广州市白云山五种森林类型的土壤渗透性研究

喻明美，谢正生，2

（1.华南农业大学 林学院，广州 510642；2.华南农业大学 经济林研究中心，广州 510642）

土壤的渗透能力是土壤水文效应评价的重要指标，是反映森林涵养水源功能的重要水文参数［1－2］。土壤渗透性与降雨和灌溉水进入土壤以及在土壤中的贮存情况有关。土壤渗透性是描述土壤入渗快慢的极为重要的土壤物理特征参数之一。土壤渗透性越好，地表径流就会越少，土壤流失量就相应减少［1，3］。所以提高土壤的渗透能力，是降低地表径流及防治水土流失的关键措施［4］。有关土壤渗透能力的研究，已有较多报道，主要从不同山区林地类型［2，5－7］、不同区 域［3，8］、不同土地利用方式［9－10］、不 同措施［11］及其影响因子［12－13］的角度进行研究。影响土壤渗透率的因素较多。其中，孔隙结构对降雨入渗起决定性作用，土壤质地、土壤结构是影响土壤水分入渗特征的主导因素，另外，土壤有机质含量对土壤入渗的影响也较大［1］。但有关城市森林区的土壤渗透性能的研究少见报道。

城市森林对调节改善城市生态环境，尤其是对保持水土和涵养水源具有重要作用。广州白云山是广州市区最大的城市森林区，面积21km2。自1995年进行林分改造以来，已逐步形成具有岭南特色的多树种、多层次、多色彩、多香味、多功能的南亚热带季风常绿阔叶林的森林景观［14］。其土壤的渗透能力是评价白云山对广州城市地下水补给功能的重要指标。本文主要分析广州白云山不同土壤层次、不同森林类型的渗透率及其主要的影响因子。旨在为处于南亚热带地区的类似城市森林区的水土保持功能的评价和水源涵养功能的测算提供理论依据。

1 研究区概况

广州市白云山风景名胜区是国家4A级旅游景区，位于广州市东北部，地理坐标约为北纬23°09′－23°11′，东经113°16′－13°19′，南北长约为7km，东西宽约4km，全区总面积20.98km2。整个山体南北走向，由海拔382m的主峰摩星岭以及海拔250m以上的龙虎岗、白云顶、牛牯岭、五雷岭、将军岭、牛归栏等山峰组成。该区地处南亚热带季风海洋性气候区，年均气温21.4～21.8℃，极端最低气温0℃，极端最高气温38.7℃。年降水量1689 .3～1876 .5mm，且4－9月份降水量占全年降水量的85%以上，年均湿度79%。土壤为流纹状花岗岩、石英岩、砂页岩等发育的赤红壤，pH 值为4.0～5.5，呈酸性［14］。试验地的基本情况见表1。

主要树种为中华锥（Castanopsis chinensis）、罗浮柿（Diospyros morrisiana）、降真香（Acronychia pedunculata）、楝叶吴茱萸（Evodia glabrifolia）、鸭脚木（Schefflera octophylla）、油茶（Camellia oleifera）、尖叶杜英（Elaeocarpus apiculatus）、藜蒴（Castanopsis fissa）、木荷（Schima superba）、加勒比松（Pinus caribaea）、大叶相思 （Acacia auriculiformis）、窿缘桉 （Eucalyptus exserta）、红荷 （Schima wallichii）、樟 树 （Cinnamomum camphora）、石 栎（Lithocarpus glabra）。

表1 采样点林分的基本情况

2 研究方法

2010年1月至3月在广州白云山选择了18个有典型代表性的林分样地（面积10m×10m），并进行植被调查和土壤采样。在设置的样地内按0－20 cm、20－40cm、40－60cm分层取土壤样品，每层3个重复。采用环刀法测定和计算土壤容重、水分含量、孔隙度等物理性质［15］。渗透率采用环刀法测定和计算，环刀规格为20cm2×5cm。在室外用环刀取原状土，带回室内浸入水中12h（采样地的土壤属于壤土），浸水时，保持水面与环刀上口平齐，勿使水淹到环刀上口的土面。到预定时间将环刀取出，去掉盖子，上面套上一个大小相似的空环刀。接口处先用胶布封好，严防从接口处漏水，然后将接合的环刀放到漏斗上，漏斗下面承接烧杯。往上面的空环刀中加水，水面比环刀口低1mm，即水层厚5cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时开始计时，之后每隔2 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，同时记录水温（℃）。一直测到4个单位时间内渗出水量相等时为止［15］。

3 结果与分析

3.1 白云山森林土壤的渗透率分析

以广州白云山各采样点不同土壤层次渗透率的测定结果（如图1），做方差分析和多重比较。结果表明，初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率在不同层次间均无显著差异（Pr＞0.05）。同一层次的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率的大小顺序均为:初渗速率＞平均渗透速率＞稳渗速率。

图1 广州白云山森林土壤不同层次渗透率及多重比较结果

3.2 不同森林类型土壤渗透率分析及模型拟合

分别对广州白云山的天然次生阔叶纯林、天然次生阔叶混交林、人工阔叶林、人工针叶林和人工灌丛草地5种森林类型的渗透性指标做多重比较，结果如表2。结果表明，不同森林类型间的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率均无显著差异。

表2 广州白云山不同森林类型的土壤渗透率多重比较 mm／min

进一步模拟分析广州白云山森林土壤渗透率变化，选用模型方程为

式中:f（t）——入渗速率；t——入渗时间；a、b——参数。模拟分析结果为

3.3 土壤渗透的影响因子分析

选择土壤容重、孔隙度、石砾含量、质地、有机质对渗透率做相关性分析，结果如表3。结果表明，初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率随其它土壤性状指标的相关性表现一致。渗透率除了与毛管孔隙度、质地、有机质、毛管持水量无显著性相关外，其余均有极显著相关。

表3 渗透率与其它土壤性状指标的相关系数

3.4 影响土壤渗透的主导因子筛选

影响土壤渗透性能的因子是综合的。为了更加明确各土壤因子对土壤渗透率的影响作用，进一步应用逐步回归分析法以筛选土壤渗透率主导因子。

对渗透率（mm／min）与容重（g／cm3）、总孔隙度（%）、毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）、土壤通气孔隙度（%）、石砾含量（%）、质地（g／kg）做逐步回归分析。应用SAS系统进行多元线性逐步回归分析，自变量取舍标准为显著性水平α＝0.05，结果如表4。结果表明，模拟模型达到极显著水平。分别得出对初渗速率（y1）、稳渗速率（y2）、平均渗透速率（y3）与非毛管孔隙度（x1）、石砾含量（x2）较理想的回归模型:

从各个变量的偏相关确定系数（偏R2）来看，土壤中各因子与初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率的偏相关关系均为:非毛管孔隙度＞石砾含量。由此可见，通气孔隙度是影响渗透率最主要的因子。

4 结论与讨论

4.1 结 论

不同土壤层次的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率无明显差异，其变化范围分别为:2.26～3.91 mm／min、1.31～2.09mm／min、1.51～2.46mm／min。不同森林类型的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率也无显著性差异。三者在不同森林类型间的大小顺序均为:天然次生阔叶纯林＞人工阔叶林＞人工针叶林＞天然次生阔叶混交林＞人工灌丛草地。土壤入渗速率f（t）对入渗时间（t）的关系表现为乘幂形式，回归方程为:土壤初渗速率、稳渗速率和平均渗透速率分别与土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、石砾含量均有极显著正相关，与容重呈显著负相关。其中，非毛管孔隙度和石砾含量是主导影响因子。

表4 渗透率与土壤因子的逐步回归分析结果

4.2 讨 论

关于不同土层间的渗透率变化不显著已有报道［5］。同一层次的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率的大小顺序均为:初渗速率＞平均渗透速率＞稳渗速率。这说明土壤的渗透速度刚开始比较大，至后来逐渐变小。这可能是由于随着水分的下渗，上层颗粒也逐渐下移，阻塞孔隙，水分下渗的速度越来越慢。本文测定广州白云山五种不同森林类型的渗透率虽有差异，但未达到显著水平。这可能是与森林组成树种的根系分布有关。广州白云山土壤渗透率均较小，土壤渗水能力有待进一步提高。

关于土壤渗透性能影响因子的相关报道各有差异。本文与刘广路等［7］、王景燕等［3］的研究结果基本一致。但本文研究得出渗透率与有机质、毛管孔隙度无显著性相关。可能与广州市白云山林下凋落物少，受人为干扰较为严重有关。林代杰等［9］也研究报道过毛管孔隙度对土壤渗透率无显著性影响。土壤的渗透性能取决于非毛管孔隙，非毛管孔隙可使降水凭借重力和一定压力梯度向土体渗透起着主导作用［6］。时忠杰等［13］认为在0－40cm土层，当砾石体积含量小于15%～20%时，稳渗速率随砾石含量增加而增加；当砾石体积含量大于15%～20%时，土壤稳渗速率随砾石含量增加而减小。在40cm以下土层，稳渗速率随砾石含量增加而增加。本文研究得出在0－60cm土层的土壤渗透率与石砾含量呈极显著正相关。

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