皮尤其是苔蘚結(jié)皮可顯著降低流速，從而增強(qiáng)土壤入滲。本研究中白羊草草地生物土壤結(jié)皮蓋度是鐵桿蒿草地的1.49倍，與此同時，白羊草草地有機(jī)質(zhì)含量是鐵桿蒿草地的1.72倍，這也表明白羊草草地較高的有機(jī)質(zhì)含量能更強(qiáng)地促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，進(jìn)而增強(qiáng)土壤入滲性能。此外，白羊草相對于鐵桿蒿具有較大根基，其地表起伏/糙度較大，因而也可降低流速增強(qiáng)土壤入滲。對于Kostiakov模型，白羊草草地入滲系數(shù)()是鐵桿蒿草地的1.26倍，衰減系數(shù)()較鐵桿蒿草地減少6.25%，這與白羊草草地上述土壤入滲參數(shù)變化一致，表明白羊草草地入滲性能總體高于鐵桿蒿草地。

4 結(jié) 論

(1)種植密度增大可顯著延緩產(chǎn)流時間，白羊草草地和鐵桿蒿草地的初始產(chǎn)流時間和植被蓋度、根系生物量和有機(jī)質(zhì)均存在冪函數(shù)關(guān)系，且隨植被蓋度、根系生物量和有機(jī)質(zhì)的增加，初始產(chǎn)流時間增大。

(2)種植密度增大可顯著增強(qiáng)土壤入滲能力，過高的種植密度一定程度加劇植物種內(nèi)競爭，導(dǎo)致種植密度為20株/m時，土壤入滲能力最強(qiáng)。白羊草樣地和鐵桿蒿草地平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、入滲量總量及入滲系數(shù)()均隨土壤有機(jī)質(zhì)的提高而呈冪函數(shù)增大，衰減系數(shù)()隨生物結(jié)皮蓋度呈降低趨勢。

(3)植被類型差異可顯著影響土壤入滲能力。白羊草草地有較高的根系生物量、生物結(jié)皮蓋度和有機(jī)質(zhì)含量，其初始產(chǎn)流時間、平均入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、入滲量總量及入滲系數(shù)()均不同程度高于鐵桿蒿草地，衰減系數(shù)()低于鐵桿蒿草地?？傮w而言，土壤入滲量可表征為根系生物量密度和土壤有機(jī)質(zhì)的擬合函數(shù)(為0.66，NSE為0.65)。