彭舜磊，梁亞紅，陳昌東，劉沛松，文禎中

（1.平頂山學(xué)院 低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實驗室，河南 平頂山467000；2.平頂山學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 平頂山467000）

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物理參數(shù)之一。土壤滲透性能愈好，地表徑流愈小，土壤的侵蝕量也就愈少［1－4］。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［5－6］。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［7－9］。植被通過改善土壤結(jié)構(gòu)，提高入滲率，促進(jìn)降雨入滲，減少地表徑流［10－11］。目前，土壤入滲的研究主要關(guān)注土壤入滲過程與模擬以及土壤入滲的空間異質(zhì)性［3－4，6－7］。植被恢復(fù)對土壤入滲與產(chǎn)流的影響很大［3－4］，不同區(qū)域與不同植被恢復(fù)類型對土壤的入滲與產(chǎn)流的影響存在差異［6－7］。閆東鋒和楊喜田［8］對豫南典型林地土壤入滲特征及影響因素進(jìn)行了分析；肖登攀等［1］對太行山不同地表類型降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律進(jìn)行了研究，然而，不同植被恢復(fù)類型土壤入滲過程及其入滲產(chǎn)流機(jī)理研究尚待深入。

由于長期受到人類活動的干擾，伏牛山東麓原生自然植被幾乎破壞殆盡，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱［12］。自1999年以來，該區(qū)先后實施了大規(guī)模的天然林保護(hù)工程和退耕還林工程，植被恢復(fù)效果顯著，森林覆蓋率顯著提高。在這一系列變化中，土壤的理化性質(zhì)包括入滲性能是否發(fā)生變化，是否能夠減少地表徑流？目前，針對這些問題，亟需進(jìn)行探索和研究。本文以伏牛山東麓六種植被恢復(fù)類型為研究對象，通過對其土壤水分入滲過程的測定以及穩(wěn)滲率與不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度的比較，揭示不同植被恢復(fù)類型土壤入滲規(guī)律和地表徑流產(chǎn)生的可能性，以期為伏牛山區(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

選擇伏牛山東麓的魯山縣昭平臺庫區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛虮眮啛釒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，為全國暴雨中心之一。地貌屬低山丘陵區(qū)，巖性組成較為復(fù)雜，主要為花崗片麻巖、閃長片麻巖、大理石巖和片巖等，成土母質(zhì)為基巖風(fēng)化殘積和坡積物，土壤類型為黃棕壤，質(zhì)地黏重，透水透氣性差，水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)4 979 t／k m2，年均土壤流失總量267.3 t［12］。自然植被類型是含有常綠成分的落葉闊葉林，常見樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis）、茅栗（Castanea seguinii ）、槲櫟（Quercus aline）、黃連木（Pistacia chinensis）、山合歡（Albizia kal kor a）、化香（Pl atycar ya str obil acea）等。由于長期的人類干擾，自然植被破壞嚴(yán)重，現(xiàn)存植被大都為次生林、次生灌叢和人工林。常見的人工林樹種為栓皮櫟、刺槐（Robinia pseudoacacia）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 于2012年7月，在魯山縣昭平臺庫區(qū)，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、側(cè)柏人工林、刺槐人工林、灌叢和裸地6個植被類型作為研究對象，在同一植被類型內(nèi)，分別設(shè)置3個20 m×20 m的樣地，對每個樣地進(jìn)行森林植物群落調(diào)查，林齡通過生長錐測定，灌叢與裸地的年齡通過查閱營林檔案和走訪群眾確定，各樣地基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集 在每個樣地內(nèi)選擇具有代表性的樣點(diǎn)，去掉枯枝落葉層，隨機(jī)挖掘3個土壤剖面，每個土壤剖面，用環(huán)刀（5 c m）取0—10 c m的原狀土兩個，1個備測土壤容重，1個備測土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度等指標(biāo)。同時，在樣點(diǎn)附近，去掉枯枝落葉層，用大土鉆（7.5 c m）取0—10 c m土層的土壤，放入自封袋中，備測土壤有機(jī)質(zhì)含量、細(xì)根生物量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，每個樣地重復(fù)取樣3次。

1.2.3 指標(biāo)測試方法 土壤入滲率測試采用雙環(huán)入滲法［13］，在內(nèi)環(huán)使土壤表層保持5 c m水層，直到滲出水量基本穩(wěn)定為止，記錄數(shù)據(jù)包括：初始入滲速率（前5 min平均入滲率）、各時段入滲率、穩(wěn)定入滲率、前60 min累計入滲量。

土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度的測定采用環(huán)刀法［14］；土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法；水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體用改進(jìn)的Yoder濕篩法測定［14］。將野外取樣的根系沖洗陰干后，70℃恒溫下48 h烘干，稱其干質(zhì)量，細(xì)根生物量等于根系干質(zhì)量與取樣環(huán)刀橫截面面積的比值［15］。各植被類型土壤理化指標(biāo)見表2。

表2 不同植被恢復(fù)類型土壤入滲特征參數(shù)

1.2.4 不同重現(xiàn)期暴雨歷時計算及產(chǎn)流可能性預(yù)測

根據(jù)魯山縣氣象局1953—2009年的降雨資料，按年最大值法選樣，用指數(shù)分布函數(shù)進(jìn)行頻率擬合，得出重現(xiàn)期與降雨強(qiáng)度的關(guān)系，應(yīng)用我國通用的設(shè)計暴雨公式通過最小二乘法得出暴雨歷時曲線。通過比較土壤穩(wěn)滲率與暴雨歷時曲線對應(yīng)的10 min雨強(qiáng)，預(yù)測地表徑流發(fā)生的可能性［3］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤入滲和土壤各理化指標(biāo)采用平均值，各土壤理化因子對土壤入滲參數(shù)的影響以及暴雨歷時曲線擬合所涉及的統(tǒng)計分析均通過SPSS 16.0統(tǒng)計軟件完成，運(yùn)用Sig maPl ot 11.0軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型表層土壤入滲率比較

不同植被恢復(fù)類型的土壤入滲過程可分為3個階段。（1）瞬變階段（0—20 min）：各種植被類型滲透初期，土壤滲透率變化幅度較大；（2）漸變階段（20—40 min）：各植被類型的土壤滲透率逐漸變小；（3）穩(wěn)滲階段（40 min）：主要發(fā)生在40 min以后，入滲率趨于穩(wěn)定（圖1）。初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲總量在不同植被恢復(fù)類型中均呈現(xiàn)同樣的趨勢：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＞裸地。栓皮櫟次生林的初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲總量最高，分別為8.1 mm／min，4.8 mm／min和319.1 mm，分別是裸地對照的4.3倍，12倍和7.2倍（圖2）。

2.2 不同植被類型表層土壤入滲的影響因素

選取土壤容重（X1）、總孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、毛管孔隙度（X4）、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量（X5）、細(xì)根生物量（X6）、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（X7）作為影響土壤入滲的因子，選取初始入滲率（Y1）、穩(wěn)滲率（Y2）、前60 min入滲量（Y3）作為表征土壤入滲特征的因子，進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），結(jié)果表明：土壤各入滲參數(shù)除與毛管孔隙度不相關(guān)外，與土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、細(xì)根生物量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著相關(guān)（p＜0.05），其中穩(wěn)滲率和前60 min入滲量與土壤容重和總孔隙度極顯著相關(guān)（p＜0.01）。為消除各影響因子之間的交互作用和多重共線現(xiàn)象，以3個土壤入滲指標(biāo)分別作為因變量，7個影響土壤入滲的因子作為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析，得到土壤水分初滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲量的主導(dǎo)因子方程（表4），結(jié)果均達(dá)到了極顯著水平，說明總孔隙度和土壤容重是影響土壤入滲特征的主導(dǎo)因子。

圖1 不同植被恢復(fù)類型土壤入滲過程比較

圖2 不同植被恢復(fù)類型初滲率（Ki）、穩(wěn)滲率（Ks）和前60 min入滲量（C60 min）比較

表3 土壤入滲性能與影響因素相關(guān)系數(shù)

表4 土壤滲透性主導(dǎo)因子方程

2.3 不同植被類型土壤穩(wěn)滲率與不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3可知，栓皮櫟次生林土壤表層的穩(wěn)滲率最高，大于10 a一遇的暴雨10 min雨強(qiáng)，栓皮櫟人工林土壤表層的穩(wěn)滲率次之，大于1 a一遇的暴雨10 min雨強(qiáng)。其它植被類型表層土壤的穩(wěn)滲率較低，均低于1 a一遇的10 min暴雨雨強(qiáng)，很容易產(chǎn)生暴雨徑流。

圖3 不同植被類型表層土壤穩(wěn)滲率與不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度比較

3 結(jié)論與討論

3.1 不同植被恢復(fù)類型土壤入滲率差別較大

選擇初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲量作為表征土壤入滲特征的指標(biāo)，不同植被恢復(fù)類型的入滲特征指標(biāo)均呈現(xiàn)出同樣的趨勢：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＞裸地。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)、容重密切相關(guān)［16－17］，本研究表明：土壤各入滲參數(shù)除與毛管孔隙度不相關(guān)外，與土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、細(xì)根生物量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著相關(guān)（p＜0.05）。逐步回歸分析表明，土壤容重和總孔隙度是影響土壤入滲性能的主導(dǎo)因子。栓皮櫟次生林表層土壤受干擾小，根系發(fā)達(dá)，土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、非毛管孔隙度高，有利于提高土壤總孔隙度，降低土壤容重，進(jìn)而提高土壤 水 分 入 滲 性 能［6，9，18－20］。 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)，土壤總孔隙度較高，土壤容重較低，因而入滲率相對較高，而側(cè)柏和刺槐人工林和灌叢林下植被組成簡單，根系不發(fā)達(dá)，總孔隙度小，土壤容重相對栓皮櫟次生林和人工林較高，所以入滲性能相對較低［18］。裸地土壤受人類干擾大，較為緊實、根系不發(fā)達(dá)、土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量少，孔隙性差，因此入滲能力最低［7］。許多研究表明，土壤入滲率與土壤容重呈顯著負(fù)相 關(guān)［13，16－17］，與 本 研 究 的 結(jié) 果 一 致。 土 壤 容 重 越大，土壤越緊實，孔隙度越小，透水、透氣性越差，入滲率就越低。

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—20 min）、漸變階段（20—40 min）和穩(wěn)定階段（40 min后）。瞬變階段土壤入滲速率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，水分主要在重力的作用下做滲透運(yùn)動，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)［16］。以往研究中多采用穩(wěn)滲率來比較不同土地利用類型的土壤滲透性能，而忽視了初滲率［3－4］。如在一次降水，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 天然次生林與鄉(xiāng)土樹種人工林地表徑流量較其它植被類型小

很多學(xué)者通過降雨歷時曲線與穩(wěn)滲率的比較，預(yù)測地表徑流產(chǎn)生的可能性［3－4，11］。栓皮櫟次生林由于林下土壤受人為干擾較小，土壤容重較低，總孔隙度高，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)育好，根系發(fā)達(dá)，有機(jī)質(zhì)含量高，所以入滲率最高，能抵御10 a一遇的暴雨，不容易產(chǎn)生地表徑流［3－4，11］；栓皮櫟人工林由于是鄉(xiāng)土樹種，林下植被豐富，對土壤的改善作用大于刺槐和側(cè)柏人工林，入滲率較高，所以能夠抵御1 a一遇的暴雨而很少產(chǎn)生地表徑流。而側(cè)柏、刺槐人工林和灌叢林下植被組成簡單，根系不發(fā)達(dá)，土壤滲透性與栓皮櫟次生林和人工林相比較差，低于1 a一遇的暴雨10 min雨強(qiáng)，易產(chǎn)生地表徑流。裸地受人為干擾最大，土壤緊實，入滲率最低，最容易產(chǎn)生地表徑流［6，13，17］。

在伏牛山東麓植被恢復(fù)建設(shè)中，應(yīng)保護(hù)現(xiàn)有的天然次生林，其林下土壤具有較強(qiáng)的入滲能力。另外，在人工林恢復(fù)中，應(yīng)首先選擇鄉(xiāng)土樹種，其林下可以吸引更多的鄉(xiāng)土植被定居，逐漸形成與自然植被相近的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)林下土壤恢復(fù)，增加土壤入滲能力。

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