海拔及旅游干扰对武功山山地草甸土壤渗透性的影响

李 志,袁颖丹,4,胡耀文,孟文武,张学玲,郭晓敏,张文元,胡冬南,牛德奎,*

1 江西农业大学林学院,南昌 330045 2 江西省森林培育重点实验室,南昌 330045 3 江西特色林木资源培育与利用2011协同创新中心,南昌 330045 4 南京林业大学林学院,南京 210037

土壤是植被发挥水文调节作用的主要场所,土壤渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因素之一,是反映土壤水源涵养及调节功能的重要指标[1- 2]。李建兴等[3]对三峡库区几种边坡植被土壤渗透性进行研究,发现香根草(Vetiveriazizanioides)的土壤渗透性最好,其次是紫花苜蓿(Medicagosativa)和百喜草(Paspalumnotatum),狗牙根(Cynodondactylon)土壤的渗透性最差；郁耀闯和张光辉[4]对黄土高原丘陵区农耕地土壤渗透性的研究表明,容重、孔隙度、农事活动和作物根长是影响渗透性季节变动的关键因素；石玉龙等[5]对西藏色季拉山不同海拔梯度急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)土壤入渗特征的研究表明,海拔越高,土壤渗透性越差；王意锟等[6]对浙西南不同经营强度下毛竹(Phyllostachysheterocycla)林的研究表明,人为干扰弱的林地,土壤渗透性更好。张淑兰等[7]对小兴安岭不同类型森林土壤特征的研究表明,浅层(0—20 cm)土壤的初渗率和稳渗率大于深层(20—50 cm)；Jeff等[8]通过对美国南卡罗来纳州的农田添加生物炭的实验,发现生物炭的添加对土壤渗透性具有很好的改良作用；康金林等[9]通过室内模拟实验,发现土壤入渗率与不同控制水平土壤初始含水率和容重呈反比的关系。综合来看,当前国内外关于土壤渗透性的研究中,大多关注工程、农业、林地或室内模拟实验的内容,也从不同角度分析了土壤渗透性的影响因素,而对于亚热带山地草甸土壤渗透性方面研究较少。

江西武功山草甸是亚热带山地草甸的典型代表,以面积广和分布基准海拔低的特点,在华东植被垂直带谱中具有典型性和特殊性,但人为干扰和过度旅游开发使武功山脆弱的山地草甸出现严重退化和破碎化态势[10]。我们已在武功山草甸土壤养分[11- 12]、种子库特征[13]、山地草甸景观的旅游营销[14]及草甸物种对气候变化的影响[15]等方面有一定研究积累,这里依据武功山山地草甸特殊生态系统对旅游干扰和海拔具有较为敏感性的特点,开展不同海拔高度和旅游干扰程度的草甸土壤渗透性和理化性质测定与分析,探讨土壤渗透性特征及其主要影响因子。研究结果将使人们对亚热带山地草甸土壤水文特征有深入了解,为亚热带山地草甸的科学研究、生态修复和可持续经营规划提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

江西武功山位于吉安市、萍乡市、宜春市三个地级行政区交界处(114°10′—114°17′ E,27°25′—27°35′ N),是湘江水系及赣江水系的分水岭,绵延大约120 km,总面积大约970 km2,年均温为14—16℃,夏季的最高温为23℃,年均日照时长为1580—1700 h,年均蒸发量为1360—1700 mm,年均湿度值为70%—80%,年均降雨量为1350—1570 mm,武功山山体岩石类型主要为花岗岩和片麻岩,主峰白鹤峰(金顶)海拔1918.3 m[16]。武功山草甸分布区的土壤主要是亚热带山地草甸土,色泽幽黑,干后成块,草甸分布主要开始于海拔1600 m左右,主要有禾本科的芒(Miscanthussinensis)、野古草(Arundinellaanomala)、茅根(Perotisindica)等,还有少量蓼科(Polygonaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、唇形科(Labiatae)和十字花科(Cruciferae)植物,其中,芒是区域内的分布最广的建群种植被[17]。

1.2 试验设计与样品采集

从海拔和旅游干扰两个方面对武功山草甸土壤渗透特征进行综合调研。2013年10月,从草甸分布边缘区开始向上至山顶,每隔约100 m左右的范围设置为一个海拔梯度,即1600 m、1700 m、1800 m、1900 m,在每个海拔梯度范围选择无干扰的草甸区域,随机设置3个10 m×10 m的重复样方,作为研究海拔高度对草甸土壤渗透性影响的处理。武功山金顶(主峰)区域为典型的旅游干扰区,在该海拔(1900 m)范围,参照国家质检总局2004年颁布的《天然草地退化、沙化盐渍化的分级指标》国家标准(GB 19377—2003)[18]和相关学者[19- 21]对退化草地分级标准的研究结果,依据旅游干扰所造成的植被覆盖率(Coverage rate,缩写为CR)减少后的相对百分数(%),设置无干扰 (Control check,缩写CK,CR≥90%)、轻度干扰(Light disturbance, LD, 60%≤CR<90%)、中度干扰(Medium disturbance, MD, 30%≤CR<60%)、重度干扰(Severe disturbance, SD, CR<30%)等4种处理,每种处理随机设置3个10 m×10 m的重复样地,研究不同干扰程度对山地草甸土壤渗透性的影响。山地草甸不同研究处理及样地基本概况见表1。

在每个10 m×10 m的样方内沿两条对角线及其交汇点进行5点采样,每个采样点的土壤包括两层,即0—20 cm和20—40 cm,同土层深度的土壤混合均匀后,用“四分法”取出约500 g土壤装保鲜袋,带回实验室自然风干,拣去动植物残体和石块后进行粉碎,过2 mm筛孔制作待测样品,土壤pH、有机质(OM)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)等化学指标采用土壤养分系统研究法(ASI法)测定[22]。在每个样方内,按 “品”字形或沿对角线方式各选3个重复采样点,各点间距在5 m左右,分0—20 cm和20—40 cm两个土层深度进行取样,每个样点的每层土壤均用2个环刀采样,1个环刀的样品用来测定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量,另1个环刀的样品采用双环渗透法测定土壤入渗特性[23- 24]。利用美国生产的W.E.T Sensor Kit土壤水分、温度速测仪进行土壤温度及水分的测定。

1.3 土壤渗透性指标计算及入渗过程拟合

参考相关文献资料[7],选择初渗率、平均入渗率、稳渗率、渗透总量作为研究土壤渗透特征的指标,其中：

初渗率=最初入渗时段内渗透量/入渗时间,本研究最初入渗时间为2 min；

表1 不同处理山地草甸样地基本概况

CK：试验对照(无干扰),Control check(no disturbance)；LD：轻度干扰,Light disturbance；MD：中度干扰,Medium disturbance；SD：重度干扰,Severe disturbance；NE：东偏北,north of due east

平均入渗率=达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间；

稳渗率：单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；

因所有土样渗透速率在60 min前己达稳定,为了便于比较,渗透总量统一取前60 min内的渗透量。

有关土壤水分入渗的数学模型有许多种,参照有关研究结果[3],选择4个常用的入渗模型来拟合武功山山地草甸土壤水分入渗过程,通过这些模型的对比分析,选出适用于该区域的最优模型。

(1)考斯加科夫(Kostiakov)模型：

f(t)=at-b

式中：f(t)为土壤入渗率(mm/min)；t为入渗时间(min)；a,b为拟合参数。

(2)菲利普(Philip)模型：

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

式中：A为稳渗率(mm/min)；S为土壤吸水率。

(3)霍顿(Horton)模型：

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

式中：fc,f0,k分别为稳渗率、初渗率、常数。

(4)通用经验模型：

f(t)=a′+b′t-n

式中：a′,b′为经验参数,n为拟合参数。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2016对数据进行初期统计与汇总,采用SPSS 21.0的单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同处理山地草甸土壤渗透性差异(α=0.05),当差异性显著时,采用Turkey法进行多重比较。对山地草甸土壤渗透性进行主成分分析；对土壤渗透性与土壤理化性质进行Pearson相关分析,并进行逐步回归分析,建立土壤渗透性的回归方程。

2 结果与分析

2.1 山地草甸土壤渗透特征

2.1.1 不同海拔山地草甸土壤渗透性

武功山不同海拔草甸土壤的初渗率、稳渗率、平均入渗率、渗透总量等4个指标分布规律相似(图1),表现为初渗率>平均入渗率>稳渗率,0—20 cm土层各指标数值高于20—40 cm。在0—20 cm土层中,1600—1800 m,随着海拔的升高,各指标数值呈现降低的趋势,但是在1900 m海拔数值较高；20—40 cm土层渗透性各指标呈现不规则的波动状分布,但4个指标均在1700 m海拔数值最高。不同海拔土壤渗透性分布特征为：

初渗率中,0—20 cm土层其大小顺序为1600 m>1900 m>1700 m>1800 m,即为30.62 mm/min、15.91 mm/min、14.26 mm/min、3.42 mm/min,1600 m与1800 m土壤初渗率差异显著(P<0.05)；20—40 cm土层其大小顺序为1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即为2.62 mm/min、9.85 mm/min、0.15 mm/min、3.46 mm/min,1700 m与1600 m、1800 m土壤初渗率差异显著(P<0.05)；1600 m及1900 m两个海拔不同土层深度土壤初渗率差异显著(P<0.05)。

稳渗率中,0—20 cm土层其大小顺序为1600 m>1700 m>1900 m>1800 m,即为26.27 mm/min、12.26 mm/min、2.46 mm/min、7.82 mm/min,1600 m与1800 m、1900 m土壤稳渗率差异显著(P< 0.05)；20—40 cm土层其大小顺序为1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即为1.82 mm/min、8.24 mm/min、0.11 mm/min、2.58 mm/min,1800 m土壤稳渗率与其他海拔差异显著(P<0.05)；1600 m不同土层深度数值差异显著(P< 0.05)。

平均入渗率中,0—20cm土层其大小顺序为1600 m>1700 m>1900 m>1800 m,即为27.41 mm/min、13.19 mm/min、10.64 mm/min、2.85 mm/min,1600m与1800 m土壤平均入渗率差异显著(P<0.05),20—40 cm土层其大小顺序为1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即为8.83 mm/min、3.02 mm/min、2.15 mm/min、0.12 mm/min,1700 m与1600 m、1800 m土壤平均入渗率差异显著(P<0.05)；1600 m不同土层深度土壤平均入渗率差异显著(P<0.05)。

渗透总量中,0—20 cm土层其大小顺序为1600 m>1700 m>1900 m>1800 m,即为1592.59 mm/min、750.48 mm/min、522.87 mm/min、151.41 mm/min,1600 m与1800 m、1900 m土壤渗透总量差异显著(P<0.05)；20—40 cm土层其大小顺序为1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即为501.58 mm/min、161.83 mm/min、114.30 mm/min、6.24 mm/min,1700 m与1600 m、1800 m土壤渗透总量差异显著(P<0.05)；1600 m不同土层深度土壤渗透总量差异显著(P<0.05)。

图1 不同海拔高度山地草甸土壤渗透性(平均值±标准误)Fig.1 Soil permeability of mountain meadow at different elevations(Mean±S.E.)不同大写字母表示相同土层深度不同海拔差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一海拔不同土层深度差异显著 (P<0.05)

2.1.2 不同干扰程度山地草甸土壤渗透性

不同干扰程度山地草甸土壤渗透性分布规律相同(图2),均表现出初渗率>平均入渗率>稳渗率的特征,随着干扰程度的增强,土壤初渗率、稳渗率、平均入渗率和渗透总量等4个指标在不同土层深度均呈现递减的趋势,即CK>LD>MD>SD。0—20 cm土层渗透性各指标高于20—40 cm。不同干扰程度土壤渗透性分布特征为：

初渗率中,0—20 cm土层其数值为15.91 mm/min、9.33 mm/min、7.18 mm/min、2.81 mm/min,CK与SD土壤初渗率差异显著(P<0.05)；20—40 cm土层其数值为3.46 mm/min、2.11 mm/min、0.89 mm/min、0.32 mm/min,不同干扰程度土壤初渗率差异不显著(P>0.05)；CK和MD不同土层深度土壤初渗率差异显著(P<0.05)。

稳渗率中,0—20 cm土层其数值为7.82 mm/min、3.44 mm/min、3.1 mm/min、1.88 mm/min,CK与SD土壤稳渗率差异显著(P<0.05)；20—40 cm土层其数值为2.58 mm/min、2.07 mm/min、0.63 mm/min、0.3 mm/min,不同干扰程度土壤稳渗率差异不显著(P>0.05)；MD不同土层深度土壤稳渗率差异显著(P<0.05)。

平均入渗率中,0—20cm土层其数值为10.64 mm/min、5.59 mm/min、4.39 mm/min、2.5 mm/min,CK与SD土壤平均入渗率差异显著(P<0.05)；20—40 cm土层其数值为3.02 mm/min、2 mm/min、0.68 mm/min、0.31 mm/min,CK与SD土壤平均入渗率差异显著(P<0.05)；MD不同土层深度土壤平均入渗率差异显著(P<0.05)。

渗透总量中,0—20 cm土层其数值为522.87 mm/min、253.24 mm/min、203.5 mm/min、118.27 mm/min,CK与SD土壤渗透总量差异显著(P<0.05)；20—40 cm土层其数值为161.83 mm/min、103.96 mm/min、38.62 mm/min、18.02 mm/min,CK与SD土壤渗透总量差异显著(P<0.05)；MD不同土层深度土壤渗透总量差异显著(P<0.05)。

图2 不同干扰程度山地草甸土壤渗透性(平均值±标准误)Fig.2 Soil permeability of mountain meadow at different disturbance levels(Mean±S.E.)不同大写字母表示相同土层深度不同干扰程度差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一干扰程度不同土层深度差异显著(P<0.05);CK：试验对照(无干扰),Control check(no disturbance)；LD：轻度干扰,Light disturbance；MD：中度干扰,Medium disturbance；SD：重度干扰,Severe disturbance；NE：东偏北,north of due east

2.2 不同海拔及干扰程度草甸土壤渗透性综合评价

以初渗率(F1)、稳渗率(F2)、平均入渗率(F3)和渗透总量(F4)为评定指标进行主成分分析,综合比较不同海拔及干扰程度下不同土层土壤渗透性能。从表2可知,第一个主成分的方差累积贡献率达97.684%,第一主成分提供的信息量最大,而所有变量的正载荷相差不大,根据因子得分系数矩阵,其主成分方程为f=0.248F1+0.254F2+0.255F3+0.255F4,通过方程计算不同海拔高度及不同干扰程度的上、下层的土壤渗透性得分,并进行排序(表3和表4),可知不同处理土壤渗透性存在差异,在不同海拔高度上,0—20 cm土层,在1600 m范围表现最优,20—40 cm土层则是在1700 m范围表现最优,从平均得分来看,在1600—1800 m,随海拔的增高,土壤渗透性逐渐降低,而在1900 m又有所提高(表3),不同干扰程度上,0—20 cm土层在CK表现最优,20—40 cm土层,在SD表现最优,从平均得分来看,随着干扰程度的增强,土壤渗透性逐渐降低(表4)。

表2 山地草甸土壤渗透性主成分分析

表3 不同海拔高度山地草甸土壤渗透性排序

表4 不同干扰程度山地草甸土壤渗透性排序

2.3 不同海拔高度和干扰程度山地草甸土壤入渗特征模拟

不同处理山地草甸土壤入渗过程4个模型的拟合精度存在差异(表5),通用经验模型拟合的相关系数为0.84—0.98,平均相关系数为0.92；Horton模型拟合的相关系数为0.57—0.98,平均相关系数为0.85；Philip模型拟合的相关系数为0.14—0.94,平均相关系数为0.71；Kostiakov模型拟合的相关系数为0.15—0.89,平均相关系数为0.66。从拟合优度考虑,通用经验模型拟合效果最好,Horton模型次之,Philip模型和Kostiakov模型拟合效果都比较差。在相关系数为0.92以上的17个入渗最优模型中,通用经验模型有9个,占了52.94%,Horton模型有7个,占41.18%,Philip模型有1个,占5.88%,无Kostiakov模型。所以,通用经验模型比较适合模拟武功山山地草甸区域的土壤入渗过程,而Horton模型的模拟效果不够理想,Philip模型和Kostiakov模型不适合该区域内土壤水分入渗过程的模拟。

表5 山地草甸土壤入渗特征的拟合参数

a′：经验参数,Empirical parameter；b′：经验参数,Empirical parameter；n：拟合参数,Fitting parameter；R2：相关系数(下同),Correlation coefficient(the same below)；fc：稳渗率,Steady infiltration rate；f0：初渗率,Initial infiltration rate；k：常数,Constant；A：稳渗率,Steady infiltration rate；S：土壤吸水率,Soil water absorption rate；f(t)：土壤入渗率,Soil infiltration rate；t：入渗时间,Infiltration time；a：拟合参数,Fitting parameter；b：拟合参数,Fitting parameter

2.4 土壤渗透特性与土壤理化性质的关系

由表6可知,山地草甸土壤渗透性特征4个指标与土壤湿度、毛管持水量显著正相关(P<0.05),与容重显著负相关(P<0.05),初渗率、平均入渗率与速效氮含量显著正相关(P<0.05),稳渗率、平均入渗率、渗透总量与速效钾含量显著正相关(P<0.05)。以山地草甸理化指标土壤温度(A1)、土壤湿度(A2)、最大持水量(A3)、毛管持水量(A4)、最小持水量(A5)、容重(A6)、pH(A7)、有机质(A8)、速效氮(A9)、速效磷(A10)、速效钾(A11)为自变量,土壤渗透性特征4个指标初渗率(F1)、稳渗率(F2)、平均入渗率(F3)、渗透总量(F4)为因变量,进行逐步回归分析,得到渗透性特征4个指标的指导因子方程为：F1=-26.871A2+55.377(R2=0.164,P=0.008),F2=0.426A4-0.45A5+2.451(R2=0.564,P<0.001),F3=0.455A4-0.481A5+3.112(R2=0.563,P<0.001),F4=25.91A4-27.445A5+163.489(R2=0.563,P<0.001)。

表6 山地草甸土壤理化性质与渗透特性的相关分析

**. 在0.01 水平(双侧)上显著相关, *. 在 0.05 水平(双侧)上显著相关

3 讨论

通过对武功山山地草甸土壤渗透性特征的分析,发现0—20 cm土层的土壤渗透性高于20—40 cm,土壤渗透性受海拔影响,但其分布特征不完全与海拔高度变化相一致。总体来看,土壤初渗率、稳渗率、平均入渗率和前60 min渗透总量等在1600 m到1800 m随着海拔升高逐渐降低,在1900m又有所增加。有研究者[25- 29]对青藏高原高寒草甸和北方山地红松、油松林的土壤养分、植被生物量或土壤渗透率状况进行研究,均发现所测定指标不完全与海拔高度趋势相一致,随着土层深度增加,土壤渗透性降低,与本文的研究结果相似。

随着干扰程度的增强,武功山山地草甸土壤渗透性呈现逐渐减小的趋势。王意锟等[6]对不同经营强度的毛竹林地土壤渗透性进行研究后发现,随着经营强度的增加,林地土壤渗透性也呈降低趋势,也与本研究结果相呼应。张晓芹等[30]对贺兰山及千佛山的草原植被进行研究,发现随着旅游干扰强度的增加土壤的容重和含水量分别呈现增加和减低的趋势,这与本研究的结果一致。

土壤容重是土壤的透水性以及通气性的重要反映,土壤持水量、含水量、贮水量是反映水源涵养能力的重要指标[31],土壤的渗透及蓄水能力等受到土壤容重的影响,几项指标之间存在着相互作用的关系[32]。武功山草甸分布区海拔及旅游干扰程度的变化使土壤容重也产生了改变,而土壤渗透性所呈现的分布规律可能是因为随着海拔升高植被的长势逐渐矮化,根系也逐渐细浅,进而影响土壤渗透性呈递减趋势,而在1900 m海拔的风力相对其他海拔区域更大,为抵抗风力,该区域的植被根系可能更为密集、粗壮,进而影响到土壤容重及持水量等性能,致使渗透率在该海拔范围有所增加；旅游干扰的增强,游人踩踏行为增多,致使土壤致密性增加,容重也会变大,从而造成土壤渗透性的降低。

土壤水分入渗模型有许多种[9,33],在不同的研究区域,各个模型的适用性不同[6,34],因为目前对亚热带山地草甸渗透性特征的研究较少,所以本文采用了4个渗透模型分别对其适用性进行拟合,发现通用经验模型在该区域的拟合效果最好。土壤水分的渗透过程复杂,渗透性能越好,地表径流越少,土壤侵蚀量也会相应减少[35]。武功山不同海拔草甸上层及上、下层平均土壤渗透性在海拔1800 m范围最低,且与1600 m差异明显,可能在1800 m范围是山地草甸生态系统较为脆弱的区域,未来在进行开发的建设的时候要尤其注意做好保护措施。在1900 m的典型旅游干扰区,重度干扰的土壤渗透性最低,因此,要及时对该干扰程度下的草甸植被及土壤进行修复,以免造成进一步的土壤侵蚀。

4 结论

武功山山地草甸土壤渗透性在不同海拔高度总体表现为：在1600—1800 m范围,随着海拔升高土壤渗透性逐渐降低,而在高海拔的1900 m范围又渗透性提高。随着干扰程度的增强,土壤渗透性逐渐降低。表层(0—20 cm)土壤渗透性高于底层(20—40 cm),且初渗率>平均入渗率>稳渗率,通用经验模型能更好的拟合本研究区的土壤渗透过程。土壤渗透性与土壤湿度、毛管持水量呈显著正相关,与容重显著负相关,初渗率、平均入渗率与速效氮含量显著正相关,稳渗率、平均入渗率、渗透总量与速效钾含量显著正相关。

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