兰州市南北两山5种典型人工林土壤的渗透特性

2021-08-09刘小娥苏世平

水土保持通报 2021年3期

刘小娥, 苏世平, 李毅

(甘肃农业大学林学院, 甘肃, 兰州 730070)

水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一，森林土壤是森林涵养水源的主体，该功能的85%以上由土壤层实现[1]。土壤渗透性是评价土壤入渗快慢的重要参数之一[2]，渗透性好，对降水及灌溉水的下渗速度和下渗量就多，可有效减少和减缓地表径流。有研究表明，土壤渗透能力与土壤容重、孔隙度等物理性质关系显著或极显著，与土壤有机质、氮、磷、钾等化学性质有直接或间接的关系[3]。也有研究表明，土壤渗透能力与林分立地条件和树种组成以及土壤生物因子等有密切关系[4-6]。目前，有关不同立地、不同林分条件下土壤渗透能力的研究较多[1,4]，但所研究的林分林龄或立地条件不尽相同，可能不能准确评价林分对土壤渗透特性的影响。因此，探讨同一立地、相同起源条件下的同一林龄、不同树种组成的林分土壤渗透能力，有助于揭示树种对土壤改良的能力，可为特定区域人工林营造时树种选择提供一定的理论依据。

甘肃省兰州市南北两山是兰州市重要的生态屏障，由于地处黄土高原半干旱区，土壤贫瘠，保水能力差，导致植被天然恢复困难，在植被人工恢复过程中，大规模采用侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、新疆杨(Populusalbavarpyramidalis)作为该区域的主要造林树种，所营造的人工林在保持水土、涵养水源方面发挥着重要的作用。目前，对兰州市南北两山人工林的研究主要集中在树种选择[7-8]、群落结构[9]、林分养分、水分、微生物等[10-11]方面，而对于土壤渗透性方面的研究仅见对侧柏林地土壤渗透性的研究[12]。因此，研究不同林分类型土壤渗透特性，揭示其渗透规律，探讨影响林分渗透能力的主导因子，为该区域人工林营建过程中树种选择及现有林分的抚育管理提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

兰州市南北两山位于黄土高原丘陵区，年均降水量327.7 mm，年均蒸发量1 468 mm，年均气温9.1 ℃；气候干旱，降水稀少，属中温带半干旱区温带草原气候[13]。南山东起榆中县和平镇营盘水，西至西固区新城乡新城桥，南至七里河区阿干镇现子口；北山东起城关区青白石乡张儿沟，西至西固区达川乡达家沟，南临黄河，北至兰州中川机场，东西长约60 km，南北宽约5～50 km。

1.2 试验设计

本研究选取该区域面积较大、分布较广的5种人工林进行土壤渗透特性研究。各林分组成为：侧柏林(Platycladusorientalis)，乔木层为侧柏，林内无其他乔木和灌木；刺槐林(Robiniapseudoacacia)，乔木层为刺槐，灌木层为极少量白榆(Ulmuspumila)幼苗和甘蒙柽柳(Tamarixaustromongolica)；新疆杨(Populusalbavarpyramidalis)林，乔木层为新疆杨，灌木层为少量紫穗槐(Amorphafruticosa)、柽柳(Tamarixchinensis)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinkii)和沙枣(Elaeagnusangustifolia)；新疆+杨刺槐混交林，乔木层由新疆杨和刺槐组成，树种组成比例为5新疆杨+5刺槐(数量比例)，灌木层为少量柽柳和白榆幼苗；侧柏+刺槐混交林，乔木层为侧柏和刺槐组成，树种组成比例为3侧柏+7刺槐(数量比例)，灌木层为少量柠条锦鸡儿、甘蒙柽柳和白榆。5种人工林基本情况见表1。

2019年8月，在兰州市南北两山选择造林时间基本一致、土壤类型、坡向、坡位相同的5种人工林林分类型，每种林分类型选取3个海拔和林相基本一致的代表性林分，北山2个(为九州台和徐家山)，南山1个(为大洼山)；每种林分类型设立3个10 m×10 m代表性样地，调查林分树种组成及生长状况(表1)。在每个样地内沿对角线方向随机选取3个1 m×1 m小样方进行土壤剖面挖掘，在挖好的剖面上，按照0—20，20—40，40—60 cm和60—80 cm土层深度，用100 cm3的环刀取原状土，每土层3个重复，每种林分类型每土层总共取样27个；将所取样品带回实验室进行土壤渗透性测定。

表1 兰州市南北两山不同林分类型基本概况

1.3 土壤理化性质测定

采用双环渗透法测定土壤入渗过程[14]。在室外用环刀取原状土，带回室内浸入水中12 h，然后将环刀取出，上面套上一个大小相似的空环刀，接口处先用胶布封好。往上面的空环刀中加水，水层厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时开始计时，之后隔1，2，3，4，5，6 min,…,测量并记录一次通过土柱渗透出的水量。测定过程中要不断将上面环刀水面加至原来高度，一直测到4个单位时间内渗出水量相等时为止。

初渗速率=最初入渗时段内渗透量/入渗时间

平均渗透速率=达到稳渗时的渗透总量/达到稳渗时的时间

稳渗速率=单位时间内渗透量稳定后的渗透速率

渗透总量=前150 min钟内的渗透量

物理性质：采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度；用烘干法测定土壤自然含水率。化学性质：土壤 pH值采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮采用半微量开氏法测定；土壤无机氮采用KCl浸提，连续流动分析仪测定；土壤全磷采用钼锑抗比色法测定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提比色法测定；土壤全钾采用火焰光度法测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提，火焰光度法测定。

1.4 土壤水分渗透过程模拟

结合前人研究结果[15-16]，本研究选取4个常用的土壤水分渗透模型对不同林分不同土壤层入渗过程进行过拟合。Kostiakov模型为：y=αt-β，Horton模型为：y=α+βe-nt，Philip模型为：y=α+βt-1/2，通用经验模型为：y=α+βt-n。式中：y为入渗速率(mm·min-1)；t为入渗时间(min)；α，β，n为拟合参数。

1.5 数据处理

采用SPSS 17.0软件进行主成分分析、相关性分析和土壤水分渗透过程拟合。

2 结果与分析

2.1 不同林分土壤渗透性能

水分的入渗过程是一个复杂的水文过程，土壤的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率和渗透总量是评价土壤水分入渗的重要指标。在林地中，土壤水分入渗的快慢与林分类型、凋落物累积量、根系分布等因素有密切的关系[17-18]。

从图1可以看出，土壤初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率和渗透总量在不同林分类型之间均有较大的差异，初渗速率在0.26～4.07 mm/min之间，稳渗速率在0.08～1.78 mm/min之间，平均渗透速率在0.09～2.20 mm/min之间，渗透总量在5.55～123.43 mm之间。0—80 cm土层，4个土壤渗透参数均表现为新疆杨+刺槐混交林>侧柏+刺槐混交林>刺槐林>侧柏林>新疆杨林，新疆杨+刺槐混交林的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率和渗透总量依此为2.32，0.89，1.14 mm/min及63.05 mm，分别是新疆杨林的3.80，2.34，2.85，2.69倍。4个土壤渗透参数在土层之间差异显著，随着土层深度的增加均呈现降低的趋势，0—20 cm土壤层的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率和渗透总量分别是60—80 cm的5.11，6.53，6.84，6.65倍。

为了综合评价不同林分类型土壤渗透性能的差异，以土壤初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率和渗透总量为指标进行主成分分析发现(表2)，第1主成分的方差累计贡献率达98.08%，几乎解释了整个总方差，信息损失量很少。因子负荷量表明，第1主成分所有变量的正荷载相差不大，以渗透总量和平均渗透速率最高，分别为0.998 5，0.999 3，可以解释为对土壤渗透能力总的量度，第一主成分方程为α=0.504 1α1+0.504 5α2+0.492 3α3+0.498 9α4(α1，α2，α3，α4为渗透总量、平均渗透速率、初渗速率、稳渗速率经过Z标准化的值)。

表2 土壤渗透性主成分分析

注：PO为侧柏林； RP为刺槐林； PA为新疆杨林。下同。

根据第一主成分方程，计算兰州市南北两山5种林分不同土壤层的土壤渗透性能得分，并根据得分进行排名(表3)。由表3可知，不同林分类型的土壤渗透性能随着土层深度的增加而降低，各林分不同土壤层的土壤渗透性排序略有不同，但均表现为新疆杨+刺槐混交林的最好。从平均得分来看，新疆杨+刺槐混交林的土壤渗透性最佳，侧柏+刺槐混交林次之，侧柏林最小。

表3 兰州市南北两山5种不同类型林分林地土壤渗透性评价

2.2 不同林分土壤水分入渗过程模拟

采用Kostiakov方程，Horton方程，Philip方程和通用经验方程4种模型对5种林分不同土壤层水分的入渗过程进行拟合，结果发现，4个回归模型的相关性均达到显著水平，但模型的拟合优度存在差异(表4)。Kostiakov方程拟合优度在0.611～0.995之间，平均值为0.898；Horton方程拟合优度在0.951～0.996之间，平均值为0.981；Philip方程拟合优度在0.785～0.996之间，平均值为0.949；通用经验方程拟合优度在0.888～0.997之间，平均值为0.977。从拟合优度(R2)考虑，Horton方程拟合效果最好，通用经验方程次之，Philip方程较差，Kostiakov方程最差。从拟合残差看，通用经验方程的残差均值为0.183 4，Horton方程为0.334 0，Philip方程为0.343，Kostiakov方程为0.420，结合残差和R2选出29个土壤水分入渗最优模型，其中通用经验方程和Horton方程各13个，各占总数的44.83%，Philip方程3个，Kostiakov方程0个。以上研究表明，通用经验方程比较适合于描述本研究区5种人工林的土壤水分入渗过程。

表4 不同林分不同土层土壤入渗模型

2.3 土壤理化性质对土壤渗透性能的影响

土壤的渗透性能与土壤的理化性质存在相关性(表5)。土壤的渗透性与土壤初始含水率、总孔隙度、有机质含量、全氮、无机氮呈极显著正相关，与毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈显著或极显著正相关，与土壤容重呈极显著负相关。

表5 土壤理化性质与渗透性相关关系矩阵

根据相关性分析的结果，选择与土壤渗透性极显著或显著相关的8个因子进行主成分分析(表6)，第1主成分贡献率为94.07%，负荷量在0.954 0以上，其中土壤孔隙度、土壤容重和土壤有机质在第1组分量分负荷度较大，表明与土壤渗透性显著相关的土壤理化性质的第1主成分表达了绝大多数信息，其方程为β=-0.361 9β1+ 0.359 5β2+ 0.362 6β3+ 0.347 8β4+ 0.321 9β5+ 0.359 2β6+ 0.355 3β7+ 0.358 5β8。

表6 8个土壤理化性质参数主成分分析

根据主成分分析结果，将α解释为土壤渗透性，将β解释为土壤理化性质主成分，将α定义为土壤渗透性综合参数，β为土壤理化性质参数，将渗透总量等4个土壤渗透参数以及土壤渗透性综合参数的标准化主成分得分为因变量，以为土壤理化性质参数β为自变量进行过回归分析，得到他们之间的回归方程(表7)。

表7 β与土壤渗透参数及α的回归模型

3 讨论

(1) 通过对5种人工林林分土壤渗透特性研究表明，随着土层深度的增加(0—80 cm)，土壤渗透性能呈现降低趋势。不同林分渗透能力不尽相同，表现为：新疆杨+刺槐混交林>侧柏+刺槐混交林>刺槐林>侧柏林>新疆杨林，混交林土壤的渗透性优于纯林。产生上述结果的原因之一可能是混交林深根系与浅根系互补分布于土壤中，通过根系的生长、凋亡，在土壤中形成了比较多的孔隙所致，因兰州市南北两山的刺槐绝大多数根系集中于0—120 cm层[19]、新疆杨80%以上的根系分布于0—40 cm层[20]和侧柏根系主要分布在0—50 cm土层[21]；原因之二可能是与林分凋落物累积量有关，相关研究发现[22]，这种林分中，混交林枯落物累积量为35.15～47.01 t/hm2，而纯林的累积量为13.5～26.34 t/hm2，较多的枯落物经分解形成比较多的有机质(10.14～11.67 g/kg)，而土壤有机质含量和土壤渗透性存在极显著正相关关系[23]，其在降低土壤容重、增加孔隙度方面具有良好的作用[24]；原因之三可能与林分的郁闭程度和冠层厚度有关，混交林由于不同树种树冠层次不同，所构成的林分冠层比纯林的厚，郁闭度也比较高，比纯林能有效降低林内光照，增加林地湿度，增加土壤生物[25-26]。但本研究也发现，尽管侧柏林地的郁闭度为0.85，在5种林分中属最高，但是其土壤自然含水量低，这可能与其树种类型有关，在相同郁闭度的情况下，侧柏林分要比其他林分具有更高的冠层叶表面积，对降雨的截留也会更高，导致降落到林地的降雨量减少[27]。

(2) 本研究通过对涉及土壤理化性质的13个因子进行相关性分析表明，土壤初始含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤容重与土壤的渗透性存在极显著或显著的相关关系，这与李建兴等[28]、闫东锋等[29]的研究结果一致，随土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度的增加，降低土壤容重，土壤变得疏松多孔，提高了土壤中水分的纵向和横向渗透，缩短了渗透时间，最终提高了土壤的渗透能力。