白龙江上游不同演替阶段森林土壤入渗和持水特征

张金武，王 立

(甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070)

土壤水分入渗是降雨、地表水转化成土壤水的重要过程，也是大气降水入渗补给浅层地下水的唯一途径[1]，它不仅可以反映土壤抗侵蚀能力，还可以作为森林涵养水源和调节水分的重要指标，也是影响地表径流的重要因素[2]。目前国内外学者对土壤入渗做了大量研究，并对入渗和土壤的理化性质进行分析，但对甘肃省白龙江流域不同演替阶段土壤渗透的研究较少。因此，通过对该区域土壤性质进行研究，对了解该区域土壤持水性能、土壤渗透特征、及渗透与根系分布的关系有极为重要的意义。

不同演替阶段土壤的理化性质和植物根系含量有明显差异，对土壤的入渗和持水性能就有不同程度的影响[3-4]。土壤质地会影响累计入渗量和初始含水率之间的关系，土壤结构不同必定会导致土壤储水能力和入渗特性有所差异。大量研究表明,植被根系可以对土壤输入有机质等营养物质，可以促进土壤的入渗性能，改善土壤环境，使其蓄水保墒能力增强。姚淑霞等[5]对科尔沁不同沙地土壤饱和导水率比较研究中得出，不同植被类型的初始入渗率、稳定入渗率、累计入渗量与土壤的含水率、土壤容重、孔隙度等有关；阿茹·苏里坦等[6]对天山林区不同群落土壤入渗特征的研究得出，天然冷杉林的土壤入渗速率快慢与错综复杂的根系分布使得土壤松动有关；赵景波等[7]对青海湖边土壤入渗的研究表明，草本植物根系发育越深土壤的稳定入渗速率就越大；刘春利[8]等指出，不同演替阶段的土壤类型对土壤容重、持水等性质有不同的影响，对改变土壤中水分的分布规律也有所不同。因此可以看出，不同地理环境中影响土壤入渗和持水的主要限制因子也不同。本研究以白龙江沙区林场为研究区域，以研究区内红桦林、冷杉林、灌丛3种林分为研究对象，测定了土壤物理性状的一些指标，并对3种林分水分入渗和持水性能进行了测定和分析，研究红桦林、冷杉林、灌丛的土壤容重、持水量、孔隙度、渗透速率等指标的差异性，以期为白龙江流域土壤渗透、持水等方面的研究提供理论依据。

白龙江林区沙滩林场是长江上游与黄河中游重要的水源涵养林和我国西北的绿色屏障，更是甘肃的绿色宝库，但该区由于人为和地质灾害等因素的影响，导致其土壤结构复杂多样。现阶段对白龙江土壤入渗特征的研究还非常不充足。白龙江林区沙滩林场不同演替阶段的土壤入渗主要受哪些因素的影响，植物根系和土壤入渗之间存在什么样的关系，哪种模型能够更好的模拟该区的土壤渗透过程。这些问题都亟待解决，因此本研究采用双环刀法，对白龙江上游土壤进行分析，探讨土壤容重、含水率、孔隙度、根系等之间的关系，并对比3种模型的模拟效果进行比较，以期为精确评估白龙江上游不同林分水源涵养功能提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省白龙江插岗梁省级自然保护区管理局沙滩保护站(102°02′-104°22′E，33°34′-33°46′N)。该地地势起伏大，高差悬殊，平均坡度为30°～35°，具有典型高山地形特征，属于高山内陆型气候，年均气温4.3℃，极端高温29.1℃，无霜期100 d。年均降水量1 023.1 mm，年蒸发量918.8 mm，林地经营总面积3.1万hm2，活力木总蓄积量207.8万m3，森林覆盖率为74.6%[9]，植被类型是以岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、青扦(Piceawilsonii)等为主的乔木林，灌木主要有勾儿茶(Berchemiasinica)、悬钩子(Rubuspalmatus)、箭竹(Sinarundinarianitida)等。林下土壤类型以棕灰色灰化土、棕色森林土、褐色森林土为主。

2 研究方法

2.1 样地调查

2019年8月，在研究区选择红桦林、冷杉林、灌丛为研究对象，对其林下土壤进行水分入渗特征和持水性能的研究。各样地的基本情况见表1。

2.2 土壤理化性质及其性能测定

在不同演替阶段的森林中选择适合的样地，取0～10、10～20、20～40 cm 3层土样，每层使用100 cm3环刀取2份原状土样，1份做土壤渗透试验，1份做土壤物理性质的研究。为避免植物根系对环刀取土的影响，在每个取样点挖60 cm深的土壤剖面，观察剖面结构，尽量避开粗根系的部分进行取土，并在该取样点附近挖20×20 cm，深40 cm的土块根，对0～10、10～20、20～40 cm不同深度的土块进行分层，将分层后的土块根带回室内洗去泥沙，并拭干水分，将其装信封袋置于85℃的烘干箱内烘至恒重，计算各层植物粗根(>5 mm)、中根(5 mm≥中根>2 mm)、细根(≤2 mm)的干质量比。在室内采用烘干法测定土壤含水率，环刀法测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量等指标，每层取3个重复求均值并进行记录。

表1 样地特征

此次试验用双环刀法对土壤入渗速率进行测定。将采回的土样浸泡在水中12 h，注意水面不能超过土柱，到测定时间后取掉上盖，在上面反套1个空环刀，用胶带固定，防止漏水，之后将环刀放在漏斗上，在漏斗下面接1个空的锥形瓶。准备开始试验，在上面的空环刀中加水，保持水面比环刀口低1 mm。当第1滴水滴到锥形瓶时开始计时，前3 min内，每1 min换1次锥形瓶，并倒入量筒内记录下渗水的体积，此后隔5 min换1次锥形瓶。整个试验的时间序列为1、2、3、5、10、15、20、30、40、60 min，分别记录时间t1、t2、t3.......tn。在试验过程中要不断地向环刀内加水，使环刀内的水一直保持在5 cm的高度。当3次更换锥形瓶入渗的水量基本相同时认为达到稳定状态，停止本轮试验。渗透速率处理方法：初渗速率=最初入渗时间段内渗透总量/入渗时间；稳渗速率=单位时间内渗透量趋于稳定时的渗透速率；平均渗透速率=达到稳定时的渗透总量/达到稳渗时的时间。

2.3 土壤水分入渗模型

由于林地的水分运动是非饱和水分运动，所以想要严密的揭示林地土壤水分的运动特征是比较困难的，因此需要依据模型来描述当地的土壤水分入渗特征，但是土壤水分入渗的模型比较多，例如Green-Ampt方程、Philip方程、Kostiakov经验公式、Horton公式、方正三通用经验公式及蒋定生经验公式等，本试验选择概念比较明确，使用方便的Philip方程、Kostiakov经验公式、Horton公式来模拟白龙江沙滩林场的土壤水分入渗过程。入渗模型分别是：

Kostiakov入渗模型[10]

I(t)=at-b

(1)

式中，I(t)为入渗率，mm·min-1；t为入渗时间，min；a和b为模型的参数。

Horton入渗模型[11]

I(t)=If+(Ii-If)e-ct

(2)

式中，I(t)为入渗率，mm·min-1；Ii为初始入渗速率，mm·min-1；If为稳定入渗速率，mm·min-1；B为模型的参数。

Philip入渗模型[12]

I(t)=A+Bt-0.5

(3)

式中,I(t)为入渗率，mm·min-1；t为入渗时间，min；A为稳定入渗速率，mm·min-1；B为模型的参数。

2.4 数据处理

数据统计采用Excel进行，利用Spss和Origin2018软件进行数据拟合、分析、检验并绘图。

3 结果与分析

3.1 土壤容重和持水性能特征

从表2可以看出，随着土层深度的增加,土壤容重有增大趋势，并且灌丛的容重最大，红桦林次之，冷杉林最小。3种林分的毛管孔隙基本都大于非毛管孔隙，随着土层深度的增加，毛管孔隙度呈递减趋势，但灌丛毛管孔隙度在10～20 cm时最大，可能与该区域土壤本身的特殊性有关。总体来说，随着土层深度的增加土壤容重与土壤孔隙度呈负相关关系，即土壤容重越小时，土壤孔隙度越大，在红桦林中关系最为明显。持水量有最大持水量>毛管持水量>最小持水量的关系，随着土层深度的增加持水量有减小的趋势，灌丛在10～20 cm时持水量最大。从图2可以看出，土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、毛管持水量在灌丛、红桦林、冷杉林中的差异性均显著(P<0.05)，其中土壤容重灌丛最大，红桦林次之，冷杉林最小，最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、毛管持水量冷杉林最大，红桦林次之，灌丛最小；非毛管孔隙度在灌丛和红桦林、冷杉林中差异性不显著，冷杉林与红桦林差异性显著(P<0.05)。

3.2 土壤渗透特征

由表3可以看出，不同演替阶段土壤初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率和渗透总量都有较大的差异性。随着土层深度的增加，灌丛和红桦林初渗速率有减小趋势，冷杉林有增大趋势；在0～10 cm土层上灌丛的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率、渗透总量均最大，冷杉林最小，在10～40 cm土层上红桦林的初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率均最大，冷杉林最小。从平均入渗速率可以看出，灌丛在0～10 cm土层上的平均渗透速率高于其他土层，红桦林在10～20 cm土层的平均渗透速率最快。灌丛渗透总量在0～10 cm土层最大，20～40 cm土层最小，红桦林和冷杉林在10～20 cm时最大。总体来说，在浅层土壤0～10 cm灌丛的渗透性能更好，在10～40 cm红桦林的渗透性能更好。

表2 土壤密度特征统计

注：字母表示差异显著性(P<0.05)。

表3 各土层土壤入渗速率对比分析

3.3 土壤入渗过程模拟

土壤入渗是一个随时间递减的过程，土壤的初始入渗速率很大，而土壤的稳渗速率较小，不同演替阶段森林土壤不同土层的入渗衰减特性用不同方程模拟的效果也各不相同。因此，采用Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型对各土层的土壤水分入渗过程进行模拟。

由表4可以看出，Kostiakov方程拟合的参数a值介于2.21～6.83，其中灌丛0～10 cm土层的a值最大，这与灌丛在0～10 cm土壤初始入渗速率最大的规律是一致的。冷杉林0～40 cm土层内a值均小于其他林种各层土壤，说明冷杉林中土壤的结构条件差于其他2个林地。b值介于0.06～0.24，灌丛在0～40 cm土层内b值较大，说明灌丛地土壤入渗速率随时间递减速率较快。Philip方程中B值在0.33～2.70，它一定程度上可以反映初始入渗速率的大小，B值最大值出现在灌丛0～10 cm土层上，这与实测灌丛0～10 cm土层初始入渗速率最大的结果相一致。

不同演替阶段森林土壤不同土层的入渗过程拟合效果可以用回归方程的判定系数R2表示，R2越大，则拟合的效果最好。从表4的拟合结果可以看出，Kostiakov模型的判定系数在0.26～0.86，冷杉林0～10 cm土层的判定系数最小；在Horton模型中，判定系数在0.22～0.77，判定系数总体较小，拟合效果较差；Philip模型判定系数在0.23～0.68，适宜性也较差。总体来看，Kostiakov模型拟合的效果较好，尤其对灌丛的模拟最好，能较好地模拟该区域的水分入渗特征。

3.4 根系生物量与土壤渗透、持水性能的关系

植物根系与土壤之间能够形成较大的孔隙，使得微生物活动更加活跃，土壤孔隙不被堵塞，进而对土壤渗透产生重要影响。从表5可以看出，粗根与土壤入渗速率、容重、非毛管孔隙度呈负相关关系，并且均未达到显著水平，细根和中根与土壤入渗速率呈正相关关系，其中细根含量与容重、非毛管孔隙、排水能力呈负相关关系，总根量与土壤入渗速率呈正相关，与容重、非毛管孔隙度呈负相关关系。其中粗根、中根、细根占比为24.23%、32.25%、43.52%。

表4 入渗模型中参数的回归分析结果

表5 根系生物量与土壤渗透、持水性能相关分析

4 结论与讨论

由于受多种因素影响，白龙江林区沙滩林场土壤性质差异比较大，不同演替阶段的土壤容重、孔隙度、持水量关系比较复杂。土壤容重作为评价土壤质量的重要指标，可以反应出土壤的紧实度、通气性等性质，密度越小土壤越疏松，通气性越好，微生物活动比较活跃。孔隙度是土壤水分、养分、微生物、空气等的储存库和活动的主要场所，孔隙度的大小对土壤持水能力、土壤透气性、土壤微生物活动和植物根系生长所遇到的阻力有直接影响[13]，毛管孔隙中的水分可以直接提供给植物根系吸收或土壤蒸腾，毛管孔隙度越大土壤有效水的贮存容量就越大，可供植物根系利用的有效水分的比例就越大[14]，非毛管孔隙可以为土壤水分、养分提供通道和储存空间[15]，也决定土壤渗透性能[16]。可以看出3种林分土壤容重随着土层深度的增加有增大趋势，且灌丛土壤容重最大，这可能与灌丛下草本植物根系的分布有关，灌丛下面的草本植物有13种，明显多于冷杉林和红桦林，而草本植物的根系大多分布在0～10 cm的范围内，植物根系的生长对土壤紧实度有重要影响，使得该区域土壤容重大，通气性差，毛管孔隙度小，但在10～20 cm处灌丛持水量、孔隙度都大于其他土层。持水量与孔隙度随着土壤深度的增加有减小趋势，与土壤容重呈反比关系，总体来说随着土层深度的增加土壤容重和孔隙度呈负相关关系，即土壤容重越大孔隙度越小。渗透是土壤中的水分由表面向土壤中渗入的过程，土壤渗透性能决定着地表径流的调节和转换能力，渗透性能好的土壤不易形成地表径流，抑制土壤冲刷和养分流失[17]，但影响此过程的因素有很多，如林分、土壤的物理性质、枯落物等都对土壤渗透有较大影响。通过对红桦林、冷杉林、灌丛的不同深度土层进行土壤入渗研究，发现在较浅土层灌丛的土壤渗透速率优于其他林分，其渗透速率为5.59 mm·min-1，在灌丛地有13种草本植物，植物覆盖密度较大，这对雨水有很好的缓冲减压作用，不会导致土壤空隙在短时间被堵塞。这与Li等[18]得出植被覆盖对土壤入渗具有积极的促进作用，与李坤等[19]得出草地土壤入渗与覆盖率存在指数关系的结果极为相似，说明草本植物对土壤的改良和对雨水的缓冲对土壤水分入渗有积极作用。在较深土层红桦林的入渗速率较快，可能与乔灌木根系的分布有关，但总体入渗速率具有初渗速率>平均入渗速率>稳定入渗速率的特征，这符合土壤水分入渗是在分子力、毛管力和重力的综合作用下在土壤中运动的物理性质[6]，土壤渗透性能的好坏是衡量水源涵养林涵养水源的重要标志。

在对该地区不同演替阶段土壤入渗进行模拟研究的过程中，Kostiakov模型对灌丛、红桦林、冷杉林水分入渗的模拟都比Philip模型和Horton模型好，尤其对灌丛土壤入渗的模拟最佳，R2为0.79。这与刘芝芹等[20]对金沙江流域森林土壤入渗特征的研究中得出的Kostiakov模型拟合的效果比Philip模型和Horton模型拟合的效果好有部分一致，与吕刚等[21]对辽西北风沙地不同植物群落土壤入渗特性的研究中得出的Horton模型能够较好的模拟当地的土壤水分入渗特征，也与徐勤学等[22]在喀斯特地区的研究结果不一致。这可能与选择区域的土壤类型不同有关，其渗透性也受很多因素的影响，例如土壤的石砾含量、枯落物、母岩等。因此，要以局部模拟对整个区域土壤入渗特征进行描述不能一概而论，应该分植被类型和土壤性质才能更好地了解土壤入渗的特征。

森林由于演替阶段不同，其土壤的理化性质也有所差异，植物根系可以改变土壤的物理结构和化学成分，对优化和改良土壤有着不可替代的作用，土壤容重反映着土壤的紧实程度，对土壤入渗具有较大的影响，并且土壤容重越大，土壤的孔隙越小，通气性就越差，土壤的入渗能力也就降低。土壤结构以及腐殖质的多少决定着毛管孔隙度的大小，尤其是非毛管孔隙对入渗的影响较大，这些性质的变化与根系有密不可分的关系。本研究得出，粗根系与土壤容重、非毛管孔隙度呈负相关关系，即粗根系含量越多，容重和非毛管孔隙度越小，导致其渗透速率也越小。有的学者认为，土壤渗透性取决于非毛管空隙的质和量的结论相一致[23]，细根和中根含量与毛管孔隙度和渗透速率呈正相关关系，与排水能力呈负相关关系，这与阿茹·苏里坦等[6]对天山林区不同群落土壤入渗特征的研究得出，天然冷杉林的土壤入渗速率快与错综复杂的根系分布使得土壤松动有关的结果有部分一致。