黄土高寒区小流域土壤饱和导水率和土壤密度的分布特征

李 平, 王冬梅, 丁 聪, 任 远

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

土壤饱和导水率Ks是影响土壤水分运移、降雨入渗、产流模式的主要因素[1]，同时也是进行水土流失模型预测时必须确定的参数，受土壤密度、孔隙状况等的影响表现出强烈的空间异质性。土壤密度ρs是反映土壤紧实程度的重要指标，它的大小同样影响着土壤水分入渗和溶质迁移能力，自然条件下成土母质、生物、气候等综合作用导致其在空间内表现一定的变异性。众多学者对二者的空间分布[2-5]和影响因素[6-9]等已进行了大量报道：刘春利等[2]在黄土高原水蚀风蚀交错区研究发现坡面土壤饱和导水率0～200 cm各土层内均为中等变异，具有空间变异结构；张川等[5]在喀斯特地区发现表层土壤密度和饱和导水率的空间依赖性明显，土壤密度沿坡面向下呈递减趋势，饱和导水率的变化没有明显规律；在黄土高原[6]、滇中[7]、桂北[8]、喀斯特[9]等地区均发现土壤饱和导水率与土壤密度呈负相关，与孔隙度、有机质含量呈正相关。不足之处在于以上研究大多在黄土高原和喀斯特地区进行，而对黄土高寒区的饱和导水率和土壤密度在坡面尺度的分布特征的研究鲜有报道，且多只在不同林分之间的进行对比[10]。

黄土高寒区位于青藏高原与黄土高原交界地带，生态环境脆弱，是植被重建与生态退耕的重点区域，土壤水分是限制该区域植物生长和恢复的主要因子，提高水分利用效率尽可能使降雨入渗、减少产流对植被恢复至关重要。降雨产流的大小受土壤入渗的影响，与土壤前期水分状况、土壤导水性能及土壤孔隙状况密切相关[11]，而土壤入渗性能则是通过不同位置土壤饱和导水率或稳渗速率等来反映的[7]。地形因子控制流域内水分的运动与溶质的运移、积累，影响坡面植被组成与生长，进而导致土壤性质呈现空间差异[12]。因而准确揭示土壤饱和导水率和土壤密度在坡面上的分布特征，可为阐明区域土壤水分在坡面的分布和入渗特征提供理论依据，并用于指导区域植被建设。笔者选取黄土高寒区典型小流域为研究对象，运用经典统计学的空间变异分析方法，对比同一土地利用方式下不同土层、坡向、坡位土壤饱和导水率Ks与ρs的变化规律，既弥补该地区的研究空白，又能为流域植被调整及水分分布模拟提供科学依据。

1 研究区概况

试验地位于青海省大通县桥头镇安门滩小流域，地处黄土高原西部向青藏高原的过渡带,海拔2 448～2 562 m。属高原大陆性气候，降水少蒸发大，多年平均降水量506.5 mm, 且主要集中在6—9月，多年平均蒸发量1 762.8 mm，最大蒸发量在4—6月，属于典型的黄土高寒区小流域。主要树种为2000年退耕后种植的青海云杉(Piceacrassifolia)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechii)、祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)、中国沙棘(Hippophaerhamnoides)、柠条(Caraganakorshinskii)等，主要草本植物有密生苔草(Carexcrebra)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、鹅绒委陵菜(Potentillaanserna)等。土壤类型为黄土母质上发育的山地棕褐土和栗钙土。

2 材料与方法

2.1 样点选择及试验方法

试验采样于2018年6—8月在大通县安门滩小流域进行，土地类型为退耕林地，坡面主要植被类型为青海云杉、祁连圆柏、华北落叶松、油松等人工林，种植密度为3.0 m×2.0 m。将小流域内林地按不同坡向进行分类，分为北坡(0～45°)、南坡(135°～225°)、东坡(45°～135°)，从坡顶至坡脚采用30 m×20 m的网格布置土壤采样点，分为6行4列，每2行为一个坡位，如图1所示。北坡、南坡、东坡分别选择24个样点，用环刀按20 cm的深度间隔分层采集0～60 cm土层内的原状土样，每个样点5个重复。

图1 采样点坡面布设Fig.1 Layout of sampling points in the slope

2.2 土壤测定及分析

室内采用自制的马里奥特瓶和TWS-55型渗透仪，用定水头法测定土壤渗透速率，从而计算饱和导水率[4]。环刀浸透法和烘干法测定土壤密度、孔隙度[13]，同时分层取扰动土利用Mater Sizer 2000 激光颗粒分析仪测定土壤机械组成，并按国际制分类法分为：黏粒(<0.002 mm)、粉粒 (≥0.002～0.02 mm)、 砂粒(≥0.02～2 mm)。

2.3 数据分析

1) 经典统计学方法。经典统计学主要以变异系数(Cv)对变异特征进行分析。变异系数可定义为:Cv=S/x。式中:S为标准差(Ks, mm/min;ρs, g/cm3);x为变量均值(Ks, mm/min;ρs, g/cm3)。根据变异程度分级:Cv≤0.1属于弱变异，0.1

2) 显著性及方差分析。在统计软件SPSS 18.0中，运用LSD法对不同土层深度、坡向、坡位及土地利用类型下的Ks和ρs进行显著性检验，采用皮尔逊相关系数分析Ks和ρs与土壤物理性质的关系，在Origin 8.5中作图。

3 结果与分析

3.1 各样点Ks和ρs总体均值的分布特征

小流域内40个样地3个采样深度累计采集216个土壤样品(表1)，其中Ks均值为1.018 mm/min，ρs均值为1.257 g/cm3。从变异系数来看，ρs属于弱变异程度(Cv<0.1)，Ks则为中等变异程度(0.1

经单样本K- S检验，Ks和ρs均符合正态分布。相关性检验结果显示二者相关系数为-0.453，且P<0.001，说明二者存在极显著负相关性，因为随ρs增大，土壤孔隙度减小、团粒结构破坏，变得坚实紧密，入渗能力降低，Ks减小。这与张湘潭等[11]、甘淼等[14]和李卓等[16]的研究结果一致，而与刘春利等[2]、张川等[5]的发现不同，可能是由于张川等[5]的研究区位于喀斯特地区，土壤石砾含量较高、大孔隙较多，刘春利等[2]的试验材料是过筛后扰动土，大孔隙遭到破坏，导致土壤密度与导水率相关性较差，说明土壤类型及研究区的不同均会导致研究结果的差异性。

表1 饱和导水率和土壤密度的描述性统计特征

由表2可知，Ks与粉粒质量分数呈极显著负相关关系，与总孔隙度、砂粒质量分数具有极显著正相关关系(P<0.01)，与黏粒质量分数、毛管孔隙度具有显著相关关系(P<0.05)，与非毛管孔隙度正相关但关系不显著(P>0.05)；ρs与黏粒质量分数存在极显著正相关性(P<0.01)，与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数均在80%以上，与砂粒质量分数存在显著负相关性(P<0.05)，相关系数较低，与粉粒质量分数、非毛管孔隙度呈负相关但不显著(P>0.05)。即土壤黏粒、粉粒质量分数较多，砂粒质量分数较少时，土壤变紧实、大孔隙相对减少，入渗能力减小，导水性能变差[17]。

表2 土壤物理性质与饱和导水率和土壤密度的相关系数

注：** 表示在0.01水平上显著相关；*表示在0.05水平上显著相关。Notes: ** refers to significant correlation at 0.01 level and * refers to significant correlation at 0.05 level. The same below.

LPNS：北坡下坡位 Lower position of north-facing slope. MPNS：北坡中坡位Middle position of north-facing slope. UPNS：北坡上坡位Upper position of north-facing slope. LPSS：南坡下坡位Lower position of south-facing slope. MPSS：南坡中坡位Middle position of south-facing slope. UPSS：南坡上坡位Upper position of south-facing slope. LPES：东坡下坡位Lower position of east-facing slope. MPES：东坡中坡位Middle position of east-facing slope. UPES：东坡上坡位Upper position of east-facing slope. 不同小写字母表示不同坡向Ks差异显著(P<0.05)。不同大写字母表示不同坡位Ks差异显著(P<0.05)。下同。 Different lowercase letters refer to significant at (P<0.05) lever among Ks of different slope aspect. Different uppercase letters refer to significant at (P<0.05) lever among Ks of different slope position. Ks: Saturated hydraulic conductivity. The same below. 图2 不同剖面土壤饱和导水率(Ks)随坡向和坡位的变化及其变异系数Fig.2 Variation of Ks with slope aspect and slope position and their coefficients of variation with different profiles

3.2 不同土层深度Ks和ρs的分布特征

图3 不同剖面土壤密度随坡位和坡向的变化及其变异系数Fig.3 Variation of bulk density (ρs) with slope aspect and slope position and their coefficients of variation with different profiles

由图2、图3可知，垂直方向上，北坡不同坡位间Ks均表现为在20～40 cm土层最大，40～60 cm最小，而在南坡、东坡均是随土层加深逐渐减小。这与刘春利等[2]、付同刚等[18]发现Ks随土层加深而减小的结果不同，可能是由于本研究区北坡20～40 cm土层内碎石含量较多，石砾之间存在大孔隙，导致Ks变大；ρs均值随土层加深呈增大趋势，与付同刚等[18]、姚淑霞等[19], 王轶浩等[20]和刘晓丽等[21]的研究结果相同。各土层Ks的变异系数在0.1～1之间，均属于中等变异程度，与赵春雷等[6]在黄土高原的研究结果相似，付同刚等[18]则发现在喀斯特地区表层为中等变异性，较深层为强变异性；ρs在各土层均属于弱变异程度(Cv<0.1)，喀斯特地区[16]土层浅薄，不连续，且碎石含量高，导致ρs变化范围大，属于中等程度变异。说明不同土层的Ks和ρs在不同研究区的变异程度存在差异性。由表3可知，南坡、东坡土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、砂粒含量均随土层加深而减小，黏粒、粉粒含量随土层加深而增大，北坡则表现为20～40 cm土层内孔隙度最好，颗粒组成的变化与南坡、东坡一致。这是由于0～20 cm土壤枯枝落叶较多，有机质含量高，且丰富的地上植被尤其是草本植物的根系活动旺盛，使得表层土壤较疏松、孔隙度较高，随土层加深土壤颗粒排列逐渐紧密，结构逐渐变差，土壤密度增大[20]，而采集土样过程中发现北坡的20～40 cm土层内石砾较多，导致土壤Ks较表层大[11]。

经检验发现，各土层之间Ks只在南坡中坡位、北坡和东坡的下坡位存在显著性差异(P<0.05)，ρs仅在北坡的下坡位存在显著性差异(P<0.05)。南坡中坡位不同土层总孔隙度、毛管孔隙度、颗粒组成均具有显著性差异(P<0.05)，南坡、东坡下坡位的毛管孔隙度、砂粒含量存在显著差异(P<0.05)。

3.3 不同坡向Ks和ρs的分布特征

坡向通过影响太阳辐射、温度、土壤蒸发、植被蒸腾等影响植被生长，进而显著影响土壤物理性质的空间分布[20]。由图2可知，除在0～20 cm土层内同一坡位不同坡向Ks表现为南坡最大，东坡最小，其他坡位和土层间Ks均表现为北坡>南坡>东坡，均属于中等变异程度；方差分析结果表明，上坡位40～60 cm土层不同坡向不存在显著差异(P>0.05)，其他坡位和土层、不同坡向Ks存在显著差异(P<0.05)，这种差异主要表现在东坡的Ks显著低于北坡和南坡。纳磊等[22]在黄土区研究也发现阳坡土壤稳定入渗率小于阴坡；佘波等[23]在太原林场的研究则发现油松林地Ks阴坡<半阴坡<阳坡外，这是由于该地区阳坡的光热条件有利于油松生长，从而对土壤结构及导水性能有积极的影响。流域内不同坡向ρs除在0～20 cm土层内表现为东坡>北坡>南坡外，其他土层和坡位表现为东坡>南坡>北坡，且均属于弱变异程度；方差分析结果表明，不同坡向ρs仅在上、中坡位0～20 cm土层内存在显著差异(P<0.05)(图3)。张湘潭等[11]在藏东南小流域研究发现由于阳坡土壤中含有较多石砾，导致Ks和ρs均为阴坡<阳坡，本研究区则是由于南坡坡度较陡人类及动物活动较北坡少，践踏导致北坡表层Ks减小和ρs增大。分析不同坡向物理性质可以发现：除0～20 cm土层总孔隙度、毛管孔隙度南坡>北坡>东坡外，其他位置总孔隙度、毛管孔隙度、砂粒含量均为北坡>南坡>东坡，黏粒、粉粒含量东坡大于南坡、北坡。

本研究区受到强烈的太阳辐射的影响，不同坡向温湿度、土壤水分等环境因子差异明显，导致植被类型及其生长状况也有较大差异。北坡水分条件较好，乔木根系发达，生长茂盛，地表枯落物丰富，对土壤结构有良好的改良作用，导致大孔隙较多，入渗能力也强；南坡乔木生长较差，地被物较少，地表蒸发强烈，对土壤改良能力较弱，导水性能弱于北坡；东坡植被生长较南坡好，但由于频繁进行放牧活动，人畜踩踏导致土壤紧实，水分入渗能力下降，导水性能最差[24-25]。

3.4 不同坡位Ks和ρs的分布特征

小流域内不同坡位Ks除在南坡表层为中坡位>下坡位>上坡位外，其他位置均表现为下坡位>中坡位>上坡位，从变异系数来看均属于中等变异程度。多重比较结果显示，北坡、南坡不同坡位之间存在显著性差异(P<0.05)，东坡不存在显著性差异(P>0.05)(图2)，这是由于东坡坡面较北坡、南坡平缓，沿坡面土壤水分条件差异不明显，植被生长状况一致。张湘潭等[11]研究也发现Ks在下坡位最大，刘春利等[3]在黄土高原坡地的研究则发现由于上坡位退耕年限较中坡位长，下坡位多为农田，人类活动强烈，导致饱和导水率沿坡面向下呈减小趋势，本研究区不同坡位均为退耕年限相同的林地，沿坡面向下土壤水分条件及植被生长逐渐变好，从而Ks变大。由于本研究仅在上、中、下坡位选点，所以郑纪勇等[4]在黄土区发现饱和导水率沿坡面呈现波浪式变化这一结果并不能得到验证，这将在后续研究中进行完善。ρs除在南坡表层为上坡位>下坡位>中坡位外，在其他位置均表现为上坡位>中坡位>下坡位，仅在北坡、南坡0～20 cm和20～40 cm土层内存在显著差异(P<0.05)，从变异系数来看均属于弱变异程度(图3)，张湘潭等[11]、Tsuic等[12]和何福红[26]同样发现土壤密度沿坡面向下呈减小趋势，杜阿朋等[27]在六盘山的研究则发现因当地严重的水土流失以及中下坡位长期的放牧活动，导致土壤密度自坡底向坡上递减。沿坡面向下总孔隙度、毛孔隙度、粉粒含量增加，砂粒含量逐渐减小。引起Ks和ρs均值坡位差异的原因有2种可能：一是该地区不同坡面位置降雨的再分配情况不同[28]，上坡位土壤因向下方排水而无法蓄积水分，下坡位则因接收上方来水导致土壤含水量较高[29]，所以下坡位植被生长旺盛、根系发达，使得土壤较为疏松，导水性能最好；二是人类及牲畜多集中在上坡位活动，中坡位乔木较下坡位矮小，上坡位遭人畜践踏，导致土壤密度较下坡位大。

表3 剖面各层土壤孔隙状况和机械组成

注：±后的为标准差。不同小写字母表示不同坡向同一土壤物理性质差异显著(P<0.05)。不同大写字母表示不同坡位同一物理性质差异显著(P<0.05)。TP：总孔隙度，%；CP：毛管孔隙度，%；NCP：非毛管孔隙度，%；Clay：粘粒，%；Silt：粉粒，%；Sand：砂粒，%。Notes: Data behind± is the standard deviation. Different lowercase letters refer to significant at (P<0.05) level among soil physical properties of different slope aspect. Different uppercase letters refer to significant at (P<0.05) level among soil physical properties of different slope position. TP: Total porosity, %.CP: Capillary porosity, %. NCP: Non-capillary porosity, %.

4 结论

1) 小流域内土壤饱和导水率和土壤密度均符合正态分布，二者存在极显著负相关性。不同土层深度、坡向、坡位下土壤饱和导水率均属于中等变异程度，土壤密度均属于弱变异程度。土壤孔隙状况和机械组成对土壤饱和导水率和土壤密度均有显著作用。土壤饱和导水率与砂粒含量的相关性最高，但相关系数仅0.276；土壤密度与总孔隙度、毛管孔隙度的相关系数最大，均大于0.890。土壤孔隙状况和机械组成的变化能准确反映土壤饱和导水率和土壤密度随土层、坡位、坡向的变化，土壤饱和导水率的变化与土壤孔隙度、砂粒含量保持一致，土壤密度的变化与之正好相反。

2)垂直方向上，不同坡位间土壤饱和导水率在北坡表现为20～40 cm土层最大，40～60 cm最小外，在南坡、东坡则是随土层加深逐渐减小；土壤密度均随土层加深而增大。土壤饱和导水率、土壤密度各土层之间只在南坡中坡位、东坡和北坡下坡位存在显著性差异(P<0.05)，土壤密度仅在北坡下坡位存在显著差异(P<0.05)。

3) 除在0～20 cm土层内同一坡位不同坡向土壤饱和导水率表现为南坡最大，东坡最小，其他坡位和土层间土壤饱和导水率均表现为北坡>南坡>东坡；不同坡向土壤密度除在0～20 cm土层内表现为东坡>北坡>南坡外，其他土层和坡位表现为东坡>南坡>北坡。方差分析结果表明，上坡位40～60 cm土层不同坡向不存在显著差异(P>0.05)，其他坡位和土层、不同坡向土壤饱和导水率存在显著差异(P<0.05)，不同坡向土壤密度仅在上坡位和中坡位的0～20 cm土层内存在显著差异(P<0.05)。

4) 小流域内不同坡位土壤饱和导水率除在南坡表层为中坡位>下坡位>上坡位外，其他位置均表现为下坡位>中坡位>上坡位。多重比较结果显示，北坡、南坡不同坡位之间存在显著性差异(P<0.05)，东坡不存在显著性差异(P>0.05)。土壤密度除在南坡表层为上坡位>下坡位外>中坡位外，其他位置均表现为上坡位>中坡位>下坡位，在北坡、南坡0～20 cm和20～40 cm土层内不同坡位存在显著差异(P<0.05)。

综上，沿坡面向下林地土壤的导水性能增强，不同坡向土壤的导水性能表现为北坡最优，东坡最差。