有机碳质量分数对森林土壤水分入渗过程的影响及其模拟

李婧，张洪江†，程金花，常丹东

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.水利部水土保持监测中心，100055，北京)

有机碳质量分数对森林土壤水分入渗过程的影响及其模拟

李婧1，张洪江1†，程金花1，常丹东2

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.水利部水土保持监测中心，100055，北京)

为了探讨三峡库区不同森林植物群落土壤有机碳质量分数与土壤水分入渗的关系，将森林土壤有机碳质量分数设定为独立变量，引入土壤有机碳质量分数对Horton土壤水分入渗模型进行修正。结果表明：1)不同森林植被群落类型土壤有机碳质量分数不同，表现为阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶混交林＞乔灌混交林;2)初渗速率、初渗速率和稳渗速率的差分别与土壤下层土壤有机碳质量分数呈线性相关关系。研究还发现，Horton模型经引入土壤有机碳指标后，新模型的入渗速率与入渗量模拟值与实测值相关系数明显提高，模拟结果更逼近实测值。研究结果为同类地区森林土壤水分入渗过程预测与模拟提供了一种新方法。

土壤有机碳;质量分数;土壤水分入渗;模型

土壤水分入渗是水循环中的一个重要环节，也是地面水转化为可被植物吸收利用的土壤水的途径之一，决定着地表水转换为土壤水的速度、数量、效率和分布等。对土壤水分入渗问题开展研究不仅有助于促进土壤水分入渗和迁移基础理论研究的发展，而且可为综合评价地表水、地下水资源、合理确定农田灌溉技术参数等提供科学依据。

影响土壤水分入渗的影响因子很多。过去，研究者［1-10］大多围绕土壤物理参数中的土壤质地、土壤密度、土壤含水量及土壤结构对土壤入渗特性的影响开展研究。也有少数研究者［11-12］认为影响土壤稳定入渗率的因子除土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度外，还有土壤有机碳质量分数等。目前，关于土壤有机碳的质量分数与土壤水分入渗影响程度等的研究，正式报道还比较少。

土壤有机质是指通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称，其中的碳即为土壤有机碳(SOC)。有机碳能够影响土壤吸附阳离子的能力、土壤肥力、土壤孔隙度、微团聚体形成［13-15］，进而对土壤水分入渗产生一定影响。森林土壤有机碳主要来源于森林植被凋落物的分解和淋溶，是土壤质量的一个重要指标，能为土壤水文特性等提供非常重要的信息［16］。因此，笔者探讨三峡库区不同森林植物群落土壤有机碳质量分数与土壤水分入渗的关系，引入土壤有机碳质量分数参数对Horton土壤水分入渗模型进行修正，为更加准确地预测与模拟土壤水分入渗过程提供新方法。

1 研究区概况

研究区位于重庆四面山中部，地处三峡库区尾部，重庆市西南江津区南部，地理位置为E106°17'～106°30'，N28°31'～ 28°43'，属亚热带季风性湿润气候，多年平均气温13.7℃，无霜期为285 d，年均降雨量1 522.3mm，最大日降雨量160.5mm，雨季集中在5—9月，占年平均降雨总量的62.17%。

四面山地势南高北低、坡度较大，海拔500～1 700m，具有典型的亚热带常绿阔叶林特征，森林总覆盖率95.41%。研究区位于海拔1 150～1 200m，针叶树种主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeria fortunei)等;阔叶树种主要有石栎(Lithocarpus glabra)、栲树(Castanopsis fargesii)、樟(Cinnamomum camphora)、枫香树(Liquidambar formosana)、槲栎(Quercus aliena)、麻栎(Quercus acutissima)等;灌木主要有杜鹃花(Rhododendron simsii)、细枝柃(Eurga loquaiana)、腺萼马银花(Rhododendron bachii)等。

四面山土壤由白垩纪夹关组砖红色长石石英砂岩夹砖红、紫红粉砂岩等风化残积物、坡积物和冲积物发育而成。主要的森林土壤类型为黄壤、黄棕壤和紫色土等，土层厚度一般在70 cm左右。土壤呈微酸性，pH值在4.0～6.1之间。

2 研究方法

2.1 样地选择及布设

样地选择以经营措施和土壤类型的一致性为前提，并充分考虑母质、海拔、坡向、坡度等自然条件状况。综合土壤、植被类型、地形状况、坡向、海拔等因素，在重庆市四面山的张家山林区设置20m×20m的林地土壤入渗试验样地共4块，分别是以石栎、栲树、城口桤叶树为主的阔叶混交林(S1)，以杉木和马尾松为主的针叶混交林(S2)，以杉木、枫香为主的针阔混交林(S3)，以栲树、细枝柃等为主的乔灌混交林(S4)。样地基本情况如表1所示。

表1 样地基本情况Tab．1 Basic information of standard land of forest stands

所选样地的土壤类型为紫色砂质页岩发育的山地黄壤和黄棕壤。该类土壤盐基交换量较低、粗有机质积累度较高、氮素转化率低、黏粒含量较少、土壤保水保肥能力差。样地土壤性质见表2。

2.2 土样采集与有机碳测定

沿每块样地坡面的上部、中部和下部随机挖取3个土壤剖面，按表层(土层1)0～20 cm、中层(土层2)20～40 cm和下层(土层3)40～60 cm 3个层次，用高4 cm、直径9 cm的取土环刀取原状土样，每层4个重复，共采集48个土样，用于土壤有机碳分析。采用稀释热—重铬酸钾容量法对土壤有机碳质量分数进行测定［17］。

2.3 土壤水分入渗速率测定

采用双环法进行土壤水分入渗速率的测定，每块样地试验3次。双环入渗仪外环直径为22 cm，内环直径为10.5 cm，内、外环高度均为25 cm。实验过程中内、外环打入土壤的深度均为10 cm，保持内外环5 cm的入渗水头均匀供水，记录相应时间内环的水分入渗量，达到稳渗时为止。实验过程中水温变化保持为20.8～21.5℃，土壤含水量为15.83% ～18.76%;因此，水分温度与土壤含水量对土壤入渗的影响可忽略不计。

表2 样地土壤性质Tab．2 Selected soil properties of the experimental site

2.4 土壤水分入渗过程模拟修正

2.4.1 入渗模型选择 20世纪初以来，许多描述土壤水分入渗过程的模型被提出，常用的主要有Horton 模 型［18］、Philip 模 型［19-21］、Kostiakov 模型［22-23］。Kostiakov模型是最为简单的入渗模型，Philip模型是在水分运动基本方程式基础上经简化推导得出的模型，具有一定物理基础，相比Kostiakov模型多了一个常数项，可认为是对其的改进式。Horton模型属于纯经验模型。经比较，采用Horton模型用于模拟计算。

2.4.2 入渗模型修正 将土壤有机碳质量分数作为影响因子引入土壤水分入渗模型，利用SPSS、Matlab软件进行数据处理，与选定的土壤水分入渗模型进行修正。运用修正后的土壤水分入渗模型进行模拟计算，并与实测数据进行对比分析。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳分布特征

通过对土样有机碳质量分数的测定，发现土壤有机碳在不同林地存在明显的空间分布变异(表3)。

表3 样地不同土层土壤有机碳质量分数Tab．3 Soil organic carbon content of different sorts g/kg

1)森林植物群落类型对土壤有机碳质量分数的多少有较为明显的作用。各森林植物群落类型土壤有机碳平均质量分数表现为S1＞S3＞S2＞S4。阔叶混交林的土壤有机碳质量分数最高，均值为21.72 g/kg;针阔混交林次之，相比阔叶混交林低3.01 g/kg，相比针叶混交林高3.97 g/kg;乔灌混交林最低为14.43 g/kg。

2)不同森林植物群落类型表层土壤有机碳质量分数存在差异。乔灌混交林表层土壤有机碳质量分数小于其他3种林地。其中，阔叶混交林、针叶混交林和针阔混交林表层土壤有机碳质量分数差异不大，表现为S1＞S3＞S2，平均值为47.76±0.98 g/kg。而乔灌混交林表层土壤有机碳质量分数明显小于上述3种林地，约为其他混交林表层土壤有机碳平均质量分数的63%。

3)土壤有机碳质量分数随土层深度的增加呈减小趋势。20～40 cm土层有机碳质量分数相对0～20 cm明显降低。0～20 cm土壤有机碳质量分数与40～60 cm土壤有机碳质量分数的比最大可达24.77，最小为6.59。这是因为林地中一定厚度的枯落物堆积在林地表面，给表层土壤提供了大量的有机质来源。而有机质能够在一定的土壤环境中通过理化作用分解转化，有机质分解快则土壤中有机碳质量分数低，有机质分解慢则土壤中有机碳质量分数高［24-26］。因此表层土壤未分解的有机质较多则有机碳质量分数高，而位于深土层的土壤有机质来源少且土壤中的有机质在不断分解，所以有机碳质量分数低。

3.2 土壤水分入渗过程分析

试验结果表明，样地一般需200min才能达到稳定入渗，4块样地的入渗过程有一定差异性。初渗速率表现为S1＞S2＞S3＞S4，这与其林下0～20 cm表层土壤饱和导水率的变化(除乔灌混交林外)趋势基本一致。达到稳渗速率时，下渗速度为乔灌混交林最大，阔叶混交林次之，针叶混交林和针阔混交林依次变小。乔灌混交林稳渗速率最大的原因是该森林植物群落类型的土壤密度较小，总孔隙度高，土壤中存在较丰富的孔隙，土体在一定土水势下较多水分的空间相对较大。样地土壤水分入渗过程见表4。

表4 土壤水分入渗过程Tab．4 Soil water infiltration process

3.3 入渗速率对有机碳质量分数的响应

3.3.1 初渗速率 研究表明，初渗速率与下层土壤有机碳质量分数呈正相关关系(表4)。下层土壤有机碳质量分数与林地初渗速率变化趋势一致，为S1＞S2＞S3＞S4。土壤有机碳质量分数最高的阔叶混交林的初渗速率达到4.9 cm/min，是其他林地类型样地的1.5倍以上。下层土壤有机碳质量分数最低的以灌木为主的乔灌混交林的初渗速率也最慢，仅 1.95 cm/min。

3.3.2 稳渗速率 通过分析发现，稳渗速率本身与土壤有机碳质量分数的关系并不十分显著，但初渗速率和稳渗速率的差(y)与土壤下层有机碳质量分数(x)呈线性相关关系y=0.667x+0.333。而初渗速率和稳渗速率的差与达到稳渗速率的时间的比值为入渗速率变化率。这说明，下层土壤有机碳质量分数与入渗速率变化率有一定的关系，下层土壤有机碳质量分数的多少能够反映出土壤水分入渗速率随时间的变化能力。

3.3.3 入渗过程 土壤水分入渗过程中，在未达到土壤稳渗速率前，土壤入渗速率均表现为随时间的增加而减小;但是，入渗速率并不是匀速变化的，在初期入渗速率表现为S1＞S2＞S3＞S4。在入渗约25min后针阔混交林下土壤入渗速率突然减小，低于灌混交林样地，成为最小。入渗约55min时，入渗速率的排序变为S1＞S4＞S2＞S3。入渗约80min时，乔灌混交林成为几块林地中入渗速率最大的样地，其他几块样地入渗速率大小排序不变。

有研究表明土壤有机碳能够促进土壤团聚体的形成，有机质能够提供土壤团粒胶结物质，使土粒团聚，增加土壤团聚体数量和大小，改变土壤物理结构，使土壤更为松散，为土壤裂隙的发育提供了基本条件［27-28］。以灌木为主的乔灌混交林土层2的有机碳质量分数远高于其他林地的土层2的有机碳质量分数，这可能会形成一定数量的孔隙群。并且土层间有机碳质量分数变化相对较小，土层间孔隙数量相对稳定，孔隙的连续性好，这保证了以乔灌混交林的入渗速率变化相对稳定。而其他林地土层2的有机碳质量分数明显减少78%以上，变幅较大，大大减少了土壤团聚体和联通孔隙的数量。在土壤含水量迅速提高、土水势减小的条件下，除乔灌混交林外其他林地入渗速率都有大幅降低。

4 土壤水分入渗模型模拟与修正

采用Horton模型进行土壤水分入渗模拟，该模型具体形式为

式中：it为t时刻(s)的入渗速率，mm/s;i0为初渗速率，mm/s;ic为稳渗速率，mm/s;k为参数。

将一定初渗速率、稳渗速率、渗流时间以及率定的参数k值代入Horton模型，可模拟出特定条件下的土壤水分入渗过程。经比较分析发现，相同时段的实测入渗过程与模型模拟的入渗过程有一定差异，特别是单位时段累积入渗量差异更大。采用SPSS软件对4种样地入渗速率和入渗量进行实测值与模型模拟值的相关分析。结果表明，虽然在入渗速率方面实测值与模型模拟值呈现出良好的相关性，二者的相关系数S1、S2、S3和S4分别为0.950、0.951、0.933、0.921，但入渗量的实测值与模型模拟值波动较大，二者的相关系数分别为0.905、0.628、0.756、0.898。

为考证森林土壤有机碳质量分数与土壤水分入渗速率相关关系，将土壤有机碳质量分数作为影响因子引入Horton模型，利用Matlab软件进行数据处理，模拟出修正的土壤水分入渗模型

式中WSOC为下层土壤有机碳质量分数，g/kg。

采用修正后的土壤水分入渗模型进行土壤入渗速率与时间关系模拟，并于Horton模拟值和实测值进行对比。结果表明，修正后的Horton模型与原Horton模型相比，能模拟出更为接近实测值的土壤水分入渗过程。实测、Horton模型与修正模型比较如图1所示。

对土壤水分的时刻入渗速率模型模拟值与实测值进行回归分析，引入土壤有机碳质量分数进行模型修订后入渗速率模型模拟值与实测值相关系数为0.968、0.972、0.961、0.970。对比 4 种样地 Horton入渗模型入渗速率模拟值与试验实测值的相关系数(表5)发现，引入土壤有机碳质量分数后模型的拟合度有了较大幅度的改善。

对土壤水分时段入渗量的模型模拟值与实测值进行回归分析，得出引入土壤有机碳质量分数进行模型修订后模型模拟值与实测入渗量的相关系数S1、S2、S3 和 S4 分别为 0.941、0.827、0.905、0.940。对比4种样地Horton入渗模型入渗量模拟值与试验实测值的相关系数(表6)发现，引入土壤有机碳质量分数后模型的拟合度有了较大幅度的改善。

5 结论与讨论

1)同一样地内有机碳质量分数在土壤中并非均匀分布，一般表层土壤有机碳质量分数高，随着土层深度增加有机碳质量分数递减。

2)不同森林植被群落类型土壤有机碳质量分数均值略有不同，表现为阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶混交林，但三者相近。乔灌混交林土壤有机碳质量分数最小。

3)不同森林植被群落土壤水分入渗速率随时间的增加而递减，但不同群落土壤的递减速率不同，这与土壤中有机碳质量分数有密切关系。

4)Horton模型经引入下层土壤有机碳质量分数指标后，模型不需率定参数，且其结果更逼近实测值，在一定程度上为土壤水分入渗过程预测与模拟提供了一个更为准确有效的方法。

图1 4种林地土壤水分入渗过程模拟Fig．1 Soil water infiltration process simulation of 4 plots in the forest

表5 土壤水分入渗速率回归分析Tab．5 Regression analysis of soil water infiltration rate

表6 土壤水分入渗量回归分析Tab．6 Regression analysisof soil water infiltration content

对有机碳质量分数和土壤水分入渗过程分析发现，土壤有机碳质量分数与土壤水分入渗过程间有显著相关性，并可根据该关系构建模型进行定量描述;但受试验时间和条件所限，本研究将其设定为独立变量进行探索性研究，以期为土壤水分入渗的研究思路、方法提供微薄贡献。

6 参考文献

［1］吕刚，吴祥云.土壤入渗特性影响因素研究综述［J］.中国农学通报，2008，24(7)：494-499

［2］符素华.土壤中砾石存在对入渗影响研究进展［J］.水土保持学报，2005，19(1)：171-175

［3］张华.影响大同地区土壤入渗能力的因素分析［J］.人民黄河，2007，29(4)：49-53

［4］解文艳，樊贵盛.土壤含水量对土壤入渗能力影响的研究［J］.太原理工大学学报，2004，35(3)：272-275

［5］Sepaskhah A R，Afshar-Chamanabad H.Determination of infiltration rate for every-other furrow irrigation［J］.Biosystems Eng，2002，82(4)：479-484

［6］Franzluebbers A J.Water infiltration and soil structure related to organicmatter and its stratification with depth［J］.Soil Tillage Research，2002，66(2)：197-205

［7］Zhang G S，Chan K Y，Oates A，et al.Relationship between soil structure and runoff soil loss after 24 years of conservation tillage［J］.Soil Tillage Research，2006，92(1)：122-128

［8］Helalia Am，Letey J，Graham R C.Crust formation and claymigration affects on infiltration rate［J］.Soil Science Society America，1988，52：251-255

［9］刘汗，雷廷武，赵军.土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响［J］.中国水土保持科学，2009，7(2)：1-6

［10］李卓，吴普特，冯浩，等.容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验［J］.农业工程学报，2009，25(6)：40-45

［11］李红星，樊贵盛.影响非饱和土渠床入渗能力主导因素的试验研究［J］.水利学报，2009，40(5)：630-634

［12］赵勇钢，赵世伟，曹丽花，等.半干旱典型草原区退耕地土壤结构特征及其对入渗的影响［J］.农业工程学报，2008，24(6)：14-20

［13］Francisco Jm，Christopher H L，Christian Rm.Effects of soil texture carbon input rates and litter quality on free organicmatter and nitrogenmineralization in chilean rain forest and agricultural soils［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2007，39(1)：187-201

［14］艾海舰.土壤持水性及孔性的影响因素浅析［J］.干旱地区农业研究，2002，20(3)：75-79

［15］关连珠，张伯泉，颜丽.不同肥力黑土、棕壤微团聚体组成及其胶结物质的研究［J］.土壤学报，1991，28(3)：260-267

［16］李强，马明东，刘跃建，等.川西北几种常绿阔叶林土壤碳库和养分库的比较［J］.水土保持学报，2002，21(6)：114-117

［17］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000

［18］Horton R E.An approach toward a physical interpretation of infiltration capacity［J］.Soil Science Society of America Journal，1940，3(3)：399-417

［19］王全九，来剑斌，李毅.Green-Ampt模型与Philip入渗模型的对比分析［J］.农业工程学报，2002，18(2)：13-16

［20］William D R.Infiltration function from furrow stream advance［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，1989，11(5)：98-104

［21］Philip J R.The theory of infiltration：The infiltration equation andits solution［J］.Soil Science，1957，83(5)：345-357

［22］Kostiakov A N.On the dynamics of the co-efficient of water percolation in soils［C］∥Sixth commission.International Society of Soil Science，1932，Part A：15-21

［23］Prabeer K P，Mishra S K，Singh R.Amodification to kostiakov andmodified kostiakov infiltrationmodels［J］.Water Resourcesmanagement，2007，21(11)：1973-1989

［24］黄耀，刘世梁，沈其荣，等.环境因子对农业土壤有机碳分解的影响［J］.应用生态学报，2002，13(6)：709-714

［25］王彦辉，Rademacher P，Flster H.环境因子对挪威云杉林土壤有机质分解过程中重量和碳的气态损失影响及模型［J］.生态学报，1999，19(5)：53-58

［26］杨钙仁，童成立，张文菊，等.陆地碳循环中的微生物分解作用及其影响因素［J］.土壤通报，2005，36(4)：605-609

［27］丁文峰，丁登山.黄土高原植被破坏前后土壤团粒结构分形特征［J］.地理研究，2002，21(6)：700-706

［28］秦嘉海，赵芸晨.苜蓿草对河西走廊荒漠化土壤改土培肥效应的研究［J］.土壤通报，2004，35(6)：806-808

Forest soil water infiltration process influenced by soil organic carbonmass fraction and itsmodel simulation

Li Jing1，Zhang Hongjiang1，Cheng Jinhua1，Chang Dandong2
(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing;
2.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resources，RPC，100055，Beijing：China)

In order to probe into the process between soil organic carbonmass fraction(SOCMF)and soil water infiltration in different forest plant communities，the forest SOCMF was drown into Hortonmodel as independence variable，which is amended with it.The results showed that the SOCMF was distinct in different forest plant communities.It was the largest in broad leavedmixed forest，and then followed bymixed coniferous and broad leaved forest，coniferousmixed forest，andmixed arbor and shrub forest.Both the initial infiltration rate and the difference between the initial infiltration rate and steady infiltration rate have linear relationship with SOCMF.After Hortonmodel amended，there is a great agreement between simulations andmeasurements.The study provided a newmethod to forecast and simulate forest soil water infiltration process in the similar regions.

soil organic carbon;mass fraction;soil water infiltration;model

2012-02-22

2012-04-08

国家自然科学基金项目“三峡库区优先流影响土壤养分流失机制研究”(30900866)

李婧(1980—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持与森林水文。E-mail：lijinga126@126.com

†责任作者简介：张洪江(1955—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀与流域管理。E-mail：zhanghj@bjfu.edu.cn

(责任编辑：程 云)