楊滿元， 楊 寧 ， 陳志陽(yáng)， 林仲桂

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.實(shí)訓(xùn)中心;b.園林學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421005)

土壤水分入滲過(guò)程是降水、地表水、土壤水與地下水相互轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-2］，研究不同植被恢復(fù)階段土壤水分入滲特性對(duì)于探討其水文過(guò)程具有十分重要的意義［3-6］. 衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地是湖南省生態(tài)環(huán)境最為惡劣的地區(qū)之一，該區(qū)域植被稀疏，基巖裸露，生態(tài)環(huán)境十分惡劣，植被恢復(fù)十分困難，嚴(yán)重影響了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展［7，8］.本研究通過(guò)對(duì)衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同植被恢復(fù)階段土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行分析，為研究該區(qū)域水土流失特征提供依據(jù)，為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo).

1 研究區(qū)概況

該區(qū)域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐標(biāo)為110°32'16″ ～113°16'32″E，26°07'05″ ～27°28'24″N，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均溫18 ℃，年均降雨量1 325 mm，年均蒸發(fā)量1 426.5 mm，紫色土面積有1.625 ×105hm2，呈網(wǎng)狀集中分布于該區(qū)域中部海拔60 ～200 m 的地帶.

2 研究方法

2.1 樣地選擇

結(jié)合當(dāng)?shù)氐挠涊d資料，采用“空間序列代替時(shí)間序列”的方法［9-10］，選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態(tài)因子基本一致的坡中下部沿等高線的有代表性的樣地:Ⅰ.草坡恢復(fù)階段(Grassplot，GT)，Ⅱ.灌草恢復(fù)階段(Frutex and grassplot，F(xiàn)G)，Ⅲ.灌叢恢復(fù)階段(Frutex，F(xiàn)X)，Ⅳ. 喬灌恢復(fù)階段(Arbor and frutex，AF)，代表不同植被恢復(fù)階段，以裸露地為對(duì)照(CK)(表1).

表1 樣地概況Tab.1 The description of experimental plots

2.2 研究方法

2.2.1 土壤基本物理性質(zhì)測(cè)定

研究與2010年9 ～10月，在每個(gè)植被恢復(fù)階段以土壤發(fā)生層次為基礎(chǔ)，將土壤剖面分為3 層(0～15 cm，15 ～30 cm，30 ～45 cm)進(jìn)行土壤樣品的采集.室內(nèi)測(cè)定各層次土樣容重、孔隙度、機(jī)械組成與飽和導(dǎo)電率等(表2)［11］.

2.2.2 入滲測(cè)定及計(jì)算方法

土壤滲透性采用同心環(huán)法測(cè)定［12-14］，其測(cè)定指標(biāo)包括初滲率、平均滲透速率與穩(wěn)滲率. 為了便于比較，最初入滲時(shí)間定為5 min，滲透總量統(tǒng)一取前150 min 內(nèi)的滲透量.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS13.0 進(jìn)行分析與處理.

表2 不同植被恢復(fù)階段土壤物理性狀Tab.2 The soil physical characteristics in different restoration stages

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)階段土壤與飽和導(dǎo)電率的關(guān)系

將表2 中的不同植被恢復(fù)階段3個(gè)土層的土壤容重等有關(guān)的6個(gè)土壤物理因子與對(duì)應(yīng)的飽和導(dǎo)電率進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明(見(jiàn)3)，不同植被恢復(fù)階段土壤飽和導(dǎo)電率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與非毛管孔隙度呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，與粒徑在2～0.25 mm 的含量呈顯著正相關(guān)，與粒徑＞2 mm 含量、粒徑＜0.25 mm 含量以及毛管含量相關(guān)性不明顯.其中與非毛管孔隙度的相關(guān)系數(shù)高于與土壤容重、粒徑在2 ～0.25 mm 的含量的相關(guān)系數(shù)［15-19］.

3.2 不同植被恢復(fù)階段土壤水分入滲過(guò)程

土壤水分入滲過(guò)程不僅是植被生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)在植物發(fā)揮調(diào)配降雨，保持水土的過(guò)程有著重要的作用，因此，土壤滲透性是土壤水文物理性質(zhì)的重要參數(shù)［20-21］.

表3 土壤物理因子與土壤飽和導(dǎo)電率的Spearman 秩相關(guān)分析Tab.3 The Spearman rank correlation analysis between soil physical characteristics and soil saturated hydraulic conductivity

由圖1、表4 可以看出，雖然各植被恢復(fù)階段土壤滲透速率的變化趨勢(shì)一致，在初期滲透速率較高，隨著時(shí)間的推移而下降，最后達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài). 但不同演替階段的土壤初滲率、穩(wěn)滲率和達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間等均有較大的差異(p ＜0.01). 研究區(qū)域內(nèi)不同植被恢復(fù)階段土壤的滲透性能明顯優(yōu)于裸露地(CK)，喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)、灌叢恢復(fù)階段(Ⅲ)、灌草恢復(fù)階段(Ⅱ)、草坡恢復(fù)階段(Ⅰ)的初滲速率值分別是裸露地(CK)(411.44 mm·h－1)的3.28、2.46、2. 03、1. 76 倍;穩(wěn)滲速率分別是裸露地(CK)(121.99 mm·h－1)2.71、2.64、2.62、2.50 倍，表明不同植被恢復(fù)階段均有提高土壤入滲性能的效應(yīng).不同植被恢復(fù)階段土壤蓄水性能也表現(xiàn)出一定的差異:從土壤初滲速率看，喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)(1 348.10 mm·h－1)＞灌叢恢復(fù)階段(Ⅲ)(1 010.88 mm·h－1)＞灌草恢復(fù)階段(Ⅱ)(834. 00 mm·h－1)＞草坡恢復(fù)階段(Ⅰ)(722.10 mm·h－1)＞裸露地(CK)(411.44 mm·h－1);從穩(wěn)滲速率來(lái)看，喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)(331.01 mm·h－1)＞灌叢恢復(fù)階段(Ⅲ)(322.31 mm·h－1)＞灌草恢復(fù)階段(Ⅱ)(319.65 mm·h－1)＞草坡恢復(fù)階段(Ⅰ)(305.19 mm·h－1)＞裸露地(CK)(121.99 mm·h－1);其中，喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)的土壤滲透性能最好.

表4 不同植被恢復(fù)階段土壤滲透特性Tab.4 Soil infiltration prperties in different restoration stages

建立土壤入滲模型是客觀描述土壤入滲規(guī)律的有效方法，利用Kostialov 模型、Horton 模型與Philip 近似理論模型3個(gè)常用模型進(jìn)行擬合(表5)，由于Horton 入滲模型的擬合度R2 較大，因此，Horton 入滲模型在該研究區(qū)有較好的適用性.

圖1 不同植被恢復(fù)階段的土壤滲透過(guò)程Fig.1 The soil infiltration process in different restoration stages

表5 不同植被恢復(fù)階段土壤入滲模式擬合結(jié)果Tab.5 Fitting effect in different restoration stages

3.3 不同植被恢復(fù)階段土壤水分入滲特性

灰色關(guān)聯(lián)分析(Grey relational analysis)是以空間理論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，根據(jù)曲線間的相似程度來(lái)判斷其關(guān)聯(lián)程度.可以對(duì)信息部分明確和部分不明確的灰色系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行定量描述和比較，通過(guò)建立參考序列(母序列)和比較序列(比較序列)之間的灰色關(guān)系，來(lái)評(píng)價(jià)子序列對(duì)母序列的相對(duì)重要程度［22-23］.由于土壤入滲特性的優(yōu)劣與初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透率和滲透總量之間介于已知與未知之間，以土壤入滲特性值作為母因素，土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透率和滲透總量作為子因素，組成的子序列為:土壤入滲特性值= {初滲速率，穩(wěn)滲速率，平均滲透率，滲透總量}.在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，為了消除各指標(biāo)間由于量綱不同對(duì)分析分析造成的影響，在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析前，將其4 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，分辨系數(shù)取0.1，參數(shù)Δmin 取值為0.

結(jié)果表明(表6):不同植被恢復(fù)階段土壤水分入滲性能依次為:喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)(0.730 03)＞灌叢恢復(fù)階段(Ⅲ)(0. 686 02)＞灌草恢復(fù)階段(Ⅱ)(0.596 09)＞草坡恢復(fù)階段(Ⅰ)(0.560 09)＞裸露地(CK)(0.414 03). 喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)在初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透率和滲透總量在各植被恢復(fù)階段中相對(duì)最優(yōu).

表6 不同植被恢復(fù)階段土壤水分入滲特征的灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.6 Grey relational analysis of soil infiltration properties in different restoration stages

4 結(jié) 論

(1)對(duì)土壤容重、土壤機(jī)械組成、土壤孔隙度與土壤飽和導(dǎo)電率進(jìn)行Spearman 秩相關(guān)分析，結(jié)果顯示，不同植被恢復(fù)階段土壤飽和導(dǎo)電率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與非毛管孔隙度呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，與粒徑在2 ～0.25 mm 的含量呈顯著正相關(guān)，與粒徑＞2 mm 含量、粒徑＜0.25 mm 含量以及毛管含量相關(guān)性不明顯.

(2)在研究區(qū)域各植被恢復(fù)階段中，由于Horton 水分入滲模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2值≥0.774，說(shuō)明Horton 水分入滲模型對(duì)衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地土壤水分入滲過(guò)程具有較好的適用性.

(3)將各植被恢復(fù)階段的初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率和滲透總量4 項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明:各植被恢復(fù)階段土壤水分入滲特性灰色關(guān)聯(lián)度依次為:喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)(0.730 03)＞灌叢恢復(fù)階段(Ⅲ)(0.686 02)＞灌草恢復(fù)階段(Ⅱ)(0.596 09)＞草坡恢復(fù)階段(Ⅰ)(0.560 09)＞裸露地(CK)(0.414 03). 喬灌恢復(fù)階段(Ⅳ)在所研究的區(qū)域內(nèi)具有較好的水分入滲性能.

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