宋愛(ài)云, 董林水, 劉世榮, 劉京濤

(1.濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濱州 256603; >2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091)

土壤水分入滲性能能夠決定降雨進(jìn)程和再分配過(guò)程中的地表徑流水平、土壤儲(chǔ)水性能以及地下水的補(bǔ)給[1-3]。土壤滲透能力主要受土壤物理性質(zhì)、植被類(lèi)型、地形等因素影響[4-5]。開(kāi)展土壤入滲性能研究，對(duì)于區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)、水土保持措施的制定均具有非常重要的意義[6]。

岷江上游地區(qū)處于青藏高原的東緣地區(qū)，該區(qū)域草地面積占土地總面積的35%，是岷江上游綠色生態(tài)屏障的關(guān)鍵組成部分，在涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)徑流等方面均具有重要作用[7-8]。亞高山草甸是岷江上游草地的主要類(lèi)型之一，開(kāi)展亞高山草甸的土壤入滲性能研究是深入分析流域水文循環(huán)特征和產(chǎn)流機(jī)制的基礎(chǔ)性研究工作。

岷江上游地區(qū)亞高山草甸不同海拔高度的群落優(yōu)勢(shì)種及物種組成均差異較大[9-10]，不同群落類(lèi)型生境下的土壤入滲特征是否存在顯著差異，目前還沒(méi)有研究清楚，比較分析亞高山草甸不同群落類(lèi)型的土壤入滲特征，將為今后開(kāi)展亞高山草甸生態(tài)水文功能分類(lèi)量化和評(píng)估提供理論依據(jù)。

本研究在臥龍自然保護(hù)區(qū)選擇不同海拔高度(3 100～3 600 m)的3種亞高山草甸群落類(lèi)型，分別研究比較其土壤入滲特征及影響因素。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省臥龍自然保護(hù)區(qū)西北部，地理位置在東經(jīng)102°52′—103°54′、北緯30°45′—31°20′，屬于典型的亞熱帶內(nèi)陸山地氣候，冬夏季風(fēng)交替顯著，氣候涼爽，雨熱同季，干濕分明。區(qū)域內(nèi)亞高山草甸主要分布在海拔3 100～3 650 m，水土保持能力強(qiáng)，表層有機(jī)質(zhì)含量高，土壤為酸性土壤。本研究選擇不同海拔高度的3種亞高山甸群落類(lèi)型，包括糙野青茅草甸(3 100～3 300 m)、狼毒草甸(3 350～3 450 m)和嵩草草甸(3 500～3 600 m)，對(duì)其研究比較土壤入滲特征。上述3種亞高山草甸群落類(lèi)型重要值最大的優(yōu)勢(shì)種分別為糙野青茅(Deyeuxiascabrescens(Griseb.)Munro ex Duthie)、狼毒(StellerachamaejasmeLinn.)和四川嵩草(KobresiasetchwanensisHand.-Mazz.)，其具體的群落結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表1。

1.2　土壤取樣及測(cè)定方法

在亞高山草甸生長(zhǎng)最旺盛的8月份，采用樣帶和樣方法進(jìn)行土壤樣品的取樣測(cè)定工作。分別在上述3種亞高山草甸類(lèi)型內(nèi)各選取8個(gè)樣地，共計(jì)24個(gè)樣地。每個(gè)樣地內(nèi)選擇植被分布均勻的典型地段設(shè)置3個(gè)1×1 m2樣方。在每個(gè)樣方內(nèi)收獲其中所有植物的地上部分，用于測(cè)定單位面積的地上生物量。同時(shí)，在上述每個(gè)1×1 m2樣方內(nèi)挖土壤剖面，每個(gè)剖面分為3層，分別為0—15 cm，15—30 cm，30—45 cm，在每層內(nèi)用100 cm3環(huán)刀取原狀土樣兩個(gè)。室內(nèi)測(cè)定土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度以及土壤通氣度[11]，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。土壤入滲速率采用雙環(huán)法測(cè)定[12]。測(cè)定數(shù)據(jù)采用Excel及SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。

表1　亞高山草甸3種典型群落類(lèi)型的樣地概況

表2　不同亞高山草甸群落類(lèi)型的土壤水分物理性質(zhì)

1.3　土壤入滲模型選擇

土壤入滲可用達(dá)西定律描述，Richards首次將其引入非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)中，并建立了Richards方程[13]。之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了很多模擬土壤入滲速率隨時(shí)間變化的入滲模型，本研究選擇比較經(jīng)典的4種模型對(duì)亞高山草甸土壤入滲過(guò)程進(jìn)行模型擬合，即Philip模型、蔣定生模型、Horton模型和Kostiakov模型[14]。

表3　土壤水分入滲模型公式及參數(shù)說(shuō)明

2　結(jié)果與分析

2.1　不同草甸群落的土壤入滲過(guò)程及特征

從圖1中可看出，3種亞高山草甸群落類(lèi)型的表層土壤(0—15 cm)的入滲特征均表現(xiàn)出類(lèi)似變化規(guī)律，即在入滲初期滲透速率變化較快，然后變化趨于平緩，最后逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。亞高山草甸的土壤入滲過(guò)程總體上可以分為3個(gè)階段：(1) 入滲瞬變階段(0—5 min)，入滲過(guò)程的初始階段是水分浸潤(rùn)階段，入滲水量首先供給土壤毛管孔隙后，形成一定的水壓，使下滲峰面快速延伸。此階段內(nèi)土壤入滲速率隨時(shí)間急劇下降，3種群落類(lèi)型的滲透速率表現(xiàn)為：嵩草草甸>狼毒草甸>糙野青茅草甸，其土壤初始入滲速率依次為21.89，18.85，9.82 mm/min。(2) 入滲漸變階段(5—30 min)，此階段主要是包氣帶內(nèi)土壤孔隙水分的充填過(guò)程，因而，這一階段內(nèi)的土壤入滲速率趨緩，其中嵩草草甸入滲速率的減少速度明顯快于其他兩種群落類(lèi)型，至30 min時(shí)嵩草草甸與狼毒草甸的入滲速率已基本相當(dāng)。(3) 穩(wěn)定入滲階段(30 min后)，土壤孔隙被水分充滿達(dá)到飽和后，水分在重力作用下向下滲透，入滲速率穩(wěn)定在相對(duì)固定的水平上，即為穩(wěn)滲速率。3種亞高山草甸群落類(lèi)型表層土壤的穩(wěn)定入滲速率為狼毒草甸>嵩草草甸>糙野青茅草甸，其值依次為10.37，9.03，4.72 mm/min。

圖13種亞高山草甸群落類(lèi)型表層土壤(0-15cm)水分入滲過(guò)程

為了研究亞高山草甸不同土層的入滲特征，本文以嵩草草甸為例，對(duì)比分析了不同土壤層次的入滲過(guò)程。由圖2可知，嵩草草甸土壤入滲能力隨土層深度增加而遞減，表層土壤(0—15 cm)的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均明顯大于中層(15—30 cm)和下層(30—45 cm)，不同時(shí)段的土壤入滲速率均隨土層深度增加而逐步遞減，這主要是由于隨著土層深度增加，土壤容重不斷增大，而總孔隙度則逐漸減小(表1)，從而導(dǎo)致土壤入滲速率逐步減小。

圖2嵩草草甸不同深度土壤的水分入滲過(guò)程

2.2　亞高山草甸土壤入滲模型擬合

利用表3中的4個(gè)模型，擬合亞高山草甸土壤的入滲過(guò)程，結(jié)果見(jiàn)表4。不同模型的模擬效果可用回歸方程的決定系數(shù)R2表示，其值越大，擬合效果越好。由表4可看出，總體來(lái)看土壤入滲過(guò)程以Horton模型的擬合效果最好，其次為Kostiakov 模型，而其余兩種模型擬合精度相對(duì)要低一些。Horton模型屬經(jīng)驗(yàn)公式，能夠描述長(zhǎng)時(shí)間的土壤入滲特征，且模型參數(shù)具有物理意義，因而，Horton模型適于描述亞高山草甸的土壤入滲過(guò)程。

2.3　亞高山草甸土壤入滲性能的影響因素

土壤滲透性受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、生物量等多種因素的影響。對(duì)亞高山草甸不同群落類(lèi)型的土壤穩(wěn)滲速率與土壤物理性質(zhì)及單位面積群落地上生物量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，涉及指標(biāo)(表5)包括：土壤穩(wěn)滲速率(Y)、土壤容重(X1)、毛管孔隙度(X2)、總孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤通氣度(X5)、最大持水量(X6)、毛管持水量(X7)、最小持水量(X8)及單位面積地上生物量(X9)。

表4　4種土壤入滲模型的回歸參數(shù)

表5　土壤入滲性能與影響因素相關(guān)性分析

注：*為0.05水平上顯著相關(guān);**為0.01水平上顯著相關(guān)。

表5看出，土壤穩(wěn)滲速率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度以及單位面積地上生物量均呈極顯著正相關(guān)，而與其余指標(biāo)間沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系。這主要是由于土壤容重越大，土體越堅(jiān)實(shí)，土壤滲透性能越弱；而單位面積地上生物量越大，對(duì)應(yīng)的地下根系越發(fā)達(dá)，土壤孔隙性越好，因而，滲透性能越好。另外，土壤容重除與毛管孔隙度的相關(guān)性沒(méi)達(dá)顯著水平外，與其余各指標(biāo)均存在極顯著負(fù)相關(guān)，可見(jiàn)土壤容重對(duì)植物生物量及土壤入滲性能均有直接影響。

3　討論與結(jié)論

3.1　討 論

由圖1可知，狼毒草甸與嵩草草甸的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均明顯大于糙野青茅草甸，這主要由于狼毒草甸與嵩草草甸的根系均較為發(fā)達(dá)，土壤質(zhì)地松軟，造成其水分滲透速率相對(duì)較高。趙景波等對(duì)青海湖西北部土壤入滲規(guī)律的研究表明，低草地的穩(wěn)定入滲速率明顯小于高草地，并指出高草地根系發(fā)育深度大是造成這種現(xiàn)象的主要原因[15]。王則宇等對(duì)希拉穆仁天然草地不同群落類(lèi)型的土壤入滲特征進(jìn)行對(duì)比研究表明，洽草群落土壤入滲性能最好，其次為羊草，而銀灰旋花群落土壤入滲性能最差；研究認(rèn)為洽草群落植被蓋度大，腐殖質(zhì)層厚，根系密度大，土壤結(jié)構(gòu)良好，因而更有利于水分的下滲；但銀灰旋花群落退化較嚴(yán)重，土壤板結(jié)，導(dǎo)致其水分滲透性能最差[16]。綜上所述，草地類(lèi)型及其根系發(fā)育情況與土壤的入滲速率密切相關(guān)。

由圖2可知，不同時(shí)段內(nèi)嵩草草甸土壤入滲速率均隨著土層深度的增加而逐步遞減。李超等對(duì)黃土丘陵區(qū)撂荒地不同土層深度的入滲特征研究表明，各樣地土壤的初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率均表現(xiàn)為表層>亞表層>底層[17]。同樣，李建興等對(duì)紫色土坡耕地耕層土壤入滲性能的研究也得出相同結(jié)論，即土壤入滲速率隨著土層深度的增加而遞減[18]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)不同土壤類(lèi)型的入滲過(guò)程進(jìn)行了很多模擬研究，對(duì)于各種模型的模擬精度評(píng)價(jià)不盡相同。馬浩等應(yīng)用Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型和蔣定生模型對(duì)川中丘陵紫色土區(qū)的土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明Horton模型擬合最好[19]。陳文媛等對(duì)不同退耕年限林草植被的土壤入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，認(rèn)為通用模型比Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型更適用于描述黃土丘陵區(qū)的土壤入滲特征[20]。而姚寶林等對(duì)南疆棉田土壤入滲特征的研究表明，通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚄ostiakov模型能較好的模擬各處理土壤入滲過(guò)程，Horton模型次之，Philip模型擬合較差[21]。由此可知，不同的土壤類(lèi)型可能適用不同的入滲模型進(jìn)行擬合，幾種模型無(wú)論是理論的還是經(jīng)驗(yàn)的，均在一定程度上反映了土壤水分的入滲規(guī)律，都有其使用價(jià)值[22]。

土壤入滲性能的影響因素包括土壤物理性質(zhì)、土壤初始含水率、下墊面植被蓋度、地面坡度以及降雨強(qiáng)度等[21]。與本研究的結(jié)果類(lèi)似，馬浩等在川中丘陵紫色土區(qū)開(kāi)展的研究表明，土壤容重與土壤入滲速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]；而董三孝等對(duì)黃土丘陵退耕坡地天然草地的研究表明，隨著群落生物量的逐步增加，土壤入滲能力顯著改善[23]。

隨著植被的自然恢復(fù)，土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤物理性質(zhì)均處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，明確自然植被的演替與土壤入滲性能的響應(yīng)關(guān)系是開(kāi)展植被生態(tài)水文功能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)性工作，因此，今后可重點(diǎn)開(kāi)展相關(guān)的研究工作。

3.2　結(jié) 論

不同亞高山草甸群落類(lèi)型土壤入滲過(guò)程對(duì)比分析表明，在入滲瞬變階段和入滲漸變階段，3種群落類(lèi)型滲透速率大小順序表現(xiàn)為：嵩草草甸>狼毒草甸>糙野青茅草甸。3種亞高山草甸群落類(lèi)型均具有較高的穩(wěn)定入滲速率，通常情況下，該地區(qū)的降水強(qiáng)度較少達(dá)到或超過(guò)穩(wěn)滲速率而超滲產(chǎn)流。以嵩草草甸為例，分析了土壤入滲能力隨土層深度的變化規(guī)律，表明不同時(shí)段的土壤入滲速率均隨土層深度增大而呈逐步遞減趨勢(shì)。

分別應(yīng)用Philip、蔣定生、Horton，Kostiakov模型對(duì)不同亞高山草甸群落類(lèi)型的土壤入滲過(guò)程進(jìn)行了擬合，表明Horton模型擬合精度最高，其次為Kostiakov模型。今后研究中，可采用Horton模型擬合和預(yù)測(cè)亞高山草甸的土壤入滲過(guò)程。

相關(guān)分析表明，土壤穩(wěn)滲速率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度及單位面積地上生物量均呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤容重、土壤孔隙度及植物生物量與土壤入滲性能均密切相關(guān)。

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