彭舜磊　陳昌東　劉沛松等

摘要：采用雙環(huán)入滲法研究了豫西低山丘陵區(qū)6種不同植被恢復(fù)類型表層土壤入滲規(guī)律的差異，并選擇Kostiakov公式、Horton公式和Philip公式對6種類型植被恢復(fù)土壤的入滲過程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：①不同植被恢復(fù)類型土壤的初滲率、穩(wěn)滲率、孔隙度和含水量均存在顯著差異（P<0.01），初滲率和穩(wěn)滲率均表現(xiàn)出栓皮櫟次生林>栓皮櫟人工林>刺槐人工林>側(cè)柏人工林>灌叢>荒草地的規(guī)律；②Philip公式對6種植被恢復(fù)類型土壤入滲過程的擬合精度最高，6種植被恢復(fù)類型土壤入滲過程呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，可分為瞬變階段（0～15 min）、漸變階段（15～30 min）和穩(wěn)定階段（30 min后）；③土壤的物理性質(zhì)影響入滲率，穩(wěn)滲率與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，符合負(fù)指數(shù)曲線；林地由于土壤容重降低、孔隙度增加的緣故，其土壤入滲率明顯高于荒草地。運(yùn)用封育天然次生林和鄉(xiāng)土樹種人工林進(jìn)行植被恢復(fù)有利于提高土壤的入滲性能。

關(guān)鍵詞：低山丘陵區(qū)；土壤入滲； 土壤容重； 入滲模型；植被類型；豫西

中圖分類號：S714.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1549-04

土壤入滲率是指單位時間、單位面積土壤表面入滲的水量，是描述土壤水分入滲快慢極為重要的土壤物理參數(shù)之一[1]。很多研究表明，土壤滲透性能愈好，地表徑流就愈小，土壤的侵蝕量也愈少[2-5]。因此，探討不同植被恢復(fù)類型下土壤水分的入滲性能，對于研究低山丘陵地區(qū)坡面徑流的產(chǎn)流機(jī)理、大氣-土壤-植被連續(xù)體（SPAC）中水分傳輸轉(zhuǎn)化過程具有重要意義[6，7]。近年來，許多學(xué)者建議將“增加土壤入滲能力，就地?cái)r蓄降雨徑流”作為水土保持的重要戰(zhàn)略決策[6]。土壤入滲性能與植被類型和土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、地面坡度、土壤剖面含水量有關(guān)，并隨入滲時間的推移逐漸降低，最終趨于一個常數(shù)，即穩(wěn)定入滲率[8-10]。植被通過改善地表土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)降雨入滲、減少地表徑流[11，12]。

由于人類長期農(nóng)耕活動干擾，豫西低山丘陵地區(qū)原生植被幾乎破壞殆盡，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。該區(qū)域溝谷縱橫，水系發(fā)達(dá)，水庫較多，降雨集中，暴雨頻繁，地表徑流量與土壤流失量關(guān)系密切。自1998年以來，該區(qū)先后實(shí)施了大規(guī)模的天然林保護(hù)工程和退耕還林工程，植被恢復(fù)效果明顯，森林覆蓋率顯著提高，植被下墊面發(fā)生明顯變化。本研究以豫西低山丘陵地區(qū)6種不同的植被恢復(fù)模式為研究對象，通過對其表層土壤入滲率的測定與模擬，旨在揭示不同植被恢復(fù)類型土壤入滲規(guī)律，為低山丘陵地區(qū)水土保持、植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科技支撐與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在豫西伏牛山東麓魯山縣低山丘陵地區(qū)，氣候?qū)儆诒眮啛釒蚺瘻貛н^渡區(qū)，年均氣溫14.7 ℃，年均降雨量1 000 mm，年蒸發(fā)量1 100 mm。土壤類型為黃棕壤，質(zhì)地粘重，透水透氣性差，水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)4 979 t/km2，年均土壤流失總量267.3 t/km2 [13]。地帶性植被是櫟屬落葉闊葉林，由于人類干擾，地帶性植被破壞嚴(yán)重，現(xiàn)存植被大都為次生林和人工林，主要植被類型有栓皮櫟次生林、栓皮櫟人工林、刺槐人工林、側(cè)柏人工林、灌叢和荒草地等。

1.2 方法

1.2.1 樣地設(shè)置 在庫區(qū)的西南坡分別選取坡度、坡向和海拔基本相同的栓皮櫟次生林、栓皮櫟人工林、刺槐人工林、側(cè)柏人工林、灌叢和荒草地6個植被恢復(fù)類型，在同一植被類型內(nèi)設(shè)置3個20 m ×20 m的樣地（表1），每個樣地隨機(jī)設(shè)取樣點(diǎn)3個，在每個取樣點(diǎn)除去土壤表面的枯枝落葉層，采用雙環(huán)入滲法測量0～10 cm的土壤入滲率[14]，然后用環(huán)刀取土樣備測土壤容重和總孔隙度，另外用土鉆取土樣備測土壤含水量。

1.2.2 土壤水分入滲指標(biāo)測試與計(jì)算 土壤容重采用環(huán)刀法，總孔隙度通過土壤容重與土壤密度計(jì)算，土壤含水量采用烘干法（105 ℃，10 h）[15]。

1.2.3 土壤入滲模型 選擇3個著名的土壤入滲模型對不同植被恢復(fù)類型的土壤入滲過程進(jìn)行模擬[12]，3個入滲模型公式如下：

1）Kostiakov公式：i=at-b

2）Horton公式：i=ic+（i0-ic）×e-βt

3）Philip公式：i=1/2×at-1/2+b

以上各式中：i為入滲率（mm/min）；i0為初滲率（mm/min）；ic為穩(wěn)滲率（mm/min）；t為入滲時間（min）；a，b，β，n為參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)類型表層土壤入滲率

由圖1可知，不同植被恢復(fù)類型的土壤入滲率存在較大差異，栓皮櫟次生林土壤入滲率最高，其次是栓皮櫟人工林，荒草地最低。入滲過程可分為3個階段：①瞬變階段（0～15 min）為滲透初期，各種植被類型土壤滲透率變化都很大；②漸變階段（15～30 min）為過渡階段，各植被類型的土壤滲透率逐漸變??；③穩(wěn)定階段（30 min后）的入滲率趨于穩(wěn)定（圖1）。各種植被類型土壤的初滲率和穩(wěn)滲率存在顯著差異，栓皮櫟次生林的土壤初滲率和穩(wěn)滲率分別為8.1和4.8 mm/min，顯著高于其他植被類型。在人工植被恢復(fù)模式中，栓皮櫟人工林土壤的初滲率和穩(wěn)滲率最高，土壤容重和總孔隙度也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律（表2，P<0.01）。

2.2 不同植被恢復(fù)類型表層土壤入滲過程模擬

分別采用Kostiakov、Horton和Philip公式對6種植被類型的土壤入滲過程進(jìn)行模擬，各模型參數(shù)擬合值和相關(guān)系數(shù)如表3所示。3種入滲模型的擬合結(jié)果均較好，其中以Philip公式擬合的精度最高，相關(guān)系數(shù)均在0.93以上。

2.3 不同植被恢復(fù)類型土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的關(guān)系

由圖2可知，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的相關(guān)性極顯著（P<0.01），其中，土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的關(guān)系符合負(fù)指數(shù)曲線，決定系數(shù)達(dá)到0.977 4。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同植被恢復(fù)類型表層土壤入滲規(guī)律

土壤孔隙度、含水量、初滲率、穩(wěn)滲率均表現(xiàn)出栓皮櫟次生林>栓皮櫟人工林>刺槐人工林>側(cè)柏人工林>灌叢>荒草地的規(guī)律， 而土壤容重表現(xiàn)出相反的規(guī)律。主要原因可能是次生林表層土壤受干擾小，枯枝落葉層較厚，根系發(fā)達(dá)，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，土壤動物活動頻繁，所以土壤含水量、孔隙度和入滲率均最高，而土壤容重最小[7，10，16]。在人工林恢復(fù)模式中，鄉(xiāng)土樹種栓皮櫟人工林下植被相對豐富，根系發(fā)達(dá)，土壤通透性較好，所以入滲率相對較高，荒草地土壤結(jié)構(gòu)差，容重大，水土流失嚴(yán)重，入滲能力較其他植被類型弱[9]。

從土壤入滲的時間過程曲線分析，6種植被類型均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即入滲率的變化過程分為瞬變階段（0～15 min）、漸變階段（15～30 min）和穩(wěn)定階段（30 min后）。瞬變階段土壤入滲速率變化主要受土壤表面分子力的作用，入滲率與土壤初始含水量關(guān)系密切，漸變階段主要受土壤毛管力的作用；穩(wěn)定階段土壤水分已經(jīng)完全充滿土壤孔隙，水分主要在重力作用下做滲透運(yùn)動，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[1]。以往研究多采用穩(wěn)滲率比較不同土地利用類型的土壤滲透性能，而忽視初滲率[2，3]。在一次降水，特別是短歷時降水中，土壤初滲率越大，降水產(chǎn)生的地表徑流越少，土壤攔蓄降水的作用就越強(qiáng)，此時的初滲率則更能反映土壤的滲透性能。

3.2 不同植被恢復(fù)類型層土壤入滲過程模擬

多年來，許多學(xué)者對土壤水分運(yùn)動機(jī)制和過程等進(jìn)行了大量研究，并試圖通過確定某些參數(shù)與土壤特征之間的關(guān)系建立土壤水分入滲的數(shù)學(xué)模型。目前常用的入滲模型很多，大致分為兩類，一類是經(jīng)驗(yàn)公式，如Kostiakov公式和Horton公式等；另一類是物理模型，其特征參數(shù)與土壤物理性質(zhì)間具有一定的關(guān)系，如Philip公式等[1]。本研究采用這3個著名的入滲模型對各植被類型土壤的入滲過程進(jìn)行模擬。Philip公式比較適用于初始含水量較低、入滲時間不是很長的情況，本研究中6種植被土壤含水量的變化范圍為12.35%～19.04%，含水量較低，到達(dá)穩(wěn)滲的時間為30～40 min，入滲時間不長，滿足Philip公式條件，所以Philip公式模擬精度最高。Kostiakov公式和Horton公式在入滲時間超過2 h 后精度才會更高，但是在本研究中，2個模型的擬合效果也較好。Kostiakov公式中的參數(shù)a在6種植被類型的變化范圍為9.856～3.636，b的變化范圍在0.194～0.641，a為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù)，相當(dāng)于第一個單位時段內(nèi)平均入滲速率，a值主要受土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和非毛管孔隙度等影響；b值大小表示入滲速率隨時間減小的程度，b值越大，則入滲速率隨時間減小的程度越快[9]。a的最小值和b的最大值均出現(xiàn)在荒草地，說明荒草地的入滲率最小且入滲率隨時間遞減最快。Horton公式中ic代表穩(wěn)滲率，栓皮櫟次生林的ic值最大，為4.800 mm/min，ic值從栓皮櫟次生林到荒草地依次降低。在Philip公式中，a值的變化范圍為6.345～16.024，最大值出現(xiàn)在栓皮櫟次生林，最小值出現(xiàn)在荒草地，該值的大小反映土壤入滲能力的大小。

3.3 不同植被恢復(fù)類型土壤穩(wěn)滲率與土壤容重的關(guān)系

土壤水分入滲是一個復(fù)雜的水文過程，與降雨地表徑流、表土結(jié)構(gòu)、容重、土壤含水量關(guān)系密切[4，9，16，17]。很多研究表明，土壤入滲率與土壤容重呈顯著的負(fù)相關(guān)[15，17]，與本研究的結(jié)果一致。土壤容重越大，土壤越緊實(shí)，孔隙度越小，透水、透氣性越差，入滲率就越低[15]。荒草地由于植物稀疏，根系不發(fā)達(dá)，土壤結(jié)構(gòu)較差，土壤容重較大，所以入滲率較低。在灌叢地內(nèi)，由于木本植物較多，根系較荒草地發(fā)達(dá)，土壤的容重低于荒草地，故入滲率高于荒草地。栓皮櫟人工林由于是鄉(xiāng)土樹種，林下植被豐富，根系發(fā)達(dá)，有機(jī)質(zhì)豐富，對土壤的改善作用大于刺槐和側(cè)柏人工林，故林下土壤容重較低，入滲率較高。栓皮櫟次生林由于林下土壤受人為干擾較小，郁閉度高，具有豐厚的枯枝落葉層和有機(jī)質(zhì)，土壤發(fā)育和通透性較好，所以容重最低，入滲率也最高。

在低山丘陵地區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)中，應(yīng)該保護(hù)現(xiàn)有的天然次生林，其林下的土壤具有較強(qiáng)的水分入滲和水源涵養(yǎng)能力。另外，在人工林植被恢復(fù)中，應(yīng)該首先選擇地帶性植被和鄉(xiāng)土樹種，其林下可以吸引更多的鄉(xiāng)土植被定居，并逐漸演替，形成與地帶性植被相近的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)林下土壤恢復(fù)，增加土壤的入滲與涵養(yǎng)水源的能力，同時土壤水分條件的改變也會促進(jìn)植被的快速恢復(fù)。

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