人为践踏对南京紫金山天然次生林土壤渗透性的影响

董一桥，刘倩倩，彭孝楠，翁泽宇，刘 鑫，徐海兵，戴康龙，董丽娜，张金池*

(1.南京林业大学,南方现代林业协同创新中心，江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037；2.南京中山陵园管理局，江苏 南京 210014)

土壤是自然界的组成部分，其既是植物生长发育所需养分、水分的载体，也是反映土壤环境和水文状况的重要指标，而土壤作为被人为践踏所影响的最主要环境因子，土壤环境的稳定对生态环境的稳定起着关键作用[1-4]。

人为践踏首先使得土壤结构变得更加紧密结实[5]，减少了土壤的毛细孔空间，使得土壤的各孔隙度都降低[6]，导致土壤的通气性变差，改变了土壤涵养水源的能力[7]，影响土壤渗透性[8]；由于水分的渗入能力降低，土壤表面径流增加，从而导致土壤侵蚀增加，土壤环境遭到破坏，地被植物生长受到严重影响，不利于生态环境的良好发展[9-11]。目前国内外学者在践踏对土壤各种性质的影响研究中已取得了一些成果，如高强度人为践踏使得土壤中的有机质、全氮、全钾及速效养分的含量降低[12-14]，一定程度人为践踏会使得土壤中常见的酶活性降低[15-17]，而在人为践踏对土壤涵养水源以及土壤渗透性方面的影响研究较少，部分学者只是对人为践踏对土壤渗透的影响做过初步研究[5]，不同强度的人为践踏对土壤渗透能力的影响情况鲜见报道。

南京紫金山国家森林公园是中国第一个城市国家森林公园，每年一次性进山游客总量超过600万人次。本研究以南京紫金山国家森林公园为研究对象，根据国家质检总局颁布的《天然草地退化、沙化盐渍化的分级指标》国家标准与相关学者对退化草地分级标准的研究结果[18]，依据人为践踏所造成的植被覆盖率对紫金山森林公园中两块海拔不同的次生林样地进行研究，探讨不同人为践踏强度对土壤涵养水源功能及土壤渗透性等指标的影响，以期为紫金山国家森林公园的生态旅游管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

紫金山国家森林公园位于江苏省南京市玄武区(118°48′24″～118°53′04″E，32°01′57″～32°16′15″N)，总面积为 2 970 hm2，其中森林面积为 2 107.6 hm2，郁闭度达 0.75～0.80。主峰最高海拔为 448.9 m[19]。气候为亚热带季风性气候，降水充足，季节性变化明显。年平均气温 15.4 ℃，年平均相对湿度 76%，年平均日照时长 2 213 h，无霜期 237 d。土壤主要为黄棕壤，成土母质为砂岩坡积物[20]，土壤主要呈微酸性，且土质较为黏重[21]。紫金山林型为常绿针阔叶林与落叶阔叶林，植物资源丰富，以麻栎(Quercusacutissima)、朴树(Celtissinensis)、石楠(Photiniaserratifolia)、雪松(Cedrusdeodara)和杉木(Cunninghamialanceolata)等乔木为主。

1.2 试验设计与样品采集

参照GB 19377—2003《天然草地退化、沙化盐渍化的分级指标》，依据人为践踏所造成的植被覆盖率减少后的相对百分数(CR)，设置无践踏(CK，CR≥90%)、轻度践踏(LT，70%≤CR<90%)、中度践踏(MT，50%≤CR<70%)、中重度践踏(MST，30%≤CR<50%)、重度践踏(ST，10%≤CR<30%)、极度践踏(ET，0%≤CR<10%)等6种处理。

在南京紫金山国家森林公园内的头陀岭和蒋王庙两个主要天然次生林区域设置两块试验区，头陀岭试验区海拔为300～450 m，蒋王庙试验区海拔为0～150 m，共选取10条宽度约为2 m的人为践踏小径，每条小径上设置3个1 m×1 m的小样方用于植被覆盖度调查。选取的10条小径共分为5个践踏强度，每个试验区各设一处1 m×1 m未受人为践踏小样方作为对照，试验区样点分布如图1所示，各样点的基本情况见表1。

图1 试验区点位图

表1 不同践踏强度各样点基本情况

在每个样方中对0～10 cm表层土进行5点取样，在每个样方的四角以及样方的中心位置取样，每个样点用2个体积为100 cm3的环刀采集土壤样品，一个用来测量土壤容重、孔隙度、持水量等指标，另一个用来测量土壤渗透性等指标。取样时先将选取样点处杂物清理干净，然后用环刀进行土壤样品采集，采集后的环刀外层用保鲜膜封好，防止水分蒸发导致实验结果不准确；封好后带回实验室立即进行样品处理与实验。

1.3 测定项目与方法

参考《森林土壤分析方法》[22]进行各项指标的测定与计算：土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水量、毛管持水量和田间持水量均采用环刀法测定；土壤初始渗透速率、稳定渗透速率、平均渗透速率与渗透总量均采用双环刀法测定。

1.4 数据计算与处理

初渗率=最初入渗时段内渗透量/入渗时间(取入渗过程前2 min计算初渗率)；稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；平均入渗率=达到稳渗时的渗透总量/达到稳渗时的时间。

因所有土样渗透速率均在 60 min 前达到稳定，因此渗透总量统一取前 60 min 内的渗透量。

采用 Excel 2019 进行数据处理，对不同踩踏强度下土壤的容重与各孔隙度指标、各持水量指标以及各渗透指标进行单因素方差分析(One way ANOVA)，采用最小二乘法(LSD)进行差异性检验，显著性水平为P<0.05，并建立结构平衡方程模型进行分析。所有统计检验均用SPSS 26.0、AMOS 26.0 软件完成，图片均用Origin 2017 软件完成。

2 结果与分析

2.1 践踏强度对土壤涵养水源功能的影响

2.1.1 土壤容重和孔隙状况

不同践踏强度对土壤容重、孔隙度与水分状况的影响见表2，两块试验区中土壤容重都随着践踏强度的增强而逐渐变大，无践踏区域容重显著低于各级践踏区域(P<0.05)，且重度和极度践踏区域容重显著高于轻度和中度践踏区域(P<0.05)。此外，随着践踏强度增强，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈现逐渐降低的变化趋势，极度践踏区域土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均显著低于无践踏区域(P<0.05)。对比两处试验区可以看出，低海拔的蒋王庙样地土壤容重受践踏影响的变化比高海拔的头陀岭样地更加明显。

2.1.2 土壤水分状况

总体来看，随着践踏程度的增强，各含水量均呈现降低的变化趋势(表2)，两块试验区中无践踏区域土壤饱和含水量、毛管持水量、田间持水量均显著高于中度践踏强度以上的区域(P<0.05)。

表2 践踏强度对土壤容重、孔隙度与水分状况的影响

2.2 践踏强度对土壤入渗过程的影响

两处试验区中各践踏强度下土壤渗透速率均在前10 min内降幅最大，10 min后入渗速率缓慢下降，在40 min以后相差不大，达到稳渗速率(图2)。对比无践踏条件下渗透过程曲线，人为践踏条件下土壤的渗透能力下降显著(P<0.05)，轻度践踏条件下的初渗率比无践踏条件下降40%以上。两试验区不同的是在蒋王庙轻度践踏、中度践踏与中重度践踏间渗透能力相差不大，大致在一个比较接近的范围；而在头陀岭中度践踏比轻度践踏条件下渗透能力下降显著(P<0.05)。两样地中重度践踏与极度践踏下相比无践踏区域渗透能力下降更为明显。

图2 不同践踏强度下土壤渗透过程曲线

2.3 践踏强度对土壤入渗指标的影响

不同人为践踏强度土壤渗透性变化规律几乎相同，随着人为践踏程度的增强，土壤渗透总量、初渗率、平均入渗率、稳渗率4个指标均呈递减趋势(图3)。由图3还可以得出轻度践踏、中度践踏、中重度践踏3种践踏强度下各渗透指标随践踏强度增加呈降低趋势但并不显著(P>0.05)，重度践踏和极度践踏两种践踏强度下各渗透指标呈降低趋势但并不显著(P>0.05)。4个指标中重度践踏和极度践踏与其他践踏强度的土壤均差异显著(P<0.05)，头陀岭试验区中ET与CK相比土壤初渗率降低72.5%，稳渗率降低81.6%，平均入渗率降低82.2%，渗透总量降低87.5%；蒋王庙试验区中ET与CK相比土壤初渗率降低78.5%，稳渗率降低87.6%，平均入渗率降低88.2%，渗透总量降低89.5%；可以看出低海拔的蒋王庙试验区土壤渗透能力受践踏的影响更加明显。

图3 不同践踏强度对土壤渗透速率及渗透总量的影响

2.4 土壤渗透性影响因子的SEM分析

使用 AMOS 26.0建立结构平衡方程模型(SEM)，不同评价指标因子对土壤渗透性影响的SEM分析见图4。图4中每一个矩形代表一个测定指标，通过对各模型参数进行筛选，得出人为践踏对土壤渗透性影响的结构平衡方程模型，可更直观地表现出各指标间的结构关系。卡方检验P值为0.293(>0.050)，近似误差均方根(RESEA)值为0.072(<0.08)，拟合优度指数(GFI)值为0.958(>0.95)，模型各参数均符合要求。

直线箭头上数字为标准路径系数，直线箭头的粗细表示影响的强弱。Numbers on arrows are standardized path coefficients.The width of arrows indicates the strength of the causal influence.**.P<0.01.

结构方程中各因子与土壤渗透性之间相关性见表3，土壤渗透能力主要是由践踏强度、土壤容重、总孔隙度直接影响，其中土壤容重仅通过直接效应影响土壤渗透能力；此外，践踏强度通过影响土壤容重和总孔隙度间接影响土壤的渗透能力，其中，践踏强度、总孔隙度对土壤渗透能力的综合影响系数最大，分别为-0.823和0.466。

表3 结构方程中各因子与土壤渗透性之间的相关性

3 讨 论

土壤渗透是由多个因子共同作用后的结果，相关学者研究表明土壤的质地、植被细根以及土壤孔隙等都会显著影响土壤渗透能力[23-25]，表层土壤则是土壤渗透过程的重要介质[5]，因此本研究对紫金山森林公园0～10 cm的表层土进行了取样与实验，用以探究人为践踏对表层土壤渗透能力的影响。

土壤容重指自然状态下单位体积内干土的质量，也称作干密度[26]。已有研究表明土壤容重小，则土壤较为疏松，通透性好，肥力高；土壤容重大，则土体紧密，结构性和通透性差[27]。土壤孔隙度是反映土壤持水能力与通透性的重要指标[28]。土壤质量含水量、饱和含水量以及毛管含水量的高低可以反映出土壤的保水与供水能力的强弱，含水量的不同可以影响凋落物分解速率以及土壤盐基养分淋溶程度[29]，因此，高含水量的土壤有利于土壤养分积累，更适宜植物生长发育。

通过研究不同人为践踏强度下的土壤各指标，发现人为践踏导致土壤容重增加、土壤总孔隙度降低，这是因为高强度的人为践踏会使得土壤压缩变得紧实，从而导致土壤的容重变大、孔隙度变小[1]，而未受人为践踏的区域由于植被覆盖度高，常年有大量枯落物分解，使得无践踏区域的土壤变得松散，从而导致土壤的容重较小，孔隙度较大[12]，这与大部分学者的研究结果大致相同[5-6]。由于人为践踏的原因导致植物大量死亡，土壤中根系生物量降低，同时土壤中的微生物群落与多样性降低[30-32]，使得人为践踏区域中的土壤由于失去了根系的互穿和交织作用，导致土壤中孔隙度降低[33]，因此土壤通气性降低，土壤的渗透能力也随之下降。

土壤入渗是水分渗入土壤的过程，是土壤水分循环的重要环节[34]；地表水分及时通过土壤入渗到地下可以使土壤及时保存水分，涵养水源，有利于减小因径流产生而导致的土壤侵蚀，由土壤保持的水分可以被植物吸收利用，有利于植物生长发育，对生态环境良好发展有着重要作用。不同人为践踏条件下土壤的渗透性存在一定的差异，各样地中3个反映水分入渗特征值之间的关系表现为：初始渗透速率>平均渗透速率>稳定渗透速率；各项参数都是随着人为践踏强度的增加而减小，这与大部分相关研究结果基本一致[6,35]；实验还发现，轻度践踏与中度践踏条件之间土壤渗透能力差异并不显著，重度践踏、极度践踏两种条件之间土壤渗透能力差异也不显著，这可能是由于土壤渗透能力的改变与践踏强度之间会有一个临界值，践踏强度到达某个临界值时，土壤中的某些因子会发生较为明显的变化，从而导致土壤渗透能力也会明显变化。

通过使用 AMOS 26.0建立结构平衡方程模型(SEM)进行分析，结果表明人为践踏除了直接影响土壤的渗透能力，还可以通过影响土壤容重间接影响土壤的渗透能力，践踏强度、土壤总孔隙度对土壤渗透能力的综合影响系数较大，分别为-0.823和0.466。因此，分析研究土壤渗透能力不可局限于某一影响因子，还应进行更全面地分析研究。

土壤渗透涵养水源是一个深入的过程，水源通过表层土壤渗透贮存在深层土壤中[36]，为了更深入地了解人为践踏对土壤入渗的影响，建议继续研究深层的土层渗透变化。人为践踏会对土壤一系列环境造成影响，如：践踏可以减少森林土壤中的酶活性，改变土壤养分的组成[37]；践踏可以降低土壤中微生物活性[38]，导致土壤中的微生物群落与多样性降低[31]；践踏使得植物多样性与丰富度降低[39-40]；践踏会导致土壤动物活性降低与总群减少[41]。这些都是可能造成土壤渗透性变差的原因。

4 结 论

1)土壤容重会随着人为践踏强度的增加而增加，总孔隙度会随着人为践踏强度的增加而减少，毛管孔隙度与非毛管孔隙度都变化明显，研究结果表明人为践踏可以降低土壤的毛管孔隙度与非毛管孔隙度。对土壤的饱和含水量、毛管持水量以及田间持水量研究表明，高强度的人为践踏会降低土壤的各含水量指标，降低土壤的持水能力，且低海拔处土壤容重受践踏影响比高海拔处更为明显。

2)不同强度人为践踏对土壤渗透性有不同影响，对土壤的渗透过程、初渗率、稳渗率、平均入渗率以及渗透总量等指标研究表明，人为践踏条件下的土壤渗透能力会显著降低(P<0.05)。两处试验区域轻度践踏条件下的初渗率都比无践踏条件下降35%以上，由此可以得出人为践踏对于土壤渗透性的影响是显著的(P<0.05)，且低海拔处土壤渗透能力受践踏影响比高海拔处更为明显。

3)结构平衡方程模型分析表明，土壤渗透能力主要是由践踏强度和土壤总孔隙度直接影响；此外，践踏强度还通过影响土壤容重间接影响土壤的渗透能力。其中，践踏强度对土壤渗透能力的影响系数最大。