阮芯竹, 程金花, 張洪江, 杜士才, 李世友, 張福明, 王 賢, 陳曉冰

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.重慶市林業(yè)局, 重慶401147;

3.重慶市四面山鎮(zhèn)人民政府, 重慶402296; 4.重慶市四面山森林資源管理局, 重慶 402296)

重慶市四面山不同土地利用類型飽和導(dǎo)水率

阮芯竹1, 程金花1, 張洪江1, 杜士才2, 李世友3, 張福明4, 王 賢1, 陳曉冰1

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.重慶市林業(yè)局, 重慶401147;

3.重慶市四面山鎮(zhèn)人民政府, 重慶402296; 4.重慶市四面山森林資源管理局, 重慶 402296)

摘要：[目的] 探討不同土地利用類型和土壤理化性質(zhì)對飽對導(dǎo)水率的影響。[方法] 采用定水頭法測定四面山不同土地利用類型的飽和導(dǎo)水率，并運用回歸分析，相關(guān)分析和主成分分析法分析其與土壤物理因子和有機質(zhì)的關(guān)系，以及影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子。[結(jié)果] 各土地利用類型的平均飽和導(dǎo)水率均高于荒地，其順序為：林地>農(nóng)地>草地，林地中天然林飽和導(dǎo)水率大于人工林；飽和導(dǎo)水率隨土層深度的增加呈負指數(shù)遞減規(guī)律；飽和導(dǎo)水率與容重呈冪函數(shù)關(guān)系，與孔隙度呈正相關(guān)，與黏粒含量呈負相關(guān)；有機質(zhì)含量的提高對飽和導(dǎo)水率有積極的促進作用。[結(jié)論] 影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子是容重、有機質(zhì)、非毛管孔隙度和毛管孔隙度，其次，土壤機械組成對其也有一定影響。

關(guān)鍵詞：土地利用類型； 飽和導(dǎo)水率； 物理因子； 有機質(zhì)； 四面山

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)是在水分充滿土壤孔隙時，單位勢梯度下土壤水的通量，能綜合反映多孔介質(zhì)對某種流體在其中流動的阻礙作用，對于特定的土壤，飽和導(dǎo)水率為常數(shù)[1]，土壤中的飽和水流是土壤水運動的經(jīng)典形式，表示土壤介質(zhì)中飽和水流運動的最大能力，能夠制約地表徑流的發(fā)生和發(fā)展[2]，飽和導(dǎo)水率是土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一[3]，它是計算土壤剖面中水的通量和設(shè)計灌溉、排水系統(tǒng)工程的一個重要土壤參數(shù)[4]。

就目前的研究情況來看，許多學者對飽和導(dǎo)水率的空間變異性[5-8]，飽和導(dǎo)水率的影響因素做了相關(guān)研究。呂殿青等[9]，杜詠梅等[10]研究了土壤容重對飽和導(dǎo)水率的影響。遲春明等[11]，方堃等[12]研究了土壤機械組成對飽和導(dǎo)水率的影響。秦耀東等[13]研究了土壤孔隙對飽和導(dǎo)水率的影響。陳效民等[14]，彭舜磊等[15]研究了土壤有機質(zhì)含量對飽和導(dǎo)水率的影響?？偟膩碚f，影響飽和導(dǎo)水率的主要因素有土壤容重、有機質(zhì)、孔隙度和土壤機械組成。

土地利用方式是決定土壤物理化學性質(zhì)變化的重要因素[16]，許多學者研究了不同因素對飽和導(dǎo)水率的影響，但很少有人研究不同的土地利用類型對飽和導(dǎo)水率的影響。因此，本文選取不同土地利用類型的樣地，綜合分析其飽和導(dǎo)水率的剖面變化規(guī)律以及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，為研究不同土地利用類型的土壤水分運動規(guī)律提供依據(jù)，對于合理利用土地資源及環(huán)境保護均具有十分重要的理論和實踐意義。

1試驗區(qū)概況

研究地點選擇在重慶市四面山，地理坐標為北緯28°31′14″—28°46′00″，東經(jīng)106°17′22″—106°30′00″。地勢南高北低，海拔為900～1 500 m，屬四川盆地川東褶皺帶與貴州高原大婁山山脈的過渡地段。巖層主要是白堊紀晚期夾關(guān)組厚層紅色砂巖經(jīng)張力作用和外營力作用的強烈沖蝕切割形成的典型丹霞地貌。研究區(qū)位于四面山張家山林區(qū)，其氣候?qū)俦卑肭騺啛釒Ъ撅L性濕潤區(qū)，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明，無霜期為285 d。多年平均氣溫13.7 ℃，月平均最高氣溫為8月，達31.5 ℃，月平均最低氣溫為1月，為-5.5 ℃。多年平均降雨量1 522.3 mm，日最大降雨量160.5 mm，雨季集中在5—9月，占年平均降雨量的62.17%。降雨量變化較大，海拔每上升100 m，降雨量遞增43.3 mm。年平均日照時數(shù)為1 082.7 h，生長季5—9月的日照時數(shù)約為全年日照時數(shù)的64%。

研究區(qū)內(nèi)土壤主要由白堊紀夾關(guān)組磚紅色長石、石英砂巖夾磚紅色、紫紅色粉砂巖等風化殘積物、沖積物發(fā)育而成，主要土壤類型有：黃棕壤、黃壤等。

2研究方法

2.1　樣地選取與植被調(diào)查

按照不同土地利用方式共選取11個樣地作為研究對象，每個樣地的大小為20 m×20 m，其中荒地為無作物的廢棄農(nóng)地，用樣線法調(diào)查樣地內(nèi)植被情況，其基本情況見表1。

表1　樣地基本情況

2.2　土樣采集與測定

沿每塊樣地(20 m×20 m)的坡上、坡中和坡下隨機布設(shè)3個土壤采樣點，挖掘深度為1 m的土壤剖面，按照0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm分5層進行土樣采集，每層重復(fù)取樣3次，取平均值。采集的土樣在室內(nèi)進行測定，土壤容重，毛管孔隙度，非毛管孔隙度用環(huán)刀法測定；土壤機械組成用比重計法測定；有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測定。

2.3　土壤飽和導(dǎo)水率測定

使用ST-70A型土壤水分滲透儀，以定水頭法測定各類土壤各土層的飽和導(dǎo)水率。定水頭法是在測定過程中維持進口土層水頭不變的情況下測定土壤導(dǎo)水率的方法[2]。根據(jù)公式(1)可計算溫度為t(℃)時的土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)：

(1)

式中：H——進口端水頭(cm)；V——水分出水量(cm3)；t——水分出流時間(s)；L——土柱長度(cm)；A——土柱橫截面積(cm2)。

2.4　數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理用SPSS 20.0，主要用雙變量相關(guān)分析法分析孔隙度以及土壤機械組成和飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，回歸分析法分析容重以及有機質(zhì)和飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，主成分分析法分析影響飽和導(dǎo)水率的主要影響因子。

3結(jié)果與分析

3.1　不同土地利用類型飽和導(dǎo)水率的特征

不同土地利用類型的樣地各土層飽和導(dǎo)水率的變化范圍都在0.001 179～0.010 533 cm/s之間，都達到了很高的飽和導(dǎo)水率[1]，土壤入滲能力很強。不同土地利用類型飽和導(dǎo)水率剖面分布見圖1。由圖1中可以看出，在所有樣地中荒地的各土層的土壤飽和導(dǎo)水率最低，天然針闊混交林的土壤飽和導(dǎo)水率最高。所有樣地各土層的Ks均隨著土層深度的增加而顯著減少，其變化規(guī)律滿足負指數(shù)規(guī)律，見公式(2)。這是因為隨著土層深度的增加，土壤容重增加，孔隙度減少，有機質(zhì)含量降低。0—60 cm土層的土壤飽和導(dǎo)水率隨土層深度增加而減少的趨勢最為顯著，不同土地利用類型的樣地的土壤飽和導(dǎo)水率之間的差異也較大；60—100 cm土層的土壤飽和導(dǎo)水率隨土層深度增加而減少的趨勢有所減緩。其原因可能是60—100 cm土層隨土層深度增加孔隙度和有機質(zhì)含量變化幅度較小，植物根系的作用明顯減少。植物根系及土壤生物產(chǎn)生的土壤大孔隙的多少對土壤飽和導(dǎo)水率起著重要作用[17]。

Ks=7.413 1e-0.018Z(R2=0.76)

(2)

圖1　不同土地利用類型飽和導(dǎo)水率剖面分布

式中：Ks——飽和導(dǎo)水率(10-3cm/s)；Z——土層深度(cm)。

不同土地利用類型平均飽和導(dǎo)水率見圖2，由圖2中可以看出不同土地利用類型的平均飽和導(dǎo)水率都比荒地高，其順序為：林地>農(nóng)地>草地>荒地。究其原因，植被對土壤都有一定的改良作用，是影響入滲的重要因素。植物群落演替，林分結(jié)構(gòu)以及物種豐富度都對土壤的理化性質(zhì)的改變起著重要作用?？葜β淙~層的分解能提高表層土壤的有機質(zhì)含量。植物根系對土壤的穿插和破碎作用可以增加土壤孔隙度，降低土壤緊實度，提高土壤有機質(zhì)含量。

圖2　不同土地利用類型平均飽和導(dǎo)水率

在林地中，對于同種林分類型，天然林的平均飽和導(dǎo)水率均高于人工林，這是因為相比天然林，人工林的樹種較為單一，林分簡單。從表1可以看出，天然林的郁閉度和灌草覆蓋度均高于人工林。這可能還與天然林的樹齡大于人工林有關(guān)。因此，天然林地的土壤有機質(zhì)含量更高，土壤質(zhì)地更為疏松多孔，土壤入滲能力更強。

對比其他樣地，天然針闊混交林的平均飽和導(dǎo)水率最高，比荒地提高了143%，其原因是天然針闊混交林植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物種豐富度高，土壤有機質(zhì)含量高，植物根系分布廣泛，增加了土壤孔隙度，降低土壤容重，使土壤更為疏松。農(nóng)地和草地對平均飽和導(dǎo)水率的提高程度相對較少，分別比荒地提高了32%，14%，2%和3%，其原因是農(nóng)地和草地的植物群落結(jié)構(gòu)簡單，物種豐富度相對較低，植物根系較淺且分布范圍較窄，因此對土壤理化性質(zhì)的改良較小，農(nóng)地相比草地而言由于人為影響較多，對其進行的施肥和耕作使得農(nóng)地的有機質(zhì)含量和孔隙度均高于草地，因此平均飽和導(dǎo)水率也更高。

3.2　土壤物理性質(zhì)對飽和導(dǎo)水率的影響

平均飽和導(dǎo)水率與土壤物理性質(zhì)緊密相關(guān)，其中，土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及土壤的機械組成對其影響最為顯著[2,15,18]。

3.2.1土壤容重對飽和導(dǎo)水率的影響土壤容重的不同將改變土壤的孔隙狀況，因而導(dǎo)致土壤的飽和導(dǎo)水率的變化[19]。土壤容重對平均飽和導(dǎo)水率有著顯著影響。飽和導(dǎo)水率與土壤容重的擬合見圖3。從圖3中可以看出平均飽和導(dǎo)水率隨容重的增加而減小，與容重成反比關(guān)系，并呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)形式遞減，與呂殿青等[9]的結(jié)論一致，其關(guān)系式見公式(3)。有學者的研究表明平均飽和導(dǎo)水率與容重呈顯著的一元二次多項式負相關(guān)的關(guān)系[17]，也有學者得出平均飽和導(dǎo)水率與容重呈顯著線性關(guān)系[20]。但是都認可平均飽和導(dǎo)水率隨容重的增加而減少。有學者指出土壤容重增加，土壤的大孔隙顯著減小，因而使土壤的飽和含水量明顯降低[19]。

Y=5.962X-2.456(R2=0.819)

(3)

式中：Y——飽和導(dǎo)水率(10-3cm/s)；X——土壤容重(g/cm3)。

圖3　飽和導(dǎo)水率與土壤容重的擬合

3.2.2土壤機械組成對飽和導(dǎo)水率的影響通過SPSS相關(guān)分析土壤機械組成得出，砂粒、粉粒、黏粒的顯著性分別為0.057，0.543和0.002，砂粒和粉粒的顯著性都大于0.05，因此土壤中砂粒和粉粒的含量與平均飽和導(dǎo)水率不具有相關(guān)性。黏粒與平均飽和導(dǎo)水率呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.513。這是因為影響土壤基質(zhì)特征最有決定意義的粒級是土壤黏粒，土壤黏粒具有巨大的比表面積，在物理化學過程中最為活躍，已具有膠體的性質(zhì)，黏粒吸附水分，使土壤在濕潤和干燥中膨脹和收縮[1]。并且黏粒高度分散，土壤透水孔隙被堵塞，致使土壤飽和導(dǎo)水率降低[11]。

3.2.3土壤孔隙度對飽和導(dǎo)水率的影響土壤孔隙度的大小、數(shù)量及分布是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是評價土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標[21]。通過SPSS相關(guān)分析得出總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度與平均飽和導(dǎo)水率的相關(guān)系數(shù)分別是0.753，0.633與0.637。因此土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度與平均飽和導(dǎo)水率呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤大孔隙所形成的優(yōu)先流對平均飽和導(dǎo)水率有顯著影響，隨著土壤大孔隙的增加，平均飽和導(dǎo)水率也顯著增加[13-17]。

3.3　土壤有機質(zhì)含量對飽和導(dǎo)水率的影響

土壤有機質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定作用的核心物質(zhì)，通過改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤膠體狀況等，影響土壤飽和導(dǎo)水率，起到調(diào)控水分運動的功能[2]。不同土地利用類型土壤有機質(zhì)含量及有機質(zhì)與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系見圖4。從圖4中可以看出，有機質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少，0—60 cm土層的有機質(zhì)含量減少速率較60—100 cm土層快，不同土地利用類型的有機質(zhì)含量均高于荒地，說明植被對于有機質(zhì)含量起著重要作用，其中天然針闊混交林的有機質(zhì)含量最高，這與其植物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和物種豐富度密切相關(guān)。有機質(zhì)含量隨土層深度變化的規(guī)律與平均飽和導(dǎo)水率的變化規(guī)律一致。

圖4　不同土地利用類型土壤有機質(zhì)含量及有機質(zhì)與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

通過線性回歸分析得出平均飽和導(dǎo)水率與有機質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，平均飽和導(dǎo)水率隨著有機質(zhì)含量的增加而增大，呈線性相關(guān)，關(guān)系式見公式(4)。由此說明有機質(zhì)很好的改善了土壤的透水性能，使土壤更疏松。土壤有機質(zhì)則在一定范圍內(nèi)增加了土壤孔性，提高了土壤飽和導(dǎo)水率[2]。

Y=0.100X+1.912(R2=0.865)

(4)

式中：Y——飽和導(dǎo)水率(10-3cm/s)；X——有機質(zhì)含量(g/kg)。

3.4　影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子分析

影響飽和導(dǎo)水率的原因很多也很復(fù)雜，其影響因子之間有較強的相關(guān)性，簡單的相關(guān)分析不能直觀而全面地反映他們之間的關(guān)系，為了消除評價指標間的相關(guān)影響，更好的研究其主導(dǎo)因子，故采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件中的主成分分析方法，分析土壤不同的理化性質(zhì)對平均飽和導(dǎo)水率的影響，進一步分析其主導(dǎo)因子。主成分中不同影響因素荷載見表2。

表2為11個樣地的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)極大正交旋轉(zhuǎn)后得到的因子矩陣，反映了理化性質(zhì)在不同范疇內(nèi)的主導(dǎo)因素。

從表2中可以看出前兩個主成分的累計貢獻率達到了81.655%，可以綜合反映影響平均飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子。第1主成分范疇的特征值為3.444，對總方差的貢獻率為52.199%，即第1主成分可以解釋土壤理化性質(zhì)對平均飽和導(dǎo)水率的影響的52.199%的情況。其中以土壤容重、有機質(zhì)含量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度及黏粒為主。第2主成分的特征值為1.922，對總方差的貢獻率為29.456%，因此，第2主成分也起著較大的作用。第2主成分是土壤機械組成的綜合指標，其中，砂粒和粉粒起著至關(guān)重要的作用，砂粒對平均飽和導(dǎo)水率起促進作用，粉粒對平均飽和導(dǎo)水率起抑制作用。

從表2中可以看出，在第1主成分中，有機質(zhì)、毛管孔隙度和非毛管孔隙度與平均飽和導(dǎo)水率呈正相關(guān)關(guān)系，土壤容重和黏粒與平均飽和導(dǎo)水率呈負相關(guān)，其荷載值順序為：土壤容重>有機質(zhì)>非毛管孔隙度>毛管孔隙度>黏粒。容重的影響最大，其影響系數(shù)為-0.920，其原因可能是，隨著土壤容重的增加，土壤孔隙度減少，土壤通透性變差，土壤緊實度提高，Ks也相應(yīng)降低。其次是有機質(zhì)對平均飽和導(dǎo)水率的影響，其影響系數(shù)達到了0.912，說明有機質(zhì)對平均飽和導(dǎo)水率有積極的促進作用，有機質(zhì)含量的提高使土壤更為疏松多孔，導(dǎo)水性能更好。非毛管孔隙度比毛管孔隙度對平均飽和導(dǎo)水率的促進作用明顯，可能是因為非毛管孔隙當量孔徑更大，能夠更好地促進土壤入滲。土壤機械組成中黏粒的作用最大，對平均飽和導(dǎo)水率有較強的抑制作用，因為黏粒吸水后，表面積增大，降低土壤孔隙度，進而減小了平均飽和導(dǎo)水率。

表2　主成分中不同影響因素荷載

4結(jié) 論

(1) 與荒地相比，不同土地利用類型的土壤飽和導(dǎo)水率均高于荒地，說明植被是影響飽和導(dǎo)水率的重要因素，其中林地的平均飽和導(dǎo)水率最高，草地最低。在林地中，對于同種林分，天然林飽和導(dǎo)水率高于人工林，其中，天然針闊混交林的飽和導(dǎo)水率最高。在土壤剖面上，飽和導(dǎo)水率隨土層深度的增加而減少，呈現(xiàn)出負指數(shù)遞減規(guī)律。

(2) 飽和導(dǎo)水率與土壤理化性質(zhì)聯(lián)系緊密，飽和導(dǎo)水率與土壤容重呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，隨土壤容重的增加而減少；與總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)；與黏粒含量呈負相關(guān)；與土壤有機質(zhì)呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。通過主成分分析，得出影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子是土壤容重，有機質(zhì)含量和非毛管孔隙度。同時，土壤機械組成也是不可忽略的影響因子。

(3) 重慶市四面山地處亞熱帶地區(qū)，降雨量多且強度大，土壤飽和導(dǎo)水率的提高有利于地表水分下滲，減少地表徑流，對減少水土流失和山地災(zāi)害有著重要意義。本研究通過對不同土地利用方式的土壤剖面飽和導(dǎo)水率特征及影響因子分析，希望能為更好合理利用土地資源提供依據(jù)。

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Saturated Hydraulic Conductivity of Different Land Use Types in Simian Mountain of Chongqing City

RUAN Xinzhu1, CHENG Jinhua1, ZHANG Hongjiang1, DU Shi-cai2,

LI Shiyou3, ZHANG Fuming4, WANG Xian1, CHEN Xiaobing1

(1.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;

2.ChongqingForestryBureau,Chongqing401147,China; 3.ThePeople’sGovernmentofSimianshantownofChongqing,

Chongqing402296,China; 4.ChongqingSimianshanForestResourceManagementBureau,Chongqing402296,China)

Abstract：[Objective] The research focuses on the effect of the different land use types and soil physicochemical properties on saturated hydraulic conductivity. [Methods] The constant-hydraulic head method was used to measure soil saturated hydraulic conductivity(Kspan) for different land use types in Simian Mountain of Chongqing City. Regression analysis, correlation analysis and principle component analysis was used to analyze the relationship between Kspanand soil physical factors and organic matter. [Results] The Kspanwas the lowest in wasteland, and the descending order was: forest land > farmland> grassland. The Kspanin natural forest was higher than that in artificial forest, and it was negative exponential declined with the increase of the soil depth. There was a power function relationship between Kspanand unit weight, and Kspanwas positively related to soil porosity and negatively related to clay content. The increase of organic matter could improve the Kspan.[Conclusion] The unit weight, organic matter, non capillary poropsity and capillary poropsity are the main factors that influence Kspan. Besides, soil mechanical composition also has some impact on Kspan.

Keywords:different land use types; saturated hydraulic conductivity; physical factors; organic matter; Simian Mountain

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0079-06

中圖分類號：S157， S152.5

通信作者：程金花(1979—),女(漢族),山東省東阿縣人,博士, 副教授，主要從事土壤侵蝕與植被恢復(fù)研究。E-mail:jinhua_cheng@126.com。

收稿日期：2014-01-12修回日期：2014-01-23

資助項目：國家林業(yè)局推廣項目“三峽庫區(qū)低山丘陵區(qū)水土保持型植物群落建設(shè)技術(shù)”([2012]42); 國家自然科學資助項目(41271300，30900866)

第一作者：阮芯竹(1990—),女(漢族),重慶市人,學士,研究方向為水土保持。E-mail:ruan537@163.com。