重庆四面山5种人工林土壤入渗特性对比

何文华,张洪江†,程金花,王贤

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.林业生态工程教育部工程研究中心,100083,北京)

土壤入渗是指降水或灌溉水由地表进入土壤形成土壤水的过程[1],是降水、地表水、土壤水和地下水相互转化过程中的关键环节[2],土壤的入渗过程和渗透能力对降雨过程再分配中地表径流和土壤水分的产生和发展有较大的影响,选择合适的土壤水分入渗模型可以科学地评价水源涵养林保水功能[3]。研究土壤的入渗能力以及储水能力对了解森林的水文功能具有重要意义。国内外学者对土壤储水及入渗特性和入渗模型等方面已进行了研究并取得了一定的研究成果[4-8],这些成果表明,不同地域的土壤结构不同,导致土壤储水能力和入渗特性存在差异,其适用的土壤入渗模型也各不相同。目前,针对土壤的入渗特性和储水能力的研究都局限在单次的实验结果之上,没有形成持续性的对比研究,这样导致对了解森林水文效应变化缺乏理论基础。重庆四面山地区2008年开始进行人工林土壤入渗特性的研究,经过5年的生长变化,人工林土壤入渗与储水性能必然发生不同程度的变化,所以形成持续性的对比研究并揭示这种变化很有必要。笔者通过对比2013与2008年重庆四面山地区5种人工林的土壤特性和入渗能力,研究重庆四面山地区适用的土壤入渗模型以及在自然因素以及人为因素影响下5种人工林水文效应的变化程度,以期对该地区适宜培育的人工林配置提供参考。

1 研究区概况

重庆四面山地理位置 E106°17′～106°30′,N28°31′～28°46′,海拔 900 ～1 500 m。 研究区属亚热带季风湿润性气候,雨季集中在5—9月。多年平均气温13.7℃,8月平均气温最高为31.5℃,1月平均气温最低为-5.5℃。年均降雨量1 522.3 mm,日最大降雨量160.5 mm。降雨量随海拔的变化存在较大的关系,呈现海拔每上升100 m降雨量递增43.3 mm的趋势。全年无霜期为285 d,年平均日照时间1 082.7 h。研究区属典型丹霞地貌,土壤类型以黄棕壤、黄壤等为主,呈微酸性至酸性。研究区内植被主要为典型的亚热带常绿针叶、阔叶林,兼有部分人工林。主要乔木树种有马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、石栎(Lithocarpus glaber)、棕叶狗尾草(Setaria palmifolia)、木荷(Schima superba)、福建柏(Fokienia hodginsii)、香樟(Cinnamomum camphora)、枫香(Liquidambar formosana)、紫花杜鹃(Rhododendron mariae)和楠竹(Phyllostachys pubescens)等树种。林下灌草以胡枝子(Lespedeza bicolor)、绣线菊(Spiraea salicifolia L.)、宽叶苔草(Carex siderosticta)等为主。

2 研究方法

2.1 样地选择

试验地选择在重庆四面山张家山秦家沟林区,根据初植密度以及生长时间选取5种人工林作为研究对象,选取的人工林具有较好的代表性。各林地标准地基本情况见表1。

表1 5种样地基本情况Tab.1 Basic situation of plots in five kinds of plantations

2.2 标准地调查

在研究区内设置样地5个,各样地面积均为40 m×40 m。标准地调查主要包括乔木种类、郁闭度等指标,林冠郁闭度采用样线法测定,每个样地沿对角线等距离设置5个2 m×2 m的灌木样方,同样的方式设置5个草本样方,记录灌木和草本植物的种类、高度、盖度和株数等指标。

2.3 土壤物理性质测定

在5个样地内沿对角线等距离选取3个样本采集点,每个采集点开挖深度60 cm的土壤剖面,将开挖的剖面分为3层进行取样,每层厚度20 cm。样本采集为环刀法取样,每层取2个土样作为对照,同时采回土壤样本测定土壤有机质质量分数等指标。采用烘箱烘干法测定土壤含水量,用环刀法测定土壤密度、毛管孔隙度和总孔隙度等土壤物理参数。

2.4 土壤入渗实验

采用双环入渗法测定不同林分土壤入渗速率,包括土壤初渗速率和稳渗速率。实验操作时,将高度均为25 cm、直径为10.5 cm和22 cm的内外双环测渗筒打进土壤内深度约5 cm处,实验过程中保持内外环均匀供水,现场记录相同的水分入渗量所用的时间,入渗速率不再发生变化时结束实验。

2.5 土壤水分入渗模拟

研究土壤水分入渗过程的模型有很多,现在普遍用到的是考斯加科夫模型(Kostiakov)、菲利普模型(Philip)和霍顿模型(Horton)[9]等。

1)考斯加科夫模型

式中:i为入渗速率,mm/min;t为入渗时间,min;M与n为拟合参数。

2)菲利普模型

式中s和A为与入渗特性相关的拟合参数。

3)霍顿模型

式中:i0为初渗速率,mm/min;ic为稳渗速率,mm/min;k为经验参数。

2.6 实验数据对比

所用数据来源于2008与2013年实验实测。首先将2013年实验数据进行处理分析,得出土壤物理性状、储水特性的指标值、土壤水分入渗速率指标值及入渗模型的各类参数值,分析所得数据;其次将2年的土壤储水量、入渗速率以及适用入渗模型的相关系数再进行对比分析。

3 结果与分析

3.1 土壤孔隙与储水特征

3.1.1 2013年土壤孔隙与储水特征 将2013年数据进行处理,所得每层的土壤孔隙度、土壤密度和土壤储水量见表2。可以看出,随着土层深度的增加,土壤密度呈现增大的趋势。这是由于不同林分枯落物储量、分解状况以及根系发育分布情况的不同造成的土壤物理性状的差异。此结果与王云琦等[3]、王伟等[10]的土壤入渗研究的结果是一致的。5种林地的土壤储水量都以毛管储水量为主,所占饱和储水量比例均超过了73%,非毛管孔隙使土壤水快速下渗形成的非毛管储水量所占比例较小。

由表2可知,不同林地孔隙状况不同,造成林地土壤储水量的差异。混交林的饱和储水量均高于杉木纯林,5种人工林土壤饱和储水量的大小顺序为R4＞R3＞R5＞R2＞R1,5种人工林中 R4、R3、R5饱和储水量明显高于R1。说明阔叶混交林与针阔混交林比单一林种林地有较强的持水能力。针叶混交林因枯落物储量较小且叶片难以分解,有机质质量分数较低,团聚体含量较低,对土壤的储水能力改善效果不明显。

4种人工混交林毛管储水量均高于杉木纯林,R3的毛管储水量最高,为 878.76 mm,R3、R4、R2、R5相较 R1分别高36.94%、24.76%、15.24%和6.60%。这表明毛管储水量最高的R3将下渗的部分水分在土壤中储存起来的能力是最好的,能够很好地滞缓地表径流峰值,具有较好的土壤持水能力。

5种人工林中,R4土壤非毛管储水量最大为265.58 mm,R2的土壤非毛管储水量最低仅为111.60 mm,其中R3、R5的非毛管储水量较明显大于R1、R2。这表明阔叶混交林、针阔混交林能够更快的将土壤水分下渗,阔叶混交林、针阔混交林浅层土壤质地疏松,枯落物的分解能力更强,有机质质量分数高,利于团聚体的形成和根系的发育,有利于土壤的非毛管孔隙的形成,可以较好地使土壤水分下渗。

3.1.2 2008与2013年土壤储水量对比 不同人工林60 cm土壤储水量对比结果见图1。可见,2013年R1的土壤饱和储水量较2008年有所减小,2013年R2、R3、R4、R5的土壤饱和储水量较2008年均有提高。2013年R1较2008年减小11.76%,2013年R2、R3、R4、R5比2008年分别提高了19.24%、11.94%、17.98%和7.53%。根据样地调查发现,R1有过较大面积的间伐,间伐导致了林地储水量的降低,其他4种林地的数据充分表明人工林生长期间对林地储水能力有较好的改善作用。由图1可以看出,2013年5种人工林的储水能力的大小顺序与2008年储水能力大小顺序基本相同,混交林的储水量增加幅度都较大,R3与R4的土壤饱和储水量在2008与2013年中均高于其他3种林地。说明R4和R3的土壤储水能力最好,涵养水源的效果最佳。

表2 2013年土壤分层物理性状及储水特征Tab.2 Stratification of the soil physical properties and water storage characteristics in 2013

图1 2008与2013年不同人工林60 cm土壤储水量对比Fig.1 Comparison of soil water storage at 60 cm depth in different plantations in 2008 and 2013

3.2 土壤水分入渗特征

3.2.1 2013年土壤水分入渗特征 2013年不同林地土壤水分入渗速率见表3。可知,5种人工林的初渗速率的大小顺序是R5＞R3＞R2＞R4＞R1,造成初渗速率不同的主要原因是因为非毛管孔隙度发育的不同,地下分布的根系以及微生物的活动形成的非毛管孔隙能使入渗初期的水分快速下渗。稳渗速率的大小顺序为R5＞R4＞R3＞R2＞R1,平均入渗速率大小顺序是R5＞R3＞R4＞R2＞R1。由此可以看出,R3、R4、R5等针阔、阔叶混交林的土壤水分入渗性能明显优于针叶林。说明阔叶林能够较快速地使地表水下渗,林地具有更好的储存水的能力,这样能够更好地调节径流和涵养水源。

表3 不同林地土壤水分入渗速率Tab.3 Soil water infiltration rate in different kinds of plantations

3.2.2 2008与2013年土壤入渗速率对比 2年土壤水分入渗速率对比结果见图2。可知,2008与2013年5种人工林的土壤水分入渗速率大小顺序基本保持一致,2013年的土壤水分初渗速率明显大于2008年的初渗速率,其中R1较2008年增加了52.8%,R2、R3、R4和 R5分别增加了 115.8%、51.1%、15.9%和49.9%。对比2013与2008年5种人工林的稳渗速率大小,发现没有出现明显变化。对比平均入渗速率可以发现,除2013年R1比2008年有所减小外,其他林地都有不同程度的提高。通过对3种入渗速率的对比,说明5种人工林生长期间对土壤改良都起到了一定作用,都可以直接积极作用于土壤水分的入渗,尤其是木荷+石栎阔叶混交林、木荷+杉木+马尾松针阔混交林的改良效果最优。

图2 2008与2013年不同人工林土壤水分入渗速率对比Fig.2 Comparison of soil water infiltration rate in different kinds of plantation in 2008 and 2013

表4 5种林地土壤入渗模型参数与相关系数Tab.4 Parameters of soil water infiltration model for five kinds of plantations and the correlation coefficient_________

3.3 土壤水分入渗过程模拟

Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型是常用的模拟土壤水分入渗过程的模型,通过分析水分入渗数据可以得到土壤渗透模型的相关参数。将2013年土壤入渗数据代入3种入渗模型,求得的各类参数见表4。由相关系数R的大小可以看出,3种渗透模型中,Horton模型的相关系数平均值为0.951,在3种入渗模型中最大,可以判断Horton模型对实测的入渗过程拟合程度最高。说明Horton模型的模拟更贴近本研究中土壤水分实际的入渗过程。这与王玉杰等[11]在重庆缙云山入渗适用模型研究的结果是相同的,这个结果对重庆地区的入渗适用模型可以提供一定的理论支撑。

将2008年土壤入渗数据代入3种入渗模型,得出3种入渗模型相关系数,其中Kostiakov模型相关系数平均值为0.933,Philip模型相关系数平均值为0.841,Horton模型相关系数平均值最大为0.950,表明Horton模型对实测的入渗过程拟合的程度最高。对于2008和2013年的土壤水分入渗过程模拟,Horton模型的模拟效果都最接近实际的入渗过程。

4 结论

1)重庆四面山4种混交人工林土壤饱和储水量都高于杉木纯林,5种林地的储水量均以毛管吸持水为主,5种林地均能较好地储存土壤水;阔叶混交林使土壤水下渗形成滞留水的能力最强;针阔混交林吸持下渗到土壤中的水分能力最强;5种林地2013年的土壤饱和储水量与2008年的饱和储水量对比,除杉木纯林饱和储水量减小以外,其他4种林地饱和储水量均有不同程度提高。

2)与2008年相比,2013年5种林地的土壤水分初渗速率都有较大的提高,人工林的生长对林地土壤有较好的改良作用,具体表现为改良土壤质地、增加土壤孔隙度、增加土壤水分入渗速率、调节地表产流情况;5种人工林的土壤水分稳渗率2013与2008年对比没有出现明显变化。

3)从土壤储水和入渗性能来看,针阔混交林的水分涵养及调节作用优于其他林分,其次是阔叶混交林和针叶混交林,针叶纯林最差。

4)在重庆四面山地区,Horton模型比Kostiakov模型及Philip模型模拟土壤水分入渗过程的效果更好,Horton模型有更好的适用性。

5)在重庆四面山地区,如果没有人为因素的影响,那么林地对土壤性质的改良及对森林水文效应的影响是有益的。