小陇山林区主要林地类型土壤入渗特征

刘小林，李惠萍，郑子龙，高兴红，胡小林

(甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃小陇山森林生态系统定位研究站，甘肃 天水 741022)



小陇山林区主要林地类型土壤入渗特征

刘小林，李惠萍，郑子龙，高兴红，胡小林

(甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃小陇山森林生态系统定位研究站，甘肃 天水 741022)

【目的】选择小陇山林区最适宜的涵养水源森林类型，减轻水土流失程度.【方法】采用环刀法对小陇山林区6种主要林地类型土壤入渗特征进行研究.【结果】 6种主要林地土壤稳渗率依次为：锐齿栎林(6.52 mm/min)>阔叶混交林(5.30 mm/min) >油松林(4.89 mm/min) >华山松林(4.48 mm/min)>日本落叶松林(3.87 mm/min)>无林地(3.62 mm/min)；Kostiakov模型对土壤入渗过程的拟合精度比较高；同一林地类型土壤初始入渗率和稳定入渗率都随着土层深度的增加而减少；土壤初渗率与土壤含水量呈极显著负相关，土壤稳渗率与土壤密度呈极显著负相关，与非毛管孔隙度成极显著正相关.【结论】 阔叶林土壤入渗能力较强，可有效改善生态质量.

小陇山林区；土壤入渗；入渗模型

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，是森林发挥水文调节作用的主要场所.土壤入渗是自然界水循环系统中的一个重要部分，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化过程中的一个重要环节[1-3].降水穿过林冠到达地表，其中大部分渗入到土壤中形成土壤水，小部分沿坡面流失形成地表径流[4].进入土壤的水分一部分存储在土体中被植物吸收利用，另一部分则在土壤中流动形成壤中流，剩余部分将穿过土层成为地下水.土壤的渗透性能是重要的土壤水分物理性质之一，土壤的渗透性能越好，地表径流就越少，土壤的侵蚀量也会相应地减少[5-6].小陇山林区是嘉陵江、渭河上中游地区重要的水源涵养林区，随着近年来小陇山林区天保工程、封山育林和荒山造林等森林保护和恢复工程的展开，使得小陇山林区植被覆盖率大为提高，但森林生态质量仍较低，林区水土流失情况较严重[7].本试验通过对小陇山主要林地土壤水分入渗特征的研究，揭示了植被对土壤水分入渗的影响，为森林资源的合理经营和科学管理，以及水土保持综合效益的分析提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于小陇山林业科学研究所生态定位站沙坝实验基地，隶属天水市秦州区娘娘坝镇李子园乡，地理坐标E 105°54′，N 34°07′.海拔1 550～2 100 m，属大陆性季风气候.总面积2 117.0 hm2，年均降水量757 mm；平均相对湿度78%；平均年蒸发量1 012.2 mm；≥10 ℃有效积温2 480 ℃，年日照时数1 520～2 313 h，无霜期120～218 d[8-9].林分类型以锐齿栎(Quercusalienavar．acuteserrataMaxim．)为主的天然次生林、日本落叶松(Larixkaempferi(Lamb.)Carr.)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)人工林和油松(PinustabuliformisCarrière)人工林为主.境内山体较低，地势起伏小，平均坡度36°～40°，土壤以山地褐土和山地棕壤为主.

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 2013年对小陇山林区6种林地类型分别设置20 m×20 m标准样地两块，共计样地12块(表1).每块样地随机选取3个土壤剖面进行取样调查.每个样地土壤剖面按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm进行土壤分层，每层用100 cm3的环刀取3个重复的原状土样，进行土壤理化性质及土壤入渗试验.同时用环刀法测定样地土壤容重，即在挖取的土壤剖面上，采用已定容积为100 cm3的环刀，取原状土样.将土样带回室内，在105 ℃烘箱内烘干至恒质量，待冷却后称其干质量，计算土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量[10].

1.2.2 入渗试验方法 将装有土样的环刀放到漏斗上，漏斗下面承接有量杯，进行土壤水分入渗速率测定试验，加水后自漏斗下端滴下第1滴水时开始计时，以后每隔1、2、3、4、…、nmin更换漏斗下面的量杯，并分别记录渗出的水量(与间隔时间对应为Q1、Q2、Q3、Q4、…、Qn).试验一般持续约1 h才开始稳定.如果1 h后仍不稳定，则需等到单位时间渗出水量相等为止[11].

表1 标准地基本情况

Tab.1 Conditions of sample plot

标准地号林地类型坡度/(°)胸径/cm郁闭度(盖度)树种组成平均树高/m土壤类型1日本落叶松林1619.20.8日本落叶松16.1山地褐土2日本落叶松林2018.60.8日本落叶松16.0山地褐土3华山松林2128.30.8华山松林9.5山地褐土4华山松林1626.40.6华山松林9.3山地褐土5油松林3813.60.6油松、多毛樱桃(Cerasuspolytricha(Koehne)YüetLi)10.2山地褐土6油松林3014.20.6油松、多毛樱桃10.1山地褐土7锐齿栎林3920.50.7锐齿栎、油松8.0山地褐土8锐齿栎林3219.60.7锐齿栎、油松8.0山地褐土9阔叶混交林5013.40.8锐齿栎、千金榆(Carpinuscordata)、四照花(Cronusjaponicavar.chinen-sis)9.8山地褐土10阔叶混交林3612.50.8锐齿栎、千金榆、四照花9.6山地褐土11无林地200.7扁穗冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn)、羊胡子草(Carexrigescens)等-山地褐土12无林地200.7扁穗冰草、羊胡子草等-山地褐土

渗透速度：V(mm/min)=10×Qn/tn×S

式中，Q1，Q2，Q3，…，Qn为每次渗出水量；S为环刀的横面积；10为单位换算系数；tn为每次渗透所间隔的时间.

1.2.3 土壤入渗模型 土壤水分入渗过程模型是研究土壤入渗的重要方法[12]，根据本试验的具体情况，采用以下3种模型进行拟合.

Kostiakov 入渗模型:

f(t) =at-b

式中，f(t)为土壤入渗速率(mm/min)；t为入渗时间(min)；a，b为参数.

Philip 入渗模型:

f(t) = 0.5St-1 /2+A

式中，A为稳定入渗速率(mm/min)；S为参数.

Horton 入渗模型:

f(t) =fc+ (fo-fc)e-kt

式中，fc、fo、k分别为稳定入渗率、初始入渗率、常数.

2 结果与分析

2.1 土壤入渗性能

2.1.1 不同林地土壤入渗性能 由图1可以看出，不同林地类型土壤入渗过程的变化曲线较接近，土壤入渗过程基本分为：入渗瞬变阶段、入渗渐变阶段及入渗稳定阶段3个阶段[13-14]，6种林地类型土壤渗透速度的大小顺序为：锐齿栎林>阔叶混交>油松>华山松>日本落叶松>无林地.土壤入渗性能的影响因子较多，并随入渗时间的推移而逐渐降低[15-17].由表2可以看出，阔叶林比针叶林的入渗速率整体较大，无林地入渗速率最小.分析主要是因为阔叶林地土壤凋落物层比较厚，腐烂程度较大，土壤有机质丰富，植物根系较针叶林发达，从而土壤通透性好，渗透能力强.

图1 不同林地类型土壤的渗透速率测定结果Fig.1 The determination results of soil infiltration rate of different forest lands

2.1.2 不同林地类型土壤水分入渗模型拟合 通过不同林地类型土壤入渗数据及3种入渗模型对土壤入渗过程进行拟合，得到6种林地土壤渗透模型参数与R2值(表3).由R2值可以看出，不同的模型对于不同林地类型土壤入渗过程的模拟精度有所差异，Philip模型对阔叶混交林和油松林模拟精度较高，Horton模型对锐齿栎林的土壤水分入渗模拟精度较高，R2均大于0.8.Kostiakov模型的R2值都超过0.9，能够更接近地模拟各林地土壤水分渗透实际过程，在本研究中具有良好的实用性.

表2 不同林地类型土壤渗透特性

Tab.2 Soil infiltration characteristics of different forest lands

林地类型初渗率/(mm·min-1)稳渗率/(mm·min-1)总孔隙度/%锐齿栎林125.866.5273.36阔叶混交林97.225.3063.17油松林86.424.8962.72华山松林57.074.4853.17日本落叶松林13.043.8750.42无林地11.413.6245.32

Kostiakov模型中参数a为经验入渗常数，代表一个时间段内的平均入渗速率，其大小主要受到土壤密度、土壤孔隙度和非毛管孔隙度等的影响；b值代表入渗速率随时间变化的程度，b值越大，则入渗速率随时间减少的程度越大[18].由表3可见，a，b两个参数的变化较有规律.参数a变化范围为2.886～6.243，b的范围为0.239～0.646，a、b值的最大值均存在于锐齿栎林，最小值均存在于无林地中.这与锐齿栎林的渗速率最大，无林地的入渗速率最小的情况相一致.与前人的研究结果相同，刘芝芹等[19]在金沙江流域典型森林土壤水分入渗特征试验研究中也表明，采用Kostiakov模型拟合入渗过程效果最佳，吕刚等[20]在研究中也表明Kostiakov模型能够较好地模拟老秃顶子自然保护区不同植被类型不同层次土壤入渗速率与时间的变化过程.

表3 不同林地土壤入渗模拟结果Tab.3 Simulated results of different forest lands by using soil infiltration models

2.1.3 同一林地类型不同深度土壤入渗性能 由图2可以看出，在0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm阔叶混交林土壤初始入渗速率和稳定入渗速率都随着土壤深度增加而下降.分析其原因可能为随土层深度的增加，土壤容重增大、总孔隙度减小，从而导致土壤初始入渗速率和稳定入渗速率减小.

图2 同一林地不同深度土壤入渗曲线Fig.2 The curve of soil infiltration in different depth of the same forest lands

2.2 土壤物理性状与土壤入渗的关系

影响土壤入渗性能的主要因子有土壤组成结构、土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率、地表结皮等.但土壤中各个物理因子会因为不同的土地利用方式而发生较大的变化，从而使不同林分类型之间的土壤入渗性能存在较大的差异[21].具有较强入渗性能的土壤能有效地将大部分地表径流下渗，转变为壤中流甚至地下水，从而减少水土流失.非毛管孔隙度与土壤入渗性能密切相关，其中土壤大孔隙结构对土壤入渗性能影响较大，一般土壤大孔隙结构都是由林木根系形成并随着林木根系的腐朽，这些大孔隙在不断增多.

土壤的初渗速率和稳渗速率是土壤入渗过程中重要的两个指标.本研究选取土壤密度、总孔隙度、非毛管孔隙度和土壤含水量等物理因子，用SPSS软件对各因子与土壤水分入渗的两个指标的关系进行相关性分析.

2.2.1 土壤含水量与土壤初渗速率的关系 从表4可以看出，土壤初渗速率与土壤含水量呈极显著的负相关关系.众所周知，土壤水势梯度和水力传导度是影响土壤入渗量的两个重要因素，土壤含水量对土壤水分入渗能力的影响主要是入渗水流湿润区的平均势梯度方面的影响.水分入渗锋面的土水势随着土壤含水量的增大而增高，则水分入渗锋面与地表之间的平均势梯度越小，即土壤入渗能力越低，水分初始入渗量越小.因此土壤含水量越高，土壤初渗能力越低.但是稳渗速率与土壤含水量关系并不显著，这是因为当达到稳渗速率时，土壤中的含水量已饱和，入渗速率基本达到稳定.

2.2.2 土壤孔隙度 土壤稳渗速率和土壤孔隙度呈显著的正相关关系，但其相关性并不如土壤非毛管孔隙度与土壤稳渗速率之间的相关系数高，这是因为土壤的通透性主要取决于孔径超过0.02 mm的非毛管孔隙[22]，总孔隙度只能说明土壤孔隙数量，而不能反映土壤孔隙大小和分配状况.非毛管孔隙越大，则地表径流渗入土壤的速度越快，地表径流转化为土壤水的转化率越大.渗透到土壤中的水分绝大部分因重力作用经过非毛管孔隙下渗到土壤下层，林分能有效地影响土壤的物理性状，改善土壤结构，增加土壤的非毛管孔隙，提高土壤的入渗性能，从而提高土壤的蓄水量，很好的起到蓄水作用[3].

表4 土壤入渗速率与各影响因子的相关分析Tab.4 Correlations between soil infiltration rate and different influencing factors

**表示当P<0.01时极显著相关；*表示当P<0.05时显著相关

2.2.3 土壤容重 土壤稳渗速率与土壤容重呈极显著的负相关关系.这是因为土壤容重实质上是土壤紧实程度及气相比例的间接反映.土壤水分的入渗是水分在土体里流动而不断深入的过程，其速率主要受水流通道—土壤孔隙的影响，所以土壤容重对水分入渗必然会产生较大的影响.学者们对土壤容重对入渗能力的影响作了不少研究，一个基本的结论是：同一质地的土壤，其水分入渗率会随容重的增大而减小，因为随土壤容重的增加，土壤团粒结构丧失、土壤孔隙减小、土壤变得紧密坚实，导致入渗能力降低[23].

3 结论

1) 小陇山林区6种主要林地类型的土壤渗透速率依次为：锐齿栎>阔叶混交>油松>华山松>日本落叶松>无林地，阔叶林地的渗透速率大于针叶林地.各林地的渗透能力有差异，但都强于无林地.表明有林地的土壤物理性状和结构都要比无林地的好.因此，阔叶林涵养水源的能力最强，可以有效地延缓地表径流的产生，减少当地水土流失，改善生态质量.

2) 利用Kostiakov、Philip和Horton 3种入渗模型对小陇山林区6种主要林地土壤入渗进行拟合，结果表明，Kostiakov模型的R2值都超过0.9，并且Kostiakov模型中的参数a、b的最大值都存在于锐齿栎林，最小值均存在于无林地中，这与锐齿栎林的渗速率最大，无林地的入渗速率最小的情况相一致.所以Kostiakov模型能够更接近地模拟各林分土壤水分渗透实际过程，在本研究中具有良好的实用性.

3) 小陇山林区6种主要林地类型的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率都随着土壤深度增加而下降.由于随着土层深度的增加，土壤容重增大、土体更加紧实，总孔隙度减小，从而导致土壤初始入渗速率和稳定入渗速率减小.

4) 通过SPSS软件分析小陇山林区6种主要林地土壤水分的初渗速率和稳渗速率与土壤理化性质之间的相关性.结果表明，土壤自然含水量与土壤初渗速率呈极显著的负相关关系；土壤稳渗速率与土壤容重呈极显著负相关关系，与总孔隙度，尤其是非毛管孔隙度呈正相关关系.不同林地类型的土壤稳渗速率不同，锐齿栎最大，无林地最小，阔叶林大于针叶林.所以阔叶林是最佳的水源涵养林.

影响森林土壤水分入渗的因子众多，由于研究基础比较薄弱，本研究未涉及到如林地坡位、坡向、土壤有机质含量及植被根系等因素对土壤水分入渗产生的影响.经过查阅文献资料，林代杰等[23]在不同土地利用方式下土壤入渗特征及其影响因素中研究表明，土壤有机质含量越多，土壤团聚体越多，孔隙度大，因此土壤入渗能力越强，土壤入渗能力与有机质含量呈正相关；闫东峰等[24]在豫南山区典型林地土壤入渗特征及影响因素分析中得出，土壤入渗能力与根表面积密度存在显著的相关性.小陇山在土壤入渗特征与各因素之间关系的相关分析还不够完善，应进一步加强对此方面的研究.

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(责任编辑 赵晓倩)

Soil infiltration characteristics of main forest lands in Xiaolongshan Region

LIU Xiao-lin,LI Hui-ping,ZHENG Zi-long,GAO Xing-hong,HU Xiao-lin

(Xiaolongshan Institute of Forest Science and Technology，Forest Ecosystem Locational Research Station in Xiaolongshan,Tianshui 741020,China)

【Objective】 To choose the most suitable type of water conservation forest in Xiaolongshan region and reduce the soil and water loss. 【Method】 Soil infiltration characteristics of 6 forests were studied by double cutting ring method. 【Result】 The steady-state infiltration rate was in order ofQuercusalienavarvar.acuteserrata(6.52 mm/min),broadleaved mixed forest (5.30 mm/min),PinustabulaeFormis(4.89 mm/min),PinusarmandiiFranch(4.48 mm/min),Larixksrmpferi(3.87 mm/min),non-stocked land (3.62 mm/min).The fitting precision with Kostiakov's model was higher than with others. The first soil infiltration rate and the steady-state infiltration rate of the same forest land decreased with the increment of soil depth. Soil moisture content was found to have a negative correlation with the first soil infiltration rate. A negative correlation was observed between steady-state infiltration rate and soil bulk density,but a positive one between steady-state infiltration rate and non-capillary porosity. 【Conclusion】 The soil infiltration ability of broad-leaved is stronger,which can effectively improve the ecological quality.

Xiaolongshan Region;soil infiltration;infiltration model

刘小林(1965-)，男，本科，高级工程师，主要从事森林生态研究.E-mail：LiuxL99@163.com

李惠萍，女，硕士，工程师，主要从事森林水文研究.E-mail：249545627@qq.com

甘肃省天水市科技支撑项目“小陇山林区天然林保护工程生态效益监测”.

2016-05-13；

2016-09-09

S 714

A

1003-4315(2016)06-0089-06